（光学工程专业论文）光纤通信系统中偏振模色散及其补偿方法的研究.pdf

摘要 随着光放大器和色度色散补偿技术的不断提高，光纤的偏振模色散已经成为 超高速、超长距离光纤通信系统发展的主要障碍。在4 0 g b i t s 或更高速率的光纤 通信系统中，p m d 明显损害系统的传输性能、限制系统的传输速率和距离，因 此，p m d 的问题越来越突出，已经成为光纤通信领域研究的热点问题。然而， 由于p m d 是一个随机过程，随着频率和环境温度等条件而随机变化，使p m d 的补偿比一般的色散补偿更加困难。本文将着重研究p m d 模拟器和动态补偿方 法。 本文首先介绍了课题的研究背景、研究意义以及偏振模色散目前在国内外研 究的现状。介绍了偏振模色散的成因、国际上常用的描述方法以及有关偏振模色 散的一些重要概念，如；双折射、耦合、主偏振态等。接着研究了偏振模色散对 光通信系统的影响，通过计算机仿真研究了p m d 引起的脉冲展宽、对接收机灵 敏度的恶化和对接收机频谱的影响。然后研究了一种基于温度效应的p m d 模拟 器，以高双折射光纤级联模型为基础，利用温度对光纤双折射特性的影响，建立 了温度效应的p m d 模拟器模型，并仿真分析了保偏光纤的段数与模拟器性能的 关系。仿真结果表明：模拟器的d g d 分布规律由级联段数决定，平均d g d 由 级联光纤总d g d 决定。最后对偏振度( d o p ) 作为p m d 动态补偿的反馈控制信息 进行了理论和仿真研究，以光相干矩阵为基础推导了d o p 与d g d 和分光比之 间的数学关系，对高斯脉冲的波形函数进行了计算。 关键词：偏振模色散；脉冲展宽；温度；高双折射光纤；模拟器；色散补偿；控 制信号；偏振度； a b s t r a c t w h e na r e n u a t i o na n dc h r o m a t i cd i s p e r s i o na r ec o m p e n s a t e d ，p m di sr e g a r d e d a so n eo ft h ed o m i n a n to b s t a c l e si no p t i c a lf i b e rc o m m u n i c a t i o ns y s t e m sh a v i n gb i t r a t e so f4 0 g b i t sa n db e y o n d r e s e a r c hf o u n dt h a tp m dc a nd a m a g et h ep e r f o r m a n c e o fs y s t e ma n dl i m i tt h et r a n s m i s s i o nd i s t a n c e h o w e v e r , p m di sm o r ed i f f i c u l tt o c o m p e n s a t et h a no t h e rc o m p e n s a t i o nb e c a u s eo fi t ss t o c h a s t i cf e a t u r e p m db e c o m e s m o r ea n dm o r ep r o j e c t i n g t h et h e s i ss t u d i e sl e a d i n g l ye m u l a t o ro fp m da n dt h e c o m p e n s a t i o nm e t h o do fp m d f i r s tt h et h e s i si n t r o d u c e s i n v e s t i g a t i v eb a c k g r o u n do ft a s k 、i n v e s t i g a t i v e i m p o r t a n c ea n dr e s e a r c hs i t u a t i o nb o t hh o m ea n da b r o a d i ti n t r o d u c e sc a u s e so f f o r m a t i o no fp o l a r i z a t i o nm o d ed i s p e r s i o n ( p m d ) 、d e s c r i b i n gm e t h o d sa n ds o m e i m p o r t a n tc o n c e p t sa b o u tp m d ，f o re x a m p l ed o u b l er e f r a c t i o n ，c o u p l i n g ，p r i m a r y p o l a r i z a t i o ns