光纤试验方法规范 第48部分：传输特性的测量方法和试验程序 偏振模色散 征求意见稿

1GB/T15972.48—202X光纤试验方法规范第48部分：传输特性的测量方法和试验程序偏振模色散本文件规定了单模光纤偏振模色散（PMD）的基准试验方法（RTM）和其它试验方法，规定了试验装置、注入条件、测量程序、计算方法、结果的统一要求。本文件适用于对GB/T9771中规定的B类未成缆和已成缆单模光纤PMD特性的检验。2规范性引用文件下列文件中的内容通过文中的规范性引用而构成本文件必不可少的条款。其中，注日期的引用文件，仅该日期对应的版本适用于本文件；不注日期的引用文件，其最新版本（包括所有的修改单）适用于本文件。GB/T9771（所有部分）通信用单模光纤IEC/TR61282-9光纤通信系统设计指南第9部分：偏振模色散的测量和理论(Fibreopticcommunicationsystemdesignguides–Part9:Guidanceonpolarizationmodedispersionmeasurementsandtheory）3术语和定义下列术语和定义适用于本文件。3.1偏振模色散polarizationmodedispersion（PMD）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，降低通信系统的性能，在模拟系统中引起信号失真。3.2主偏振态principalstateofpolarization（PSP）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，相应的正交偏振态是输入主偏振态。3.3差分群时延differentialgroupdelay（DGD）DGD是两个PSP之间的群时延的时间差，一般以ps为单位。3.42GB/T15972.48—202X偏振模色散值PMDvalue偏振模色散值包括平均偏振模色散（PMDAVG）和均方根偏振模色散（PMDRMS）两种表达方式。PMDAVG定义为给定光频范围由ν1到ν2上DGD值的线性平均，记为<Δτ>，见式（1）：PMDAVG=.....................................................................PMDRMS定义为给定光频范围由ν1到ν2上DGD值均方值的平方根，记为<Δτ2>1/2，见式（2）：如果在给定的光频范围上DGD值的分布近似为理想的麦克斯韦分布函数，则PMDAVG与PMDRMS有如下的数学关系，见式（3）：1/2.PMMS......................................................................3.5偏振模色散系数PMDcoefficient偏振模色散值对测试长度的归一化。有两种归一化规则：——随机模耦合：对随机模耦合，PMD系数是PMD值（PMDAVG或PMDRMS）除以长度的平方根，单位为ps/km1/2；——弱模耦合：对弱模耦合，PMD系数是PMD值（PMDAVG或PMDRMS）除以长度，单位为ps/km。3.6链路偏振模色散系数统计参数linkpolarizationmodedispersion（PMDQ）对一个由M段未成缆或已成缆单模光纤串联而成的链路，PMD设计值PMDQ可定义为：链路的PMD系数XM超过PMDQ的概率为Q，见式（4）：PXM>PMDQ)=Q........................................................................(4)4缩略语下列缩略语适用于本文件。Arg：幅角函数（ArgumentFunction）ASE：放大自发发射（AmplifiedSpontaneousEmission）BBS：宽带光源（BroadbandSource）CFT：余弦傅里叶变换（CosineFourierTransform）DGD：差分群时延（DifferentialGroupDelay）DOP：偏振度（DegreeofPolarization）EC：极值计数（ExtremaCounting）3GB/T15972.48—202XFA：固定分析器（FixedAnalyser）FT：傅里叶变换（FourierTransform）FWHM：半幅全宽（FullWidthatHalfMaximum）GINTY：通用干涉分析法（GeneralAnalysisforInterferometryMethod）INTY：干涉法（InterferometryMethod）JME：琼斯矩阵本征分析（JonesMatrixEigenanalysis）LD：激光发射器（LaserDiode）LED：发光二极管（LightEmittingDiode）PBS：偏振光束分离器（PolarizationBeamSplitter）PDL：偏振相关损耗（PolarizationDependentLoss）PDV：偏振色散矢量（PolarizationDispersionVector）PMD：偏振模色散（PolarizationModeDispersion）PMDQ：链路偏振模色散系数统计参数（LinkPolarizationModeDispersion）PSA：邦加球分析（PoincarlarizationModeD）PSP：主偏振态（PrincipalStateofPolarization）RBW：分辨率带宽（ResolutionBandwidth）RTM：基准试验方法（ReferenceTestMethod）SOP：偏振态（StateofPolarization）SPE：斯托克斯参数测定（StokesParameterEvaluation）TINTY：传统干涉分析法（TraditionalAnalysisforInterferometryMethod）5概述5.1PMD的测量方法5.1.1方法概述测量PMD的方法有三种（附录B、附录C、附录D）。下面描述了这些方法，还给出了多种分析处理结果的计算方法。