GB T 18900-2002 单模光纤偏振模色散的试验方法.pdf

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1、ICS 33. 180. 10 M 33 中华人民共和国国家标准GB/T 18900-2002 单模光纤偏振模色散的试验方法Test methods for polarization mode dispersion of single-mode optical fibres CITU-T G. 650: 2000 , Definition and test methods for the relevant parameters of single-mode fibres , NEQ) 2002-12皿04发布中华人民共和国国家质量监督检验检瘦总局2003-05-01实施发布GB/T 18900

2、-2002 目次田言. 1 1 范围2 规范性引用文件3 定义4 缩略语25 斯托克斯参数测定(SPE)法.3 6 偏振态(SOP)法7 干涉(lF)法98 固定分析器(FA)法四附录A(资料性附录)琼斯矩阵本征分析法测量PMD的原理和过程.19 附录职资料性附录)从干涉图确定PMD时延的一种方法 21 GIf/T 18900-2002 前言本标准与国际电信联盟建议ITU-T G. 650: 2000 , Definition and test methods for the relevant pa rameters of single-mode fi bres中2.7节偏振模色散的试验方法的

3、一致性程度为非等效。本标准的附录A、附录B为资料性附录。其中，附录A修改采用IEC/TS61941: 1999 , Polariva tion-mode dispersion measurement techniques for single叩modeoptical fibres的附录E，附录B修改采用ITU-T G. 650: 2000 , Definition and test methods for the relevant parameters of single-mode fibres的附录E。本标准由中华人民共和国信息产业部提出。本标准由信息产业部电信研究院归口。本标准起草单位:武

4、汉邮电科学研究院。本标准起草人:陈永诗。I GB/T 18900-2002 单模光纤偏振模色散的试验方法1 范围本标准规定了单模光纤偏振模色散(PMD)的基准试验方法(RTM)和替代试验方法(ATM)，规定了对试验装置、注入条件、测量程序、计算方法、结果的统一要求。本标准适用于GB/T15972. 1中规定的B类未成缆和已成缆单模光纤。2 规范性引用文件下列文件中的条款通过本标准的引用而成为本标准的条款。凡是注日期的文件，其随后所有的修改单(不包括勘误的内容)或修订版均不适用于本标准，然而，鼓励根据本标准达成协议的各方研究是否可使用这些文件的最新版本。凡是不注日期的引用文件，其最新版本适用于本

5、标准。GB/T 15972. 1光纤总规范第1部分总则(GB/T15972.1-1998, eqv IEC 793-1-1:1995) 3 定义下列定义适用于本标准。3. 1 偏振模色散polarization mode dispersion 偏振模色散是两个正交偏振模之间的差分群时延(DGD)，它在数字系统中引起脉冲展宽，在模拟系统中引起信号失真。3.2 主偏振态principal state of polarization 对于在给定时间和光频上应用的单模光纤，总存在着两个称之为主偏振态(PSP)的正交偏振态。如果当一准单色光仅激励一个PSP时，不会发生由于PMD引起的脉冲展宽;当一准单色

6、光均匀激励这两个PSP时，将发生由于PMD引起的最大脉冲展宽。光纤输出的PSP是两个正交偏振态。当输入光波频率稍微变化时，输出偏振并不改变，相应的输入正交偏振态是输入主偏振态。注1:由于本地双折射随光纤长度变化，所以PSP随光纤长度而定。注2:PSP是取决于时间和光频的随机复数矢量。然而按照定义，存在一个称之为PSP带宽的窄频范围，在这个范围内，PSP实际上可认为是恒定的。3.3 差分群时延differential group delay DGD是两个PSP之间群时延的时间差，一般用ps为单位。3.4 偏振模色散差分群时延PMD differential group delay 下面三种偏振模

7、色散差分群时延定义在所有实际情况下，被认为在所能达到的测量重复性之内是等效的。a) 二阶矩偏振模色散差分群时延PSsecond moment PMD differential group delay PS 二阶矩偏振模色散差分群时延定义为，当一准单色光窄脉冲注入到光纤经传输后，忽略波长色散的影响，在光纤输出端输出脉冲中光强分布I(t)的均方差的2倍，即:GB/T 18900-2002 PS = 2 C (2 -10 km 可o.133 ps (0. 042 psl ji(ill ) 1508 1524 1540 1557 1573 1589 波长/nm(b)非色散位移单模光纤SMF(强模藕合)

