光纤通信系统中PMD、PDL的测量技术
引言
光纤通信自问世以来，因其通信容量大、传输距离长、重量轻、抗电磁干扰能力强，资源丰富、环保等优越性，已成为当今通信网络的中坚力量。在高速通信系统中，光纤通信因其传输稳定性高，传输容量大，而得到了广泛应用。
近年来，随着人们对通信带宽需求的迅速增长，光纤通信骨干网上单通道传输速率一直在朝着高速率、大容量和长距离的方向发展。40Gb/s光纤通信系统的商业部署业已展开。国际上，上世纪末就已开始40Gb/s光纤通信的研究。美国Mintera公司成功地进行了10000公里的40×40Gb/s WDM系统试验。2004年6月美国的MCI、Ciena和Mintera三家公司在MCI现有的1200公里通信线路上联合进行了40Gb/s WDM系统试验。2006年3月，日本电信公司和朗讯也联合在东京地区进行了40Gb/s的现场试验。
“十五”期间，烽火科技等国内4家单位共同承担了国家“十五”科技攻关项目“40Gb/s SDH (STM-256)光纤通信设备与系统”，对40Gb/s SDH光纤通信系统及其关键光电子器件进行了研发。取得了重大突破性进展：成功研制了世界上第一个符合ITU-T标准的STM-256帧结构的40Gb/s SDH设备。实现了在常用G.652和G.655光纤上560公里无误码传输，并通过了长期稳定运行测试。
在40Gb/s光纤通信系统部署之后，100Gb/s 乃至更高速率的系统商业化部署也将为期不远。但是，这些系统的部署在很大程度上受限于偏振模色散效应。同时，其它影响光纤通信系统的因素也逐渐显露出来，如光纤损耗、偏振相关损耗、非线性等。本文针对偏振模色散和偏振相关损耗的测量综述了几种简单易行的办法，并通过应用实例介绍了Jones矩阵特征分析法和Mueller矩阵法的测量原理、方法及步骤，以解决相关损耗对光纤通信系统性能的影响。
偏振模色散和偏振相关损耗
1.偏振模色散（Polarization Mode Dispersion，PMD）
在理想圆对称纤芯的单模光纤中，光的两个正交偏振态具有相同的传播速度，并且是互相简并的。但实际上光纤总有某种程度的不完善，如在光纤制造工艺中，光纤纤芯的椭圆变形，或在使用过程中，光纤的扭曲、挤压、环境温度、电磁场、振动等外界因素，使得偏振态之间不完全简并，传播常数不同，导致两个偏振态的传播速度不同。造成模式之间的差分群时延（Differential Group Delay，DGD）。这种现象就称为偏振模色散，如图1所示。
图1 单模光纤中的偏振模色散
2. 偏振相关损耗（Polarization Dependent Loss，PDL）
偏振相关损耗定义为不同偏振态通过待测器件后最大功率与最小功率的比值。PDL指损耗特性与偏振态相关，不同偏振态的损耗不同，体现了一个器件对偏振态的敏感度，现已成为光纤通信领域的一项重要指标。
3. 偏振模色散和偏振相关损耗对光纤通信系统的影响
日益增长的巨大信息传输需求推动了网络的不断演进，促使光纤通信系统的带宽不断增加，距离不断延长。原本微小的PMD在信号的传输过程中不断积累，对光纤通信系统产生了不容忽视的影响，损害了系统的传输性能，限制了系统的传输速率和距离。单模光纤中非均匀的折射率分布引起相互垂直的本征偏振模以不同的速度传输，它在模拟系统中产生高阶畸变效应和与偏振有关的损耗，导致非线性效应。在数字通信系统中，造成脉冲失真变形，增大了码间干扰，使误码率上升，从而降低了系统的传输距离，限制了系统的传输带宽。在40Gb/s及更高速率的数据传输网中，PMD已成为限制系统性能的主要因素。
PDL对于光器件的表征至关重要，实际上，每个器件都表现为一种偏振相关传输。由于传输信号的偏振不仅仅是局限于光纤网络之内，因此器件的插入损耗随偏振态而异。这种效应会沿传输链路不可控制地增长，对传输质量带来严重影响。个别器件的PDL会在系统内造成大的功率波动，提高了系统的比特错误率，甚至会导致网络故障。结合PMD，PDL可能成为脉冲失真和扩散的主要来源。
