CC BY
434
Введение в поляризационную модовую дисперсию
Ключевые слова: поляризационная модовоя дисперсия, состояние поляризации, метод сферы Пуанкаре, метод волнового сканирования, плотное спектральное уплотнение, волоконно-оптические систем ы передачи.
Описать характеристики идеального оптического волокна относительно просто. Они включают характеристики распространения мощности по волокну, моды с заданным состоянием поляризации на заданной длине волны и некоторые другие характеристики. Однако когда волокно уложено в кабель, а кабель затем прокладывают в разнообразных местах и эксплуатируют при различных условиях, то волокно в кабеле становится далеко неидеальным. Возникающие в процессе производства волокна напряжения приводят к остаточным напряжениям в его сердцевине и оболочке, вызывая в дальнейшем трудной предсказываемые явления двойного лучепреломления. Кроме этого, механические воздействия на волокно в скрученном кабеле создают несимметричные напряжения, увеличивающиеся при его намотке. Во время монтажа кабель непрерывно подвергается напряжениям. Это и установка арматуры, и прокладка в канализации, подсоединение соединительных муфт и т.д. Все эти механические воздействия ведут к локальным, псевдослучайно распределенным деформациям волокна, которые нарушают геометрию волокна или соосность сердцевины и оболочки. Рассматривается основы возникновения поляризационной модовой дисперсий PMD. Обсуждаются причины, приводящие к PMD в ВОЛС, дается сравнительный анализ влияния эффектов PMD и хроматической дисперсии на скорость передачи, кратко рассматриваются методы измерения PMD в оптическом волокне. Пассивные и активные элементы ВОСП вносят определенный вклад в ПМД Особенно это сказывается при компенсации хроматической дисперсии , элементы который также вносят свой вклад в увеличение пмд. Уменьшая хроматическую дисперсию мы увеличиваем ПМД Рост информационных потоков в волоконно-оптических системах передачи (ВОСП), внедрение оборудования SDH с интерфейсами STM-16/64 (2,4 и 10 Гбит/с), лабораторное тестирование систем STM-256 (40 Гбит/с) делают актуальным вопрос изучения такого явления, как поляризационная модовая дисперсия PMD (polarization mode dispersion), которая становится одним из главных ограничивающих факторов скорости передачи.
Аджови Агбогбо Ерос,
Аспирант 2 ого курса, МТУСИ, [email protected]
Эффект PMD стал критичным по мере достижения высоких скоростей в оптическом канале связи. Кроме этого в силу накопительного характера поляризационной модовой дисперсии ее негативное влияние усиливается с ростом протяженности ВОСП.
Главная физическая причина появления PMD — некруглость профиля сердцевины одно-модового волокна. Электрическое поле световой волны всегда можно представить в виде суперпозиции двух ортогональных векторов или состояний поляризации SOP (State of Polarization), причем сделать это можно разными способами (например две линейные поляризации с ортогональными векторами поляризации, или две круговые поляризации с противоположными направлениями вращения). дифференциальная групповая задержка за счет ПМД приводит к уширению результирующего сигнала.
Если в волокно вводить излучение, представленное в обоих PSP(принципиальное положение поляризация), то будет происходить уширение импульса. Среднеквадратичную ширину импульса о2 на выходе из волокна можно определить по соотношению (1)
о2 =о2+г (1 - *)*8l (1)
где о2 — среднеквадратичная ширина импульса на входе сигнала в волокно. Здесь г и 1- г— доли мощности излучения в разных РБР-^ а ах — задержка между импульсами на выходе из волокна. Максимальное уширение импульса возникает при г = 1/2. Только в том случае, когда вводимое в волокно излучение поляризовано вдоль одной оси (г = 0, г = 1), волокно будет поддерживать эту поляризацию на выходе, и не будет происходить уширения импульса. В большинстве приложений линейно поляризованный свет выравнивают с одной из осей Р^БР волокна РМ, обычно свет вводят линейно поляризованным вдоль медленной оси.
