基于波长扫描法的光纤偏振模测试系统的研究

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3.0 陈辉 2024-11-19 5 4 865.09KB 45 页 15积分

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摘要

随着光通信技术的进步，光通信迅速向高速率，大容量方向发展，单模光纤

的偏振模色散（PMD）对光通信容量的发展的限制越来越明显。因此，PMD 已成

为单模光纤的必测参数之一。本文介绍了光纤偏振模的成因，并具体分析了其对

通信系统产生的影响。在讨论了 PMD 各种测试方法的基础上，着重阐述了基于波

长扫描法的光纤偏振模测试系统，分析了该种方法的理论依据、原理及测试系统。

在该套测试系统中：利用步进电机细分技术实现了单色波长的获取；采用基

于晶体生长技术研制而成的偏振器实现了宽波长，高消光比，低插入损耗，小型

化的偏振系统；利用锁相放大器实现了微小信号的放大，并采用锁相环技术对锁

相频率进行精确控制，使其频率波动在±2Hz 之内，且可自动调节；利用以 89C51

为核心的单片机系统实现了步进电机、锁相放大器，A/D 采样的控制，并利用串行

口技术，实现了多机通讯，完成上位机与下位机之间信号与数据的传输。基于 VC6.0

软件编制的操作系统，不仅采用算术平均法、多项式拟合等数学方法实现了光纤

PMD 值的精确测试，而且非常便于操作者进行信号输入，图像处理、数据采集、结

果打印及回显等各种操作。

文章还结合了光纤的特性，对测试结果的合理性及真实性进行了具体分析，

通过对标准件、标准光纤及国外同类测试仪器的性能指标的分析表明，本文所阐

述的光纤偏振模测试系统具有较高的精度，较好的测量重复性及良好的可靠性，

能满足广大生产厂家和试验部门的实测要求。

关键词：偏振模色散 PMD 测试仪差分群时延波长扫描法

Abstract

With the progress of optical communication technology, which develops toward

high velocity and large capability, the Polarization Mode Dispersion(PMD) in

single-mode optical fibers become restriction more and more obviously for the

development of the capability of optical communication. Therefore, PMD is one of

indispensable parameters measured for single-mode optical. The cause of formation of

optical polarization-mode dispersion was discussed in detail in this paper, and also its

influence on communication system. After discussion of many kinds of testing methods

about PMD, the testing system based on wavelength scanning is emphasized, and the

theory foundation and principle of this method is also analyzed.

In this testing system, the monochrome wavelength acquisition was realized with

stepping motor subdivision technique; the polarizer on the basis of crystalloid growth

technique developed the miniaturized polarization system with the broad wavelength,

high extinction ratio and low insertion loss; weak signal was amplified by phase locked

amplifier, and the phase locked frequency could be controlled automatically and

accurately within fluctuation range of ±2Hz by employing the technology of phase

locked loop. The stepping motor, phase locked amplifier and A/D sampling were under

controlled by the Single Chip Microcontroller(SCM) system whose kernel is 89C51; the

multi-computer communication was designed for signals and data transfer between PC

and SCM by adopting serial port technology. The operating system programmed with

Visual C++6.0 realized not only accurate test for optical PMD value by employing

many mathematic methods, such as arithmetic mean method and polynomial fitting, but

also convenient operation for signal input, image process, data sampling, test results

printing and displaying.

Combined with characteristics of optical fiber, the rationality and the validity of

testing results were analyzed in this paper. The analysis of standard components,

standard optical fiber and the testing devices of the same kind abroad indicated that high

precision, good repeatability and satisfactory reliability were attained by the testing

system developed in this paper, thus the actual measurement request could be met for

manufacturers and test departments.

