極化模色散

極化膜色散，又稱為偏振膜色散（簡稱 PMD）。是一個信號脈衝沿著理想的對稱圓形單模光纖在不受外界干擾情況下傳輸時,光纖輸入端的光脈衝可分裂成兩個垂直的偏振輸出脈衝,以相同的的傳播速度進行傳輸,並同時到達光纖輸出端,這兩個脈衝疊加在一起會重現出它們在光纖輸入端時的偏振狀態,實際上光纖由於種種原因,會引起雙折射,即x軸方向和y軸方向上的折射率是不一樣的,因此引起極化膜色散（偏振模色散）。

基本介紹

• 中文名：極化模色散
• 外文名：Polarization Mode Dispersion
• 對象：一個確定的光波
• 類型：色散
• 傳播途徑：單模光纖

基本簡介

對於一個確定的光波，有兩個極化矢量，彼此正交，在單模光纖中傳播的實際上有兩個極化模式，它們在光纖中的傳播速度不同，由此產生的色散稱為極化模色散

極化膜色散是由光纖橫截面微小的不對稱性或應力引起的色散。

在2.5Gbit/s以下的光纖通信系統中，把它與群速度色散 相比，幾乎感覺不到它的存在，但是隨著 現代化通信對頻寬的要求的不斷提高，成熟的波分復用和光波放大器的套用，PMD對長距離、多信道、高速率的限制，則作為主要的矛盾出現在人們面前。

由於極化模式的相位常數不同, 兩個模式傳輸的群速度亦不同, 可以說一個模式相對於另一個較快些, 因此可以認為光纖中存在著快軸和慢軸。這樣一來, 在實用光纖中, 不同速度的信號傳過同樣的距離將會有不同的時延。它們之間的時延差越大, 說明色散越嚴重。這種色散叫做極化模式色散。在理想光纖中, 極化色散是不存在的。極化色散可用兩個模式單位長度的時延差來表示。因“ 光波在光纖中的群速度，在光纖上傳輸單位距離所需要的時間速度的倒數，所以兩個極化模式分別沿光纖快軸和 慢軸傳輸單位距時就會產生時延差，稱為“群時延”。

時延差產生原因示例

由於雙折射沿線是不均勻的, 因此單位長度的時延差也是不均勻的, 工程上常用相對平均時延差來表示光纖的色散。在標準光纖中, 模式之間的禍合比較強烈, 當光纖的不完善程度嚴重時, 相對平均時延差正比於光纖長度的平方根, 常用單位ps/KM表示, 典型數值在幾到幾百ps/KM範圍內。有時也用總長度時延差來表示對用於遠距離通信的實用光纖, 時延的影響是不應忽視的。

色散可由信號各頻率成分的傳輸速度不同引起, 也可由信號各模式成分的傳輸速度不同所引起。色散限制了單模光纖寬頻帶運用的潛在能力。由於光纖的雙折射沿線波動, 在光纖的任何位置上, 將兩個極化模式迭加, 可以看到合成的單模隨應力的變化而擺動。由於極化模時延的存在, 當光脈衝沿線傳輸時, 每個光脈衝都會被展寬最後將同相鄰的光脈衝重迭, 於是增大了接收機輸出端的錯誤次數, 從而限制了光纖的工作頻寬。

極化膜色散原理

簡單來說，極化膜色散是光纖不對稱引起兩個相互垂直的基本偏振膜以不同的速率傳播，從而導致脈衝展寬的現象。我們把單模分成兩個相互正交的基膜，它們的電場分別沿著x，y的方向偏振，在理想情況下，他們的方向偏振是處處完全相等的，實際的光纖相位常熟不能完全簡併，因而產生了模式雙折射。

光學色散損失小

顯然，相位常數不同直接導致兩模式群速度不同，從而使光脈衝在傳播過程中發生畸變，這就是所謂的極化膜色散。

PMD取決於雙折射率和模式耦合。雙折射率越高，PMD就越大；模式耦合發生在光能的快速膜和慢速膜相互傳遞之處。一段光纖的光能和另一段光線的疊加或抵消，引起PMD任意移動式積累。這是 PMD在長光纖跨距內具有平方根關係的原因。

產生的原因

光纖的色散是由於光纖傳輸信號的不同頻率成分或不同模式的群速度不同, 而引起傳輸信號寄變的一種物理現象, 例如光纖數字通信中脈衝信號在傳輸中被展寬的現象。光纖的色散現象對光纖通信是十分不利的。光纖數字通信傳輸的是一系列的脈衝碼。由於光纖在傳輸過程中能把脈衝展寬, 於是就會出現脈衝與脈衝重迭的現象, 這叫碼間干擾。由於碼間干擾, 造成了傳輸碼的失誤, 產生差錯。為了避免誤碼出現, 需要加大脈衝的間隔, 從而導致傳輸速率比特率降低, 減少了通信容量。另一方面, 光纖對脈衝的展寬程度, 隨著傳輸距離的增長而越來越嚴重, 因此色散的存在也影響了光纖的傳輸距離。

偏振模色散和偏振相關損耗

PMD 產生的原因分為內因和外因。

內因

預製棒不對稱；折射率不對稱；熔凝過程控制差；拉絲張力不對稱；光纖有自然耦合點等。

外因

光纜製造、鋪設過程中側向擠壓、扭曲和彎曲。

提高測量精確性

極化模式色散是影響下一代40Gbps或更高速率長途傳輸系統性能的主要因素之一，如果光纖材料或器件選擇不當，即使在10Gbps的系統中它也會導致很高的誤碼率。在10Gbps速率下，極化模式色散(PMD)主要產生原因在於光纖(包括色散補償光纖)本身；而在40Gbps速率下，光纖和器件(包括摻餌光纖放大器、光隔離器和接頭等器件)均會對系統總體PMD產生影響。因此當傳輸速率增高時，要求器件設計更加嚴格以確保較低的PMD，對設計要求的提高也相應推動著測試設備製造商提供更加精確的PMD測量設備。

計算公式

對一個給定器件，在特定波長λ下快速PSP和慢速PSP信號到達時間之差稱為差分群延遲DGD(λ)，顯然，這是任何兩個不同極化態信號之間可能的最大延遲。DGD不確定性與很多因素有關，包括波長增量改變引起的波長誤差以及設備內部相噪聲。通過使用外部波長儀而不靠可調雷射器內部步長精度，可以顯著改善波長不確定性。設備PMD的內部相噪聲會對最小DGD值的下限產生影響，窄頻器件通頻頻寬限制了波長改變增量，目前已成為此類模型得到較低PMD值的巨大障礙。對於具有隨機特性的寬頻類光纖器件，PMD精度主要由縮小的可調範圍和PMD頻寬決定，只有很少的情況下可以實現不確定率好於±10%。

低偏振模色散無熱AWG在高速光網路中的套用