專利名稱：利用擾動引起低模式耦合測量光纖中低pmd的系統(tǒng)和方法
背景技術(shù)：
本發(fā)明涉及精確測量光纖中小偏振模色散(PMD)值的系統(tǒng)和方法。具體來說，該方法提供在低模式耦合條件下精確的光纖PMD測量。
眾所周知，通信系統(tǒng)中普遍使用的所謂“單模光纖”不是純粹的單一模式。相反，在單模光纖中存在兩個具有垂直偏振的模式。參見例如Dandliker，R.的Anisotropic and Nonlinear OpticalWaveguides(各向異性和非線性光波導(dǎo))，C.G.Someda和G.Stegeman(編者)，Elsevier，N.Y.，39-76，1992。從數(shù)學(xué)上，這兩個偏振形成一正交基礎(chǔ)集(orthogonal basis set)。從而，可由這兩個模的線性疊加表示通過單模光纖傳播的任何光形態(tài)。
如果光纖在幾何形狀和內(nèi)部以及所施加的應(yīng)力方面均為完全圓對稱，則這兩個偏振模發(fā)生簡并。它們將以相同群速度傳播，并且在光纖中傳播相同距離之后沒有時間延遲差。不過，實際上光纖并非完全圓對稱。諸如幾何形狀和形變以及應(yīng)力不對稱性的缺陷，打破兩模的簡并。參見例如Rashleigh，S.C.，Journal of Lightwave Technology，LT-1312-331，1983。結(jié)果，兩個偏振模以不同傳播常數(shù)β1和β2傳播。傳播常數(shù)之差稱為雙折射(Δβ)，并且由兩個正交模的傳播常數(shù)之差定義此雙折射的幅值Δβ＝β1-β2雙折射使光纖中傳播的光的偏振態(tài)沿光纖長度方向周期性演變。偏振態(tài)回到其初始狀態(tài)所需的距離為光纖拍頻長度(Lb)，它反比于光纖雙折射。具體來說，拍頻長度Lb給出如下Lb＝2π/Δβ
因此，具有較大雙折射的光纖具有較小拍頻長度，反之亦然。實際中觀察到的典型拍頻長度是從短至2-3毫米(高雙折射光纖)到長達10-50米(低雙折射光纖)。
除了導(dǎo)致光纖中傳播的光偏振態(tài)周期性改變以外，存在雙折射意味著兩個偏振模以不同群速度傳播，該微分群延遲(the differencegroup delay，DGD)隨雙折射增大而增大。雙折射的隨機性產(chǎn)生DGD的統(tǒng)計分布。兩個偏振模之間DGD的統(tǒng)計平均值稱為偏振模色散或PMD。PMD引起對高位速數(shù)字系統(tǒng)和模擬通信系統(tǒng)精確信號傳輸有害的信號失真。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)多種在制造過程中減小光纜中PMD的機制，如在制造過程中旋轉(zhuǎn)光纖。從而，需要測量光纜的PMD值。
光纖固有的雙折射特性可受多種因素影響，不僅包括上述拉制過程中的旋轉(zhuǎn)，而且包括光纖芯橢圓度，光纖內(nèi)部因素引起的非軸對稱機械應(yīng)力和外在影響(彎曲，扭曲，張力，溫度改變等)?！矃⒁奡.C.Rashleigh，“Origins and Control of Polarisation Effects in Single-Mode Fibers”，J.Lightwave Tech.，LT-1，No.2，(1983)p.312-331?！畴m然內(nèi)在和外部影響均對所有實際光纖應(yīng)用起作用，不過希望測量光纖的內(nèi)在PMD。這使制造商能獨立于任何特定光纜幾何形狀發(fā)布光纖的PMD規(guī)格，并提供一種度量，通過它可以在光纖制造過程中測量其改進。