a）方法一：斯托克斯参数测定（SPE）法，计算方法有：——琼斯矩阵本征分析（JME——邦加球分析（PSA）；b）方法二：干涉法（INTY），测试方法分为两种：——传统干涉法（TINTY——通用干涉法（GINTY）。c）方法三：固定分析器（FA）法，计算方法有：——极值计数（EC）；——傅里叶变换（FT）；——余弦傅里叶变换（CFT）。PMD值是根据差分群时延（DGD）Δτ来定义的，而差分群时延通常随波长随机变化，被认为是一个统计参数。式（5）是用于光缆规范的线性平均值。式（6）是某些方法中的均方根值。如果假定DGDs满足麦克斯韦随机分布，式（7）可将转化为另一个数值。PMDAVG=Δτ..............................................................................(5)4GB/T15972.48—202XPMDRMS=1/2...........................................................................1/2.........................................................................只有当DGDs的分布是麦克斯韦分布，光纤是随机模式耦合时，才可适用式（7）。式（7）一般可通过统计分析来证实。如果有点光源的高双折射时（相对于剩余光纤），例如在紧弯或其它现象导致模式耦合减弱时，或在加张力情况下持续减小光纤的弯曲半径时，麦克斯韦分布是不成立的。在这些情况下，DGDs的分布开始类似于有三个自由度的偏心卡方分布的平方根。此时，PMDRMS值通常大于由式（7）计算出的PMDAVG值。时域方法，比如方法二和三，以及余弦傅里叶变换，都是基于PMDRMS值，可以通过式（7）转化为PMDAVG值。如果模式耦合减弱，由这些方法得到的结果报告中的PMD值可能超过那些通过频域测量所得到的PMDAVG值，比如方法一。PMD系数是单位长度上光纤的PMD值。对于正常传输光纤，即发生随机模耦合，DGDs描述为麦克斯韦随机变量分布，PMD系数表示为PMD值除以光纤长度的平方根，单位为ps/km1/2。对于一些弱模耦合光纤而言，比如保偏光纤，PMD系数则表示为PMD值除以光纤长度，单位为ps/km。所有方法都可测量固定状态下的光纤光缆，样品放置位置的改变都可能改变测量结果。当光缆可能移动或震动时，方法一或方法二（能用毫秒测量时间刻度）更适用。所有方法要求使用能控制一种或更多种偏振态（SOP）的光源，要求注入光穿过一个宽频区（比如50nm到200nm）来得到一个能表征这个区域特征的PMD值（比如1300nm到1550nm）。这些方法的差别在于：a)光源的波长特性；b)实际测量的物理特性；c)分析方法。第5到11章规定了三种方法的通用要求，而适于每个单独方法的具体测试要求应符合附录B、附录C、附录D。IEC/TR61282-9提供了这些方法的数学公式。5.1.2方法一：斯托克斯参数测定（SPE）法斯托克斯参数测定（SPE）法是通过测量窄带光源通过一个波长范围时变化的响应来测量PMD。在这种情况下，光在一种或多种SOP时是线性极化的。测量每一个输出光的斯托克斯矢量。斯托克斯矢量随着光波角频率w的变化而变化，且输入SOP的变化产生一个DGD随波长变化的函数，该关系式基于式（8）和式（9）的定义：...........................................................................Δτ(w)=Ω(w)...............................................................................(9)式中：S—归一化输出斯托克斯矢量；Ω—沿着PSPs方向的偏光色散向量（PDVΔτ—DGD，单位为ps。对JME和PSA分析方法而言，在每一个波长须保证三个线性的SOP以0°、45°和90°相对排列（在邦加球上相互正交）。JME方法是通过将斯托克斯矢量转化为琼斯矩阵来完成的，将相邻波长的矩阵适当组合，在基频应用参数公式，通过计算结果的本征值来得到DGD。5GB/T15972.48—202XPSA方法是通过在归一化输出斯托克斯矢量的基础上进行矩阵代数运算，推断出在两个相邻波长上邦加球输出斯托克斯矢量的旋转，然后应用反正弦公式来得到DGD。对一般假设而言，JME和PSA在数学上是等效的（见IEC/TR61282-9）。5.1.3方法二：干涉（INTY）法干涉（INTY）法是基于线性极化的宽带光源。形成电磁场的交互作用决定于输出光的干涉图样，比如干涉图。一定波长范围内的PMD时延和基于干涉图样条纹包络的光源光谱相关。通过两种分析方法可得到PMD时延（见IEC/TR61282-9），这两种方法都是测试PMDRMS的数值。——传统干涉法（TINTY）为保证测试设置了特定的操作条件和基本装置；——通用干涉法（GINTY）没有这些限制，但与TINTY相比，它对测试装置进行了改进。除了方法一测试SOP的方法外，其它的分析方法体现了对PMD理解的一个演变。比如说，GINTY比TINTY更为完整。PMD的重复性依赖于PMD的测试水平和测试的波长范围。在一个给定范围内，波长范围越宽，PMD值越大，相关重复性越好。对于更大的PMD值的测量，比如0.5ps，测试方法的差异相对于低PMD值的测试来说没那么重要。5.1.4方法三：固定分析器（FA）法固定分析器（FA）法通过测量窄带光源通过一个波长范围时变化的响应来测量PMD。在这种情况下，光在一种或多种SOPs时是线性极化的。对每一个SOP而言，输出功率的变化被一个固定的光偏振分析器过滤掉，与没有经过分析器所探测到的功率相对应，作为波长的函数而被测量。最后测量的结果可以通过三种方式来分析。——当DGDs以麦克斯韦方式分布时，通过数曲线上峰谷的数目来分析测量结果，这种分析方法是一种频域方法。——把FT当作测试函数。这个FT相当于通过方法C的宽频传输所得到的脉冲展宽，当DGDs以麦克斯韦方式分布时，FT函数带宽的特性和DGD的平均值相吻合。