偏振模色散
PMD原理和测试方法
偏振模色散的原理和测试方法分析摘要偏振模色散将引起高速光脉冲畸变制约传输距离是40Gb/s高速光纤通信的主要技术难点之一本文研究了偏振模色散的产生原理对传输光脉冲的影响等问题分析了偏振模色散的三种主要测试方法的测量配置和各自优缺点讨论了每种方法的最佳应用场合一引言光纤的色散引起传输信号的畸变使通信质量下降从而限制了通信容量和通信距离在光纤的损耗已大为降低的今天色散对高速光纤通信的影响就显得更为突出40Gb/s系统和10Gb/s系统相比在光纤传输上的色散效应对系统性能的影响有新的差异特别是偏振模色散Polarization Mode Dispersion,简称PMD的影响难以克服所以在40Gb/s系统技术中必须考虑和研究光纤的色散PMD和非线性的影响等同时由于偏振模色散的测试是比较复杂的问题如何根据其特点比较迅速和准确地测出偏振模色散值从而进行色散补偿将是本文讨论的重点本文作者主要从事高速光传输收发模块的研究开发于2002年11月参加了在上海举行的Tektronix 2002亚太区大型巡回讲座和研讨会针对偏振模色散的最新测试技术这一问题作者与Tektronix公司的偏振模色散测试技术人员工程师作了沟通和交流并在本文中作了比较详细的分析和探讨二色散的原理和分类色散是光纤的一个重要参数降低光纤的色散对增加通信容量延长通信距离发展高速40Gb/s光纤通信和其它新型光纤通信技术都是至关重要的光纤的色散主要由两方面引起一是光源发出的并不是单色光二是调制信号有一定的带宽实际光源发出的光不是单色的而是有一定的波长范围这个范围就是光源的线宽在对光源进行调制时可以认为信号是按照同样的方式对光源谱线中的每一分量进行调制的一般调制带宽比光源窄得多因而可以认为光源的线宽就是已调信号带宽但对高速和线宽极窄的光源情况不一样进入光纤中去的是一个调制了的光谱如果是单模光纤它将激发出基模如果是多模光纤则激发出大量模式由此可以看出光纤中的信号能量是由不同的频率成分和模式成分构成的它们有不同的传播速度从而引起比较复杂的色散现象光纤的色散可以分为下列三类模间色散在多模光纤中即使是同一波长不同模式的光由于传播速度的不同而引起的色散称为模式色散色度色散是指光源光谱中不同波长在光纤中的群延时差所引起的光脉冲展宽现象偏振模色散单模光纤中实际存在偏振方向相互正交的两个基模当光纤存在双折射时这两个模式的传输速度不同而引起的色散称为偏振模色散图1是这三种色散的示意图图1 光纤色散示意图三偏振模色散的原理和特点(1) 偏振模色散的概念双折射与偏振是单模光纤特有的问题单模光纤实际上传输的是两个正交的基模它们的电场各沿x,y方向偏振在理想的光纤中这两个模式有着相同的相位常数它们是互相简并的但实际上光纤总有某种程度的不完善如光纤纤芯的椭圆变形光纤内部的残余应力等将使得两个模式之间的简并被破坏两个模式的相位常数不相等这种现象称为模式双折射由于存在双折射将引起一系列复杂的效应例如由于双折射两模式的群速度不同因而引起偏振色散由于双折射偏振态沿光纤轴向变化外界条件的变化将引起光纤输出偏振态的不稳定这对某些应用场合影响严重光纤的固有偏振模色散是由非圆形纤芯引起构成双折射现象导致的色散而对双折射引起的偏振模色散是由外部因素如机械压力热压力等导致的色散图2是引起偏振模色散的光纤示意图图2 光纤示意图偏振模色散不能避免只能最小化由于光纤存在PMD已经给10Gb/s链路带来了严重限制而在40Gb/s速率上任何器件也有少量的PMD2偏振模色散对于光脉冲的影响偏振模色散具有随机性这与具有确定性的波长色散不同其值与光纤制作工艺材料传输线路长度和应用环境等因素密切相关由于受工艺水平的制约传输链路上使用的每一段光纤结构上存在差异即使同一段光纤也必然存在纵向不均匀性因而PMD 的值也会因光纤而异从工程安装和链路环境看影响因素不仅多而且具有不定性比如环境温度夏冬温差可能达3080昼夜温差也有可能达1030PMD 的大小由这些因素的综合影响决定也具有不确定性是一个随机变量通常所说的PMD 是多少指的是统计平均值在光纤链路上两个正交的偏振模产生的时延差遵守一定的概率密度分布PMD 的值与光纤长度的平方根成反比例的变化因而其单位记作ps km 1/2PMD 和色度色散对系统性能具有相同的影响即引起脉冲展宽从而限制传输速率如图3所示然而PMD 比波长色散小得多对低速率光传输的影响可忽略不计甚至没有列入早先的光纤性能指标之中但是随着系统传输速率的提升偏振模色散的影响逐渐显现出来成为继衰减波长色散之后限制传输速度和距离的又一个重要因素如何减少PMD 的影响是目前国际上研究的热点之一PMD 是一个随机变量其瞬时值随波长时间温度移动和安装条件的变化而变化导致光脉冲展宽量不确定其影响相当于随机的色散它与波长色散发生的机制虽然不同但是对系统性能具有同样的影响因此也有人将偏振模色散称作单模光纤中的多模色散图3 正交偏振模之间产生群时延差 3偏振模色散对于光传输距离的影响 不同时期敷设的光纤PMD 值差别很大10年前应用的光缆受当时光纤工艺水平所限PMD 通常大于2ps/km 1/2有的高达67 ps/km 1/2后来布设的光缆PMD 不大于0.5ps/km 1/2不会对10Gbit/s 速率系统造成限制近年来敷设的光缆多为0.2ps/km 1/2甚至更小最优秀的光纤PMD 已经控制到0.001ps/km 1/2的水平 当两个正交的偏振模之间的时延差δτ达到系统速率一个脉冲时隙的三分之一时将会付出1dB 