YDT 1588.3-2009 光缆线路性能测量方法 链路偏振模色散.pdf

ICS 33.180.10 M33 YD 中华人民共和国通信行业标准 YDrr 1588.3-2009 光缆线路性能测量方法 第3部分:链路偏振模色散 Measurement Methods for Characteristics of Optical Fibre Cable Line Part 3: Polarization Mode Dispersion for Optical Cable Link 2009-06-15发布2009-09-01实施 中华人民共和国工业和信息化部发布 yorr 1588.3-2009 目次 11 l 范围. 2 规范性引用文件. 3 术语和定义 4 缩略语.3 5 测量方法与概述 6 测量条件与要求 7 干涉法6 8 固定分析法 9 斯托克斯参数测定法 附录A(资料性附录)偏振模色散测量方法在不同应用场合的适用性.14 附录B(规范性附录)干涉法的数据分析与计算.15 附录c(规范性附录)固定分析法的数据分析与计算17 附录D(规范性附录)斯托克斯参数测定法的数据分析与计算.20 附录E(资料性附录)干涉法测量偏振模色散的计算23 参考文献25 标准分享网 w w w .b z f x w .c o m 免费下载 w w w . b z f x w . c o m YDrr 1588.3-2009 目。吕 YD厅1588(2007)，并结合我国实际情 况而制定。 本部分的附录B、附录C、附录D为规范性附录，附录A、附录E为资料性附录。 本部分由中国通信标准化协会提出并归口。 本部分起草单位:武汉邮电科学研究院、北京通和实益电信科学技术研究所有限公司、江苏亨通光 电股份有限公司、大唐电信科技产业集团、长飞光纤光缆有限公司、北京康宁光缆有限公司 本部分主要起草人:雷非、陈永诗、宋志倍、吴重阳、薛梦驰、王翔、程淑玲、张莉 II w w w . b z f x w . c o m 1 范围 光缆线路性能测量方法 第3部分:链路偏振模色散 YD!T 1588.3-2009 YD厅1588-2009的本部分规定了光缆传输链路中光纤偏振模色散的测量方法、测量系统、测量程序、 计算方法和结果处理。 本部分适用于二氧化硅系单模光纤光缆链路偏振模色散的测量，即由GBfT15972.10-2008中规定的 B类光纤所组成的光传输链路。它们可以是已经铺设熔接互联的光缆线路，也可以是光通信收发设备之 间的光通路，或者是其中的一部分。链路中可以包含其他光学元件，如光放大器、WDM器件、合波器等。 2 规范性引用文件 下列文件中的条款通过本部分的引用而成为本部分的条款。凡是注日期的引用文件，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部分。然而，鼓励根据本部分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部分。 GBfT 15972.10-2008 光纤试验方法规范第10部分:测量方法和试验程序总则 CIEC 60793-1-1: 2002, MOD) 3 术语和定义 下列术语和定义适用于本部分。 3.1 平均偏振模色散差分群时延MeanPMD Differential Group Delay 平均偏振模色散差分群时延是在光频范围问-V2)内主偏振态差分群时延L11(v)的平均值用公式(1) 表示: 3.2 IL1领吟dv PMDAvC = =丁 V2 -v1 式中: 光频率; 町、V2一分别为频率范围上、下限。 均方根偏振模色散差分群时延r.m.s. PMD Differential Group Delay (1) 均方根偏振模色散差分群时延是在光频范围问-V2)内主偏振态差分群时延A饵“的均方根值用公式 (2)表示: 标准分享网 w w w .b z f x w .c o m 免费下载 w w w . b z f x w . c o m YDrr 1588.3-2009 3.3 ,PMDRMS =lOdB的链路偏振模色散，只有PDLldB时，则会对测量准确度造成影响。 本部分推荐3种测量方法，每种测量方法都有相关的数据分析方式。 川干涉法(INTY) 一-一传统分析(T剧TY); 一一常规分析(GINTY)。 们固定分析法(FA) -.