利用potdr轨迹来评估光纤pmd的方法

专利名称：利用potdr轨迹来评估光纤pmd的方法
技术领域：
本发明一般涉及光纤，尤其涉及一种用于识别呈现出高偏振模色散 (PMD)的光纤的方法。
背景技术：
在现代化光纤传输系统的设计中，PMD是重要的因素。当一个数字 脉冲在网络中传播足够长的距离之后可能在时间域中展宽且变得无法与 附近的脉冲相区分时，PMD在光纤系统中的影响是明显的。因PMD导致 的脉冲展宽可以向数据传输引入差错，从而有效地限制了脉冲的传输速率 或连接光纤介质的最大距离。偏振模色散(PMD)可能是高数据速率光通信 系统的一个主要的限制因素，由此，它是光纤制造商密切监控的一个重要 的光纤属性。光纤PMD的一个糟糕的方面是，具有最高PMD值(有时候 被称为光纤PMD "离群值")的光纤决定了整个系统的性能。尽管光纤 离群值通常只占新制成光纤总数中非常小的百分比，但是这种光纤的影响 是非常致命的。具有显著高的PMD的单个光纤增大了 PMDq规格，这是 一个对光纤布局中最高的PMD非常敏感的参数。缆线工厂识别出的光纤 PMD故障也会给光纤制造商带来显著的经济损失。
在利用偏振光学时间域反射测定法(POTDR)检测带有高PMD的光纤 这一方面，已做出了一些最新的进展。参照B. Huttner、B. Gisin和N. Gisin 白勺"Distributed PMD measurement with a polarization-OTDR in Opticalfibers", J. Lightwave Technology, 17, 1843 (1999); X. Chen等人的"Method of evaluating fiber PMD using polarization optical time domain reflectometry" ， US2004/0084611; P. Fayolle等人的"Polarized Lightwave reflectometry method (POTDR)" ， US2004/0046995;以及S. Tanigawa等 人的"Optical fiber polarization-mode dispersion measurement method and measurement device" ， PCT/JP2003/009175。可以标识并除去带有高PMD 的光纤，使得可以确保光纤的PMD均一性并符合上述规格。然而，上述 已知方法的共同特点是，仅当光纤在足够长的长度上具有高PMD以准许 通过那些方案进行检测时它们才是有效的。但是，在非常局限的范围，用 于判断光纤PMD的度量常常显著地波动。期望一种测量方案能够在非常 局限的范围(或其内)甚至小到几米，检测主要的PMD故障，因为光纤 PMD的主要故障可能出现在非常短的光纤长度之内。在某些情况下，光 纤预制棒中在不同的预制棒制造步骤之间，检测出PMD故障且它们连成 气泡或直线(有时候被称为晶种)，这在用多个步骤制造具有复杂折射 率分布的光纤中更常出现，尽管在制造相对简单的阶梯折射率光纤时可能 出现相似的条件。因这种晶种而导致的高PMD的范围可能会沿光纤长度 有1米以上。发明内容本发明涉及一种用于测量光纤中的偏振模色散(PMD)的方法。可以对 光纤进行筛选以寻找可能沿光纤长度出现的高PMD。沿其纵轴，将辐射 发送或发射到一段光纤中。该辐射最好是一脉冲辐射，比如从激光源中发 射的脉冲辐射。然后，测量并分析来自所发射的辐射且通过光纤后向散射或往回反射 的辐射，以获得后向散射辐射的强度沿光纤长度的变化的相关信息。然后， 将这种强度变化与光纤中的偏振模色散关联起来，以便识别这段光纤中一 个或多个呈现出不同的和/或不可接受的PMD的区域，这种PMD指示PMD 缺陷。可以使用这种测量非破坏性地确定沿光纤长度的某一点处光纤的 PMD是否高于预定的阈值，而无需破坏该光纤。我们己经发现，通过发送线宽足够大的偏振光脉冲以引起光脉冲的后向散射轨迹的相当大的消 偏振，就像是PMD缺陷段使其陡然下降那样，我们便可以识别因一个或多个PMD缺陷所导致的具有高PMD的相对较短的光纤段，其中线宽越大， 就可以检测到较短光纤段中越低的PMD值，即可以检测到有缺陷的光纤 段越小的DGD。根据本发明，我们发现，在长度小于10米的一段较短的光纤中，可 以检测具有大于O.l ps的DGD值的PMD缺陷；在长度小于20米的一段 较短的光纤中，可以检测具有大于0.2ps的DGD值的PMD缺陷；在长度 小于50米的一段较短的光纤中，可以检测具有大于0.5 ps的DGD值的 PMD缺陷；并且在长度小于100米的一段较短的光纤中，可以检测具有 大于1.0 ps的DGD值的PMD缺陷。在一些实施方式中，约2.5 nm的线 宽被用于检测具有约1 ps的DGD值的PMD缺陷。在其它实施方式中， 约5.0 nm的线宽被用于检测具有约0.5 ps的DGD值的PMD缺陷。对于 具有不同光谱形状的不同脉冲，线宽的值可以不同。本文揭示了一种用于测量光纤中的偏振模色散的方法。该光纤具有一 纵轴以及沿该纵轴的长度。在一个方面，该方法包括(a)将第一偏振输 入光脉冲发送到光纤长度的第一端中，由此使第一后向散射光信号从光纤 的第一端出射；(b)通过实现第一后向散射光信号的偏振敏感测量，获得 与光纤长度相对应的第一后向散射强度轨迹；(c)将第二偏振输入光脉冲 发送到光纤长度的第二端中，由此使第二后向散射光信号从光纤的第二端 出射；(d)通过实现第二后向散射光信号的偏振敏感测量，获得与光纤长 度相对应的第二后向散射强度轨迹；(e)分析第一后向散射强度轨迹的强 度变化，其中该分析步骤包括在来自第一后向散射强度轨迹的滑动数据窗 口上分析强度变化，并且沿光纤长度纵向地移动该数据窗口，同时继续分 析该强度变化，由此产生第一强度轨迹变化，其中包括沿光纤长度的局部 强度变化的相关信息；(f)分析第二后向散射强度轨迹的强度变化，其中 该分析步骤包括在来自第二后向散射强度轨迹的滑动数据窗口上分析强 度变化，并且沿光纤长度纵向地移动该数据窗口，同时继续分析该强度变 化，由此产生第二强度轨迹变化，其中包括沿光纤长度的局部强度变化的相关信息；以及(g)通过确定在第二强度轨迹变化和第一强度轨迹变化之
