高速光纖通信系統(tǒng)中PMD、PDL的測(cè)量技術(shù) 光纖通信自問世以來，因其通信容量大、傳輸距離長、重量輕、抗電磁干擾能力強(qiáng)，資源豐富、環(huán)保等優(yōu)越性，已成為當(dāng)今通信網(wǎng)絡(luò)的中堅(jiān)力量。在高速通信系統(tǒng)中，光纖通信因其傳輸穩(wěn)定性高，傳輸容量大，而得到了廣泛應(yīng)用。 近年來，隨著人們對(duì)通信帶寬需求的迅速增長，光纖通信骨干網(wǎng)上單通道傳輸速率一直在朝著高速率、大容量和長距離的方向發(fā)展。40Gb/s光纖通信系統(tǒng)的商業(yè)部署業(yè)已展開。國際上，上世紀(jì)末就已開始40Gb/s光纖通信的研究。美國Mintera公司成功地進(jìn)行了10000公里的40×40Gb/s WDM系統(tǒng)試驗(yàn)。2004年6月美國的MCI、Ciena和Mintera三家公司在MCI現(xiàn)有的1200公里通信線路上聯(lián)合進(jìn)行了40Gb/s WDM系統(tǒng)試驗(yàn)。2006年3月，日本電信公司和朗訊也聯(lián)合在東京地區(qū)進(jìn)行了40Gb/s的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。 “十五”期間，烽火科技等國內(nèi)4家單位共同承擔(dān)了國家“十五”科技攻關(guān)項(xiàng)目“40Gb/s SDH (STM-256)光纖通信設(shè)備與系統(tǒng)”，對(duì)40Gb/s SDH光纖通信系統(tǒng)及其關(guān)鍵光電子器件進(jìn)行了研發(fā)。取得了重大突破性進(jìn)展：成功研制了世界上第一個(gè)符合ITU-T標(biāo)準(zhǔn)的STM-256幀結(jié)構(gòu)的40Gb/s SDH設(shè)備。實(shí)現(xiàn)了在常用G.652和G.655光纖上560公里無誤碼傳輸，并通過了長期穩(wěn)定運(yùn)行測(cè)試。 在40Gb/s光纖通信系統(tǒng)部署之后，100Gb/s 乃至更高速率的系統(tǒng)商業(yè)化部署也將為期不遠(yuǎn)。但是，這些系統(tǒng)的部署在很大程度上受限于偏振模色散效應(yīng)。同時(shí)，其它影響光纖通信系統(tǒng)的因素也逐漸顯露出來，如光纖損耗、偏振相關(guān)損耗、非線性等。本文針對(duì)偏振模色散和偏振相關(guān)損耗的測(cè)量綜述了幾種簡單易行的辦法，并通過應(yīng)用實(shí)例介紹了Jones矩陣特征分析法和Mueller矩陣法的測(cè)量原理、方法及步驟，以解決相關(guān)損耗對(duì)光纖通信系統(tǒng)性能的影響。 偏振模色散PMD和偏振相關(guān)損耗PDL 1.偏振模色散（Polarization Mode Dispersion，PMD） 在理想圓對(duì)稱纖芯的單模光纖中，光的兩個(gè)正交偏振態(tài)具有相同的傳播速度，并且是互相簡并的。但實(shí)際上光纖總有某種程度的不完善，如在光纖制造工藝中，光纖纖芯的橢圓變形，或在使用過程中，光纖的扭曲、擠壓、環(huán)境溫度、電磁場(chǎng)、振動(dòng)等外界因素，使得偏振態(tài)之間不完全簡并，傳播常數(shù)不同，導(dǎo)致兩個(gè)偏振態(tài)的傳播速度不同。造成模式之間的差分群時(shí)延（Differential Group Delay，DGD）。這種現(xiàn)象就稱為偏振模色散，如圖1所示。
圖1 單模光纖中的偏振模色散 2. 偏振相關(guān)損耗（Polarization Dependent Loss，PDL） 偏振相關(guān)損耗定義為不同偏振態(tài)通過待測(cè)器件后最大功率與最小功率的比值。PDL指損耗特性與偏振態(tài)相關(guān)，不同偏振態(tài)的損耗不同，體現(xiàn)了一個(gè)器件對(duì)偏振態(tài)的敏感度，現(xiàn)已成為光纖通信領(lǐng)域的一項(xiàng)重要指標(biāo)。
