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单模光纤PMD测试及不稳定身分

日期:2010年10月22日 08:43

单模光纤PMD测试及不稳定身分

涂昌伟 Tu Changwei

成都中住光纤有限公司

Chengdu SEI Optical Fiber Co., Ltd.

择要:

跟着光纤通信向大容量、宽带宽疾速开展,国内外光纤光缆厂家对单模光纤偏振色散研讨愈来愈多。本文次要对单模光纤PMD测试手艺和不稳定身分停止阐述,在海内许多文献提到单模光纤PMD测试随机不同很大,文中从发生随机双折射的内内部身分动手,分离尝试得出单模光纤PMD巨细次要由内部身分决议,内部身分影响较为有限的结论。

关键词:PMD、干预法、不稳定身分

Abstract: The fiber telecommunication have developed very rapidly about the great capacity and big bandwidth. In china, More and more fiber and optical cable’s company have researched the single-mode fiber Polarization mode dispersion(PMD). This article have discussed the single-mode fiber PMD measuring method and some single-fiber’s PMD instability factors. Many articles said that measuring in the different condition can get big difference single-mode PMD value. Here from birefringence of the single-mode fiber and some experimentation, we can get the conclusion that the value of single-mode PMD is determined mostly by the interior factors and the exterior factor influence the PMD value too but it’s very finity.

Key words: Polarization mode dispersion , Interference technique, Instability factors

光通信展对单模光纤测试提出新的要求

光纤通信是以激光光波作为旌旗灯号载体,以光纤作为传输序言的数字通信方法。与电缆通讯和微波通讯等电通讯比力,光纤通信除在传输中有传输频带宽、传输衰减小、旌旗灯号串扰弱和抗电磁滋扰能力强等长处,另外光纤的质料也十分丰硕、重量小、易于敷设,加上如今光通信体系、器件、网络方面日益开展成熟和完美。因而,在今朝的海内国际通信网已组成了一个以光纤通信为主,微波和卫星通信为辅的格式。

因为ITU-T G655光纤使用,光纤单信道传输速率到达40Gbit/s,光纤色散和偏振模色散曾经成为制约其长距离无中继传输开展的枢纽点,如今通讯体系也研制出许多色散和偏振模色散抵偿手艺,有的手艺曾经商用化。因而1997ITU-T版本中就引进了偏振模色散目标,1996年订定了ITU-T G655《非zero色散位移单模光纤光缆特性》,2000年订定的ITU-T G650 -2000/10系列尺度,响应尺度中对色散和PMD做了划定,我国国度标准化委员会也按照海内光纤通信开展需求,对色散和PMD订定在GB/T 9771.1~5响应尺度中,可见,色散和PMD也是如今光纤通信测试中愈来愈存眷的测试目标。

二.单模光纤的偏振模色散消费机理

(一)单模光纤的偏振概述

    跟着单模光纤在测试中应用技术的不断发展,特别是集成光学、光纤放大器以及超高带宽的非zero色散位移单模光纤即ITU-T G655光纤的普遍使用,光纤衰减和色散特性已不是制约长距离传输的主要因素,偏振模色散特性愈来愈遭到人们正视。偏振是与光的振动标的目的有关的光机能,我们知道光在单模光纤中只要基模HE11传输,因为HE11模由互相垂直的两个极化模HE11xHE11y简并组成,在传输历程中极化模的轴向传播常数βx和βy常常不等,从而形成光脉冲在输出端展宽征象。如下图所示:

               2-1    PMD极化模传输图

因而两极化模颠末光纤传输后抵达工夫就会不一致,这个时间差称为偏振模色散PMDPolarization Mode Dispersion)。PMD的襟怀单元为匹秒(ps)。光纤的PMD系数单元为

(二)单模光纤中偏振发生缘故原由

    光纤是各向异性的晶体,光一束光入射到光纤中被合成为两束折射光。这类征象就是光的双折射,假如光纤为幻想的状况,是指其横截面无畸变,为完好的真正圆,而且纤芯内无应力存在,光纤自己无蜿蜒征象,这时候双折射的两束光在光纤轴向传输的折射率是稳定的,跟各向同性晶体完整一样,这时候PMD=0。但实践使用中的光纤并不是幻想状况,因为各类缘故原由使HE11两个偏振模不能完整简并,发生偏振不稳定形态。

    形成单模光纤中光的偏振态不稳定的缘故原由,有光纤自己的内部身分,也有光纤的内部身分。

(1)      内部身分

惹起单模光纤中光的偏振态不稳定的内部身分,用内部双折射Bi暗示。内部身分凡是包罗两方面的内容:一是光纤横截面的几何畸变惹起的波导外形双折射BG;另一个是光纤内部的应力惹起的应力双折射BS。因而光纤的内部双折射为:

               

