【精品】光纤光缆PMD的特性分析

1、光纤光缆pmd的特性分析钱峰姚水明刘应明王丹（烽火通信科技股份有限公司 式汉430070）摘要：伴随我国高速光纤通信传输系统的试用，特别是40gbit/s光通信系统的实用化，对 线路pmd的关注上升到前所未有的高度。本文系统分析了彩响光纤pmd的内因，也分 析了光缆对pmd的彩响，理论分析了通信系统与pmd的关联度，为各光缆厂在选纤、 推断成缆p.md提供参考。关键词：pmd、光纤、高速光纤通信传输系统刖b随着互联网业务的飞速发展，ip流量呈现爆炸式增长，其增速之快、来势z猛，大大超 出人们的预期。有关专家认为，光传输网络正朝着面向ip互联网、能融入更多业务、能进行 灵活的资源配置和生存性更强

2、的方向发展，高速率大容量的光传输系统将大行其道，具冇40g 乃至100g速率的光传输系统将成为未来光传输网络的核心，对以10g系统为核心的传输网进 行升级换代己经势在必行。目前，中国电信已经在上海一杭州建设了国内第一条40g商用线 路，该40g线路长200公里。2008年中国联通在华北多个地区开始兴建40g线路。中国移动 设计院副院长刘涛表示“随着全业务运营的深入，数据业务量的增加将促进中国移动在城域骨 干网上釆用40g。”业内普遍预测，随着3g网络建设大幕的正式拉开，未来移动宽带业务的 发展将进一步提升对传输网带宽的需求，40g系统有望成为今年传输网建设的最大热点。在以往低速光传输系统中，主

3、要是受光纤衰减的限制，而核心网中，10gb/s及以上的高 速系统与衰减受限的低速系统不同，属于色散限制系统，即高速传输系统的无中继传输距离主 要受光纤链路的色散限制。光纤中的色散包括色度色散cd和偏振模色散pmd,本文主要分 析pmd在光纤、成缆和应用中的变化原因。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heux和helly简并构成，在传输过程中极化模的轴向 传播常数b x和b y往往不等，从而造成光脉冲在输出端展宽现象。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（polarizat

4、ion mode dispersion）opmd 的度量单位为匹秒（ps）。光纤的pmd系数单位为卩'/临。图一 pmd产生示意图当两个正交的偏振模之间的时延差x达到系统速率一个脉冲时隙的三分之一时，将会付 出idb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idb, pmd的平均值必须小于系统速率一个脉冲时隙的十分 之一。由于pmd与cd不同，pmd是随机变化的，它受影响的因数众多，实际中往往用群时 延差的平均值，即pmd系数（pmdq）来表征光纤或光缆的pmdo pmd与光纤的微分群延 迟差（differential g

5、roup delay： dgd）成正比，与链路长度的平方根成反比（对于小于1公 里的线路不适用）。对于表征光纤（缆）的pmd特性，需要用m （链路光纤/缆数）、随机概 率q利pmdq三个指标对应关系来表示。目前m般取20 （每段光缆最大长度10km）, q 取 0.01%, pmdq 般要求在 0.10.5"/陌。第一章影响光纤pmd的因素我们现在已经了解到的影响光纤pmd的主要因素有两个:1）双折射光纤是各向异性的晶体，当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

6、，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=0o但实际应用中的光纤并非理想情况，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、光纤的弯曲和扭转、光纤中的搀杂物浓度 不对称等各种因素而造成光纤的双折射。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）模式耦合由于光纤中的两个主偏振模z间要发生能量交换，即产生模式祸合。由于非圆对称因素 在光纤制造中和光纤制造后的随机波动性，使双折射及两个偏振平面会沿光纤长度发生随机的 变化，引起模间耦合