早就知道，發(fā)貨線軸(shipping spool)上有用光纖長度(通常直徑為160mm)的PMD測量結(jié)果不反映內(nèi)在光纖的PMD。這些測量結(jié)果極大地受光纖上外部作用的影響，如張力，(來自纏繞過程的30-40克法向力)以及由于光纖交叉產(chǎn)生的模式耦合，模式耦合受光纜上與光纖纏繞有關(guān)的扭曲的影響。當(dāng)光纖松開纏繞時，改變這些外部作用，且理想的松馳光纖應(yīng)該處于“低模式耦合”(LMC)條件下。通過在LMC條件下的測量，可獲得“內(nèi)在”PMD的最佳估計值。從而，已經(jīng)研究出多種所謂的LMC技術(shù)測量其他結(jié)構(gòu)中的PMD。已經(jīng)大量開發(fā)三種結(jié)構(gòu)用于測量PMD“靜止”光纜，大直徑線軸和松弛光纖。不過，正如將要看出的，每種結(jié)構(gòu)均都存在某些局限性。
“靜止”光纜結(jié)構(gòu)測量已經(jīng)組成光纜的光纖，該光纜包括一根或多根光纖以及各種包層。通常不認(rèn)為光纜是有效的LMC結(jié)構(gòu)，因為制造過程中包層和顏色涂覆會施加永恒的外部機械應(yīng)力。不過，并沒有完全消除光纖扭曲和交叉的‘松管’結(jié)構(gòu)，確實為光纖提供了更低模式耦合環(huán)境。因此，這類如海下電纜中所用光纜中的光纖，應(yīng)該以與真正LMC條件下同一光纖相同的方式使用。不過，許多其他光纜結(jié)構(gòu)沒有以與真正LMC條件下同一光纖相同的方式使用。另外，測量長距離光纜的物理設(shè)備可能需要大(30ft直徑)盤狀物在LMC條件下纏繞光纜，而傳統(tǒng)光纖制造商可能沒有這類設(shè)備。
第二種結(jié)構(gòu)包括使用大直徑線軸(通常為300mm或更大)，在其上以較小張力纏繞光纖，提供傳統(tǒng)的LMC讀數(shù)。不過，沒有完全消除彎曲雙折射，并且不可能使用傳統(tǒng)重繞裝置獲得光纖上的零張力。另外，可測量的光纖距離受到限制，因為在線軸上僅能纏繞單層光纖。當(dāng)然，可使用越來越大直徑的線軸，不過較大尺寸使線軸的控制復(fù)雜，且增加對空間要求。因此，取決于線軸表面積和尺寸，可嚴(yán)格限制可測量的光纖長度。
在LMC條件下測量光纖的第三種結(jié)構(gòu)，是通過使用松弛線圈或活動線軸(collapsible spool)測量處于自由狀態(tài)的光纖。該技術(shù)將松散光纖設(shè)置在較大、平坦表面上，在此光纖被展開以得到零張力和大彎曲半徑。光纖必須處于‘松弛’狀態(tài)，以便盡可能消除光纖的彎曲和拉緊張力。常常，光纖‘松弛’需要一定時間周期，以便實現(xiàn)精確測量。不過，處于‘松弛’狀態(tài)的光纖物理結(jié)構(gòu)是一種潛在的不適當(dāng)結(jié)構(gòu)，可測量的光纖長度以裝置尺寸為基礎(chǔ)。在所有三種技術(shù)中，均可能測量幾千米的短長度光纖，不過邏輯上測量更大長度變得越來越困難。
使PMD測量進一步復(fù)雜化的原因在于與幾年前制造的光纖相比，當(dāng)前的光纖通常具有低得多的PMD值。雖然90年代中期的光纖具有大于0.5ps/km1/2的PMD值，不過當(dāng)前光纖通常數(shù)值在0.01-0.04ps/km1/2范圍內(nèi)。從而，許多傳統(tǒng)測量技術(shù)和實踐不能精確測量如此低的PMD值。
包括禁止使用一成不變的方法測量PMD的工業(yè)專家在內(nèi)的權(quán)威團體，提倡使用大直徑線軸和將光纖設(shè)置成跑道結(jié)構(gòu)的松弛線圈方法。這些建議在很大程度上忽略在這種結(jié)構(gòu)中控制光纖的實際方面，和/或依靠需要較高最小可測量PMD的當(dāng)前工業(yè)檢測設(shè)備。
