偏振模色散原理和测试方法分析
问题七偏振模色散pmd测试的干涉测量法的介绍
1. 基于 PMD 值考虑的测量长度:
>10000KM >10000KM
>10000KM
理想 PMD 系数:0.05 ps/km1/2
2. 基于功率范围考虑的测量长度 0-200KM
0-200KM
0-200KM
典型损耗系数: 0.22db/KM
表三
从表二及表三中我们可以看到，以上设备在对光缆进行单盘测试及对长途光纤
干涉测量法缺点：无波长依赖信息
三、基于干涉测量法的几种偏振模色散测试设备 干涉测量法在目前得到了较为广泛的使用。其中包括 Perkin Elmer(EG&G)，
EXFO，GN Nettest (Photonetics)等几家公司都采用了迈克尔逊干涉测量(Michelson
Interferometer)技术来研制开发出偏振模色散的测试设备。表一给出了一些设备生 产商及其 PMD 测试设备的列表：
五、结语 干涉测量法是一种简单便捷的偏振模色散测试方法，能够满足光缆单盘测试及
中继链路光纤的测试，已经得到非常广泛的应用并为广大光缆用户所接受。 基于干涉测量法设计出的不同测试设备原理相同，但由于采用了不同的光源及
一些其它技术，在测试结果上会存在一些差异。不同设备基于不同的设计，在构造及 使用上也有一些不同。
Broadband Source
Device under test
Mirror Polarizer
Detection
Analyzer
Scanning mirror
图一
干涉测量法较其它测试方法，有如下许多优点，使其更适应对光纤进行 PMD 测试: 测试速度快 测试范围大 操作简单 测试结果不易受外界干扰 可用于进行精确测量的实验室设备及现场测试的便携式式设备，设备价格适 中
单模光纤偏振模色散PMD
单模光纤偏振模色散PMD测试摘要：研究PMD产生的原因、机理和影响，研究光纤PMD测量、控制和补偿方法，研究PMD对光缆和光缆链路的影响，对保障光纤通信系统的性能具有重要意义。
本文将着重对单模光纤PMD测试技术和不稳定因素进行论述。
关键词：PMD、干涉法、色散一、引入近几年，电信市场发展迅速，住宅用户和商业用户数量都大幅增长，网络业务量也呈指数般上升。
据信息产业部最新公布数据表明：截止2004年5月底，中国固定电话用户达到2.904亿户，移动电话用户达到3.006亿户，互联网拨号用户5359.9万户，互联网专线用户6.7万户，宽带接入用户1659.7万户。
巨大的用户群带来海量的通信流量，而如此大的流量需求，对现有光网络系统能力提出了严峻挑战，也推动了光网络建设，光纤通信系统向大容量、高速率、长距离方向发展，使得原本对低速系统而言可以忽略不计的非线性效应和偏振模色散（PMD）等光纤性能缺陷成为限制系统容量升级和传输距离的主要因素，人们越来越重视非线性效应和偏振模色散（PMD）的影响。
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。
光纤偏振模色散原理,测量与自适应补偿技术
光纤偏振模色散原理,测量与自适应补偿技术光纤偏振模色散是指光信号传输过程中光的偏振模式随着频率的变化所引起的色散现象。
光纤偏振模式也称为基模和高阶模。
在光信号传输过程中，由于光纤的光学特性，不同偏振模式的传播速度会有所差异，从而导致光信号在传输过程中发生色散现象。
光纤偏振模色散的原理可以通过折射率的变化来解释。
光纤的折射率与光的频率有关，不同频率的光在光纤中传播时会受到不同程度的折射率变化影响，从而导致不同偏振模式的传播速度产生差异。
由于光信号是由多个频率组成的，因此不同频率的光会受到不同程度的偏振模色散影响，从而导致光信号传输时频域的变形。
测量与自适应补偿技术是一种可以减小光纤偏振模色散影响的方法。
常见的测量与自适应补偿技术包括光时域反射技术、分光技术、电子数字信号处理技术等。
光时域反射技术是一种通过测量光信号在光纤中传播的时间来实现对偏振模色散的测量与补偿的方法。
该技术利用光在光纤中传播的速度与偏振模式的色散程度相关，通过测量光信号的传播时间可以获得偏振模色散的信息，进而对光信号进行补偿。
分光技术是一种通过将光信号分成不同频率段，分别测量不同频率段的偏振模色散，然后对不同频率段的光信号进行调整以实现补偿的方法。
该技术通过将光信号经过特定光路进行分光，然后对每个频率段的光信号进行偏振模色散测量，并根据测量结果进行补偿。
电子数字信号处理技术是一种通过将光信号转换成电信号并进行数字信号处理的方法来实现对偏振模色散的测量与补偿。
该技术通过将光信号转换成电信号，并利用数字信号处理技术对电信号进行处理，从而可以获得光信号的频谱信息，进而实现对偏振模色散的测量与补偿。
总之，光纤偏振模色散是光信号传输过程中光的偏振模式随频率变化所引起的色散现象。
测量与自适应补偿技术是减小光纤偏振模色散影响的一种方法，常见技术包括光时域反射技术、分光技术和电子数字信号处理技术。
这些技术可以对偏振模色散进行测量与补偿，提高光信号在光纤中的传输质量。
PMD原理和测试方法
偏振模色散的原理和测试方法分析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一引言光纤的色散引起传输信号的畸变使通信质量下降从而限制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二色散的原理和分类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链路带来了严重限制而在40Gb/s速率上任何器件也有少量的PMD2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ps km 1/2PMD 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限制传输速率如图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限制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/km 1/2有的高达67 ps/km 1/2后来布设的光缆PMD 不大于0.5ps/km 1/2不会对10Gbit/s 速率系统造成限制近年来敷设的光缆多为0.2ps/km 