的信号功率代价由于PMD 的随机统计特性PMD 的瞬时值有可能达到平均值的3倍为了保证信号功率代价低于1dB PMD 的平均值必须小于系统速率一个脉冲时隙的十分之一因为PMD δτ/L 1/2 ps/km 1/2公式1 现在要求δτ1/(10B)设速率为B 的系统受PMD 限制的最大传输距离为L km,则Lδτ/PMD21/(10*B*PMD)2km 公式2早期布设光纤中有一部分对STM16信道速率的系统也产生限制当PMD0.5ps/km1/2时,STM-64系统受PMD限制的传输距离(1dB代价)大约为400km对于40Gbit/s 系统却只有25km如果容许两个正交偏振模之间的时延差达到一个脉冲时隙的三分之一40Gbit/s传输的PMD容限约8.3ps若要保证在任何情况下系统功率代价都不超过1dB 即限定两个偏振模的传输时延差不超过一个脉冲时隙的十分之一则PMD容限只有2.5ps要实现600km以上的长途传输PMD系数就要不高于0.1ps/km1/2根据上述分析可知PMD是重要的限制因素不同速率系统受PMD限制的传输距离可以计算出来利用公式2计算不同速率系统受偏振模色散限制的最大传输距离其结果列于下表1中表1 不同速率系统受PMD限制的最大传输距离受 限 距 离 kmPMDPs/km1/210 Gb/s 20 Gb/s 40 Gb/s 80 Gb/s 160 Gb/s 320 Gb/s 640 Gb/s0.001 100000000 25000000 6250000 1562500 390625 97656.25 24414.060.005 4000000 1000000 250000 62500 15625 3906.25 976.56250.01 1000000 250000 62500 15625 3906.25 976.5625 244.14060.03 111111.11 27777.78 6944.444 1736.111 434.0278 108.5069 27.126749.76562539.06250.05 40000 10000 2500 625 156.250.06 27777.778 6944.444 1736.111 434.0278 108.5069 27.12674 6.7816840.07 20408.163 5102.041 1275.51 318.8776 79.71939 19.92985 4.9824620.08 15625 3906.25 976.5625 244.1406 61.03516 15.25879 3.8146970.09 12345.679 3086.42 771.6049 192.9012 48.22531 12.05633 3.0140829.7656252.44140639.06250.1 10000 2500 625 156.250.2 2500 625 156.25 39.0625 9.765625 2.441406 0.6103520.3 1111.1111 277.7778 69.44444 17.36111 4.340278 1.085069 0.2712670.4 625 156.25 39.0625 9.765625 2.441406 0.610352 0.1525880.3906250.0976560.5 400 100 25 6.251.56250.6 277.77778 69.44444 17.36111 4.340278 1.085069 0.271267 0.0678170.7 204.08163 51.02041 12.7551 3.188776 0.797194 0.199298 0.0498250.8 156.25 39.0625 9.765625 2.441406 0.610352 0.152588 0.0381470.9 123.45679 30.8642 7.716049 1.929012 0.482253 0.120563 0.0301411 100 25 6.25 1.5625 0.390625 0.097656 0.0244142 25 6.25 1.5625 0.390625 0.097656 0.024414 0.0061043 11.111111 2.777778 0.694444 0.173611 0.043403 0.010851 0.0027134 6.25 1.5625 0.390625 0.097656 0.024414 0.006104 0.0015265 4 1 0.25 0.0625 0.015625 0.003906 0.0009776 2.7777778 0.694444 0.173611 0.043403 0.010851 0.002713 0.0006787 2.0408163 0.510204 0.127551 0.031888 0.007972 0.001993 0.000498四偏振模色散的测试方法偏振模色散具有随机性在DWDM系统中造成偏振和引起偏振模色散的因素很多示意图如图4所示图4 引起偏振和偏振模色散的因素下面是偏振模色散PMD 和偏振相关损耗(Polarization Dependent Loss 简称PDL)的测试方法偏振模色散PMD 是指在一定时间内一定波长范围内或在指定波长上某时间窗口上的平均时延与时间相对无关具有确定性PMD 