这里BGBS能够是同号,也有可能是异号。

a. 波导外形双折射

   在光纤拉丝历程中,由于种种原因不可能拉制出圆形的纤芯光纤,光纤纤芯的椭圆度使其发生波导外形的双折射。若光纤事情在近停止形态(V2.4),且当时,波导外形双折射为

                

时,则有

                   

式中,ab是纤芯椭圆的是非轴半径,Δn=n1-n2是芯与包层折射率差,K0=2πf/λ是自由空间的波数。

b.       应力双折射

    光纤是由芯、包层和涂履层数层构造构成的,它们各自的构成质料不一样,热膨胀系数不一样。因而,在横截面上即便有很小的热应力不对称,也会发生很大的应力不平衡,成果招致纤芯质料各向异性,从而惹起双折射。它的大小可按下式

          

停止计较。式中,Cp质料的相对光弹系数,σxσy分别是xy轴标的目的的内应力。

(2) 内部身分

    单模光纤受外界身分影响惹起光的偏振态不稳定,是用内部双折射暗示的。因为内部身分许多,内部双折射的表达式也不能完整统一。内部身分惹起光纤双折射特性变革的缘故原由,在于内部身分形成光纤新的各向异性。比方光纤在成缆或施工的历程中能够遭到蜿蜒、扭绞、振动和受压等机器力作用,这些外力的随机性能够使光纤发生随机双折射。另外,光纤有可能在强电场和强磁场以及温度变革的情况下工作。光纤在内部机器力作用下,会产生光弹性效应;在外磁场的感化下,会发生法拉第效应;在外电场的感化下,会发生克尔效应。所有这些效应的总成果,城市使光纤发生新的各向异性,招致内部双折射的发生。

    关于如上两种身分都能够使单模光纤发生双折射征象,但因为内部身分的随机性和不可避免性,以是在实践使用中人们非常重视对内部身分的掌握只管减小光纤双折征象。那么内部身分对光纤PMD影响水平如何呢?可经由过程前面尝试停止会商。

(三)减小光纤偏振的路子

为了减小光纤的偏振,不变光纤中光的偏振形态能够从两方面动手。一个是在光纤生产厂家对光纤内部采取措施,另一个是经由过程内部身分对偏振模色散停止抵偿。

    单模光纤中两个互相正交的偏振模HE11xHE11y,在传输的历程中发生的相位差δ次要取决于这两个偏振模间的传播常数差Δβ。因而,可想法在建造光纤的历程中使Δβ尽量低,即消费低椭圆率的光纤;另外一法子是消费旋光型光纤,在光纤拉丝时,快速地扭转预制棒大概动弹光纤,使光纤芯横截面的长、短轴拉丝炉的熔融区周期性变革。如许,两个偏振模在光纤中传输时,其相对相位时延可逐步抵消,从而到达减小传播常数差的目标。

    经由过程偏振模色散抵偿手艺对光纤链路PMD实施抵偿。

三.单模光纤中偏振模色散测试手艺

(一)常用的PMD测试办法

    跟着光纤通信手艺的开展,人们对气偏振模色散的研究工作愈来愈深化,究其缘故原由是光纤的偏振模色散对超高速光纤数字体系的传输机能有着不可忽视的影响。今朝广阔光纤、光缆生产厂家和电信用户都对光纤PMD作了较为深化的研讨,同时参照ITU-T订定了响应的企业尺度,归入了光纤性能指标的掌握范畴。

    国际电信同盟电信标准化部分ITU-T G6502000)和国际电工委员会尺度IEC619411999)中引见了单模光纤偏振模色散的界说和测量方法,划定了PMD的基准测试办法即斯托克斯参数测定法,还有替换测试办法即偏振态法与干预法。

(二)干预法测试单模光纤偏振模色散

    因为干预法丈量速度快,今朝市情上许多仪器生产厂家都以干预法为测试道理消费测试装备,它们共同点就是装备体积小,静态范畴宽,重复性较好,很合适在现场利用。因为干预法与偏振模耦合无关,适用于单盘短光纤和长光纤。

1)测试道理

关于偏振模色散差分群时延和偏振模色散系数界说式:

    a. 均匀偏振模色散差分群时延Pm

    均匀偏振模色散差分群时延是在光频范畴(v1~v2)内偏振态差分群时延的平均值,即:

           

式中v----光频次;v1v2------别离为频次范畴的上下限,单元为ps

   b. 偏振模色散系数

   偏振模色散系数用PMDc暗示。其表达式分两种状况:

弱偏振模耦合(短光纤):

                      3-1

强偏振模耦合(长光纤):

                   3-2

上式中:L----为被测光纤长度。

    干预法就是引见一种丈量单模光纤和光缆的均匀偏振模色散的办法。其测试道理为:当光纤一端用宽带光源照明时,在输出端丈量电磁场的自相干函数或相互关函数,从而肯定PMD。在自相干型干预仪表中,干预图具有一个响应于光源自相干的中心相关峰。丈量值代表了在丈量波长范围内的平均值。在1310nm1550nm窗口差别仪器都有必然的波长范畴。

