La dispersione di polarizzazione (PMD) è un difetto fondamentale nelle comunicazioni di fibra ottica che derivano da asimmetrie nel nucleo della fibra. Quando un segnale luminoso viaggia attraverso una fibra monomodale, può essere risolto in due modalità di polarizzazione ortogonale. In una fibra perfettamente simmetrica, queste modalità si propagano a velocità identiche, portando a zero differimento differenziale.

Fisica della polarizzazione Modalità di dispersione

Per capire il PMD, bisogna prima cogliere il concetto di birefring nelle fibre ottiche. La nascita è la proprietà di un materiale in cui l'indice di rifrazione dipende dalla direzione di polarizzazione e propagazione della luce. In una fibra monomodale standard (SMF), la modalità fondamentale (MF01) è in realtà due modalità di degenerazione polarizzate ortogonalmente lungo lente e veloci asce della fibra.

Il PMD non è un fenomeno statico; varia statisticamente nel tempo e nella lunghezza d'onda a causa di perturbazioni ambientali. L'evoluzione dello stato di polarizzazione lungo la fibra può essere descritta dalla teoria del molo accoppiato o dal formalismo della matrice Jones. La fibra può essere modellata come una concatenazione di molti segmenti birefring, ciascuno con un orientamento casuale delle assi principali.

Modellazione e caratterizzazione PMD

Principali Stati di polarizzazione (PSP)

Il concetto di principali stati di polarizzazione (PSP) è stato introdotto da Poole e Wagner nel 1986 per descrivere PMD in modo deterministico per una data lunghezza d'onda. Il PSP è due stati di polarizzazione di ingresso ortogonale per i quali la polarizzazione di uscita non cambia al primo ordine con la frequenza. La differenza di ritardo di gruppo tra questi due stati è la DGD. Per un breve segmento di fibra, il PSP allinea con la potente fibra di espansione del sistema di lunghezza locale di accoppiamento di lunghezza di accoppiamento di lunghezza digitale.

Distribuzione statistica e PMD Coefficient

Per una fibra lunga con molte sezioni birefringent non correlate (di solito più di 20), la DGD segue una funzione di densità di probabilità Maxwelliana:

P(DGD = τ) = (2 τ / (σ2)) * exp(-τ2 / (2σ2)), dove σ è il più probabile DGD. Il mezzo DGD è ττ> = σ * √(8/π). Il coefficiente PMD è quindi definito come τ < = √ = √L e viene generalmente espresso in ps/√km.

Tecniche di misura

La caratterizzazione accurata del PMD è essenziale per la pianificazione della rete (vedere []OFC carte tecniche[[] sulla misurazione PMD).

  • Jones Matrix Eigenanalysis (JME): Misura la funzione di trasferimento risolta dalla polarizzazione della fibra come funzione di frequenza utilizzando un laser e un polarimetro sintonizzato.
  • Metodo di analizzatore collegato:[] Osserva la dipendenza della lunghezza d'onda della potenza di uscita attraverso un polarizzatore. Le cime e le valli nello spettro di trasmissione corrispondono ai valori della DGD; questo metodo è più semplice ma dà risultati meno precisi.
  • Metodo interferometrico:[] Utilizza un interferometro Michelson per misurare l'autocorrelazione del campo ottico, fornendo direttamente la distribuzione DGD. Questo è particolarmente utile per il monitoraggio del PMD in tempo.
  • Poincaré Sphere Visualization:[] Permettere l'evoluzione del vettore Stokes dello stato di polarizzazione in uscita come funzione di frequenza. La velocità angolare della traiettoria sulla sfera è proporzionale alla DGD.

Molti moderni riflettori a tempo-dominio ottico (OTDR) incorporano anche moduli PMD per caratterizzare le campate di fibra nel campo. Le organizzazioni standard come ITU-T (G.650.2) e TIA hanno definito le procedure per la misurazione PMD per garantire la coerenza tra i sistemi.

Impatto del PMD sulle prestazioni del ricevitore ottico

PMD degrada le prestazioni del ricevitore causando intersymbol interferenza (ISI) e aumentando il rapporto di errore bit (BER). Nei sistemi di rilevamento diretto, il segnale è modulato in intensità e l'allargamento dell'impulso indotto PMD riduce l'apertura dell'occhio e abbassa il Q-factor.