——傅里叶变换是从两个正交分析仪设置的归一化光谱的不同来计算RMS的平方根，得到PMDRMS的数值。这相当于模拟由于干涉测量所得到的互相关函数的干涉图样。5.2基准测试方法方法一：斯托克斯参数测定（SPE）法是基准测试方法（RTM），可用于解决争议。5.3适用性光纤中的PMD是一个统计参数。GB/T9771中提到了PMD的统计要求，称为PMDQ或链路设计值，即基于光缆的样品测试和链路计算所得。受光缆结构和工艺的影响，成缆后的光纤的PMD值会不同于未成缆光纤的PMD值。然而，对未成缆光纤的PMDQ的限制也被要求用以限制成缆光纤的PMDQ。保守的规则是通常认为要求未成缆光纤的PMDQ应小于成缆光缆PMDQ限制的一半。也可以通过光缆特定的结构和稳定的成缆工艺来进行限制。光纤或光缆放置宜保证外部模式耦合最小化，要尽量避免以下的情况：a)过度拉伸；b)来源于以下因素的过度弯曲：——光纤在线盘上交叉重叠；——弯曲半径过小；c)过度扭曲。单个测试方法的重复性应该在扰动光纤满足在模式耦合组合的所有范围内取样之后才进行评估。6GB/T15972.48—202X比如通过略微改变温度或对放置位置进行微调来实现。将PMD测试方法结合起来分析光缆的统计规范时（符合GB/T9771规定），这种可变性将导致链路设计值可能偏高。计算光纤传输系统PMD值的指南见IEC/TR61282-3，系统可包含其它组件，比如色散补偿器或是光放大器。光放大器的测试方法见IEC61290-11-1和IEC61290-11-2，以及IEC/TR61292-5中的其他设计指南。IEC61280-4-4给出了测试链路（包括放大链路）的测试方法。IEC61300-3-32中给出了光学元件的测试方法。IEC/TR61282-9中给出了关于PMD的一般信息、与本方法应用相关的数学公式，以及与使用不同光源和检测系统相关的采样理论的一些考虑因素。6试验装置6.1概述下面装置为三种测量方法的通用装置，试验装置图和其它特殊装置应符合附录B、附录C、附录D的规定。6.2光源和偏振器光源在要求的波长上要有充分的辐射和稳定的强度以满足测量要求，应符合附录B、附录C、附录D的规定。IEC/TR61282-9还对输入SOP的光源、偏振度（DoP）、偏振器和偏振控制器提出了要求。6.3输入光学器件可以采用单模尾纤或一个光学透镜系统来激励被测光纤。耦合进样品的光功率应对输入末端的位置不敏感。可以采用注入光束在角度和空间上均超出输入末端的方式。若采用尾纤对接，可在尾纤和样品间使用折射率匹配油以避免反射。在整个测试期间应耦合稳定。6.4输入定位装置应提供合适的方式对光纤输入端同光源的耦合位置进行精密调节，如x-y-z方向微调架，或机械耦合器件如连接器、真空吸盘、三棒接头等等。测量期间，光纤的位置应保持稳定。6.5包层模剥除器为了从被测光纤中剥除包层模，应采用包层模剥除器。大多数情况下，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。6.6高阶模过滤器要求测量波长大于或等于链路截止波长，并应采取有效办法去除高阶传输模式，一般一个半径30mm的弯曲环就可以满足要求。6.7输出定位装置应提供一个合适的装置使试样的输出光功率能耦合进探测系统中。耦合时可选用光学透镜或用机械连接器同探测器尾纤相连。也可在输出光学器件的一端采用十字线定位的显微镜或者相机。6.8输出光学器件应符合附录B、附录C、附录D规定。6.9探测器7GB/T15972.48—202X信号检测应采用一个光检测器。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/锁相放大器和一台激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。其它要求应符合附录B、附录C、附录D的规定。6.10计算机需要使用一台计算机来执行仪表控制操作，以获取测试数据，并进行数据处理以获得最终结果。7试样和试样制备7.1概述试样应是盘绕在光纤盘上的长度已知的光纤或光缆。在测量过程中，温度恒定，试样和尾纤保持固定状态。除非另有说明，应处于标准的大气条件。对已安装的光纤光缆，可采用实际的布置条件。试验装置的机械与温度稳定性可通过如下方式获取。对方法一，试验光纤在邦加球上显示出的输出SOP在测试期间对相邻的一对琼斯矩阵的测试上，输出SOP的变化应小于由波长增量引起的变化；对方法二，该方法通常适应性强，轻微的温度变化与光纤扰动对稳定性影响不大；对方法三，在适当位置用光分析仪测试光纤固定波长的输出功率。在典型的测试时间段内，输出光功率的变化应小于因波长增量所引起的变化。光纤的输入输出端应视装置与程序的要求制备好，以避免不必要的反射。7.2试样长度试样的长度由以下三个因素决定：a)最小期望PMD系数；b)模式耦合状态；c)信噪比。每种试验方法与实施的最小PMD值的限制均可测试，大多数情况下，这个最小值可由基础理论确定，也可通过分布测试的试验确定。对于随机模耦合光纤，最小PMD系数由PMD值除以光纤长度的平方根确定。对于弱模耦合情况，则除以长度。测试长度与最小可测PMD值决定了最小可测PMD系数。此外，样品也可剪短到合适的长度，并报告最小可测PMD值，记录样品的长度。长度也会由布置方法（见7.3）和仪表动态范围限制。GB/T9771所表述的PMD系数的值的单位是ps/km1/2，这些标准文件假定了测试长度足以引起随机模耦合。对于给定的光纤类型或光缆结构，可以通过剪短试验来确定长度，也就是，剪短样品长度，然后在每个不同长度上测量样品的PMD值。长度超过PMD值与长度的平方根相关的值时可认为是随机模耦合。动态范围受测试方法限制，样品中的光功率和总衰耗与长度相关。此限制一般由试验方法的特定装置的原理所决定，此限制应予记录下来。7.3布置7.3.1概述光纤或光缆的布置状态会影响测量结果，对于一般的测量规范，应满足以下要求。7.3.2未成缆光纤8GB/T15972.48—202X测试未成缆光纤时，尽量减小附加模耦合很重要。