的测试方法主要有琼斯矩阵特征分析法干涉测量方法和波长扫描法等 1琼斯矩阵特征分析法的测试原理和步骤如下 测试的配置包括可调谐光源Tunable Laser Source,简称TLS 被测器件DeviceUnder Test 简称DUT 偏振器和偏振计等如图5所示图5 琼斯矩阵分析法的测量配置和步骤从琼斯矩阵Jc 数据中可以提取PMD 和PDL 等参数由于一般运营商关注的PMD λ 是指在特定波长λn 上一段时间内的平均微分群时延Differential Group Delay,简称DGD 而测量值PMDλ是在某个波长范围内特定时间t 0的平均DGD 理论计算如下理论计算和实验测试的结果表明时间平均值PMDt 与波长平均值PMD λ相等这也是PMD 测量方法的基础所有测试都是基于能够快速测试PMD λ从而确定PMD 值的琼斯矩阵特征分析法的特点是测量精度较高最小可测量的PMD 可达0.005ps 但测试速度较慢且与波长相关测试过程中光纤必须固定不许移动该测试方法在实验室测试器件的PMD 将是首选同时也适合工程上光纤PMD 测试的现场应用2干涉测量方法的原理和步骤如下如图6所示图6 干涉测量的配置图干涉测量方法的特点是测量精度较低最小可测量PMD 达0.03ps 但测试速度较快且与波长无关测试过程中光纤允许移动由于测试精度较低该测试方法不适合实验室使用但由于设备简便易用体积成本和信息内容小适合作为现场仪器使用在工程现场测试光纤的PMD 将是首选 3PMD 测试的其他方法还有邦加半球方法该测试方法的特点是能够直观地反映偏振态和测试PMD 参数可以用于科学研究分析由于偏振光的电场强度可分解为E x E y 两个分量其瞬时值为E x =E x0Cos(ωt+φx )E y =E y0Cos(ωt+φy )两分量的幅度比R E y0/E x0相位差φ=φy -φx 根据R φ的不同可得到线偏振光圆偏振光椭圆偏振光偏振光偏振态的全部信息包含在R φ中R 有时用另一参数δ表示δarctanR 椭圆偏振是最一般的形式它说明电场强度矢量端点描绘出一个椭圆如图7所示图7 光的偏振状态图解可以采用邦加球法Poincare来直观地动态适时地显示偏振态跟踪和计算偏振模色散变化值由于邦加球采用了归一化测量方法因此可以用两个参数来描述偏振椭圆方位角θ和椭率角ε如图8所示图8 邦加球法Poincare表示的偏振状态邦加球法的配置与琼斯矩阵特征分析法的测量配置相同采用调谐波长作为光源偏振状态将在邦加半球上描出一个弧形角偏振模色散值与这个角成正比五结论偏振模色散具有随机性和不确定性其原理和补偿方法正在不断的研究之中我们可以根据应用场合的不同选取不同的偏振模测试方法灵活快速地测试和评估以便有效地补偿偏振模色散例如在研发和实验时如果测试精度较高可采用琼斯矩阵特征分析法如果要求动态地跟踪偏振模色散可以采用邦加球法而工程现场中可以采用干涉法快速测试等。
偏振模色散
偏振模色散
偏振模色散（PMD）是光纤中的一个重要的参量，它表示光纤在传输过程中由于折射率和吸收率的不均匀性，以及多模态干扰而引起的信号波长的分散。
当光纤的横截面失去对称性时，其引起的回波由方位偏振和斜向偏振组成。
而斜向偏振回波（称为PMD）通常随着路径长度的增加而增加，这种效应被称为偏振模色散（PMD）。
PMD会影响光纤的发射和接收能力，特别是当光路径中存在大量反射和散射时，PMD会降低光纤的传输性能。
因此，准确测量PMD是使用光纤进行数据传输的关键。
偏振模色散原理和测试方法分析
偏振模色散的原理和测试方法分析摘要：偏振模色散将引起高速光脉冲畸变，制约传输距离，是40Gb/s高速光纤通信的主要技术难点之一。
本文研究了偏振模色散的产生原理、对传输光脉冲的影响等问题；分析了偏振模色散的三种主要测试方法的测量配置和各自优缺点；讨论了每种方法的最佳应用场合。
一、 引言光纤的色散引起传输信号的畸变，使通信质量下降，从而限制了通信容量和通信距离。
在光纤的损耗已大为降低的今天，色散对高速光纤通信的影响就显得更为突出。
40Gb/s系统和10Gb/s系统相比，在光纤传输上的色散效应对系统性能的影响有新的差异。
特别是偏振模色散（Polarization Mode Dispersion,简称PMD）的影响难以克服。
所以，在40Gb/s系统技术中，必须考虑和研究光纤的色散，PMD和非线性的影响等。
同时，由于偏振模色散的测试是比较复杂的问题，如何根据其特点，比较迅速和准确地测出偏振模色散值，从而进行色散补偿，将是本文讨论的重点。
本文作者主要从事高速光传输收发模块的研究开发，于2002年11月参加了在上海举行的Tektronix 2002亚太区大型巡回讲座和研讨会，针对偏振模色散的最新测试技术这一问题，作者与Tektronix公司的偏振模色散测试技术人员、工程师作了沟通和交流，并在本文中作了比较详细的分析和探讨。
二、 色散的原理和分类色散是光纤的一个重要参数。
降低光纤的色散，对增加通信容量，延长通信距离，发展高速40Gb/s光纤通信和其它新型光纤通信技术都是至关重要的。
光纤的色散主要由两方面引起：一是光源发出的并不是单色光；二是调制信号有一定的带宽。
实际光源发出的光不是单色的，而是有一定的波长范围。
这个范围就是光源的线宽。
在对光源进行调制时，可以认为信号是按照同样的方式对光源谱线中的每一分量进行调制的。
一般调制带宽比光源窄得多，因而可以认为光源的线宽就是已调信号带宽，但对高速和线宽极窄的光源，情况不一样。