因此，需要以快速且邏輯上簡化的方法方便地測量光纖中的PMD，產(chǎn)生精確測量結(jié)果，而不限于相對較短長度光纖。
發(fā)明概述公開了一種測量光纖偏振模色散的方法，所使用的步驟為引入多個局部外部擾動(LEP)；測量微分群延遲；改變LEP，測量微分群延遲；并重復(fù)這些步驟到足以產(chǎn)生偏振模色散值。
另外，公開了一種測量光纖偏振模色散的范例系統(tǒng)，包括一用于將LEP引到光纖上的裝置，一用于測量微分群延遲的裝置，和一接收測量結(jié)果并計算偏振模色散值的處理器。
附圖簡要說明

圖1A說明相對于波長的均勻微分群延遲(DGD)。
圖1B說明圖1A微分群延遲的概率分布函數(shù)。
圖2A說明相對于波長具有非均勻微分群延遲的光纖。
圖2B說明呈現(xiàn)出麥克斯韋分布的微分群延遲的概率分布。
圖3A說明光纖的實際微分群延遲測量結(jié)果。
圖3B說明與以麥克斯韋為基礎(chǔ)的曲線有關(guān)的概率分布測量結(jié)果。
圖4說明在低模式耦合狀態(tài)下測出的兩個光纖的直方圖。
圖5A和5B說明根據(jù)本發(fā)明原理，通過引入局部外部擾動在低模式耦合狀態(tài)下測量光纖的方法的一個實施例。
圖6說明根據(jù)本發(fā)明原理由一個實施例中光纖測量得出的試驗結(jié)果。
圖7說明使用兩種方法測量PMD，光纖測量結(jié)果的相關(guān)性。
圖8說明根據(jù)本發(fā)明原理用于測量多根光纖的系統(tǒng)的一個實施例。
詳細(xì)說明光纖中存在雙折射意味著兩個偏振模以不同群速度傳播，兩速度之差隨雙折射增大而增大。兩個偏振模之間的微分時間延遲稱為偏振模色散或PMD。
PMD值可以表示為所有波長上微分群延遲(DGD)的平均測量結(jié)果。DGD反映入射到光纖兩個主狀態(tài)中的給定波長光之間的時間延遲，并以時間為單位。目前制造的幾千米長度低PMD光纖，其DGD延遲值在10到50×10-15秒(fs)范圍內(nèi)。由于DGD測量實時進行且隨光纖長度而改變，故定義DGD系數(shù)，以提供與所測量光纖長度無關(guān)的DGD值。在“任意改變”“長長度”狀態(tài)下，DGD系數(shù)為DGD值(時間)除以光纖長度的平方根。DGD值的典型平均值(即PMD)在0.01-0.04ps/km1/2范圍內(nèi)。
大多數(shù)商業(yè)PMD測量/檢測裝置需要相當(dāng)高的最小值以提供所需精度，需要相應(yīng)較長光纖長度。精度在10-15秒范圍內(nèi)的僅有一種傳統(tǒng)測量技術(shù)，是Jones Matrix Eigenanalysis(JME)或它的一種變型。本領(lǐng)域技術(shù)人員眾所周知該技術(shù)，不過即使該技術(shù)對于在LMC結(jié)構(gòu)下具有最小長度的光纖長度上測量PMD也具有局限性。
在測量PMD時，必須注意可顯著影響PMD測量的光纖松弛效應(yīng)。確保光纖松弛，對于避免與纏繞有關(guān)的彎曲和拉緊應(yīng)力以及手動擾動光纖時外力施加到光纖上的任何其他應(yīng)力比較重要。目的在于測量處于完全松弛狀態(tài)的光纖。
使用JME技術(shù)類在不同波長下測量DGD，并對測量結(jié)果求平均，以得到PMD系數(shù)。如圖1A所示，在均勻雙折射光纖中，DGD沒有波長依賴性。具體來說，DGD測量結(jié)果10不隨波長而變，從而理想的JME測量結(jié)果對于所有波長將得到相同DGD值。所產(chǎn)生的概率密度為德耳塔函數(shù)，作為DGD波長平均的PMD等于DGD。圖1B表示這種確定情形，分布15僅對于值Δt非零。極窄帶寬儀器能正確測量該PMD值。
