帶有光放大器的光纖鏈路中PMD測試方法

北京交通大學(xué)　李唐軍　簡水生



　　在單模光纖中，傳輸著兩個相互正交的線性偏振模式，若光纖橫截面理想圓對稱和理想使用情況下，這兩個模式是相互簡并的；但在實際情況下，由于生產(chǎn)中造成的光纖的圓不對稱、內(nèi)應(yīng)力等，成纜過程中形成的邊應(yīng)力、光纖扭曲等以及使用過程中的壓力、彎曲、環(huán)境溫度變化等因素造成單模光纖中這兩個模式之間有輕微的傳輸群速度差，從而形成（線性）偏振模色散（PMD）。PMD早在光纖問世時就已存在，包括前面提到的各類光纖中，只是由于當(dāng)時通信速率較低，偏振模色散還不足以影響系統(tǒng)傳輸，所以這個問題沒有引起重視。而近年來，隨著光纖通訊和色散補償方案的迅速發(fā)展，一些高速傳輸系統(tǒng)的傳輸速率已達到了幾十Gbit/s系統(tǒng)其傳輸距離也因PMD存在而不能太遠，因此PMD將成為限制高速光纖通信系統(tǒng)容量和距離的最終因素。目前PMD已成為國際上光通信研究的熱點，國際電信聯(lián)盟（ITU）目前也制定了PMD的有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。因此，為了了解帶有光放大器的光纖鏈路中的偏振模色散（PMD）的影響，為PMD補償提供第一手設(shè)計依據(jù)，必須研究帶有光放大器的光纖鏈路中的PMD測試方法。帶有放大器的光纖鏈路的特點是，由于摻鉺光纖放大器（EDFA）的“濾波作用”，被測試光纖線路光譜寬度窄于一般LED光源的光譜寬度；EDFA對測試光源的增益提高了測量儀表的動態(tài)范圍，可以測試的光纖長度很長，實際干線傳輸線路正是這種情況。因此要求測量儀器能夠測量這類窄譜寬，帶有中繼光纖放大器，強、弱模式耦合共存的長距離光纖鏈路的PMD。



　　根據(jù)帶有放大器的光纖鏈路的以上特點，我們認為國際電信ITU-T的G650建議中的固定分析方法（FA）、瓊斯矩陣法（JME）、偏振態(tài)法（SOP）和邦加球法（PS）比較適合帶有放大器的光纖鏈路的PMD測試，因為這些測試方法都采用或可以采用譜線寬度窄的可調(diào)諧激光器做光源。顯然，測試帶有光纖放大器、光纖光柵等窄帶器件，測試光源的譜線寬度越窄，測量分辨率越高，可觀測到更精細的PMD隨波長的變化。



　　本文在介紹FA、JME、SOP、PS測試方法的基礎(chǔ)上，給出了測試帶有放大器光纖鏈路PMD的測試結(jié)構(gòu)框圖，并進行了討論。



　　一、 邦加球法（PS方法）



　　PS方法是基于PMD的以下特點：DUT輸入固定的偏振狀態(tài)（SOP），則其輸出SOP（用S表示）在球面上形成一曲線軌跡，該軌跡是光頻率的函數(shù)，其單位角速度就是DGD，PS方法的原理圖如圖1所示。





　　其中P：偏振片。S滿足的方程為：



(1)



　　式(1)中是斯托克斯矢量，是偏振模色散矢量，是輸出偏振主態(tài)（PSP）， dt為DGD。PMD的效果可以看成是 沿 以速率 dq/dw = dt運動。當(dāng) 是常數(shù)時， 描述的軌跡是一個圓。



　　由于的幅度和方向隨機變化，一般來說該軌跡可以是任意形狀。盡管如此，圓的一段弧在局部上是分別對應(yīng)于一小段光頻率。對于當(dāng)和的方向一致時的一階( )情況，輸出SOP與頻率無關(guān)，這實際上正是輸出PSP的定義。



　　圖1給出了PS測量的原理圖。三個Stokes 參數(shù) ( 的分量)，表示邦加球面上的輸出偏振狀態(tài)，利用可調(diào)激光器和偏振器通過其隨光頻率變化的函數(shù)來測量。由該函數(shù)軌跡導(dǎo)出的單位角速度就是偏振模色散矢量，其模數(shù)就是DGD。



