专利名称：利用扰动引起低模式耦合测量光纤中低pmd的系统和方法
背景技术：
本发明涉及精确测量光纤中小偏振模色散(PMD)值的系统和方法。具体来说，该方法提供在低模式耦合条件下精确的光纤PMD测量。
众所周知，通信系统中普遍使用的所谓“单模光纤”不是纯粹的单一模式。相反，在单模光纤中存在两个具有垂直偏振的模式。参见例如Dandliker，R.的Anisotropic and Nonlinear OpticalWaveguides(各向异性和非线性光波导)，C.G.Someda和G.Stegeman(编者)，Elsevier，N.Y.，39-76，1992。从数学上，这两个偏振形成一正交基础集(orthogonal basis set)。从而，可由这两个模的线性叠加表示通过单模光纤传播的任何光形态。
如果光纤在几何形状和内部以及所施加的应力方面均为完全圆对称，则这两个偏振模发生简并。它们将以相同群速度传播，并且在光纤中传播相同距离之后没有时间延迟差。不过，实际上光纤并非完全圆对称。诸如几何形状和形变以及应力不对称性的缺陷，打破两模的简并。参见例如Rashleigh，S.C.，Journal of Lightwave Technology，LT-1312-331，1983。结果，两个偏振模以不同传播常数β1和β2传播。传播常数之差称为双折射(Δβ)，并且由两个正交模的传播常数之差定义此双折射的幅值Δβ＝β1-β2双折射使光纤中传播的光的偏振态沿光纤长度方向周期性演变。偏振态回到其初始状态所需的距离为光纤拍频长度(Lb)，它反比于光纤双折射。具体来说，拍频长度Lb给出如下Lb＝2π/Δβ
因此，具有较大双折射的光纤具有较小拍频长度，反之亦然。实际中观察到的典型拍频长度是从短至2-3毫米(高双折射光纤)到长达10-50米(低双折射光纤)。
除了导致光纤中传播的光偏振态周期性改变以外，存在双折射意味着两个偏振模以不同群速度传播，该微分群延迟(the differencegroup delay，DGD)随双折射增大而增大。双折射的随机性产生DGD的统计分布。两个偏振模之间DGD的统计平均值称为偏振模色散或PMD。PMD引起对高位速数字系统和模拟通信系统精确信号传输有害的信号失真。已经发现多种在制造过程中减小光缆中PMD的机制，如在制造过程中旋转光纤。从而，需要测量光缆的PMD值。
光纤固有的双折射特性可受多种因素影响，不仅包括上述拉制过程中的旋转，而且包括光纤芯椭圆度，光纤内部因素引起的非轴对称机械应力和外在影响(弯曲，扭曲，张力，温度改变等)。〔参见S.C.Rashleigh，“Origins and Control of Polarisation Effects in Single-Mode Fibers”，J.Lightwave Tech.，LT-1，No.2，(1983)p.312-331。〕虽然内在和外部影响均对所有实际光纤应用起作用，不过希望测量光纤的内在PMD。这使制造商能独立于任何特定光缆几何形状发布光纤的PMD规格，并提供一种度量，通过它可以在光纤制造过程中测量其改进。
早就知道，发货线轴(shipping spool)上有用光纤长度(通常直径为160mm)的PMD测量结果不反映内在光纤的PMD。这些测量结果极大地受光纤上外部作用的影响，如张力，(来自缠绕过程的30-40克法向力)以及由于光纤交叉产生的模式耦合，模式耦合受光缆上与光纤缠绕有关的扭曲的影响。当光纤松开缠绕时，改变这些外部作用，且理想的松驰光纤应该处于“低模式耦合”(LMC)条件下。通过在LMC条件下的测量，可获得“内在”PMD的最佳估计值。从而，已经研究出多种所谓的LMC技术测量其他结构中的PMD。已经大量开发三种结构用于测量PMD“静止”光缆，大直径线轴和松弛光纤。不过，正如将要看出的，每种结构均都存在某些局限性。