Key words: Polarization Mode Dispersion, PMD testing system, DGD,

Wavelength scanning measurement

第一章绪论．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．1

1.1 PMD 的定义及成因．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．

1.2 PMD 对系统的影响．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．

1.3 当前国内外测试 PMD 的主要方法．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．

1.3.1 琼斯矩阵本征分析法．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．3

1.3.2 干涉法．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．4

1.3.3 波长扫描极值计数法．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．5

1.3.4 波长扫描傅立叶变换法．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．6

1.4 本文的主要研究内容．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．

第二章用波长扫描极值计数法测试光纤的偏振模色散．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．8

2.1 WSEC 测试法的理论依据．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．

2.2 WSEC 测试法原理简介．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．

第三章 WSEC 测试系统的硬件设计与实现．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．

3.1 PMD 测试系统简介．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．

3.2 光学系统的设计．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．

3.2.1 单色光源的获取．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．12

3.2.2 偏振系统的研制．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．． 17

3.3 测试信号的读取．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．

3.3.1 锁相放大器原理简介．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．． 18

3.3.2 锁相频率的锁定．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．． 20

3.3.3 模/数转换．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．． 25

3.4 测试信号的传输．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．

3.4.1 串行通讯方式简介．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．． 25

3.4.2 计算机与单片机的通讯．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．． 27

第四章 WSEC 测试系统的软件设计．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．． 30

4.1 PMD 测试软件简介．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．． 30

4.2 PMD 数学模型的建立．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．． 31

4.3 通用数据索引数据库的实现．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．． 32

第五章测试结果分析．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．． 35

5.1 PMD 的随机性．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．． 35

5.2 测量的重复性．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．

5.3 测量的准确性．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．． 37

5.4 实测图形．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．． 37

第六章结论．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．40

参考文献．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．41

硕士在读期间发表论文及科研项目、获奖情况一览．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．

致谢．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．44

第一章绪论

1．1 PMD 的定义及成因

在单模光纤传输中，光波的基模含有两个互相垂直的偏振态。理想光纤的几

何尺寸是均匀的，且没有应力，因而光波的这两个相互垂直偏振态以完全相同的

速度传播，在光纤的另一端没有任何延迟。然而在实际的光纤中，由于某些原因

产生的非轴对称性，引起单模光纤中原来简并的两个模式产生较大的传输速度差，

这两个相互垂直的偏振态到达光纤另一端的时间差，即是光纤偏振模色散（PMD），

单位 ps[1]。以经典光学的观点来看，则可认为是光纤中相互垂直的两个偏振光或两

个相反方向旋转的圆偏振光由于光纤的非对称性，而出现了传输速度差，从而引

起了偏振模色散。一般以平均差分群时延Δτ来表示，且满足下式[2]：











 )

exp(1

~222



(1-1)

其中 l是光纤的长度，h是耦合长度，D是单位长度的差分群时延。

对于短光纤，即弱模耦合时，因为两个偏振模之间没有发生模式耦合，可近似认

为l=h，则（1-1）式可简写为：

Dl



(1-2)

即PMD 与光纤长度成正比。

光纤越长，模式耦合越多，当光纤长度远大于耦合长度 h时，（1-1）式可简写

为：

hlD



(1-3)

