專利名稱：?jiǎn)文９饫w中極低偏振模色散(pmd)的高分辨率測(cè)量方法和pmd測(cè)量?jī)x的校準(zhǔn)方法
本申請(qǐng)是共同未決專利申請(qǐng)的分案，該專利申請(qǐng)系列號(hào)為No.08/445,320，于1995年5月19日申請(qǐng)，這里作為參考。
本發(fā)明涉及光纖測(cè)試的一種方法，更確切地說(shuō)，本發(fā)明涉及在單模光纖中，以高分辨率測(cè)量偏振模色散(PMD)值的方法。
單模光纖用在特別長(zhǎng)的距離上傳送大量信息。為保持這種傳輸?shù)牧己觅|(zhì)量，要消除失真。然而，不可能從傳輸媒質(zhì)中消除所有形式的失真。因此，必須測(cè)定失真，以確定傳輸煤質(zhì)最大信息容量的適當(dāng)值，或確定處理失真的最滿意方式。對(duì)光纖通信系統(tǒng)，誤碼率是決定系統(tǒng)信息負(fù)荷量的最重要指標(biāo)。光纖色散引起的脈沖增寬，是使誤碼率增大的諸多因素之一。使用單模光纖，消除了模色散，但并未消除色散，即偏振模色散，這是一種帶寬限制效應(yīng)，在用于光通信系統(tǒng)的所有單模光纖中，都不同程度地存在。因此這是光通信系統(tǒng)中信號(hào)失真的潛在根源。
一般來(lái)說(shuō)，本專業(yè)有各種熟知的偏振模色散測(cè)量?jī)x，特別是總部設(shè)在Virginia州Arlington市的電信工業(yè)聯(lián)合會(huì)試行標(biāo)準(zhǔn)中所指定的儀器。這些標(biāo)準(zhǔn)包括光纖測(cè)試方法FOTP-113，它用波長(zhǎng)掃描測(cè)量單模光纖的偏振模色散；FOTP-122，它用瓊斯矩陣本征分析法測(cè)量單模光纖的偏振模色散；FOTP-124，它用干涉計(jì)量法測(cè)量單模光纖的偏振模色散。偏振模色散測(cè)量?jī)x的操作及規(guī)程在這些標(biāo)準(zhǔn)中有詳細(xì)描述。
還有一種特別的現(xiàn)有技術(shù)電路裝置，在R.Jones的美國(guó)專利No.4,750,833中有描述，在此作為參考。偏振模色散測(cè)量手段包括周期計(jì)數(shù)法，時(shí)間脈沖方法，相對(duì)相位方法或瓊斯矩陣本征分析法，在后面還要詳細(xì)討論。例如，Jones敘述了光纖中測(cè)量色散的一種已知方法。Jones特別描述了測(cè)量傳輸中的色散，如色散或偏振色散的相對(duì)相位方法及儀器。被第一頻率調(diào)制的光源，與一傳輸參量在第一值與第二值間較低頻率來(lái)回往復(fù)的變化同步，這一傳輸參量例如是光源波長(zhǎng)或偏振態(tài)。第一調(diào)制信號(hào)與通過(guò)待測(cè)光纖的光之間的相對(duì)相位用相位檢測(cè)器測(cè)量。鎖定放大器把相位檢測(cè)器的輸出與較低頻信號(hào)比較，給出表示色散量為直流輸出。
另一種測(cè)量光纖色散的方法是測(cè)量時(shí)間差。瓊斯矩陣本征分析法把DGDΔλ作為波長(zhǎng)函數(shù)加以測(cè)量，這里DGD通常叫作微分群延時(shí)，而PMD則表達(dá)成＜Δτ＞λ。Jones描述的相對(duì)相位方法及儀器已被證明在分辨率上優(yōu)于時(shí)間差測(cè)量法。
測(cè)量光纖偏振模色散的其他已知方法，包括干涉計(jì)量法，瓊斯矩陣本征分析法，波長(zhǎng)掃描(WS)周期計(jì)數(shù)法、及WS付里葉法。干涉計(jì)量法用低相干性光源和一臺(tái)邁克爾遜干涉儀或馬赫-曾德爾爾干涉儀，在時(shí)域上觀察時(shí)間分布的自相關(guān)函數(shù)的輸出，光纖的偏振模色散可從這些數(shù)據(jù)中得到。干涉計(jì)量法受所用寬帶光源相干時(shí)間的低端限制，其典型值是0.15微微秒。
