Дисперсия режима поляризации (PMD) является фундаментальным нарушением в оптоволоконных коммуникациях, которое возникает из-за асимметрии в волоконном сердечнике. Когда световой сигнал проходит через однорежимное волокно, он может быть разбит на два ортогональных режима поляризации. В идеально симметричном волокне эти режимы распространяются с одинаковыми скоростями, что приводит к нулевой дифференциальной задержке. Однако реальные волокна обладают двупреломлением - разницей в коэффициенте преломления между двумя основными осями поляризации - вызванной производственными несовершенствами, механическим напряжением, изгибом и температурными колебаниями. Это двупреломление вызывает две поляризующие компоненты путешествовать с немного различной скоростью, что приводит к относительной задержке времени, известной как дифференциальная задержка группы (DGD). По линии передачи кумулятивный DGD изменяется случайным образом с длиной волны и временем, что приводит к расширению импульса и искажению сигнала на приемнике. По мере того, как скорость передачи данных поднимается выше 10 Гбит / с и достигает 400

Физика дисперсии режимов поляризации

Для понимания ПМД необходимо сначала ухватить понятие бирефриренс в оптических волокнах. Бирефриренс является свойством материала, где показатель преломления зависит от поляризации и направления распространения света. В стандартном однорежимном волокне (SMF) фундаментальный режим (LP01) фактически представляет собой два вырожденных режима, поляризованных ортогонально по локальным медленным и быстрым осям волокна. Несовершенства волокна, такие как эллиптическая геометрия ядра или поперечное напряжение, нарушают эту дегенерацию, приводя к разности показателей преломления Δn между двумя осями. Полученный DGD на единицу длины задается Δτ = (Δn) / с, где c - скорость света. Типичные значения для стандарта SMF варьируются от 0,1 до 1 пс/√км, в зависимости от возраста волокна, деформации и тепловой истории.

ПМД не является статическим явлением; она изменяется статистически с течением времени и длиной волны из-за возмущений окружающей среды. Эволюцию состояния поляризации вдоль волокна можно описать теорией сопряженного режима или формализмом матрицы Джонса. Волокно можно смоделировать как конкатенацию многих бирефригентных сегментов, каждый со случайной ориентацией основных осей. Это приводит к случайному прогулке ДГД, которая следует за распределением вероятности Максвелла для длинных волокон (многие сегменты). Среднее DGD ⁇ DGD ⁇ пропорционально √L, где L — длина волокна, а константа пропорциональности — коэффициент ПМД (в ps/√km). Понимание этой статистической природы имеет решающее значение для прогнозирования вероятностей отключения в высокоскоростных системах.

Моделирование и характеристика PMD

Основные государства поляризации (PSP)

Концепция основных состояний поляризации (PSP) была введена Пулом и Вагнером в 1986 году для описания PMD детерминированным образом для данной длины волны. PSP — это два ортогональных состояния поляризации входа, для которых поляризация выхода не изменяется в первый порядок с частотой. Разница в групповой задержке между этими двумя состояниями — это DGD. Для короткого сегмента волокна PSP выравнивается с локальными быстрыми и медленными осями. В длинном волокне с модной связью PSP изменяется с длиной волны и не обязательно выравнивается с физическими осями волокна. Модель PSP обеспечивает мощную основу для анализа PMD в цифровых системах связи, поскольку она связывает поведение поляризации с дифференциальной задержкой, которая вызывает распространение импульса.

Статистическое распределение и коэффициент ПМД

Для длинного волокна со многими некоррелированными бирефригентными секциями (обычно более 20), DGD следует функции плотности вероятности Максвелла:

P(DGD = τ) = (2 τ / (σ2)) * exp(-τ2 / (2σ2)), где σ является наиболее вероятным DGD. Средний DGD является ⁇ τ ⁇ = σ * √(8/π). Коэффициент PMD затем определяется как ⁇ τ ⁇ / √L и обычно выражается в ps/√km. В настоящее время волокна телеком-класса имеют коэффициенты PMD менее 0,1 ps/√km, при этом некоторые волокна премиум-класса достигают 0,02 ps/√km. Однако более старые развернутые волокна могут иметь коэффициенты до 1 ps/√km или выше. Разработчики системы используют эту статистическую модель для расчета вероятности того, что мгновенный DGD превышает определенный порог, что приводит к отключению. Для систем 40 Gb/s и 100 Gb/s общая цель проектирования состоит в том, чтобы сохранить вероятность DGD > 30 ps ниже 10-5.

Методы измерения

Точная характеристика ПМД имеет важное значение для планирования сети (см. Технические документы ОФК по измерению ПМД). Наиболее распространенные методы включают:

  • Джонс Матрица Эйгенанализ (JME): Измеряет поляризованную передаточную функцию волокна как функцию частоты с использованием настраиваемого лазера и поляриметра. Он обеспечивает DGD и PSP в диапазоне длин волн.
  • Метод фиксированного анализатора: Наблюдает зависимость длины волны выходной мощности через поляризатор. Пики и долины в спектре передачи соответствуют значениям DGD; этот метод проще, но дает менее точные результаты.
  • Интерферометрический метод: Использует интерферометр Майкельсона для измерения автокорреляции оптического поля, обеспечивая прямое распределение DGD. Это особенно полезно для мониторинга ПМД с изменяющимся временем.
  • Визуализация сферы Пуанкаре: Загадка эволюции вектора Стокса выходного состояния поляризации как функции частоты Угловая скорость траектории на сфере пропорциональна DGD.

