专利名称：单模光纤中极低偏振模色散(pmd)的高分辨率测量方法和pmd测量仪的校准方法
本申请是共同未决专利申请的分案，该专利申请系列号为No.08/445,320，于1995年5月19日申请，这里作为参考。
本发明涉及光纤测试的一种方法，更确切地说，本发明涉及在单模光纤中，以高分辨率测量偏振模色散(PMD)值的方法。
单模光纤用在特别长的距离上传送大量信息。为保持这种传输的良好质量，要消除失真。然而，不可能从传输媒质中消除所有形式的失真。因此，必须测定失真，以确定传输煤质最大信息容量的适当值，或确定处理失真的最满意方式。对光纤通信系统，误码率是决定系统信息负荷量的最重要指标。光纤色散引起的脉冲增宽，是使误码率增大的诸多因素之一。使用单模光纤，消除了模色散，但并未消除色散，即偏振模色散，这是一种带宽限制效应，在用于光通信系统的所有单模光纤中，都不同程度地存在。因此这是光通信系统中信号失真的潜在根源。
一般来说，本专业有各种熟知的偏振模色散测量仪，特别是总部设在Virginia州Arlington市的电信工业联合会试行标准中所指定的仪器。这些标准包括光纤测试方法FOTP-113，它用波长扫描测量单模光纤的偏振模色散；FOTP-122，它用琼斯矩阵本征分析法测量单模光纤的偏振模色散；FOTP-124，它用干涉计量法测量单模光纤的偏振模色散。偏振模色散测量仪的操作及规程在这些标准中有详细描述。
还有一种特别的现有技术电路装置，在R.Jones的美国专利No.4,750,833中有描述，在此作为参考。偏振模色散测量手段包括周期计数法，时间脉冲方法，相对相位方法或琼斯矩阵本征分析法，在后面还要详细讨论。例如，Jones叙述了光纤中测量色散的一种已知方法。Jones特别描述了测量传输中的色散，如色散或偏振色散的相对相位方法及仪器。被第一频率调制的光源，与一传输参量在第一值与第二值间较低频率来回往复的变化同步，这一传输参量例如是光源波长或偏振态。第一调制信号与通过待测光纤的光之间的相对相位用相位检测器测量。锁定放大器把相位检测器的输出与较低频信号比较，给出表示色散量为直流输出。
另一种测量光纤色散的方法是测量时间差。琼斯矩阵本征分析法把DGDΔλ作为波长函数加以测量，这里DGD通常叫作微分群延时，而PMD则表达成＜Δτ＞λ。Jones描述的相对相位方法及仪器已被证明在分辨率上优于时间差测量法。
测量光纤偏振模色散的其他已知方法，包括干涉计量法，琼斯矩阵本征分析法，波长扫描(WS)周期计数法、及WS付里叶法。干涉计量法用低相干性光源和一台迈克尔逊干涉仪或马赫-曾德尔尔干涉仪，在时域上观察时间分布的自相关函数的输出，光纤的偏振模色散可从这些数据中得到。干涉计量法受所用宽带光源相干时间的低端限制，其典型值是0.15微微秒。
琼斯矩阵本征分析法用偏振仪测定瞬时偏振传输状态，表示为有两个本征态的琼斯矩阵，该两个本征态称为偏振的主态(PSP)。测量琼斯矩阵随波长的变化从而测得各个PSP，可以确定各PSP间不同的延时。在特定扫描波长内求延时的平均，以确定光纤的偏振模色散值。琼斯矩阵本征分析法受偏振测量精度的限制，其分辨率达0.01微微秒。
WS周期计数法及WS付里叶法，两者都用线偏振光源，利用通过光纤的光功率传输，还在光检测器前放一检偏器。光纤产生一个振荡图形，其振荡频率与偏振模色散有关。在WS周期计数法中，对给定波长区间内对完整振荡计数，由计数的数目确定偏振模色散。WS周期计数法所受限制是，在扫描波长内最小为三个周期，典型值是0.09微微秒。在WS付里叶法中，用付里叶变换对振荡图形作频率分析，以确定波长扫描下的偏振模色散。付里叶法波长扫描中受最小为一个周期的限制，典型值是0.03微微秒。
现有技术的一个重大缺点是，测量结果的杂散响应使偏振模色散值的确定受到不利影响，从而使偏振模色散值产生偏差。
本发明的一个目的是提出一种方法，它以低于0.1微微秒的高分辨率测量偏振模色散值，可用于例如以每秒5吉比特或更高速率运行的传输系统中光纤的测量。
本发明还有一个目的，是提出一种测量偏振模色散值的方法，其值介于0.01微微秒与0.1微微秒之间，该方法可与WS付里叶法及干涉计量法一起使用。
本发明还有一个目的，是使用一个双折射或波长特殊人造体，使偏振模色散从零点位移，产生人造体的一个增宽偏振模色散峰，以便改善光纤中极低的偏振模色散值的检测和确定。
本发明还有一个目的，是通过对增宽的人造体峰合适的数据处理方法，以确定光纤的偏振模色散。