7、，即一个偏振模的功率会转换到另一个偏振模上去“这种模间耦合有均化 两个偏振模传输速度的作用，因此降低了 pmd。模间耦合越紧密，pmd值越小。在光纤较长 时，因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, 故模式耦合具有定随机性，这决定了 pmd是个统计量。但pmd的统计测量分布表明，其均值与光纤的双折射有关。因此，要降低光纤的pmd及其对环境的敏感性，关键在于降低光纤的双折射。影响光纤pmd的光纤几何结构因素有:纤芯的不、包层的不圆度、芯包同心度误差、气线、涂层不度、涂层/包层同心度误差，其中纤芯/包不圆度的影响最大。彩响光纤pmd的光纤外部因素有：光纤外部

8、应力、弯曲应力、 扭转应力。由于以上因素在实际生产中相互影（230图二一种拉丝工艺光纤搓扭装置响，难以建立对应的模型，因此我们在实际生 产中需要从以下三个方面来控制，以期减小光 纤pmd： 1）预制棒的工艺改进，提高填充的 均匀性和降低芯、包的不圆度，注意各添加组 份的均匀性，避免纤芯折射率的不对称分布， 还要避免沉积沿纵向的不均匀性，对制棒工艺 特别是目前的套棒工艺要求很高，对设备和环 境的要求都很严格；2）优化光纤的折射率分 布，目前g652光纤的技术都很成熟，但没有 针对pmd做的折射率分布设计，而g655光纤 由于其色散位移的特性，其折射率结构复杂， 且各公司间都有区别，通过优化折射率

9、分布解决pmd有可能会带来其它特性的变化，目前还缺少试验数据；3） m常用的改善pmd方法是 在光纤拉丝工艺过程中增加一对互成角度的搓扭装置，使得光纤以一定的扭转频率有效的扭 转，光纤冷却以后，这种旋转被固化在光纤中，引起光纤的双折射x轴沿光纤长度方向旋转, 从而使光纤的双折射效应大大降低，pmd得到改善。但这种方法由于光纤冷却过快留有内在 的扭矩，在着色和成缆等后道工序中会产生麻烦，可能会使的pmd很小的光纤成缆后的pmd 增大，在光纤拉丝过程后应松绕光纤来验证搓扭对pmd的改进效果，同时也需要对拉丝速度和收卷张力等做一定的调整。从我们对光纤pmd测试的数据统计结果来分析，光纤涂层的彩响不大

10、，对于满足gb 9771中包层/涂层同心度误差小于12.5 u m时，pmd不会明显增加。通过对730盘光纤pmd 的测试结果统计分析，在光纤儿何尺寸参数中，芯/包同心度误差对pmd的影响较大，大部分 数据显乐当芯/包同心度误差在o.2(h).5ou m z间，pmd的范鬧在0.140.24 ps /vkrrt 包层不圆度小于0.6%时，对应变化对pmd的影响不大，数据分布无规律；芯不圆度对pmd 的影响不象想象中的大，且数据显示芯不圆度的数值与pmd无对应的数值关系。光纤pmd 受多个因素的综合影响，有些是标准中末规定的也不易测量的参数，如光纤残余内应力，因此 即便是全部几何指标都合格的光纤

11、，其pmd也有超标的可能。光纤pmd的测量结果在生产上是对有收线张力(约0.1牛)和弯曲半径为收线盘半径情 况下的数据，其常用的测试长度为25公里/盘或50公里/盘，而光缆中光纤基本处于无张力情 况，且光纤的弯曲半径也比光纤盘状态大，从理论上说正常成缆后的pmd应该小，但光缆的 盘长有限，分盘后的pmd与原始光纤状态往往不一致，其情况更具有不确定性。第二章成缆对光纤pmd的影响光缆的制造工序大致分为：着色、套纤、成缆、护套四个工序。护套工序对光纤的状态 影响不大，所以对pmd的影响不大，需要注意的是刚下线的光缆测试pmd会有较大的波动 性。对于着色、套纤、成缆工序对pmd的影响下面分开论述：着

