单模光纤PMD测试及不稳定因素

单模光纤PMD测试及不稳定因素

涂昌伟 Tu Changwei 成都中住光纤有限公司

Chengdu SEI Optical Fiber Co., Ltd.

摘要：

随着光纤通信向大容量、宽带宽迅速发展，国内外光纤光缆厂家对单模光纤偏振色散研究越来越多。本文主要对单模光纤PMD测试技术和不稳定因素进行论述，在国内很多文献提到单模光纤PMD测试随机差别很大，文中从产生随机双折射的内外部因素着手，结合实验得出单模光纤PMD大小主要由内部因素决定，外部因素影响较为有限的结论。 关键词：PMD、干涉法、不稳定因素

Abstract: The fiber telecommunication have developed very rapidly about the great capacity and big bandwidth. In china, More and more fiber and optical cable’s company have researched the single-mode fiber Polarization mode dispersion(PMD). This article have discussed the single-mode fiber PMD measuring method and some single-fiber’s PMD instability factors. Many articles said that measuring in the different condition can get big difference single-mode PMD value. Here from birefringence of the single-mode fiber and some experimentation, we can get the conclusion that the value of single-mode PMD is determined mostly by the interior factors and the exterior factor influence the PMD value too but it’s very finity.

Key words: Polarization mode dispersion , Interference technique, Instability factors

一．光通信展对单模光纤测试提出新的要求

光纤通信是以激光光波作为信号载体，以光纤作为传输媒介的数字通信方式。与电缆通信和微波通信等电通信比较，光纤通信除在传输中有传输频带宽、传输衰减小、信号串扰弱和抗电磁干扰能力强等优点，另外光纤的原料也非常丰富、重量小、易于敷设，加之现在光通信系统、器件、网络方面日趋发展成熟和完善。因此，在目前的国内国际通信网已构成了一个以光纤通信为主，微波和卫星通信为辅的格局。

由于ITU-T G655光纤应用，光纤单信道传输速率达到40Gbit/s,光纤色散和偏振模色散已经成为制约其长距离无中继传输发展的关键点，现在通信系统也研制出很多色散和偏振模色散补偿技术，有的技术已经商用化。因此1997年ITU-T版本中就引进了偏振模色散指标，1996年制定了ITU-T G655《非零色散位移单模光纤光缆特性》，2000年制定的ITU-T G650 -2000/10系列标准，相应标准中对色散和PMD做了规定，我国国家标准化委员会也根据国内光纤通信发展需要，对色散和PMD制定在GB/T 9771.1~5相应标准中，可见，色散和PMD也是现在光纤通信测试中越来越关注的测试指标。

二．单模光纤的偏振模色散生产机理

（一）单模光纤的偏振概述

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2-1 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）。光纤的PMD系数单位为

pskm。

（二）单模光纤中偏振产生原因

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。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，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=0。但实际应用中的光纤并非理想情况，由于各种原因使HE11两个偏振模不能完全简并，产生偏振不稳定状态。

造成单模光纤中光的偏振态不稳定的原因，有光纤本身的内部因素，也有光纤的外部因素。

（1） 内部因素

引起单模光纤中光的偏振态不稳定的内部因素，用内部双折射Bi表示。内部因素通常包含两方面的内容：一是光纤横截面的几何畸变引起的波导形状双折射BG;另一个是光纤内部的应力引起的应力双折射BS。因此光纤的内部双折射为： Bi?BG?Bs

这里BG和BS可能是同号，也有可能是异号。

a. 波导形状双折射

在光纤拉丝过程中，由于种种原因不可能拉制出圆形的纤芯光纤，光纤纤芯的椭圆度使其产生波导形状的双折射。若光纤工作在近截止状态（V≈2.4），且当?导形状双折射为

BG?0.2K0??a??1???1时，波b???a?2?1???n? ?b?当2???a??1??6时，则有 ?b?2 BG?1.25K0??n?

