偏振模色散PMD

受PMD限制的无中继距离大致理论值
B[Gb / s]2 L[km ] PMD [ps / km ]2 104
PMD (ps/√km) 3.0 1.0 0.5 0.2 2.5 Gb/s 180 km 1,600 km 6,400 km 40,000 km 10 Gb/s 11 km 100 km 400 km 2,500 km 40 Gb/s 1 km 6 km 25 km 156 km
B[Gb / s]2 L[km ] D[ps / nm / km ] 105
1. 2.
对高速传输系统来说，色散并非越小越好，否则会存在非线性效应，降低系 统性能； 色散斜率同样重要，大的斜率会导致边缘信道的色散累积量差别的增大，同 样会影响系统性能。
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光纤的色散将影响系统的容量和传输距离，采用色散 补偿光纤（DCF）和色散补偿模块（DCM）配合光放 大器，可解决色度（波长）色散对光纤系统的限制。
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3.3. G.652C、G.652D光纤的特点
• 工作波长范围比常规单模光纤展宽了 100nm ，这 意味着更多的 WDM 信道或较宽的信道间隔；这 二者都有利于降低系统费用。 在1360-1460nm波长范围的色散只有常规单模光 纤在1550nm色散值的 1/2以下，这意味着在不需 色散补偿情况下的传输距离可增加一倍多；有利 于降低系统费用。
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3.2. ITU-T G.652.A/B/C/D指标
光 纤 属 性 参 数 1310nm模场直径，μ m 包层直径，μ m 芯同心度误差，μ m 包层不圆度，% 光缆截止波长，nm 筛选应力，Gpa 宏弯衰减，dB 最小零色散波长 λ min ， nm 最大零色散波长 λ max ， nm 零色散波长最大斜率 Smaxps/(nm2.km) 未成缆光纤PMD系数， ps/√km G.652.A G.652.B G.652.C G.652.D
接收端
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色散的成因和种类
• 2.2.1. 模式色散 多模光纤中由于各种传输模式的传输 路径不同，达出射端的时间也不同，从而发展的光脉 冲展宽。 • 2.2.2. 材料色散 由于光纤材料的折射率随光波长而变 化，使得信号各频率成分的群速不同而引起的脉冲展 宽(V=C/n)。 • 2.2.3. 波导色散 由于波导结构不完整, 可能引起一少部 分频率高或波长短的光线进入包层。由于包层的折射 率低于芯部的折射率,于是包层中光脉冲的传输速度要 大于芯部中光脉冲的传播速度，而使光脉冲被展宽形 成色散，也称为结构色散。
1300 1324 0.093 见注1
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光 缆 属 性 1310nm 衰减系数最大值， dB/km (1383±3)nm 衰 减 系 数 最大值，dB/km 1550nm 衰减系数最大值， dB/km 1625nm 衰减系数最大值， dB/km
1310nm—1625nm 衰减系数最 大值，dB/km, （见注3）
光纤及光缆线路
贵州省邮电科研规划设计院
二○○六年八月 张弘 6500656
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一、光纤通信
• 1. 光纤通信的定义 光纤通信（optical fiber communication）是以激光为光源， 将各种电信号对光波进行调制后，以光导纤维为传输介 质进行的通信。具有传输容量大、抗电磁干扰能力强等 突出优点，是构成信息高速公路骨干网的主要通信方式。 光纤线路 光调制器 已调 光信号 调制电信号
PMD 系数
0.5
0.2
0.5
0.2
注1 ：对于特定光缆结构设计如果已经证明，未成缆光纤最大 PMD系数某一数值能够满足链路设计最大值PMDQ的要求， 光缆制造者则可规定未成缆光纤最大的PMD系数值。 注2： 在波长（1383±3）nm 的抽验衰减平均值应不大于按照对于IEC 60793-2-50规定的单模光纤经过氢气老化试验后 在1310nm的规定值 。 注3: 波长区域能扩展到 1260nm ，导入的瑞利散射损耗相对于 1310nm 会增加0.07 dB/km ，这时光缆截止波长应不超过 1250nm。
通信管道边线不包括人手孔075025非同沟的直埋通信光电缆05025埋式电力电缆35kv以下0505埋式电力电缆35kv及以上2005给水管管径小于30cm0505给水管管径30cm50cm1005给水管管径大于50cm1505高压油管天然气管10005热力排水管1005燃气管压力小于3kgcm1005燃气管压力3kgcm2005排水沟0805房屋建筑红线或基础10树木市内村镇大树果树行道树075树木市外大树20水井坟墓30粪坑积肥池沼气池氨水池等30直埋光缆与其他建筑设施间的最小净距6161