　　二、固定分析法（FA方法）



　　在固定分析儀法（也叫波長掃描方法）中，可調(diào)激光器與光功率計組成測試設(shè)備。從可調(diào)激光器發(fā)出的光在未進入光功率計之前，先通過帶有光纖放大器的被測光纖鏈路，再通過一個起偏器，如圖2所示。因此，S發(fā)射到線性偏振軸（如S1）的光（偏振光）是光頻率的函數(shù)。從原理上來說，除了只能獲得三個Stokes參數(shù)中的一個以外，F(xiàn)A與PS的測量方法相似。因此，可以通過測量各個頻率上的平均值來獲得S1從而得到PMD（或平均DGD），即可調(diào)諧光源所調(diào)諧的光頻率范圍內(nèi)S1的極值數(shù)目。





　　偏振模色散由下式確定：



（2）



　　其中：是三個斯托克斯參數(shù)的平均值，c是真空中的光速，k是模耦合系數(shù)——當(dāng)不存在模耦合時k=1,當(dāng)強模耦合時k=0.82，E為極值個數(shù)減1（包括兩端λ1，λ2處的極值），測量波長范圍λ1 < l <λ2 。



　　二、瓊斯矩陣法（JME）



　　瓊斯矩陣本征值技術(shù)測試系統(tǒng)如圖3所示。





　　可調(diào)諧激光器出射光經(jīng)偏振控制器成為園偏振光，經(jīng)準(zhǔn)直系統(tǒng)進入起偏器，起偏器分別產(chǎn)生0°、45°、90°偏振光，耦合進入被測光纖，實時偏振態(tài)分析儀測出3個斯托克斯參數(shù)，由斯托克斯參數(shù)計算每個波長的瓊斯矩陣響應(yīng)，對每一個頻率（波長）間隔，計算較高光頻瓊斯矩陣T(w+Dw)和較低光頻瓊斯逆矩陣T-11(w)的乘積，則偏振微分群時延差 由下式求得：



（3）



　　r1和r2是T(w + wD) T-1(w) 的復(fù)數(shù)本征值， Arg為幅角函數(shù)，Arg(heiq) = q. w = 2up 是光波角頻率，Dw是光波角頻率間隔。



　　三、 偏振態(tài)法（SOP法）



　　測試裝置與瓊斯矩陣本征值方法相同，如圖4所示。它采用可調(diào)激光器光源和偏振計，以相同的波長間隔實時跟蹤測量偏振波動，得出斯托克斯參數(shù)以后，出射光的偏振態(tài)（SOP）



　　



　　四、 幾種方法的比較



　　在測量帶有光纖放大器的光纖鏈路時，對比這幾種PMD測量方法，瓊斯矩陣法(JME)、邦加球法(PS) 、固定分析法（FA，也叫波長掃描）和偏振態(tài)法（SOP法）都是采用可調(diào)諧激光器作為光源，而JME法、PS法是通過確定光頻率的偏振模色散矢量來描述PMD。該矢量的幅度是群時延的微分(DGD)，其方向就是被測試光纖的主偏振狀態(tài)方向。PMD定義為DGD在光頻域內(nèi)的平均值或均方根值。瓊斯矩陣法、邦加球法要求測量出所有頻率偏振的輸出狀態(tài)，測得三個Stokes參數(shù)都是光頻率的函數(shù)，其中光頻率是用可調(diào)激光器和偏振器獲得，一般需要幾分鐘。而其中的瓊斯矩陣法需要進行矩陣和逆矩陣的運算以及本征值的求解，運算量相對其它3種方法大，在這四種測試方法中測試速度稍慢，但測量精度最高，兩種方法抗快速震動能力較差，當(dāng)測試OPGW一類高速震動的光纜時無法使用。另外2種PMD的測量方法是固定分析法和偏振態(tài)法，它們需要測量與光頻率有關(guān)的三個Stokes參數(shù)，其中光頻率是用可調(diào)激光器和偏振器獲得，由偏振光的極值數(shù)，確定PMD，測量速度較快，因此，抗外界干擾能力比Jones 本征矩陣分析法(JME)、Poincaré球面法 (PS)稍好，但相對于瓊斯矩陣法精度稍差。上述四種PMD測量方法根據(jù)其應(yīng)用各有優(yōu)缺點，互為補充。



　　干涉法由于使用LED或白光源作為測試光源，這類寬帶光源通過光纖放大器后光譜變窄，使得測試結(jié)果與真實情況相去甚遠，無法使用。



　　最近，加拿大EXFO公司報道了一種邦加球法與干涉法組合的改進的偏振模色散測試技術(shù)，它不但測量分辨率高，抗震動能力強，并能測量帶有光纖放大器的光纖鏈路的PMD。




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