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出口

标记档案: PMD

  1. 如何说“纤维极客”|第 2 条:分散

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    欢迎回来,纤维极客! 

    作为快速复习,本系列的第 1 篇文章重点关注带宽需求的增长。我们还研究了光纤外部因素引起的光纤衰减,例如弯曲,并内置衰减机制,即散射和吸收。 

    在第二篇文章中,我们将重点介绍光纤中存在的几种色散类型。 

    分散——是什么? 

    许多(但不是全部)通过光纤网络传输的流量都采用激光脉冲的形式。这种脉冲是通过打开和关闭激光来产生的,从而产生光脉冲,其中“无光”代表数字“0”——而“全光”代表数字“1”。因此,数字信息是以代码传输的一系列“无光”和“全光”,光纤另一端的接收器可以理解并转换为数字电信号。 

    说明这样的信号将是一系列方波脉冲,如图 1 所示。 

    每当这样的信号受到色散的影响时,方波脉冲的边缘就会变圆,并且脉冲会随着时间扩散。因此色散使脉冲变宽。 

    如果色散很小,光纤另一端的检测器仍能正确检测到信号。一旦色散变得太大,加宽的脉冲将相互重叠,检测器将开始误读信号,产生错误,从而有效地阻碍传输质量。该质量的衡量标准是 BER(误码率),它表示传输错误的数量相对于传输的总位数。 

    由于更快的传输速率要求脉冲具有更短的持续时间,这也意味着给定的色散水平对更快的传输速率信号的危害更大。此外,色散几乎总是取决于光纤长度——光纤越长,色散越大。 

    因此传输受限于:A) 光纤的色散 B) 传输速率,以及 C) 光纤的长度。色散可以被描述为“限速器”——主要有以下 3 种类型: 

    模式色散、色散和偏振模式色散。

    模态色散是最严重的色散类型,因此也是最严重的“限速器”。 

    光“模式”是通过光纤携带光的不同类型的波。在“多模”光纤中,纤芯相当大,通常可以允许多达 17 种不同的模式传播。在“单模”光纤中,纤芯非常小,只允许一种模式传播。 

    问题在于不同的模式在光纤中遵循不同的路径——这些路径的长度不同。一些模式靠近核心的中心传播 - 其他人在核心的外边缘反弹,并且这些模式比靠近中心的模式传播的距离更长。因此,不同的模式行驶的距离不同——因此有些模式的行驶速度往往比其他模式快。注入光纤的部分光将通过一种模式传播——其他部分通过另一种模式传播——依此类推。如果不采取任何措施来缓解这种情况,部分输入信号将比其他部分更晚到达输出端——这将导致输出信号相对于输入信号“分散”,如图 1 所示。 

    为了尽量减少信号到光纤输出端的色散,多模光纤的纤芯设计为延迟靠近纤芯(最短距离)的光模,并加速光模传播最长的距离。在理想情况下,这将导致所有模式同时将光带到光纤的输出端。唉,世界并不完美,因此在现实生活中不可避免地会出现一些模态色散。 

    这意味着,即使多模光纤能够使用性价比非常高的光源(如 LED 或 VCSEL),但它们的传输距离仍然限于通常小于 2 公里,实际上通常小于几百米。 

    避免模​​态色散的方法是缩小纤芯的尺寸。在一个小的纤芯中,只有一种光模式存在,称为基模。在这种单模光纤中,确实可能在接头或连接器处产生更高阶的模式,但它们会在穿过光纤短距离后从光纤中泄漏出来。 

    现在找到了避开最重要的限速器的方法,我们可以将注意力转向下一个。 

    色散意味着不同波长的光以不同的速度沿光纤传播。同样,这种差异会导致光纤输出端信号的“模糊”,并有效地充当速度限制器。 

    人们可能想知道为什么会出现这样的问题,因为用于将光注入光纤的激光器具有非常精确且稳定的波长。然而,快速打开和关闭激光实际上会产生许多接近原始激光波长的新波长。幸运的是,这些新波长中的大多数都非常微弱,不会引起问题——但不幸的是,随着激光打开和关闭的速度越来越快,产生的波长范围会扩大(图 5)。 

