Dispersión del modo de polarización

La dispersión por modo de polarización ( PMD ) es una forma de dispersión modal en la que dos polarizaciones diferentes de luz en una guía de ondas , que normalmente viajan a la misma velocidad, viajan a velocidades diferentes debido a imperfecciones y asimetrías aleatorias, lo que provoca una dispersión aleatoria de los pulsos ópticos . A menos que se compense, lo cual es difícil, esto limita en última instancia la velocidad a la que se pueden transmitir datos a través de una fibra.

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, es una superposición aleatoria de estas dos polarizaciones, pero eso no importaría en una fibra ideal porque las dos polarizaciones se propagarían de forma idéntica (son degeneradas ).

En una fibra real, sin embargo, existen imperfecciones aleatorias que rompen la simetría circular, lo que provoca que las dos polarizaciones se propaguen a velocidades diferentes. En este caso, los dos componentes de polarización de una señal se separarán lentamente, por ejemplo, provocando que los pulsos se dispersen y se superpongan. Debido a que las imperfecciones son aleatorias, los efectos de dispersión de pulsos corresponden a un paseo aleatorio y, por lo tanto, tienen un diferencial de tiempo medio dependiente de la polarización Δτ (también llamado retardo de grupo diferencial o DGD) proporcional a la raíz cuadrada de la distancia de propagación L :

$${\displaystyle \Delta \tau =D_{\text{PMD}}{\sqrt {L}}\,}$$

D _PMD es el parámetro PMD de la fibra, que normalmente se mide en ps / √ km , y es una medida de la fuerza y ​​la frecuencia de las imperfecciones.

Las imperfecciones aleatorias que rompen la simetría se clasifican en varias categorías. En primer lugar, está la asimetría geométrica, por ejemplo, núcleos ligeramente elípticos. En segundo lugar, están las birrefringencias del material inducidas por tensiones , en las que el índice de refracción depende de la polarización. Ambos efectos pueden deberse a imperfecciones en la fabricación (que nunca es perfecta ni está exenta de tensiones) o a tensiones térmicas y mecánicas impuestas a la fibra en el campo ; además, estas últimas tensiones suelen variar con el tiempo.

Un sistema de compensación de PMD es un dispositivo que utiliza un controlador de polarización para compensar la PMD en las fibras . Básicamente, 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 temporal con la frecuencia ) y se aplica un retardo diferencial para resincronizarlas. Debido a que los efectos de la PMD son aleatorios y dependientes del tiempo, esto requiere un dispositivo activo que responda a la retroalimentación a lo largo del tiempo. Por lo tanto, estos sistemas son costosos y complejos; sumado al hecho de que la PMD aún no es el factor limitante en las velocidades de datos más bajas que todavía se utilizan comúnmente, esto significa que los sistemas de compensación de PMD han tenido una implementación limitada en sistemas de telecomunicaciones a gran escala.

Otra alternativa sería utilizar una fibra de mantenimiento de polarización ( fibra PM ), cuya simetría se rompe de forma tan pronunciada (por ejemplo, con un núcleo altamente elíptico) que la polarización de entrada a lo largo de un eje principal se mantiene hasta la salida. Dado que la segunda polarización nunca se excita, no se produce dispersión de modo de polarización (PMD). Sin embargo, estas fibras presentan actualmente problemas prácticos, como mayores pérdidas que las fibras ópticas convencionales y un coste más elevado. Una extensión de esta idea es la fibra de polarización única, en la que solo se permite la propagación de un único estado de polarización a lo largo de la fibra (la otra polarización no se guía y se pierde).

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. La PDL también degrada 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 irreducible bidimensional . Por ejemplo, un núcleo cuadrado o triangular equilátero también tendría dos soluciones de polarización de igual velocidad para el modo fundamental; tales formas generales también aparecen en fibras de cristal fotónico . Nuevamente, cualquier imperfección aleatoria que rompa la simetría daría lugar a PMD en dicha guía de ondas.

• Rajiv Ramaswami y Kumar N. Sivarajan, Redes ópticas: una perspectiva práctica (Harcourt: San Diego, 1998).
• Jay N. Damask, Óptica de polarización en telecomunicaciones (Springer: Nueva York, 2004)

• Multiplexación por polarización óptica