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3. 光纤通信与传统 有线电通信的区别
• 光纤通信不同于有线电通信，后者是利 用金属媒体传输信号，光纤通信则是利 用透明的光纤传输光波。虽然光和电都 是电磁波，但频率范围相差很大。一般 通信电缆最高传输频率约9-24兆赫(10 Hz)，光纤工作频率在10 -10 Hz之间。
4
4. 光纤通信的主要特点
目前实用化的பைடு நூலகம்纤放大器中主要有：
掺铒光纤放大器（EDFA） 半导体光放大器（SOA） 光纤拉曼放大器（FRA）
光--电--光中继的数字通信
单信道全光中继数字通信
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2.2. 色散（Dispersion）
• 由于不同的波长具有不同的速度，光脉 冲经光纤传输达出射端时光脉冲会发生 时间展宽。
发射端
光
纤
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• 2.1.3. 波导结构损耗 纤芯与包层交界面 并非理想光滑的圆柱面而使光能泄漏到 纤芯外造成的损耗。
• 瑞利散射损耗是光纤的固有损耗， 它决定着光纤损耗的最低理论极限。
• 2.1.4. 其它附加损耗 如：微弯损耗、弯 曲损耗、接续损耗等。
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• 光纤的损耗影响了系统的传输距离，目前的技术已经 基本上达到了光纤衰减的理论极限，而光纤放大器的 出现解决了衰减对光传输系统的限制。
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1、内在的：
导致PMD产生的原因
芯层、包层的圆度；芯/包层同心度；气泡； 玻璃表面应力；涂料的不圆度和同心度…… 2、外在的： 受挤压；弯曲；扭曲……
采用PMD补偿器件
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• 在通信速率较低的情况下，偏振模色散还不足 以影响系统传输。随着光纤通讯和色散补偿方 案的迅速发展，一些高速传输系统的传输速率 已达到了几十Gb/s，PMD已成为限制高速光纤 通信系统容量和距离的最终因素。 • 由于偏振模色散是随机的统计量性，除了不断 完善和提高生产工艺水平以降低PMD系数外， 目前对于PMD的补偿还很困难，目前PMD已成 为国际上光通信研究的热点。
•
• 利用低水峰光纤，可在不同的波段进行不同的传 输，提供多种服务。可将不同的服务分配到最适 宜的波段，方便经济。 • 低水峰光纤可以应用于长途传输、城域网和接入 网。
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3.4. G.652光纤的演变
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2.3. 偏振模色散（PMD）
• 实际光纤不可避免地存在一定缺陷，如纤芯椭 圆度和内部残余应力，使两个偏振模的传输常 数不同，这样产生的时间延迟差称为偏振模色 散或双折射色散。
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Polarization Mode Dispersion
• 偏振模色散本质上是模式色散，由于模式耦合 是随机的， 因而它是一个统计量。 • 一般要求偏振模色散小于0.5ps / nm· km，而以 目前生产工艺水平，已可达0.2 ps / nm· km。
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二、光纤及光缆
• 1. 光纤的结构及传输原理 构成光纤的材料是石英纤维（SiO2）; 光纤由内芯和包层组成，芯的折射率 略大于包层，利用光在内芯的折射或 在芯与包层界面上的全反射实现光的 传播。
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包层n2
涂覆层
纤芯n1 未套塑的光纤结构
n2 SIF n1
GIF
n1
光波在光纤中传送
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2. 光纤的传输特性
30mm半径 100圈 ≤0.5 (1625nm)
(8.6～ 9.5)±0.7
125.0 ±1 ≤0.8 ≤2 ≤1260 ≥0.69
30mm半径 100圈 ≤0.5 (1550nm) ≤0.5 (1625nm)
1300 1324 0.093 见注1
1300 1324 0.093 见注1
1300 1324 0.093 见注1
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2.4. 光纤的衰减和色散频率曲线
