光子学设计：进一步理解偏振模色散

本节需要的主题内容：

i）光纤中的偏振效应（本书3.9节）

ii）偏振解析（本书3.11节）

iii）光纤的色散（本书8.6.2节）

iv）光纤放大器（本书10.10.1节）

v）偏振本征模（本书3.8节）

vi）光纤的拍长（本书8.7节）

vii）庞加莱（poincare）球（本书8.7节）(www.xing528.com)

在本书3.9节已经看到，由于对光纤的横向压力和/或纤芯横截面的不圆度造成光纤结构并非理想的圆柱形均匀材料，导致光纤两种偏振本征模具有不同的相位和群速。本征模自身的偏振形式取决于施加在理想形式光纤上的扰动性质。

可以刻意使光纤产生应力或者形变（见本书3.9节），以便呈现出“高双折射性”（即本征模之间具有大的折射率差）。这类光纤具有特殊应用，其中一些将在下一章介绍。然而，在一种程度上，实际上所有光纤都与这种理想概念不同。即使做得非常精细和熟练，加工过程总会使光纤存在不圆度，并残留一定应力。

在加工高带宽通信光纤时，首先是要求单模（与多模不同）光纤，其次是要求光纤结构尽可能接近理想、无应力、真正的圆柱形。

提出上述要求的理由，首先是消除模态色散（单模光纤）；其次是保证群速对偏振态具有尽量小的依赖性，因为这种依赖性会引入另外一种限制带宽的色散效应。由于两种本征模的速度不同造成到达的时间顺序有差别，会使给定的脉冲扩散。正如之后就要看到，其结果是光纤造成脉冲变宽，并随光纤长度的二次方根增大，（在当前最好的光纤中）达到数量级。

使用共轴光学放大器（通常是掺杂铒光纤放大器），有希望建成有效长度超过10000km的光纤通信系统。如果使脉冲展宽只有比特周期（或位周期）的10%，就意味着，在对该距离和波长的需求日益增长、比特率超过10Gb/s情况下，偏振模色散（Polarization Mode Dispersion，PMD）将成为一个令人关注的问题。显然，脉冲相对于比特周期之间的时间扩散越厉害，对两个脉冲的识别就越困难，因此通信系统的误差率就越高，随之系统性能恶化越严重。

为了减小这种色散以寻求更高比特率的通信系统，必须更为详细地研究偏振模色散。