1/2甚至更小最优秀的光纤PMD 已经控制到0.001ps/km 1/2的水平 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将会付出1dB 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1dB PMD 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/L 1/2 ps/km 1/2公式1 现在要求δτ1/(10B)设速率为B 的系统受PMD 限制的最大传输距离为L km,则Lδτ/PMD21/(10*B*PMD)2km 公式2早期布设光纤中有一部分对STM16信道速率的系统也产生限制当PMD0.5ps/km1/2时,STM-64系统受PMD限制的传输距离(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是重要的限制因素不同速率系统受PMD限制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限制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限制的最大传输距离受 限 距 离 kmPMDPs/km1/210 Gb/s 20 Gb/s 40 Gb/s 80 Gb/s 160 Gb/s 320 Gb/s 640 Gb/s0.001 100000000 25000000 6250000 1562500 390625 97656.25 24414.060.005 4000000 1000000 250000 62500 15625 3906.25 976.56250.01 1000000 250000 62500 15625 3906.25 976.5625 244.14060.03 111111.11 27777.78 6944.444 1736.111 434.0278 108.5069 27.126749.76562539.06250.05 40000 10000 2500 625 156.250.06 27777.778 6944.444 1736.111 434.0278 108.5069 27.12674 6.7816840.07 20408.163 5102.041 1275.51 318.8776 79.71939 19.92985 4.9824620.08 15625 3906.25 976.5625 244.1406 61.03516 15.25879 3.8146970.09 12345.679 3086.42 771.6049 192.9012 48.22531 12.05633 3.0140829.7656252.44140639.06250.1 10000 2500 625 156.250.2 2500 625 156.25 39.0625 9.765625 2.441406 0.6103520.3 1111.1111 277.7778 69.44444 17.36111 4.340278 1.085069 0.2712670.4 625 156.25 39.0625 9.765625 2.441406 0.610352 0.1525880.3906250.0976560.5 400 100 25 6.251.56250.6 277.77778 69.44444 17.36111 4.340278 1.085069 0.271267 0.0678170.7 204.08163 51.02041 12.7551 3.188776 0.797194 0.199298 0.0498250.8 156.25 39.0625 9.765625 2.441406 0.610352 0.152588 0.0381470.9 123.45679 30.8642 7.716049 1.929012 0.482253 0.120563 0.0301411 100 25 6.25 1.5625 0.390625 0.097656 0.0244142 25 6.25 1.5625 0.390625 0.097656 0.024414 0.0061043 11.111111 2.777778 0.694444 0.173611 0.043403 0.010851 0.0027134 6.25 1.5625 0.390625 0.097656 0.024414 0.006104 0.0015265 4 1 0.25 0.0625 0.015625 0.003906 0.0009776 2.7777778 0.694444 0.173611 0.043403 0.010851 0.002713 0.0006787 2.0408163 0.510204 0.127551 0.031888 0.007972 0.001993 0.000498四偏振模色散的测试方法偏振模色散具有随机性在DWDM系统中造成偏振和引起偏振模色散的因素很多示意图如图4所示图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DeviceUnder 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PMD λ 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t 0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PMD λ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PMD λ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E x E y 两个分量其瞬时值为E x =E x0Cos(ωt+φx )E y =E y0Cos(ωt+φy )两分量的幅度比R E y0/E x0相位差φ=φy -φx 根据R φ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R φ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。
