单模光纤PMD测试及不稳定因素
涂昌伟 Tu Changwei
成都中住光纤有限公司
Chengdu SEI Optical Fiber Co., Ltd.
摘要：
随着光纤通信向大容量、宽带宽迅速发展，国内外光纤光缆厂家对单模光纤偏振色散研究越来越多。本文主要对单模光纤PMD测试技术和不稳定因素进行论述，在国内很多文献提到单模光纤PMD测试随机差别很大，文中从产生随机双折射的内外部因素着手，结合实验得出单模光纤PMD大小主要由内部因素决定，外部因素影响较为有限的结论。
关键词：PMD、干涉法、不稳定因素
Abstract: The fiber telecommunication have developed very rapidly about the great capacity and big bandwidth. In china, More and more fiber and optical cable’s company have researched the single-mode fiber Polarization mode dispersion(PMD). This article have discussed the single-mode fiber PMD measuring method and some single-fiber’s PMD instability factors. Many articles said that measuring in the different condition can get big difference single-mode PMD value. Here from birefringence of the single-mode fiber and some experimentation, we can get the conclusion that the value of single-mode PMD is determined mostly by the interior factors and the exterior factor influence the PMD value too but it’s very finity.
Key words: Polarization mode dispersion , Interference technique, Instability factors
一.光通信展对单模光纤测试提出新的要求
光纤通信是以激光光波作为信号载体，以光纤作为传输媒介的数字通信方式。与电缆通信和微波通信等电通信比较，光纤通信除在传输中有传输频带宽、传输衰减小、信号串扰弱和抗电磁干扰能力强等优点，另外光纤的原料也非常丰富、重量小、易于敷设，加之现在光通信系统、器件、网络方面日趋发展成熟和完善。因此，在目前的国内国际通信网已构成了一个以光纤通信为主，微波和卫星通信为辅的格局。
由于ITU-T G655光纤应用，光纤单信道传输速率达到40Gbit/s,光纤色散和偏振模色散已经成为制约其长距离无中继传输发展的关键点，现在通信系统也研制出很多色散和偏振模色散补偿技术，有的技术已经商用化。因此1997年ITU-T版本中就引进了偏振模色散指标，1996年制定了ITU-T G655《非零色散位移单模光纤光缆特性》，2000年制定的ITU-T G650 -2000/10系列标准，相应标准中对色散和PMD做了规定，我国国家标准化委员会也根据国内光纤通信发展需要，对色散和PMD制定在GB/T 9771.1~5相应标准中，可见，色散和PMD也是现在光纤通信测试中越来越关注的测试指标。
二.单模光纤的偏振模色散生产机理
(一)单模光纤的偏振概述
随着单模光纤在测试中应用技术的不断发展，特别是集成光学、光纤放大器以及超高带宽的非零色散位移单模光纤即ITU-T G655光纤的广泛应用，光纤衰减和色散特性已不是制约长距离传输的主要因素，偏振模色散特性越来越受到人们重视。偏振是与光的振动方向有关的光性能，我们知道光在单模光纤中只有基模HE11传输，由于HE11模由相互垂直的两个极化模HE11x和HE11y简并构成，在传输过程中极化模的轴向传播常数βx和βy往往不等,从而造成光脉冲在输出端展宽现象。如下图所示：
图2-1 PMD极化模传输图
因此两极化模经过光纤传输后到达时间就会不一致，这个时间差称为偏振模色散PMD(Polarization Mode Dispersion)。PMD的度量单位为匹秒(ps)。光纤的PMD系数单位为
(二)单模光纤中偏振产生原因