8、图5偏振态法测量PMD的两个示例6.6 结果a) 测量结果报告应包括下列内容:1) 试验名称;2) 试样识别号;3) 试样长度;的PMD值(ps)和偏振模色散系数PMDc值(ps/km或ps/vk画); 5) 测量渡长范围、波长间隔、取样点数;6) 偏振模榈合类型;7) 试验日期和操作人员;的环境温度和相对湿度。b) 报告中也可包括下列内容:1) 试验装置;2) 试样配置条件。7 干涉(lF)法7. 1 概述于涉法是测量单模光纤PMD的第2替代试验方法。当测量处于运动状态中的光缆时(例如OPGW、ADSS光缆)，干涉法可以作为基准试验方法。它的测试原理是，当光纤一端用宽带光源照射时，在输出端测

9、量电磁场的自相关函数或互相关函数，从而确定PMD。在自相关型干涉仪表中，干涉图具有一个相应于光源自相干的中心相干峰。测量值代表了在测量波长范围内的平均值。在1310 nm 或1550 nm窗口，波长范围典型值是60nm至80nm。干涉法的主要优点是测量速度快，测量设备体积小，特别适合于现场使用。本方法与偏振模稠合程度无关，适用于短的和长的光纤。但该方法仅限于波长大于或等于光纤有效单模工作的波长。9 GB/T 18900-2002 7.2 试验装置测量时可以使用迈克尔逊型(Michelson)干涉仪或马赫一曾泽尔(Mach-Zehnder )型干涉仪;参考通道可以是空气通道，也可以是一段单模光纤

10、;它们可放在光源端，也可放在探测器端。典型装位置的例子如图6、图7和图8所示。LED 连接器或接头光束分离器延时线固6用光纤作参考通道的迈克尔逊型干涉仪法测量装置框圄、宽带光源今卜Pl巴臼/4 C土3光纤34:南;10。延时线!专光检测器凹.P2.P3.P4:偏振器可移动棱镜圈7用空气作参考通道的迈克尔逊型干涉仪法测量装置框圄偏振器/2 光束分离器反射镜矿山|立|光束分离器可移动棱镜条纹探测量量偏振器 圄8用空气作参考通道的马赫一曾泽尔型干涉仪法测量装置框固10 G/T 18900-2002 7.2. 1 光源应使用一只偏振的宽谱光源，例如一只后置偏振器的LED。光游、中心波长应位于1310

11、nm和/或1 550 nm窗口内。光源FWHM典型值为60nm至80nm，光谱形状应近似高斯分布，不存在可能影响自相关函数的波动。7.2.2 偏振器偏振器应对光源整个波长范围内的光偏振。7.2.3 光束分离器光束分离器用来将入射的一束偏振光分成两束光，使其分别在干涉仪的两个臂中传播。它可以是一只光搞合器，或一只直角光束分离器。7.2.4 检测器从被测光纤出射的光被稠合至一只光检测器中，它应具有适宜的信噪比。检测系统可包括具有斩波器/锁相放大器或相当可比技术的同步探测技术。7.2.5 数据处理设备应当使用一台具有合适软件的计算机来分析干涉图样。7.3 试样试样应为一段已知长度的未成缆或已成缆单模

12、光纤。在整个测量期间，被测试样和尾纤所处环境温度应保持稳定;应避免对光纤和光缆施加外部应力，它们的位置及其状态应保持固定，避免二者的运动。当减小附加模搞合是重要时，未成缆光纤应当用适当的方法来固定(通常是卷绕在最小半径为150 mm的光纤盘上)，光纤所受张力基本为零(典型值小于0.15N)。注:虽然试样一般都是一段光纤，但也可以是某一器件，这时测得的只是PMD值。7.4 测量步骤a) 将光游、通过偏振器糯合至光纤输入端，光纤输出端榈合至干涉仪输入端(如图6);或将光源通过透镜和偏振器藕合至光纤输入端，光纤输出端通过透镜和偏振器搞合至光探测器(如图7、阁的。可通过标准光纤连接器和接头，或通过一个