    (2). 试验装置

    本尝试利用的是光纤参考通道Michelsom干涉仪,也是大多仪器厂家利用的一种办法,在其它尝试中也可用氛围参考通道。尝试安装图以下所示:

                 3-2 干预法测试PMD安装图

现别离对尝试安装叙说以下:光源:安装利用的是一偏振光源,本仪器利用的是一LED光源。光源中心波长在1310nm1550窗口范围内,有必然光谱带宽,不存在能够影响自相干函数的颠簸。偏振器:偏振器应对光源光谱范围内偏振。光束分离器:光束分离器用来将一束光分红两束光,使两束光别离在干涉仪的两个差别的臂中传布,它能够是一光耦合器。探测器:从被测光纤射出的光耦合至一只光探测器中,它应具有适宜的信噪比。探测器应具有斩波器/锁相放大器或相称手艺的同步探测手艺。数据处理器:本尝试的GAP PMD II是用一台笔记本电脑对测试数据停止自相干函数处置。

(三)尝试历程

   1)仪器的校准:GAP PMD II型仪器带有校准模块,要求测试在温度不变情况中停止,凡是校准模块有标定的PMD系数值,其输入端和光源的输出端相接,输出端和PMD阐发单位相接,调理光功率,到达-4dB以上方可停止测试,得出测试值和标定值比照,在划定的范围内。

   2 样品测试:把一盘25.3km单模光纤松绕在盘具上,留意光纤不能遭到任何大的蜿蜒和应力,用光纤连接器把光纤内端和光源相接,外端和光阐发单位相接,留意在连接器处不能有任何异物不然测试光功率会很低,招致信噪比低落不能准确测试光纤PMD。当光功率抵达-4dB以上时,进入测试停止测试参数设置,输入测试长度、光波长等,须要时停止镜面中心校正,使光功率最高峰移到坐标中央。这时候延时器对应的反光镜片在阐发单元中挪动,探测器获得的干预条纹经由过程光电转换输入到计算机停止函数自相干处置输出干预图样,数据处理由以下公式停止:

因为测试的是25.3km长度单模光纤,属于强偏振模耦合情况,处置时按照干预图样中图型宽度来肯定PMD群时延。这时候干预条纹很靠近。PMD群时延Δτ从干预图高斯拟合曲线参数δ获得:

                

式中:δ----高斯曲线标准偏差。在由公式   可得光纤的偏振模色散系数。

下图是一盘G652A单模光纤强偏振模干预图样:

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                         3-3   PMD干预图样

    测试中心波长为1550nmPMD时延值为0.47psPMD系数为0.094,干预条纹近似高斯散布,主峰两则散布平均,拟合数据较好。

四.单模光纤PMD不稳定身分

(一)         单模光纤内部参数与PMD干系

   由前面的单模光纤发生机理可知光纤纤芯的椭圆度能够发生波导双折射,光纤构成质料的膨胀系数不一致能够发生应力双折射。因为光纤芯层、包层和涂履层质料Cp值普通为定值,以是用尝试来做统计分析较难。上面是几样品数据是六盘25.3km单模光纤经由过程PK2400光纤几何参数测试仪测试光纤芯层直径圆度和用GAP PMDII测试光纤PMD所得数据:

:单模光纤芯层圆度和PMD数据

样品

 

测试次数

Corenoncirc(%)

PMD delayps

PMD coeff

样品1

 

5

1.39

0.35

0.07

样品2

 

5

1.97

0.18

0.037

样品3

 

5

2.21

0.26

0.053

样品4

 

5

2.58

0.98

0.194

样品5

 

5

2.72

0.39

0.08

样品6

 

5

3.83

0.56

0.112

              4-1 光纤芯层圆度和PMD干系

    对如上数据需求阐明的是:对每一样品的芯层圆度和PMD别离测试了五次,表中值为五次平均值,在尝试中,本人发明PK2400对光纤芯层圆度测试重复性不太幻想,假如海内偕行能找到精确测试光纤芯层圆度仪器,得出测试数据可信度更高。

    数据阐发:从图4-1能够看出,跟着芯层圆度增大,单模光纤PMD有增大的趋向,这和光纤PMD发生的内部身分较为符合。但尝试中也发明并不是芯层圆度大对应光纤PMD就大,阐明消费光纤PMD另一个身分的存期近应力双折射,因为光纤差别构成质料热膨胀系数不一致而使光纤芯层存在不对称横向应力,从而使光纤芯层发生双折射征象。以是作为光纤生产厂家应从光纤芯层圆度和光纤内部残存应力动手掌握光纤的PMD

