La dispersión por modo de polarización ( PMD ) es una forma de dispersión modal en la que dos polarizaciones diferentes de la luz en una guía de ondas , que normalmente viajan a la misma velocidad, viajan a diferentes velocidades debido a imperfecciones y asimetrías aleatorias, lo que provoca la dispersión aleatoria de pulsos ópticos . A menos que se compense, lo cual es difícil, esto limita en última instancia la velocidad a la que se pueden transmitir los datos a través de una fibra.
Descripción general
En una fibra óptica ideal, el núcleo tiene una sección transversal perfectamente circular. En este caso, el modo fundamental tiene dos polarizaciones ortogonales (orientaciones del campo eléctrico ) que viajan a la misma velocidad . La señal que se transmite a través de la fibra está polarizada aleatoriamente, es decir, una superposición aleatoria de estas dos polarizaciones, pero eso no importaría en una fibra ideal porque las dos polarizaciones se propagarían de manera idéntica (están degeneradas ).
En una fibra realista, sin embargo, hay imperfecciones aleatorias que rompen la simetría circular, provocando que las dos polarizaciones se propaguen con diferentes velocidades. En este caso, los dos componentes de polarización de una señal se separarán lentamente, por ejemplo, provocando que los pulsos se propaguen y se superpongan. Debido a que las imperfecciones son aleatorias, los efectos de propagación del pulso corresponden a una caminata aleatoria y, por lo tanto, tienen un diferencial de tiempo medio dependiente de la polarización Δ τ (también llamado retardo de grupo diferencial , o DGD) proporcional a la raíz cuadrada de la distancia de propagación L :
D PMD es el parámetro PMD de la fibra, típicamente medido en ps / √ km , una medida de la fuerza y frecuencia de las imperfecciones.
Las imperfecciones aleatorias que rompen la simetría se dividen en varias categorías. Primero, hay asimetría geométrica, por ejemplo, núcleos ligeramente elípticos. En segundo lugar, existen birrefringencias de materiales inducidas por estrés , en las que el índice de refracción en sí depende de la polarización. Ambos efectos pueden deberse a una imperfección en la fabricación (que nunca es perfecta o libre de tensiones) o a tensiones térmicas y mecánicas impuestas a la fibra en el campo; además, estas últimas tensiones generalmente varían con el tiempo.
Compensación de PMD
Un sistema de compensación de PMD es un dispositivo que utiliza un controlador de polarización para compensar el PMD en las fibras . Esencialmente, se divide la salida de la fibra en dos polarizaciones principales (generalmente aquellas con dτ dω = 0, es decir, sin variación de primer orden del retardo de tiempo con la frecuencia ) y se aplica un retardo diferencial para resincronizarlas. Debido a que los efectos de PMD son aleatorios y dependen del tiempo, esto requiere un dispositivo activo que responda a la retroalimentación a lo largo del tiempo. Por tanto, estos sistemas son caros y complejos; combinado con el hecho de que PMD todavía no es el factor limitante en las velocidades de datos más bajas que todavía son de uso común, esto significa que los sistemas de compensación de PMD han tenido un despliegue limitado en sistemas de telecomunicaciones a gran escala.
Otra alternativa sería utilizar una fibra que mantiene la polarización (fibra PM ), una fibra cuya simetría está tan rota (por ejemplo, un núcleo muy elíptico) que se mantiene una polarización de entrada a lo largo de un eje principal hasta la salida. Dado que la segunda polarización nunca se excita, no se produce PMD. Sin embargo, estas fibras presentan actualmente problemas prácticos, como pérdidas más elevadas que las fibras ópticas ordinarias y costes más elevados. Una extensión de esta idea es una fibra de polarización única en la que solo se permite que un solo estado de polarización se propague a lo largo de la fibra (la otra polarización no es guiada y se escapa).
Fenómenos relacionados
Un efecto relacionado es la pérdida dependiente de la polarización (PDL), en la que dos polarizaciones sufren diferentes tasas de pérdida en la fibra debido, nuevamente, a asimetrías. PDL degrada de manera similar la calidad de la señal.
Estrictamente hablando, no se requiere un núcleo circular para tener dos estados de polarización degenerados. Más bien, se requiere un núcleo cuyo grupo de simetría admita una representación bidimensional irreductible . Por ejemplo, un núcleo cuadrado o de triángulo equilátero también tendría dos soluciones de polarización de igual velocidad para el modo fundamental; estas formas generales también surgen en fibras de cristal fotónico . Nuevamente, cualquier imperfección aleatoria que rompa la simetría conduciría a PMD en tal guía de ondas.
Referencias
- Rajiv Ramaswami y Kumar N. Sivarajan, Optical Networks: A Practical Perspective (Harcourt: San Diego, 1998).
- Jay N. Damask, Óptica de polarización en telecomunicaciones (Springer: Nueva York, 2004)