光纤色散原理.doc

当一个光脉冲从光纤中输入，经过一段长度的光纤传输之后，其输出端的光脉冲会变宽，甚至有了明显的失真，这说明光纤对光脉冲有展宽的作用，即光纤存在色散。这主要是光脉冲的前端和后端在光纤中传输的距离不一致，导致脉冲变宽。

　　光纤的色散是引起光纤带宽变窄的主要原因，光纤带宽变窄会限制光纤的传输容量，同时，也限制了光信号的传输距离。

　　G.652 光纤是1310nm 窗口零色散，在1550nm 窗口存在色散，在传输10G 信号时需加色散补偿光纤，进行色散补偿；G.653 光纤是色散位移光纤，在1550nm 窗口零色散，可传输10G 的光信号，但传输WDM 波分光信号时，因零色散，会产生四波混频等非线性效应，不能用于WDM 波分的传输。G.655 光纤在1550nm 窗口有很小的色散，可用于SDH 光信号和WDM 信号的传输。

　　光纤的色散可以分为三部分，即模式色散、材料色散和波导色散。

　　模式色散：主要对多模光纤而言，对单模光纤来说，因只有一个模式传播，不存在模式色散的问题。

　　定义：多模光在多模光纤中传输时会存在许多种传输模式，而每种传输模式具有不同的传播速度和相位，因此虽然在输入端同时输入光脉冲信号，但到达接收端时的时间却不一致，于是产生了脉冲展宽的现象，叫模式色散。

　　材料色散：是指组成光纤的材料二氧化硅本身所产生的色散。

　　波导色散：波导色散是指由光纤的波导结构所引起的色散。

　　对于多模光纤而言，由于其模式色散比较严重，而且其数值也比较大，其材料色散较小，不占主导地位，波导色散对多模光纤的影响甚小，所以，多模光纤主要考虑其模式色散。而单模光纤传输的是一个单模，不存在模式色散，模式色散为零，考虑的是其材料色散和波导色散。光纤的总色散所引起的脉冲展宽为三种色散各自平方的和后开平方。

　　色散主要用色散系数D(λ ) 表示。色散系数一般只对单模光纤来说，包括材料色散和波导色散，统称色散系数。
色散系数的定义：每公里的光纤由于单位谱宽所引起的脉冲展宽值，与长度呈线性关系。其计算公式为 ：

    σ= δλ*D*L

    其中：δλ 为光源的均方根谱宽，D(λ ) 为色散系数，L 为长度，现在的单模光纤色散系数一般为20ps/km.nm ，光纤长度越长，则引起的色散总值就越大。色散系数越小越好，，因色散系数越小，根据上式可知，光纤的带宽越大，传输容量也就越大。所以，传输2.5G 以上光信号时，要考虑光纤色散对传输距离的影响，最好采用零色散的G.653 光纤传输，但光纤色散为零时，传输WDM 波分光信号会产生四波混频等非线性效应，所以色散要小，但不能为零，最终采用的光纤为G.655 光纤来传输10G 的光信号和WDM 波分复用信号。对于单模光纤，其带宽系数在25GHz.km 以上，但多模光纤的带宽系数一般在1GHz.km 以下。所以，多模光纤一般用于622M 以下短距离的通信，而单模光纤可用于多种速率的通信。

    ITU-T G.652 建议规定零色散波长范围为：1300nm~1324nm ，最大色散斜率为0.093ps/（nm 2 .km ），在1525~1575nm 波长范围内的色散系数约为20ps/（nm.km ）。 ITU-T G.653 建议规定零色散波长为：1550nm ，在1525~1575nm 区的色散斜率为0.085ps/（nm 2 .km ）。在1525~1575nm 波长范围内的最大色散系数为3.5ps/（nm.km ）。G.655 光纤在1530~1565nm 范围内的色散系数在绝对值应处于0.1~6.0 ps/（nm 2 .km ）。

