光子学设计基础：偏振模色散效果

在本书3.10节已经讨论过双折射现象（即不同的偏振态以不同速度在非对称介质中传播），在光纤通信系统中，将会导致形成偏振模色散（Polarization Mode Dispersion，PMD）。

为了简单化，只讨论与线性双折射有关的PMD现象，并根据当今的具体情况对基本想法进行适当的修改。

已经知道，电磁波是由与传播方向垂直振荡的电场和磁场组成。电场的振荡方向可以是垂直的，也可以是水平的（见图8.19）。假设，光纤芯截面不是圆形，而是椭圆（见图8.20a）。如果光纤中传播的光波的电场方向与椭圆长轴一致，就会以不同于与短轴时的速度沿光纤传播（见图8.20b）。显然，这两种情况的波导条件是不一样的，长轴分量传播要比短轴方向快。光纤的几何外形、材料成分及材料中的应力稍有偏离理想状态（见图8.20a），就意味着在不同方向振荡的波以不同的速度在传播。已经假设是线双折射，波振荡的方向与波的偏振有关，并且不同速度的影响称之为“偏振模色散”。光波在光纤中传播时，由于弯曲、缠绕、对光纤的外部压力及芯形状、成分和应力的随机改变都会在光波的传播中引起变化（见图8.21），所以很难控制光的偏振态。其结果是，光的偏振态及其PMD也随机变化。如果变化相当小和相当慢，就会导致脉冲在传播中随距离而被加宽，约1ps/km。尽管其影响相当小，但是当色散降到某个绝对最小值后便显得相当重要，并且在比特率超过约40Gb/s时就成为带宽的限制因素。其原因在于，该速率下PMD的展宽相对于脉冲的带宽变得越来越重要。一个明显减小PMD的方法就是尽可能使光纤在各个方面保持对称。这表明，必须非常认真地对待制造过程，理想情况下包括光纤丝的抽拉工艺也要连续监控其对称性。为了尽可能地使非对称性得到改善，在通过熔炉时就让粗加工成品快速旋转。

图8.18　波导色散

图8.19　线偏振光波

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图8.20　偏振模色散成分

图8.21　形成PMD的一些实际原因

的确，近代通信光纤中起主要作用的PMD是由线双折射效应所致。然而，一般也有一些圆双折射的成分。这就是说，真正的本征模是椭圆模，即具有相对延迟的那些模。以该模式传播的光如同线性方式在这些本征模分量之间分束，所以不会改变这类光纤的PMD原理。

对PMD的研究还在继续，但是，若企图增大现存线路的带宽（原本不是限制因素），与安装一套（光纤制造工艺已经得到改进）新线路相比，一定会有更多的问题出现。其原因在于最近对PMD重要性的认识。

本书10.10.5节将详细讨论PMD。