概念解释07、偏振模色散(PMD)
2偏振模色散的影响与其它色散一样,偏振模色散也要使脉冲展宽,从而提高数字通信系统的误码率,限制系统的传输带宽。
长距离数字通信系统通常工作于1550nm附近的第三窗口,因为在此窗口光纤衰减最小。
对标准单模光纤来说,在这一窗口,由于色散较大,偏振模色散的影响可以忽略不计。
但是,如果应用了高质量的DFB激光器或色散补偿技术,则要考虑偏振模色散的影响。
DFB激光器的线性带宽很窄,相应地降低色散的影响。
在通信系统中接入一色散补偿器(DCM)可以得到实际的色散补偿。
通过专门设计色散补偿光纤的折射率分布可以使光纤在第3窗口具有较大的负色散系数,这一负色散系数可以补偿标准单模光纤的色散。
总之,在长距离、高比特率数字通信系统中,如果应用了色散补偿技术降低了色散值,则偏振模色散的影响相应突出了。
此外,由于偏振模色散的统计特性,迄今为止,还没有任何方法可以补偿它。
如果激光器的线性带宽不是很窄,色散的影响将较大,偏振模色散的影响可以忽略不计。
但是,如果降低激光器的线性带宽,则偏振模色散的影响就增大了。
在图8中,取偏振模色散值为0.5ps/km,因为这一值可能被接受为国际标准规范值(至少对陆地网络是如此)。
按照某些国际标准技术规范小组的观点,当时延差达到1比特周期的0.3倍时,将引起1dB的功率损失。
偏振模色散的瞬时值有可能达到平均值的3倍,这样,为了保证功率损失在1dB以下,偏振模色散的平均值必须要小于1比特周期的十分之一。
偏振模色散与通信系统比特率及传输距离的关系,当偏振模色散值为0.5ps/km时,在1dB的功率损失时,比特率为10Gb/s 系统的传输距离可达400km。
与对长距离、高比特率数字通信系统的影响不同,偏振模色散对短距离模拟通信系统的影响要复杂得多。
这种影响是多种因素的综合,在这里,我们仅仅作一简单介绍,更详细的讨论可见参考文献。
模拟通信系统性能的下降可能是由于偏振模色散、激光器啁啾(chirp)和元器件的与偏振相关的衰耗（PDL）之间的相互作用。
最新偏振模色散测试仪是用来测试偏振模色散的
单模光纤偏振模色散 PMD 测试技术4.1、托克斯参数测定法斯托克斯参数测定法是测量单模光纤 PMD 值的基准试验方法，它的测试原理是在一波 长范围内以一定的波长间隔测量出输出偏振态随波长的变化， 通过琼斯矩阵本征分析和计算,得到PMD 的系数值。
斯托克斯参数测定法多用于实验室测试，其测量试验设备及装置如图 2所示。
学网 V.W .xUbSxur-i4.2、偏振态法偏振态法是测量单模光纤 PMD 的第1替代试验方法，其测量原理是： 对于固定的输入偏振态，当注入光波长（频率）变化时，在斯托克斯参数空间里邦加球上被测光纤输出偏振 态（SOP ）也会发生演变，它们环绕与主偏振态（PSP ）方向重合的轴旋转，旋转速度取决于PMD 时延：时延越大，旋转越快。
通过测量相应角频率变化" 3和邦加球上代表偏振态（SOP ）点的旋转角度" 0,就可以计算出 PMD 时延3舌"9 0 3。
偏振态法直接给出了被测试样 PSP 间差分群时延（DGD ）与波长或时间的函数关系， 通过在时间或波长范围内取平均值得到PMD 。
可调光阳I 00存谄序斂嵌护卜涉［.倚竺LICD 丨学网wAM/图s as扳状态法分析测重P・D试验设备简图清冈httpy/ifvwwvipc n co m4.3、干涉法由于干涉法测量速度快，目前市面上很多仪器生产厂家都以干涉法为测试原理生产测试设备，它们共同点就是设备体积小，动态范围宽，重复性较好，很适合在现场使用。
由于干涉法与偏振模耦合无关，适用于单盘短光纤和长光纤。
干涉法就是介绍一种测量单模光纤和光缆的平均偏振模色散的方法。
其测试原理为：当光纤一端用宽带光源照明时，在输出端测量电磁场的自相关函数或互相关函数，从而确定PMD。
在自相关型干涉仪表中，干涉图具有一个相应于光源自相关的中心相干峰。
测量值代表了在测量波长范围内的平均值。
在1310nm或1550nm窗口不同仪器都有一定的波长范围。
单模光纤的色散
光纤色散在光纤中传输的光信号（脉冲）的不同频率成份或不同的模式分量以不同的速度传播，到达一定距离后必然产生信号失真（脉冲展宽），这种现象称为光纤的色散或弥散。
光纤中传输的光信号具有一定的频谱宽度，也就是说光信号具有许多不同的频率成分。
同时，在多模光纤中，光信号还可能由若干个模式叠加而成，也就是说上述每一个频率成份还可能由若干个模式分量来构成。
光纤的色散主要有材料色散、波导色散、偏振模色散和模间色散四种。
其中，模间色散是多模光纤所特有的。
这四种色散作用还相互影响，由于材料折射率n是波长λ（或频率w）的非线性函数，d2n/d2λ≠0，于是不同频率的光波传输的群速度不同，所导致的色散成为材料色散。
由于导引模的传播常数β是波长λ(或频率w)的非线性函数，使得该导引模的群速度随着光波长的变化而变化，所产生的色散成为波导色散（或结构色散）。
偏振模色散指光纤中偏振色散，简称PMD(polarization modedispersion)，它是由于实际的光纤中基模含有两个相互垂直的偏振模，沿光纤传播过程中，由于光纤难免受到外部的作用，如温度和压力等因素变化或扰动，使得两模式发生耦合，并且它们的传播速度也不尽相同，从而导致光脉冲展宽，引起信号失真。
不同的导引模的群速度不同引起的色散成为模间色散，模间色散只存在与多模光纤中。