式中，a和b是纤芯椭圆的长短轴半径，Δn=n1-n2是芯与包层折射率差，K0=2πf/λ是自由空间的波数。

b. 应力双折射

光纤是由芯、包层和涂履层数层结构组成的，它们各自的组成材料不一样，热膨胀系数不一样。因此，在横截面上即使有很小的热应力不对称，也会产生很大的应力不平衡，结果导致纤芯材料各向异性，从而引起双折射。它的大小可按下式 Bs??nx??ny?Cp(?x??y)

进行计算。式中，Cp材料的相对光弹系数，σx和σy分别是x、y轴方向的内应力。

(2) 外部因素

单模光纤受外界因素影响引起光的偏振态不稳定，是用外部双折射表示的。由于外部因素很多，外部双折射的表达式也不能完全统一。外部因素引起光纤双折射特性变化的原因，在于外部因素造成光纤新的各向异性。例如光纤在成缆或施工的过程中可能受到弯曲、扭绞、振动和受压等机械力作用，这些外力的随机性可能使光纤产生随机双折射。另外，光纤有可能在强电场和强磁场以及温度变化的环境下工作。光纤在外部机械力作用下，会产生光弹性效应；在外磁场的作用下，会产生法拉第效应；在外电场的作用下，会产生克尔效应。所有这些效应的总结果，都会使光纤产生新的各向异性，导致外部双折射的产生。

对于如上两种因素都可能使单模光纤产生双折射现象，但由于外部因素的随机性和不可避免性，所以在实际应用中人们非常重视对内部因素的控制尽量减小光纤双折现象。那么外部因素对光纤PMD影响程度如何呢？可通过后面实验进行讨论。

（三）减小光纤偏振的途径

为了减小光纤的偏振，稳定光纤中光的偏振状态可以从两方面着手。一个是在光纤生产厂家对光纤内部采取措施，另一个是通过外部因素对偏振模色散进行补偿。

单模光纤中两个相互正交的偏振模HE11x和HE11y，在传输的过程中产生的相位差δ主

要取决于这两个偏振模间的传播常数差Δβ。因此，可设法在制作光纤的过程中使Δβ尽可能低，即生产低椭圆率的光纤；另一办法是生产旋光型光纤，在光纤拉丝时，快速地旋转预制棒或者转动光纤，使光纤芯横截面的长、短轴拉丝炉的熔融区周期性变化。这样，两个偏振模在光纤中传输时，其相对相位时延可逐渐抵消，从而达到减小传播常数差的目的。 通过偏振模色散补偿技术对光纤链路PMD实行补偿。

三．单模光纤中偏振模色散测试技术

（一）常用的PMD测试方法

随着光纤通信技术的发展，人们对气纤偏振模色散的研究工作越来越深入，究其原因是光纤的偏振模色散对超高速光纤数字系统的传输性能有着不可忽视的影响。目前广大光纤、光缆生产厂家和电信用户都对光纤PMD作了较为深入的研究，同时参照ITU-T制定了相应的企业标准，纳入了光纤性能指标的控制范围。

国际电信联盟电信标准化部门ITU-T G650（2000）和国际电工委员会标准IEC61941（1999）中介绍了单模光纤偏振模色散的定义和测量方法，规定了PMD的基准测试方法即斯托克斯参数测定法，还有替代测试方法即偏振态法与干涉法。

（二）干涉法测试单模光纤偏振模色散

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。

（1）测试原理

关于偏振模色散差分群时延和偏振模色散系数定义式： a. 平均偏振模色散差分群时延Pm。

平均偏振模色散差分群时延是在光频范围（v1~v2）内偏振态差分群时延???v?的平均值，即：

Ps??v2v1???v?dvv2?v1

式中v----光频率；v1、v2------分别为频率范围的上下限，单位为ps。 b. 偏振模色散系数

偏振模色散系数用PMDc表示。其表达式分两种情况： 弱偏振模耦合（短光纤）：

spskm) 3-1 PMDc?（PL强偏振模耦合（长光纤）：