光纖通信由于具有傳輸頻帶寬、傳輸衰減小、信號(hào)串?dāng)_弱和抗電磁*力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，以及光纖的原料豐富、重量輕、易于敷設(shè)，加之光通信系統(tǒng)、器件、網(wǎng)絡(luò)方面技術(shù)的提高，已成為國(guó)內(nèi)的主要通信方式。單模光纖更是由于其傳輸損耗比多模光纖小，而廣泛應(yīng)用于光纖線(xiàn)路的鋪設(shè)。在單模光纖中，傳輸著基模的兩個(gè)相互垂直的偏振模式，若光纖橫截面理想圓對(duì)稱(chēng)和理想使用情況下，這兩個(gè)模式是相互兼并的，但由于光纖生產(chǎn)中造成光纖的圓不對(duì)稱(chēng)、內(nèi)應(yīng)力，成纜過(guò)程中形成的邊應(yīng)力、光纖扭曲以及使用過(guò)程中的壓力、彎曲、環(huán)境溫度變化等因素會(huì)使兩模式發(fā)生耦合，兩個(gè)模式之間有輕微的傳輸群時(shí)延，導(dǎo)致光脈沖展寬，從而形成偏振模色散\[1\]（PMD）。偏振模色散其實(shí)在光纖中是一直存在的，只是在低速率傳輸系統(tǒng)中對(duì)通信質(zhì)量不構(gòu)成影響。但隨著光纖通信向高碼速率、多信道、長(zhǎng)距離和全光網(wǎng)絡(luò)化方向發(fā)展，特別是40Gb/s高速光纖通信系統(tǒng)的應(yīng)用，原來(lái)在數(shù)字和模擬光纖通信系統(tǒng)中不太被關(guān)注的偏振模色散，已經(jīng)成為限制高速光纖通信系統(tǒng)傳輸容量和距離的主要因素。由于原先埋設(shè)的光纜線(xiàn)路沒(méi)有考慮偏振模色散，則在高偏振模色散的光纖線(xiàn)路中使用高速通信系統(tǒng)將很困難，從經(jīng)濟(jì)效益考慮，如果全部更換光纜，那也是不切實(shí)際的，因此通過(guò)測(cè)試光纜線(xiàn)路的偏振模色散分布，更換高偏振模色散部分光纖，是充分利用現(xiàn)有線(xiàn)路的*選擇。 
 

    測(cè)試偏振模色散的方法有很多種，主要有干涉法（IFthe Interferometric method） 、斯托克斯參數(shù)測(cè)定法（SPEStokes Parameter Evaluation） 、固定分析器法［2］（FAthe Fixed Analyser method）和瓊斯矩陣本征法［3］（JMEthe Jones Matrix Eigenanalysis Method）等，這里簡(jiǎn)單介紹一下其測(cè)試原理和優(yōu)缺點(diǎn)。

    干涉法測(cè)試原理是當(dāng)光纖一端用寬帶光源照射時(shí)，在輸出端測(cè)量電磁場(chǎng)的自相關(guān)函數(shù)或互相關(guān)函數(shù)，從而確定PMD值。其優(yōu)點(diǎn)是測(cè)試速度快，穩(wěn)定，與波長(zhǎng)無(wú)關(guān)，測(cè)試過(guò)程中光纖允許移動(dòng)，并且設(shè)備體積小，適用于現(xiàn)場(chǎng)使用。缺點(diǎn)是測(cè)量精度較低，zui小可測(cè)量PMD達(dá)0.03ps，不適合實(shí)驗(yàn)室使用。
斯托克斯參數(shù)測(cè)定法測(cè)試原理是在一波長(zhǎng)范圍內(nèi)以一定的波長(zhǎng)間隔測(cè)量出輸出偏振態(tài)隨波長(zhǎng)的變化，通過(guò)瓊斯矩陣本征分析和計(jì)算，得到PMD值。其優(yōu)點(diǎn)是可測(cè)JonesMatrix，PDL等參數(shù)，測(cè)試精度高。缺點(diǎn)是需要精度良好的可調(diào)光源，測(cè)試部分需要與光源通訊，測(cè)量的是代表一個(gè)步進(jìn)范圍內(nèi)的PMD值，測(cè)量時(shí)間長(zhǎng)，僅用于實(shí)驗(yàn)室環(huán)境使用。