(二)光纤内部身分与光纤PMD干系

因为光纤PMD是由光纤芯层晶体对光纤发生双折射惹起,在光纤光缆使用中能够对光纤芯层的双折射率改动是庞大的,目前国内许多文献对光纤内部身分包罗机器、电磁和温度等对光纤PMD能够发生影响停止了阐述。因为电磁和温度对光纤PMD影响较难用尝试来论证和阐发,上面次要经由过程尝试从光纤蜿蜒和改变两方面对单模光纤PMD影响停止阐发。

按照行标邮电光缆讨论盒尺度YD/T 814-1996要求光纤的最小曲率半径最小为37.5mm,本尝试中取37.5mm曲率半径和更加严厉的20mm曲率半径停止尝试。由国标光缆的机械性能实验办法(改变)GB7425-87要求100cm样品改变±360°停止改变尝试,这里取更加严厉的15cm长度范围内的单模光纤改变720°停止尝试。

以下为六差别光棒拉制的六盘25.3km样品光纤,在环境温度不变的情况下停止尝试所得数据,数据单元为

样品

 

一般

37.5mm

20mm

720°

最大偏向

最大偏向百分比

样品1

 

0.112

0.098

0.091

0.089

0.023

20.536%

样品2

 

0.046

0.045

0.037

0.046

0.009

19.565%

样品3

 

0.099

0.083

0.098

0.112

0.016

16.162%

样品4

 

0.078

0.089

0.095

0.07

0.017

21.795%

样品5

 

0.074

0.063

0.062

0.072

0.012

16.216%

样品6

 

0.15

0.134

0.125

0.16

0.025

16.667%

三种状况对应图表:

          4-2 单模光纤PMD37.5mm曲率半径下的干系图

          4-3 单模光纤PMD20mm曲率半径下的干系图

             4-4 单模光纤PMD与扭曲干系

    数据阐明:在做尝试中发明光纤PMD测试不确定度很大,为了减小测试偏差,对1~6样品每一样品每一尝试在划一的继续条件下测试五次,表中测试值为五次测试平均值。表中的最大偏向为三种尝试均值与一般测试均值最大差值绝对值,最大偏向百分比是最大偏向对一般测试均值的百分比。

   数据阐发:光纤在小半径蜿蜒和扭曲形态下,光纤PMD有必然的变革,尝试数据中最大变革百分比为21.795%。这个数据是在尝试条件比响应尺度更加严厉的条件下获得的,从测试绝对值看,单模光纤PMD次要由光纤自己决议,即内部身分非常重要。需求弥补阐明的是:海内偕行做过用同一盘光纤统一仪器统一耦合方法尝试,获得能够有±10%偏差,最大可达±20%,阐明如上21.975%最大误差并不是完整由蜿蜒和改变而至,思索仪器和测试办法缺点,实践对PMD影响应比21.975%低。

    在尝试中发明样品1256做宏弯时其PMD比正常值降落,样品34略有上升,能否光纤在小半径蜿蜒下PMD有降落的趋向呢?但从单模光纤PMD发生机理的理论依据无法得出这个结论,我们知道单模光纤两个偏振模HExHEy在光传输中并不是线性偏振,整个过程应是从线性椭圆椭圆→线性周期轮回偏振轨迹,因为内部蜿蜒或改变能够使周期拉长或收缩,从而改动两个偏振模抵达传输起点的时延差,但这个历程应是随机的,能够增大或低落。因为取样品是25.2km光纤厂家标段光纤,假如短光纤能够影响会有所变大。

结论

单模光纤PMD所有测试办法中,干预法是测试装备小、速度快十分有用有在线测试办法,在广阔光纤光缆工程中大量使用。

单模光纤PMD发生机理,有内部身分和来自内部施工和使用中不稳定内部身分,但光纤芯层椭圆度和内部不对称应力是招致两个偏振模HExHEy简并的主要因素,光纤生产厂家就从光纤芯层椭圆度和光纤不对称横向应力两方面掌握光纤PMD,固然有的光纤厂家用旋棒法拉丝,改动单模光纤偏振态和拍长来到达掌握光纤PMD目标。

 来自成缆施工对光纤蜿蜒、改变等内部身分对光纤PMD有必然的影响,但这类影响相对光纤自己PMD值比较小,以是在宽带工程使用中,应对光纤PMD停止测试挑选长短常有须要的。

参考文献:

1.       张金菊等,光纤通信道理 北京:中国人民大学出版社,1999

2.       Diafar K. Mynbaev  Lovell L. Scheiner, Fiber-Optic Communications Technology, Pearson Education,2002

3.       胡先志,刘泽恒等,光纤光缆工程测试 北京:人民邮电出版社,2001

4.       沈梁等,高速光通信体系中的色散成绩及其抵偿手艺的研讨,光纤通信,2002年第5期;

所属种别: 技术交流

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