瓊斯矩陣本征分析法用偏振儀測(cè)定瞬時(shí)偏振傳輸狀態(tài)，表示為有兩個(gè)本征態(tài)的瓊斯矩陣，該兩個(gè)本征態(tài)稱為偏振的主態(tài)(PSP)。測(cè)量瓊斯矩陣隨波長(zhǎng)的變化從而測(cè)得各個(gè)PSP，可以確定各PSP間不同的延時(shí)。在特定掃描波長(zhǎng)內(nèi)求延時(shí)的平均，以確定光纖的偏振模色散值。瓊斯矩陣本征分析法受偏振測(cè)量精度的限制，其分辨率達(dá)0.01微微秒。
WS周期計(jì)數(shù)法及WS付里葉法，兩者都用線偏振光源，利用通過(guò)光纖的光功率傳輸，還在光檢測(cè)器前放一檢偏器。光纖產(chǎn)生一個(gè)振蕩圖形，其振蕩頻率與偏振模色散有關(guān)。在WS周期計(jì)數(shù)法中，對(duì)給定波長(zhǎng)區(qū)間內(nèi)對(duì)完整振蕩計(jì)數(shù)，由計(jì)數(shù)的數(shù)目確定偏振模色散。WS周期計(jì)數(shù)法所受限制是，在掃描波長(zhǎng)內(nèi)最小為三個(gè)周期，典型值是0.09微微秒。在WS付里葉法中，用付里葉變換對(duì)振蕩圖形作頻率分析，以確定波長(zhǎng)掃描下的偏振模色散。付里葉法波長(zhǎng)掃描中受最小為一個(gè)周期的限制，典型值是0.03微微秒。
現(xiàn)有技術(shù)的一個(gè)重大缺點(diǎn)是，測(cè)量結(jié)果的雜散響應(yīng)使偏振模色散值的確定受到不利影響，從而使偏振模色散值產(chǎn)生偏差。
本發(fā)明的一個(gè)目的是提出一種方法，它以低于0.1微微秒的高分辨率測(cè)量偏振模色散值，可用于例如以每秒5吉比特或更高速率運(yùn)行的傳輸系統(tǒng)中光纖的測(cè)量。
本發(fā)明還有一個(gè)目的，是提出一種測(cè)量偏振模色散值的方法，其值介于0.01微微秒與0.1微微秒之間，該方法可與WS付里葉法及干涉計(jì)量法一起使用。
本發(fā)明還有一個(gè)目的，是使用一個(gè)雙折射或波長(zhǎng)特殊人造體，使偏振模色散從零點(diǎn)位移，產(chǎn)生人造體的一個(gè)增寬偏振模色散峰，以便改善光纖中極低的偏振模色散值的檢測(cè)和確定。
本發(fā)明還有一個(gè)目的，是通過(guò)對(duì)增寬的人造體峰合適的數(shù)據(jù)處理方法，以確定光纖的偏振模色散。
本發(fā)明還有一個(gè)目的，是提出一個(gè)校準(zhǔn)方法，它使用一雙折射或波長(zhǎng)選擇器件，校準(zhǔn)波長(zhǎng)掃描偏振模色散儀。
按照本發(fā)明提出的一個(gè)方法，它在偏振模色散測(cè)量?jī)x內(nèi)插入一穩(wěn)定的已知偏振模色散值的人造體，并使光源的光相繼地通過(guò)待測(cè)光纖及此人造體以改善偏振模色散的測(cè)量。此人造體使偏振模色散測(cè)量?jī)x所測(cè)的整個(gè)偏振模色散從零點(diǎn)位移，因而消除測(cè)量中任何偏振模色散的雜散(近于零)響應(yīng)的不良影響。光纖的偏振模色散便能從測(cè)得的偏振模色散數(shù)據(jù)，經(jīng)適當(dāng)數(shù)據(jù)處理而精確地確定。此人造體還可用于波長(zhǎng)掃描偏振模色散儀的校準(zhǔn)。
本發(fā)明能以高分辨率測(cè)量偏振模色散，其分辨率比現(xiàn)有技術(shù)的相對(duì)相位或時(shí)間測(cè)量系統(tǒng)所能達(dá)到的分辨率至少高一個(gè)數(shù)量級(jí)，可能高兩個(gè)數(shù)量級(jí)。
本發(fā)明在操作的安排及方式兩方面，都可參照附圖(未按比例)進(jìn)一步了解，附圖包括

圖1至圖4，關(guān)于這些圖的說(shuō)明如下。
圖1以方框圖表示按照本發(fā)明的偏振模色散測(cè)量?jī)x，它利用了馬赫-曾德爾干涉儀。