偏振模色散和偏振相关损耗的测量
当光纤通信系统的传输速率越来越高，传输距离越来越远时，PMD及PDL已成为亟待解决的问题。对它们进行实时有效的测量，是解决其对光纤通信系统影响的第一步。
1. 偏振模色散（PMD）的测量
PMD是在一定时间和波长范围内，或在指定波长的某个时间窗口上的平均时延，与时间相对无关，具有确定性。PMD的测量方法主要有Jones矩阵特征分析法、干涉测量方法和波长扫描法等。
a) Jones矩阵特征分析法
用Jones矩阵分析法可以得到被测光纤中与PMD有关的许多重要参数，如偏振度（Degree of Polarization，DOP）、Stokes参数、DGD及PDL等；而且Jones矩阵分析法的测量范围大，可测量的色散时延范围为0.005~400ps；另外，测得的数据还可以计算得到二阶PMD，甚至更高阶的PMD。它是测量PMD的代表方法，缺点在于对测试条件和测试设备要求比较高。
b) 干涉测量法
干涉法用于单模光纤或光缆的PMD平均值。其特点是：测量精度较低，最小可测量PMD达0.03ps，但测试速度较快，且与波长无关，测试过程中光纤必须被固定住。在模耦合比较弱时，PMD时延由被测光纤的差分群时延，即从中心位置延迟的两个干涉峰的间距决定，此时，DGD等效于PMD时延；在模耦合较强时，PMD时延以干涉条纹图为基础，由干涉图的高斯拟合曲线的宽度参数，即高斯曲线的标准偏差确定。
c) 波长扫描法
波长扫描法也是单模光纤PMD测量方法之一。按频谱和时域的不同分为极值数计算法和傅立叶变换法。极值数计算法测量PMD是通过一定频率范围内功率比曲线的极值数来计算。傅立叶变换法是利用傅立叶变换直接得到光纤的PMD。这两种方法的优点在于无论是实验仪器还是数据分析上都很简单易行。但测量结果是平均的PMD，有关DGD与波长的变化关系的信息完全被掩盖，并且测量期间需要固定住光纤。
d) 应用实例
以美国通用光电公司（General Photonics）的PSGA-101为例，说明Jones矩阵特征分析法测量PMD的方法与步骤。
测试设备示意图如图2，一般包括可调谐激光光源（Tunable Laser Source，TLS）、被测器件（Device Under Text，DUT）、偏振态发生（Polarization State Generator，PSG）及偏振态分析（Polarization State Analyzer，PSA）。
图2 测试设备示意图
使用Jones矩阵特征分析法的方法与步骤：
♦使用TLS设置第一个波长λ1；
♦ 设置三种不同的输入偏振态：线偏振0°、45°和90°；
♦测量DUT之后的偏振态；
♦计算λ1的琼斯矩阵MJ(λ1)；
♦ 从[MJ(λ1)]*T MJ(λ1)中确定PDL1；
♦对下一个波长λ2重复这一过程；
♦从MJ(λ1)和MJ(λ2)中确定DGD1；
♦ PMD是覆盖所有λ的DGD的平均值。
Jones矩阵特征分析法的特点是：测量精度较高，最小可测量的PMD达0.005ps，但测试速度较慢，且与波长相关，测试过程中光纤必须固定，不能移动；该测试方法是实验室测试PMD的首选；同时也适合用于工程上光纤PMD测试的现场应用。
PSGA-101是一台基于磁光偏振产生和分析技术研制出的高级偏振测量仪，如图3所示，能精确测量光纤通信系统输出光的偏振相关特性，并且可有效的实现偏振态发生与分析；偏振消光比（Polarization Extinction Ratio，PER）、PMD和PDL的测量等多项功能。当输入的光功率大于-10dBm时，PER的动态范围大于40dB，精度为±2°。PMD和PDL的测量范围和精度在下面的具体应用中进行介绍。
图3 PSGA-101