光纤应当用适当的方法来固定（例如用无张力（典型值＜0.05N）松绕在最小半径为150mm的光纤盘上）。测量装置的要求限制了被测光纤长度，而被测光纤长度取决于卷绕直径，因此会带来一定的测量误差。不建议测量卷绕在光纤成品盘上的未成缆光纤。这种装置测得的PMD结果表明，对PMD高的光纤，成缆前的PMD测量值会小于成缆后测量值；对PMD低的光纤，则成缆前的PMD测量值会大于成缆后测量值。7.3.3光缆测量卷绕在运输盘上光缆中光纤的PMD值并不能总是准确的反映安装后光纤的PMD值。运输盘上光缆中光纤的PMD值的规范需制造商与客户协商确定。8测量步骤测量步骤按如下进行：a)布置光纤或者光缆，制作端面。b）将光纤的两端分别连接到输入和输出光学器件。c）开启计算机，应按照附录B、附录C、附录D三种测量方法之一的测量程序进行扫描和测量。d）收集数据，测量完成。9计算方法附录B、附录C、附录D分别规定了PMD值的计算方法，也提供了随机模耦合和弱模耦合的PMD系数的计算方法。对于GB/T9771规定的光纤，PMD值的归一化单位为ps/km1/2。10结果10.1测量结果报告应包括下列内容：——试样识别号；——试验日期；——试样长度；——波长区域（如1550nm）；——PMDAVG或PMDRMS值；单位为ps,——PMD系数，单位为ps/km或ps/km1/2。10.2报告中也可包括下列内容：——所用试验方法；——数据计算方法；——布置方法的描述；——使用的波长范围；——对于方法一和三中，采用窄带光源时，波长采样数；——对于方法二中，条纹探测技术；——试验装置；——试验装置最近校正的日期；——对于方法一中，采用窄带光源时，波长范围的分辨率；9GB/T15972.48—202X——对于方法一中，采用宽带光源时，中心波长和-3dB的线宽；——光纤或光缆型号；——判定标准；——测量程序的误差。11详细信息可包括以下内容：——光纤和光缆的型号；——判定准则。GB/T15972.48—202X（资料性）本文件与IEC60793-1-48:2017结构编号对照一览表表A.1给出了本文件与IEC60793-1-48:2017结构编号对照一览表。表A.1给出了本文件与IEC60793-1-48:2017结构编号情况本文件结构编号IEC60793-1-48:2017结构编号112233.143.254657687989附录A 附录B附录B附录C附录C附录D附录A附录E附录D参考文献参考文献GB/T15972.48—202X斯托克斯参数测定法B.1概述本附录规定了方法一：斯托克斯参数测定（SPE）法具体的测试要求。B.2试验装置B.2.1试验装置框图图B.1为斯托克斯参数测定法的试验装置框图。图B.1斯托克斯参数测定法的典型试验装置框图B.2.2光源GB/T15972.48—202X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，如图B.1a）。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，宽带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，如图B.1b）。在这两种情况下光谱宽度都须足够小，且要具备满足要求的偏振度（见6.2条）。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它伪噪声影响。且测量波长范围要有足够的宽度，以保证PMD测量的准确度（见B.3条）。对于JME与PSA处理方法，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0O、45O和90O线偏振)。B.2.3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。B.3测量程序将光纤尾端耦合至偏振计，在波长区域和确保期望精度的波长范围内选择合适的波长增量δλ。对于窄带光源，波长增量与最大预期DGD值Δτmax，波长区域λ0和真空中光速c有关，见式（B.1）：..............................................................................式中：λ0—光谱中心波长，单位为nm；Δτmax—最大预期DGD值，单位为ps；c—真空中光速，单位为m/s。例如，最大DGD值与步长的乘积在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°。在不能大致预计Δτmax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Δτmax代入式（B.1计算出用于实际测量的Δλ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。对于宽带光源，检偏器的RBW须满足式（B.2）：RBW≤.......................................................................式中：λ0—光谱中心波长，单位为nm；Δτmax—最大预期DGD值，单位为ps；c—真空中光速，单位为m/s。记录每个波长的测量数据。对于JME和PSA计算分析法，分别记录每个波长在0O、45O和90O的3个输入偏振态的对应的输出矢量，记为、和。GB/T15972.48—202XB.4计算B.4.1概述两种计算方法均需要测定偏振态随角频率w0与w0+Δw的变换轨迹（角频率w=2πc/λ),结果为DGD 值与波长之间的函数关系。对于弱模耦合，DGD值随波长变化表现为典型的常数。对于随机模耦合，DGD随波长变换表现为变化值如图B.2，也可表示为直方图如图B.3。DGD值的平均值称为偏振模色散值(PMD)。详细的数学计算方法见IEC/TR61282-9。图B.2典型的随机模耦合曲线图B.3DGD值的典型直方图JME和PSA分析方法作为第一假设法在数学上是等效的。