13、光纤对准系统来实现。若采用后一种方法，则应用折射率匹配油以避免反射。b) 将光洒、输出功率调节到与探测器特性相应的一个合适参考值。为得到足够的干涉条纹对比度，应使干涉仪两臂中的功率基本相同。c) 通过移动干涉仪两臂中的反射镜，记录光强来得到第一个测量结果。对于一选定的偏振状态，从得到的干涉条纹图按7.6的方法计算PMD时延。弱偏振模锢合和强偏振模搞合的干涉条纹图例子如图9所示。d) 在偏振模藕合不够或PMD较低的情况下，为了得到在所有情况下的平均结果，宜对不同的偏振态进行测量或在测量时对偏振状态进行调制。7.5 设备校准设备校准可用己知PMD时延的高双折射光纤、标准光纤或器件进行。7.6 计算

14、7.6.1 弱偏振模藕合弱偏振模祸合情况下，干涉条纹是分离的峰，两个伴峰相对于中心主峰的延迟都是对应于被测器件的差分群时延。对于这种情况，DGD等效于PMD群时延。式中z.l 光延迟线移动的距离;真空中光速。.r = 2.1/ c . ( 13 ) 11 GB/T 18900-2002 7.6.2 强偏振模辑合强偏振模藕合情况下，根据干涉图中干涉图样的宽度来确定PMD群时延。此时干涉条纹很接近。PMD时延!:r:从干涉图高斯拟合曲线参数得到:Ar=JZ . ( 14 ) 式中:F一一高斯曲线标准偏差。附录B给出了从干涉图确定PMD群时延!:r:算法的一个例子。对这个算法，测量范围典型值为O.1

15、100 肘，其它算法可允许较大测量范围。7.7 结果12 a) 测量结果报告应包括下列内容z1) 试验名称;2) 试样识别号;3) 光纤类型和试样长度;的PMD值(ps)和PMDc值(ps/km或ps/yIkID) ; 5) 测量波长范围p的偏振模捐合类型;7) 试验日期和操作人员;8) 环境温度和相对湿度。也因1. 2 1. 0 0.8 晤。.6司司0.4 0.2 1. 2 1. 0 0.8 倒0.6罢0.4-3.。一1.5 O. 0 1. 5 3. 0 (a) 八人人-3.0 -1. 5 0.0 1. 5 3.0 (c) (b) (d) PMD时延(ps)PMD延时(ps)国9对弱偏振模辑

16、合(上方)和强偏振模辑合(下方)光纤，分别用自相关型仪器(剖，(b)和互相关型仪器(c)，(d)测得的干涉条纹固b) 报告中也可包括下列内容:1) 试验装置，包括光源类型、波长、谱宽;2) 试样配置条件;3) 扫描范围内条纹特性图样。8 固定分析器(FA)法8. 1 概述GB/T 18900一2002固定分析器法又称波长扫描法，是测量单模光纤PMD的第3替代试验方法。它的测量原理是，当输入光偏振方向保持固定而波长变化时，输出光场PSP方向也会发生变化，通过一固定分析器(即检偏器)将SOP随波长的变化转化为具有峰谷起伏的输出功率随波长的变化，根据输出功率谱与群时延差的关系就可确定PMD。本方法能

17、在测量波长范围内(典型几百纳米)得到一个单次测量的平均值。本方法与偏振模搞合程度无关，适用于短的和长的光纤。但该方法仅限于波长大于或等于光纤有效单模工作的波长。8.2 试验装置固定分析器法测量PMD的试验装置如图10所示。80 囚斩波器起偏器c: 检偏器囚计算机锁相放大精光检测器(a) 光纤起偏器。检偏器宽带光源 光谱分析仪接头接头(b) 光纤偏振器。可调谐激光器., 偏振计(c) 圄10固定分析器法的试验装置8.2. 1 光源应采用一个能够产生期望测量波长上光的光源，例如:宽带白炽灯、发光工极管或可调谐激光器。在完成测量足够长的时间内，光源强度和光谱分布应保持稳定。8.2.2 单色仪用一台单

18、色仪作滤波器(如罔10(a)，或用一台光谱分析仪作检测器(如图10(b)来保持规定的测量波长。当光源为一可调谐激光器时(如图10(c)，则不需要滤波，光谱分布必须足够窄，以避免因被测光纤的PMD而发生信号消偏振。8.2.3 输入光学器件13 GB/T 18900-2002 可以采用单模尾纤或一个光学透镜系统来激励被测光纤。8.2.3.1 单模尾纤如果采用尾纤，应避免反射引起的干涉影响，要求使用折射率匹配液或成角度的切割面。8.2.3.2 光学透镜系统如果采用光学透镜系统，应当使用一些适当的方法，例如一真空吸盘来稳固地支撑光纤输入端。8.2.4 包层模剥除器为了从被测光纤中剥除包层模，应采用包层