t a t ea n ds oo n s o o na f t e rt h et h e s i sr e s e a r c h e st h a tp m de f f e c tf o r o p t i c a lc o m m u n i c a t i o ns y s t e m i tr e s e a r c h e so np u l s ew i d e n i n gw h i c hc a u s e db yp m d ， w o r s e nt os e n s i t i v i t yo fr e c e i v e r , i n f l u e n c eo nr e c e i v e r f r e q u e n c ys p e c t r u mb y c o m p u t e re m u l a t i o n n e x t i tr e s e a r c h e sa ne m u l a t i o n 、 ，i t l lt h e p a r a m e t e ro f t e m p e r a t u r es e n s i t i v i t yo fh i g h - b i r e f r i n g e n c ef i b e r , a n a l y z e st h er e l a t i o no ft h en u m b e r o fp o l a r i z a t i o n p r e s e r v i n gf i b e ra n dp r o p e r t yo fe m u l a t i o n s i m u l a t i o ns h o w st h a t d g dp r o b a b i l i t yd e n s i t yf u n c t i o no ft h ee m u l a t o ri sd e c i d e d b yh o wm a n y h i g h b i r e f r i n g e n c ef i b e rp a r t sa r ec o n n e c t e da n dt h ea v e r a g ed g do ft h ee m u l a t o ri s d e c i d e db yt o t a ld g do fc o n n e c t e df i b e rp a r t s f i n a l l y , d e g r e eo f p o l a r i z a t i o n ( d o p ) a sf e e d b a c k s i g n a l f o rp m dc o m p e n s a t i o ni s i n v e s t i g a t e dt h e o r e t i c a l l y a m a t h e m a t i c a lr e l a t i o nb e t w e e nd o pa n dd g di sd e r i v e db a s e do no p t i c a lc o h e r e n t m a t r i x t h e o r e t i c a lc a l c u l a t i o n sf o ro p t i c a lt r a n s m i s s i o n so fg a u s s i a np u l s ea r ed o n e a n dc o m p a r e d k e yw o r d s ：p o l a r i z a t i o nm o d e d i s p e r s i o n ；p u l s ew i d e n i n g ；t e m p e r a t u r e ； h i g h b i r e f r i n g e n c ef i b e r ；e m u l a t o r ；d i s p e r s i o nc o m p e n s a t i o n ；c o n t r o l l i n gs i g n a l ； d e g r e eo fp o l a r i z a t i o n l l 南京邮电大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究 工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的 地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包 含为获得南京邮电大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材 料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了 明确的说明并表示了谢意。 