圖2以方框圖表示按照本發(fā)明另一個(gè)實(shí)施例的偏振模色散測(cè)量?jī)x，它適合與波長(zhǎng)掃描付里葉分析(WS付里葉)一起使用。
圖3a是現(xiàn)有技術(shù)的偏振模色散測(cè)量?jī)x的時(shí)間對(duì)偏振模色散值曲線。
圖3b是本發(fā)明的偏振模色散測(cè)量?jī)x的時(shí)間對(duì)偏振模色散值曲線。
圖4是應(yīng)用本發(fā)明校準(zhǔn)一臺(tái)偏振模色散儀的方框圖。
圖1與圖2是兩臺(tái)高分辨率偏振色散測(cè)量的偏振模色散測(cè)量?jī)x方框較，高分辨率偏振色散測(cè)量是本發(fā)明的主題。圖1表示使用干涉計(jì)量技術(shù)的一臺(tái)偏振模色散測(cè)量?jī)x，而圖2表示使用波長(zhǎng)掃描付里葉分析(WS付里葉)技術(shù)的另一臺(tái)偏振模色散測(cè)量?jī)x。
圖1中，偏振模色散測(cè)量?jī)x有一光源10，它可以是發(fā)光二極管(LED)，如圖所示，或在供選擇的另一個(gè)實(shí)施例里，是超螢光光源(未畫出)。偏振模色散測(cè)量?jī)x有一起偏器12，它作用于來(lái)自光源10的入射光，送出偏振光。與起偏器12相連的分束器14把偏振光分束，一束在第一光路16中傳輸，另一束在第二光路18中傳輸。第二光路包含延時(shí)線20，使光傳輸延時(shí)。延時(shí)線20可以調(diào)整，以改變第一與第二光路16與18間的相對(duì)光學(xué)延時(shí)。如圖所示，延時(shí)線20是本專業(yè)熟知的馬赫-曾德爾干涉儀。分束器22接收沿第一與第二光路18和20傳送的光，并把光送至人造體28。
人造體28是一個(gè)產(chǎn)生已知的、穩(wěn)定的偏振模色散的器件。人造體28將保證偏振模色散測(cè)量?jī)x在特定時(shí)間值T上有一干涉峰，圖3b已最恰當(dāng)?shù)禺嫵?。在圖1所示實(shí)施例中，人造體是一個(gè)雙折射器件，它可以是雙折射波片，雙折射光纖或其他雙折射器件。時(shí)間T是快偏振模與慢偏振模間的時(shí)間差，或簡(jiǎn)單地說(shuō)就是人造體28的偏振模色散。本發(fā)明中，人造體28的作用是使儀器測(cè)得的整個(gè)偏振模色散從零點(diǎn)位移，以便從測(cè)量中消除任何雜散(在零點(diǎn)附近)的偏振模色散響應(yīng)的影響，如圖3b所示。
待測(cè)光纖26從人造體28接收光。人造體28與待測(cè)光纖26間的聯(lián)接對(duì)本專業(yè)是眾所周知的，它可以包括一個(gè)透鏡系統(tǒng)，一個(gè)與單模光纖尾纖對(duì)接的接頭或折射率匹配耦合。但是，本發(fā)明的內(nèi)容不打算受人造體28與待測(cè)光纖26是任何特定排布的限制。例如，在圖1中，人造體28放在待測(cè)光纖26之前，而在圖2，人造體60則放在待測(cè)光纖56之后。也可以采用邁克爾遜干涉儀中規(guī)定的這一種結(jié)構(gòu)。
光纖26的輸出被送至檢偏器30，檢偏器30觀測(cè)偏振的兩個(gè)主正交態(tài)間的干涉，并把檢偏后的信號(hào)送至檢測(cè)器32，此信號(hào)代表著偏振態(tài)與功率的關(guān)系。檢測(cè)器32把光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。在別的方法中，也可以用偏振計(jì)。鎖定放大器34是一個(gè)同步相位電壓計(jì)，它把斬波或調(diào)制的光信號(hào)解調(diào)，供信號(hào)處理之用。計(jì)算機(jī)36提供電子信號(hào)處理及設(shè)備控制功能。干涉的特征與延時(shí)線20的延時(shí)設(shè)定之間關(guān)系，用一標(biāo)準(zhǔn)的計(jì)算機(jī)36確定并貯存。