间的差的绝对大小，产生与光纤长度相对应的绝对强度变化差轨迹。该方 法最好还包括步骤(h)，步骤(h)使绝对强度变化差轨迹与光纤中的偏振模色
散(PMD)分布关联起来。
使关联起来这一步最好还包括确定光纤中具有相对于其它部分更高 的PMD的那部分的位置和纵向边界。较佳地，第一和第二偏振输入光脉 冲足够深地穿透到光纤中，使得各个脉冲所历经的路径至少部分地重叠。 在较佳的实施方式中，滑动窗口具有O.l到5km的宽度。在其它较佳实施 方式中，滑动窗口具有0.5到2km的宽度。在一些较佳实施方式中，通过 调制一连续波光源的输出使得脉冲的带宽或线宽得到控制，产生了第一和 第二偏振输入光脉冲。
较佳地，第一和第二偏振输入光脉冲的偏振态与光纤的任一双折射轴 都不对齐。在一些较佳实施方式中，第一和第二偏振输入光脉冲都是线性 偏振的。在其它较佳实施方式中，第一或第二偏振输入光脉冲都不是线性 偏振的。
在一些较佳实施方式中，第一和第二偏振输入光脉冲具有介于5到 500 ns的脉冲宽度。
在较佳实施方式中，第一和第二偏振输入光脉冲具有一带宽，其中该 方法还包括控制第一和第二偏振输入光脉冲各自的带宽。
该方法可以还包括将具有大于0.5 nm线宽的第三偏振输入光脉冲 发送到光纤长度的第一端中，其中第一和第二偏振输入光脉冲具有不同的 偏振角，它们不是彼此的180度的整数倍，较佳地，第一和第二偏振光脉 冲的偏振角在取出180度的整数倍之后介于彼此的5到175度之间，即这 些偏振角的差值的角模数介于5到175度之间(比如185度的角模数是5 度，370度的角模数=370-2^80=10度，等等)，由此，使第三后向散 射光信号从光纤的第一端中出射；通过实现第三后向散射光信号的偏振敏 感测量，获得与光纤长度相对应的第三后向散射强度轨迹；分析第三后向 散射强度轨迹的强度变化，其中该分析步骤包括在来自第三后向散射强度 轨迹的滑动数据窗口上分析强度变化，并且沿光纤长度纵向地移动该数据窗口，同时继续分析该强度变化，由此产生第三强度轨迹变化，其中包括 沿光纤长度的局部强度变化的相关信息；通过确定在第二强度轨迹变化和 第三强度轨迹变化之间的差的绝对大小，产生与光纤长度相对应的第二绝 对强度变化差轨迹；以及使第二绝对强度变化差轨迹与光纤中的偏振模色 散(PMD)分布关联起来。
或者，该方法还包括将具有大于0.5 nm线宽的第三偏振输入光脉 冲发送到光纤长度的第二端中，其中第二和第三偏振输入光脉冲具有不同 的偏振角，其偏振角差值在取出180度的整数倍之后介于5到175度之间， 由此，使第三后向散射光信号从光纤的第二端中出射；通过实现第三后向 散射光信号的偏振敏感测量，获得与光纤长度相对应的第三后向散射强度 轨迹；分析第三后向散射强度轨迹的强度变化，其中该分析步骤包括在来 自第三后向散射强度轨迹的滑动数据窗口上分析强度变化，并且沿光纤长 度纵向地移动该数据窗口，同时继续分析该强度变化，由此产生第三强度 轨迹变化，其中包括沿光纤长度的局部强度变化的相关信息；通过确定在 第三强度轨迹变化和第一强度轨迹变化之间的差的绝对大小，产生与光纤 长度相对应的第二绝对强度变化差轨迹；以及使第二绝对强度变化差轨迹 与光纤中的偏振模色散(PMD)分布关联起来。
偏振敏感测量最好包括使后向散射光信号穿过起偏器并进入检测器。 在一个方面，本文揭示了一种用于测量光纤中的偏振模色散的方法， 该光纤具有一纵轴和沿该纵轴的长度。该方法包括(a)将具有大于0.5 nm
的线宽的第一偏振输入光脉冲发送到光纤长度的第一端中，由此使第一后 向散射光信号从光纤的第一端出射；(b)通过实现第一后向散射光信号的 偏振敏感测量，获得与光纤长度相对应的第一后向散射强度轨迹；(c)分 析第一后向散射强度轨迹的强度变化，其中该分析步骤包括在来自第一后 向散射强度轨迹的滑动数据窗口上分析强度变化，并且沿光纤长度纵向地 移动该数据窗口，同时继续分析该强度变化，由此产生第一强度轨迹变化， 其中包括沿光纤长度的局部强度变化的相关信息；以及(d)确定光纤的一 部分是否如所指示的那样具有高PMD，此处，在小于lkm的纵向距离中 绝对强度变化差轨迹改变了超过0.3 dB。该方法可应用于围着巻轴缠绕的光纤或缆线内所设置的光纤。该方法 还可应用于旋转(spun)光纤以及非旋转光纤。在另一方面，本文揭示了一种用于筛选高PMD光纤的装置。该装置 包括OTDR，用于产生具有大于5 nm线宽的光脉冲，该线宽若大于10 nm 则更佳；起偏器，它光耦合到OTDR以使光脉冲偏振，其中偏振的光脉冲 能够进入待测光纤的一端中；以及检偏器，以光学方式将其设置在光纤一 端与OTDR之间以便分析从光纤一端发出的后向散射光。