“静止”光缆结构测量已经组成光缆的光纤，该光缆包括一根或多根光纤以及各种包层。通常不认为光缆是有效的LMC结构，因为制造过程中包层和颜色涂覆会施加永恒的外部机械应力。不过，并没有完全消除光纤扭曲和交叉的‘松管’结构，确实为光纤提供了更低模式耦合环境。因此，这类如海下电缆中所用光缆中的光纤，应该以与真正LMC条件下同一光纤相同的方式使用。不过，许多其他光缆结构没有以与真正LMC条件下同一光纤相同的方式使用。另外，测量长距离光缆的物理设备可能需要大(30ft直径)盘状物在LMC条件下缠绕光缆，而传统光纤制造商可能没有这类设备。
第二种结构包括使用大直径线轴(通常为300mm或更大)，在其上以较小张力缠绕光纤，提供传统的LMC读数。不过，没有完全消除弯曲双折射，并且不可能使用传统重绕装置获得光纤上的零张力。另外，可测量的光纤距离受到限制，因为在线轴上仅能缠绕单层光纤。当然，可使用越来越大直径的线轴，不过较大尺寸使线轴的控制复杂，且增加对空间要求。因此，取决于线轴表面积和尺寸，可严格限制可测量的光纤长度。
在LMC条件下测量光纤的第三种结构，是通过使用松弛线圈或活动线轴(collapsible spool)测量处于自由状态的光纤。该技术将松散光纤设置在较大、平坦表面上，在此光纤被展开以得到零张力和大弯曲半径。光纤必须处于‘松弛’状态，以便尽可能消除光纤的弯曲和拉紧张力。常常，光纤‘松弛’需要一定时间周期，以便实现精确测量。不过，处于‘松弛’状态的光纤物理结构是一种潜在的不适当结构，可测量的光纤长度以装置尺寸为基础。在所有三种技术中，均可能测量几千米的短长度光纤，不过逻辑上测量更大长度变得越来越困难。
使PMD测量进一步复杂化的原因在于与几年前制造的光纤相比，当前的光纤通常具有低得多的PMD值。虽然90年代中期的光纤具有大于0.5ps/km1/2的PMD值，不过当前光纤通常数值在0.01-0.04ps/km1/2范围内。从而，许多传统测量技术和实践不能精确测量如此低的PMD值。
包括禁止使用一成不变的方法测量PMD的工业专家在内的权威团体，提倡使用大直径线轴和将光纤设置成跑道结构的松弛线圈方法。这些建议在很大程度上忽略在这种结构中控制光纤的实际方面，和/或依靠需要较高最小可测量PMD的当前工业检测设备。
因此，需要以快速且逻辑上简化的方法方便地测量光纤中的PMD，产生精确测量结果，而不限于相对较短长度光纤。
发明概述公开了一种测量光纤偏振模色散的方法，所使用的步骤为引入多个局部外部扰动(LEP)；测量微分群延迟；改变LEP，测量微分群延迟；并重复这些步骤到足以产生偏振模色散值。
另外，公开了一种测量光纤偏振模色散的范例系统，包括一用于将LEP引到光纤上的装置，一用于测量微分群延迟的装置，和一接收测量结果并计算偏振模色散值的处理器。
附图简要说明
图1A说明相对于波长的均匀微分群延迟(DGD)。
图1B说明图1A微分群延迟的概率分布函数。
图2A说明相对于波长具有非均匀微分群延迟的光纤。
图2B说明呈现出麦克斯韦分布的微分群延迟的概率分布。
图3A说明光纤的实际微分群延迟测量结果。
图3B说明与以麦克斯韦为基础的曲线有关的概率分布测量结果。
图4说明在低模式耦合状态下测出的两个光纤的直方图。
图5A和5B说明根据本发明原理，通过引入局部外部扰动在低模式耦合状态下测量光纤的方法的一个实施例。
图6说明根据本发明原理由一个实施例中光纤测量得出的试验结果。
图7说明使用两种方法测量PMD，光纤测量结果的相关性。
图8说明根据本发明原理用于测量多根光纤的系统的一个实施例。