19、模剥除器。大多情况下，光纤涂层折射率等于或大于光纤包层折射率，光纤涂层就可起到包层模剥除器的作用。8.2.5 输出光学器件输出光学器件应将被测光纤出射的全部功率藕合至偏振计中。例如一个光学透镜系统、一个与单模尾纤对接的接头或使用折射率匹配被将一个直接连到探测器的光纤与被测光纤搞合。8.2.6 信号检测系统信号检测应使用个光检测器。光检测器在完成测量所需的强度和时间内，应保持稳定和线性。一个典型的系统可包括由斩波器/锁相放大器和一台光检测器组成的同步检测系统，一台光谱分析仪或一只偏振计。检测系统适用波长范围必须能够覆盖光源波长范围。8.2.7 起偏器和检偏器当注入光为非偏振光时(通常消光比小于3

20、dB)，光纤输入端需要起偏器。起偏器的角度方位并不是关键，重要的是在整个测量期间应保持固定。弱偏振模桐合时，起偏器方向的调节可有助于图10a 系统增加振动幅度;在接头或连接器处旋转光纤也可达到同样的效果。当使用偏振计检测信号时，不需要检偏器。8.3 试样试样应为一段已知长度的未成缆或已成缆单模光纤。在整个测量期间，被测试样和尾纤所处环境温度应保持稳定;应避免对光纤和光缆施加外部应力，它们的位置及其状态应保持固定，避免二者的运动。可以通过测量固定波长上光纤在检偏器位置的输出功率监视试验环境的温度稳定性。在完成测量的时间内，输出功率的变化相对于波长增加产生的变化应是很小。当减小附加模捐合是重要时，

21、未成缆光纤应当用适当的方法来固定(通常是卷绕在最小半径为150 mm的光纤盘上)，光纤所受张力基本为零(典型值小于0.15N)。注:虽然试样一般都是一段光纤，但也可以是某一器件，这时测得的只是PMD值。8.4 测量步骤a) 将光源楠合至光纤输入端。b) 将光纤输出端藕合至检测系统。c) 适当调节单色仪、光谱分析仪或可调激光器，将各个指定试验波长的光依次注入光纤。波长选择既取决于指定的波长扫描范围，也取决于采用的分析方法。d) 保持注入条件和检测条件不变，当有检偏器时，对每一波长进行测量，记录对应的光功率PA();移开检偏器后，重复进行测量，记录对应的光功率PTOT(川。两种输出功率的比值记作:

22、PA () R() =一一一一( 15 ) PTOT() 一种替代的方法是，在测得PA()后并不移开检偏器，而是将检偏器旋转900，记录对应的光功率PROT()。这时R()可表示为:PA () R() _ _ ，_， A ( 16 ) PA () +PROT() e) 如果应用偏振计作为探测元件，则应测量归一化斯托克斯参数与波长的关系。这三个谱函数与接收功率无关，并通过用于R()的相同方法进行分析。然后用每一归一化的斯托克斯参数得到一个值。14 GB/T 18900-2002 f) 某些情况下，可能需要进行多次重复测量。8.5 计算与分析有两种计算PMD的方法可以应用。8.5.1 极值计数法(

23、EC)8.5. 1. 1 计算PMD和偏振模色散系数PMD。首先应以均匀的波长间隔来获得R(川，如图11所示。然后从R()曲线上获得在波长窗口(l2)之间的极值数目Eol 、2可选得与极值点相重合，但这时用于式(17)计算的极值数目应减1。平均差分群时延用下式计算:kE1? 1。对强模糯合，这一点尤为重要(例如图l1(b门，而在弱模搞合时，就不那么重要(例如图l1(a)oE的典型值为740。当E处于该范围下限时，E和PMD的误差都变大;处于上限时某些相邻的峰值可能不易分辨。理想情况下，扫描窗口应位于使用波长区域的中心，并且窗口应足够宽以保证对感兴趣的最大PMD值测试时E大于1008.5. 1.