研究生签名：埤日期：二划 南京邮电大学学位论文使用授权声明 南京邮电大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留 本人所送交学位论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其 他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一 致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布 ( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权 南京邮电大学研究生部办理。 研究生签名：楹垒交 导师签名： j 日期：狸墨翌旦 第一章绪论 1 1 飞速发展的光纤通信技术 自光纤通信技术问世2 0 年以来，尤其是2 0 世纪9 0 年代以来，光通信的发 展一直令世人瞩目。单光纤通信容量增加的速度甚至超过了电子行业的摩尔定 律，这主要表现在以下两个方面： 单通道速率不断提升：2 5 g b s 、1 0 g b s 系统已经商用化，并正在向 4 0 g b s 甚至1 6 0 g b s 迈进，单通道最高传输速率3 2 0 g b s 的光时分复用系统已有 报道l 。 密集波分复用( d w d m ) 系统日趋成熟并已实用化：2 0 0 5 年3 月，o f c 2 0 0 5 会议上，美国l u c e n t 公司报道了3 2 8 t b s ( 8 2 4 0 g b s ) 3 0 0 k m 非 零色散位移光纤w d m 传输系统i l 】。紧随其后2 0 0 5 年1 0 月，德国s i e m e n s 公司 完成了7 0 4 t b s ( 1 7 6 x 4 0 g b s ) w d m 系统，传输距离为5 0 k m 【l 】。2 0 0 6 年3 月的 o f c 会议上，阿尔卡特发布了1 0 2 4 t b s ( 2 5 6 x 4 0 g b s ) w d m 实验系统1 1 。同时日 本n e c 公司也报道了当前世界上单纤传输速率的最高记录，该系统速率为 l o 9 2 t b s = 2 7 3 4 0 g b s ，传输距离11 7 k m ( 纯硅芯大有效面积光纤，共两段) ，采 用了分布r a m a n 放大与集中光纤放大以及极化复用等技术，频带利用率 0 8 b i f f s h z t l l 。然而自2 0 0 3 年以来，低迷的国际光纤通信市场使各大公司从片面 追求传输速率的误区中走了出来，开始注重向降低成本，实用化方向发展，进入 了效率时代。现在商用光纤传输系统的最高容量已达1 6 t b s 。国内各大研究单 位也已成功演示了4 0 g b s 光纤传输实验系统( 武汉邮科院) 和1 6 x 1 0 g b s 光纤色散 补偿系统( 北京交通大学) 等，并且这两年新建线路用到1 0 g b s ，波分复用最高可 达3 2 波，总传输容量达3 2 0 g b s ( 3 2 x 1 0 g b s ) 1 1 1 。 从整个光通信产业上看，由于人们对信息量的需求日益增加，全球光纤光缆 及光网络设备市场也一直保持飞速的发展。美国c o m i n g 公司在2 0 0 4 年春季的 世界光纤通信大会( 0 f c 2 0 0 4 ) 上宣布，2 0 0 5 年全球光纤市场突破了1 1 亿公里， 比2 0 0 3 年猛增了5 0 ，目前全球几乎被超过3 亿多公里的光纤所覆盖。尽管从 2 0 0 5 年中期起，市场需求开始大幅回落，光纤每年仍在以超过6 0 0 0 万公里的速 度继续铺设。而从上个世纪八十年代以来，我国光通信在设备产品制造、技术应 用和网络建设上也一直保持着与世界同步发展，尤其是在2 0 0 3 年下半年以来市 l 场低迷的情况下，中国的光通信市场仍然保持着一定的生机，更引起了全世界的 关注。继“八五”期间完成“八横八纵”光缆干线网后，2 0 0 4 年1 月2 4 日，中国电 信宣布，其总投资额达1 1 9 亿元人民币的中国电信全国高速传输环网正式开通。 该网全长1 5 0 0 0 多公里，是目前世界上最长的高速传输网络。截止到2 0 0 7 年第 二季度，全国光缆线路长度己达3 1 1 4 万公里，其中长途光缆线路长度达到6 1 6 万公里【2 】，平均芯数约3 6 芯，并且仍以每年3 0 万公里的铺设速度继续增长【2 1 。 美国市场调研公司k m i 最新报告“p r o s p e c t sf o rt e l e c o mi na s i a p a c i f i c ”中指出： “中国将在2 0 0 8 年超过日本成为世界最大的光通信市场”1 3 j 。 