二、单模光纤的偏振模色散产生机理

　　随着单模光纤在测试中应用技术的不断发展，特别是集成光学、光纤放大器以及超高带宽的非零色散位移单模光纤即ITU-T G655光纤的广泛应用，光纤衰减和色散特性已不是制约长距离传输的主要因素，偏振模色散特性越来越受到人们重视。偏振是与光的振动方向有关的光性能，我们知道光在单模光纤中只有基模HE11传输，由于HE11模由相互垂直的两个极化模HE11x和HE11y简并构成，在传输过程中极化模的轴向传播常数βx和βy往往不等,从而造成光脉冲在输出端展宽现象。如下图所示：

图1：PMD极化模传输图

　　因此两极化模经过光纤传输后到达时间就会不一致，这个时间差称为偏振模色散PMD（Polarization Mode Dispersion）。PMD的度量单位为匹秒（ps）。

　　光纤是各向异性的晶体，光一束光入射到光纤中被分解为两束折射光。这种现象就是光的双折射，如果光纤为理想的情况，是指其横截面无畸变，为完整的真正圆，并且纤芯内无应力存在，光纤本身无弯曲现象，这时双折射的两束光在光纤轴向传输的折射率是不变的，跟各向同性晶体完全一样，这时PMD=0。但实际应用中的光纤并非理想情况，由于各种原因使HE11两个偏振模不能完全简并，产生偏振不稳定状态。

　　造成单模光纤中光的偏振态不稳定的原因，有光纤本身的内部因素，也有光纤的外部因素。

　　2.1 内部因素

　　PMD即偏振模色散(Polarization Mode Dispersion) ，由于光纤在制造过程中存在着芯不圆度，应力分布不均匀，承受侧压，光纤的弯曲和钮转等，这些因素将造成光纤的双折射。光在单模光纤中传输，两个相互正交的线性偏振模式之间会形成传输群速度差，产生偏振模色散。同时，由于光纤中的两个主偏振模之间要发生能量交换，即产生模式偶合。在光纤较长时，由于偏振模随机模偶合对温度、环境条件、光源波长的轻微波动等都很敏感，故模式偶合具有一定随机性，这决定了PMD是个统计量。但PMD的统计测量的分布表明，其均值与光纤的双折射有关，降低光纤的PMD极其对环境的敏感性，关键在于降低光纤的双折射。

　　2.2 外部因素

　　单模光纤受外界因素影响引起光的偏振态不稳定，是用外部双折射表示的。由于外部因素很多，外部双折射的表达式也不能完全统一。外部因素引起光纤双折射特性变化的原因，在于外部因素造成光纤新的各向异性。例如光纤在成缆或施工的过程中可能受到弯曲、扭绞、振动和受压等机械力作用，这些外力的随机性可能使光纤产生随机双折射。另外，光纤有可能在强电场和强磁场以及温度变化的环境下工作。光纤在外部机械力作用下，会产生光弹性效应；在外磁场的作用下，会产生法拉第效应；在外电场的作用下，会产生克尔效应。所有这些效应的总结果，都会使光纤产生新的各向异性，导致外部双折射的产生。

　　对于如上两种因素都可能使单模光纤产生双折射现象，但由于外部因素的随机性和不可避免性，所以在实际应用中人们非常重视对内部因素的控制尽量减小光纤双折现象。

　　三、PMD对光通讯系统的影响

　　当技术上逐步解决了损耗和色度色散的问题后，在通信系统传输速率越来越高，无中继的距离越来越长的情况下，PMD的影响成了必须考虑的主要因素。在数字系统中PMD引起脉冲展宽，对高速系统容易产生误码，限制了光纤波长带宽使用和光信号的传输距离；在CATV等模拟系统则引起信号失真。下表1列出受PMD限制的数字传输系统传输速率与传输距离的关系：