不過，光纖并非具有很均勻的雙折射，并且任意改變雙折射的光纖呈現(xiàn)出圖2A所示DGD的波長依賴性。具體來說，DGD20隨波長而變，并且表現(xiàn)出基于圖2B中麥克斯韋曲線25的概率密度函數(shù)。麥克斯韋分布25的方差-平均比值為0.422，可以使用這一事實檢測就不同光纖結(jié)構(gòu)或狀態(tài)獲得的數(shù)據(jù)集的完整性。這是一個有用的比值，可快速確定麥克斯韋分布與一組數(shù)據(jù)擬合的程度。PMD是該分布的平均值，可能與特定波長下測得的單個DGD極為不同。該檢測儀器必須在足夠數(shù)量的不同波長下對麥克斯韋分布進行取樣，以提供一代表平均值。
有關(guān)JME技術(shù)的主要缺點，在于儀器可獲得DGD值的有限帶寬。表明在PMD測量的不確定性、進行測量的帶寬與試驗中器件的絕對DGD之間存在相關(guān)性。分?jǐn)?shù)不確定性U近似為U＝1/(ΔωΔτ)1/2其中Δω為測量帶寬，Δτ為真實PMD值。小帶寬與小PMD值結(jié)合，產(chǎn)生測量結(jié)果的較大不確定性。使用市售ECL激光器和檢測設(shè)備的典型試驗結(jié)果，需要大約25千米光纜以提供真實數(shù)值+/-33％內(nèi)的結(jié)果。不過，在LMC結(jié)構(gòu)中難以操縱該長度光纖。
另一種描述相同作用的方法是，對于給定光纖長度和儀器帶寬，DGD隨波長改變的速度(rate)隨著PMD減小而減小。從而，對于低PMD光纖，將不能獲得DGD的預(yù)期麥克斯韋分布，因為沒有對足夠多的波長被進行取樣。結(jié)果是所測得PMD的不可預(yù)見性。每次重新調(diào)整內(nèi)應(yīng)力之后測量光纖時，由于未由給定測量對全部響應(yīng)進行采樣，將產(chǎn)生不同的PMD。
在圖3A中對此進行說明，其中將一大約一千米的光纖在地面上展開成55米周長的跑道結(jié)構(gòu)。如圖所示，在使用90nm的ECL激光器在不同波長下測量的DGD30改變很小。僅由該測量結(jié)果，圖3A說明DGD主要處于窄范圍內(nèi)。圖3B中說明DGD測量結(jié)果的相應(yīng)分布35以及麥克斯韋分布36。一般，這些結(jié)果是由于測量儀器小帶寬的結(jié)果。對于小DGD值(小于50fs)，DGD隨波長的改變?nèi)绱酥?，以至于在典型JME裝置的帶寬(例如100nm)上將不能看出變化。
對于實際處理，給定儀器帶寬限制以及光纖長度限制，必須通過包含光纖應(yīng)力其他改變的其他測量增強LMC測量，以產(chǎn)生精確的PMD測量集。顯而易見的選擇是針對一系列測量改變光纖溫度或者手動擾動光纖應(yīng)力圖案。改變溫度存在操作上的困難，因為必須存在可將光纖放置在其中并能適應(yīng)周圍溫度的大的溫度受控環(huán)境。這種選擇存在邏輯上的困難。
手動擾動光纖是另一種改變光纖應(yīng)力的方法。該方法包括在大的地面上松弛地展開光纖(一般可以使用55米和450米跑道結(jié)構(gòu))，并且使光纖能松弛整個晚上。此進行松弛的時間周期通常能使來自纏繞的應(yīng)力消失(通常需至少幾個小時)。在DGD測量之后，通過輕拍，滾動，搖動，拉動或拉緊光纖(或用于將機械力施加到光纖上的任何其他適當(dāng)方法)物理擾動光纖。這樣做的目的是通過外力重新定向光纖內(nèi)部應(yīng)力?？梢允褂眠@些方法的任意一種，不過某些方法與其它方法相比可能更易于應(yīng)用。然后可將光纖松弛成新的應(yīng)力平衡狀態(tài)(與最初去纏繞相比花費更短時間)，并進行另一測量。
