Введение

Форма модальной дисперсии

Дисперсия поляризационных мод (PMD) – это форма модальной дисперсии, при которой две различные поляризации света в волноводе, которые обычно распространяются с одинаковой скоростью, распространяются с разной скоростью из-за случайных дефектов и асимметрии, что приводит к случайному уширению оптических импульсов. Если не произвести компенсацию, что является сложной задачей, это в конечном итоге ограничивает скорость передачи данных по оптическому волокну.

Обзор

В идеальном оптическом волокне ядро имеет идеально круглую форму поперечного сечения. В этом случае фундаментальный режим имеет две ортогональные поляризации (ориентации электрического поля), распространяющиеся с одинаковой скоростью. Сигнал, передаваемый по волокну, случайно поляризован, то есть представляет собой случайную суперпозицию этих двух поляризаций, но это не имеет значения в идеальном волокне, поскольку обе поляризации будут распространяться идентично (являются вырожденными). Однако в реальном волокне существуют случайные несовершенства, нарушающие круговую симметрию, что приводит к распространению двух поляризаций с разными скоростями. В этом случае два компонента поляризации сигнала будут медленно разделяться, например, вызывая расширение и перекрытие импульсов. Поскольку несовершенства случайны, эффекты расширения импульсов соответствуют случайному блужданию и, следовательно, имеют среднюю временную разность, зависящую от поляризации, Δτ (также называемую дифференциальной групповой задержкой или DGD), пропорциональную квадратному корню из расстояния распространения L:

DPMD – параметр PMD волокна, обычно измеряемый в пс/√м, являющийся мерой силы и частоты несовершенств. Случайные несовершенства, нарушающие симметрию, можно разделить на несколько категорий. Во-первых, это геометрическая асимметрия, например, слегка эллиптические ядра. Во-вторых, это двулучепреломление материала, вызванное напряжением, при котором показатель преломления сам зависит от поляризации. Оба этих эффекта могут быть вызваны как несовершенством при производстве (которое никогда не бывает идеальным или без напряжений), так и тепловыми и механическими напряжениями, воздействующими на волокно в полевых условиях — при этом последние напряжения обычно меняются со временем.

Компенсация за ПМД

Система компенсации PMD – это устройство, использующее контроллер поляризации для компенсации PMD в волокнах. По сути, выходное излучение волокна разделяется на две главные поляризации (обычно те, для которых 1 = dτ/dω = 0, то есть отсутствует изменение задержки времени первого порядка в зависимости от частоты), и к ним применяется дифференциальная задержка для повторной синхронизации. Поскольку эффекты PMD случайны и зависят от времени, для этого требуется активное устройство, реагирующее на обратную связь во времени. Такие системы, следовательно, дороги и сложны; в сочетании с тем, что PMD пока не является ограничивающим фактором при более низких скоростях передачи данных, которые все еще широко используются, это означает, что системы компенсации PMD получили ограниченное распространение в крупномасштабных телекоммуникационных системах. Другой альтернативой является использование волокна, сохраняющего поляризацию (PM-волокно) – волокна, симметрия которого настолько сильно нарушена (например, высокоэллиптическое сердцевина), что входная поляризация вдоль главной оси сохраняется на всем протяжении волокна. Поскольку вторая поляризация никогда не возбуждается, PMD не возникает. Однако в настоящее время такие волокна имеют практические недостатки, такие как более высокие потери по сравнению с обычными оптическими волокнами и более высокая стоимость. Дальнейшим развитием этой идеи является однополяризационное волокно, в котором только одно состояние поляризации может распространяться по волокну (другая поляризация не направляется и рассеивается).

Связанные явления

Связанный эффект – это потери, зависящие от поляризации (PDL), при которых две поляризации испытывают различные скорости затухания в волокне из-за, опять же, асимметрии. PDL также ухудшает качество сигнала. Строго говоря, круглое ядро не является необходимым условием для существования двух вырожденных состояний поляризации. Скорее, требуется ядро, чья группа симметрии допускает двухмерное неприводимое представление. Например, квадратное или равностороннетреугольное ядро также будет иметь два решения с одинаковой скоростью поляризации для основной моды; подобные общие формы также встречаются в фотонных кристаллических волокнах. Любые случайные дефекты, нарушающие симметрию, снова же, приведут к PMD в таком волноводе.