在一些实施方式 中，该装置还包括连续波光源以及用于将来自光源的连续波光截成具有期 望脉冲宽度的光脉冲。在一些实施方式中，光源的线宽或带宽大于5nm。 在其它实施方式中，该线宽大于8 nm。在其它实施方式中，该线宽大于 12 nm。在一个实施方式中，该装置包括连续波光源；用于产生第一光 脉冲的OTDR;脉冲发生器，它光耦合到OTDR以便将光脉冲转换成电脉 冲；声光调制器(或声光单元)，它电耦合到脉冲发生器且光耦合到连续 波光源以便将连续波光分解成第二光脉冲，第二光脉冲所具有的期望线宽 大于从OTDR中发出的光脉冲的线宽；起偏器，它光耦合到声光调制器以 便使第二光脉冲偏振，其中偏振的第二光脉冲能够进入光纤的一端；以及 检偏器，以光学方式将其设置在光纤一端和OTDR之间以便分析从光纤一 端发出的后向散射光。该装置还包括声光调制器的控制器，用于调节第二 光脉冲的脉冲宽度。在较佳实施方式中，连续波光源包括第一EDFA(用 于单级放大)；以及具有第一线宽的第一带通滤波器，用于对第一EDFA 的输出进行滤波。第一EDFA可以光耦合到宽带光源或激光器或颤动的激 光源。在另一个较佳实施方式中，连续波光源还包括第二EDFA，用于 放大经滤波的第一EDFA的输出；以及具有第二线宽的第二带通滤波器， 用于对第二EDFA的输出进行滤波(用于两级放大)，其中经滤波的第二 EDFA的输出进入声光调制器。由此，我们发现，来自大线宽脉冲的后向散射强度轨迹能够分析光纤 中存在高PMD，此外，能够检测光纤中具有高PMD的那些长度相对较短 的段。我们发现，更高的脉冲线宽允许检测更低的PMD。即使当具有高 PMD的光纤段只有几米那么短时，该方法也是有效的。


图1示意性地示出了根据本发明的装置。图2以dB示出了光纤的强度轨迹的变化，这是用图1所示装置作评 估并且对照沿光纤纵轴的位置画出来的。图3示出了根据图2所示强度轨迹的变化而确定的绝对强度变化差轨迹。图4对于没有高PMD的另一光纤示出了两个强度轨迹变化及其绝对 强度变化差轨迹。图5示出了三个来自光纤的强度轨迹的变化，其中一个轨迹没有揭示 PMD缺陷的位置。图6示意性地示出了根据本发明的装置的另一个实施方式。图7对于在具有0.05 ps微分群延迟(DGD)的光纤部分之后的一光纤部 分示出了在三个波长处的强度演化过程。图8示出了图7的各种强度的积分强度。图9对于在具有1.07 ps微分群延迟(DGD)的光纤部分之后的一光纤部 分示出了在三个波长处的强度演化过程。图10示出了图9的各种强度的积分强度。
具体实施方式
在本文中，偏振敏感测量最好包括使后向散射光信号在进入检测器 之前先通过起偏器。用于连接光脉冲源和待测光纤的光路包括至少一个光学元件。在较佳实施方式中，非简并地修改光路的偏振状况包括相对于光路的方向，改 变光路中所设置的光学组件的取向角度，该光学组件被设置在光路中，其中偏振角变化的幅值不等于或大致不等于180度的整倍数。整倍数包括零 的倍数，所以偏振角的变化基本上不等于180度的整倍数，这包括基本上 不等于O度。在其它较佳实施方式中，第一和第二偏振输入光脉冲具有不 同的偏振角，两者之差在取出180度的整倍数之后介于5到175度之间。在一个实施方式中，通过在光路上的一个或多个位置使光纤的一部分弯 曲，便实现了光路的非简并修改。
在较佳实施方式中，相对于沿光纤长度的其它区域其可变性更低或更 高的那些区域被识别出来，由此识别出沿光纤长度具有更高或更低偏振模 色散的区域。例如，这是通过下列过程实现的分析一滑动数据窗口，其 中在该窗口上计算了标准偏差(最好按对数标度)；以及沿光纤长度纵向 地移动该数据窗口，以产生沿光纤长度的局部变化的相关信息。该分析步 骤最好包括相对于光纤长度，空间地解析该标准偏差。或者，可以使用 其它方法步骤来识别局部变化程度，比如在局部窗口内估计的局部最大-最小差。
本发明的方法和装置与先前用于测量PMD的方法相比有许多优点。 第一，通过使用本文所揭示的方法，可以沿光纤长度以非破坏性和分布的 方式来进行PMD测量。结果，这些方法可以被用于测试新制造的光纤以 及已安装在远程通信系统中的光纤。已经证明，本文所描述的方法对于旋
转和非旋转光纤产品都是有用和有效的。不再需要高空间分辨率OTDR， 超越了目前商用OTDR中可以买到的。通过使用本文所揭示的方法，可以 沿光纤长度测量光纤的PMD，而无需破坏它。通过使用本文所揭示的方 法，可以成功地分析大于15km长、大于25km长、甚至大于30km长的 光纤的PMD。
用于发射脉冲辐射并测量通过光纤的后向散射或往回反射的辐射的 较佳的源是光学时间域反射计(OTDR)。尽管OTDR已被用于测量光纤的 各种性质，但是它们最常被用于测量光纤衰减并识别光纤中出现断裂或不 连续的位置。通过此处所用的OTDR，我们意指这样一种设备，它能够向 光学波导光纤发射光线并且能够观察朝着检测器往回散射的一小部分光 线。典型的OTDR可以分辨沿光纤长度后向散射的辐射的强度。大多数 OTDR是通过下列过程实现这一点的将脉冲辐射发送到待测光纤中；以 及以给定时序测量后向散射的辐射。尽管典型的脉冲宽度可能介于0.5米 (5纳秒)到2000米(20微秒)，但是本发明最好使用介于约10到500 ns 的脉冲宽度，介于约50到200 ns之间则更佳。在一些较佳实施方式中，光脉冲具有大于0.5 nm的线宽。在其它较 佳实施方式中，光脉冲具有大于1 nm的线宽。在其它较佳实施方式中， 光脉冲具有大于2nm的线宽。在其它较佳实施方式中，光脉冲具有大于5 nm的线宽。