[发明专利]适用于生产环境中测量偏振模色散的系统和方法

说明书

本发明要求享有1999年3月31日提交的美国临时申请No.60/127,107的权益。

发明背景

1、发明领域

本发明一般涉及光学测量的设备和方法，特别地涉及在这种测量中测量双折射作为差分群时延的设备和方法。

2、技术背景

光纤是长距离电信系统良好的传输介质，因为它具有很大的带宽(即数据装载能力)、良好的抗噪声干扰性能和相对低的成本。二氧化硅光纤中的衰减已降低到如此的低，使得传送数据在几百公里上而无须放大器和转发器。在相对短距离上光纤通信系统的数据载送能力，很大程度上由发射机和接收机中所使用的电子装置和光电子器件的速度所支配。当前大多数先进的市场上可获得的光学接收机和发射机限于10Gb/s，尽管有望达到40Gb/s。

但是，长距离的电信系统中，各种色散限制着有用的带宽。较大截面的圆柱光纤可传送若干种呈不同空间功率分布的波导模式。基本模式和高阶模式之间的传播速度由于被称为模色散的影响而有不同。发射机传送到光纤上的光信号一般包含光纤所支持的全部模式的分布。由于模色散，在通过一长段光纤之后，不同模式将以稍有不同的时间到达接收机。传输速率受到沿传输长度累积的色散所限制。

为避免模色散，长距传输的最先进光纤通信系统有赖于单模光纤。在具有纤芯和包层的简单光纤的情况下，单模光纤的纤芯是如此之小，加之纤芯和包层间的不同折射率使得该光纤只支持基本模式。所有高阶模式很快衰减在长距电信的距离上。对于成型光纤或具有多包层光纤的说明将更复杂，但如何制造和测试单模光纤是大家熟知的。

圆对称单模光纤事实上支持两种基本模式，对应于最低阶模式的两种偏振状态。为较好的近似，这两种最低阶模式在光纤面圆形几何尺寸中简并并具有相同的传播速度，因此没有偏振有关的色散。但如后所说明的，在真实光纤中会出现偏振有关的色散。

在过去，单模光纤的长距离上高比特率传输受到色散(或表征为群速色散)的限制。装入光载波信号的数据信号使得光信号具有有限的带宽，不管认为是由脉冲信号的谱分解或是由模拟信号的数据带宽所产生的。光信号的传输速度或传输常数一般主要依赖于纤芯的折率且随光频率而变。结果光信号的不同频率分量以不同的时间到达接收机。通过接近零色散波长(对二氧化硅约为1300nm)来工作或用补偿色散的其他方法可使色散最小。

尽管是圆对称设计的，真实光纤一般是双折射的。这意味着两个最低阶轴模并不简并，任何点上光纤可表征为具有快轴和慢轴。以其电场矢量分别对准光纤的快轴和慢轴通过光纤的两种模式将相对较快或较慢地传播。结果通过光纤的信号的群速是光信号偏振状态的函数。双折射可由内部或外部源产生。光纤拉制时会稍有物理上的非圆度。光纤会被安置成有弯曲、侧负荷、各向异性应力或扭曲施加于其上。由于两个模式的耦合也因光纤扭曲、弯曲或其他原因而产生，故双折射相互作用是复杂的。耦合使能量在正交模式间传送。但是即使有模式耦合，群延迟继续扩大，导致显著的偏振模式延迟或偏振模色散(PMD)。模式耦合的原因并不完全了解，但通过随机产生模式耦合位置的统计模型以这些位置之间的平均距离(模式耦合长度)来建模，平均距离一般设在5m和100m之间。正确的模式耦合长度取决于光纤配置，且通常不是本征光纤双折射的特性。

据估计在10Gb/s以上时，偏振模式色散对光纤位速率的限制要大于其他色散。还由于引入复合的二阶失真和信号衰落，偏振模式色散也使有线电视(CATV)系统降低性能。

某些光纤生产商拉制光纤时加上小的连续的扭曲，从而生产上的各向异性使快和慢模式总是不对准传播模式。由此两模式间的传播延迟的差异被缩小，得到减小了的PMD。在长距离上减小净PMD的进一步技术是周期性地反转生产中的扭曲方向。

过去，偏振模式色散已处理为需要统计说明的时间有关的量。对低张力绕在大直径卷轴上的长度长的(1km或以上)光纤已作了PMD测量。较大张力地绕在较小船形卷轴(shipping spool)上而引入弯曲和应力影响着双折射和模式耦合，从而影响所遭受的平均PMD。然而，建立这种测试需要时间和资源。而且从船形卷轴或生产线上切下1km光纤段在其他方面也不能采用，测试1km光纤的损耗，对于标准25km卷轴来说它是4％的损耗。

因此，需要测试在实际环境中预期遭受的偏振模式色散的影响，而不须去测试长度长的光纤。还需要以正确和确定的方式测试偏振模式色散的影响。

发明内容

本发明包括测量光纤中偏振模式色散、最好使定量为两基本偏振模式间的差分群延迟的方法和装置。