1 2 偏振模色散对光通信技术发展的限制 从技术角度看，限制光纤通信系统向高速率、长距离方向进一步发展的主要 因素包括光纤损耗、非线性效应和光纤色散。 为了减小光纤损耗，朗讯公司推出全波光纤( 也可称作无水峰光纤) ， 它几乎完全消除了内部的氢氧根( o h - ) 离子，从而可以比较彻底地消除由之引起 的附加水峰衰减。光纤衰减将仅由硅玻璃材料的内部散射损耗决定，在1 3 8 5 n m 处的衰减可低至0 3l d b k m ，打开了1 3 6 0 n m 1 4 6 0 n m 的第五个窗口。日本住友 公司在o f c 2 0 0 5 会议上报道了他们的增强纯硅芯超低损耗单模光纤，称为z p l u s f i b e r t m 】，其在1 5 6 8 n m 处损耗可达到o 1 5 1 d b k m ，并且同时具有大的有效面积 和超低的非线性【4 1 。掺饵光纤放大器( e d f a ) 的研制成功并商用化，也使光纤的损 耗对系统传输距离的限制作用大大降低，尤其是拉曼光纤放大器( r a ) 的研制成 功，进一步改善了光信噪l l ( o s n r ) 并延长了信号的无中继传输距离。 为了克服自相位调制、交叉相位调制和四波混频等光纤非线性效应以及 光纤色散效应，各种新型光纤也应运而生，其中负色散大有效面积光纤，不仅可 以克服四波混频等非线性效应，同时其负色散特性可以有效抑制调制不稳定性 ( 由非线性和色散相互作用产生的另一种非线性效应) 。 另外，日趋成熟的色散补偿光纤、啁啾光纤光栅等色散补偿技术，色散 管理孤子技术以及外调制技术也有效抑制了光纤色散和非线性效应影响。然而近 年来，随着单通道传输速率的不断提升，从1 0 g b s 到4 0 g b s ，尤其是4 0 g b s 以 上，原来不为人所重视的光纤偏振模色散逐渐成为制约光纤通信系统升级和进 步发展的主要障碍。p m d 是由基模中两个正交的偏振模式的传输常数差导致的， 2 对传输速率小于10 g b s 的通信系统的影响可以不必考虑，所以自上个世纪九十 年代以来受到了国内外研究人员的广泛关注并迅速成为目前光纤通信领域的研 究热点。 系统p m d 容限主要依赖于传输速率、调制形式和码型、o s n r 和接收机特 性等【5 1 。根据国际电信联盟0 t u t ) 建议，为保证系统代价小于l d b ，线路p m d 的值必须小于0 1 t b ( n 为比特周期) 。对已铺设的光纤p m d 测试结果表明1 6 j ， 上个世纪八十年代末期和九十年代早期生产、铺设的光纤p m d 值相对较大，其 值大约1 - 2 p s k m 抛，尤其是这个期间铺设的色散位移光纤( d s f ) ，由于其相对于 普通单模光纤有效面积较小，在具有大的光纤非线性效应的同时也更容易受纤芯 非圆性的影响，导致大的p m d 系数【6 】，典型值为0 6 1 p s k m 怩，最大甚至达到 4 2 4 p s k m 舱，部分由该d s f 组成的线路甚至在速率为2 5 g b s 时也受到p m d 限 制【6 】o 根据现有光纤的制造水平，i t u t 规定单模光纤的平均p m d 系数不超过为 o 5 p s k m 抛。据美国电信研究中心b e l l c o r e 实验室报道【7 1 ，在欧美地区，对一个 传统长途线路间距( 欧洲为3 0 0 k m ，北美为5 0 0 k m ) ，约有2 0 3 0 的长途光纤线 路在升级为1 0 g b s 时，受到p m d 的严重影响，即线路p m d 值超过了系统容限。 在我国早期铺设的单模光纤中由于没有规定p m d 指标，经测试发现，有些厂家 生产的光纤p m d 系数较大，导致一部分光纤线路不能扩容并升级为10 g b s 及以 上速率的传输系统。幸运的是，我国的光纤线路大部分是1 9 9 9 年以后铺设的， p m d 效应在当时已经引起了一定的重视，所以绝大部分光纤可以满足1 0 g b s 速 率的信号传输。 最近，i t u t 建议厂家提供的光纤p m d 系数不得大于o 1 p s k m 沈。而现在， 部分厂家( 康宁、朗讯和武汉长飞等) 提供的光纤在出厂前的p m d 系数甚至可以 小于0 0 5 p s k m 舱。但从长远角度看，长距离传输4 0 g b s 乃至1 6 0 g b s 的信号时 仍然存在p m d 问题。另外，p e t e r 等人的现场无缆测试结果表明【8 】：光纤p m d 系数有随着铺设时间增加光纤老化进一步增长的趋势：1 9 8 5 1 9 8 7 年铺设的光缆 约有6 2 光纤p m d 系数大于0 5 p s k m 忱；而1 9 8 8 1 9 9 0 年p m d 系数大于 0 5 p s k r n m 的光缆约占7 0 ；1 9 9 1 1 9 9 3 年期间不合格光缆为2 4 ，1 9 9 4 1 9 9 6 年期间为1 3 。