B.4.2琼斯矩阵本征分析（JME）法对每个频率对，标记为w0与w0+Δw，分别将三个输出斯托克斯矢量转换为琼斯矢量和T矩阵计算每个频率的琼斯矢量的复用比率。式（A.3）用于归一化输出的斯托克斯矢量S转换为琼斯矢量j：GB/T15972.48—202X将每个波长所测的三个斯托克斯矢量转换为琼斯矢量、和，并根据其x和y分量按式（B.4）计算各个复比率：k1=x/yk2=x/yk3=x/yk4=(k3-k2)/(k1-k3)...........................................(B.4)由此可如式（B.5）所示，获得琼斯矩阵：...........................................................................对每对相邻波长，琼斯频率转换矩阵可由式（B.6）计算：)....................................................................(B.6)计算J(w0)的两个本征值P1、P2，则差分群时延Δτ见式（B.7）：式中：iθiθ琼斯矩阵本征分析法（JME）的详细计算见IEC/TR61282-9。B.4.3邦加球（PSA）法此分析基于确定邦加球上归一化斯托克斯矢量旋转的反正弦函数。对每一个角频率对，标记为w0与w0+Δw，由测得的归一化斯托克斯矢量可算得如式（B.8）所示：由此斯托克斯矢量针对每个波长生成新的矢量=×和,=×,然后对各波长增量计算有限差，见式（B.9）：对应每个波长增量的DGD的值即可由式（B.10）得出：..........................(B.10)|,..........................(B.10)|式中：。邦加球法（PSA）的详细计算见IEC/TR61282-9。GB/T15972.48—202X（规范性）干涉法C.1概述本附录规定了方法二：干涉（INTY）法的具体测试要求。C.2试验装置C.2.1试验装置框图图C.1为干涉法的一般性试验装置框图。图C.1干涉分析法的一般性试验装置框图干涉仪的输出光功率等于是“直流”部分和“交流”部分的和。这两个部分在τ=0处相等，这样就可以算出“交流”部分。对于理想干涉仪，“交流”部分为偶函数，其右半部分等于检偏器输出光谱S(ν)的余弦傅里叶变换。对非理想的干涉仪，就需要进行一定的修正，这取决于具体的干涉仪配置细节。对于TINTY，干涉图的包络E(τ)为“交流”值的绝对值。对GINTY，要补充计算C.2.2.2和C.3.2条描述的自相关和互相关包络。此计算包含对两个检偏器输出的正交SOP的干涉图的测试。图C.2给出了三种典型的干涉图试验装置。GB/T15972.48—202X图C.2干涉法的试验装置框图C.2.2光源对于传统干涉分析法，其偏振宽带光源为在相关测量波长辐射的发射管，它可以是LED或者超荧光光源。其中心波长要包含1310nm或1550nm窗口或任何其它关心的窗口。光谱FWHM典型值为60nm或者更大，其光谱形状类似于高斯型，发送光不能有能够影响自相关函数的波动,对于通用干涉分析法，不需要这些要求，但光源谱宽Δλ必需已知，则相干时间tc,可以由式（C.1）计算：GB/T15972.48—202Xtc=.............................................................................(C.1)式中：tc—相干时间，单位为ps；λ0—光源中心波长，单位为nm；Δλ—光源谱宽，单位为nm；c—真空中光速，单位为m/s。C.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。它可以是一只光纤耦合器或者直角光束分离器。C.2.4检偏器图B.1中检偏器的功能可在干涉仪中实现。对通用干涉分析法(GINTY)，检偏器应可以旋转到与初始状态正交的位置。C.2.5干涉仪干涉仪一般置于待测光纤链路末端，它可以是空气型的，也可以是光纤型的。可以采用迈克尔逊(Michelson)型干涉仪或马赫一曾泽尔(Mach-Zehnder)型干涉仪。第一种方法是将检偏器放置在干涉仪的输入端如图B.1所示。第二种方法是在空气型的干涉仪的一个干涉臂中放置玻片。此外还有一种特殊的方法是在迈克尔逊(Michelson)型干涉仪的一个臂中放置1/4玻片或者马赫一曾泽尔（Mach-Zehnder)型干涉仪的一个臂中放置1/2玻片，可以有效的移除自相关干涉图，只观察到互相关的干涉图。C.2.6偏振扰动器偏振扰动器允许选择被测光纤输入/输出的偏振态如图C.2c)所示。偏振光分束器可以同时探测检偏器2个正交方向上的偏振态。可以通过其它方式实现偏振扰动器选择不同输入偏振态和输出各种检偏器设置的功能。C.2.7偏振光束分离器偏振光束分离器用于由干涉仪的输出偏振信号中分离出两个相互正交的偏振态(处于在邦加球的两对立点)。由此两个相互正交的偏振态所构成的干涉图应可以计算出独立的自相关与互相关函数，即偏振光束分离器表现为一个偏振分波检测系统，这也意味着其它具有正交输出偏振态以获得干涉图的器件均可使用。C.3测量程序C.3.1校准测量装置应进行校准，可采用已知PMD的高双折射光纤进行校准，也可以采用多个己知高双折射光纤的链接链路进行校准。必要时，仪表也需要进行光功率校零。C.3.2常规操作GB/T15972.48—202XC.3.2.1概述将光源通过偏振器耦合至光纤输入端，光纤输入端耦合至干涉仪输入端；或将光源通过透镜和偏振器耦合至光纤输入端，光纤输入端通过透镜和偏振器耦合至光探测器，可通过标准光纤连接器或者熔接，或者通过一个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来避免反射。将光源的光输出功率调节到与探测器特性相应的一个合适参考值。为了得到足够的条纹对比度，应使两个臂中的光功率基本相同。C.3.2.2TINTY测量程序通过移动干涉仪两臂中的反射镜，记录光强来得到的第一个测量结果，减去τ=0时干涉计的测量值(τ)，条纹包络值E(τ)就是(τ)的绝对值。