光纤是各向异性的晶体，光一束光入射到光纤中被分解为两束折射光。这种现象就是光的双折射，如果光纤为理想的情况，是指其横截面无畸变，为完整的真正圆，并且纤芯内无应力存在，光纤本身无弯曲现象，这时双折射的两束光在光纤轴向传输的折射率是不变的，跟各向同性晶体完全一样，这时PMD=0。但实际应用中的光纤并非理想情况，由于各种原因使HE11两个偏振模不能完全简并，产生偏振不稳定状态。
造成单模光纤中光的偏振态不稳定的原因，有光纤本身的内部因素，也有光纤的外部因素。
(1) 内部因素
引起单模光纤中光的偏振态不稳定的内部因素，用内部双折射Bi表示。内部因素通常包含两方面的内容：一是光纤横截面的几何畸变引起的波导形状双折射BG;另一个是光纤内部的应力引起的应力双折射BS。因此光纤的内部双折射为：
这里BG和BS可能是同号，也有可能是异号。
a. 波导形状双折射
在光纤拉丝过程中，由于种种原因不可能拉制出圆形的纤芯光纤，光纤纤芯的椭圆度使其产生波导形状的双折射。若光纤工作在近截止状态(V≈2.4)，且当时，波导形状双折射为当时，则有式中，a和b是纤芯椭圆的长短轴半径，Δn=n1-n2是芯与包层折射率差，K0=2πf/λ是自由空间的波数。
b. 应力双折射
光纤是由芯、包层和涂履层数层结构组成的，它们各自的组成材料不一样，热膨胀系数不一样。因此，在横截面上即使有很小的热应力不对称，也会产生很大的应力不平衡，结果导致纤芯材料各向异性，从而引起双折射。它的大小可按下式
进行计算。式中，Cp材料的相对光弹系数，σx和σy分别是x、y轴方向的内应力。
(2) 外部因素
单模光纤受外界因素影响引起光的偏振态不稳定，是用外部双折射表示的。由于外部因素很多，外部双折射的表达式也不能完全统一。外部因素引起光纤双折射特性变化的原因，在于外部因素造成光纤新的各向异性。例如光纤在成缆或施工的过程中可能受到弯曲、扭绞、振动和受压等机械力作用，这些外力的随机性可能使光纤产生随机双折射。另外，光纤有可能在强电场和强磁场以及温度变化的环境下工作。光纤在外部机械力作用下，会产生光弹性效应;在外磁场的作用下，会产生法拉第效应;在外电场的作用下，会产生克尔效应。所有这些效应的总结果，都会使光纤产生新的各向异性，导致外部双折射的产生。
对于如上两种因素都可能使单模光纤产生双折射现象，但由于外部因素的随机性和不可避免性，所以在实际应用中人们非常重视对内部因素的控制尽量减小光纤双折现象。那么外部因素对光纤PMD影响程度如何呢?可通过后面实验进行讨论。
(三)减小光纤偏振的途径
为了减小光纤的偏振，稳定光纤中光的偏振状态可以从两方面着手。一个是在光纤生产厂家对光纤内部采取措施，另一个是通过外部因素对偏振模色散进行补偿。
单模光纤中两个相互正交的偏振模HE11x和HE11y，在传输的过程中产生的相位差δ主要取决于这两个偏振模间的传播常数差Δβ。因此，可设法在制作光纤的过程中使Δβ尽可能低，即生产低椭圆率的光纤;另一办法是生产旋光型光纤，在光纤拉丝时，快速地旋转预制棒或者转动光纤，使光纤芯横截面的长、短轴拉丝炉的熔融区周期性变化。这样，两个偏振模在光纤中传输时，其相对相位时延可逐渐抵消，从而达到减小传播常数差的目的。
通过偏振模色散补偿技术对光纤链路PMD实行补偿。
三.单模光纤中偏振模色散测试技术
(一)常用的PMD测试方法
随着光纤通信技术的发展，人们对气纤偏振模色散的研究工作越来越深入，究其原因是光纤的偏振模色散对超高速光纤数字系统的传输性能有着不可忽视的影响。目前广大光纤、光缆生产厂家和电信用户都对光纤PMD作了较为深入的研究，同时参照ITU-T制定了相应的企业标准，纳入了光纤性能指标的控制范围。
国际电信联盟电信标准化部门ITU-T G650(2000)和国际电工委员会标准IEC61941(1999)中介绍了单模光纤偏振模色散的定义和测量方法，规定了PMD的基准测试方法即斯托克斯参数测定法，还有替代测试方法即偏振态法与干涉法。
(二)干涉法测试单模光纤偏振模色散
由于干涉法测量速度快，目前市面上很多仪器生产厂家都以干涉法为测试原理生产测试设备，它们共同点就是设备体积小，动态范围宽，重复性较好，很适合在现场使用。由于干涉法与偏振模耦合无关，适用于单盘短光纤和长光纤。
(1)测试原理
关于偏振模色散差分群时延和偏振模色散系数定义式：
a. 平均偏振模色散差分群时延Pm。
平均偏振模色散差分群时延是在光频范围(v1~v2)内偏振态差分群时延的平均值，即：式中v----光频率;v1、v2------分别为频率范围的上下限，单位为ps。
b. 偏振模色散系数
偏振模色散系数用PMDc表示。其表达式分两种情况：
弱偏振模耦合(短光纤)：
3-1
强偏振模耦合(长光纤)：
3-2
上式中：L----为被测光纤长度。