傅立叶变换分析(盯)。 ;:)斯托克斯参数测定法(SPE) 3 标准分享网 w w w .b z f x w .c o m 免费下载 w w w . b z f x w . c o m YD/T 1588.3-2009 一一琼斯矩阵本征分析(JME); 一一邦加球分析(PSA)。 干涉法由于具有较强的测试条件适应性而成为链路PMD的主要测量方法。其测量原理是以偏振宽带 光源注入待测光传输链路，在输出端用干涉仪通过干涉图分析经过链路传输后的信号时延差的关系，从 而确定PMD。此测量法分为两种测量与数据处理方法，一种采用简单的干涉仪，称为TINTY，另一种修 正了TINTY中对一些测量条件的限制，称为GINTY。此方法的测试值代表了在测量波长范围内的均方 根平均值。 常规干涉分析法相对于传统干涉分析法主要的区别在于: 一一不要求设定待测链路为理想的随机模藕合: 一一不要求光源的光谱曲线为高斯分布: 一一不要求假定链路PMD比光源自相关函数的宽度大。 干涉法的主要优点是测试速度快，设备体积小，特别适合于现场使用。 固定分析器法又称为波长扫描法，其测量原理是，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(即验偏器)将偏振态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PMDo此方法可以在测量波长 范围内(典型儿百纳米)得到一个单次测量的平均值。它仅要求一个输入偏振态，并以固定分析斯托克 斯矢量一个功率元素的轨迹变化关系。在以傅立叶变换处理这些数据时，其结果为虚拟半干涉法，其评 估结果类似于干涉法的传统分析法。 斯托克斯参数测定法可以测量窄带光谱区域的偏振模色散，它通过监测链路输出的偏振态(SOP)随 波长的变化，利用琼斯矩阵本征分析。ME)或邦加球(PS)上偏振态矢量的旋转变化来计算链路的PMD。 固定分析法与斯托克斯参数测定法在测试架空光缆时如果出现光缆振动，就会破坏测试数据，振动 会导致DGD数据变动，而提高测试速度则可以减小这一影响。干涉法由于采用宽带光源，并用干涉法来 推算时域的PMD，所以较为适用于这种测量情况。斯托克斯参数测定法在测量期间要求光源与接收机之 间进行通信与协调，所以要求在测试链路的两端之间建立辅助的通信信道，此通信信道可以是此测试链 路本身，也可以是其他通信通道。而固定分析法与干涉法的收发设备可以分离，由于它们在测试过程中 无须协调工作，所以不必建立通信信道。只是干涉法不能提供独立波长的DGD测试值，它只能针对整个 光源波长谱提供DGD均方根平均。在光缆传输链路中包含有光放大器时，则光谱范围受光放大器的工作 通带影响。而在链路中包含窄带光滤波器件(如DWDM的合波分波器)时，斯托克斯参数测定法更为有 效。 各种测量方法在不同应用场合下的适用性参见附录Ao它们对短光纤和长光纤均适用。但仅限于波长 大于或等于光纤有效单模工作的波长，除传统干涉法要求待测链路为理想的随机模祸合外，其他测量法 与偏振模搞合程度无关。 对由多段光纤组合的光传输链路，DGD值的随机分布近似为麦克斯韦分布函数。假定它符合理想的 麦克斯韦分布，则PMD的线性平均与均方根的关系由公式(6)表示: PMDAVG=(主)PMDM (6) 在这种情况下，对应于平均DGD，链路最大DGD需要取3-4的倍率(参见YDff1634-2007 ATmm 6xV U.laA (11 ) 8.2.3 在用验偏器时将各测量波长点的输出光功率记录为PA();移开验偏器后，重复进行测量，记录对 应的光功率PTOT(j。两种输出功率的比值用公式(12)表示: PA() R()=一一一一一 ProT() 一种替代的方法是，在测得PA()后并不移开验偏器，而是将验偏器旋转90 0 ，记录对应的光功率 (12) PROT()。这时R()可表示为公式(13): 10 w w w . b z f x w . c o m YDrr 1588.3-2009 PA() R()=一一一一 PA()+PTOT() 如果以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3个谱函数与接收功 率无关，并通过与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。 (3) 8.2.4某些情况下，可能需要进行多次重复测量。 8.3 计算与分析 固定分析法的数据分析与计算见附录C。仪表有计算结果的直接显示时，则直接记录测试数据。 8.4 结果 测量结果应给出以下内容: 一一一中继段名称、链路标识: 一一测量方法与测量装置: 一一-链路长度: 一-PMD值Cps)和偏振模色散系数PMDc值Cps/jh;或ps/km); 一一测量波长范围和波长步长: 一一偏振模稿合类型: 一一多次测量中重复测量次数(需要时); 一一试验日期、时间和操作人员; 一一环境温度和相对湿度。 9 斯托克斯参数测定法 9.1 测量系统 9.1.1 测量装置 斯托克斯参数测定法测量偏振模色散的装置依光源的不同有两种基本构型，图4a所示装置常用于琼 斯矩阵本征分析测试，图4b所示装置为另一种可能的应用，常用于邦加球分析法。 “Am川川 V W 八川川们川 v v八川 川V 组 器 振 偏 线 测量链路 可调激光器 K王一O Q |附| 图4a采用窄带光源的斯托克斯参数测定装置框图 11 标准分享网 w w w .b z f x w .c o m 免费下载 w w w . b z f x w . c o m YD!T 1588.3-2009 9.1.2 光源 白发辐射 光源 偏振态发生器 测量链路 迈克尔逊干涉仪 图4b采用宽带光源的斯托克斯参数测定装置框圄 本测量方法可能使用两种光源，它依赖于偏振计的类型。窄带光源(如可调波长激光器)可用于一 个偏振分析仪。对有光放大的链路，窄带光源的偏振度相对于放大器在波长范围里的自发辐射造成的限 制能维持较高水平。采用高功率的宽带光源时，在偏振分析仪前应通过一个窄带滤波偏振器构成的光谱 分析仪或用傅立叶变换进行光谱分析的干涉仪，它们可以置于待测链路前，也可以置于待测链路后，滤 波器的谱宽要设置到符合计算的要求。对放大链路，宽谱光源要能够象窄带光源一样能够抵御链路对偏 振度的影响。 在这两种情况下光谱宽度都必须足够小，且要具备满足要求的偏振度。谱宽相对于选用的步长尺寸 不能太低，以避免不必要的相关干涉或其他伪噪声影响。且测量波长范围要有足够的宽度，以保证PMD 测量的准确度。 偏振调节器设置的性能应能够由3个己知的独立线性偏振态的输出功率所测量。如果输出功率的相互 偏差在3dB以内，则调节器的设置可视为合适。偏振调节器在整个波长范围内至少要在已知确定的3个偏 振态上具有控制能力(典型情况为在每个测量波长上的0 0 、45。和90。线偏振)。 9.1.3 偏振计 偏振计用于测量每个波长各选定输入偏振态的输出斯托克斯矢量。 9.2 测量程序 9.2.1 清洁光纤藕合端面，将光源与偏振调节输出稿合到链路输入端，并将链路输出祸合到包括偏振计 的分析仪中。 9.2.2 调整偏振调节器，使3个不同偏振器插入测试光路中时所产生的光功率偏差不大于3dB。使偏振 计的接收光功率处于正常接收范围。 9.2.3 选择进行测试的起始与终止波长，以及波长步长A。A最大允许值应满足公式(14): Z“max邮差 (14) LC 式中: A写m一测量波长范围内预计的最大DGD数值: k-中心波长: 12 w w w . b z f x w . c o m YDrr 1588.3-2009 C一真空中光速。 例如，最大DGD值A矶山与A的乘积在1550nm波长应保持不大于4ps nm;在1300nm波长应保持 不大于2.8ps nm。该要求保证了从一个测量波长到下一个测量波长时，输出SOP围绕邦加球上PSP轴 的旋转角度小于180 0 。 在不能大致预计LlZin皿的情况下，可以在测量波长范围内进行一系列的试样测量，每次测量采用与光 源谱宽和最小调谐步长相称的一对靠近的波长，将测得的最大DGD值乘以余量因子3作为LlZin皿代入上 式，计算出用于实际测量的A值。如果此波长步长太大，可再用较小波长步长重复测量，直至DGD值与 波长关系曲线形状和平均DGD值基本保持不变时，波长步长就基本符合要求。 9.2.4 测量并记录每个波长的测试数据:对每个波长要依次插入每一个线偏振器，并记录输出斯托克斯 矢量片、萨和Q，输出斯托主斯矢量要进行归一化。对琼斯矩阵本征分析法，应将归一斯托克斯矢量转 换为归一琼斯矢量(限制条件0 50日- 3000牛 25; 制2叫 黯1叫树 1叫! L“rr -斗5斗-3斗2斗o2 3,01 4,01 5,01 PMD时延归 国8.1传统干涉分析法测得的典型数据曲线 8.2 传统干涉分析 传统干涉分析计算仅适用于由强随机模稿合链接的链路，其特性是干涉图的延伸(不计算中心峰)。 