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光纤的PMD参数及测试

　　摘要: 随着10Gb/s SDH传输系统的大规模使用,对光缆的指标提出了更高的要求,尤其是光缆的PMD指标。本文介绍了光纤的PMD参数及其测试。

　　关键词: PMD 干涉法 传输受限距离 衰耗 色散

　　为了满足高速发展的数据业务等,光传输系统的传送速率越来越高。光缆线路中的色散指标,特别是偏振模色散(PMD)指标就成为制约传输距离的主要因素之一。本文将介绍PMD的相关知识。

一、PMD的概念：

　　偏振模色散指光纤中偏振色散,简称PMD(Polarization Mode Dispersion),起因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,展宽量也不确定,便相当于随机的色散,引起信号失真。

　　随着传输速率的提高,该色散对通信系统的影响愈来愈明,而且越来越不可低估。PMD单位为ps／Km。两个正交的主偏振态之间群时延的时间差DGD的单位为ps,Km为中继段的长度。PMD的典型值为0.3～0.5ps/km1/2影响PMD的主要因素有两个

1、双折射

　　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、光纤中的搀杂物浓度不对称等,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。双折射差异越大,PMD值也将越大,它随光纤的长度变化。

2、模式耦合

　　同时,由于光纤中的两个主偏振模之间要发生能量交换,即产生模式耦合。模间耦合越紧密,PMD值越小。

　　在光纤较长时,由于偏振模式耦合对温度、环境条件、光源波长的轻微波动、施工中光纤的接续等都很敏感,故模式耦合具有一定随机性,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。所以,PMD值其实是个统计数据。在实际的PMD测试仪表中,都包含一个平均程序以获得正确的PMD值。

二、光传输受限距离的概念：

　　在进行光传输系统设计时,中继段的最大传输距离是需要考虑的主要因素之一。在传统的2.5G或2.5G以下传输速率的SDH系统来说,主要考虑的是系统衰耗的光缆受限距离。而对于10G或10G以上的SDH系统来说,不仅需要考虑衰耗、还要考虑到系统色度色散和偏振模色散。

　　(1)衰耗受限距离的计算和解决方法

L=(Ps-Pr-Pf-C)/A

其中:Ps是光口的输出功率;

Pr是光口的接收灵敏度；

Pf是光通道功率代价；

C是活动连接头的损耗；

A是光缆衰减系数；

当衰耗受限距离过小时,可以采用掺铒光纤放大器实现光信号的中继,以增加中继传输距离。

　　(2)系统色度色散受限距离的计算和解决方法

L=Dsr/D

其中：Dsr指光口的色散容限(对不同类型的光口其容限值不同)

D指光纤每公里的色散值

G652光纤:D=17ps/(nm.km)

G655光纤:D=6ps/(nm.km)

　　当系统色度色散受限距离过小时,可以采用色散补偿技术以增加中继传输距离。色散补偿技术实际是采用负色散光纤来抵消光缆的系统色散。

　　(3)系统偏振模色散受限距离的计算和解决方法

L=(Pt/P)2

其中：Pt指光口的PMD容限(对于10Gb/s信号,Pt=10ps)

P为光缆实际测试的PMD值。

例如某段光纤PMD值为1.2ps/km1/2,那么对于10G系统来说:

PMD受限距离=(10/1.2)2=69.44km

　　当系统PMD受限距离过小时,目前还没有非常有效的补偿办法。一种方法是缩短电再生距离(如果某段光纤PMD值为1.5ps/km1/2,哪么每44公里就必须设置一个电再生站点),另一种方法是重新敷设光缆。所以在进行10G系统设计之前必须对各光纤段落的PMD值进行准确测试。

三、PMD的测试方法

　　根据中华人民共和国通信行业标准《单模光纤偏振模色散的试验方法》,对PMD的测试包括以下方法。

1、斯托克斯参数测定法(SPE-Stokes Parameter Evaluation)

2、偏振态法(SOP-State of Polarization)

3、干涉法(IF-the Interferometric method)

4、固定分析器法(FA-the Fixed Analyser method)

5、琼斯矩阵本征法(JME-the Jones Matrix Eigenanalysis Method)

　　在实际的工程施工和设备维护中,我们希望使用测量速度快、测试设备体积小,适合现场操作的测试方法。PMD测试设备最好收、发分开,易于实现端到端的测试,可以直接从仪表上读取某段光纤的PMD值。

　　干涉法可满足上述要求,这种方法可在现场测量PMD参数,在速度快的同时,干涉法几乎不会受震动和不利环境的影响。干涉法是测量PMD最快的方法,1999年4月, 它就通过了TIA认证(EIA/TIA-455-124)。在使用标准的1550nm LED光源的情况下,PMD值的精确度可达0.12ps。它的测试原理是,当光纤一端用宽带光源照射时,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。

　　采用干涉法进行测量,测试仪表一般包括偏振光源、PMD测试单元(主机)、数据处理设备(计算机)等三个模块。

　　目前在国内大量使用的Eg&g公司的PMD440仪表、EXFO公司的FTB-300仪表均使用干涉法进行测量,每段光纤PMD参数的测量时间仅约15秒。

　　最后需要说明的是,影响PMD指标的因素很多,除了光缆本身的制造工艺、光缆接续水平外,在光纤在正常使用过程中,PMD值也会有很大的变化。在运输和成缆的过程中,光纤受到的挤压会影响PMD值。此外,操作者进行现场测试时,温度、振动、装卸光缆都会导致PMD值的变化,所以无论是光缆的施工还是PMD测试均要严格按照规程操作。