3. 偏振模色散和偏振相關(guān)損耗對(duì)光纖通信系統(tǒng)的影響 日益增長的巨大信息傳輸需求推動(dòng)了網(wǎng)絡(luò)的不斷演進(jìn)，促使光纖通信系統(tǒng)的帶寬不斷增加，距離不斷延長。原本微小的PMD在信號(hào)的傳輸過程中不斷積累，對(duì)光纖通信系統(tǒng)產(chǎn)生了不容忽視的影響，損害了系統(tǒng)的傳輸性能，限制了系統(tǒng)的傳輸速率和距離。單模光纖中非均勻的折射率分布引起相互垂直的本征偏振模以不同的速度傳輸，它在模擬系統(tǒng)中產(chǎn)生高階畸變效應(yīng)和與偏振有關(guān)的損耗，導(dǎo)致非線性效應(yīng)。在數(shù)字通信系統(tǒng)中，造成脈沖失真變形，增大了碼間干擾，使誤碼率上升，從而降低了系統(tǒng)的傳輸距離，限制了系統(tǒng)的傳輸帶寬。在40Gb/s及更高速率的數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)中，PMD已成為限制系統(tǒng)性能的主要因素。 PDL對(duì)于光器件的表征至關(guān)重要，實(shí)際上，每個(gè)器件都表現(xiàn)為一種偏振相關(guān)傳輸。由于傳輸信號(hào)的偏振不僅僅是局限于光纖網(wǎng)絡(luò)之內(nèi)，因此器件的插入損耗隨偏振態(tài)而異。這種效應(yīng)會(huì)沿傳輸鏈路不可控制地增長，對(duì)傳輸質(zhì)量帶來嚴(yán)重影響。個(gè)別器件的PDL會(huì)在系統(tǒng)內(nèi)造成大的功率波動(dòng)，提高了系統(tǒng)的比特錯(cuò)誤率，甚至?xí)?dǎo)致網(wǎng)絡(luò)故障。結(jié)合PMD，PDL可能成為脈沖失真和擴(kuò)散的主要來源。 偏振模色散和偏振相關(guān)損耗的測(cè)量 當(dāng)光纖通信系統(tǒng)的傳輸速率越來越高，傳輸距離越來越遠(yuǎn)時(shí)，PMD及PDL已成為亟待解決的問題。對(duì)它們進(jìn)行實(shí)時(shí)有效的測(cè)量，是解決其對(duì)光纖通信系統(tǒng)影響的第一步。 1. 偏振模色散（PMD）的測(cè)量 PMD是在一定時(shí)間和波長范圍內(nèi)，或在指定波長的某個(gè)時(shí)間窗口上的平均時(shí)延，與時(shí)間相對(duì)無關(guān)，具有確定性。PMD的測(cè)量方法主要有Jones矩陣特征分析法、干涉測(cè)量方法和波長掃描法等。
應(yīng)用實(shí)例 以美國通用光電公司（General Photonics）的PSGA-101為例，說明Jones矩陣特征分析法測(cè)量PMD的方法與步驟。測(cè)試設(shè)備示意圖如圖2，一般包括可調(diào)諧激光光源（Tunable Laser Source，TLS）、被測(cè)器件（Device Under Text，DUT）、偏振態(tài)發(fā)生（Polarization State Generator，PSG）及偏振態(tài)分析（Polarization State Analyzer，PSA）。
圖2 測(cè)試設(shè)備示意圖
Jones矩陣特征分析法的特點(diǎn)是：測(cè)量精度較高，最小可測(cè)量的PMD達(dá)0.005ps，但測(cè)試速度較慢，且與波長相關(guān)，測(cè)試過程中光纖必須固定，不能移動(dòng)；該測(cè)試方法是實(shí)驗(yàn)室測(cè)試PMD的首選；同時(shí)也適合用于工程上光纖PMD測(cè)試的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用。 PSGA-101是一臺(tái)基于磁光偏振產(chǎn)生和分析技術(shù)研制出的高級(jí)偏振測(cè)量儀，如圖3所示，能精確測(cè)量光纖通信系統(tǒng)輸出光的偏振相關(guān)特性，并且可有效的實(shí)現(xiàn)偏振態(tài)發(fā)生與分析；偏振消光比（Polarization Extinction Ratio，PER）、PMD和PDL的測(cè)量等多項(xiàng)功能。當(dāng)輸入的光功率大于-10dBm時(shí)，PER的動(dòng)態(tài)范圍大于40dB，精度為±2°。PMD和PDL的測(cè)量范圍和精度在下面的具體應(yīng)用中進(jìn)行介紹。