圖4中表示出用這種方法測量PMD得出的典型結(jié)果。圖4表示在55米跑道布局上測量光纖得出的DGD數(shù)據(jù)的直方圖40與在450米跑道上測量相同光纖得出的DGD測量結(jié)果的直方圖45的比較。如可看出的那樣，使用不同手動擾動技術(shù)在不同尺寸跑道結(jié)構(gòu)中對地面上相同光纖進行測量表現(xiàn)出類似結(jié)果。該分布的統(tǒng)計平均值均在1fs/km1/2之內(nèi)，偏差均在15％范圍內(nèi)。由于只進行10次測量，故僅得出分布的粗略輪廓。
不過，上述實現(xiàn)LMC測量的方法存在若干困難。首先，需要操縱大跑道結(jié)構(gòu)松弛光纖的巨大方便。物理上重新排列光纖實際上需要且費時。操縱光纖需要注意避免損害，例如可引入永久斷裂的彎曲。通常，測量需要幾天完成，常常要幾個星期。這種方法不太適于制造環(huán)境。已經(jīng)通過使用活動線軸或其他可整體改變光纖的方法嘗試克服這些缺點，不過這些方法無法產(chǎn)生DGD測量結(jié)果的麥克斯韋分布。
通過結(jié)合測量將局部外部擾動(LEP)引到光纖上，可克服這些缺陷。在這種情形中，將一系列特定物理擾動點施加給光纜，使引入的總雙折射較低，但引入足夠的模式耦合來改變DGD測量。可使用非接觸和接觸方法引入LEP。引入局部雙折射的非接觸方法包括使部分光纖受外磁場或電場的影響。典型結(jié)構(gòu)是使一部分光纖受到感生電場或磁場影響?；蛘?，可以使用激光器將局部雙折射引到一段光纖上，產(chǎn)生相同結(jié)果。不過，LEP的接觸方法提供一種相對簡單、迅速且廉價的方法，沿被檢測光纖長度方向引入各個模式耦合點。
圖5A和5B說明一種使用接觸法引入LEP的方法。這兩幅圖說明用于纏繞光纖的活動線軸。圖5A描述線軸的端視圖，圖5B描繪同一線軸的側(cè)視圖。線軸50包含兩個沿線軸的軸54設(shè)置的板條52。該板條沿半徑并垂直于該軸運動，與軸54的距離增大或減小。兩個板條同時移動，用于減小光纖纏繞在線軸上時引入光纖55上的內(nèi)張力。此時，在線軸上懸掛兩個與一軟繩、導(dǎo)線或任何其他適當(dāng)撓性材料57相連的重物56。在接觸點58，導(dǎo)線57將一擾動引入光纖上。沿受到影響的光纖段長度在大約一周的間隔處引入擾動。如果光纖去纏繞，并以直線方式展開，所引入的局部擾動圖案將與和繩子57的接觸點相應(yīng)。
此時，可使用JME或其他技術(shù)在光纖處于線軸上時使用檢測裝置59測量光纖的DGD。然后將重物56重新設(shè)置在線軸上另一位置處。調(diào)節(jié)光纖并使物理狀態(tài)改變穩(wěn)定需要一小段時間(通常為幾分鐘)。通過將重物重新設(shè)置，將不同組局部外部擾動引入到光纖上。再次，使用檢測裝置59進行DGD測量，提供另一測量采樣?？芍貜?fù)測量，一般總共10次，獲得足夠多采樣，以提供麥克斯韋分布估計。
圖6表示使用上述技術(shù)的典型測量采樣。DGD值的平均得出PMD為17.4fs/km，σ/μ＝0.42，其與0.422的預(yù)期分布非常相關(guān)。比較使用該技術(shù)與將光纖放置在地面上的方法測量PMD的結(jié)果，可以看出顯著的相關(guān)性。如圖7所示，表示出使用上述技術(shù)測量光纖的數(shù)據(jù)以及通過將光纖放置在地面上處于LMC狀態(tài)對同一光纖測量的數(shù)據(jù)。
可將該測量技術(shù)擴展來說明圖8中所示的大規(guī)模PMD測量系統(tǒng)。此處多個活動光纖線軸80均包含與光開關(guān)82相連的光纖。一JME測量系統(tǒng)84與該開關(guān)相連，并能針對與之相連的任何線軸測量DGD值。在測量之后，可以重新定位向該線軸施加LEP的重物86，并且可將該測量系統(tǒng)與另一線軸相連，進行另一組測量。通過這種方式，可以測量一系列纏繞光纖，并且有足夠長的時間改變LEP，使光纖能在下一次測量之前松弛。極大地增大了檢測光纖的速度，并避免將光纖重新纏繞成大跑道結(jié)構(gòu)。該方法不僅大大增大PMD測量速度，而且避免重復(fù)控制和纏繞光纖，使損壞的幾率最小。