干涉法就是介绍一种测量单模光纤和光缆的平均偏振模色散的方法。其测试原理为：当光纤一端用宽带光源照明时，在输出端测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关的中心相干峰。测量值代表了在测量波长范围内的平均值。在1310nm或1550nm窗口不同仪器都有一定的波长范围。
(2). 试验装置
本实验使用的是光纤参考通道Michelsom干涉仪，也是大多仪器厂家使用的一种方法，在其它实验中也可用空气参考通道。实验装置图如下所示：
图3-2 干涉法测试PMD装置图
现分别对实验装置叙述如下：光源：装置使用的是一偏振光源，本仪器使用的是一LED光源。光源中心波长在1310nm和1550窗口范围内，有一定光谱带宽，不存在可能影响自相关函数的波动。偏振器：偏振器应对光源光谱范围内偏振。光束分离器：光束分离器用来将一束光分成两束光，使两束光分别在干涉仪的两个不同的臂中传播，它可以是一光耦合器。探测器：从被测光纤射出的光耦合至一只光探测器中，它应具有合适的信噪比。探测器应具有斩波器/锁相放大器或相当技术的同步探测技术。数据处理器：本实验的GAP PMD II是用一台笔记本电脑对测试数据进行自相关函数处理。
(三)实验过程
(1)仪器的校准：GAP PMD II型仪器带有一校准模块，要求测试在温度稳定环境中进行，通常校准模块有标定的PMD系数值，其输入端和光源的输出端相接，输出端和PMD分析单元相接，调节光功率，达到-4dB以上方可进行测试，得出测试值和标定值对比，在规定的范围内。
(2) 样品测试：把一盘25.3km单模光纤松绕在盘具上，注意光纤不能受到任何大的弯曲和应力，用光纤连接器把光纤内端和光源相接，外端和光分析单元相接，注意在连接器处不能有任何异物否则测试光功率会很低，导致信噪比降低不能正确测试光纤PMD。当光功率到达-4dB以上时，进入测试进行测试参数设置，输入测试长度、光波长等，必要时进行镜面中心校对，使光功率最高峰移到坐标中央。这时延时器对应的反光镜片在分析单元中移动，探测器得到的干涉条纹通过光电转换输入到计算机进行函数自相关处理输出干涉图样,数据处理由如下公式进行：
由于测试的是25.3km长度单模光纤，属于强偏振模耦合状况，处理时根据干涉图样中图型宽度来确定PMD群时延。这时干涉条纹很接近。PMD群时延Δτ从干涉图高斯拟合曲线参数δ得到：
式中：δ----高斯曲线标准偏差。在由公式 可得光纤的偏振模色散系数。
下图是一盘G652A单模光纤强偏振模干涉图样：
测试中心波长为1550nm，PMD时延值为0.47ps。PMD系数为0.094
干涉条纹近似高斯分布，主峰两则分布均匀，拟合数据较好。
四.单模光纤PMD不稳定因素
(一) 单模光纤内部参数与PMD关系
由前面的单模光纤产生机理可知光纤纤芯的椭圆度可能产生波导双折射，光纤组成材料的膨胀系数不一致可能产生应力双折射。由于光纤芯层、包层和涂履层材料和Cp值一般为定值，所以用实验来做统计分析较难。下面是几样品数据是六盘25.3km单模光纤通过PK2400光纤几何参数测试仪测试光纤芯层直径不圆度和用GAP PMDII测试光纤PMD所得数据：
表一：单模光纤芯层不圆度和PMD数据
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样品
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|
测试次数
|
Corenoncirc(%)
|
PMD delay（ps）
|
PMD coeff（#FormatImgID_1# ）
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样品1
|
|
5
|
1.39
|
0.35
|
0.07
|
|
样品2
|
|
5
|
1.97
|
0.18
|
0.037
|
|
样品3
|
|
5
|
2.21
|
0.26
|
0.053
|
|
样品4
|
|
5
|
2.58
|
0.98
|
0.194
|
|
样品5
|
|
5
|
2.72
|
0.39
|
0.08
|
|
样品6
|
|
5
|
3.83
|
0.56
|
0.112
|
对如上数据需要说明的是：对每一样品的芯层不圆度和PMD分别测试了五次，表中值为五次平均值，在实验中，本人发现PK2400对光纤芯层不圆度测试重复性不太理想，如果国内同行能找到准确测试光纤芯层不圆度仪器，得出测试数据可信度更高。
数据分析：从图4-1可以看出，随着芯层不圆度增大，单模光纤PMD有增大的趋势，这和光纤PMD产生的内部因素较为吻合。但实验中也发现并不是芯层不圆度大对应光纤PMD就大，说明生产光纤PMD另一个因素的存在即应力双折射，由于光纤不同组成材料热膨胀系数不一致而使光纤芯层存在不对称横向应力，从而使光纤芯层产生双折射现象。所以作为光纤生产厂家应从光纤芯层不圆度和光纤内部残余应力着手控制光纤的PMD。