色散限制了光纤的带宽—距离乘积值。
色散越大，光纤中的带宽—距离乘积越小，在传输距离一定（距离由光纤衰减确定）时，带宽就越小，带宽的大小决定传输信息容量的大小。
光纤色散可以使脉冲展宽，而导致误码。
这是在通信网中必须避免的一个问题，也是长距离传输系统中需要解决的一个课题。
一般来说，光纤色散包括材料色散和波导结构色散两部分，材料色散取决于制造光纤的二氧化硅母料和掺杂剂的分散性，而波导色散通常是一种模式的有效折射率随波长而改变的倾向。
材料色散与波导色散都与波长有关，所以又统称为波长色散。
材料色散：是由光纤材料自身特性造成的。
光纤的基本特性衰耗、色散
光纤的基本特性衰耗、色散1、光纤的损耗光纤的衰减或损耗是一个非常重要的、对光信号的传播产生制约作用的特性。
光纤的损耗限制了没有光放大的光信号的传播距离。
光纤的损耗主要取决于吸收损耗、散射损耗、弯曲损耗三种损耗。
1）吸收损耗光纤吸收损耗是制造光纤的材料本身造成的，包括紫外吸收、红外吸收和杂质吸收。
a:红外和紫外吸收损耗光纤材料组成的原子系统中，一些处于｛氐能的电子会吸收光波能量而跃迁到高能级状态，这种吸收的中心波长在紫外的0.16μm处，吸收峰很强，其尾巴延伸到光纤通信波段，在短波长区，吸收峰值达ldB/km,在长波长区则小得多，约O.O5dB∕km.在红外波段光纤基质材料石英玻璃的Si-O键因振动吸收能量，这种吸收带损耗在9.1μm,12.5μm及21μm处峰值可达IOdB∕km以上,因此构成了石英光纤工作波长的上限。
红外吸收带的带尾也向光纤通信波段延伸。
但影响小于紫外吸收带。
在λ=L55μm时，由红外吸收引起的损耗小于0.01dB∕kmβb:氢氧根离子（OH-）吸收损耗在石英光纤中，O-H键的基本谐振波长为2.73μm,与Si-O键的谐振波长相互影响，在光纤的传输频带内产生一系列的吸收峰，影响较大的是在1.39、1.24及0.95μm波长上，在峰之间的低损耗区构成了光纤通信的三个传输窗口。
目前,由于工艺的改进,降低了氢氧根离子（OH-）浓度，这些吸收峰的影响已很小。
c:金属离子吸收损耗光纤材料中的金属杂质，如：金属离子铁（Fe3+）、铜（Cu2+）、镒（Mn3+）、镇（Ni3+）、钻（Co3+）、铭（Cr3+）等,它们的电子结构产生边带吸收峰（0.5~Llμm）,造成损耗。
现在由于工艺的改进，使这些杂质的含量低于10-9以下，因此它们的影响已很小。
在光纤材料中的杂质如氢氧根离子（OH・）、过渡金属离子（铜、铁、铭等）对光的吸收能力极强，它们是产生光纤损耗的主要因素。
因此要想获得低损耗光纤，必须对制造光纤用的原材料二氧化硅等进行十分严格的化学提纯，使其纯度达99.9999%以上。
偏振模色散
DCF补偿的缺点是插损较大，会影响系统的传输距离。
其解决方法是把DCF放在光发送机与功率放大器之间，或放在予放大器和光接收机之间，用光放大器的增益来补偿DCF的插损。
②．光纤光栅补偿利用光纤光栅的干涉与衍射效应进行色散补偿。
总之，系统的色度色散受限主要表现在高传输速率即2.5Gb/s以上的系统，采取的措施一是采用外调制方式，它可以降低光源的啁啾声与增加系统的色散容限（如2.5Gb/s系统的色散容限可达12800ps/nm以上），二是可以采取色散补偿手段如DCF 等。
3．偏振模色散受限（PMD）偏振模色散受限仅对传输速率10Gb/s以上的系统有效。
（1）．偏振模色散受限机理所谓偏振模色散PMD(Polar Mode Dispersion)，是指由于光纤的随机性双折射所引起的、对不同相位状态的光呈现不同群速度的特性。
如果单模光纤结构是理想的圆柱形而且材料是各向同性的，则二个正交方向偏振态的模式不会发生相互耦合，单模光纤可以保证单模传输，即能维持二个偏振态正交的简并模（LP01）传输。
但实际上在制造光纤过程中，由于工艺方面原因会使光纤的实际结构偏离理想的圆柱形，光纤的芯径与包层的几何尺寸也存在着差异；而且光纤的折射率分布也难以保证理想化（沿径向分布完全对称），从而使光纤存在着各向异性。
此外，在实际应用中，光缆中的光纤也不可避免地要受侧压力、扭曲力、弯曲力等外部应力的作用，它的随机性非常大。
所有这一切都破坏了模式的简并，导致了两偏振态模的耦合；也导致两个偏振方向光的传播常数不相同，这就是所谓双折射现象。
双折射使不同偏振态的光信号不能同时到达接收端，即出现延时。
如图2.8.4所示。
图2.8.4：PMD引起的光信号差分群延时DGD 偏振模色散是客观存在的，但对不同的传输速率有着不同的影响。
因为由PMD 产生的延时值，其大小仅取决于光纤的PMD 系数及系统的传输距离；所以当这二者确定之后，由其产生的延时值也就确定了。
偏振模色散的原理和测试方法分析
偏振模色散的原理和测试方法分析摘要：偏振模色散将引起高速光脉冲畸变，制约传输距离，是40Gb/s高速光纤通信的主要技术难点之一。
本文研究了偏振模色散的产生原理、对传输光脉冲的影响等问题；分析了偏振模色散的三种主要测试方法的测量配置和各自优缺点；讨论了每种方法的最佳应用场合。
一、引言光纤的色散引起传输信号的畸变，使通信质量下降，从而限制了通信容量和通信距离。
在光纤的损耗已大为降低的今天，色散对高速光纤通信的影响就显得更为突出。
40Gb/s系统和10Gb/s系统相比，在光纤传输上的色散效应对系统性能的影响有新的差异。