當(dāng)然，可以采用其它各種變型說明本發(fā)明的原理。顯然，可以通過多種其他方法引入LEP。使用物理重物說明本發(fā)明，不過也可通過使用激光器、電場、磁場、局部加熱的非接觸方法，或通過經(jīng)由多種設(shè)置中機械裝置的力施加局部彎曲、扭曲、法向應(yīng)力、張力的接觸方法進行說明。旋轉(zhuǎn)多個感興趣點，可用作局部擾動點，用于間斷地改變偏振態(tài)(SOP)。從而，應(yīng)該理解，本發(fā)明不限于所公開的特定實施例，變型和其他實施例包含在所附權(quán)利要求范圍之內(nèi)。雖然此處采用特定術(shù)語，不過僅在一般和描述意義上使用它們，不是為了進行限制。
權(quán)利要求
1.一種測量在低模式耦合狀態(tài)下松弛光纖中的偏振模色散的方法，其特征在于通過步驟a)將第一多個局部外部擾動引到所述光纖上；b)測量所述光纖的第一微分群延遲；c)去除所述光纖上的所述多個局部外部擾動；d)將第二多個局部外部擾動引到所述光纖上；e)測量所述光纖的第二微分群延遲；以及f)重復(fù)步驟c)，d)和e)，產(chǎn)生多個微分群延遲測量結(jié)果，得到偏振模色散值。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其中通過一或多個磁場、電場或激光，在所述光纖上引入所述局部外部擾動。
3.如權(quán)利要求1所述的方法，其中該光纖纏繞在一包括張力釋放板條的線軸上。
4.如權(quán)利要求1所述的方法，其中通過在所述光纖上引入多個局部物理力，在該光纖上引入所述局部外部擾動。
5.如權(quán)利要求4所述的方法，其中使用懸掛在其上纏繞有所述光纖的線軸上的撓性元件，實現(xiàn)在所述光纖上引入所述多個局部物理力。
6.如權(quán)利要求1所述的方法，其中在所述微分群延遲的所述第一次測量與所述微分群延遲的所述第二次測量之間至少為一分鐘。
7.如權(quán)利要求1所述的方法，其中獲得至少10個微分群延遲測量結(jié)果。
8.如權(quán)利要求4所述的方法，其中將至少10個局部外部擾動引到所述光纖上。
9.如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述光纖的張力小于30克。
10.一種用于測量在低模式耦合狀態(tài)下光纖的偏振模色散的系統(tǒng)，其特征在于一用于將多個局部外部擾動引到該光纖上的裝置；一用于測量該光纖微分群延遲的測量裝置；以及一用于接收該微分群延遲測量結(jié)果的處理器。
全文摘要
公開了用于測量單模光纖偏振模色散(PMD)的系統(tǒng)和方法。該方法能在低模式耦合狀態(tài)下更快速和更簡單地測量內(nèi)在超低PMD光纖。該方法包括將多個局部外部擾動引入該光纖上，在此之后使該光纖達到一種穩(wěn)定狀態(tài)，然后使用標(biāo)準(zhǔn)測量技術(shù)測量微分群延遲。改變多個局部外部擾動，然后對微分群延遲進行另一次測量。在獲得足夠數(shù)量測量結(jié)果之后，提供麥克斯韋分布，可以計算該分布的平均值作為偏振模色散值。
文檔編號G01M11/00GK1475785SQ0315233
公開日2004年2月18日 申請日期2003年7月29日 優(yōu)先權(quán)日2002年8月8日
發(fā)明者阿比吉特·森古皮塔, 阿倫·H·麥柯迪, H 麥柯迪, 阿比吉特 森古皮塔 申請人:菲特爾美國公司