В общем случае пассивная часть ВОСП представляет собой сложную систему, состоящую из сегментов волокон, соединенных последовательно в определенных точках путем сварки или механического соединение. В каждой из таких точек происходит неконтролируемый и скачкообразный угловой поворот осей РБР, что влечет к перераспределению энергии между РБР в начале каждого последующего сегмента волокна. Вследствие этого в протяженной линии связи имеет место многократное перераспределение энергии между модами быстрого и медленного РБР даже при полном пренебрежении взаимодействием мод в пределах отдельного сегмента волокна. Это явление называется связыванием мод.
Есть несколько факторов роста анизотропии профиля стандартного волокна.
Статические факторы:
• собственно несовершенство заводского процесса вытяжки волокон;
• скрутка волокон при изготовлении волоконно-оптического кабеля (ВОК);
• изгибы ВОК и как следствие механические деформации волокон проложенного кабеля.
Динамические факторы:
• вариации температуры окружающей среды — для ВОК, проложенных в грунт;
• динамические деформации волокон (ветровые нагрузки, вариации температуры окружающей среды, деформации вследствие оледенения кабеля) — для подвесных ВОК.
Из-за наличия динамических факторов даже в пределах отдельного сегмента волокна невозможно определить направление поляризации сигнала после прохождения этого сегмента. Дифференциальная групповая задержка f не постоянная величина, а изменяется со временем, причем случайным образом. Детальный анализ динамического поведения t показывает, что эта случайная величина наилучшим образом подпадает под распределение Максвелла, а среднеквадратичное отклонение <<#> связано со средним значением дифференциальной задержки соотношением (2)
(£) = 3- (2)
где Мах —обозначает усреднение по функции распределения Максвелла.
Л
Поляризационной модовой дисперсией РМР называют среднеквадратичное значение дифференциальной групповой задержки (3)
PMD =
№
(3)
Вклад в PMD могут давать различные компоненты ВОСП, см. табл. 1. В этой таблице для справки также приведены значения поляриза-ционно-зависимых потерь PDL (Polarization Dependent Losses). Параметр PDL показывает максимальное различие в затухании сигнала для двух ортогональных состояний SOR С развитием технологии плотного волнового мультиплексирования DWDM измерения параметра PDL становятся также важны, чтобы гарантировать высокие характеристики и своевременно выявлять критические участки и узлы ВОСП .
Несмотря на то, что источником PMD могут являться и другие активные и пассивные компоненты ВОСП, волокно (протяженных сегментов ВОК) вносит решающий вклад в PMD. Если линия состоит из N сегментов ВОК, дисперсия каждом из которых равна PMDf то результирующая поляризационная модовая дисперсия определяется по формуле
PMD2 = PMD\ + PMD 2 +.
.+pmdI
(4)
Таблица 2
Вероятность принятия разных значений дифференциальной групповой задержки
Таблица 3
Значения максимальной протяженности оптической линии связи
Dpmd (пс/км|Д) 0.1 0.5
В=2,5Гбнт/с L (км) 160 000 6 400
В=10Гбит/с L (км) 10 000 400
В=40Г6ит/с L (км) 625 25
в соответствии с законом суммы независимых случайных величин.
В табл. 2 приведены вероятности различных менее благоприятных событий, в предположении, что случайная величина t подчиняется распределению Максвелла.
Непостоянство f во времени — главная отличительная особенность дифференциальной модовой задержки от хроматической и модо-вой дисперсий. Это в значительной степени усложняет методы и устройства компенсации РМР. Такое оборудование в настоящее время находится в стадии лабораторного тестирования. Отметим, что устройства компенсации РМР должны учитывать дрейф состояний поляризации и соответствующим образом автоматически подстраиваться.
В линии с большим числом сегментов, имеет место случайная энергетическая связь мод (Ь << I., Ь — характерная длина связи, не больше длины отдельного сегмента). Для такой линии РМР зависит от суммарного расстояния по формуле
где I— протяженность оптической линии связи (км), Ррмр — коэффициент РМР волокна (пс/км1/2). Максимальная скорость Втах (бит/с) связана с коэффициентом РМР соотношением
е - Л-05
B
max"
(6)
PMD = DpmdSL
(5)
Таблица 1
Типичные значения поляризационной модовой дисперсии РМЭ и поляризационно-зависимык потерь РЭ1. в различных оптических компонентах
О рт!