在其它较佳实施方式中，光脉冲具有大于10 nm的线宽。线 宽是在低于峰值3dB处测得的。较佳地，OTDR是偏振OTDR，它是一种能够发射偏振辐射并能够分 析来自后向散射光的偏振辐射的OTDR。我们已发现，用较宽线宽光脉冲 评估光纤，会导致强度轨迹或特征的变化，这又导致在光纤上出现缺陷 PMD部分的那个轴向位置所对应的强度变化的下降，其中对于光纤的后 续部分而言(在测试脉冲的方向上)强度保持更低，不像已知的方法导致 轨迹的强度在没有上述缺陷PMD部分的那些位置明显上升。图1示出了在实施本发明的方法时适于使用的装置10，它包括光脉 冲源，比如发射器；以及光检测器。发射器和检测器可以是单独的组件， 或者可以被设置在OTDR 20中，OTDR 20能够产生激光脉冲并将其发送 到光波导光纤30中。OTDR能够通过光路40将一系列光脉冲注入到待测 光纤30中，并且OTDR 20还可以通过光路40检测来自光纤30同一端的 后向散射光以便从中提取信息。在本文中，光路是指输入脉冲朝着待测光 纤前进以及后向散射返回信号从待测光纤中出射所经过的路径。该光路包 括至少一个光学元件。OTDR 20可以是常规的OTDR (没有偏振敏感测量能力)或POTDR 装置(有偏振测量能力)。在图1所示实施方式中，两个光环行器50和 52以及两个起偏器60和62被设置在光路40中。光环行器50和52被配 置成引导OTDR 20所发射的初始光脉冲穿过起偏器62并且到达待测光纤 30，在后向散射光到达OTDR 20内的检测器之前还引导后向散射脉冲穿 过光路40的返回部分44中的检偏器60 (实质上也是起偏器)。注意到， 在所示的光环行器50和52中，只有端口 2允许光进入并出来。在所有其 它端口中，光的行进都是单向的。具体来讲，允许光线单向地从端口 l前 进到端口 2，并且从端口 2前进到端口 3。起偏器62和任选的波片72被 插入光路40的输入部分42中，并且起偏器(检偏器)60和任选的波片70被插入光路40的返回部分44中。如果POTDR被用于产生偏振脉冲， 则起偏器62也是任选的。进入待测光纤30的光脉冲具有大于5 nm的线 宽，并且在一些实施方式中大于10nm，并且在其它实施方式中介于5到 50 nm之间。
在本文所揭示的实施方式中，其它光学元件也可以被设置在光路40 中。例如，可以使用偏振控制器，以使发射到待测光纤30中的光量达到 最大。在光路40中，设置在起偏器之前的偏振控制器可以使光纤30中的 偏振态调整成入射到该起偏器。
在本文所揭示的实施方式中，进入待测光纤30中的光脉冲是偏振的， 并且后向散射光在被测量之前也是偏振的以实现偏振敏感测量。
设置装置10，使得进入待测光纤30的光脉冲相对于光纤的任何双折 射轴是非简并的。例如，通过改变光路中的一个或多个光学元件的偏振角， 比如改变起偏器62的偏振角，便可以实现光路40的偏振的修改。可以有 利地使用可旋转的起偏器，以改变偏振轴的角度。如果使用POTDR来提 供偏振脉冲，则也可以改变从POTDR中出射的脉冲的偏振角。另外，或 者，可以将一个或多个光学元件(比如任选的波片70和72)添加到光路 中，和/或可以从光路中除去一个或多个光学元件，以便修改光路的偏振。
示例1
利用图1所示光纤测试装置IO来测试12 km长的光纤，以证明本发 明的实施方式。光纤30的第一端31光耦合到光路40。从POTDR20中发 出的脉冲的脉冲宽度是100 ns。已知的OTDR通常提供介于lnm和2nm 之间的线宽。起偏器60和起偏器62的偏振角对于所有的测量而言都是固 定的。第一 POTDR轨迹的强度变化是通过下列过程来分析的在来自第 一POTDR轨迹的滑动数据窗口上，确定该第一POTDR轨迹的标准偏差； 以及沿光纤长度纵向地移动该数据窗口，同时继续分析强度变化，以获得 第一强度轨迹变化IOO，这在图2中可以看到。使光纤30的第一端31与 光路40分离开，使光纤30的第二端32 (相反的一端)光耦合到光路40， 并且获得了第二 POTDR轨迹。第一和第二 POTDR轨迹是在约1550 nm 处获得的。第二 POTDR轨迹的强度变化是通过下列过程来分析的在来自第二 POTDR轨迹的滑动数据窗口上，确定该第二 POTDR轨迹的标准 偏差；以及沿光纤长度纵向地移动该数据窗口，同时继续分析强度变化， 以获得第二强度轨迹变化102，这在图2中可以看到。如图2所示，轨迹100单独看来似乎表示在从3 km处开始并延伸到 更长的轴向位置(比如介于3到11 km)的光纤轴向位置处存在PMD缺 陷(光纤的缺陷部分)。轨迹100的最低强度约为0.14 dB。另一方面， 轨迹102单独看来似乎表示在从4 km处开始并延伸到更短的轴向位置(比 如介于0到4km)的光纤轴向位置处存在PMD缺陷(光纤的缺陷部分)。 轨迹102的最低强度约为0.14 dB。由此，对于单个轨迹(100或102)， 在小于1 km的光纤路径长度中强度轨迹变化100和102超过0.3 dB的变 化指明了光纤中缺陷性高PMD段的起始点。例如，当只有光纤的一端便 于测试时，或者当整个光纤长度是如此之长以至于POTDR脉冲没有从光 纤的每一端足够深地穿透以便充分覆盖所穿过的光纤路径时，根据本发明 的这一方面的光纤分析是有利的。例如，如果POTDR的动态范围和光路 设置是穿透到光纤中35 km并且期望分析50 km长的光纤，则分别从第一 和第二端向内射入的第一和第二脉冲将只覆盖中间20 km，但是来自一端 的轨迹可用于估计高达35 km。