偏振模色散原理
偏振模色散（Polarization Mode Dispersion，PMD）是光纤通信系统中的一种重要现象，它描述了光纤中不同偏振态的光信号在传输过程中的相位和幅度变化。
PMD现象主要是由于光纤的双折射特性引起的，即光纤对垂直于纤芯平面的偏振态（TE模）和平行于纤芯平面的偏振态（TM模）的光信号具有不同的折射率，导致两者在传输过程中相位和幅度的变化不同。
PMD的主要影响是导致光信号的失真和脉冲展宽。
在光纤通信系统中，由于PMD的存在，不同偏振态的光信号在传输过程中可能会产生相位和幅度的变化，导致光信号的波形失真和脉冲展宽。
这将限制光纤通信系统的传输距离和数据速率。
为了减小PMD的影响，可以采用偏振保持光纤（Polarization-Maintaining Fiber）或者偏振去相关光纤（Polarization-Insensitive Fiber）等特殊光纤。
此外，还可以在光纤通信系统中采用预补偿技术（Pre-Equalization）或者后补偿技术（Post-Equalization）来减小PMD的影响，提高系统的传输性能。
概念解释07、偏振模色散(PMD)
2偏振模色散的影响与其它色散一样,偏振模色散也要使脉冲展宽,从而提高数字通信系统的误码率,限制系统的传输带宽。
长距离数字通信系统通常工作于1550nm附近的第三窗口,因为在此窗口光纤衰减最小。
对标准单模光纤来说,在这一窗口,由于色散较大,偏振模色散的影响可以忽略不计。
但是,如果应用了高质量的DFB激光器或色散补偿技术,则要考虑偏振模色散的影响。
DFB激光器的线性带宽很窄,相应地降低色散的影响。
在通信系统中接入一色散补偿器(DCM)可以得到实际的色散补偿。
通过专门设计色散补偿光纤的折射率分布可以使光纤在第3窗口具有较大的负色散系数,这一负色散系数可以补偿标准单模光纤的色散。
总之,在长距离、高比特率数字通信系统中,如果应用了色散补偿技术降低了色散值,则偏振模色散的影响相应突出了。
此外,由于偏振模色散的统计特性,迄今为止,还没有任何方法可以补偿它。
如果激光器的线性带宽不是很窄,色散的影响将较大,偏振模色散的影响可以忽略不计。
但是,如果降低激光器的线性带宽,则偏振模色散的影响就增大了。
在图8中,取偏振模色散值为0.5ps/km,因为这一值可能被接受为国际标准规范值(至少对陆地网络是如此)。
按照某些国际标准技术规范小组的观点,当时延差达到1比特周期的0.3倍时,将引起1dB的功率损失。
偏振模色散的瞬时值有可能达到平均值的3倍,这样,为了保证功率损失在1dB以下,偏振模色散的平均值必须要小于1比特周期的十分之一。
偏振模色散与通信系统比特率及传输距离的关系,当偏振模色散值为0.5ps/km时,在1dB的功率损失时,比特率为10Gb/s 系统的传输距离可达400km。
与对长距离、高比特率数字通信系统的影响不同,偏振模色散对短距离模拟通信系统的影响要复杂得多。
这种影响是多种因素的综合,在这里,我们仅仅作一简单介绍,更详细的讨论可见参考文献。
模拟通信系统性能的下降可能是由于偏振模色散、激光器啁啾(chirp)和元器件的与偏振相关的衰耗（PDL）之间的相互作用。
最新偏振模色散测试仪是用来测试偏振模色散的
单模光纤偏振模色散 PMD 测试技术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。
学网 V.W .xUbSxur-i4.2、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" 3和邦加球上代表偏振态（SOP ）点的旋转角度" 0,就可以计算出 PMD 时延3舌"9 0 3。
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 。
可调光阳I 00存谄序斂嵌护卜涉［.倚竺LICD 丨学网wAM/图s as扳状态法分析测重P・D试验设备简图清冈httpy/ifvwwvipc n co m4.3、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。
偏振模色散是光纤中两个正交偏振方向的光以不同速率传输造成。
偏振模色散是光纤中两个正交偏振方向的光以不同速率传输造成。
偏振模色散是光纤中两个正交偏振方向的光以不同速率传输造成的一种现象。
光纤是一种特殊的光导体，可用于传输光信号。
光信号通过光纤的传输依赖于光的性质，其中一个重要的性质就是偏振。
偏振是光波传播时，电矢量沿特定方向的振荡。
普通的自然光是随机偏振的，其中的电矢量在各个方向上都有振荡。
然而，在光纤中，光信号可以被分解为两个正交的偏振方向，分别被称为TE（横电场）和TM（横磁场）模式。
这些模式以不同的速度在光纤中传播，导致了偏振模色散的发生。
偏振模色散对于光纤通信具有重要的影响。
在光纤通信系统中，光信号需要被有效地传输到目的地。
然而，由于偏振模色散的存在，光信号会因为不同的传输速度而发生形状的失真和时间的延误。
这将导致信号的质量下降，并可能影响到通信的可靠性和传输距离。
为了克服偏振模色散带来的问题，工程师们已经提出了多种解决方案。
一种常见的方法是使用偏振保持技术，通过调整光纤的结构来保持光的偏振状态。
这可以减少不同偏振模式之间的相互作用，从而降低偏振模色散的影响。
另外，光纤的制造质量和光纤的设计也对偏振模色散的控制起到重要的作用。
通过合理设计光纤的结构和材料，可以减小偏振聚束效应，降低光信号在传输中的偏振模色散。
总的来说，偏振模色散是光传输过程中一个重要的现象。
它对光纤通信系统的性能和可靠性有着直接影响。
通过合理的工程设计和技术手段，可以减小偏振模色散的影响，提高光纤通信系统的质量和性能。
这对于现代社会中广泛应用的光纤通信具有重要的指导意义。
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偏振模色散的原理和测试方法分析摘要：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。
一、 引言光纤的色散引起传输信号的畸变，使通信质量下降，从而限制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。