详细说明光纤中存在双折射意味着两个偏振模以不同群速度传播，两速度之差随双折射增大而增大。两个偏振模之间的微分时间延迟称为偏振模色散或PMD。
PMD值可以表示为所有波长上微分群延迟(DGD)的平均测量结果。DGD反映入射到光纤两个主状态中的给定波长光之间的时间延迟，并以时间为单位。目前制造的几千米长度低PMD光纤，其DGD延迟值在10到50×10-15秒(fs)范围内。由于DGD测量实时进行且随光纤长度而改变，故定义DGD系数，以提供与所测量光纤长度无关的DGD值。在“任意改变”“长长度”状态下，DGD系数为DGD值(时间)除以光纤长度的平方根。DGD值的典型平均值(即PMD)在0.01-0.04ps/km1/2范围内。
大多数商业PMD测量/检测装置需要相当高的最小值以提供所需精度，需要相应较长光纤长度。精度在10-15秒范围内的仅有一种传统测量技术，是Jones Matrix Eigenanalysis(JME)或它的一种变型。本领域技术人员众所周知该技术，不过即使该技术对于在LMC结构下具有最小长度的光纤长度上测量PMD也具有局限性。
在测量PMD时，必须注意可显著影响PMD测量的光纤松弛效应。确保光纤松弛，对于避免与缠绕有关的弯曲和拉紧应力以及手动扰动光纤时外力施加到光纤上的任何其他应力比较重要。目的在于测量处于完全松弛状态的光纤。
使用JME技术类在不同波长下测量DGD，并对测量结果求平均，以得到PMD系数。如图1A所示，在均匀双折射光纤中，DGD没有波长依赖性。具体来说，DGD测量结果10不随波长而变，从而理想的JME测量结果对于所有波长将得到相同DGD值。所产生的概率密度为德耳塔函数，作为DGD波长平均的PMD等于DGD。图1B表示这种确定情形，分布15仅对于值Δt非零。极窄带宽仪器能正确测量该PMD值。
不过，光纤并非具有很均匀的双折射，并且任意改变双折射的光纤呈现出图2A所示DGD的波长依赖性。具体来说，DGD20随波长而变，并且表现出基于图2B中麦克斯韦曲线25的概率密度函数。麦克斯韦分布25的方差-平均比值为0.422，可以使用这一事实检测就不同光纤结构或状态获得的数据集的完整性。这是一个有用的比值，可快速确定麦克斯韦分布与一组数据拟合的程度。PMD是该分布的平均值，可能与特定波长下测得的单个DGD极为不同。该检测仪器必须在足够数量的不同波长下对麦克斯韦分布进行取样，以提供一代表平均值。
有关JME技术的主要缺点，在于仪器可获得DGD值的有限带宽。表明在PMD测量的不确定性、进行测量的带宽与试验中器件的绝对DGD之间存在相关性。分数不确定性U近似为U＝1/(ΔωΔτ)1/2其中Δω为测量带宽，Δτ为真实PMD值。小带宽与小PMD值结合，产生测量结果的较大不确定性。使用市售ECL激光器和检测设备的典型试验结果，需要大约25千米光缆以提供真实数值+/-33％内的结果。不过，在LMC结构中难以操纵该长度光纤。
另一种描述相同作用的方法是，对于给定光纤长度和仪器带宽，DGD随波长改变的速度(rate)随着PMD减小而减小。从而，对于低PMD光纤，将不能获得DGD的预期麦克斯韦分布，因为没有对足够多的波长被进行取样。结果是所测得PMD的不可预见性。每次重新调整内应力之后测量光纤时，由于未由给定测量对全部响应进行采样，将产生不同的PMD。
在图3A中对此进行说明，其中将一大约一千米的光纤在地面上展开成55米周长的跑道结构。如图所示，在使用90nm的ECL激光器在不同波长下测量的DGD30改变很小。仅由该测量结果，图3A说明DGD主要处于窄范围内。图3B中说明DGD测量结果的相应分布35以及麦克斯韦分布36。一般，这些结果是由于测量仪器小带宽的结果。对于小DGD值(小于50fs)，DGD随波长的改变如此之小，以至于在典型JME装置的带宽(例如100nm)上将不能看出变化。