对于一选定的偏振状态，可以通过下面的方法来计算PMD时延，弱模耦合和随机模耦合的干涉条纹例子如图B.3所示。在偏振模耦合不够或PMD较低的情况下，为了得到所有偏振态情况下的平均结果，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。图C.3传统干涉分析法的耦合与随机模耦合的条纹包络图C.3.2.3GINTY测量程序C.3.2.3.1概述GB/T15972.48—202X输入/输出偏振态装置由一个特定的偏振模输入装置和一对正交的检偏器组成。所需的条纹包络要求分别减去正交干涉条纹的“直流”部分。单个自相关与互相关的条纹包络Ex(τ),E0(τ)计算如式（C.2）所示：Ex(τ)=~~Px(τ)–Py(τ)E0(τ)=~~Px(τ)+Py(τ)...............................................(C.2)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和互相关包络，并形成平方包络，一些互相关函数的数据例子如图C.4。注意传统干涉分析中的自相关峰值没有记录。图C.4通用干涉分析法的耦合与随机模耦合的条纹包络图当采用偏振扰动器时，为方便计算，采用i来标记多个输入/输出偏振态。GB/T15972.48—202XC.3.2.3.2九态穆勒设置遵守9个特殊输入/输出偏振态的9个平方包络之和严格等效于均匀扰模平均平方包络，这9个输入/输出偏振态为：检偏器的3个轴构成一个邦加球上的直角三面体；对于检偏器的每个偏振态；3个输入偏振态同样构成一个邦加球上的直角三面体。C.3.2.3.3随机扰动随机扰动包括：——扫描中扰动：每次扫描时自动或人工设置扰动；——连续扰动：当平方包络做合计时，扰动可以在扫描时进行。自动扰动被设置于在时间函数上覆盖连续球面；——快速单扫描扰动：如果扰动足够快，在单次扫描中就可获得足够好的扰动平方包络。但是这要求能够避免干涉图中直流部分与交流部分之间的串扰。C.4计算C.4.1概述测量结果均为均方根偏振模色散值PMDRMS，对于随机模耦合，当干涉图是标准的高斯分布图时，它的平均偏振模色散值PMDAVG可以通过式（7）计算出来。C.4.2TINTY计算在耦合情况下，干涉条纹是分离的峰，两个伴峰相对于中心主峰的延迟就是被测器件的差分群时延如图B.3b和图B.4b。对于这种情况，DGD等效于PMD值，见式（C.3）。<Δτ>=...........................................................................式中：ΔL—两个相邻的伴峰之间的光时延线距离，单位为km；c0—真空中的光速，单位为m/s。PMD系数为<Δτ>/L，L为光纤长度，单位为km。在长距离光纤或者链路中，随机模耦合光纤PMD采用式（C.4）所示的计算方法。PMDRMS值是通过计算互相关函数的条纹包络的二阶矩（RMS宽度）得出。PMDRMS=式中：σε—互相关包络的RMS宽度，单位为ps。条纹包络σε的详细计算过程参见附录D中D.2条。当下列假设成立时：——理想状态的随机模耦合；——光源谱图是纯粹的高斯分布；——PMD远远大于σ0，这里σ0为自相关包络的均方根宽度；——遍历条件。可由公式（C.4）和公式(7)导出公式（C.5）：GB/T15972.48—202XΔτ2=σ..........................................................................(C.5)式中：Δτ—DGD值，单位ps；σε—互相关包络的RMS宽度，单位为ps。C.4.3GINTY计算相比于TINTY，GINTY则不需要其中的一些假设，比如：——不需要理想状态的随机模耦合；——不需要光源谱图是纯粹的高斯分布；——不需要PMD值远远大于σ0，这里σ0为自相关包络的均方根宽度。自相关与互相关的平均平方包络E(τ)，E(τ)计算见式（C.6）：..................................................式中：N—输入/输出的偏振态数。分别求出它们的平均平方包络的均方根宽度σ0和σx，均方根宽度的数学定义见式（C.7）：均方根偏振模色散PMDRMS由式（C.8）求出：PMDRMS=1/2.................................................................结合公式（7），公式（C.8）可以得出式（C,9）：..............................................................采用公式（C.7）和公式（C.9）计算得出的理想定义的均方根宽度DGD值不受测量时间与光源谱图的限制，假设在遍历条件下可得式（C.10）：GB/T15972.48—202X固定分析器法D.1概述本附录规定了方法三：固定分析器(FA)法具体的测试要求。D.2试验装置D.2.1试验装置框图图D.1为试验装置框图。图D.1固定分析器法的试验框图D.2.2光源本测量方法可使用两种光源，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如图D.1a）。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，宽带光源要能够像窄带光源一样能够抵御链路对偏振度的影响见图D.1b）。GB/T15972.48—202X在这两种情况下光谱宽度都应足够小，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它伪噪声影响。且测量波长范围要有足够的宽度，以保证PMD测量的准确度。为保证能分辨出光谱中的全部特征，光谱的宽度应满足式（D.1）的要求：-1.........................................................................