　　从表1可以看出，PMD对于低速率的光纤通信系统影响不大。对于2.5Gbit/s传输系统，当PMDC为0.5ps/√km时，可传输6400公里，当PMDC值为1ps/√km时，可传输1600公里；但对于高速（10Gbit/s）系统，传输距离就大幅缩短，分别只能传输100公里和400公里；对于超高速（40Gbit/s）系统，PMD已严重制约了系统的使用：在PMDC为1.0ps/√km时，传输的距离只有6km，在PMDC为0.5ps/√km时，传输的距离只有25km，在PMDC为0.2ps/√km时，传输的距离125km。由此可见，PMD成为影响高速系统传输距离的主要因素之一。通常为保障10Gbit/s高速系统及40Gbit/s超高速系统的正常使用，至少应保证PMDC小于等于0.2ps/√km。

　　因此，在新建光缆线路、开通长距离系统、在现有光缆线路升级系统等情况时，必须测量PMD值。网络规划者在设计链路时最有效的方法是：通过现场实地测量光缆链路的PMD值，在此基础上充分考虑PMD的影响，预留足够的PMD富余度。

　　四、PMD测量方法

　　随着光纤通信技术的发展，人们对光纤偏振模色散的研究工作越来越深入，究其原因是光纤的偏振模色散对超高速光纤数字系统的传输性能有着不可忽视的影响。目前广大光纤、光缆生产厂家和电信用户都对光纤PMD作了较为深入的研究，同时参照ITU-T制定了相应的企业标准，纳入了光纤性能指标的控制范围。

　　国际电信联盟电信标准化部门ITU-T G650（2000）和国际电工委员会标准IEC61941（1999）中介绍了单模光纤偏振模色散的定义和测量方法，规定了PMD的基准测试方法即斯托克斯参数测定法，还有替代测试方法即偏振态法与干涉法。

　　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。

　　4.2、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⊿ω和邦加球上代表偏振态（SOP）点的旋转角度⊿θ，就可以计算出PMD时延δτ＝|⊿θ/⊿ω|。

　　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。

　　4.3、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。

　　下面介绍的是光纤参考通道Michelsom干涉仪，也是大多仪器厂家使用的一种方法，实验装置如图4所示：

　　五、单模光纤PMD不稳定因素

　　5.1、内部因素

　　单模光纤纤芯的椭圆度可能产生波导双折射，光纤组成材料的膨胀系数不一致可能产生应力双折射。随着芯层不圆度增大，单模光纤PMD有增大的趋势，这和光纤PMD产生的内部因素较为吻合。但同时也发现并不是芯层不圆度大对应光纤PMD就大，说明生产光纤PMD另一个因素的存在即应力双折射，由于光纤不同组成材料热膨胀系数不一致而使光纤芯层存在不对称横向应力，从而使光纤芯层产生双折射现象。所以作为光纤生产厂家应从光纤芯层不圆度和光纤内部残余应力着手控制光纤的PMD。

　　5.2、光纤外部因素与光纤PMD关系

　　由于光纤PMD是由光纤芯层晶体对光纤产生双折射引起，在光纤光缆应用中可能对光纤芯层的双折射率改变是复杂的，目前国内很多文献对光纤外部因素包括机械、电磁和温度等对光纤PMD可能产生影响进行了论述。实验表明，光纤在小半径弯曲和扭曲状态下，光纤PMD有一定的变化。单模光纤PMD主要由光纤本身决定，即内部因素非常重要。

　　六、结论

　　随着光纤数字通信系统传输速率不断提高和传输距离不断增长，PMD成为限制高速数字通信的关键因素，我们必须组织有效测量，以了解光缆链路实际PMD状况，为通信系统设计提供依据。

　　然而，PMD的随机及统计特性决定了PMD测量和控制难度很大。只有通过制定有效的测控方案，从厂验、单盘测试和光缆接续后链路PMD工程测试等环节分步测量控制，通过有效的问题光缆定位、处理方法，才能保证光纤网络系统的PMD指标，满足高速光纤通信系统的要求。