    固定分析器法又稱(chēng)波長(zhǎng)掃描法，其測(cè)量原理是,當(dāng)輸入光偏振方向保持固定而波長(zhǎng)變化時(shí)，輸出光場(chǎng)主偏振態(tài)方向也會(huì)發(fā)生變化，通過(guò)一固定分析器（即檢偏器）將偏振態(tài)（SOP）隨波長(zhǎng)的變化轉(zhuǎn)化為具有峰谷起伏的輸出功率隨波長(zhǎng)的變化，根據(jù)輸出功率譜與群時(shí)延差的關(guān)系確定PMD值。其優(yōu)點(diǎn)是測(cè)量的是波長(zhǎng)范圍內(nèi)的PMD平均值，缺點(diǎn)是測(cè)量過(guò)程中需要調(diào)節(jié)光源的輸出波長(zhǎng)，測(cè)量時(shí)間長(zhǎng)，難以現(xiàn)場(chǎng)使用。

    瓊斯矩陣特征分析法是通過(guò)可調(diào)諧光源、被測(cè)件、偏振器和偏振計(jì)等從瓊斯矩陣Jc數(shù)據(jù)中提取PMD值。其優(yōu)點(diǎn)是測(cè)量精度較高，zui小可測(cè)量的PMD可達(dá)0.005ps,適合實(shí)驗(yàn)室使用。缺點(diǎn)是測(cè)試速度較慢，且與波長(zhǎng)相關(guān)，測(cè)試過(guò)程中光纖必須固定，不許移動(dòng)。
這些測(cè)試方法有一個(gè)共同特點(diǎn)就是必須要端對(duì)端測(cè)試，對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)使用則很不方便，因此這里介紹一種基于光時(shí)域反射技術(shù)的可單端測(cè)試偏振模色散分布的新方法。

    3 光時(shí)域反射技術(shù)

    光時(shí)域反射技術(shù)也稱(chēng)作后向散射法［4］，其主要特點(diǎn)就是單端測(cè)試和非破壞性測(cè)試。后向散射法測(cè)量原理與雷達(dá)探測(cè)目標(biāo)的原理相似，就是發(fā)射具有一定重復(fù)周期和寬度的窄脈沖光注入被測(cè)光纖，光在光纖中傳輸時(shí)會(huì)產(chǎn)生散射現(xiàn)象，即在光纖中產(chǎn)生四面八方各方向的散射光。光纖的幾何缺陷或斷裂面（活連接點(diǎn)和冷連接點(diǎn)）會(huì)使折射率突變，產(chǎn)生菲涅爾反射，其中一部分向后傳輸?shù)暮笙蛏⑸涔夂头颇鶢柗瓷涔饪裳毓饫w傳回到入射端。通過(guò)檢測(cè)光纖的后向散射和菲涅爾反射光，根據(jù)后向光信號(hào)沿時(shí)間軸的幅度曲線(xiàn)可得到被測(cè)光纖線(xiàn)路的參數(shù)特性分布。

    這種技術(shù)已廣泛應(yīng)用于光纖測(cè)試的各個(gè)領(lǐng)域，如應(yīng)用瑞利散射測(cè)試光纖損耗特性的普通光時(shí)域反射計(jì)（ＯＴＤＲ），應(yīng)用布里淵散射測(cè)試分布應(yīng)力的ＢＯＴＤＲ，應(yīng)用拉曼散射測(cè)試分布溫度的ＲＯＴＤＲ，我們也可以應(yīng)用這種技術(shù)來(lái)測(cè)試光纖的偏振模色散。

    4 波長(zhǎng)掃描偏振光時(shí)域反射計(jì)（Wavelength scanning POTDR）

    波長(zhǎng)掃描POTDR與固定分析器法很相似，但它檢測(cè)的是后向散射信號(hào)。用可調(diào)諧高功率脈沖激光器作光源，檢測(cè)器就是普通高靈敏度的OTDR接收器。為提高儀器的測(cè)試動(dòng)態(tài)范圍，在可調(diào)諧激光器后接摻鉺光纖放大器和聲光調(diào)制器提升入射光功率。POTDR就是掃描在不同波長(zhǎng)時(shí)的后向散射光功率與距離的對(duì)應(yīng)關(guān)系。對(duì)于光纖上某點(diǎn)L，通過(guò)分析該點(diǎn)的后向散射光譜P（L,λ）可導(dǎo)出該點(diǎn)的PMD值。

