单模光纤偏振模色散测试的重要性介绍

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近几年来，在我们对全国多个生产企业的光纤光缆产品的进网或认证检测中发现，绝大多数企业都没有偏振模色散测试仪。
而几何参数测试仪、传输特性测试仪、OTDR等设备倒是70%的企业都有，即使是占地面积比较大的机械物理性能测试仪也随处可见。偏振模色散测试仪体积并不大、价格也不是很昂贵，可为什么这么多企业都没有配置呢?或者说根本不去考虑要测试此项指标呢?为此，笔者曾询问过一些企业，他们的回答令人吃惊：“这项指标不重要，最初单模光纤的标准中是没有这项指标的，它对光缆产品的质量不会有影响”。那么，这项指标到底是否会影响通信质量呢?下面，让我们从偏振模色散的原理、偏振模色散在实际通信中对通信质量的影响以及ITU-T标准中的规定等几个方面阐述一下。
限制光纤通信高比特率长距离传输的因素有两个：一是光纤的衰减，另一个是光纤的色散。单模光纤的色散又可分为两种：一是光纤的群速度色散（GVD），另一种是光纤的偏振模色散。为降低单模光纤群光波传输速率的影响，一般可采用三种措施：①利用谱线宽度很窄的DFB激光器；②使系统工作在单模光纤群光波传输速率色散为零的波长附近；③应用色散补偿的办法来抵消单模光纤群光波传输速率色散的影响。当采用上述三种方法使光纤通信系统中的单模光纤群光波传输速率色散变得很小或趋于零时，单模光纤偏振模色散的影响就突出了，成为限制高比特率系统长距离传输的主要因素。
偏振与双折射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和y两个方向偏振。理想光纤的几何尺寸是均匀的且没有应力，因而光波在这两个相互垂直偏振态方向以完全相同的速率传播，在光纤的另一端没有任何延迟，如图1所示。但实际光纤总存在某种程度的不完善，如光纤纤芯的椭圆变形、光纤内部的残余应力等，从而使得两个模式之间的兼并被破坏，两个模式的相位常数不相等，如图2所示。这种现象称为模式双折射。双折射的存在将引起一系列复杂的效应，例如，两模式的群速率不同，两个相互垂直的偏振模以不同的速率传播，使得到达光纤另一端的时间也不同。光波的基模含有两个相互垂直的偏振态，在实际的光纤中，这两个相互垂直的偏振模在单位长度中的时间差就是偏振模色散，简称PMD，其单位为ps/∨km。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，因此对某些场合应用影响严重。
光纤的固有偏振模色散是由非圆形纤芯引起的双折射现象所导致的色散，它是由外部因素如机械压力、热压力等导致的。光波在各向同性的媒质内传输，引起的偏振不依赖于场的方向，传播的相位速率不依赖于偏振方向；在各向异性的媒质内传输，情况就不是如此，例如，光波沿z方向传输，如其电场与x方向平行，则引起偏振的相速与y方向引起偏振的相速不同。光纤中的“双折射”，就是指相速依赖于电场偏振方向的现象。由此可知，若光波在z=0平面有线性偏振，沿x和y方向有同等分量，则沿z方向传播一定距离后，因x和y两个分量有相位差，光波变成椭圆偏振。单模光纤的圆截面的各向异性越大，两个相互垂直的偏振模的传播常数差就越大。
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在结构上都存在差异，即使同一段光纤，也存在纵向不均匀性，因而偏振模色散的值也会因光纤本身的差异性而不同。
从工程安装和链路环境看，影响因素还具有不确定性，比如环境温度，有些地方夏冬温差为60℃，昼夜温差为20℃。偏振模色散的大小，是由这些因素的综合影响决定的，也具有不确定性，是一个随机变量。通常所说的偏振模色散是多少，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原则。
偏振模色散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。然而，偏振模色散比色度色散小几个数量级，而且它仅在数字系统和具有高放大调频模拟系统中采用一定的色散补偿时才成为重要的考虑因素。这一限制受传输方式、环境和安装条件的影响。
与具有确定性的色度色散不同，任意一段光纤的偏振模色散是一个服从Maxwllian分布的随机变量。其瞬时偏振模色散值随波长、时间、温度、移动和安装条件的变化而变化；此外，长距离光纤的偏振模色散（真实情况）具有随长度平方根而变化的特性。
当光波传输速率较低和距离相对较短时，偏振模色散对单模光纤系统的影响微不足道。但随着对带宽需求的增长，特别是在10Gbit/s及更高速率的系统中，偏振模色散开始成为限制系统性能的因素，因为它会引起过大的脉冲展宽或造成过低的信噪比（SNR）。
单模光纤在生产、安装和使用等过程中，由于温度或机械因素引起各种相移，因此两个相互垂直的偏振模的相对时延随时间发生变化；由于光纤熔接没有对准或光纤存在弯曲或微弯，因此总的输出光功率将有所起伏。这些都有可能引起噪声。光纤传输系统中使用的分光器在设计时应该对偏振不敏感。虽然由于光纤中基模传播路径近似于光纤的轴线而使光纤绕圈引起的弯曲损耗以及由熔接或定向耦合器不正常引起的损耗都不完全对偏振敏感，但单模光纤在使用时应注意避免各种可能的噪声源。
偏振模色散指标的好坏，直接关系到通信质量，是评价光缆质量好坏的一项很重要的指标。无论是以往的进网认证，还是现在的泰尔认证，此项指标都被定为B类检验项目（有任意一项B类不合格项，则整缆就被判定为不合格）。同时，由于通信链路本身要求偏振模色散产生的时延差平均值必须小于系统1bit周期的1/10，这样才能保证信号功率损失在1dB以下，考虑到所测得的数据的正确性与准确性（与光缆长短有关），因此我们在测量此项指标时，要求厂商提供尽可能长的光缆或光纤，通常要求1.1km以上。这样就能更好地模拟光缆实际应用的环境，得到更加准确有效的数据，最大限度地降低这种误判风险。
因此，希望各个光缆或光纤生产企业通过本文的阐述与分析，能够重新认识偏振模色散这项指标，切实了解此项指标的重要性，给此项指标以足够的重视。各大运营商在选型测试中，也应充分考虑此项指标的重要性，并将此项指标作为考核的指标之一。这样，我们才能保证敷设的光缆能够满足通信的实际需要。