圖2表示本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例，其中偏振模色散測(cè)量?jī)x有一人造體60耦合到待測(cè)光纖56的輸出。在圖2中，光源50把光送至起偏器52，通過(guò)接頭54耦合進(jìn)侍測(cè)光纖56。接頭58把待測(cè)光纖56的輸出耦合到人造體60。檢偏器62分析光的偏振態(tài)，用光譜分析器或單色儀64測(cè)量偏振透射對(duì)光波長(zhǎng)的關(guān)系。計(jì)算機(jī)68執(zhí)行付里葉分析及設(shè)備控制功能，并執(zhí)行偏振模色散的計(jì)算。
人造體60產(chǎn)生已知的、穩(wěn)定的偏振模色散。它將保證偏振模色散測(cè)量的輸出在特定時(shí)間T上有一已知峰。圖2的實(shí)施例中，人造體60可以是一雙折射器件，它可以是一雙折射波片、雙折射光纖或其他雙折射器件。時(shí)間T是快偏振模與慢偏振模間的時(shí)間差，或簡(jiǎn)單地說(shuō)就是人造體60的偏振模色散。在其他供選擇的實(shí)施例中，人造體60也可以是反射或透射器件，它給出已知的、穩(wěn)定的隨波長(zhǎng)作正弦變化的功率響應(yīng)，代表著該人造體的插入損耗譜。兩種人造體的一個(gè)例子是包括干涉儀在內(nèi)的法布里-珀羅標(biāo)準(zhǔn)具。功率對(duì)波長(zhǎng)的正弦響應(yīng)給出在時(shí)間T的一個(gè)表現(xiàn)偏振模色散峰，對(duì)應(yīng)于人造體已知的、穩(wěn)定的插入損耗譜。
比較圖3a與圖3b兩曲線，說(shuō)明本發(fā)明添加的人造體28(圖1)或人造體60(圖2)如何極大地改進(jìn)圖1與圖2所示偏振模色散測(cè)量?jī)x的分辨率。在圖3a和3b兩個(gè)圖中，橫軸是時(shí)間，縱軸是偏振模色散值。如圖所示，雜散響應(yīng)用虛線畫出，測(cè)量結(jié)果用實(shí)線畫出。當(dāng)偏振模色散值接近零時(shí)，有許多效應(yīng)產(chǎn)生的誤差比偏振模色散值還大。這些雜散響應(yīng)來(lái)自光損耗及其他光學(xué)缺陷或光源的相干性。這類響應(yīng)給出的結(jié)果與低數(shù)值的偏振模色散混合在一起。從而使偏振模色散值產(chǎn)生偏差。如圖3a所示，在現(xiàn)有技術(shù)的偏振模色散測(cè)量?jī)x中(沒(méi)有人造體28或60)，通過(guò)計(jì)算特征信號(hào)(實(shí)線)的寬度，例如均方根寬度來(lái)定出待測(cè)光纖的偏振模色散。但是，雜散響應(yīng)與測(cè)量結(jié)果混在一起，使偏振模色散值產(chǎn)生偏差。
與此截然不同，本發(fā)明的偏振模色散測(cè)量?jī)x，其基本偏振模色散特征信號(hào)，經(jīng)人造體28或60的作用，從零點(diǎn)移至?xí)r間T，如圖3b所示。雜散響應(yīng)沒(méi)有與測(cè)得的色散互相影響。如圖3b所示，在計(jì)算測(cè)量峰的寬度，如均方根寬度時(shí)，雜散響應(yīng)并不影響偏振模色散的測(cè)量。
圖4表示按照本發(fā)明，對(duì)偏振模色散進(jìn)行校準(zhǔn)。光路中不包含待測(cè)光纖。光路中包含人造體106，它接收寬帶光源100經(jīng)起偏器102通過(guò)接頭104送來(lái)的光。接頭108把人造體106的輸出耦合到檢偏器110，檢偏器110的輸出送測(cè)量裝置112分析，測(cè)量裝置112包括光譜分析器或單色儀和計(jì)算工具114，計(jì)算工具114按照對(duì)圖2所作說(shuō)明中相關(guān)原理工作。人造體104把測(cè)得的偏振模色散從零點(diǎn)位移。測(cè)得的偏振模色散與人造體104的偏振模色散已知值作比較。比較結(jié)果可用多種方法加以評(píng)估。于是圖4系統(tǒng)被校準(zhǔn)，輸出一個(gè)與人造體104已知值對(duì)應(yīng)的特定電信號(hào)。此外，這一操作還提供了最新的方法用于制造廠校準(zhǔn)或定期的野外標(biāo)準(zhǔn)。這一方法也可用在WS付里葉法和WS周期計(jì)數(shù)測(cè)量法，這些測(cè)量方法前面已討論過(guò)。