因此，重视p m d 问题，深入开展对它的研究并寻找相应对策对 满足我国日益增长的通信业务需求及提高我国的光纤制作技术和光纤通信技术 在国际市场的竞争力都具有十分重要的意义。 1 3 国内外研究状况与进展 光纤中偏振模的研究起源于对相干光通信中信号光的偏振态的研究。早在 1 9 7 8 年，s c r a s h l e i g h 等人就提出了p m d 的概念，并指出单模光纤实际是双模 式的【9 】。从8 0 年代起，人们开始对p m d 进行了系统的研究，主要包括成因、特 性、测量和对系统影响以及补偿技术等方面。早期的研究工作主要针对于p m d 的理论及其统计特性方面，具有代表性的是c d p o o l e 等使用“主态”( p r i n c i p a l s t a t e s ) 的概念描述一阶p m d 现象f 9 】，为p m d 进一步的研究工作提供了方便的工 具。随后又得出了光纤中偏振态演变的动态方程，并建立了单模光纤p m d 统计 特性的理论h e l l o 同时，p m d 的测量方法的研究及其标准化的工作也取得进展。 国际电信联盟( i t u t ) 于19 8 9 年开始着手光纤p m d 的测试方法及其规范值的研 究，19 9 6 年初步提出了能6 2 2 m b i t s 、2 5 g b s 、10 g b s 的相应光缆中继段上的光 纤p m d 的规范值草案。该草案中推荐了四种测量p m d 的方法【9 】：干涉仪法( i f ) 、 波长扫描傅立叶变换法( w s f f t ) 、j o n e s 矩阵本征值法( j m f ) 、和波长扫描极值计 算法( w s e c ) 。现在p m d 的测量方法及统计模型已经得到国际电工委员会( i e c ) 和电信工业协会( t i a ) 的认可。国外已有商用化的测试仪器，比如e x f o 公司和 n e t t e s t 公司。 在9 0 年代中后期，随着更多的目光被吸引到这一领域，各国科学工作者在 偏振模色散补偿方面做了深入的工作，并取得了大量的成果。各研究机构相继提 出了多种偏振模色散补偿方案。这些方案大致可归纳为电域补偿和光域补偿两种 方式。电域补偿是在光接收机内对电信号进行补偿，由于电路复杂且对于大多数 时候要求在野外，应用起来相当困难。光域补偿是在传输的光路上采用光学元件 ( 如偏振控制器、保偏光纤和光延时延线等) 直接对光信号进行补偿，其中有的方 案已有器件实用化。但是由于技术的复杂程度及费用等方面的原因，迄今为止还 没有出现商用的p m d 自动补偿技术。 目前对p m d 的研究包括阶和二阶p m d 对数字或模拟光纤传输系统性能 ( 包括脉冲展宽特性、误码率、功率代价和系统故障率等) 的影响、一阶和二阶p m d 补偿技术的研究，特别是w d m 系统中偏振模色散的影响问题和平衡补偿问题、 4 具有p m d 效应的非线性超高速光纤传输技术的研究等等，并且开始关注与偏振 有关的损耗( p d l ) 、增益( p d g ) 等问题。在近几年的o c f 和e c o c 两个著名的国 际光通信会议上，都有关于p m d 的专题讨论会。这表明p m d 的研究方兴未艾， 也表明p m d 及其补偿技术的研究对发展下一代高速光纤通信系统具有举足轻重 的作用。 我国对p m d 模拟与补偿方面的研究起步较晚，但发展迅速。近几年来，清 华大学、北京邮电大学、天津大学、浙江大学等单位相继开展了这方面工作，并 取得了一些科研成果。从目前的发展状况来看，研究p m d 的补偿系统主要集中 在模拟算法、控制算法、实现自适应补偿和快速补偿等方面。 1 4 本文的主要内容 第一章，绪论部分，主要说明研究偏振模色散及其补偿技术研究的必要性和 意义，偏振模色散及其补偿技术研究的进展过程，以及相关领域的国内外研究现 状。 第二章，介绍了偏振模色散的基本原理，包括偏振模色散的概念与起因、偏 振模色散的定义及其描述方法。 第三章，重点研究p m d 对数字传输系统的影响，主要从p m d 引起的光脉冲 展宽、接收机灵敏度恶化、接收信号频谱变化等角度来讨论p m d 对光纤通信系 统的影响。 第四章，在前面第二章基础上首先从保偏光纤( p m f ) 的级联模型出发，从 p m d 矢量在s t o k e s 空间的运动入手，利用热力学的相关理论推导出了p m f 级联 模型的d g d 统计分布函数及p m d 系数与每段p m f 的关系；接着提出一种基于 温度效应的偏振模色散模拟器，按照偏振模色散的级联模型实现了基于温度效应 的偏振模色散模拟器，对其统计特性进行了仿真，并对仿真结果进行了讨论。 