然而，总体来看，第一和第二强度轨迹变 化100和102在每一条轨迹中遇到光纤缺陷PMD区域的光纤长度位置边 界时都呈现出急剧的下降，此处，如图2所示，介于3禾口4km。我们已发 现，用从第一和第二强度轨迹变化推导出的差值轨迹，可进一步精确确定 光纤的PMD缺陷区域的位置。根据本发明的另一个方面，通过从第一强度轨迹变化100中减去第二 强度轨迹变化102，进一步分析强度轨迹变化100和102。通过确定第一 和第二强度轨迹变化100和102之差的绝对幅值，获得了如图3所示的绝 对强度变化差轨迹104。 g卩，在沿光纤纵向长度的相应点处，从第二强度 轨迹变化中减去第一强度轨迹变化(或反过来)。图3以dB示出了绝对 强度变化差轨迹104，它是对照沿光纤纵轴的位置而画出来的。沿光纤长 度在3和4 km之间，强度变化差轨迹104显示出显著的下降或急剧的转 变。在小于lkm的光纤中，出现了大于0.3 dB的绝对强度变化差轨迹的变化。
为了比较和验证，接下来对光纤进行破坏性测试以调查PMD质量。
起自3和4 km位置的一段42米的光纤被标识为具有高PMD，然后，将 42米长度进一步切割成14个3米长的段。利用Jones矩阵本征分析(JME) 方法(该方法用于光纤DGD的读数)，进一步进行直接的微分群延迟(DGD) 测量，DGD测量结果验证了该缺陷(缺陷性高PMD)对应于0.39 ps的 DGD，它被限定到6米长的光纤，就像沿该长度或沿光纤纵轴测得的那样。 由此，产生了沿光纤长度部分的局部强度变化的相关信息，并且该强 度变化显示出涉及到光纤中的偏振模色散(PMD)分布。测试光纤可以被用 于至少粗略地校准用于选出具有异常高PMD的光纤或光纤部分的阈值水 平。
再次参照图2，应该注意到，第一轨迹100在4km处下降到较低的值， 并且在沿光纤长度的更大距离上保持较低。根据一个或多个已知的PMD 评估方案，继续较低的值将表明，对于光纤长度超过4 km的其余部分， 该光纤具有异常高的PMD。然而，相比之下，通过揭示在大于4km的位 置处光纤PMD实际上具有较低的更可接受的PMD值，本发明提供了更准 确的光纤PMD的评估，在这种情况下，覆盖了用已知方法会把它当作有 缺陷的部分而丢弃的一大部分光纤。由此，本发明避免了这种用已知方案 可能遇到的错误结论。
我们也发现，对于我们已测试过的光纤而言，存在大于0.3dB的绝对 强度变化差轨迹值指明了该特定光纤的一些部分具有高PMD，并且该高 PMD部分位于绝对强度变化差轨迹104达到一低值之处(相对于该轨迹 其余部分而言)。我们也发现，绝对强度变化差轨迹104的值(光纤中到 处都是)小于0.15 dB指明了该特定光纤具有可接受的PMD。
示例2
图4示出了第一和第二强度轨迹变化110和112以及绝对强度变化差 轨迹114，这对应于在其长度上任何地方都具有小于0.1 ps/km'^的PMD的 光纤。在整个光纤长度上，绝对强度变化差轨迹104小于0.12 dB。
本发明的实现要求第一和第二偏振输入光脉冲的偏振角的取向并不与光纤的任何双折射轴对准。目卩，入射到待测光纤或具有高PMD的缺陷 光纤的光的偏振态不是线性偏振的，并且并没有与光纤的两个双折射轴之 一对准。在光纤上的入射光是线性偏振的且其取向与双折射轴之一对准的稀少事件中，若穿过高PMD光纤段的光线(不管涉及若干种波长)仍然 是偏振的，则高PMD的存在性可能是无法检测的，因此，显著的强度轨 迹变化下降将是观察不到的，这将导致错误的读数。这种可能性可以通过 下列过程而减小进行多次测量并且在每一次测量中将不同的偏振态发射 到光纤中；检测强度轨迹变化中任何急剧的转变并且忽略没有急剧转变的 轨迹，以便识别有缺陷的光纤或有缺陷的光纤段。通过非简并地修改光路 的偏振，比如通过改变光路输入部分中所设置的光学元件的取向角，便可 以获得不同的态，其中偏振角变化的幅值不等于或基本上不等于180度的 整数倍。整数倍包括零的倍数，所以偏振角的变化基本上不等于180度的 整倍数，这包括基本上不等于o度。由此，在一轨迹中出现显著的下降(大 于0.2dB，大于0.3 dB则更佳)往往指明了高PMD光纤段的存在，而没 有出现这种下降则应该被视为不确定的(没有出现PMD缺陷，或者脉冲 没有与光纤的双折射轴之一对准)。 示例3图5示意性地示出了从50 km长的光纤中获得的轨迹强度变化，通过图 1所示装置将第一、第二和第三偏振输入光脉冲发送到光纤的同一端中，其中 起偏器62被设为与第一、第二和第三偏振输入光脉冲相对应的三个不同的起 偏角0度、45度和-45度，获得了各个后向散射强度轨迹，并且分别获得了第 一、第二和第三强度轨迹变化120、 122和124。如图5所示，第一和第三轨 迹120和124表明PMD缺陷位于25 km的位置处，而从第二轨迹122中无法 确定这种位置。由此，两个强度轨迹变化正确地捕获了PMD缺陷的位置，而 一个轨迹错失了该位置，其中我们认为，入射到待测光纤上的第二光脉冲的 偏振态与光纤的两个双折射轴之一充分对齐。在一些较佳实施方式中，该方 法包括将三个不同的脉冲发送到光纤的第一端中，每一个脉冲都具有不同 的偏振态(例如，通过改变光纤的起偏器上游的偏振角而获得)；获得各个 后向散射轨迹；选择来自第一端的最低的下降轨迹；将三个不同的脉冲发送到光纤的第二端中，每一个脉冲都具有不同的偏振态；获得各个后向散射轨 迹；选择来自第二端的最低的下降轨迹；以及利用两个所选的轨迹来获得一 个差值轨迹，并且确定沿光纤长度该差值轨迹的绝对幅值。