即PMD 与光纤长度的平方根成正比。

PMD 取决于双折射率和模耦合。双折射是由于玻璃的折射率沿光波传播方向

的（微小）变化而引起两个偏振模的传播速度不同，因而导致了接收端合成信号

的展宽。PMD 随双折射率的增加而增加。模耦合是指在两个偏振模之间信号能量

的相互转换而引起的延迟和脉冲扩展。内在与外部的因素都能引发模耦合和双折

射。内在因素包括预制棒或折射率分布的不对称性，熔凝过程的控制，拉丝张力

的不对称和光纤自然耦合点；外部因素包括诸如光缆制造，铺设过程中的侧向挤

压，扭曲和弯曲[3]。

1．2 PMD 对系统的影响

PMD 是由光纤横截面微小的不对称性引起的色散。这种不对称性引起两个相

互垂直的基本偏振模以不同的速度传输。由于经历了色散，即脉冲扩展，当接收

器接收到这个合成的脉冲时，要比发送端的脉冲宽。因此，过高的色散将导致数

基于波长扫描法的光纤偏振模测试系统的研究

字系统中误码及误码率的增加，限制系统的传输带宽。长距离数字通信系统通常

工作于 1550nm 附近的第三窗口，因为在此窗口光纤的衰减最小。对标准单模光纤

来说，在此窗口，由于色散较大，偏振模色散的影响可以忽略不计。但是如果应

用了高质量的 DFB 激光器或色散补偿技术，则要考虑偏振模色散的影响。DFB 激

光器的线性带宽很窄，相应的降低了色散的影响。在通信系统中接入一色散补偿

元件（DCM）可以得到实际的色散补偿。通过专门设计色散补偿光纤的折射率分

布可以使光纤在第三窗口具有较大的负色散系数，这一负色散系数可以补偿标准

单模光纤的色散。总之，在长距离、高比特率数字通信系统中，如果应用了色散

补偿技术降低了色散值，则偏振模色散的影响就相应突出了[4]。此外，由于偏振模

色散的统计特性，至今为至，还没有任何办法可以补偿它。图 1-1 显示了 PMD 对

数字系统的影响。图 1-2 显示了 PMD 对模拟系统的影响。

在模拟系统中，特别是对信噪比要求较高的宽带模拟系统中，偏振模色散则

导致信号失真及信噪比的降低。这种影响是多种因素的综合，在此仅作简单介绍。

模拟通信系统性能的下降可能是由于偏振模色散、激光器啁啾（chirp）和元器件

的与偏振相关的衰耗（PDL）之间的相互作用。激光器啁啾是在调幅（AM）系统

中出现的激光频率调制，啁啾参量描述了由于强度调制产生的最大频率漂移。即

使是设计相似的激光器，这一值也可能完全不同。对在有线电视（CATV）系统第

二窗口应用的 DFB 激光器来说，其典型值在 100 至400MHz 之间，偏振模色散、

PDL 和激光啁啾之间的相互作用将引起复合的第二阶失真（CSO），在信号中产生

高阶谐波，在传输通道之间产生边频带，从而严重影响传输的质量。如果以在第

二阶谐波中的能量大小，即在基频的 2倍频率处接收到的能量大小作为信号质量

的度量。很明显，可接受的 CSO 值将取决于传输通道的密度。目前，对 60 通道

的CATV 系统来说，当 CSO 功率电平为-65dB 左右或更小时已足够满足使用的要

求[5]。

1．3当前国内外测试 PMD 的主要方法

光纤的偏振模色散测试可分为频域法和时域法两大类[6]。两种 PMD 测试方法

0. 1 0. 2 0. 5 110

10- 2

-1

2.5Gb/s

10Gb /s

40Gb /s

PMD限制的距离(km)

平均 PMD（ps/

）

图 1-1 由 PMD 限制的理论传输距离

200 400 600 800 1000

50 channel System

Allowed PMD for Cso

(averange)=-70dB

PMD(ps)

Laser Chirp(MHz)

图 1-2 PMD 对模拟系统的影响

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摘要随着光通信技术的进步，光通信迅速向高速率，大容量方向发展，单模光纤的偏振模色散（PMD）对光通信容量的发展的限制越来越明显。因此，PMD已成为单模光纤的必测参数之一。本文介绍了光纤偏振模的成因，并具体分析了其对通信系统产生的影响。在讨论了PMD各种测试方法的基础上，着重阐述了基于波长扫描法的光纤偏振模测试系统，分析了该种方法的理论依据、原理及测试系统。在该套测试系统中：利用步进电机细分技术实现了单色波长的获取；采用基于晶体生长技术研制而成的偏振器实现了宽波长，高消光比，低插入损耗，小型化的偏振系统；利用锁相放大器实现了微小信号的放大，并采用锁相环技术对锁相频率进行精确控制，使其频率波动在±...

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