第五章，重点研究偏振模色散补偿技术，主要内容包括：偏振模色散补偿技 术分类，偏振模色散补偿原理，偏振模色散监控信号提取方案选择，并阐述了一 种将控制理论中人工神经网络( a n n ) 的粒子群优化算法作为反馈控制算法应 用到偏振模色散的补偿控制单元中的补偿方案。 第六章，对全文进行简单的总结，并提出对下一步工作的展望。 参考文献 【l l t n n i e l s e n ，a j s t e n ，z k r o t t w i t t ，d s v e n g s a r k ，z j c h e n ，p b h n a e s n ，j h p a r ke l a 1 3 2 8 t b s ( 8 2 x 4 0 g b s ) t r a n s m i s s i o no v e r3 x 10 0k mn o n z e r o d i s p e r s i o nf i b e r u s i n gd u a lc - - a n dl - - b a n dh y b r i dr n a rr a m a n e r b i u md o p e di n l i n ea m p l i f i e r s o f c 2 0 0 6 ，2 0 0 6 ，2 3 6 2 3 8 【2 】郭云飞，中国未来通信高技术研究的战略部署，通信世界，1 2 ，2 0 0 6 ，3 4 3 6 3 s b a s t i e nb i g o ， y a n n f d n g a e ， g b a r i e l c h a r l e ，h e l m u tg r o s s ，r o n m a d i s e h l e r , w b l g f n a gp o e h l m n a n ，c h r i s t i n as i m o n n e a u ，d o m i n i q u eb a y a r t ， g u s v a tv e i t h ，1 0 2 t b i t s ( 2 5 6 x 4 2 7g b i t sw d m d w d m ) t r a n s m i s s i o no v e r 10 0 k mt e r a l i g h tf i b e rw i t h1 2 8 b i t s h zs p e c t r a le f f i c i e n c y , o f c 2 0 0 6 ，2 0 0 6 ， p d 2 5 ，1 3 4 k i y o s h i ，f u k u e h i ，m m o d e ，k a y a t o ，s e k i y a ，d a i s k a u ，o g a s h a a r lo 9 2 t b s ( 2 7 3 x 4 0 g b s ) t r i p l e - b a n d u l t r a - d e n s e w d mo p t i c a l - - r e p e a t e r e dt r a n s m i s s i o n e x p e r i m e n t o f c 2 0 0 4 ，2 0 0 4 ，p d 2 4 ，1 - 3 【5 】简水生，因特网从空前萦荣到“效率时代”的启示和展望，现代通信，l 期，2 0 0 2 ， 1 4 【6 吴重阳，光纤光缆技术大展望，江苏亨通光电股份有限公司 【7 1 2 0 0 7 年第一季度通信行业运行状况，中华人民共和国信息产业部 【8 】赵梓森，o c f 2 0 0 4 世界光纤通信大会概要光纤通信技术，2 0 0 4 ，8 ( 4 ) 9 】邓祖煜单模光纤的偏振模色散与测试方法，现代有线传输，1 9 9 8 ，( 1 ) 【1 0 龙槐生，张仲先，谈恒英，光的偏振及其应用，机械工业出版社，2 0 0 2 11 d p e n n i n c k s ，s l a n n e ，u l t i m a t el i m i t so fo p t i c a lp o l a r i z a t i o n - m o d ed i s p e r s i o n c o m p e n s a t o r sp r o c e c o c ，m u n i c h ，g e r m a n y , 2 0 0 0 6 第二章偏振模色散基本原理 2 1 引言 单模光纤的偏振模色散( p m d ) 是由光纤横截面微小的不对称性引起的色 散。这种不对称性引起两个相互垂直的基本偏振模以不同的速度传播。由于经历 了色散，即脉冲展宽，当接收机接收到这个合成的脉冲时要比发送端的脉冲宽。 p m d 取决于光纤的双折射率和模耦合。双折射率是折射率指数在两个正交模之 间的变化量。p m d 随双折射率的增加而增加。模耦合发生在光能在快速模与慢 速模之间相互传递之处( 如熔接处) 。