在较佳实施方式 中， 一种用于测量光纤中的偏振模色散的方法，该光纤具有一纵轴以及沿该 纵轴的长度，该方法包括(a)将多个第一偏振输入光脉冲发送到光纤长度的 第一端中，多个第一偏振输入光脉冲包括第一、第二和第三偏振输入光脉冲， 这些光脉冲在进入光纤的第一端时具有各自的偏振态，其中第一、第二和第 三偏振输入光脉冲的各个偏振态彼此不同，由此使多个后向散射光信号从光 纤的第一端出射，多个第一后向散射光信号包括与第一、第二和第三偏振输 入光脉冲相对应的第一、第二和第三后向散射光信号；(b)通过实现第一、第 二和第三后向散射光信号的偏振敏感测量，获得与光纤长度相对应的第一、 第二和第三后向散射强度轨迹；(c)将多个第二偏振输入光脉冲发送到光纤长 度的第二端中，多个第二偏振输入光脉冲包括第四、第五和第六偏振输入光 脉冲，这些光脉冲在进入光纤的第二端时具有各自的偏振态，其中第三、第 四和第五偏振输入光脉冲的各个偏振态彼此不同，由此使多个后向散射光信 号从光纤的第二端出射，多个第二后向散射光信号包括与第三、第四和第五 偏振输入光脉冲相对应的第三、第四和第五后向散射光信号；(d)通过实现第 四、第五和第六后向散射光信号的偏振敏感测量，获得与光纤长度相对应的 第四、第五和第六后向散射强度轨迹；(e)分析第一、第二、第三、第四、第 五和第六后向散射强度轨迹的强度变化，其中该分析步骤包括分析来自各个 后向散射强度轨迹的滑动数据窗口上的强度变化，沿光纤长度纵向地移动该 数据窗口，同时继续分析强度变化，由此产生第一、第二、第三、第四、第 五和第六强度轨迹变化，其中包括沿光纤长度的局部强度变化的相关信息； 以及(f)从第一、第二和第三强度轨迹变化所构成的第一组中，选择第一选定 的强度轨迹变化；(g)从第四、第五和第六强度轨迹变化所构成的第二组中， 选择第二选定的强度轨迹变化；(h)通过确定第二选定的强度轨迹变化和第一 选定的强度轨迹变化之差的绝对幅值，来产生与光纤长度相对应的绝对强度 变化差轨迹；以及(i)使该绝对强度变化差轨迹与光纤中的偏振模色散(PMD) 分布关联起来。较佳地，第一选定的强度轨迹变化是在第一组中具有最低强度的强度轨迹变化。较佳地，第二选定的强度轨迹变化是在第二组中具有最 低强度的强度轨迹变化。较佳地，各个偏振态彼此之间的差别是至少5度。图6示出了用于测试或筛选光纤30中的PMD的另一装置200。装置200 向待测光纤30提供光脉冲，这些光脉冲所具有的线宽大于装置200内所包括 的OTDR 220的线宽。装置200包括连续波光源210; OTDR 220，用于产 生具有给定脉冲宽度的第一光脉冲；脉冲发生器280，它光耦合到OTDR220 以便将光脉冲转换成电脉冲；声光调制器290,它电耦合到脉冲发生器280 并光耦合到连续波光源210以便将连续波光分解成具有期望的线宽的第二光 脉冲，该期望的线宽大于从OTDR220中发出的光脉冲的线宽；起偏器262， 它光耦合到声光调制器290以便使第二光脉冲偏振，其中偏振的第二光脉冲 能够进入光纤30的一端；以及检偏器或起偏器260，以光学方式将其设置在 光纤30的一端和OTDR 220之间以便分析从光纤30的一端中出射的后向散 射光。在本实施方式中的连续波光源210具有两级放大并且包括第一 EDFA 212、第一带通滤波器214，它所具有的第一线宽用于对第一EDFA 212的输 出进行过滤；第二EDFA216，用于放大第一 EDFA 212的经过滤的输出；第 二带通滤波器218，它所具有的第二线宽用于对第二 EDFA 216的输出进行过 滤，其中第二EDFA216的经过滤的输出进入声光调制器290。附着于声光调 制器290的声光调制器控制器292接收来自脉冲发生器280的电脉冲并且被 设置成将连续波截成具有指定脉冲宽度的光脉冲。在OTDR 220和待测光纤 30之间的光路中，提供了两个光环行器250和252以及两个起偏器260和262。 光检测器270被设置在光环行器252和脉冲发生器280之间。光环行器252 被配置成将从OTDR220中发出的初始光脉冲引导至脉冲发生器280，并在光 路的返回部分中将来自检偏器260 (实质上也是起偏器)的偏振后向散射脉冲 引导至OTDR220内的检测器。光环行器250被配置成将来自声光调制器290 的光脉冲引导至待测光纤30，并在光路40的返回部分中将来自待测光纤30 的后向散射脉冲引导至检偏器260。在光环行器250和252中，只有端口 2 允许光线进出。在所有其它端口中，光的行进都是单向的。具体来讲，允许 光线从端口 1单向地到端口 2，从端口 2单向地到端口 3。从OTDR220中输 出的光被首先转换成电脉冲序列，其时序与持续时间都与来自OTDR 220的光脉冲序列相同，由此驱动或触发脉冲发生器280。电脉冲序列被重构，以调制来自EDFA 216的两级放大的CW光，以便将其截成与原始光脉冲序列相 似或基本上相同的光脉冲序列，不同之处在于线宽更宽一些，这是受带通滤 波器214和218控制的。通过适当选择两个带通滤波器214和218，便可以获 得期望的光源线宽。起偏器262充当偏振控制器以便将偏振光发射到待测光 纤30中，使检偏器260在返回路径，分析后向散射光。使用这种配置，倘若 能够检测不太严重的PMD故障即用于更大线宽的较低PMD接受阈值，在较 低的DGD值处，可以使绝对强度变化差轨迹中开始有急剧的转变。尽管标准偏差可以在线性标度中进行计算，但是较佳地，在对数标度中 进行计算。