PMD prezentacja

Polarization Mode Dispersion
(Dyspersja Polaryzacyjna)
Mateusz Wielgosz
Plan








Dyspersja polaryzacyjna – przyczyny
PMD – ograniczenia dla transmisji
Pomiary PMD
Metody pomiarów (Macierze Jonesa)
Kompensacja PMD – wyzwania
Kompensacja PMD – metody
Kierunku badao i rozwoju
Źródła
Dyspersja polaryzacyjna
 Dyspersja modalna, wywołana przez różne prędkości propagacji różnych
polaryzacji fali w falowodzie.
 Powodowana eliptycznością rdzenia oraz dwójłomnością.
 Oba czynniki wynikają zarówno z procesu produkcyjnego, jak i z czynników
zewnętrznych – naprężeo różnic temperatur (cykl dobowy).
 Dyspersja polaryzacyjna rozszerza puls w sposób losowy i zmienny w czasie.
Ograniczenia dla transmisji
 Niedoskonałości powodujące dyspersję polaryzacyjną są losowe, czasem ją
pogłębiają, czasem redukują. Jest to odpowiednik „błądzenia losowego”
(„random walk”). Dlatego dyspersja ma wartośd proporcjonalną do pierwiastka
odległości.
  DPMD L
 ps 
DPMD 
 - parametr wynikający gęstości
 km 
i “siły” niedoskonałości.
Ograniczenia dla transmisji (c.d.)
 Jako, że przy wyższych prędkościach bit trwa krócej, PMD ma tam większe
znaczenie. Zjawisko nie było brane pod uwagę dwie-trzy dekady temu, gdy
przepływności były mniejsze.
 Power penalty:
 
  A
 MTb
M – symbol duration
Tb – bit duration
γ – power split ratio
A – coding parameter
2