PMDRMS值由探测的干涉图信号互相关函数的二阶矩确定，用公式CB.O表示: DRMS= )乌 这里为互相关包络的均方根宽度。由测试条纹包络进行计算的具体算法参见附录E.lo 方程CB.O在下述假设成立时可以由方程。)导出，且有公式CB.2) (r 2 )=和) 一-一理想随机模搞合: 一一无波动的纯粹高斯光源: 一一-PMD吨，这里。为自相关包络的均方根宽度: 一一遍历条件。 8.3 常规干涉分析 CB.O CB.2) 传统干涉分析计算适用于任何模祸合形态的链路联合。其PMD的确定基于互相关与自相关干涉图的 平方包络。 单个输入/输出偏振态的自相关包络用公式CB.3)表示: E仰)=1艺作)+鸟(古)1 CB.3) 15 标准分享网 w w w .b z f x w .c o m 免费下载 w w w . b z f x w . c o m YD!T 1588.3-2009 单个输入/输出偏振态的互相关包络如公式(B.4)所示: CB.4) (B.5) Ex() =1鸟(r)-Py (r)1 由 N个不同输入/输出偏振态所测得的干涉图计算其对应的自相关与互相关包络，并形成平方包络， 然后依公式(B.5)计算其平均平方包络。 碍耿阶(付仲 典塑的随机模祸合与混合模捐合互相关函数的平均平方包络如图B.2a、图B.2b所示。 呻咄NUhhHrq比HNmm仲Mm 20 1白o 4 日才廷p 常规干涉分析法得到的典型随机模辑合数据 12 8 -4 8 12 16 -20 图B.2a 寸 3如噜C ，-“ E 12 4可 怜。l自 才Hdr _2 _ 叫=户E6Cr)dr f (B.7) jr2 dr ;=.I户E;(r)dr r (B.8) 则偏振模色散的均方根值可以由下式获得: PMDRMS=扫一d)1/2 由公式。a)或C3b)计算偏振模色散系数。 16 w w w . b z f x w . c o m C.1 测量数据典型示例 典型测试曲线如图C.l所示。 1.0 0.2 。1300 1.0 0.8 。 附录C (规范性附录) 固定分析法的数据分析与计算 1400 1600 1600 波长Inm Ca)弱模祸合 1400 1440 1480 1520 1560 1600 波长Inm Cb)随机模稿合 图C.1固定分析法测量PMD的典型R()曲线 C.2 数据预处理与傅立叶变换 YDrr 1588.3-2009 进行傅立叶变换要求数据在光频上是等问距的，也可以是在光波长上为等问距的。如果测量结果不 能满足上述要求，则需要进行数据内插或频谱预估等技术处理。必要时可以进行数据零填充以及直流水 平位移处理，以满足傅立叶变换的数据处理要求。 要求傅立叶变换后能够表现出每个古的幅域数据分布。 C.3 数据整理 傅立叶变换后的数据在零点的数据通常不为零，它是测量系统的插入损耗与测试数据的直流光电平 处理结果。通常再忽略掉下一个数据点，取变蜀，将再后面的一个数据点定为j=O，此为第一个有效数值。 确定系统均方根噪声光电平，将此均方根噪声光电平的200%设为阔值电平T1。 若数据预处理未进行零填充，则取X=3，否则X按公式CC.l)取值: x = 3xC原始测试数据点数量) 一 零填充后总的阵列长度 CC.l ) 17 标准分享网 w w w .b z f x w .c o m 免费下载 w w w . b z f x w . c o m YDtT 1588.3-2009 对傅立叶变换后的数据P()检查第一个X的有效点数据值，若低于T1则传输链路为弱模祸合链路， 它具有不连续峰值的特性。 C.4 弱模辑合光纤的偏振模色散计算 对于弱模棉合光纤(例如高双折射光纤)或一个双折射元件，经过校准，R()类似于一个抖动的正弦 波(图C.la)。傅里叶变换会给出P(8r)输出，它包含对应于与脉冲抵达时间位置相对应的离散尖峰，此 为PMD的瞬态值C Ll)。确定P(8r)超过阔值电平的瞬态峰值点。用公式CC.2)计算链路差分群时延: AD=ZZi的(此)8t“e/立卢(8r)CC.2) 其中M年1为包含超过阔值光电平的峰值P的数据点数。 方程中的单位为ps，如果没有尖峰(如M/=O)，则PMD为0，其他参数如均方根尖峰宽度以及 峰顶值均须记录。 