El sistema de dispersión de pulsos (PMD) es un deterioro fundamental en las comunicaciones de fibra óptica que surgen de asimetrías en el núcleo de fibra. Cuando una señal de luz viaja a través de una fibra de un solo movimiento, se puede resolver en dos modos de polarización ortogonal. En una fibra perfectamente simétrica, estos modos se propagan a velocidades idénticas, lo que conduce a cero retraso diferencial.

Física de la dispersión del modo polarización

La longitud de la fibra óptica es degradada por el núcleo de la fibra óptica, y la longitud de la Δ es degenerada en dos modos de generación de la fibra de la línea de presión, y la desintegración de la fibra de la Δ por el núcleo de la Δ por la Δ.

La fibra de DMD no es un fenómeno estático; varía estadísticamente con el tiempo y la longitud de onda debido a perturbaciones ambientales. La evolución del estado de polarización a lo largo de la fibra puede ser descrita por la teoría de los movimientos acoplados o el formalismo de la matriz Jones. La fibra puede ser modelada como una concatenación de muchos segmentos birefringentes, cada uno con una orientación aleatoria de los ejes principales.

Modelización y caracterización de PMD

Principales Estados de Polarización (PSP)

El concepto de los principales estados de polarización (PSP) fue introducido por Poole y Wagner en 1986 para describir PMD de una manera determinista para una determinada longitud de onda. El PSP son dos estados de polarización de entrada ortogonal para los cuales la polarización de salida no cambia a primer orden con frecuencia. La diferencia en el retraso de grupo entre estos dos estados es el DGD.

Distribución estadística y coeficiente de PMD

Para una fibra larga con muchas secciones birefringentes no relacionadas con la cordura (normalmente más de 20), el DGD sigue una función de densidad de probabilidad de Maxwellian:

P(DGD = τ) = (2 τ / (σ2)) * exp(-τ2 / (2σ2)), donde σ es el DGD más probable. El DGD medio es τно = σ * √(8/π). El coeficiente PMD se define entonces como Гдного / √L y se expresa generalmente en ps/√km.

Técnicas de medición

La caracterización precisa de PMD es esencial para la planificación de redes (véase Documentos técnicos OFC] sobre la medición de PMD).

  • Jones Matrix Eigenanalysis (JME): mide la función de transferencia de la fibra resolviendo la polarización como función de frecuencia utilizando un láser y polarímetro sintonizador. Proporciona el DGD y PSP sobre una gama de longitud de onda.
  • Método de Analizador Fixed: Observa la dependencia de longitud de onda de la potencia de salida a través de un polarizador. Los picos y valles en el espectro de transmisión corresponden a los valores DGD; este método es más sencillo pero da resultados menos precisos.
  • Método interferométrico: Utiliza un interferómetro Michelson para medir la autocorrelación del campo óptico, dando directamente la distribución DGD. Esto es particularmente útil para el monitoreo de PMD que va en tiempo.
  • Poincaré Sphere Visualization: Plotting the evolution of the Stokes vector of the output state of polarization as a function of frequency. La velocidad angular de la trayectoria en la esfera es proporcional a DGD.

Muchos reflectómetros modernos de dominio de tiempo óptico (OTDR) también incorporan módulos de PMD para caracterizar los lazos de fibra en el campo. Organizaciones de estándares como ITU-T (G.650.2) y TIA han definido procedimientos para la medición de PMD para asegurar la coherencia en los sistemas.

Impacto de PMD en el rendimiento del receptor óptico

PMD degrada el rendimiento del receptor causando interferencia intersímbolo (ISI) y aumentando la relación de error de bits (BER). En sistemas de detección directa, la señal se modula de intensidad y la ampliación del pulso inducida por PMD reduce la apertura de los ojos y reduce el factor Q. Para una señal binaria no retorno a cero (NRZ), la penalización debida a PMD puede ser aproximada como:

Penalidad (dB) ♥ A * (DGD / T)^2, donde T es el período de bits y A es un factor alrededor de 25. Para una señal de 10 Gb/s (T=100 ps), un DGD de 30 ps causa aproximadamente 2,5 dB penal. A 40 Gb/s (T=25 ps), el mismo DGD de 30 pstella causa penalización severa (más de 10 dB) y probablemente una sensibilidad avanzada.