(二)光纤外部因素与光纤PMD关系
由于光纤PMD是由光纤芯层晶体对光纤产生双折射引起，在光纤光缆应用中可能对光纤芯层的双折射率改变是复杂的，目前国内很多文献对光纤外部因素包括机械、电磁和温度等对光纤PMD可能产生影响进行了论述。由于电磁和温度对光纤PMD影响较难用实验来论证和分析，下面主要通过实验从光纤弯曲和扭转两方面对单模光纤PMD影响进行分析。
根据行标邮电光缆接头盒标准YD/T 814-1996要求光纤的最小曲率半径最小为37.5mm，本实验中取37.5mm曲率半径和更为严格的20mm曲率半径进行实验。由国标光缆的机械性能试验方法(扭转)GB7425-87要求100cm样品扭转±360°进行扭转实验，这里取更为严格的15cm长度范围内的单模光纤扭转720°进行实验。
以下为六不同光棒拉制的六盘25.3km样品光纤，在环境温度稳定的环境下进行实验所得数据，数据单位为：
|
样品
|
|
正常
|
37.5mm
|
20mm
|
720°
|
最大偏差
|
最大偏差百分比
|
|
样品1
|
|
0.112
|
0.098
|
0.091
|
0.089
|
0.023
|
20.536%
|
|
样品2
|
|
0.046
|
0.045
|
0.037
|
0.046
|
0.009
|
19.565%
|
|
样品3
|
|
0.099
|
0.083
|
0.098
|
0.112
|
0.016
|
16.162%
|
|
样品4
|
|
0.078
|
0.089
|
0.095
|
0.07
|
0.017
|
21.795%
|
|
样品5
|
|
0.074
|
0.063
|
0.062
|
0.072
|
0.012
|
16.216%
|
|
样品6
|
|
0.15
|
0.134
|
0.125
|
0.16
|
0.025
|
16.667%
|
数据说明：在做实验中发现光纤PMD测试不确定度很大，为了减小测试误差，对1~6样品每一样品每一实验在同等的接续条件下测试五次，表中测试值为五次测试平均值。表中的最大偏差为三种实验均值与正常测试均值最大差值绝对值，最大偏差百分比是最大偏差对正常测试均值的百分比。
数据分析：光纤在小半径弯曲和扭曲状态下，光纤PMD有一定的变化，实验数据中最大变化百分比为21.795%。这个数据是在实验条件比相应标准更为严格的条件下得到的，从测试绝对值看，单模光纤PMD主要由光纤本身决定，即内部因素非常重要。需要补充说明的是：国内同行做过用同一盘光纤同一仪器同一耦合方式实验，得到可能有±10%误差，最大可达±20%，说明如上21.975%最大误差并非完全由弯曲和扭转所致，考虑仪器和测试方法缺陷，实际对PMD影响应比21.975%低。
在实验中发现样品1、2、5、6做宏弯时其PMD比正常值下降，样品3、4略有上升，是否光纤在小半径弯曲下PMD有下降的趋势呢?但从单模光纤PMD产生机理的理论依据无法得出这个结论，我们知道单模光纤两个偏振模HEx和HEy在光传输中并非线性偏振，整个过程应是从线性→椭圆→圆→椭圆→圆→线性周期循环偏振轨迹，由于外部弯曲或扭转可能使周期拉长或缩短，从而改变两个偏振模到达传输终点的时延差，但这个过程应是随机的，可能增大或降低。由于取样品是25.2km光纤厂家标段光纤，如果短光纤可能影响会有所变大。
五 结论
单模光纤PMD所有测试方法中，干涉法是测试设备小、速度快非常有效有在线测试方法，在广大光纤光缆工程中大量应用。
单模光纤PMD产生机理，有内部因素和来自外部施工和应用中不稳定外部因素，但光纤芯层椭圆度和内部不对称应力是导致两个偏振模HEx和HEy不简并的主要因素，光纤生产厂家就从光纤芯层椭圆度和光纤不对称横向应力两方面控制光纤PMD，当然有的光纤厂家用旋棒法拉丝，改变单模光纤偏振态和拍长来达到控制光纤PMD目的。
来自成缆施工对光纤弯曲、扭转等外部因素对光纤PMD有一定的影响，但这种影响相对光纤本身PMD值比较小，所以在宽带工程应用中，应对光纤PMD进行测试选择是非常有必要的。
参考文献：
1. 张金菊等，光纤通信原理 北京：中国人民大学出版社，1999;
2. Diafar K. Mynbaev Lovell L. Scheiner, Fiber-Optic Communications Technology, Pearson Education,2002
3. 胡先志，刘泽恒等，光纤光缆工程测试 北京：人民邮电出版社，2001;
4. 沈梁等，高速光通信系统中的色散问题及其补偿技术的研究，光纤通信，2002年第5期;