Dyspersja w trybie polaryzacyjnym
Dyspersja trybu polaryzacyjnego ( PMD ) jest formą dyspersji modalnej , w której dwie różne polaryzacje światła w falowodzie , które zwykle przemieszczają się z tą samą prędkością, przemieszczają się z różnymi prędkościami z powodu przypadkowych niedoskonałości i asymetrii, powodując losowe rozprzestrzenianie się impulsów optycznych . Jeśli nie zostanie to skompensowane, co jest trudne, ostatecznie ogranicza to szybkość przesyłania danych przez światłowód.
Przegląd
W idealnym światłowodzie rdzeń ma idealnie okrągły przekrój. W tym przypadku mod podstawowy ma dwie ortogonalne polaryzacje (orientacje pola elektrycznego ), które poruszają się z tą samą prędkością . Sygnał przesyłany przez światłowód jest spolaryzowany losowo, tj. przypadkową superpozycją tych dwóch polaryzacji, ale w idealnym światłowodzie nie miałoby to znaczenia, ponieważ obie polaryzacje propagowałyby identycznie (są zdegenerowane ).
Jednakże w realistycznym włóknie występują przypadkowe niedoskonałości, które łamią symetrię kołową, powodując propagację dwóch polaryzacji z różnymi prędkościami. W takim przypadku dwie składowe polaryzacji sygnału będą powoli oddzielać się, powodując np. rozprzestrzenianie się i nakładanie impulsów. Ponieważ niedoskonałości są losowe, efekty rozprzestrzeniania impulsów odpowiadają błądzeniu losowemu , a zatem mają średnią zależną od polaryzacji różnicę czasu Δ τ (zwaną także różnicowym opóźnieniem grupowym lub DGD) proporcjonalną do pierwiastka kwadratowego odległości propagacji L :
D PMD to parametr PMD włókna, zwykle mierzony w ps / √ km , będący miarą wytrzymałości i częstotliwości niedoskonałości.
Przypadkowe niedoskonałości łamiące symetrię można podzielić na kilka kategorii. Po pierwsze, występuje asymetria geometryczna, np. rdzenie lekko eliptyczne. Po drugie, istnieją dwójłomności materiału wywołane naprężeniami , w których sam współczynnik załamania światła zależy od polaryzacji. Obydwa te efekty mogą wynikać albo z niedoskonałości produkcji (która nigdy nie jest doskonała i pozbawiona naprężeń), albo z naprężeń termicznych i mechanicznych wywieranych na włókno w terenie – co więcej, te ostatnie naprężenia zazwyczaj zmieniają się w czasie.
Kompensacja PMD
System kompensacji PMD to urządzenie wykorzystujące kontroler polaryzacji do kompensacji PMD we włóknach . Zasadniczo dzieli się sygnał wyjściowy światłowodu na dwie główne polaryzacje (zwykle te, w których dτ dω = 0, tj. brak jest zmian opóźnienia czasowego pierwszego rzędu wraz z częstotliwością ) i stosuje się opóźnienie różnicowe w celu ich ponownej synchronizacji. Ponieważ efekty PMD są losowe i zależne od czasu, wymaga to aktywnego urządzenia reagującego na sprzężenie zwrotne nadgodziny. Takie systemy są zatem drogie i złożone; w połączeniu z faktem, że PMD nie jest jeszcze czynnikiem ograniczającym niższe szybkości transmisji danych, które są nadal w powszechnym użyciu, oznacza to, że systemy kompensacji PMD były stosowane w ograniczonym zakresie w wielkoskalowych systemach telekomunikacyjnych.
Inną alternatywą byłoby zastosowanie światłowodu utrzymującego polaryzację ( włókna PM ), którego symetria jest tak mocno zaburzona (np. wysoce eliptyczny rdzeń), że polaryzacja wejściowa wzdłuż głównej osi jest utrzymywana aż do wyjścia. Ponieważ druga polaryzacja nigdy nie jest wzbudzona, PMD nie występuje. Jednakże takie włókna mają obecnie problemy praktyczne, takie jak większe straty niż w przypadku zwykłego światłowodu i wyższy koszt. Rozszerzeniem tego pomysłu jest włókno o pojedynczej polaryzacji, w którym wzdłuż światłowodu może propagować się tylko jeden stan polaryzacji (druga polaryzacja nie jest prowadzona i ucieka).
Powiązane zjawiska
Powiązanym efektem są straty zależne od polaryzacji (PDL), w przypadku których dwie polaryzacje charakteryzują się różnym stopniem strat we włóknie, ponownie z powodu asymetrii. PDL podobnie pogarsza jakość sygnału.
Ściśle mówiąc, okrągły rdzeń nie jest wymagany, aby mieć dwa zdegenerowane stany polaryzacji. Wymagany jest raczej rdzeń, którego grupa symetrii dopuszcza dwuwymiarową nieredukowalną reprezentację . Na przykład rdzeń kwadratowy lub trójkąt równoboczny miałby również dwa rozwiązania polaryzacji o równej prędkości dla modu podstawowego; takie ogólne kształty powstają również we włóknach fotonicznych . Ponownie, wszelkie przypadkowe niedoskonałości, które łamią symetrię, prowadzą do PMD w takim falowodzie.
- Rajiv Ramaswami i Kumar N. Sivarajan, Sieci optyczne: perspektywa praktyczna (Harcourt: San Diego, 1998).
- Jay N. Adamask, Optyka polaryzacyjna w telekomunikacji (Springer: Nowy Jork, 2004)