12、色工艺对pmd的彩响分为真实影响和表象影响，着色的材料与光纤外涂层材料是一类 材料，着色的厚度一般小于5umo正常光纤通过正常的着色工艺，其pmd不会增加，烽火 通信统计的100盘合格光纤经着色后的平均pmd变化非常小，但经常会出现pmd表象增加 的情况，这主要是由于着色排线不好造成的，在松绕或套纤后，收纤的应力得到释放，其pmd 会回复到正常值。对于光纤原始pmd就偏大的光纤，我们特别挑选了包层不圆度在1.72.3%, pmd原始值在0.93.2 ps /皿的5段光纤，按正常着色工艺，每段光纤的pmd的增 加小于0.3 ps /皿厂。可见止常的着色工艺对光纤pmd的影响不大，但光纤着色工艺中

13、 的非正常情况，如：光纤末在导轮中、光纤固化不够、着色料中有杂质等，会对光纤涂层造成 物理性破坏的，都可能导致光纤pmd的增大。对于核心网用层绞式光缆的套纤，我们对6芯1.9mm/1.2mm结构，余长分别控制在 07.4%。、0.4t.8%。、0.81.2%。三种工艺，当采用包层不圆度w0.5%,且光纤pmd测试小于 0.1 ps的正常光纤生产时，pmd有很小的变化，有大有小，变小的较多，但范围很窄，都不超过0.02 ps /vto但对丁咆层不圆度偏差大的光纤，套纤后的pmd发 生巨大的增加，我们对6段包层不圆度在1.7-23%的光纤，分别控制余长在4).4%。、0.40.8 %o,两组纤的p

14、md都明显增大，小余长的一组平均pmd为0.98" /加一，大余长的一组pmd为1.73 ps /vknt ,套管余长变大光纤弯曲半径变小，导致光纤pmd变大，这种情 况是由于光纤对弯曲的敏感性产生的,而正常的光纤在套纤工序中不会由于工艺精度不高而有 明显附加pmd增加。在松套工序还要避免光纤由于工艺控制不当而导致光纤受力扭转，光纤扭 转主要是光纤在进入套管的途径不通畅导致受阻而向后推赶而扭转。光纤在套管里余长不一致 也会导致光纤在套管里的状态不均匀而导致pmd增加。对于层绞光缆，绞合节距对应了光纤的弯曲半径，节距小光纤弯曲半径小，我们对正常 生产的正常光纤套管，按60mni的绞合节

15、距，1.5mm加强件，余长0.4%。时理论计算光纤的弯 曲半径为59mm, pmd基本无变化，或理解为变化小于测试的精度；对于包层不圆度大的pmd 问题光纤，采用同样的绞合工艺，pmd 乂有增加，特别是大余长的一组，pmd增加更大。这 说明弯曲应力对pmd的影响是外力对光纤pmd影响的主要原因。从我们对以上的工序分析，止常光纤不会因为成缆工艺产生pmd的明显增加。对于光纤 本身有缺陷时，小余长大节距的工艺，对光纤pmd的增加有抑制的效果，但没有对应的数学 模型和数值关系。光纤pmd数据正常的光纤，也会出现成缆后pmd大的情况，这因该与光 纤有内部缺陷，在成缆的弯曲应力下导致pmd的特性劣化。对

16、于这种情况，我们发现其有随 机的特性和不可重复链回的特性。我们分析认为影响光缆成缆pmd的内因或主因还是光纤的 特性，成缆只是能放大这种特性。第三章pmd的测试及误差pmd测量最为常见的方法包括以f儿种：固定分析(fa,fixed analysis)法，测试可以使用 一台光谱仪加宽谱光源：下涉法，其中包括传统干涉分析(tinty , tra- ditional interferometry analysis )法和扩展干涉分析(ginty, general interferometry analysis)法；斯托克斯(stokes )参 数分析法(spe),包括琼斯矩阵法(jme)和邦加球法(

17、psa)。干涉法就是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嗨数，从而确定pmdo 在自相关型千涉仪表中，干涉图具有一个相应于光源白相关的中心相干峰。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。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p

18、md将 是首选。pmd测量的实际是dgd,因此需要用otdr配合测试线路的准确长度。pmd测试的结 果在不同仪表间偏差比较大，即使是同一台表，也需要反复重复测量多次取平均值，避免测试 仪表的系统误差。还要注意的是在温度较低的环境下，由于仪表稳定需要一定的时间，不可开 200机就测，应让仪表工作段时间后再反复比对测试结果，直到测试值基本稳定。目前比较常用的pmd测试国际标准为:1ec 61280-4-4：光纤通信子系统基本测试规程一 光缆链路测试规程一第44部分:链路偏振模色散测试:1ec 612629:光纤通信系统设计一第9 部分：偏振模色散测试及理论指南。我国国标测试方法为：gb/t 189