特别是偏振模色散（Polarization Mode Dispersion,简称PMD）的影响难以克服。
所以，在40Gb/s系统技术中，必须考虑和研究光纤的色散，PMD和非线性的影响等。
同时，由于偏振模色散的测试是比较复杂的问题，如何根据其特点，比较迅速和准确地测出偏振模色散值，从而进行色散补偿，将是本文讨论的重点。
本文作者主要从事高速光传输收发模块的研究开发，于2002年11月参加了在上海举行的Tektronix 2002亚太区大型巡回讲座和研讨会，针对偏振模色散的最新测试技术这一问题，作者与Tektronix公司的偏振模色散测试技术人员、工程师作了沟通和交流，并在本文中作了比较详细的分析和探讨。
二、色散的原理和分类色散是光纤的一个重要参数。
降低光纤的色散，对增加通信容量，延长通信距离，发展高速40Gb/s光纤通信和其它新型光纤通信技术都是至关重要的。
光纤的色散主要由两方面引起：一是光源发出的并不是单色光；二是调制信号有一定的带宽。
实际光源发出的光不是单色的，而是有一定的波长范围。
这个范围就是光源的线宽。
在对光源进行调制时，可以认为信号是按照同样的方式对光源谱线中的每一分量进行调制的。
一般调制带宽比光源窄得多，因而可以认为光源的线宽就是已调信号带宽，但对高速和线宽极窄的光源，情况不一样。
电力标准 偏振模色散
电力标准偏振模色散
电力标准是指在电力系统中规定的各种电气参数、工作条件、
设备要求等方面的标准。
电力系统的运行稳定性、安全性和可靠性
都与电力标准密切相关。
电力标准通常包括电压、频率、功率因数、电能质量等方面的要求，以确保电力系统的正常运行。
偏振是指光波、声波等振动方向的特性。
在光学中，偏振是光
波中电场振动方向的特性，可以是线偏振、圆偏振或椭圆偏振。
而
在声学中，偏振是指声波中波动方向的特性。
模色散是指光波或者声波在介质中传播时，不同频率的波包因
为介质折射率的不同而传播速度不同，导致波包形状发生变化的现象。
模色散会导致信号失真和传输质量下降，因此在光纤通信和声
学传感器等领域中需要对模色散进行补偿或者抑制。
电力标准和偏振模色散之间似乎没有直接的联系，因为电力标
准更多涉及到电力系统的参数和工作条件，而偏振模色散则是光学
和声学中的波动特性。
然而，在某些特定的应用中，比如光纤通信
系统中，电力标准和光学特性可能会有一定的关联，因为电力系统
的稳定性和可靠性也会影响到光纤通信系统的正常运行。
总的来说，电力标准是为了保障电力系统的正常运行，而偏振模色散则是光学和声学中的波动特性，它们在不同领域有着各自的重要性和应用价值。
希望这样的回答能够满足你的要求。
偏振控制及偏振测试基础知识
偏振控制及偏振测试基础知识1. 偏振态的表示方法2. 偏振态的控制方法3. 偏振态的测量方法4.偏振度（DOP）及其测量5. 偏振消光比（PER）及其测量6.偏振相关损耗（PDL）及其测量7. 偏振模色散（PMD）随着通信技术的飞速发展，电信运营商们正在不断地提高 WDM 系统中单信道的传输速率。
目前，单波长传输速率为 40Gb/s 的系统正在建设中，而传输速率更高的系统也已经进入了人们的视野，这对光纤中的偏振模色散（PMD），偏振相关调制（PDM），放大器的偏振相关增益（PDG）等均提出了更高的要求。
尤其是近两年，偏振复用、相干探测技术成为在现已铺设的光缆中实现更高速率传输的热点解决方案，赢得了业内人士的普遍关注。
另一方面，随着光纤传感技术的突破性进展，光纤传感系统在国民经济的各个领域中得到广泛应用。
作为解调相位、频移等传感信号的重要方法之一，相干探测成为分布式传感、角速度传感、声学传感、电流传感等传感领域的核心技术。
而控制偏振态，实现干涉信号的稳定输出，则是相干探测的关键部分。
因此，我们可以看到，无论是在通讯领域，还是在传感领域，光的偏振都是大家共同关注的问题。
下面我们简单介绍一下偏振的基本概念、偏振的控制方法及几个重要偏振特性的测量技术。
1. 偏振态的表示方法所谓光的偏振，是指在光的传播过程中其能量分布的偏向性。
光是一种横波，其能量分布是横向的，也就分布于传播方向的横截面上。
而能量在此平面上如何分布，则是偏振所要描述的问题了。
对于完全偏振光，能量在此平面内的分布是确定的，有固定的方向性。
而对于自然光，其能量分布是没有任何方向上的偏向的，是完全随机的。
我们日常见到的绝大部分光，则是介于这两个状态之间的，其能量的分布既有一定的随机性，也有一定的偏向性。
光是电磁波，其偏振状态可以用光的电矢量来描述。
根据电矢量末端的变化轨迹，偏振光可以分为线偏振光、圆偏振光和椭圆偏振光。
此外，由电矢量还可以派生出来其他几种表示方法，如偏振椭圆、Stokes参数、邦加球，另外还可以通过琼斯矩阵、米勒矩阵来表示一个偏振器件对偏振态的影响或改变。
偏振模色散补偿
