3.3.2 Поляризационная модовая дисперсия

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, рис. 3.19. Кроме этого, механические воздействия на волокно в скрученном кабеле создают несимметричные напряжения, увеличивающиеся при его намотке. И, наконец, 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.

Рис. 3.19 Поляризационная модовая дисперсия PMD чувствительна к колебаниям температуры, механическим напряжениям и искажениям геометрии волокна

Поляризационная модовая дисперсия – это основной механизм, с помощью которого все дефекты волокна проявляются на характеристиках системы передачи.

В любой точке волокна импульс поляризованного оптического излучения можно разложить на поляризационные составляющие с двумя взаимно ортогональными состояниями поляризации, направленными вдоль двух локально ортогональных осей волокна, так называемых, быстрой и медленной осей. Отметим, что эти оси не обязательно соответствуют состоянию линейной поляризации. На практике, в уложенном в кабель волокне направление этих осей и относительная разность скоростей распространения по каждой оси (непосредственно зависящих от величины локального двулучепреломле- ния) изменяются вдоль оптического пути. Для идеализированной модели явление PMD можно представить так, что различные участки волокна имеют постоянные, но различные на каждом участке направления осей двулучепреломления. (Локальное изменение ориентации главных осей двулучепреломления волокна известно как явление связи мод.) На каждом участке волокна возникнет временная задержка между компонентами оптического сигнала, разложенного по быстрой и медленной осям. Из-за того, что направление осей двулучепреломления соседних участков волокна меняется случайным образом, форма и границы оптического импульса претерпевают статистическое временное расплывание.

Для каждой выделенной длины волны излучения можно подобрать такую ориентацию плоскости поляризации оптического импульса на входе, что импульс при прохождении волокна не будет испытывать никакого расплывания (по крайней мере, на достаточно коротком интервале времени измерения, когда можно пренебречь изменениями внешних факторов).

Действительно, существуют два взаимно ортогональных состояния поляризации, называемые основными состояниями поляризации PSP (Principal State of Polarization). Одно из них соответствует самому быстрому, а другое самому медленному времени распространения импульса по волокну. Разница времен распространения называется дифференциальной групповой задержкой DGD (Differential Group Delay), соответствующей данной длине волны. Величина задержки PMD определяется как значение DGD усредненное по длинам волн, рис. 3.20.

Рис. 3.20 Значение величины DGD, усредненное по рабочему диапазону длин волн, определяет значение PMD для волокна

Так как отдельные факторы, вызывающие поляризационная модовую дисперсию PMD, невозможно выделить и измерить, то явление PMD следует рассматривать как непрерывный и нестационарный стохастический процесс. Этот процесс приводит к уширению информационных оптических импульсов, что может ухудшить качество сигнала при его декодировании приемником, рис. 3.21. Таким образом, поляризационная модовая дисперсия является существенным фактором, ограничивающим скорость передачи по волокну.

Рис. 3.21 Передаваемые биты информационного сигнала (0, 1) по мере распространения по волокну уширяются так, что не могут быть обнаружены фотоприемником

PMD измеряется в пс для каждого конкретного участка проложенного волокна в линии связи, рис. 3.22.

Рис. 3.22 Пример измерения PMD интерферометрическим методом

Для вычисления PMD линии связи, состоящей из нескольких участков, выполняют процедуру статистического суммирования. Общая поляризационная модовая дисперсия линии связи определяется как квадратный корень из суммы квадратов PMD отдельных участков, образующих линию связи:

Если, например, 9 из 10 участков линии имеют PMD по 0,2 пс каждая, а PMD десятого участка составляет 2 пс, то общая величина PMD линии будет равна 2,088 пс. Иными словами один плохой участок волокна портит общую картину для всей линии связи.

Поэтому необходимо проводить тестирование всех участков линии в сети связи. Нет никаких оснований полагать, что если несколько измеренных участков имеют малые задержки PMD, то и вся линия будет иметь приемлемое значение PMD.