本发明还有一个目的，是提出一个校准方法，它使用一双折射或波长选择器件，校准波长扫描偏振模色散仪。
按照本发明提出的一个方法，它在偏振模色散测量仪内插入一稳定的已知偏振模色散值的人造体，并使光源的光相继地通过待测光纤及此人造体以改善偏振模色散的测量。此人造体使偏振模色散测量仪所测的整个偏振模色散从零点位移，因而消除测量中任何偏振模色散的杂散(近于零)响应的不良影响。光纤的偏振模色散便能从测得的偏振模色散数据，经适当数据处理而精确地确定。此人造体还可用于波长扫描偏振模色散仪的校准。
本发明能以高分辨率测量偏振模色散，其分辨率比现有技术的相对相位或时间测量系统所能达到的分辨率至少高一个数量级，可能高两个数量级。
本发明在操作的安排及方式两方面，都可参照附图(未按比例)进一步了解，附图包括
图1至图4，关于这些图的说明如下。
图1以方框图表示按照本发明的偏振模色散测量仪，它利用了马赫-曾德尔干涉仪。
图2以方框图表示按照本发明另一个实施例的偏振模色散测量仪，它适合与波长扫描付里叶分析(WS付里叶)一起使用。
图3a是现有技术的偏振模色散测量仪的时间对偏振模色散值曲线。
图3b是本发明的偏振模色散测量仪的时间对偏振模色散值曲线。
图4是应用本发明校准一台偏振模色散仪的方框图。
图1与图2是两台高分辨率偏振色散测量的偏振模色散测量仪方框较，高分辨率偏振色散测量是本发明的主题。图1表示使用干涉计量技术的一台偏振模色散测量仪，而图2表示使用波长扫描付里叶分析(WS付里叶)技术的另一台偏振模色散测量仪。
图1中，偏振模色散测量仪有一光源10，它可以是发光二极管(LED)，如图所示，或在供选择的另一个实施例里，是超萤光光源(未画出)。偏振模色散测量仪有一起偏器12，它作用于来自光源10的入射光，送出偏振光。与起偏器12相连的分束器14把偏振光分束，一束在第一光路16中传输，另一束在第二光路18中传输。第二光路包含延时线20，使光传输延时。延时线20可以调整，以改变第一与第二光路16与18间的相对光学延时。如图所示，延时线20是本专业熟知的马赫-曾德尔干涉仪。分束器22接收沿第一与第二光路18和20传送的光，并把光送至人造体28。
人造体28是一个产生已知的、稳定的偏振模色散的器件。人造体28将保证偏振模色散测量仪在特定时间值T上有一干涉峰，图3b已最恰当地画出。在图1所示实施例中，人造体是一个双折射器件，它可以是双折射波片，双折射光纤或其他双折射器件。时间T是快偏振模与慢偏振模间的时间差，或简单地说就是人造体28的偏振模色散。本发明中，人造体28的作用是使仪器测得的整个偏振模色散从零点位移，以便从测量中消除任何杂散(在零点附近)的偏振模色散响应的影响，如图3b所示。
待测光纤26从人造体28接收光。人造体28与待测光纤26间的联接对本专业是众所周知的，它可以包括一个透镜系统，一个与单模光纤尾纤对接的接头或折射率匹配耦合。但是，本发明的内容不打算受人造体28与待测光纤26是任何特定排布的限制。例如，在图1中，人造体28放在待测光纤26之前，而在图2，人造体60则放在待测光纤56之后。也可以采用迈克尔逊干涉仪中规定的这一种结构。
光纤26的输出被送至检偏器30，检偏器30观测偏振的两个主正交态间的干涉，并把检偏后的信号送至检测器32，此信号代表着偏振态与功率的关系。检测器32把光信号转换为电信号。在别的方法中，也可以用偏振计。锁定放大器34是一个同步相位电压计，它把斩波或调制的光信号解调，供信号处理之用。计算机36提供电子信号处理及设备控制功能。干涉的特征与延时线20的延时设定之间关系，用一标准的计算机36确定并贮存。
图2表示本发明的另一个实施例，其中偏振模色散测量仪有一人造体60耦合到待测光纤56的输出。在图2中，光源50把光送至起偏器52，通过接头54耦合进侍测光纤56。接头58把待测光纤56的输出耦合到人造体60。检偏器62分析光的偏振态，用光谱分析器或单色仪64测量偏振透射对光波长的关系。计算机68执行付里叶分析及设备控制功能，并执行偏振模色散的计算。
人造体60产生已知的、稳定的偏振模色散。它将保证偏振模色散测量的输出在特定时间T上有一已知峰。图2的实施例中，人造体60可以是一双折射器件，它可以是一双折射波片、双折射光纤或其他双折射器件。时间T是快偏振模与慢偏振模间的时间差，或简单地说就是人造体60的偏振模色散。在其他供选择的实施例中，人造体60也可以是反射或透射器件，它给出已知的、稳定的随波长作正弦变化的功率响应，代表着该人造体的插入损耗谱。两种人造体的一个例子是包括干涉仪在内的法布里-珀罗标准具。功率对波长的正弦响应给出在时间T的一个表现偏振模色散峰，对应于人造体已知的、稳定的插入损耗谱。