Coherent vs detección directa

El advenimiento de los receptores coherentes digitales ha cambiado el paisaje de PMD. En sistemas coherentes, el campo óptico recibido se mezcla con un oscilador local, y el campo eléctrico completo se captura en ambas polarizaciones. El ajuste de la polarización basada en DSP puede compensarse por una simple rotación de la polarización de 2x2

Probabilidad de salida y Margenes del sistema

Por ejemplo, un sistema de distribución de 100 Gb/s en un enlace de largo plazo puede asignar 1 dB del margen de PMD. Esto corresponde a un valor DGD que se supera sólo 0,01% del tiempo (es decir, una probabilidad de desembolso de 104).

Estrategias de mitigación para PMD

La mitigación de las armas de destrucción en masa ha sido estudiada ampliamente durante más de tres decenios, lo que ha llevado a soluciones tanto de hardware como de software.

Mejoras de diseño de fibra

El enfoque más fundamental es reducir el PMD en la fase de fabricación de fibras. Las fibras modernas de transmisión, como la ITU-T G.652.D (punto de agua baja) y G.655 (no cero dispersión-robo), están optimizadas para una baja PMD con núcleos circulares y una baja tensión-inducida por el estrés.

Compensadores de PMD ópticos

Antes de la era de DSP coherente, los compensadores ópticos se desarrollaron para mitigar PMD dinámicamente. Un compensador típico consiste en dos secciones: un controlador de polarización (PC) para alinear la señal con los ejes rápidos/bajos de un elemento birrefringente (por ejemplo, una sección de fibra de mantenimiento de polarización) y un elemento DGD variable (por ejemplo, un generador de retraso de grupo diferencial).

Indemnización electrónica y digital

Los receptores digitales de la DMAH dominan las redes modernas, y sus ecualizadores de presión flexibles proporcionan una tolerancia de PMD de alta calidad. Por ejemplo, un sistema de medición de múltiples entradas (MIMO) de 2 x 2 veces superior, puede compensar la combinación de PMD de primer orden hasta alrededor de un período de símbolo.

Enfoques de diseño de sistemas

A nivel de sistema, PMD puede ser gestionado limitando el número de los lazos concatenados, utilizando la amplificación de Raman para reducir el número de amplificadores inline (por lo que reducir el DGD total acumulado), y empleando formatos de modulación más robustos para PMD, como QPSK de doble polarización (DP-QPSK) que tiene una mayor tolerancia que los sistemas de 64-QAM.

PMD en redes modernas de alta velocidad

Los operadores de PMD despliegan 100 Gb/s, 200 Gb/s y 400 Gb/s canales coherentes sobre las fibras heredadas existentes, PMD se convierte en un obstáculo clave. Muchas fibras de mayor edad de los años noventa tienen coeficientes PMD entre 0,5 y 1 ps/√km, lo que dificulta el soporte de altas tasas de baudio sin penalización significativa.

Otro reto emergente es PMD en enlaces interconectados sin repetir y centrados en datos (DCI). Aunque estos enlaces son más cortos (aprobados 100 km), el PMD de fibra de menor calidad y componentes adicionales (por ejemplo, separadores, filtros WDM) todavía puede causar problemas en 800 Gb/s (112 Gbaud) donde el período de símbolo es sólo ~9 ps. Los proveedores de sistemas ahora proporcionan especificaciones de seguimiento robustas

Conclusión

La dispersión de la fibra óptica es un fenómeno complejo pero manejable en sistemas de comunicación óptica. Se origina de la birefringencia aleatoria de fibras ópticas, lo que conduce a la propagación del pulso y la degradación de la sensibilidad del receptor. Las escalas de impacto con la velocidad de los datos y la longitud de enlace, haciendo que PMD sea una preocupación de primer orden para las redes de alta velocidad.