再者，還有供波長(zhǎng)掃描法用的校準(zhǔn)技術(shù)，該技術(shù)用波長(zhǎng)透射或反射器件作人造體。在此情況下，根據(jù)對(duì)圖2所說(shuō)明的原理，偏振模色散儀在時(shí)間T產(chǎn)生一個(gè)偏振模色散的特征信號(hào)，此信號(hào)等價(jià)于人造體穩(wěn)定的已知插入損耗譜。上述技術(shù)可以使熟悉本領(lǐng)域的人員，提出許多不同的高分辨率測(cè)量裝置實(shí)施例，這些裝置均采用波長(zhǎng)透射器件作為人造體。
由此可見，前面提到的各個(gè)目的，已從上面的說(shuō)明中闡述清楚，且已有效地達(dá)到，由于可以對(duì)上述結(jié)構(gòu)作某些改變而不偏離本發(fā)明的范圍，我們認(rèn)定，上面說(shuō)明中或附圖中所示的所有事實(shí)，應(yīng)被視作例證，而不具限制意義。
還應(yīng)理解，下述權(quán)利要求書應(yīng)認(rèn)為覆蓋此處描述的本發(fā)明所有一般的和特有的性能，按照語(yǔ)義，關(guān)于本發(fā)明范圍的所有陳述理應(yīng)包括在內(nèi)。
權(quán)利要求
1.高分辨率測(cè)量光纖偏振模色散的方法，包括的步驟有提供帶光源的偏振模色散測(cè)量?jī)x；提供待測(cè)光纖；將人造體與待測(cè)光纖串接，人造體有穩(wěn)定的已知偏振模色散值；使光源射出的光通過(guò)人造體及待測(cè)光纖；利用已從偏振模色散零值位移的偏振模色散測(cè)量?jī)x，測(cè)量其位移的偏振模色散值；從測(cè)得已位移的偏振模色散值，確定光纖的偏振模色散。
2.按照權(quán)利要求1的方法，其中包括提供利用干涉測(cè)量技術(shù)的偏振模色散測(cè)量?jī)x。
3.按照權(quán)利要求2的方法，其中的人造體是雙折射器件。
4.按照權(quán)利要求3的方法，其中雙折射器件是雙折射波片或雙折射光纖。
5.按照權(quán)利要求1的方法，其中偏振模色散測(cè)量?jī)x使用波長(zhǎng)掃描付里葉方法。
6.按照權(quán)利要求5的方法，其中人造體是雙折射器件。
7.按照權(quán)利要求5的方法，其中雙折射器件是雙折射波片或雙折射光纖。
8.按照權(quán)利要求5的方法，其中人造體是依賴于波長(zhǎng)的透射式器件。
9.按照權(quán)利要求5的方法，其中人造體是依賴于波長(zhǎng)的反射式器件。
10.按照權(quán)利要求1的方法，其中提供人造體的步驟還包括提供或有已知波長(zhǎng)依賴透射特性的或有已知波長(zhǎng)依賴反射特性的人造體。
全文摘要
提出一種高分辨率測(cè)量光纖偏振模色散的方法,該方法包括的步驟有:提供帶光源的偏振模色散測(cè)量?jī)x;提供待測(cè)光纖;與待測(cè)光纖串接一人造體,此人造體有穩(wěn)定的已知偏振模色散值;使光源射出的光通過(guò)人造體及待測(cè)光纖;利用已從偏振模色散零值位移的偏振模色散測(cè)量?jī)x,測(cè)量位移的偏振模色散值;從測(cè)得已位移的偏振模色散值,確定光纖的偏振模色散。
文檔編號(hào)G01M11/00GK1196793SQ96194853
公開日1998年10月21日 申請(qǐng)日期1996年5月17日 優(yōu)先權(quán)日1995年5月19日
發(fā)明者特里·L·沃特斯 申請(qǐng)人:阿爾卡特爾電信電纜公司