где параметр е (доля битового интервала) выбирается в зависимости от того, какой коэффициент ошибок ВЕР (без привлечения методов коррекции ошибок) является приемлемым. Так, теоретический анализ с учетом временных флуктуаций с^ дает е = 0,1 при ВЕР = 10-12.
Значение коэффициента Ррмр для типичных волокон находится в пределах от 0,1 до 0,5 пс/км1/2. В табл. 3 для них при разных скоростях цифровой передачи приведены значения максимальной протяженности линии связи.
В современных ВОСП, использующих волокна новых стандартов, значение коэффициента РРМР приближается к 0,1 пс/км1/2.
Компоненты ВОСП PDL (дБ) РМП(пс)
Одномодоноеволокно
1 м (нриблиз.) <0,02 <0,02
1 км <0.5 типовое >0,5
Коннектор
PC <0,1 <0,01
АРС <0,2 <0,01
Изолятор <0,3 <2
Разветвитель <0,1 <0,02
Поляризатор >30
Рис. 2. Индивидуальное влияние на максимальную скорость передачи (при BER = 10-12) дисперсий: ♦ поляризационной модовой (PMD); ■ хроматической (Chr, коэффициент хроматической дисперсии D = 17 пс/(нм*км)); ♦ модовой (Mod, многомодовое волокно 50/125)
На рис. 2 приведены зависимости максимальной скорости цифровой передачи как функции дисперсий PMD, хроматической и модовой при их индивидуальном влиянии. Коэффициент хроматической дисперсии D =17 пс/(нм*км) соответствует стандартному одномодовому волокну (G.652 по классификации ITU).
Для измерения PMD используют различные методы . Волновые поляриметрические методы —такие как анализ собственных значений матрицы Джонса JME (Jones-Matrix-Eigenanalysis), метод сферы Пуанкаре PS (PoincareSphere) — позволяют наблюдать функциональную зависимость дифференциальной групповой задержки (DGD) от частоты (длины волны) света. Анализируется изменение вектора поляризационной дисперсии на выходе тестируемого устройства по мере изменения частоты входного излучения. Модуль этого вектора в точности равен дифференциальной групповой задержке dt, а его направление позволяет определить главные состояния поляризации тестируемого элемента системы (волокна). Поляризационная модовая дисперсия PMD определяется методом наименьших квадратов величин dt, для различных длин волн. Оба метода JME и PS требуют проведения полных измерений со-
стояний поляризации как на выходе системы, так и на входе. Три стоксовых параметра измеряются как функции частоты света.
Наряду с этим широко используется метод анализа PMD: метод волнового сканирования WSFA (Wavelength-Scanning Fxed Analyzer) и ин-терферометрический метод IM (Interferometric Methods). В этих методах измеряется проекция состояния поляризации SOP вдоль одной оси, которая является характеристикой измерительного прибора для быстрого определения PMD. Однако при измерении часть информации теряется, так как проекция SOP на другие оси не вычисляется. Это довольно сильный недостаток методов при исследовании очень малых значений PMD (<50 фс) — на этих масштабах времен в исследуемой среде проявляются взаимные и случайные связывания мод. С другой стороны методы IM значительно менее чувствительны к вибрации, возникающей при измерении PMD в полевых условиях.
В данной статье дано краткое описание явления PMD, возникающего в волоконно-оптических линиях связи, и методов его измерения. В настоящее время в мире ведутся серьезные исследования вопросов компенсации PMD. Применительно к системам DWDM, возникает
задача компенсации PMD не одной заданной длины волны, а сложного многоволнового сигнала, занимающего спектр в несколько десятков нм.