使用PSGA-101测量PMD时，测量设备如图4所示。可采用其内部自带的可调谐激光器（Internal Tunable Laser，TLA），也可采用外部的可调激光器（External Tunable Laser Source，TLS）。被测的光纤需要被固定住，否则光纤晃动将影响偏振态，降低测量结果的精度。
图4 PMD测量设备
使用PSGA-101自带的可调谐激光器TLA时，它可用作独立的光源，亦可连接PSGA的其它模块来使用。它输出的激光波长不能连续调谐，但包含覆盖C波段的89个离散波长通道，波长范围：1528~1563nm，通道最小间隔：50GHz。当TLA输出波长为1550nm，λstep=10nm时，PMD的分辨率为1fs，重复测量精度为2fs，测量范围为2fs~10ps。
使用外部的可调谐激光器TLS时，法国Yenista公司研制的TUNICS-T100S可调激光器是最佳选择之一。它是一款高性能的台式可调谐激光光源，应用于光纤测试系统等领域，如图5所示。T100S具有宽达150nm的波长调谐范围，覆盖C+L波段，1pm的波长分辨率；高达+8dBm的输出功率，且无ASE噪声，可实现高动态范围测量；无跳模的主动控制，确保精确的无跳模操作以及在整个范围内准确的波长扫描。当T100S输出波长为1550nm，0.01nm< λstep <10nm时，PMD的测量范围达2fs~400ps，分辨率为1fs，重复测量精度为2fs。
图5 TUNICS-T100S
2.偏振相关损耗（PDL）的测量
当前主要有两种PDL测量方法：确定性方法和不确定性方法。确定性方法是从DUT的Mueller测试矩阵中推导出PDL；测量DUT在一系列输入偏振状态下的传输属性得到测试结果。非确定性方法则是测量DUT在大量输入偏振状态下的最大和最小传输值。
a) 偏振扫描法
偏振扫描法属于非确定法，是一种相对测量法。其实际测量值反应的是光功率随入射光偏振态变化的偏差值。在所测得的功率值中，最大值与最小值之差就是PDL。但是，无法从测定的功率值上确定功率的变化是由DUT的PDL造成的，还是由源输出功率的波动所造成。因此，要想获得准确的测量结果，就必须保持高水平的功率稳定性。
b) Mueller矩阵法
Mueller矩阵法是一种确定性方法，是基于Mueller-Stokes计算的方法。对于这种方法，PDL是通过测量四种偏振状态下的传输值而得到的，因此测量者可使用一个连续可调激光源以扫频的方式进行波长相关测量。然后，记录每种偏振状态中的波长传输数据，使用Mueller矩阵法计算得出DUT的波长PDL。
c) 应用实例
这里仍然以PSGA-101为例，说明Mueller矩阵测量PDL的原理。
对于每一个在测量设备中指定的波长，通过测量DUT输出光的偏振态得到DUT的Mueller矩阵。
如果DUT的Mueller矩阵为：
那么，PDL由下面的公式计算得出：
使用PSGA-101测量PDL的装置与测量PMD的装置相同，如图4所示。可采用T100S作为PDL测量的光源。它输出的激光不仅连续可调、相当稳定，而且具有波长扫描功能，扫描速度为1~100nm/s，非常适合用来测量光纤系统中的PDL。当输入光功率大于-10dBm时，PDL测量范围为0~40dB，重复测量精度为0.02dB。
总结
随着时代的发展，人们对高速、大容量光纤通信系统的需求越来越高，特别是对速率高于40Gb/s的商用系统。然而，PMD与PDL限制了光纤通信系统传输容量和距离。这已成为目前国际上光纤通信领域研究的热点。要解决PMD与PDL对光纤通信系统的影响，就必须先对其进行实时有效的测量，从而提出可靠的解决办法。本文综述了PMD与PDL的几种测量方法，并通过应用实例介绍了Jones矩阵特征分析法和Mueller矩阵法的测量原理、方法及步骤，为提出针对PMD与PDL影响光纤通信系统的补偿方案奠定了基础。