  1   

Pomiary PMD
 W idealnych warunkach chcielibyśmy znad wartośd dyspersji w zależności od
długości światłowodu, oraz od długości fali optycznej. Nie zawsze jest to możliwe.
 Analityczne obliczenia prowadzone są w odniesieniu do okna częstotliwości fali o
ograniczonej szerokości.
 Stosuje się wektor PMD, zmienny w zależności od długości falowodu, długości fali
i czasu. Standardowo jedynie długośd światłowodu jest stała.
 Dodatkową komplikacją są zasadnicze różnice między zachowaniem zwiniętego
kabla w laboratorium i kabli w praktycznych instalacjach.
 W pomiarach używane są polaryzatory i polarymetry.
Metody pomiaru PMD
 Dyspersję polaryzacyjną można wyznaczyd autokorelację i korelację niespójnego
źródła. W interferometrze pojawiają się symetryczne prążki wokół centralnego,
wynikające z dyspersji. Ich odległośd pozwala wyznaczyd wartośd PMD.
 Metoda ta wymaga źródła o szerokim spektrum, co daje dobrą rozdzielczośd
czasową, ale nie pasuje do układów, gdzie PMD zmienia się wraz z długością fali.
Metody pomiaru PMD (c.d.)
 Wyznaczanie gęstości ekstremów (minimów i maksimów) oraz przejśd przez zero
(średnią wartośd). W niektórych badaniach używa się jej również do określenia
czy jesteśmy w short/long-length regime (czy dyspersja zmienia się liniowo, czy
wraz z pierwiastkiem odległości).
 Metodę cechuje niska rozdzielczośd przy zmiennym Δτ w dziedzinie długości fali.
Metody pomiaru PMD (c.d.)
 Badania wektora Stokesa na Sferze Poincare. Rotacja (pochodna po częstotwości)
jest wprost związania z opóźnieniem wywołanym dyspersją polaryzacyjną.
 Metoda obarczona błędami w okolicy głównych stanów polaryzacji (PSP Principal State of Polarization)
Metody pomiaru PMD (macierz Jonesa)
 Używamy macierzy przejściowych Jonesa. Mnożona przez kolumnę z
ortogonalnymi składowymi fali daje odpowiedź. Macierz wyznaczana jest z
odpowiedzi na trzy próbne sygnały (h,v,q), spolaryzowane równolegle do obu osi
oraz do dwusiecznej między ich dodatnimi kierunkami.
k1  h x / h y
k2  vx / v y
k3  q x / q y
k 4  k 3  k 2  k1  k 3 
k1 k 4
T  
 k4
k2 
1 
 Operując tą macierzą, jej odpowiedzią na PSP, oraz wartościami własnymi
macierzy można otrzymad poszukiwane Δτ.
Kompensacja dyspersji polaryzacyjnej
 Istnieje szereg metod kompensacji PMD. Każdorazowo za największy problem
uznaje się dryft charakterystyki dyspersji w czasie. Wymusza to dynamiczną
adaptację w czasie działania systemu.
 Bezpośrednią metodą kompensacji jest dostarczenie feedbacku od odbiorcy do
transmitera, który użyje PSP do minimalizacji PMD.
 Intensywnie eksplorowanym obszarem jest jednakże kompensacja optyczna po
transmisji. Kompensatory te mają zróżnicowaną złożonośd i skutecznośd.
Skomplikowane i wielostopniowe pozwalają na kompensację wyższego rzędu.
Kompensatory optyczne PMD (rodzaje)
o
o
o
o
o
o
PSP – pretransmission technique, dostosowuje SOP do PSP (2 DOF, regulujące SOP).
2DOF – kontroler polaryzacji i stałe opóźnienie.
3DOF – kontroler polaryzacji i zmienne opóźnienie.
4DOF – dwa kontrolery polaryzacji i dwa stałe opóźnienia.
5DOF – dwa kontrolery polaryzacji, stałe i zmienne opóźnienie.
Polarizer – kontroler i polaryzator (2 DOF, polaryzator zapewnia feedback)
Kompensatory optyczne PMD (działanie)
 Elementy mają swoje macierze Jonesa. Dobieramy je tak, by negowały wpływ
PMD. Innymi słowy konstruujemy je tak by uzyskad macierz odwrotną do T.
 Z reguły PC + delay z reguły są szybsze i łatwiejsze w realizacji niż variable delay.
Uznawane za korzystne w kodach z powrotem do zera.
 Polarizer jest metodą o niskiej skuteczności, lecz tanią.
 Porównując kompensatory bierzemy pod uwagę to w jakim stopniu redukują
poszerzenie pulsu i zmiany BER przy przerwach (odpowiednio wysoka dyspersja
spowoduje przerwanie transmisji)...
Porównanie kompensatorów
 PMD-enchancement to miara o ile
redukowane
jest
poszerzanie
impulsu
Compensator
1st order
PSP
2 DOF
3 DOF
4 DOF sub
5 DOF sub
4 DOF
5 DOF
Polarizer
NRZ
γ (dB)
4,2
4,3
3,5
4,8
4,4
4,7
5,5
6,0
1,5
RZ
γ (dB)
1,5
1,6
1,8
2,3
2,0
2,4
2,6
3,0
1,6
 Akceptowany poziom to taki dla
którego
prawdopodobieostwo
przerwy wynosi 10-3 (BER>10-12).
Compensator
1st order
PSP
2 DOF
3 DOF
4 DOF sub
4 DOF
Polarizer
NRZ
RZ
α (%) α (%)
36
31
36
32
36
33
43
35
45
33
49
43
23
22
Kompensatory elektroniczne PMD
 Istnieją również kompensatory elektroniczne.
 W tym typie kompensacja następuje po konwersji sygnału optycznego. Konieczne
jest wtedy stosowanie konwerterów koherentnych (IM/DD tracą informacje o
fazie, umożliwiające kompensację PMD)
 Dwa komponenty polaryzacyjne trafiają do kompensatora a następnie do dwóch
elementów decyzyjnych które interpretują sygnały z źródła.
Kierunki badao
 Zagadnienia PMD przy prędkościach od 100 Gb/s, 15 ps DGD.
 Wieloetapowe kompensatory (Multi-stage for high-order PMD mitigation).
 Kompensacja przez scrambling polaryzacji.
 Raman pump laser depolarizer.
 Liniowe kody typu polarization-time.
Źródła
1. H. Sunnerud, M. Karlsson, P. A. Andrekson “Analytical Theory for PMD-Compensation”
2. M. Karlsson, J. Brentel, P.A. Andrekson “Long-Term Measurement of PMD and Polarization Drift in
Installed Fibers”
3. H. Sunnerud, C. Xie, M. Karlsson, R. Samuelsson P.A. Anderekson “A Comparision Between Different
PMD Compensation Techniques”
4. N. Gisin, J. Von der Weid, J Pellaux “Polarization Mode Dispersion of Short and Long Single-Mode
Fibers”
5. C. D. Poole, N. S. Bergano, R. E. Wagner, H. J. Schulte “Polarization Dispersion and Principal States in a
147-km Undersea Lightwave Cable”
6. B. L. Heffner “Automated Measurement of Polarization Mode Dispersion Using Jones Matrix
Eigenanalysys”
7. O. Yurduseven “PMD Fundamentals and A General Review of PMD Compensation Techniques”
Backup
“There is no complete consensus about what first-order compensation really means.”
“It is generally believed that optical postcompensators with a polarization controller
(PC) and a variable time delay only can compensate the PMD to the first order. (…)
first-order compensation, from a mathematical point of view, is either aligning the
light along a PSP (the PSP method) or cancelling the PMD vector at the carrier
frequency.”