偏振模色散补偿偏振模色散 ( P MD) 已成为限制高速光纤通 信系统速率及传输距离的主要因素之一．近年来人们对偏振色散及其补偿进行了大量的研究， 并提出了多种自适应 P MD补偿方案． 这些自适应P MD补偿方案中， 常用的反馈技术主要有 2种 ： 第 1 种是电功率法…， 即检测某 一 特定 的射频 功率 作为 反馈 信号， 但 电功率法所使用的光 电探测器与码速率有关， 不利于系统的升级； 第 2种是检测光脉 冲的偏振度 ( D OP ) 作为反馈信号， 称为偏振度法 2 J ．由于信号的偏振度与码速率无关， 所以在偏振模色散补偿中作为反馈信号适用于不同码速率的系统， 便于系统升级．偏振度法反馈方式 又分为 2种 ： 一种是输 入偏振态固定， 将接收端所检测到 的单偏振态的偏振度作为反馈信号， 并用搜索算法搜索偏振度最大值，使 P MD得到补偿 ， 称为单偏振 度法 ； 另一种 是在信号的输入端安装一个偏振扰动器， 使输入偏振态发生变化， 历变所有偏振态， 不同的偏振态的偏振度不同， 最后得到在斯托克斯空间的偏振度椭球， 取椭球的短轴作为反馈信号， 称为偏振度椭球法．目 前已有文献讨论了这 2种取样方式但是没有针对具体的偏振模色散补偿器， 也没有对这 2种方法的使用适用范围进行研究．也有文章从理论上证明了2段补偿器只能补偿二阶偏振模色散的一项，即偏振主态旋转速率， 而 3段偏振模色散补偿器可同时补偿一阶和二阶偏振模色散， 但这些都是对未结合具体反馈控制信号而言的， 在实验中补偿器的实际补偿能力要 在具体 的反馈信号 下才能体现 出来 ． 而在开发 P MD补偿系统时， 针对不同的补偿器选用合适的反馈信号是非常重要 的．本文结合多阶段偏振模色散补偿器分别讨论了这 2种偏振度取样方式的性能．1 理论模型1 ． 1 多阶段偏振模色散补偿器通常采用的多段偏振模色散补偿器 由偏振控制器和双折射保偏光纤构成， 偏振控制器 由 2个 1 ／ 4 波片和 1 个 1 ／ 2波片级联构成．3个可调节 的角度分别由 3个波片的 电压控制， 其级联的总琼斯矩 阵由 3个波片的琼斯矩 阵相乘， 如图 1所示．设 h ， 0 。
光纤中的色散和偏振模色散
7.0 引言
色散实际上是所有光学材料的一个固有特性。
这一现象主要表现为一束在透明介质中传输的光 的相速度（和群速度）对其频率（或波长）的依 赖性。类似地，色散也存在于由透明材料制作而
成的光纤中。正是由于色散的存在，一束光脉冲
沿着光纤传播时会发生展宽。这一展宽导致了相 邻脉冲重叠时信号的衰减。随着传播距离和传输
宽—带宽积。这与物理最小波包的概念是一致的。
眼图是传输和网络系统工程中用来描述数字
二进制脉冲由于传输过程中的脉冲展宽，畸变和
噪声导致的信号退化的一种方法。接收脉冲波流 被呈现在存储示波器中，示波器的水平扫描和比 特速率相同。存储示波器因而可记录若干比特序 列（伴随着扩展和畸变）而形成眼图。具有大的
“眼睛”的眼图表示传输质量高和比特率低。
子的变化而不会改变输出琼斯矢量偏振状态的变
化。满足上面公式的状态被称为偏振主态（PSP）
输出偏振模色散（PMD）矢量
输出PMD矢量定义为斯托克斯空间中的矢量，它
平行于输出PSP慢模的斯托克斯矢量，大小为 。
对于单个双折射网络，群时延可以描述信号脉冲
的展宽。当多个双折射网络的网络中，总的群迟
结果为
E z , t F expi0 t i 0 z d （7.2-5）
其他形状的脉冲
高斯形状的光脉冲，经过傅里叶变换后仍为高
斯型，即频谱在载波频率附近服从高斯分布。实
际上，光通信中的脉冲并不是严格的高斯脉冲，
脉冲形状的变化导致频谱分布的变化，因而会影
斯矢量 由式（7.5-27）给出。对于一个均匀双
折射率网络或者波阵面，PMD矢量平行于慢模的偏
振方向，其大小由式（7.3-1）给出。
光纤中的色散和偏振模色散PPT课件
• 引言 • 光纤中的色散 • 偏振模色散 • 色散和偏振模色散在光纤通信中的应
用 • 实验和案例分析 • 结论和展望
01
引言
主题简介
色散
色散是光在光纤中传输时，不同 频率或模式的光以不同速度传播 的现象。
偏振模色散
偏振模色散是由于光纤中不同偏 振态的光以不同速度传播而引起 的。
色散产生的原因和影响
原因
01
色散的产生与光纤的材料、折射率、波长、温度等因素有关。
误码率，限制传输距离和
数据速率。
解决方法
03
采用色散补偿技术，如色散补偿光纤、啁啾脉冲等，以减小或
消除色散对信号的影响。
03
偏振模色散
偏振模色散定义
偏振模色散（Polarization Mode Dispersion，简称PMD）是指光纤中两个正交偏 振模式传播速度不同而引起的脉冲展宽现象。
2. 将激光器发出的光信号通过光纤传输，并使用偏振控制器和示波器测 量光信号的偏振态和波形。
偏振模色散实验
3. 改变光纤的长度或弯曲程度，观 察光信号的偏振态和波形变化。
4. 分析实验数据，探究偏振模色散对 光信号传输的影响。
光纤通信系统中的色散和偏振模色散案例分析
案例一
长距离光纤通信系统中的色散和偏振模色散
产生原因
色散是由于光纤材料对光 的折射率随波长变化而引 起的。
影响
色散会导致光信号的脉冲 展宽，影响信号的传输质 量和距离。
色散类型
材料色散
由于光纤材料对不同波长 的光具有不同的折射率而 引起的色散。
波导色散
由于光纤的几何结构对不 同模式的信号具有不同的 传播速度而引起的色散。
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介绍不同结构、不同材料的光纤及其传输 特性
4.1 不同波导结构的石英光纤
• 渐变折射率多模光纤 • 匹配包层和凹陷包层单模光纤 • 色散位移单模光纤
4.1.1 渐变折射率多模光纤
• 历史：多模------渐变多模------单模 • 渐变折射率光纤利用折射而不是全内反射
传导光 • 折射率梯度决定了孔径角的大小 • 渐变折射率光纤中的光线也是经过不同的
路径传播的，它们的速度却是不同的，因 为光在光纤纤芯中的速度是随折射率变化 的，光束偏离光纤轴越远，光速就越快。