24、 3 峰值识别在有噪声或强模藕合时，R()曲线上(如图l1(b)极值的识别可能更困难。峰值识别可用下面的算法:a) 为得到一条光滑曲线，用多项式拟合R()曲线上几个相邻的点pb) 将极值定义为光滑曲线的波长导数改变符号的点。注z需要时，能进一步改善极值识别的算法。8.5. 1. 4 光谱分解率为保证能分辨出光谱中的全部特征，光谱分辨率应满足下式t/ 0这个方法对弱偏振模藕合和强偏振模藕合光纤均适用。8.5.2.2 弱偏振模藕合光纤PMD的计算对弱偏振模搞合光纤(例如高双折射光纤)或一个双折射器件，R()类似一个惆瞅正弦波，如图11 (a)所示。傅里叶变换在对应于相应脉冲到达时间仕的位置，给出一

25、包含一离散尖峰输出概率分布P() ，它的矩心即是PMD值。为了确定离散尖峰的矩心 ，超过第二个预定阔值T2的那些点，典型地是设定在探测系统r.m. s.噪声电平的200%，被用于下式中z式中zAPe(&)8reJ =与三毛卡之oPe(&)JM 尖峰内超过毛的分布概率P的数据点数目减去L.( 20 ) 如果被测器件是一长度为L的光纤，则PMD系数可用式(4a)计算。如没有检测到尖峰(即:M二0)，则PMD为零。其他参数，如均方根尖峰宽度和尖峰峰值也可报告。如果被测器件包括一个或多个双折射元件，将产生多个尖峰。例如，对于n个串接光纤/器件，将得到20-1个尖峰。GB/T 18900一20028.5

26、.2.3 强偏振模辑合光纤PMD的计算在强偏振模搞合情况下，RC)的形状变得较为复杂，如图llCb)所示。准确的特性是基于对光纤光缆内模稠合过程的实际统计。傅里叶变换后得到了一个分布函数PC)，它代表了光脉冲到达时间仕的概率分布的自相关。从j=O算起，确定超过T1值CT1设定为探测系统均方根噪声电平的200%)P的最后一个点，该点后至少有X个点的P值落在T1以下，这个点代表了分布函数PC8r)中最后一个有意义的点，对强偏振模搞合光纤，它基本上不受测量噪声的影响，该点衍值用仕last表示，此时的j值用M仰表示。其PMD的(由这种分布的二阶矩平方根表示:主JYnPy(&)耐J1J1(=R = -=

27、主斗 ( 21 ) LLLOFy(衍)J J 式中:M飞一一超过T1值P的最后一个点的j值。图12给出了对强偏振模捐合光纤傅里叶变换的例子。0.05 0.045 0.04 0.035 4Na , Ij = lj -1。.( B.4 ) B.3 计算干涉固的中心CB.4 移去中心自相关峰定义:J，为使得的最大序数J;定义:Jr为使得的最小序数j。式中是光糠的相干时间。如果12-1。运4Na，Ij= 0 C= 仙/IjC-tjc t，-Cc 注:对于互相关于涉图，应该使用以下定义:jr: = j，十1B.5 计算干涉固的二阶矩s = ; 屿(tj一川/主们Jj(tj一川B.6 将干涉固处理设:jm

28、in为使得.(B. 5) .( B.6 ) .( B.7 ) .(B. 8) ( B. 9 ) 21 GB/T 18900-2002 c- tj 2S .(B. 11) 的最大序数;设:Jrnax为使得tj - C 2S .( B. 12) 的最小序数j。B.7 计算处理后干涉固的二阶矩矶.=I去(tj一川/土机j艺创一川/去Ij. . . (且13)=Jmin )=Jmin J=)r J=Jr B.8 计算高斯分布的标准偏差ju一队SJTX川)2户。2/24ixe仕的2.(B. 14) B.9 确定PMD时延AA=Jt ( B. 15 ) U于适当阳干涉图，也可表示成:子在，民与的比值是一恒

29、定数，这就允许删替代算法。22 1. 2 1. 0 :tji/tJ 啦iI 0.4 0.2 镜子位置Ij(ps) 固B.1干涉固及其分析参数NOON-00户同筒。华人民共和国家标准单模光纤偏振模色散的试验方法GB/T 18900-2002 国出l9唔中国标准出版社出版北京复兴门外三里河北街16号邮政编码:100045电话:68523946中国标准出版社秦皇岛印刷厂印刷新华书店北京发行所发行各地新华书店经售68517548 峰印张1%字数46千字2003年5月第一次印刷开本880X12301/16 2003年5月第一版印数1-1500 兴定价15.00网址书号:155066. 1-19363 7c 奇峰640-275 版权专有侵权必究举报电话:(010)68533533科目GB/T 18900-2002