对于实际处理，给定仪器带宽限制以及光纤长度限制，必须通过包含光纤应力其他改变的其他测量增强LMC测量，以产生精确的PMD测量集。显而易见的选择是针对一系列测量改变光纤温度或者手动扰动光纤应力图案。改变温度存在操作上的困难，因为必须存在可将光纤放置在其中并能适应周围温度的大的温度受控环境。这种选择存在逻辑上的困难。
手动扰动光纤是另一种改变光纤应力的方法。该方法包括在大的地面上松弛地展开光纤(一般可以使用55米和450米跑道结构)，并且使光纤能松弛整个晚上。此进行松弛的时间周期通常能使来自缠绕的应力消失(通常需至少几个小时)。在DGD测量之后，通过轻拍，滚动，摇动，拉动或拉紧光纤(或用于将机械力施加到光纤上的任何其他适当方法)物理扰动光纤。这样做的目的是通过外力重新定向光纤内部应力。可以使用这些方法的任意一种，不过某些方法与其它方法相比可能更易于应用。然后可将光纤松弛成新的应力平衡状态(与最初去缠绕相比花费更短时间)，并进行另一测量。
图4中表示出用这种方法测量PMD得出的典型结果。图4表示在55米跑道布局上测量光纤得出的DGD数据的直方图40与在450米跑道上测量相同光纤得出的DGD测量结果的直方图45的比较。如可看出的那样，使用不同手动扰动技术在不同尺寸跑道结构中对地面上相同光纤进行测量表现出类似结果。该分布的统计平均值均在1fs/km1/2之内，偏差均在15％范围内。由于只进行10次测量，故仅得出分布的粗略轮廓。
不过，上述实现LMC测量的方法存在若干困难。首先，需要操纵大跑道结构松弛光纤的巨大方便。物理上重新排列光纤实际上需要且费时。操纵光纤需要注意避免损害，例如可引入永久断裂的弯曲。通常，测量需要几天完成，常常要几个星期。这种方法不太适于制造环境。已经通过使用活动线轴或其他可整体改变光纤的方法尝试克服这些缺点，不过这些方法无法产生DGD测量结果的麦克斯韦分布。
通过结合测量将局部外部扰动(LEP)引到光纤上，可克服这些缺陷。在这种情形中，将一系列特定物理扰动点施加给光缆，使引入的总双折射较低，但引入足够的模式耦合来改变DGD测量。可使用非接触和接触方法引入LEP。引入局部双折射的非接触方法包括使部分光纤受外磁场或电场的影响。典型结构是使一部分光纤受到感生电场或磁场影响。或者，可以使用激光器将局部双折射引到一段光纤上，产生相同结果。不过，LEP的接触方法提供一种相对简单、迅速且廉价的方法，沿被检测光纤长度方向引入各个模式耦合点。
图5A和5B说明一种使用接触法引入LEP的方法。这两幅图说明用于缠绕光纤的活动线轴。图5A描述线轴的端视图，图5B描绘同一线轴的侧视图。线轴50包含两个沿线轴的轴54设置的板条52。该板条沿半径并垂直于该轴运动，与轴54的距离增大或减小。两个板条同时移动，用于减小光纤缠绕在线轴上时引入光纤55上的内张力。此时，在线轴上悬挂两个与一软绳、导线或任何其他适当挠性材料57相连的重物56。在接触点58，导线57将一扰动引入光纤上。沿受到影响的光纤段长度在大约一周的间隔处引入扰动。如果光纤去缠绕，并以直线方式展开，所引入的局部扰动图案将与和绳子57的接触点相应。
此时，可使用JME或其他技术在光纤处于线轴上时使用检测装置59测量光纤的DGD。然后将重物56重新设置在线轴上另一位置处。调节光纤并使物理状态改变稳定需要一小段时间(通常为几分钟)。通过将重物重新设置，将不同组局部外部扰动引入到光纤上。再次，使用检测装置59进行DGD测量，提供另一测量采样。可重复测量，一般总共10次，获得足够多采样，以提供麦克斯韦分布估计。