19、00-2002单模光纤偏振模 色散的试验方法，我国行业标准测试方法为：yd/tio65-2ooo单模光纤偏振模色散试验方法。第四章通信系统对pmd的要求1、通信系统对光纤pmd要求的变化历程g652光纤是现在网络上应用比较多的一种光纤，itut对于g652分为四类光纤分别是 g652.a、g652.b、g652.c和g652.d光纤光缆。g.652四种光纤的分类主要基于pmd的要 求和在1383nm处的衰耗要求。g652.a光纤用f支持g957和g691最高速率为stm-16或 10gbit/s最大传输距离为40km(ethemet)和stm- 256用于g693的应用。g652.b光纤用于支

20、 持速率高达stm-64的更高比特率的应用，如g691和g692中的某些应用，g693和g959.1 中的某些stm-256应用，根据应用不同，色度色散的容限需要考虑o g652.c与g652.a类似, 但是允许的波长范围扩展到从1360nm到1530nmo g.652.d与g652.b类似，但是允许的波长 范围扩展到从1360nm到1530nm。相关部门在2003年1月修改g.652光纤标准时，希望全面提高g652光纤的特性，至少 都要支持10gbit/s的长途应用，对g652b要求支持40gbit/s的长途应用,所以开始提岀g652b 的pmdq应小于o.lops/。后来基于考虑40gbi

21、t/s的应用主要从城域网开始，1 ogbit/s 系统的传送在3000km左右己经可以覆盖人部分应用情况，所以放宽到0.20ps/j亦一。经过 调整过的各类g652光纤的特性为：g.652a支持logbivs系统传输距离可达400kn), 1 ogbit/s 以太网的传输达40km,支持40gbit/s系统的距离为2km。对t g652b型光纤，必须支持1 ogbit/s 系统传输距离可达3000km以上，40gbit/s系统的传输距离为80km0g652c型光纤基本属性与g652a相同，但在1550nm的衰减系数更低，而且消除了 1380nm 附近的水吸收峰，即系统口j以工作在1360153

22、0nm波段。为了使无水吸收峰光纤也能支持 g652b所支持的那些应用，必须对无水吸收峰光纤的pmdq提岀更严的要求，因此有必要 定义一种新的光纤类型，即g652d型光纤。g652d型光纤的属性与g652b光纤基本相同， 而衰减系数与g652c光纤相同，即系统可以工作在13601530nm波段。g655光纤分为三类，这几种光纤的分类主要基于pmd的要求和色度色散特性。g655.a 光纤用于支持g691、g.692、g693和g.959.1应用，考虑到g.692应用，取决于通路波长和 特定光纤的色散特性，总输入光功率的最大值应进行限制，最小通路间隔的典型值应限制在 200ghzo g655.b光纤

23、用于支持g691、g.692、g693和g.959.1中的应用，考虑到g692应 用，取决于通路波长和特定光纤的色散特性，总输入光功率的最大值可以高于g655.a光纤， 最小通路间隔的典型值应为100ghz或更小，对于pmd的要求允许stm-64系统传输距离至 少达到400kmo g655.c与g655.b类似，但是更严格的pmd要求允许stm-64系统的传输 距离大于400km,同时也能适用pg959.1的stm-256应用。需要注意的是，许多海底应用 可以采用g655.b和g655.c光纤，对于海缆应用某些限制会发生变化，例如光缆的截止波长 的数值可以达到1500nmo新的g655b光纤可