    在这样的传输系统中,色散引起的问题随着传输速度的增加和光纤长度的增加(与光纤长度成线性比例)而恶化。 

    为了尽量减少色散问题,最初开发了“色散位移”(ITU-T G.653)光纤类型。在经典标准单模 (ITU-T G.652) 光纤中,色散在 1310 nm 附近为零。色散位移光纤的目标是色散在 1550 nm 附近为零,因为光纤的衰减在 1550 nm 处较低,因此这种组合看起来很理想。 

    基本上,在 DWDM 到来之前,这一直运行良好。在 DWDM 系统中,许多单独的信道通过同一根光纤传输。每个通道都分配了一个唯一的波长,但不幸的是,如果光纤中的色散非常低,称为四波混合 (FWM) 的光纤非线性往往会导致 DWDM 系统中出现不需要的噪声问题。 

    因此,为了限制 DWDM 系统中的光纤非线性问题,一定程度的色散是可取的,因此开发了非零色散位移光纤 (ITU-T G.655)。这种光纤类型在 1550 nm 附近具有少量色散(明显小于标准 G.652 光纤),因此“速度限制”较小——但色散仍然足够高,可以非常显着地减少非线性问题。后来开发了 G.656 非零色散位移光纤,以响应 DWDM 系统中越来越多的信道需求。当通道数量增加时,各个通道需要更紧密地聚集在一起——这反过来需要光纤中更多的色散以减少四波混合的影响。 

    在开发具有不同色散特性的新型纤维的同时,还开发了具有负色散的特殊设备。由于传输光纤通常具有正色散,这两者的组合可用于将全光纤链路的总色散减少到几乎为零。 

    由于能够降低传输链路的总色散,因此 G.656 光纤更高的色散是一种可接受的技术折衷方案——只剩下成本问题需要考虑。 

    在最近的许多大容量传输系统中,传输光纤的色散以高效率进行电子补偿,对于此类系统,具有高色散的光纤实际上可能是有利的,因为它有助于限制光纤非线性。

    为了使混淆完全,单模光纤实际上将能够承载两个版本的基本光模式。这样做的原因是光可能以两种不同的偏振存在,它们的模式彼此垂直。这种现象是从一些太阳镜中得知的,这些太阳镜会去除其中一种偏振模式。来自海面或潮湿道路的反射阳光主要由这些偏振模式之一的光组成 - 而其他物体反射的光将由两种偏振模式的混合组成。切断反射光的偏振模式将“杀死”反射,但让另一种偏振模式通过眼镜,使其他物体可见。 

    在光纤中,两种偏振模式都存在,但可能以不同的速度通过光纤。如果光纤纤芯不是完美的圆形并且光纤中存在应力,则会出现这种速度差异。如果光纤几何形状不是绝对完美的,例如,如果包层或涂层不是圆形,或者纤芯的中心与包层或涂层的中心不同,则在制造过程中应力可能会“冻结”到光纤中。 

    即使使用最先进的、高质量的制造工艺,光纤在几何上也不会 100% 完美,因此两种偏振模式之间会存在速度差,会导致色散,并且可能会限制通过光纤的高速传输纤维。即使光纤是 100% 完美的,光缆中光纤的轻微弯曲也会在光纤中引入应力——产生 PMD。所以这是我们的第三个限速器。 

    从“PMD 的角度”看光纤,它可能被认为具有“快”和“慢”通道。降低 PMD 的一种有效方法是在制造过程中来回扭转光纤,以便通过光纤传播的光有效地看到“快”和“慢”通道之间的大量偏移。 

    由于应力是导致 PMD 的重要原因,因此外部施加的应力也会影响光纤 PMD。实际上,仅在两根手指之间夹住一根光纤可能会改变 PMD。因此,光纤的 PMD 可能会受到光纤布线和外部应力(例如来自附近铁路的振动)的影响。 

    与其他色散类型一样,PMD 的影响随着传输距离的增加(PMD 与距离的平方根成比例)和传输速度的增加而增加。对于 2.5 Gbps 及以下的传输速率,PMD 通常不是问题。对于非常高传输速率的系统,PMD 的补偿现在以电子方式进行并内置于传输系统中。