图6表示使用上述技术的典型测量采样。DGD值的平均得出PMD为17.4fs/km，σ/μ＝0.42，其与0.422的预期分布非常相关。比较使用该技术与将光纤放置在地面上的方法测量PMD的结果，可以看出显著的相关性。如图7所示，表示出使用上述技术测量光纤的数据以及通过将光纤放置在地面上处于LMC状态对同一光纤测量的数据。
可将该测量技术扩展来说明图8中所示的大规模PMD测量系统。此处多个活动光纤线轴80均包含与光开关82相连的光纤。一JME测量系统84与该开关相连，并能针对与之相连的任何线轴测量DGD值。在测量之后，可以重新定位向该线轴施加LEP的重物86，并且可将该测量系统与另一线轴相连，进行另一组测量。通过这种方式，可以测量一系列缠绕光纤，并且有足够长的时间改变LEP，使光纤能在下一次测量之前松弛。极大地增大了检测光纤的速度，并避免将光纤重新缠绕成大跑道结构。该方法不仅大大增大PMD测量速度，而且避免重复控制和缠绕光纤，使损坏的几率最小。
当然，可以采用其它各种变型说明本发明的原理。显然，可以通过多种其他方法引入LEP。使用物理重物说明本发明，不过也可通过使用激光器、电场、磁场、局部加热的非接触方法，或通过经由多种设置中机械装置的力施加局部弯曲、扭曲、法向应力、张力的接触方法进行说明。旋转多个感兴趣点，可用作局部扰动点，用于间断地改变偏振态(SOP)。从而，应该理解，本发明不限于所公开的特定实施例，变型和其他实施例包含在所附权利要求范围之内。虽然此处采用特定术语，不过仅在一般和描述意义上使用它们，不是为了进行限制。
权利要求
1.一种测量在低模式耦合状态下松弛光纤中的偏振模色散的方法，其特征在于通过步骤a)将第一多个局部外部扰动引到所述光纤上；b)测量所述光纤的第一微分群延迟；c)去除所述光纤上的所述多个局部外部扰动；d)将第二多个局部外部扰动引到所述光纤上；e)测量所述光纤的第二微分群延迟；以及f)重复步骤c)，d)和e)，产生多个微分群延迟测量结果，得到偏振模色散值。
2.如权利要求1所述的方法，其中通过一或多个磁场、电场或激光，在所述光纤上引入所述局部外部扰动。
3.如权利要求1所述的方法，其中该光纤缠绕在一包括张力释放板条的线轴上。
4.如权利要求1所述的方法，其中通过在所述光纤上引入多个局部物理力，在该光纤上引入所述局部外部扰动。
5.如权利要求4所述的方法，其中使用悬挂在其上缠绕有所述光纤的线轴上的挠性元件，实现在所述光纤上引入所述多个局部物理力。
6.如权利要求1所述的方法，其中在所述微分群延迟的所述第一次测量与所述微分群延迟的所述第二次测量之间至少为一分钟。
7.如权利要求1所述的方法，其中获得至少10个微分群延迟测量结果。
8.如权利要求4所述的方法，其中将至少10个局部外部扰动引到所述光纤上。
9.如权利要求1所述的方法，其中所述光纤的张力小于30克。
10.一种用于测量在低模式耦合状态下光纤的偏振模色散的系统，其特征在于一用于将多个局部外部扰动引到该光纤上的装置；一用于测量该光纤微分群延迟的测量装置；以及一用于接收该微分群延迟测量结果的处理器。
全文摘要
公开了用于测量单模光纤偏振模色散(PMD)的系统和方法。该方法能在低模式耦合状态下更快速和更简单地测量内在超低PMD光纤。该方法包括将多个局部外部扰动引入该光纤上，在此之后使该光纤达到一种稳定状态，然后使用标准测量技术测量微分群延迟。改变多个局部外部扰动，然后对微分群延迟进行另一次测量。在获得足够数量测量结果之后，提供麦克斯韦分布，可以计算该分布的平均值作为偏振模色散值。
文档编号G01M11/00GK1475785SQ0315233
公开日2004年2月18日 申请日期2003年7月29日 优先权日2002年8月8日
发明者阿比吉特·森古皮塔, 阿伦·H·麦柯迪, H 麦柯迪, 阿比吉特 森古皮塔 申请人:菲特尔美国公司