由于这些随机的变化，一段光纤的p m d 可 能会与另一段的p m d 叠加或抵消，从而引起p m d 任意移动式地积累。本章将 主要概述与p m d 有关的一些重要概念，如：双折射、耦合、主偏振态、差分群 时延等，并从外部因素和内部因素两方面分析了p m d 的成因。 2 2 色散的原理和分类 光纤的色散主要由两方面引起：一是光源发出的并不是严格意义上的单色 光；二是调制信号有一定的带宽。实际光源发出的光并不是单色的，而是有一定 的波长范围。这个范围被称为光源的线宽。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己调信号带宽，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： 模式色散：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。 波长色散：是指光源光谱中不同波长的光在光纤中传输的群时延差所引起的 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。单模光 7 纤中只存在波长色散和偏振模色散。 2 3 光纤的双折射效应 2 3 1 双折射的描述 光在光纤中是基于全反射机理向前传输的。从波动理论角度看，在光纤中传 输的一束光是由一系列模式组成的。每一个模式对应着波动方程即麦克斯韦 ( m a x w e l l ) 方程的一个解，该模式满足光纤的边界条件并且在整个传输过程中模 场空间分布保持不变。单模光纤是指仅支持基模传输的光纤，在理想的单模光纤 里，基模中的两个正交的偏振模式是简并的，也就是说这两个模式以相同的群速 度在光纤中传输。然而在实际的光纤中，由于纤芯的非圆不对称性和内外应力的 影响，两个模式传输速度不再相同，失去简并性。一般把这两个模的传输常数差 称为光纤双折射。光纤的双折射现象从形成机理上可分为材料双折射和波导双折 射。材料双折射由材料的各向异性引起。光纤在加工制造或者使用过程中，由于 内部应力分布不均匀，因弹光效应而使光纤成为各向异性材料。材料双折射的特 点是传播常数p 的大小与方向均随偏振方向变化。波导双折射是由于波导结构的 非圆对称性，使两个线偏振模( l p o l 。和l p m y ) 传播常数不相等( 1 3 x 1 3 y ) 所引起，因 此，波导双折射无方向的变化，只有大小的不同。实际的光纤中往往即存在波导 双折射，又存在材料双折射。描述波导双折射的参量有多种，如传播常数差、归 一化双折射、拍长等。 ( 1 ) 传播常数之差 由于光纤对两正交偏振模的折射率不同，其传播常数产生差异。 筇：展一成：一( - t ) r l x 一竺：坐：车a n ( 2 一1 ) ccc a 式中，是光的角频率，c 为真空中的光速，九为真空中光的波长，a n = 1 一勺l 为 光纤中快轴与慢轴的折射率差。 ( 2 ) 归一化双折射b 归一化双折射定义为传播常数差b 与两轴的平均传播常数之比： b ：丝：垒二垒( 2 - 2 ) 8l 9x 斗8 ) | 2 ( 3 ) 拍长l b ： 8 厶= 若= 去( 2 - 3 ) 模式双折射的特性常用拍长l b 来表征，又称耦合长度。在纵向均匀的单模 光纤中，光的偏振会发生周期性变化，因此，在纵向均匀的单模光纤中，当两个 相互正交的偏振模间的相位差为2 7 【时，光在光纤中所传输的距离l 就称为一个 拍长的长度。图2 1 【1 1 为双折射光纤中一个拍长内偏振态变化的情况。半个拍长 变化为从入射光的线偏振、椭圆偏振、圆偏振、椭圆偏振、线偏振( 与入射光差 9 0 0 ) 等形态，后半个周期重复上述变化。对于普通的单模光纤，n 的典型值为 1 0 。71 1 】，当光的波长为1 5 5 0 n m 时，拍长约为1 5 m 。 如果说双折射参数b 反映了单模光纤双折射的起因，那么拍长l b 则反映了 单模光纤双折射的大小。由于双折射参数不容易直接测量，所以通常都是通过测 量单模光纤的拍长l b 的方法，了解单模光纤双折射的大小或了解单模光纤中光 矢量的偏振状态。 图2 1 i i 一个拍长内偏振模的变化 2 3 2 双折射的频域表示 双折射现象也可以方便地在频域中表述。例如一个线偏振光沿着与双折射轴 成4 5 0 角的方向射入，则其输出相位o = a 1 3 l ，将随光的频率( 波长) 而变化，可 表示为： d e ：d a f tl ：f ( 2 4 ) d od o 因而，其输出偏振态也将随之改变。 2 4 偏振模的耦合 由上可知，双折射是产生p m d 的根源，然而实际情况是很复杂的，因为标 准单模光纤中无论是外部还是内部的各种机制所引起的双折射都非常小，两个偏 振模式之间的传播速度差也非常小，这就使得外部影响很容易使这两个偏振模式 之间发生能量交换，当两个相互正交的偏振模在光纤内传输时，信号能量从二一个 偏