滑动数据窗口的较佳大小是500到2000米。通过使该数据窗口沿 光纤长度方向滑动并连续计算沿光纤长度的标准偏差，我们产生新的一组数 据，称之为强度轨迹变化。窗口大小指明了计算该轨迹中一个数据点所用的 数据的宽度。更宽的窗口大小给出了很小的轨迹可变性。不需要或不期望被任何特定理论所限制，我们注意到，在线性双折射光 纤中偏振态周期性地演化，这种周期性可以用光学时间域反射计来观察。线 性双折射光纤(非旋转光纤)和旋转光纤都已得到描述。参照X.Chen、 T.L. Hunt、 M.-J. Li禾卩D. A. Nolan的"Properties of polarization evolution in spun fibers", Optics Letters Vol.28 (No.21) 2028-2030 (2003)。如POTDR所看到的 那样，归一化强度和位置的函数关系可以由下式来刻画/(z)=备(l + cos(2 x尸Z;證O)))对于线性双折射光纤以及理想化单波长POTDR(它所带的起偏器相对于 光纤双折射轴偏置了45度)这种简单情况，上述方程可以采用下列简单的形 式其中4是在波长A处光纤的拍长。实际OTDR的光源具有有限的带宽， 所以许多以^。为中心且半宽为A^2的波长对OTDR所看到的强度有贡献。总 的(积分的)强度与位置的函数关系可以由下列积分来描述= j"会g(几)(l + cos(2x P/zo e(z，几)))i义 其中g(^)是谱加权函数。我们相信，用于识别高PMD段的机理涉及到穿过具有高PMD光纤段的 光脉冲的谱消偏振。具有高PMD的段基本上是一段偏振维持光纤。具有一部 分相对较短的高PMD的光纤将包括低PMD光纤段，其后是较短的高PMD 光纤段，其后是另一个低PMD光纤段，其中每一段的双折射水平或PMD水 平是不同的。在该较短的高PMD段之后，两个主要的偏振态之间的相位延迟 可以被表达为下列形式2冗.c' z"。义 *其中phasea是上述两个偏振态之间在光纤中直到达到缺陷(导致高PMD) 的那一点所累积的相位差；phaseb是从具有高PMD的缺陷段(它可能具有相 当短的长度)的一端直到感兴趣的位置z所累积的相位差，T是该较短的光纤段的总DGD。对于高DGD值的r而言，^^这一项是高度依赖于波长的，因义为光源(比如OTDR中所用的那种)的线宽或带宽A;i具有有限的值，从而导致光 谱消偏振。商用OTDR的典型线宽值介于1和3 nm。在光谱消偏振机理的简化分析 中，如果在波长义-A义/2 (上述窗口的较低边缘)和波长A + zU/2 (上述窗口的较 高边缘)处的相位是180度或7T弧度的量级，则缺陷段以外的光纤的偏振波动将完 全被取消，我们称之为光谱去偏振。可导致上述窗口上有180度相移的DGD的值 一般可以通过下列方程来确定。其中C是其值在1这个量级上的数字。当带宽的两个边缘之间的相位差 是180度异相时，C取1这个值。即使分开AA的波长之间的相位差不完全异相 (分开180度)，也可以出现明显的光谱消偏振。因此，对于光谱消偏振的开始的 实际估计而言，C取小于l的值，比如0.3。光谱消偏振所需的实际线宽zU有可能 根据光谱加权函数g(W所描述的谱线形状而稍微改变。当光谱消偏振出现时，不管 对于高DGD短光纤段以外的剩余光纤而言PMD是多么低，在光纤中行进的光至少 是部分消偏振的。由POTDR来看，沿光纤的缺陷段和缺陷段之后的非缺陷段的光 强就像后向散射轨迹所确定的那样示出了较低的变化，而不管光纤PMD质量如何。 图2示出了这样的结果。由此，当使用较大的线宽A/l时，更小的T是可检测的，并 且甚至更低水平的高PMD的存在都可以被识别出。为了检测更小的选定的T(DGD)， 即为了检测产生更小PMD的缺陷，需要更大的线宽以便获得显著的消偏振，就像 后向散射轨迹中所看到的那样，这是由其DGD大于选定的DGD的PMD缺陷所触 发的。我们对两种情况建模，以示出光谱消偏振的效果。在第一种情况下，图7示出 了在1550nm处其拍长为30m的光纤的强度演化，其中假定OTDR的光源在以 1550nm为中心的5nm上具有平整的形状，所示光纤段被直接置于具有0.05 ps 微分群延迟(DGD)的光纤之后。图7示出了各个波长1547.5 nm、 1550 nm和 1552.5 nm的强度(300， 302, 304)，图8示出了图7的积分强度(306)。因为在 所示光纤之前累积的DGD是如此之小，所以与每一个波长相关的三个强度曲 线几乎都在彼此的顶部之上。强度的波长依赖性是较小的，使得所示光纤的 偏振演化行为是不受先前的光纤段的DGD影响的。在第二种情况下，图9示 出了在1550nm处其拍长为30m的光纤的强度演化，其中假定OTDR的光源 在以1550nm为中心的5nm上具有平整的形状，并且所示光纤段被直接置于 具有1.07 ps微分群延迟(DGD)的光纤之后，从而代表了光纤的缺陷PMD部 分。图9示出了各个波长1547.5 nm、 1550 nm和1552.5 nm的强度(310， 312， 314)，图10示出了图9的积分强度(316》因为在感兴趣的受检光纤(段)之 前有很大的DGD，所以由OTDR所看到的受检光纤的强度演化是依赖于波长 的并且是异相的。因此，当将它们加在一起形成积分强度轨迹时，局部的抵消出现了，并且所得的强度轨迹显示出低水平的调制深度。由此，主要的PMD 缺陷之后的那部分光纤将在一条轨迹中由连续的低强度水平变化来反映。
权利要求