Литература
1. Derickson D., "Fiber Optic Test and Measurement", Prentice Hall, 1998, pp. 642.
2. Lightwave Test and Measurements Reference Guide, Каталогкомпании EXFO, 2001, pp.186-192.
3. Kim J, Buerli R., "An evaluation of polarization-dependent loss-characterization methods", Lightwave, Vol.17, No.9, August 2000, p.156-162.
4. Заркевич Е.А., Скляров O.K., Устинов СЛ., DWDM для высокоскоростных систем связи // Технологии и средства связи. №3, 2000. - С.10-16.
5. Дмитриев В.Г, Тарасов Л.В. Прикладная нелинейная оптика. — М.: Физматлит, 2004. - 512 с.
6. Клышко Д.Н. Фотоны и нелинейная оптика. — М.: Наука, 1980. - 265 с Lightwave Test and Measurements Reference Guide, Каталог компании EXFO, 2001, pp.186-192.
7. Lightwave, Vol.17, No.9, August 2000, p.156-162.
8. Ramaswami R., Sivara/an K, "Optical Networks: A Practical Perspective", Morgan Kaufmann Publishers, 1998, pp. 632.
Introduction to polarization mode dispersion
Adjovi Agbogbo Eros , 2 th year graduate student, MTUCI, [email protected]
Abstract
Describe the characteristics of an ideal optical fiber is relatively simple. These include the propagation characteristics of power along the fiber modes with predetermined polarization state to a specified wavelength, and some other characteristics. However, when the fiber is laid in the cable, and the cable is then conveyed in various places and operate under different conditions, the fiber cable becomes far imperfect. Occurring during the production of fiber-voltage lead to residual stresses in its core and cladding, causing further difficult to predict phenomena birefringent. In addition, the mechanical stress on the fiber in a twisted cable create unbalanced voltage increases when it is wound. And finally, during the installation of the cable is continually subjected to stress. This and reinforcement, and laying in the sewer, connection couplings, etc. All these effects lead to a mechanical local pseudorandomly distributed fiber deformations that disturb the alignment or geometry of the fiber core and cladding. We consider the bases of occurrence PMD. We discuss the reasons that lead to the PMD in the fiber-optic line, provides a comparative analysis of the impact of the effects of PMD and chromatic dispersion on the transmission rate, briefly describes how to measure PMD in optical fiber. Passive and active elements PLAYBACK make a definite contribution to mine action. This is especially true with the chromatic dispersion compensation elements that also contribute to the increase in mine action. Reducing chromatic dispersion we increase the PMD. The growth of information flows in fiber optic transmission systems (FOTS), the introduction of SDH interfaces STM-16/64 (2.4 and 10 Gbit/s), laboratory testing systems STM-256 (40 Gb/s) makes the question of the study of this phenomenon as polarization mode dispersion PMD (polarization mode dispersion), which became one of the major limiting factors of the transmission rate.
Keywords: polarization mode dispersion, polarization of states, Poincare sphere method, the method of scanning the wave, dense wavelength division, optical fiber transmission systems.
References
1. Derickson D., "FiberOpticTestandMeasurement", PrenticeHall, 1998, pp. 642.
2. LightwaveTestandMeasurementsReferenceGuide, EXFO, 2001, pp.186-192.
3. Kim J., Buerli R., "Anevaluationofpolarization-dependentloss-characterizationmethods", Lightwave, Vol.17, No.9, August 2000, p.156-162.
4. Zarkevich E.A, Sklyarov D.C, Ustinov S.A, "DWDM for high-speed communication systems", "Technology and Communication", N 3, 2000, p.10-16.
5. Dmitriev VG. and Tarasov L.V," Applied Nonlinear optika".M.: Fizmatlit, 2004 512 p
6. Klyshko D.N. "Photons and Nonlinear Optics". M.: Science, 1980. 265 withLightwave Test and Measurements Reference Guide, KaTanor<oMnaHHH EXFO, 2001, pp.186-192.
7. Lightwave, Vol.17, No.9, August 2000, p.156-162.
8. Ramaswami R., Sivarajan K., "OpticalNetworks: A PracticalPerspective", MorganKaufmannPublishers, 1998, pp. 632.
Л