比较图3a与图3b两曲线，说明本发明添加的人造体28(图1)或人造体60(图2)如何极大地改进图1与图2所示偏振模色散测量仪的分辨率。在图3a和3b两个图中，横轴是时间，纵轴是偏振模色散值。如图所示，杂散响应用虚线画出，测量结果用实线画出。当偏振模色散值接近零时，有许多效应产生的误差比偏振模色散值还大。这些杂散响应来自光损耗及其他光学缺陷或光源的相干性。这类响应给出的结果与低数值的偏振模色散混合在一起。从而使偏振模色散值产生偏差。如图3a所示，在现有技术的偏振模色散测量仪中(没有人造体28或60)，通过计算特征信号(实线)的宽度，例如均方根宽度来定出待测光纤的偏振模色散。但是，杂散响应与测量结果混在一起，使偏振模色散值产生偏差。
与此截然不同，本发明的偏振模色散测量仪，其基本偏振模色散特征信号，经人造体28或60的作用，从零点移至时间T，如图3b所示。杂散响应没有与测得的色散互相影响。如图3b所示，在计算测量峰的宽度，如均方根宽度时，杂散响应并不影响偏振模色散的测量。
图4表示按照本发明，对偏振模色散进行校准。光路中不包含待测光纤。光路中包含人造体106，它接收宽带光源100经起偏器102通过接头104送来的光。接头108把人造体106的输出耦合到检偏器110，检偏器110的输出送测量装置112分析，测量装置112包括光谱分析器或单色仪和计算工具114，计算工具114按照对图2所作说明中相关原理工作。人造体104把测得的偏振模色散从零点位移。测得的偏振模色散与人造体104的偏振模色散已知值作比较。比较结果可用多种方法加以评估。于是图4系统被校准，输出一个与人造体104已知值对应的特定电信号。此外，这一操作还提供了最新的方法用于制造厂校准或定期的野外标准。这一方法也可用在WS付里叶法和WS周期计数测量法，这些测量方法前面已讨论过。
再者，还有供波长扫描法用的校准技术，该技术用波长透射或反射器件作人造体。在此情况下，根据对图2所说明的原理，偏振模色散仪在时间T产生一个偏振模色散的特征信号，此信号等价于人造体稳定的已知插入损耗谱。上述技术可以使熟悉本领域的人员，提出许多不同的高分辨率测量装置实施例，这些装置均采用波长透射器件作为人造体。
由此可见，前面提到的各个目的，已从上面的说明中阐述清楚，且已有效地达到，由于可以对上述结构作某些改变而不偏离本发明的范围，我们认定，上面说明中或附图中所示的所有事实，应被视作例证，而不具限制意义。
还应理解，下述权利要求书应认为覆盖此处描述的本发明所有一般的和特有的性能，按照语义，关于本发明范围的所有陈述理应包括在内。
权利要求
1.高分辨率测量光纤偏振模色散的方法，包括的步骤有提供带光源的偏振模色散测量仪；提供待测光纤；将人造体与待测光纤串接，人造体有稳定的已知偏振模色散值；使光源射出的光通过人造体及待测光纤；利用已从偏振模色散零值位移的偏振模色散测量仪，测量其位移的偏振模色散值；从测得已位移的偏振模色散值，确定光纤的偏振模色散。
2.按照权利要求1的方法，其中包括提供利用干涉测量技术的偏振模色散测量仪。
3.按照权利要求2的方法，其中的人造体是双折射器件。
4.按照权利要求3的方法，其中双折射器件是双折射波片或双折射光纤。
5.按照权利要求1的方法，其中偏振模色散测量仪使用波长扫描付里叶方法。
6.按照权利要求5的方法，其中人造体是双折射器件。
7.按照权利要求5的方法，其中双折射器件是双折射波片或双折射光纤。
8.按照权利要求5的方法，其中人造体是依赖于波长的透射式器件。
9.按照权利要求5的方法，其中人造体是依赖于波长的反射式器件。
10.按照权利要求1的方法，其中提供人造体的步骤还包括提供或有已知波长依赖透射特性的或有已知波长依赖反射特性的人造体。
全文摘要
提出一种高分辨率测量光纤偏振模色散的方法,该方法包括的步骤有:提供带光源的偏振模色散测量仪;提供待测光纤;与待测光纤串接一人造体,此人造体有稳定的已知偏振模色散值;使光源射出的光通过人造体及待测光纤;利用已从偏振模色散零值位移的偏振模色散测量仪,测量位移的偏振模色散值;从测得已位移的偏振模色散值,确定光纤的偏振模色散。
文档编号G01M11/00GK1196793SQ96194853
公开日1998年10月21日 申请日期1996年5月17日 优先权日1995年5月19日
发明者特里·L·沃特斯 申请人:阿尔卡特尔电信电缆公司