    我們知道光在光纖中繞雙折射軸傳輸時(shí)其偏振態(tài)的速率與光纖局部雙折射系數(shù)β（光纖快慢軸的相對(duì)時(shí)延）有關(guān)。偏振態(tài)繞雙折射軸旋轉(zhuǎn)周期定義為拍長(zhǎng)Lb，可通過(guò)公式（1）得到：Lb=λβc（1）其中λ表示入射光波長(zhǎng)。例如，對(duì)于波長(zhǎng)1550nm的光信號(hào)雙折射系數(shù)為10ps/km，則對(duì)應(yīng)Lb＝0.5m。如果光纖雙折射只是線(xiàn)性的（非圓雙折射），由于光在光纖中經(jīng)過(guò)向前和返回的過(guò)程，用POTDR測(cè)得的后向散射信號(hào)波動(dòng)周期應(yīng)為0.25 m,后向散射信號(hào)的拍長(zhǎng)等于Lb/2。因此波長(zhǎng)掃描POTDR必須提供約為0.1m或更小的空間分辨率（LP）以分辨這種波動(dòng)，則發(fā)射的光脈沖應(yīng)為1ns或更小。而一般地，在可用動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)，OTDR無(wú)法提供如此高的空間分辨率。因此，波長(zhǎng)掃描POTDR只適用于中低雙折射光纖，但對(duì)高雙折射光纖是很難解決的。

    下面提供一種使用偏振度統(tǒng)計(jì)方案來(lái)測(cè)量光纖的PMD，它是通過(guò)檢測(cè)光纖的弱模式耦合來(lái)獲得其偏振模色散的，使用這種方法可以測(cè)出很高PMD值的光纖。

    5 偏振度統(tǒng)計(jì)光時(shí)域反射計(jì)（DOPstatistics POTDR）

    對(duì)于給定長(zhǎng)度l的光纖，其偏振模色散可由公式（2）\[5\]得到：PMD=λLbclh（2）對(duì)于N段光纖鏈路，其總的偏振模色散可由公式（3）得到：PMDtot=ΣNi=1PMD2i（3）公式（2）中的h表示耦合長(zhǎng)度，定義為光能量在光纖中傳輸從一種模式（快或慢）轉(zhuǎn)換為另一種模式所經(jīng)過(guò)的距離。當(dāng)h短時(shí)，在快慢軸有相當(dāng)多的混雜，光纖總PMD與光纖長(zhǎng)度的均方根l成正比。相反，如果h很長(zhǎng)，光纖快慢軸是弱耦合，PMD值隨l成線(xiàn)性增加。由于PMD隨l積累很迅速，所以在快慢軸之間是弱耦合的光纖zui可能顯示高PMD值。因此，通過(guò)檢測(cè)耦合長(zhǎng)度h可以得到光纖鏈路大部分高PMD區(qū)域。

    為了得到光纖鏈路的h值分布，一個(gè)簡(jiǎn)單的辦法就是在檢測(cè)器前加一個(gè)偏光計(jì)，偏光計(jì)由一偏振片和λ/4波片組成（如圖3所示），讓λ/4波片和偏振片適當(dāng)旋轉(zhuǎn)以得到4條不同的曲線(xiàn),這樣可以重新得到偏光計(jì)的偏振態(tài)信息（4個(gè)斯托克斯分量S0,S1,S2,S3），S0是偏振度（DOP），它是計(jì)算耦合長(zhǎng)度h的重要因素。由于使用的光源是半導(dǎo)體激光器，其DOP可近似等于1，沿光纖從某點(diǎn)開(kāi)始返回的后向散射DOP也為1。但如果在POTDR方案中與距離對(duì)應(yīng)的后向散射信號(hào)SOP變化太大，則測(cè)得的DOP將會(huì)變?。ㄈ鏛b

    被測(cè)DOP的變化率的量化是通過(guò)對(duì)自相關(guān)函數(shù)（hDOP）的寬度計(jì)算來(lái)確定的，可以認(rèn)為隨著距離增加測(cè)得的DOP值變化較大。通過(guò)數(shù)字仿真，可以證明hDOP是正比于光纖耦合長(zhǎng)度h的。所以通過(guò)對(duì)DOP的統(tǒng)計(jì)研究發(fā)現(xiàn)，光纖鏈路局部耦合長(zhǎng)度h值很大，顯示其PMD值也很高。

    6 結(jié)束語(yǔ)

    波長(zhǎng)掃描POTDR和偏振度統(tǒng)計(jì)POTDR都可以實(shí)現(xiàn)單端測(cè)試光纖的PMD值，特別是偏振度統(tǒng)計(jì)POTDR對(duì)于光纜線(xiàn)路高PMD值分布測(cè)試是一很好選擇?！?/p>