式中：v=c/λ—光频率，单位THz；Δλ—光谱宽度，单位nm；Δτmax—最大的预期DGD值，单位ps。对于在1550nm附近的λ,公式（D.1）中的Δλ（nm)应小于Δτ（ps）的倒数。D.2.3检偏器检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。对于耦合或低PMD值时，检偏器的方向调节有助于增加偏振幅度如图D.2所示。在接头或连接器处旋转光纤也可达到同样的效果。对于余弦傅里叶变换，检偏器应能够旋转到初始设置的正交方向。检偏器也可采用偏振计替代。D.3测量程序D.3.1波长范围和增量该程序要求测量在指定波长或光频率增量范围内，在光路中有检偏器、无检偏器和检偏器与检偏器处于初始状态的正交方向上的三种状态下，功率与波长（或光频率）之间的函数关系。波长范围能够影响测量结果的精度。波长增量应满足公式（D.1），用于替代Δλ。如果采用傅里叶变换或余弦傅里叶变换分析法，理想情况下，步长应是均匀的光频率且步长数应为2的幂次方。单色仪的步长用光频率δv表示，对应于最大DGD测量，它是小于“振荡频率”的两个因素之一。在随机模耦合光纤中，由于在二阶模外存在大量的能量，对于最大的预期DGD，奈奎斯特条件必须是二阶模频率的三倍。如式（D.2）所示：.............................................................................如果应用傅里叶变换，很明显在Δτmax附近存在重大的能量，测量时应减小波长增量。光源谱宽应等同于或小于最小的波长增量。例如，当Δτmax=0.67ps，单色仪的谱宽在1550nm(δv=249GHz）的典型值为2nm。D.3.2完成扫描当有检偏器时，对每一波长进行测量，记录对应的光功率PA(λ),移开检偏器后，重复进行测量，记录对应的光功率PTOT(λ)。两种输出功率的比值记作R(λ)，见式（D.3）,图D.2为耦合和随机模耦合的示例。.......................................................................一种替代的方法是，在测得PA(λ)后并不移除检偏器，而是将检偏器旋转90°,记录对应的光功率PROT(λ)，这时R(λ)可表示式（D.4）：GB/T15972.48—202X...................................................................当应用极值计数分析法时，PA/PB也需要采用。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3个谱函数与接收功率无关，并通过用于R(λ)的相同方法进行分析。图D.2固定分析器法测量得到的典型曲线D.4计算D.4.1概述有三种计算方法：——极值计数法；——傅里叶变换分析法；——余弦傅里叶变换分析法。D.4.2极值计数法首先应以均匀的波长间隔来获得R(λ)，然后从R(λ)曲线上获得波长窗口(λ1~λ2)之间的极值数目E，λ1、λ2可选得与极值点相重合，但这时计算的极值数目应减1。平均差分群时延用式（D.5）计算：<Δτ>=......................................................................式中：GB/T15972.48—202XK—模耦合系数，随机模耦合时其值为0.82，耦合时为1.0；E—在波长窗口(λ1~λ2)之间的极值数目；λ1，λ2—波长窗口两端的波长，单位为nm；c—真空中光速，单位m/s。如果使用偏振计作为探测元件，从3个归一化斯托克斯参数响应得到的DGD平均值作为最终结果。在有噪声时，极值识别可能更困难。峰值识别可用下面的算法,为得到一条光滑曲线，用多项式拟合曲线上几个相邻的点。D.4.3傅里叶变换分析法D.4.3.1概述傅里叶变换是将光频域内R(λ)的数据变换为时域数据，从而产生光到达时间δτ的直接信息。对这些时域数据经过修整处理，从而导出被测光纤期望的PMD值<Δτ>。这个方法对耦合和随机模耦合光纤均适用。D.4.3.2数据预处理与傅里叶变换进行傅立叶变换要求数据在光频上是等间距的，也可以是在光波长上为等间距的。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δτ的幅域数据分布P(δτ)。D.4.3.3数据整理D.4.3.3.1概述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，取变量j，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%设为阈值电平T1。确定光纤是弱模耦合或随机模耦合是必须的。对傅立叶变换后的数据P(δτ)检查第一个X的有效点数据值，若低于T1则传输链路为弱模耦合链路，它具有不连续峰值的特性。若数据预处理未进行零填充，则取X=3，否则X按式（D.6）取值:X=3(）.......................................................................................(D.6)弱模耦合光纤PMD的计算采用公式（D.7），随机模耦合光纤PMD计算采用公式（D.8）。D.4.3.3.2耦合光纤PMD的计算对于弱模耦合光纤（例如高双折射光纤）或一个双折射器件，R(λ)类似于一个啁啾正弦波（如图D.2a）。傅里叶变换在对应于相应脉冲到达时间δτ的位置，给出一包含一离散尖峰输出概率分布P(δτ)，它的矩心即是PMD值<Δτ>。为了确定离散尖峰的矩心<Δτ>，超过第二个预定阈值T2的那些点，典型地是设定在探测系统RMS噪声电平的200%，被用于式（D.7）中：GB/T15972.48—202X式中：M'—尖峰内超过T2的分布概率P的数据点数目减去1。方程中<Δτ>的单位为ps，如果没有尖峰(如M’=O)，则PMD为零，其它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(n-1)个尖峰。