Многие современные оптические рефлектометры с временными доменами (ОТДР) также включают модули ПМД для характеристики волоконных пролетов в этой области. Стандартные организации, такие как МСЭ-Т (G.650.2) и ТИА, определили процедуры измерения ПМД для обеспечения согласованности между системами.

Влияние PMD на эффективность оптического приемника

ПМД ухудшает работу приемника, вызывая интерсимвольную интерференцию (ISI) и увеличивая коэффициент битовой ошибки (BER). В системах прямого обнаружения сигнал модулируется интенсивностью, а расширение импульса, вызванное ПМД, уменьшает открытие глаз и снижает Q-фактор. Для двоичного сигнала без возврата к нулю (NRZ) штраф, обусловленный ПМД, может быть приближен как:

Штраф (dB) ≈ A * (DGD / T)^2, где T - битовый период и A - фактор около 25. Для сигнала 10 Гбит / с (T = 100 ps) DGD 30 ps вызывает штраф примерно 2,5 дБ. При 40 Гбит / с (T = 25 ps) тот же DGD 30 ps вызывает серьезное наказание (более 10 дБ) и, вероятно, отключение. Эта чувствительность резко возрастает с более высокими скоростями модуляции. Для продвинутых форматов модуляции, таких как QPSK, 16-QAM или 64-QAM, влияние PMD еще более выражено из-за более близкого расстояния точек созвездия.

Когерентность vs прямое обнаружение

Появление цифровых когерентных приемников изменило ландшафт ПМД. В когерентных системах принятое оптическое поле смешивается с локальным осциллятором, а полное электрическое поле захватывается в обеих поляризациях. Демультиплексирование и уравнение на основе ДСП может компенсировать статические и медленно изменяющиеся вращения поляризации. Однако ПМД вводит частотно-зависимое вращение, которое не может быть полностью компенсировано простым матричным эквалайзером 2x2 (Butterfly FFE). Дробно расставленный адаптивный эквалайзер с достаточным количеством кранов может смягчать ПМД до определенного ДГД, но вычислительная сложность растет линейно с количеством кранов. На практике когерентные приемники сегодня могут обрабатывать до нескольких десятков пикосекунд ДГД без значительного штрафа, благодаря сложным алгоритмам ДСП, таким как алгоритм постоянного модуля (CMA) и радиусоориентированное уравнение. Тем не менее, ПМД остается ограничивающим фактором для очень дальнемагистральных подводных соединений, где средний ДГД может превышать

Вероятность отключения и системные маржи

Поскольку PMD является случайным процессом, разработчики системы должны выделять штрафную маржу PMD на основе желаемой доступности. Например, типичная когерентная система 100 Гбит/с на длинной линии связи может выделять 1 дБ маржи PMD. Это соответствует значению DGD, которое превышает только 0,01% времени (т.е. вероятность отключения 10-4). Используя распределение Максвелла, максимальная DGD для данной вероятности может быть рассчитана из коэффициента PMD и количества пролетов. Маржа PMD затем комбинируется с другими маржами (хроматическая дисперсия, нелинейные эффекты, OSNR и т.д.) для определения окончательного бюджета линии связи. Руководящие принципы распределения маржи PMD можно найти в рекомендациях ITU-T G.698.2 и G.696.

Стратегии смягчения последствий для ПМД

Смягчение PMD широко изучалось на протяжении более трех десятилетий, что привело к разработке аппаратных и программных решений.

Улучшения дизайна волокон

Наиболее фундаментальный подход заключается в уменьшении ПМД на стадии производства волокна. Современные трансмиссионные волокна, такие как ITU-T G.652.D (пик низкой воды) и G.655 (сдвиг, не связанный с нулевой дисперсией), оптимизированы для низкой ПМД с круглыми ядрами и низким уровнем трения, вызванным напряжением. Специальные волокна, такие как конструкции с депрессивной облицовкой и высокоэллиптические ядра, используются в поляризованных поддерживающих волокнах (PMF), но они не являются стандартными для передачи на дальние расстояния. Коэффициент ПМД современных волокон обычно составляет менее 0,04 пс/√км, резкое улучшение по сравнению с волокнами с 1990-х годов. Производители клетчатки теперь вращают преформу во время рисования для дальнейшей рандомизации ориентации осей бирефриренса, снижая эффективную ПМД.