Penalty (dB) ≈ A * (DGD / T)^2, dove T è il periodo bit e A è un fattore intorno a 25. Per un segnale 10 Gb/s (T=100 ps), una DGD di 30 ps causa circa 2,5 dB penalità. A 40 Gb/s (T=25 ps), la stessa DGD di 30 ps causa gravi penalità (oltre 10 dB) e probabilmente aumenta notevolmente i punti di due volte superiore.

Rilevamento diretto e coerenti

In sistemi coerenti, il campo ottico ricevuto è mescolato con un oscillatore locale, e il campo elettrico completo viene catturato in entrambe le polarizzazioni.

Probabilità e margini di sistema

Poiché il PM6 è un processo casuale, i progettisti di sistema devono assegnare un margine di penalità PMD basato sulla disponibilità desiderata. Ad esempio, un sistema coerente tipico di 100 Gb/s su un collegamento a lungo raggio può allocare 1 dB del margine PMD. Ciò corrisponde ad un valore di ranged che è superato solo lo 0,01% del tempo (cioè, una probabilità di scadenza di 10−4).

Strategie di mitigazione per PMD

La mitigazione PMD è stata studiata per oltre tre decenni, portando a soluzioni hardware e software.

Miglioramenti del design del fibra

Le fibre di trasmissione moderne, come ITU-T G.652.D (bassa picco d'acqua) e G.655 (non-zero dispersione-shifted), sono ottimizzate per il PMD basso con core circolari e bassa birefring indotta dallo stress.

Compensatori Optical PMD

Prima dell'era del DSP coerente, i compensatori ottici sono stati sviluppati per mitigare dinamicamente il PMD. Un tipico compensatore consiste in due sezioni: un controllore di polarizzazione (PC) per allineare il segnale con gli assi veloci/bassi di un elemento birefring (ad esempio, una sezione di polarizzazione-mantenente fibra) e un elemento variabile di grado PMD (ad esempio, un gruppo differenziale di ritardo generatore).

Compensazione elettronica e digitale

Per esempio, un multi-input 2x2 (MIMO) di tipo GSE (riduzione di un uguale valore) di un uguale valore (PQ) può compensare la massima quantità di PMD (DGD) fino a circa un periodo di simbolo.

Approfondimenti di progettazione di sistema

A livello di sistema, PMD può essere gestito limitando il numero di campate concatenate, utilizzando l'amplificazione Raman per ridurre il numero di amplificatori in linea (riducendo il totale accumulato DGD), e impiegando formati di modulazione che sono più robusti per PMD, come QPSK a doppia polarizzazione (DP-QPSK PM) che ha una tolleranza maggiore di 64-QAM.

PMD in reti moderne ad alta velocità

Gli operatori di distribuzione di 100 Gb/s, 200 Gb/s, e 400 Gb/s canali coerenti sulle fibre esistenti, PMD diventa un vincolo chiave. Molte fibre più vecchie degli anni '90 hanno coefficienti PMD tra 0,5 e 1 ps/√km, rendendo difficile sostenere alti tassi di baud senza penalità significativa.

Un'altra sfida emergente è PMD in collegamenti interconnessi non ripetibili e data-centre (DCI), sebbene questi collegamenti siano più brevi (± 100 km), il PMD da fibre di bassa qualità e componenti aggiuntivi (ad esempio, splitter, filtri WDM) può ancora causare problemi a 800 Gb/s (112 Gbaud) dove il periodo di simbolo è solo ~9 ps.

Conclusioni

La dispersione della modalità di polarizzazione è un fenomeno complesso ma gestibile nei sistemi di comunicazione ottica. Essa deriva dalla casuale birefring delle fibre ottiche, che porta alla diffusione e al degrado della sensibilità del ricevitore. L'impatto si bilancia con la velocità dei dati e la lunghezza del collegamento, rendendo PMD una preoccupazione di primo ordine per le reti ad alta velocità. Attraverso un'attenta selezione delle fibre digitali, l'equalizzazione avanzata nei ricevitori coerenti e l'allocazione dei marginizione dei marginifica statistica, gli architetti del futuro possono ridurre al minimo i tassi di riferimento, gli architetti del sistema possono raggiungere la presenza di riferimento per la presenza di riferimento per il flusso di riferimento.