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3. 光纤类型及特点
• 3.1. 光纤标准和应用 • G.651 多模渐变型(GIF)光纤 应用于中小容量、 中短距离的通信系统。 • G.652 常规单模光纤 是第一代单模光纤 (SMF) ，其特点是在波长1.31 μm色散为零，系 统的传输距离只受损耗的限制。 • G.653 色散移位光纤 是第二代单模光纤，其 特点是在波长1.55 μm色散为零，损耗又最小。 这种光纤适用于大容量长距离通信系统。
基带处理 基带电信号
2
光源
光检测器
解调电信号
基带处理 基带电信号
2. 光纤通信的起源
• 1966年，英籍华人高锟最先提出用玻璃纤维进 行远距离激光通信的设想。1973年，美国康宁 公司制成每千米传输损耗只有20分贝的光纤。 同年，美国贝尔实验室研制出能在常温下连续 工作的半导体激光器。这两项技术突破为光纤 通信的实现铺平了道路。1976年，美国在芝加 哥两个相距7千米的电话局间首次进行了光纤 通信试验，实现了一根光纤能够同时容纳8000 对人通话。
• 4.1. 容量大，光纤的工作频率与电缆相比高出8-9个数 量级。 • 4.2. 衰减小，中继段距离长（100-150Km）。 • 4.3. 光纤尺寸小、重量轻，便于敷设和运输。 • 4.4. 无辐射、泄漏小，难于窃听，防干扰性能好。光纤 不受强电干扰、电气化铁道干扰和雷电干扰，抗电磁 脉冲能力也很强，保密性好。 • 4.5. 材料来源丰富、环保，节约有色金属。传统的通信 电缆要耗用大量的铜、铝等，光纤通信的发展将节约 大量有色金属。 • 4.6. 成本低。目前市场上各种电缆金属材料价格不断上 涨，而光纤价格则越来越低，这为光纤通信得到迅速 发展创造了重要的前提条件。 • 4.7. 光缆适应性强，寿命长。
• 2.1. 衰耗（Attenuation） 光波在光纤中传输，随着传输距离的增 加光功率将逐渐下降。
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衰耗的成因和种类
• 2.1.1. 吸收损耗 是由SiO2材料引起的固 有吸收和由杂质（如HO）引起的吸收产 生的。 • 2.1.2. 散射损耗 主要由材料微观密度不 均匀引起的瑞利(Rayleigh)散射和由光纤 结构缺陷(如气泡)引起的散射产生的。
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• G.654 截止波长位移单模光纤，1.55 μm损耗最小的单 模光纤其特点是在波长1.31 μm色散为零，在1.55 μm色 散为17~20 ps/(nm· km)，和常规单模光纤相同，但损耗 更低，可达0.20 dB/km以下，且截止波长移到了较长波 长， 。 • G.655 非零色散光纤 是一种改进的色散移位光纤，其 零色散波长不在1550nm附近，在使用波长区域具有一 非零的小色散值，以抑制密集波分复用（DWDM）中 四波混频（FWM）效应。适用于超大容量（DWDM） 长距离通信系统。 • 色散补偿光纤 其特点是在波长1.55 μm具有大的负色 散，用于长距离大容量系统中色散的补偿。
(8.6～ 9.5)±0.7
125.0 ±1 ≤0.8 ≤2 ≤1260 ≥0.69
30mm半径 100圈 ≤0.5 (1550nm)
(8.6～ 9.5)±0.7
125.0±1 ≤0.8 ≤2 ≤1260 ≥0.69
30mm半径 100圈 ≤0.5 (1625nm)
(8.6～ 9.5)±0.7
125.0±1 ≤0.8 ≤2 ≤1260 ≥0.69
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受色散限制的无中继距离大致理论值
速 率 2.5Gb/s 1550nm（G.652） 1550nm（G.655） 1310nm（G.652） 928km 4528km 6400km
10Gb/s
20Gb/s 40Gb/s
58km
14.5km 3.6km
283km
70km 18km
400km
100km 25km
• 由于存在偏振模色散，即使在色度色散C(λ)=0 的波长，带宽也不是无限大。
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在单模光纤传输中，光波的基模含有两个相互垂直的偏振 模。如果光纤的几何尺寸具有理想的均匀对称性而且没有应力， 这两个偏振模将以相同的速率在光纤中传播，到达光纤另一端 的时间也没有任何延迟。但在实际的光纤中，这两个偏振模以 不同的速率传播，因而到达光纤另一端就存在一个时间差，单 位长度上的时间差就称为PMD系数。
0.5 未规定 0.4 未规定 未规定 20 0.01
0.4 未规定 0.35 0.4 未规定 20 0.01
未规定 规定，见注2 0.3 未规定 0.4 20 0.01
未规定 规定，见注2 0.3 未规定 0.4 20 0.01
光缆段数M 概率Q，%
PMD 系数链路 设计最大值 PMDQ ， ps/√km