24、以支持以10gbit/s为基础的100ghz及其以下间隔的dwdm系统在c 和l波段的应用。为了既能满足100ghz及其以下间隔dwdm系统在c、l波段的应用，又 能使nxlogbit/s系统传送3000km以上，或支持nx40gbit/s系统传送80km以上，就规范了 一种新的g655c型光纤，除了 pmdq为0.20ps/vkm之外，它的其他属性和g655b是一样的。光纤类型pmdq (ps/ 7 km)参数值备注g.652a0.5普通标准单模光纤b0.20具有1625 nm衰减规拖c0.5低永峰，具有1625 nm衰减观范d0.20低水峰、具有1625 nm衰减规范g.653a0.5支持

25、g.957/691/692/693及晦缆系统b0.2还支持 g.959.1 的 40gt>/sg.655a0.5色散系数:0.1-6 ps/nmkmb0.5色散系数:1t0 ps/nm kmc0.20色散系数:1-10 ps/nmkmg.656a0.5至 logb/sb0.210gb/s更长距及40gb/s表一 不同类型光纤pmd在标准中的要求2、pmd对通信系统的影响pmd对系统的影响主要是使光脉冲展宽。低速系统由f信号的单位间隔时间长，光脉冲 本身的宽度比较宽，因此脉冲展宽对于脉冲的形状几乎没有影响。但对于10gb/s以上速率的 系统就不一样了，10gb/s的光脉冲宽度为loops,

26、而40gb/s系统的光脉冲宽度只有25ps,因 此几十个ps的脉冲展宽则会使接收端根本无法正确地恢复原来的信号，也就是说系统无法正 常工作。如果要使系统能正常工作，脉冲展宽必须限制在一定的范围内，也就是说，光纤链路的 最大dgd应该有一定限度。当光路的光功率代价在特定值时（例如ldb或0.5db）,光纤链路 的最大dgd有对应的限值。例如，对于1 ogb/s速率的系统，当通道代价为ldb时，dgdmax、 容限为30ps,通道代价为o.5db时，dgdv、容限为20ps。对于40gb/s系统，当通道代价 为ldb时，dgdmbx、容限为lops。上述容限还仅仅考虑了一阶pmd的影响，二阶或更高

27、阶 的pmd影响还不包括在内。实际上，由于光纤链路中不仅包括光纤，还有光纤放人器和其他光无源器件，这些也是 偏振敏感器件，必须为他们留出一定的余量，所以真正对光纤的dgd要求还要更严格一些。对于传输距离较长的高速系统，如果光缆链路的累枳pmd超过了系统的pmd容限，要 使系统维持正常工作，必须对系统进行pmd补偿。但由f pmd是随机变化的，因此pmd 补偿不能像cd补偿那样采用固定补偿方式，而必须进行动态补偿，即时刻根据pmd的变化 情况调整对pmd的补偿量，因此补偿起来相肖复杂opmd补偿可以有多种补偿的方法，pmd 补偿的方案有光监测光补偿，还有电监测光补偿、光监测电补偿、电监测电补偿以

28、及上述方法 的组合等。下表列岀了不同系统和传输距离对光缆线路pmd的基本要求。嚴大pmdq(p$/ 7 km)锥路长度（km）可应用的系统无须规范接入网（最高2.5 gb/s）400基于10 gb/s的城域网或核心网0.54010 gb/s以太网240 gb/s vsr 商络0.204000基于10 gb/s的中/长距离网络80基于40 gb/s的城域网或核心网a 1 a>4000( 10000?)基于10 gb/s的长途网400基于40 gb/s的城域网或核心网表二pmd与线路速率、距离的关系第五章认识pmd的几个误区1. pmd多小够用的说法从pmd对系统的影响看，pmd越小越好，但对光纤的工艺要求就很高了，而我国除了 城域网建设开始采用40gb/s的系统外，大部分情况f还足采用的1 ogb/s系统。今年来电信、 移动、联通等三大运营商在集中采购时都对pmd做了高于标准的要求，2009年电信和移动集 釆中对g652d的要求为：光纤成缆后必须满足在1550 n m波长光缆链路（$20盘光缆）偏振 模色散系数w（h0p s /莎;q （概率）=0.01%；这一要求高于了标准的要求。我们从表 二中可以看出，对于g652d纤的pmd链路值控制在w0.20p s /応就足以满足要求了。 相反，对于g65