D.4.3.3.3随机模耦合光纤PMD的计算在随机模耦合情况下，R(λ)的形状变得较为复杂，如图D.2b所示，准确的特性是基于对光纤光缆内模耦合过程的实际统计。傅里叶变化后得到了一个分布函数P(δτ)，它代表了光脉冲到达时间δτ概率分布的自相关(见图D.3)。图D.3偏振模色散的傅里叶分析从j=0算起，确定超过值T1（T1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P(δτ)中最后一个有意义的点，对随机模耦合光纤，它基本不受测量噪声的影响，该点δτ值用δτlast表示，此时的j值用M''表示。其PMD的<Δτ>由这种分布的二阶矩平方根表示，见式(D.8)：式中：M''—超过值得最后一个点j的值。D.4.3.3.4混合偏振模耦合光纤PMD的计算当被测光纤由耦合和随机模耦合光纤串接在一起时，确定矩心和二阶矩偏差都是必要的。应注意，P(δτ)中尖峰仅仅是在计算了被计算的以外范围δτlast后才能确定。GB/T15972.48—202XD.4.4余弦傅里叶变换分析法D.4.4.1概述余弦傅里叶分析方法是基于这样的原理：从检偏器中输出的频谱经过余弦傅里叶变换得到的干涉条纹图，在两个正交方向产生的条纹图之差是互相关函数。对于一个无限的频谱，自相关函数将具有零宽度。但在实际测试中，光频域（有限的线宽）的有限光源频谱作为窗口函数在时域中产生一个非零的自相关函数的宽度。通过方法二（GINTY）对平方的互相关和自相关的函数分析表明平方RMS宽度与DGD值的频谱加权RMS（平方幂）的平方成比例(见公式（D.9）)。测量结果与光谱形状和与耦合程度无关，但受光源谱宽和光频率增量的限制。当PMD增大时，光频率增量必须减小；此时实际中应采用方法二（GINTY）来测量。测量结果为均方根偏振模色散PMDRMS值，对于随机模耦合，它的平均偏振模色散PMDAVG值可以通过公式（3）计算出来。D.4.4.2计算测量检偏器中两个正交方向的功率值，它们的比值R表示见式（D.9）：....................................................................式中：v=c/λ,单位为THz。如果使用偏振计作为探测元件，3个归一化输出的斯托克斯参数相当于3个无关的归一化比值。每一个斯托克斯参数都与正交检偏器的设置有关，不同在于它们的基础设置也是正交的。通过在数据上乘以窗口函数W(v)使其边缘平滑的归零，在较低、不测量的频率下用0填充R(v)W(v)和W(v)阵列，通过快速余弦傅里叶变化得到时域内条纹包络值r(t)w(t)和w(t)。然后得到互相关和自相关包络的平方E和E，则平均平方包络计算见式（D.10）和式（D.11）：i.......................................................................i.......................................................................分别求出标准偏差σx和σ0，则PMDRMS值见式（D.12）：PMDRMS=1/2...............................................................DGD值用式式（D.13）表示：DGD的期望值与随机输入/输出的偏振态有关。D.4.4.3解释GB/T15972.48—202X本子条款主要解释了测量频率窗口，频率增量Δv，频率位移和快速余弦傅里叶分析法的详细计算方法。测试数据要求保持固定的频率增量下所得，测试的数据点数包括零点值应为1+2k个，其中k为整数。如果测得的nm个数据点数不是在固定的频率增量下所得，应要重新拟合修正。鉴于数据是在vminM和vmaxM测试所得，并且光频率远远大于零，可以通过频率位移来减少阵列的数据点数大小，见式（D.14）。vmax=vmin≤vminM,vmax=vmaxM....................................................式中：n为正整数。小于测量频率的频率值记为零。通过快速余弦傅里叶变换，时间零到tmax，阵列中包括的条纹数为Δt2k个，则Δt可通过式（D.15）计算：...............................................................频率增量Δv也与测量的点数有关，频率位移和最大的均方根PMDRMS值它们的关系见式（D.16）：.......................................................光源滤波器的谱宽应为此值的一半。当进行等波长增量进行扫描时，波长增量在范围低端应与公式（D.15）保持一致。窗口函数W(v)可以是任何技术类型的函数，包括平方函数。此函数应选择使σ0值最小，函数连续在边缘处理为零，且其一阶导数应在边缘上处理为零。D.4.4.4示例表D.1为一个余弦傅里叶计算的示例。给出了中心波长极值，k，一些可能的频率位移值和n，其余的参数通过计算得出。PMDmin值为3Δt，同时也考虑低波长限制范围内Δλ的有效位移。总体来说，更宽的波长范围和更小的频率增量，测试的结果越准确。表D.1余弦傅里叶分析计算法n1023456GB/T15972.48—202X78以下示例说明了测量PMDRMS=0.2ps的光纤可能获得的结果。通过单次扫描，窗口函数是标准偏差为23nm的高斯分布函数得到的互相关和自相关包络的平均值，如图D.4所示。对具有理想随机模耦合的光纤来模拟结果，则模拟的测量结果为0.185ps。图D.4互相关和自相关函数示例GB/T15972.48—202X从条纹包络确定均方根（RMS）宽度的方法E.1概述本附录给出了两种从条纹包络中确定均方根（RMS）宽度的方法，主要用于干涉法中PMD的测量。E.2节适用于传统干涉分析法（TINTY），E.3节适用于通用干涉分析法（GINTY）。E.2传统干涉分析法（TINTY）的均方根计算E.2.1示例图D.1给