4.1.1 渐变折射率多模光纤
• 芯径为50或62.5微米 渐变多模光纤的缺陷：
• 不同模式间相互干扰, 产生模噪声、模色散 • 残余色散 • 实际的折射率分布并非连续分布
4.2.1 塑料光纤
500nm附近，损 耗为70dB／km
4.2.1 塑料光纤
氟化的塑料光纤 在800～1340nm 的宽带内的衰减 约为60dB／km， 这使得它们可以 工作在850nm和 1300nm通信窗口。
4.2.2 光子晶体光纤
它是在石英光纤中沿轴向均匀排列着空气 孔,从光纤端面看, 存在周期性的二维结构, 如果其中1个孔遭到破坏和缺失,则会出现 缺陷, 光能够在缺陷内传播。
负色散值可以部分补偿 直接调制半导体激光器 光源的正波长啁啾—— 使相对便宜的激光发射 机能达到2.5Gbit/s的数 据率。
4.1.3 小色散斜率光纤
改变光纤的色散能使之 适用于密集波分复用系 统的另一种方法是减小 色散曲线的斜率。 但是有效面积也相应变 小，单位面积的功率密 度增加，非线性效应增 强。
材料不存在折射率差，而是通过周 期性结构的变化实现纤芯和包层的 功能
图4.13典型光子晶体的横截面结构
自然界中的 光子晶体现 象构存在完全的二维禁带，
即在一定频率范围内光无法在横向传播。 2、全反射
利用周期性排列的空气孔形成纤芯和包 层结构，使传输光能够满足全反射条件。
波导色散：入射光的波长越长，进入包层中的光强比例就越大，这部分光走过的 距离就越长。这种色散是由光纤中的光波导结构引起的，由此产生的脉冲展宽现 象叫做波导色散。
4.1.3 色散位移单模光纤
材料的固有色散取决于光速随 波长增大还是减小，n~n(λ)， 可正可负
石英材料色散和波导色散在 1310nm附近恰好互相抵消
• 非线性特性 更容易实现四波混频、Raman散射等非线 性光学效应
4.2.3 掺稀土元素光纤
• 铒、镱、铥、镨等元素 • 掺铒光纤放大器：利用980nm和1480nm的
4.1.2 单模光纤
普通阶跃单模光纤 • 阶跃折射率分布，折射率差为0.36% • 纤芯直径足够小，传输模式只有一个HE11 • 避免了模色散、模噪声 缺陷： • 最小色散值在1310nm波长处，而最小衰减值在
1550nm波长处 • 掺铒光纤放大器，其工作波长范围是1530～
1610nm，阶跃折射率单模光纤在这一波段的色散 非常大
4.2.2 光子晶体光纤的特性
色散特性 ： • 存在反常色散(波长变大时折射率值增大的
现象)------短波长光孤子传输 • 正常色散的概念
• 可用于色散补偿
4.2.2 光子晶体光纤的特性
• 传感特性：气体、应变、温度、折射率
• 高双折射特性 破坏光子晶体的圆对称性实现高双折射率
• 弯曲特性 弯曲损耗小，长短波长均存在弯曲损耗边
4.1.3 非零色散位移光纤
G.655标准，其色散值为
0.1~6ps/(nm km )
4.1.3 非零色散位移光纤
零色散点小于1500nm 波长
在C波段，光纤的色散 为正值更容易补偿
色散曲线为正的部分倾 斜度小，因而在铒光纤 波段上，色散幅度的起 伏更小。
4.1.3 非零色散位移光纤
长波长非零色散位移光 纤的零色散波长值约为 1640nm
4.2.2 光子晶体光纤的特性
• 无休止单模特性：所有波长上都支持单模传输 条件：空气孔径与孔间距之比必须不大于0.2 原因：
1. 波长变短时, 模式电场分布更加集中于纤芯, 延伸 入包层的部分减少, 从而提高了包层的有效折射率, 减少了折射率差
2. 波长降低到一定程度时,高阶模光从孔间泄漏出去
• 与绝对尺寸无关, 光纤放大或缩小照样可以保持单 模传输(可以人为设计模场面积)
材料色散是石英光纤的本征特 性，只有改变玻璃的组成成分， 才能改变其色散值，而这样会 引起衰减的增加。
通过设计纤芯和包层结构调整 波导色散，可以使色散最小值 发生移动
4.1.3 零色散位移光纤
零色散位移光纤 不适用于波分复用 系统——— 当光纤中存在多个 光信道时，各信道 对应波长的色散接 近于零，因此会引 发四波混频效应， 影响传输信号
4.2 其它材料光纤
4.2.1 塑料光纤 4.2.2 光子晶体光纤 4.2.3 掺稀土元素光纤 4.2.4特种材料光纤
4.2.1 塑料光纤
• 优点：轻便、廉价、柔软、易于处理等 • 缺点：损耗大、温度特性、耐久性差 跟普通光纤的区别之处： • 适用于图像传输和照明 • 纤芯和包层的折射率差比较大 • 一般纤芯直径大，数值孔径大
4.1.2 单模光纤
• 匹配包层单模光纤 • 折射率分布图
4.1.2 单模光纤
• 凹陷包层单模光纤 • 折射率分布图
4.1.3 色散位移单模光纤
色散的概念：在光学中一般所说的色散是指材料色散，在光纤光学中包括材料色 散和波导色散。光纤色散可以使脉冲展宽，而导致误码。这是在通信网中必须避 免的一个问题，也是长距离传输系统中需要解决的一个课题。 材料色散：n=n(λ)，光的波长不同，折射率n就不同，光传输的速度也就不同。
4.1.3 大有效面积光纤
• 大有效面积可以减小非线 性效应
• 模场直径大约为9.6微米， 小色散斜率光纤的模场直 径约为8.4微米，导致有 效面积相差30%，非线性 效应存在明显差异
4.1.3 色散补偿光纤
• 用于抵消或补偿标准单 模光纤的色散
• 纤芯-包层折射率差大 • 有效面积小 • 波导色散非常大