基于光时域反射技术的偏振模色散测试

光纤通信由于具有传输频带宽、传输衰减小、信号串扰弱和抗电磁干扰能力强等优点，以及光纤的原料丰富、重量轻、易于敷设，加之光通信系统、器件、网络方面技术的提高，已成为国际国内的主要通信方式。单模光纤更是由于其传输损耗比多模光纤小，而广泛应用于光纤线路的铺设。在单模光纤中，传输着基模的两个相互垂直的偏振模式，若光纤横截面理想圆对称和理想使用情况下，这两个模式是相互兼并的，但由于光纤生产中造成光纤的圆不对称、内应力，成缆过程中形成的边应力、光纤扭曲以及使用过程中的压力、弯曲、环境温度变化等因素会使两模式发生耦合，两个模式之间有轻微的传输群时延，导致光脉冲展宽，从而形成偏振模色散\[1\]（PMD）。偏振模色散其实在光纤中是一直存在的，只是在低速率传输系统中对通信质量不构成影响。但随着光纤通信向高码速率、多信道、长距离和全光网络化方向发展，特别是40Gb/s高速光纤通信系统的应用，原来在数字和模拟光纤通信系统中不太被关注的偏振模色散，已经成为限制高速光纤通信系统传输容量和距离的主要因素。由于原先埋设的光缆线路没有考虑偏振模色散，则在高偏振模色散的光纤线路中使用高速通信系统将很困难，从经济效益考虑，如果全部更换光缆，那也是不切实际的，因此通过测试光缆线路的偏振模色散分布，更换高偏振模色散部分光纤，是充分利用现有线路的最佳选择。     2 传统PMD测试方法
    测试偏振模色散的方法有很多种，主要有干涉法(IF?the Interferometric method) 、斯托克斯参数测定法(SPE?Stokes Parameter Evaluation) 、固定分析器法［2］(FA?the Fixed Analyser method)和琼斯矩阵本征法［3］(JME?the Jones Matrix Eigenanalysis Method)等，这里简单介绍一下其测试原理和优缺点。
    干涉法测试原理是当光纤一端用宽带光源照射时，在输出端测量电磁场的自相关函数或互相关函数，从而确定PMD值。其优点是测试速度快，稳定，与波长无关，测试过程中光纤允许移动，并且设备体积小，适用于现场使用。缺点是测量精度较低，最小可测量PMD达0.03ps，不适合实验室使用。
斯托克斯参数测定法测试原理是在一波长范围内以一定的波长间隔测量出输出偏振态随波长的变化，通过琼斯矩阵本征分析和计算，得到PMD值。其优点是可测JonesMatrix，PDL等参数，测试精度高。缺点是需要精度良好的可调光源，测试部分需要与光源通讯，测量的是代表一个步进范围内的PMD值，测量时间长，仅用于实验室环境使用。
    固定分析器法又称波长扫描法，其测量原理是,当输入光偏振方向保持固定而波长变化时，输出光场主偏振态方向也会发生变化，通过一固定分析器（即检偏器）将偏振态（SOP）随波长的变化转化为具有峰谷起伏的输出功率随波长的变化，根据输出功率谱与群时延差的关系确定PMD值。其优点是测量的是波长范围内的PMD平均值，缺点是测量过程中需要调节光源的输出波长，测量时间长，难以现场使用。
    琼斯矩阵特征分析法是通过可调谐光源、被测件、偏振器和偏振计等从琼斯矩阵Jc数据中提取PMD值。其优点是测量精度较高，最小可测量的PMD可达0.005ps,适合实验室使用。缺点是测试速度较慢，且与波长相关，测试过程中光纤必须固定，不许移动。
这些测试方法有一个共同特点就是必须要端对端测试，对于现场使用则很不方便，因此这里介绍一种基于光时域反射技术的可单端测试偏振模色散分布的新方法。
    3 光时域反射技术
    光时域反射技术也称作后向散射法［4］，其主要特点就是单端测试和非破坏性测试。后向散射法测量原理与雷达探测目标的原理相似，就是发射具有一定重复周期和宽度的窄脉冲光注入被测光纤，光在光纤中传输时会产生散射现象，即在光纤中产生四面八方各方向的散射光。光纤的几何缺陷或断裂面（活连接点和冷连接点）会使折射率突变，产生菲涅尔反射，其中一部分向后传输的后向散射光和菲涅尔反射光可沿光纤传回到入射端。通过检测光纤的后向散射和菲涅尔反射光，根据后向光信号沿时间轴的幅度曲线可得到被测光纤线路的参数特性分布。
