Tán sắc mode phân cực PMD (Polarization - Mode Dispersion) là một đặc tính cơ bản của sợi quang và các thành phần sợi quang đơn mode trong đó năng lượng tín hiệu tại một bước sóng nào đó bị phân thành hai mode phân cực trực giao có vận tốc lan truyền hơi khác nhau. Nguyên nhân chính dẫn đến sự phân cực trực giao này là do cấu trúc không hoàn hảo của sợi quang, được gọi là sự chiết quang. Sự khác biệt về chiết suất sẽ sinh ra vận tốc mode khác nhau, vận tốc truyền của hai mode khác nhau nên thời gian truyền cùng khoảng cách là khác nhau gây ra trễ nhóm (GVD). Vì vậy PMD gây nên hiện tượng giãn rộng xung tín hiệu làm giảm chất lượng truyền dẫn. Về phương diện này ảnh hưởng của PMD cũng giống như ảnh hưởng của tán sắc ống dẫn sóng. Tuy nhiên vẫn có sự khác nhau, tán sắc ống dẫn sóng tương đối ổn định còn PMD trong sợi đơn mode ở bất kì bước sóng nào cũng không ổn định.
Sự giãn xung có thể được xác định từ thời gian trễ ∆T giữa hai thành phần trực giao trong khi truyền xung. Với sợi quang có độ dài L thì ∆T được tính như sau: 1x 1y ( 1) gx gy L L T L b b L b n n D = - = - = D (2.20) Trong đó: chỉ số phụ x, y dùng để phân biệt hai mode phân cực trực giao.
∆β1 được gắn liền với sự khác nhau trong vận tốc nhóm cùng với hai trạng thái chính của sự phân cực.
Sự liên hệ giữa vận tốc nhóm vg với hằng số lan truyền β được cho bởi công thức sau:
vg = (dβ/dω)-1 (2.21) Do vậy lượng ∆T/L chính là số đo của PMD. Đối với các sợi duy trì phân cực thì ∆T/L là hoàn toàn lớn (~ 1ns/km) khi hai thành phần phân cực được kích thích bằng nhau tại đầu vào sợi nhưng có thể bị giảm tới không bằng việc phát xạ ánh sáng dọc theo một trong các trục cơ bản.
Nhưng công thức (2.21) không thể dùng một cách trực tiếp để xác định PMD đối với các sợi quang tiêu chuẩn trong mạng viễn thông là do tính ghép ngẫu nhiên giữa hai mode được sinh ra từ sự xáo trộn ngẫu nhiên của lưỡng chiết xảy ra dọc theo sợi. Việc ghép có khuynh hướng làm cân bằng thời gian lan truyền cho hai thành phần phân cực dẫn đến giảm PMD. Trong thực tế thì PMD được đặc trưng bởi giá trị căn trung bình bình phương RMS của ∆T thu được sau khi lấy trung bình những xáo trộn ngẫu nhiên. Kết quả thu được như sau:
2 2 2[ ]
1
( ) 2( ) exp( / ) / 1
T z lc z lc z lc
s = Db - + - (2.22) Ở đây lc là độ dài tương quan được định nghĩa như là độ dài qua hai thành phần phân cực có mối tương quan, giá trị của nó có thể biến đổi trên dải rộng từ 1m đến 1km đối với các sợi khác nhau, giá trị đặc trưng ≈ 10m.
Đối với các khoảng cách ngắn như z << lc , σT = (∆β1).z từ công thức (2.22), như mong đợi đối với sợi duy trì phân cực. Đối với khoảng cách z > 1km, sự đánh
giá tốt nhất của xung mở rộng thu được sử dụng z >> lc. Cho độ dài sợi là L, σT được tính xấp xỉ thành: 1 ( ) 2 T l Lc Dp L s » Db º (2.23) Trong đó: Dp là tham số tán sắc phân cực với các giá trị tiêu biểu nằm trong khoảng Dp = 0,1 ÷ 1ps/(km)1/2. Do có sự phụ thuộc L1/2 nên sự giãn xung do PMD là tương đối nhỏ so với các hiệu ứng GVD. Tuy nhiên PMD có thể trở thành nhân tố giới hạn cự ly xa của các hệ thống thông tin sợi quang hoạt động trên các khoảng cách dài ở những tốc độ bit lớn. Ngoài ra trong một số trường hợp PMD có thể làm xuống cấp nghiêm trọng đặc tính hệ thống do giãn xung quá mức. Phương trình (2.22) giả thiết mối liên kết sợi có phụ thuộc vào sự phân cực và phụ thuộc vào sự mất mát. Sự phụ thuộc vào sự phân cực có thể làm mở rộng xung. Đồng thời những hiệu ứng trễ và PMD bậc cao ảnh hưởng tới tốc độ truyền bit cao (40Gb/s hoặc lớn hơn). Hiệu ứng PMD được loại trừ bằng bộ bù PMD.
Kết luận : Tán sắc gây ra những ảnh hưởng rất lớn đến các hệ thống thông tin quang tốc độ cao nói chung và hệ thống WDM nói riêng. Chúng làm hạn chế khoảng cách truyền dẫn cũng như tốc độ của hệ thống, thêm nữa chúng có thể gây ra lỗi bit, gây xuống cấp nghiêm trọng các đặc tính của hệ thống. Nhằm hạn chế và loại bỏ chúng, chúng ta cần phải áp dụng những phương pháp bù phù hợp để sao cho có thể bù được toàn diện nhất. Đối với các hệ thống WDM chúng ta cần phải chú trọng hơn hết đến các tán sắc bậc cao và tán sắc mode phân cực, chúng là những tán sắc chính gây ra những ảnh hưởng xấu đến chất lượng, cũng như đặc tính của hệ thống này. Chúng ta sẽ nghiên cứu các phương pháp bù tán sắc nói chung và ứng dụng các phương pháp bù tán sắc này vào trong hệ thống WDM ở chương 3.