二、 色散的原理和分类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：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 链路带来了严重限制。
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。
图1 光纤色散示意图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30～80℃，昼夜温差也有可能达10～30℃。
PMD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ps／km1/2PMD和色度色散对系统性能具有相同的影响，即引起脉冲展宽，从而限制传输速率，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、波长色散之后限制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”。
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，不会对10Gbit/s速率系统造成限制；近年来敷设的光缆，多为0.2ps/km1/2甚至更小。
最优秀的光纤，PMD已经控制到0.001ps/km1/2的水平。
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，将会付出1dB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1dB，PMD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（公式1）现在要求δτ＝1/(10B)，设速率为B的系统受PMD限制的最大传输距离为L km,则L＝（δτ/PMD）2＝〔1/(10*B*PMD)〕2km （公式2）早期布设光纤中，有一部分对STM－16信道速率的系统也产生限制。
当PMD＝0.5ps/km1/2时,STM-64系统受PMD限制的传输距离(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是重要的限制因素。
不同速率系统受PMD限制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限制的最大传输距离，其结果列于下表1中。
表1 不同速率系统受PMD限制的最大传输距离受 限 距 离 kmPMDPs/km1/210 Gb/s 20 Gb/s 40 Gb/s80 Gb/s160 Gb/s320 Gb/s 640 Gb/s0.001 100000000 25000000 62500001562500390625 97656.25 24414.060.005 4000000 1000000 250000 62500 15625 3906.25 976.56250.01 1000000 250000 62500 15625 3906.25976.5625 244.14060.03 111111.11 27777.78 6944.4441736.111434.0278108.5069 27.126740.05 40000 10000 2500 625 156.25 39.0625 9.7656250.06 27777.778 6944.444 1736.111434.0278108.506927.12674 6.7816840.07 20408.163 5102.041 1275.51318.877679.7193919.92985 4.9824620.08 15625 3906.25 976.5625244.140661.0351615.25879 3.8146970.09 12345.679 3086.42 771.6049192.901248.2253112.05633 3.0140820.1 10000 2500 625 156.25 39.06259.765625 2.4414060.2 2500 625 156.25 39.06259.765625 2.441406 0.6103520.3 1111.1111 277.7778 69.4444417.36111 4.340278 1.085069 0.2712670.4 625 156.25 39.06259.765625 2.4414060.610352 0.1525880.5 400 100 25 6.25 1.5625 0.390625 0.0976560.6 277.77778 69.44444 17.36111 4.340278 1.0850690.271267 0.0678170.7 204.08163 51.02041 12.7551 3.1887760.7971940.199298 0.0498250.8 156.25 39.0625 9.765625 2.4414060.6103520.152588 0.0381470.9 123.45679 30.8642 7.716049 1.9290120.4822530.120563 0.0301411 100 25 6.25 1.5625 0.3906250.097656 0.0244142 25 6.25 1.5625 0.3906250.0976560.024414 0.0061043 11.111111 2.777778 0.6944440.1736110.0434030.010851 0.0027134 6.25 1.5625 0.3906250.0976560.0244140.006104 0.0015265 4 1 0.25 0.0625 0.0156250.003906 0.0009776 2.7777778 0.694444 0.1736110.0434030.0108510.002713 0.0006787 2.0408163 0.510204 0.1275510.0318880.0079720.001993 0.000498四、偏振模色散的测试方法偏振模色散具有随机性，在DWDM系统中，造成偏振和引起偏振模色散的因素很多，示意图如图4所示：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。