    这种技术已广泛应用于光纤测试的各个领域，如应用瑞利散射测试光纤损耗特性的普通光时域反射计（ＯＴＤＲ），应用布里渊散射测试分布应力的ＢＯＴＤＲ，应用拉曼散射测试分布温度的ＲＯＴＤＲ，我们也可以应用这种技术来测试光纤的偏振模色散。
    4 波长扫描偏振光时域反射计（Wavelength scanning POTDR）
    波长扫描POTDR与固定分析器法很相似，但它检测的是后向散射信号。用可调谐高功率脉冲激光器作光源，检测器就是普通高灵敏度的OTDR接收器。为提高仪器的测试动态范围，在可调谐激光器后接掺铒光纤放大器和声光调制器提升入射光功率。POTDR就是扫描在不同波长时的后向散射光功率与距离的对应关系。对于光纤上某点L，通过分析该点的后向散射光谱P(L,λ)可导出该点的PMD值。
    我们知道光在光纤中绕双折射轴传输时其偏振态的速率与光纤局部双折射系数β（光纤快慢轴的相对时延）有关。偏振态绕双折射轴旋转周期定义为拍长Lb，可通过公式（1）得到：Lb=λβc（1）其中λ表示入射光波长。例如，对于波长1550nm的光信号双折射系数为10ps/km，则对应Lb＝0.5m。如果光纤双折射只是线性的（非圆双折射），由于光在光纤中经过向前和返回的过程，用POTDR测得的后向散射信号波动周期应为0.25 m,后向散射信号的拍长等于Lb/2。因此波长扫描POTDR必须提供约为0.1m或更小的空间分辨率(LP)以分辨这种波动，则发射的光脉冲应为1ns或更小。而一般地，在可用动态范围内，OTDR无法提供如此高的空间分辨率。因此，波长扫描POTDR只适用于中低双折射光纤，但对高双折射光纤是很难解决的。
    下面提供一种使用偏振度统计方案来测量光纤的PMD，它是通过检测光纤的弱模式耦合来获得其偏振模色散的，使用这种方法可以测出很高PMD值的光纤。
    5 偏振度统计光时域反射计（DOP?statistics POTDR）
    对于给定长度l的光纤，其偏振模色散可由公式（2）\[5\]得到：PMD=λLbclh（2）对于N段光纤链路，其总的偏振模色散可由公式（3）得到：PMDtot=ΣNi=1PMD2i(3)公式（2）中的h表示耦合长度，定义为光能量在光纤中传输从一种模式（快或慢）转换为另一种模式所经过的距离。当h短时，在快慢轴有相当多的混杂，光纤总PMD与光纤长度的均方根l成正比。相反，如果h很长，光纤快慢轴是弱耦合，PMD值随l成线性增加。由于PMD随l积累很迅速，所以在快慢轴之间是弱耦合的光纤最可能显示高PMD值。因此，通过检测耦合长度h可以得到光纤链路大部分高PMD区域。
    为了得到光纤链路的h值分布，一个简单的办法就是在检测器前加一个偏光计，偏光计由一偏振片和λ/4波片组成（如图3所示），让λ/4波片和偏振片适当旋转以得到4条不同的曲线,这样可以重新得到偏光计的偏振态信息（4个斯托克斯分量S0,S1,S2,S3），S0是偏振度（DOP），它是计算耦合长度h的重要因素。由于使用的光源是半导体激光器，其DOP可近似等于1，沿光纤从某点开始返回的后向散射DOP也为1。但如果在POTDR方案中与距离对应的后向散射信号SOP变化太大，则测得的DOP将会变小(如Lb <LP)。因此与距离对应的被测DOP的值是随Lb和LP的比率变化的。对应POTDR宽脉冲（LP ?Lb），则会产生很强的去偏振现象，不过这很容易从耦合长度h的长短来区分。
    被测DOP的变化率的量化是通过对自相关函数（hDOP）的宽度计算来确定的，可以认为随着距离增加测得的DOP值变化较大。通过数字仿真，可以证明hDOP是正比于光纤耦合长度h的。所以通过对DOP的统计研究发现，光纤链路局部耦合长度h值很大，显示其PMD值也很高。
    6 结束语
    波长扫描POTDR和偏振度统计POTDR都可以实现单端测试光纤的PMD值，特别是偏振度统计POTDR对于光缆线路高PMD值分布测试是一很好选择。　

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