圖3 PSGA-101 使用PSGA-101測(cè)量PMD時(shí)，測(cè)量設(shè)備如圖4所示?？刹捎闷鋬?nèi)部自帶的可調(diào)諧激光器（Internal Tunable Laser，TLA），也可采用外部的可調(diào)激光器（External Tunable Laser Source，TLS）。被測(cè)的光纖需要被固定住，否則光纖晃動(dòng)將影響偏振態(tài)，降低測(cè)量結(jié)果的精度。
圖4 PMD測(cè)量設(shè)備 使用PSGA-101自帶的可調(diào)諧激光器TLA時(shí)，它可用作獨(dú)立的光源，亦可連接PSGA的其它模塊來使用。它輸出的激光波長不能連續(xù)調(diào)諧，但包含覆蓋C波段的89個(gè)離散波長通道，波長范圍：1528~1563nm，通道最小間隔：50GHz。當(dāng)TLA輸出波長為1550nm，λstep=10nm時(shí)，PMD的分辨率為1fs，重復(fù)測(cè)量精度為2fs，測(cè)量范圍為2fs~10ps。使用外部的可調(diào)諧激光器TLS時(shí)，法國Yenista公司研制的TUNICS-T100S-HP可調(diào)激光器是最佳選擇之一。它是一款高性能的臺(tái)式可調(diào)諧激光光源，應(yīng)用于光纖測(cè)試系統(tǒng)等領(lǐng)域，如圖5所示。T100S-HP/CL最低具有150nm的波長調(diào)諧范圍，覆蓋C+L波段，1pm的波長分辨率；高達(dá)+10dBm以上的輸出功率，且具有極低的ASE噪聲，可實(shí)現(xiàn)高動(dòng)態(tài)范圍測(cè)量；無跳模的主動(dòng)控制，確保精確的無跳模操作以及在整個(gè)范圍內(nèi)準(zhǔn)確的波長掃描。當(dāng)T100S輸出波長為1550nm，0.01nm< λstep <10nm時(shí)，PMD的測(cè)量范圍達(dá)2fs~400ps，分辨率為1fs，重復(fù)測(cè)量精度為2fs。
圖5 TUNICS T100S-HP 2.偏振相關(guān)損耗（PDL）的測(cè)量 當(dāng)前主要有兩種PDL測(cè)量方法：確定性方法和不確定性方法。確定性方法是從DUT的Mueller測(cè)試矩陣中推導(dǎo)出PDL；測(cè)量DUT在一系列輸入偏振狀態(tài)下的傳輸屬性得到測(cè)試結(jié)果。非確定性方法則是測(cè)量DUT在大量輸入偏振狀態(tài)下的最大和最小傳輸值。
應(yīng)用實(shí)例 這里仍然以PSGA-101為例，說明Mueller矩陣測(cè)量PDL的原理。對(duì)于每一個(gè)在測(cè)量設(shè)備中指定的波長，通過測(cè)量DUT輸出光的偏振態(tài)得到DUT的Mueller矩陣。 如果DUT的Mueller矩陣為：
那么，PDL由下面的公式計(jì)算得出：
使用PSGA-101測(cè)量PDL的裝置與測(cè)量PMD的裝置相同，如圖4所示?？刹捎肨100S-HP作為PDL測(cè)量的光源。它輸出的激光不僅連續(xù)可調(diào)、相當(dāng)穩(wěn)定，而且具有波長掃描功能，掃描速度為1~100nm/s，非常適合用來測(cè)量光纖系統(tǒng)中的PDL。當(dāng)輸入光功率大于-10dBm時(shí)，PDL測(cè)量范圍為0~40dB，重復(fù)測(cè)量精度為0.02dB。 隨著時(shí)代的發(fā)展，人們對(duì)高速、大容量光纖通信系統(tǒng)的需求越來越高，特別是對(duì)速率高于40Gb/s的商用系統(tǒng)。然而，PMD與PDL限制了光纖通信系統(tǒng)傳輸容量和距離。這已成為目前國際上光纖通信領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)。要解決PMD與PDL對(duì)光纖通信系統(tǒng)的影響，就必須先對(duì)其進(jìn)行實(shí)時(shí)有效的測(cè)量，從而提出可靠的解決辦法。本文綜述了PMD與PDL的幾種測(cè)量方法，并通過應(yīng)用實(shí)例介紹了Jones矩陣特征分析法和Mueller矩陣法的測(cè)量原理、方法及步驟，為提出針對(duì)PMD與PDL影響光纖通信系統(tǒng)的補(bǔ)償方案奠定了基礎(chǔ)。 |
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