1.一种用于测量光纤中的偏振模色散的方法，该光纤具有纵轴以及沿该纵轴的长度，所述方法包括(a)将第一偏振输入光脉冲发送到光纤长度的第一端中，由此使第一后向散射光信号从光纤的第一端出射；(b)通过实现第一后向散射光信号的偏振敏感测量，获得与光纤长度相对应的第一后向散射强度轨迹；(c)将第二偏振输入光脉冲发送到光纤长度的第二端中，由此使第二后向散射光信号从光纤的第二端出射；(d)通过实现第二后向散射光信号的偏振敏感测量，获得与光纤长度相对应的第二后向散射强度轨迹；(e)分析第一后向散射强度轨迹的强度变化，其中该分析步骤包括分析在来自第一后向散射强度轨迹的滑动数据窗口上的强度变化，并且沿光纤长度纵向地移动该数据窗口，同时继续分析该强度变化，由此产生第一强度轨迹变化，其中包括沿光纤长度的局部强度变化的相关信息；(f)分析第二后向散射强度轨迹的强度变化，其中该分析步骤包括分析在来自第二后向散射强度轨迹的滑动数据窗口上的强度变化，并且沿光纤长度纵向地移动该数据窗口，同时继续分析该强度变化，由此产生第二强度轨迹变化，其中包括沿光纤长度的局部强度变化的相关信息；以及(g)通过确定在第二强度轨迹变化和第一强度轨迹变化之间的差的绝对大小，产生与光纤长度相对应的绝对强度变化差轨迹。
2. 如权利要求l所述的方法，还包括使绝对强度变化差轨迹与光纤中的 偏振模色散(PMD)分布关联起来。
3. 如权利要求l所述的方法，其特征在于，所述使关联起来的步骤还包括: 确定光纤中相对于其它部分具有高PMD的那部分的位置和纵向边界。
4. 如权利要求l所述的方法，其特征在于，所述第一和第二偏振输入光脉 冲足够深地进入光纤中，使得各个脉冲所穿过的路径至少部分重叠。
5. 如权利要求l所述的方法，其特征在于，所述滑动窗口具有0.1到5km的宽度。
6. 如权利要求l所述的方法，其特征在于，通过调制连续波光源的输出产 生第一和第二偏振输入光脉冲，使得所述脉冲的线宽得到控制。
7. 如权利要求l所述的方法，其特征在于，所述光纤具有两个双折射轴， 并且第一和第二偏振输入光脉冲的偏振角的取向没有与所述两个双折射轴中 的任一个对齐。
8. 如权利要求6所述的方法，其特征在于，所述第一和第二偏振输入光脉 冲都是线性偏振的。
9. 如权利要求8所述的方法，其特征在于，所述第一和第二偏振输入光脉 冲都不是线性偏振的。
10. 如权利要求l所述的方法，其特征在于，所述第一和第二偏振输入光 脉冲都具有介于5和500 ns之间的脉冲宽度。
11. 如权利要求l所述的方法，其特征在于，所述第一和第二偏振输入光 脉冲各自具有一线宽，并且其中所述方法还包括控制所述第一和第二偏振输入 光脉冲各自的带宽。
12. 如权利要求l所述的方法，其特征在于，所述偏振敏感测量包括使 后向散射光信号穿过起偏器进入检测器。
13. —种用于测量光纤中的偏振模色散的方法，该光纤具有纵轴以及沿该纵轴的长度，所述方法包括-(a) 将第一偏振输入光脉冲发送到光纤长度的第一端中，由此使第一后向 散射光信号从光纤的第一端出射；(b) 通过实现第一后向散射光信号的偏振敏感测量，获得与光纤长度相对 应的第一后向散射强度轨迹；(c) 分析第一后向散射强度轨迹的强度变化，其中该分析步骤包括分析在 来自第一后向散射强度轨迹的滑动数据窗口上的强度变化，并且沿光纤长度纵向地移动该数据窗口，同时继续分析该强度变化，由此产生第一强度轨迹变化， 其中包括沿光纤长度的局部强度变化的相关信息；以及(d) 确定光纤的一部分是否具有在小于1 km的纵向距离中绝对强度变化 差轨迹改变了超过0.3 dB时所指示的高PMD。
14. 一种用于筛选高PMD的光纤的装置，该装置包括-连续波光源；用于产生第一光脉冲的OTDR;脉冲发生器，它光耦合到OTDR以便将光脉冲转换成电脉冲； 声光调制器，它电耦合到脉冲发生器且光耦合到连续波光源以便将连续波光分解成具有期望线宽的第二光脉冲，该期望线宽大于从OTDR中发射的光脉冲的线宽；起偏器，它光耦合到声光调制器以使第二光脉冲偏振，其中偏振的第二光 脉冲能够进入光纤的一端；以及检偏器，以光学方式将其设置在光纤一端和OTDR之间以便分析从光纤一 端中发出的后向散射光。
15. 如权利要求14所述的装置，其特征在于，所述期望线宽大于5nm。
16. 如权利要求14所述的装置，其特征在于，所述期望线宽大于8nm。
17. 如权利要求14所述的装置，其特征在于，所述连续波光源包括第一 EDFA和第一带通滤波器，第一带通滤波器所具有的第一线宽用于对第一EDFA 的输出进行过滤。
18. 如权利要求17所述的装置，其特征在于，第二EDFA用于放大经过滤 的第一 EDFA的输出，第二带通滤波器所具有的第二线宽用于对第二 EDFA的 输出进行过滤，其中经过滤的第二 EDFA的输出进入声光调制器。
全文摘要
揭示了一种利用偏振光学时间域反射计来筛选光纤偏振模色散的方法。将脉冲辐射发射到待测光纤的一端之中，后向散射辐射是用POTDR来测量的并且被用于获取OTDR轨迹。将脉冲辐射发射到待测光纤的相反一端，并且后向散射辐射是用POTDR来测量的并且被用于获取另一个OTDR轨迹。分析这两个轨迹中的任一个或两者都分析，以便比较沿光纤长度的信号强度变化，信号变化涉及沿光纤长度的PMD。
文档编号G01J4/00GK101292145SQ200680039118
公开日2008年10月22日 申请日期2006年8月14日 优先权日2005年8月31日
发明者N·A·赫里欧, X·陈 申请人:康宁股份有限公司