如果测量装置包含有一个或多个双折射元件就会出现多个尖峰，对一个数量为n的连接光纤(器件) 会有2几句=Zjfi即命)54/Zjfi即命)山 CC.3) 由公式C3b)计算偏振模色散系数。 C.6 混合辑合光纤系统的偏振模色散 对于在既有弱模稿合光纤/元件又有随机模糯合光纤的综合链路情况，两种判定都需要考虑。注意 P(r)的尖峰有可能仅由更远的T阳，计算。 19 标准分享网 w w w .b z f x w .c o m 免费下载 w w w . b z f x w . c o m YDrr 1588.3-2009 附录D (规范性附录) 斯托克斯参数测定法的数据分析与计算 D.1 琼斯矩阵本征分析 将每个波长所测的3个斯托克斯矢量转换为琼斯矢量h、币和q，并根据其分量依公式CD.l)计算各 个复比率: k1 = hxl hy k2 = vxlVy k3=qxlqy 第4个比率可由上述3个值依公式CD.2)计算获得: k4 = (k3 -k2)/(k1 -k3) 由此可获得如公式CD.3)的琼斯矩阵: Iklb k“ I T=I I I k4 1 J 计算相邻波长增量上琼斯矩阵的逆矩阵，可得公式CD.4): T(+)1斗1=0 这里，为光波角频率L1ro为光波角频间隔。 CD.l ) CD.2) CD.3) CD.4) 求其本征值剧、P2C参见“JME法测量光器件偏振模色散“) ，则此两测量波长中点的差分群时延 见公式CD.5)。 的=1叫到/ CD.5) 其中Arg为幅角函数，即Arg(neioj=。 计算所有测试波长DGD值，即可获得单次测试得到的DGD与波长关系曲线，对所有这些DGD值取平 均即可获得单次测试的偏振模色散。由公式。a)或C3b)计算偏振模色散系数。 20 典型DGD与波长的测试曲线及其分布直方图和麦克斯韦曲线分别如图D.l、图D.2所示。 350 300 250 的200 a. 1臼 100 50 。 1520 154口1560 1580 1600 1620 波长nm 圄0.1OGO的波长关系曲线 w w w . b z f x w . c o m YDrr 1588.3-2009 盼 k 100 12014口160160200 220 240 260 2日o300 DGD ps 图0.2OGO数据直方固 80 60 40 20 。 邦加球分析分析法D.2 (D.6) 由测得的归一化斯托克斯矢量可算得公式(D.6)斯托克斯矢量: AHHA 4Na，与=王一 若与一4Na，马=0 E.1.3 计算干涉图的中心C 用公式(E.6)表示: N IN c=汇叭/)j E.1.4 移去中心自相关峰 定义:J/为使得C一今忽的最大序数J; Jr为使得与-c怎的最小序数jo 其中z是光源的相干时间。 对于互相关干涉图，应该使用公式(E.7)定义: Jr = it + 1 E.1.5 计算干涉图的二阶矩 用公式(E.8)表示: 22 (E.O (E.2) (E.3) (E.4) (E.5) (E.6) CE.7) w w w . b z f x w . c o m YDtT 1588.3-2009 CE.8) vt h任/ chl 广 NZ iDM 一 + h护/ c-rJ 扑了三抖 AT-H 一 S=.! 2 E.1.6处理干涉图 设Jrrrin为使得C一号2S的最大序数J; Jmax为使得奇一C2S的最小序数jo E.1.7 计算处理后干涉图的二阶矩E 用公式(E.9)表示: (E.9) zt h护l cI Ir 一 zl 凹 叫 TJ 】剖 却j-C?Ij J=J吧一一一一一一-一+ “f/j 1 S=2 E.1.8 计算高斯分布EXP一(t-C)2 /(2i)的标准偏差 用公式(E.1O)表示: (E.I0) h-c)2日P(一伫211)d 1j, 22E + ti(t-c)2EXP(止孚)dt 1 1mio 2 ti(t-2 EXP(一一一一)dt tj2 1 s=三 可以采用迭代的方式由(E.1O)式计算。 常规分析 此算法为迭代计算法。它将所有的数据阵列分成两种集合:中心部分的集合M以及含有噪声的信号 与拖尾的集合T。对这些设置进行迭代运算，直至结果收敛。对于一个迭代，每种设置的数据点数表示 为NM、NT。 以 z表示反射镜在不同的位置 tj(ps)时测得的包络的强度，J=1,2,No 首先将整个数据阵列中最前与最