PMD原理和测试方法

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

引言 一

光纤的色散引起传输信号的畸变使通信质量下降从而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

色散的原理和分类 二

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链路带来了严重而在40Gb/s速率上任何器件也有少量的PMD

2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pskm1/2

PMD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

传播快光纤线路传播慢图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/km1/2

有的高达6

7 ps/km1/2

后来布设的光缆

PMD不大于

0.5ps/km1/2甚至更小

不会对10Gbit/s速率系统造成近年来敷设的光缆最优秀的光纤PMD已经控制到0.001ps/km1/2的水平

多为0.2ps/km1/2

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会付出1dB的信号功率代价由于PMD的随机统计特性

将

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1dBPMD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/L1/2 ps/km1/2

1/(10B)

公式1

现在要求δτ设速率为B的系统受PMD的最大传输距离为L km,则

Lδτ/PMD

2

1/(10*B*PMD)

2

km 公式2

当PMD

早期布设光纤中有一部分对STM16信道速率的系统也产生

0.5ps/km1/2时,STM-系统受PMD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是重要的因素不同速率系统受PMD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的最大传输距离

PMD

Ps/km 10 Gb/s

1/2

受 限 距 离 km

20 Gb/s

40 Gb/s

80 Gb/s 160 Gb/s 320 Gb/s 0 Gb/s

0.001 100000000 25000000 6250000 1562500 390625 97656.25 24414.06 0.005 4000000 1000000 250000 0.01 1000000 250000 62500 62500

15625 3906.25 976.5625 15625 3906.25 976.5625 244.1406 0.03 111111.11 27777.78 6944.444 1736.111 434.0278 108.5069 27.12674 0.05 40000 10000 2500 625 156.25 39.0625 9.765625 0.06 27777.778 6944.444 1736.111 434.0278 108.5069 27.12674 6.781684 0.07 20408.163 5102.041 1275.51 318.8776 79.71939 19.92985 4.982462 0.08 15625

3906.25 976.5625 244.1406 61.03516 15.25879 3.814697 0.09 12345.679 3086.42 771.6049 192.9012 48.22531 12.05633 3.014082 0.1 10000 2500 625 156.25 39.0625 9.765625 2.441406 0.2 2500

625

156.25 39.0625 9.765625 2.441406 0.610352 0.3 1111.1111 277.7778 69.44444 17.36111 4.340278 1.085069 0.271267 0.4 625 156.25 39.0625 9.765625 2.441406 0.610352 0.152588 0.5 400 100 25 6.25 1.5625 0.390625 0.097656 0.6 277.77778 69.44444 17.36111 4.340278 1.085069 0.271267 0.067817 0.7 204.08163 51.02041 12.7551 3.188776 0.797194 0.199298 0.049825 0.8 156.25 39.0625 9.765625 2.441406 0.610352 0.152588 0.038147 0.9 123.45679 30.82 7.716049 1.929012 0.482253 0.120563 0.030141 1 2

100 25

25 6.25

6.25

1.5625 0.390625 0.097656 0.024414 1.5625 0.390625 0.097656 0.024414 0.006104 3 11.111111 2.777778 0.694444 0.173611 0.043403 0.010851 0.002713 4 5

6.25 4

1.5625 0.390625 0.097656 0.024414 0.006104 0.001526 1

0.25

0.0625 0.015625 0.003906 0.000977 6 2.7777778 0.694444 0.173611 0.043403 0.010851 0.002713 0.000678 7 2.0408163 0.510204 0.127551 0.031888 0.007972 0.001993 0.000498 四

多

偏振模色散的测试方法

偏振模色散具有随机性示意图如图4所示

在DWDM系统中

造成偏振和引起偏振模色散的因素很

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Device Under 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PMDλ 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t0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PMDλ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PMDλ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ExEy两个分量其瞬时值为

Ex=Ex0Cos(ωt+φx) Ey=Ey0Cos(ωt+φy)

两分量的幅度比REy0/Ex0相位差φ=φy-φx根据Rφ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Rφ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