Оптические компенсаторы PMD

До эры когерентного DSP оптические компенсаторы были разработаны для динамического смягчения PMD. Типичный компенсатор состоит из двух секций: контроллера поляризации (PC) для выравнивания сигнала с быстрыми/медленными осями бирефрирингентного элемента (например, секция поляризационного волокна) и переменного элемента DGD (например, генератор задержки дифференциальной группы). Электронный цикл обратной связи контролирует DGD (например, путем измерения степени поляризации или амплитуды тона RF) и регулирует PC и переменный DGD для отмены мгновенного DGD. Эти устройства могут уменьшить эффективный DGD до почти нуля по ограниченной полосе пропускания. Однако они добавляют оптические потери, потери вставки и сложность и менее эффективны, когда PSP быстро изменяется с длиной волны (более высокий порядок PMD). Для систем 40 Гбит/с были развернуты несколько коммерческих оптических компенсаторов, но рост когерентных систем сделал их менее распространенными.

Электронная и цифровая компенсация

Цифровые когерентные приемники доминируют в современных сетях, а их адаптивные эквалайзеры обеспечивают существенную толерантность к ПМД. Например, ПМД с многократным входом (MIMO) с многократным выходом (FFE) может компенсировать ПМД первого порядка (DGD) до примерно одного периода символа. Для ПМД более высокого порядка требуется большее количество кранов (например, 17 или более) для обработки остаточного ИСИ. Кроме того, была продемонстрирована оценка максимальной вероятности последовательности (MLSE) для смягчения ПМД в системах прямого обнаружения, но при высокой вычислительной стоимости. Для 400 Гб/с и далее, для снижения накладных расходов, системные разработчики полагаются на более высокую коррекцию ошибок (FEC), которая может выдержать более высокое требование к ПМД. Тем не менее, штраф ПМД в когерентных системах остается функцией скорости бод и длины эквалайзера. Для сигнала 64 Гбо (например, 400G с 16-QAM) период символа составляет ~15,6 пс. DGD 30 пс вызывает значительный

Подходы к проектированию системы

На системном уровне PMD можно управлять, ограничивая количество конкатенированных пролетов, используя усиление Рамана для уменьшения количества встроенных усилителей (таким образом уменьшая общее накопленное DGD) и используя форматы модуляции, которые более устойчивы к PMD, такие как QPSK с двойной поляризацией (DP-QPSK), который имеет большую толерантность, чем 64-QAM. Другая стратегия заключается в использовании поляризации скремблирования на передатчике для усреднения эффектов PMD, но это эффективно только для аналоговых систем. Во многих дальнемагистральных развертываниях эмулятор PMD используется во время системной квалификации, чтобы гарантировать, что приемник может обрабатывать наихудший случай DGD (см. IEEE учебник по эмуляции PMD ).

PMD в современных высокоскоростных сетях

По мере того, как операторы развертывают 100 Гбит/с, 200 Гбит/с и 400 Гбит/с когерентные каналы по существующим унаследованным волокнам, PMD становится ключевым ограничением. Многие старые волокна с 1990-х годов имеют коэффициенты PMD от 0,5 до 1 пс/√км, что затрудняет поддержку высоких скоростей бод без значительного штрафа. Например, 100-километровое соединение такого волокна будет иметь среднюю DGD от 9,5 до 19 пс, уже вблизи предела для сигнала 32 Гбо. В этих случаях операторам может потребоваться заменить сегменты волокна, использовать компенсаторы PMD или принимать более низкие скорости передачи данных. Появление гибкой сетки (DWDM) и суперканалы также вводят зависимую от длины волны PMD, которая должна учитываться при проектировании многоносителей транспондеров. Подводные кабели особенно восприимчивы, потому что они охватывают тысячи километров и часто используют более старые волокна с более высокой PMD. Недавние достижения в смягчении PMD для подводных систем включают использование постоянных фазовых петлей и более мощных FEC с мягким решением (SD-

Еще одна новая проблема - PMD в неповторяющихся и межсоединенных каналах с центром обработки данных (DCI). Хотя эти линии короче (< 100 км), PMD из волокон более низкого качества и дополнительных компонентов (например, сплиттеров, WDM-фильтров) все еще может вызывать проблемы при 800 Гбит / с (112 Гбо), где период символа составляет всего ~ 9 пс. Системные вендоры теперь предоставляют спецификации PMD для приемопередатчиков, и многие из них включают адаптивное отслеживание PMD в своих DSP. Отраслевая тенденция заключается в том, чтобы больше полагаться на надежные DSP и FEC, а не на специализированное оборудование PMD, но PMD остается фундаментальным нарушением физического уровня, которое нельзя игнорировать.

Заключение

Дисперсия режима поляризации является сложным, но управляемым явлением в системах оптической связи. Она происходит от случайного двупреломления оптических волокон, приводящего к распределению импульсов и деградации чувствительности приемника. Шкалы воздействия с скоростью передачи данных и длиной канала, что делает PMD проблемой первого порядка для высокоскоростных сетей. Благодаря тщательному выбору волокон, передовому цифровому выравниванию в когерентных приемниках и статистическому распределению маржи системные архитекторы могут достичь надежной передачи даже при наличии значительного PMD. Поскольку скорость передачи данных продолжает увеличиваться до 1 Тб/с на канал, понимание и управление PMD останется необходимым для сетевых операторов для максимизации пропускной способности и минимизации отключений. Сочетание волокон с низким PMD, интеллектуальный DSP и мощный FEC обеспечивает надежную основу для будущих оптических систем.