Основным фактором, ограничивающим возможности волоконно-оптических телекоммуникационных сетей до настоящего времени является само оптическое волокно, параметры которого определяют основные характеристики волоконно-оптической линии связи - максимальную дальность связи и максимальную полосу пропускания. При этом если первый параметр определяется выходной мощностью источника излучения, чувствительностью приемника и потерями волокна, то второй зависит от частотных характеристик источника и приемника, а также дисперсии волокна, в частности поляризационной модовой дисперсии PMD. Как показали исследования, PMD оказывает весьма существенное влияние на высокоскоростные телекоммуникационные системы, в связи с чем, становится актуальным вопрос ее коррекции на линиях связи, что в свою очередь требует более детального изучения явления PMD и ее измерений. Ниже приводятся общие методы измерения PMD, рассматривая ее как временную дисперсию, которая оказывает негативное воздействие на дискретный или непрерывно модулированный сигнал. Хотя существует множество источников дисперсии, влияние их во всех случаях практически одно и то же вследствие более длительного времени подъема и спада сигнала мощности на выходе оптического волокна по сравнению с входным сигналом. Иными словами, дисперсия представляет несколько сигналов оптической мощности, поступающих на приемник раньше и позже относительно среднего времени поступления основной мощности сигнала. В случае с модулированным сигналом влияние дисперсии становится довольно значительным, так как приемник уже не в состоянии безошибочно декодировать поступившую информацию. Таким образом, дисперсия должна быть сведена до минимума, так как временное расширение сигнала ограничивает максимальную частоту кодирования информации.

С течением времени дисперсию удалось значительно уменьшить в основном за счет оптимизации волоконно-оптических компонентов. Так как вначале использовались многомодовые волокна с большой сердцевиной (100 мкм, 62.5 мкм, 50 мкм) и длиной волны (850 нм, 1300 нм), волокно поддерживало много режимов распространения пространственных мод, каждая из которых проходила путь различной длины с одинаковой скоростью, что приводило к межмодовой дисперсии обусловленной различным временем распространения каждой моды. Например, при длине оптического волокна, равной 100 км с длиной волны 850 нм, максимальная частота модуляции не превышает 2 МГц, так как в этом случае дисперсия составляет приблизительно 1 нс/км. Чтобы снизить это значение, были разработаны многомодовые кабели с градиентным показателем преломления сердцевины/оболочки, а также одномодовые кабели. Сегодня многомодовые кабели в основном используются в локальных сетях (LAN), на относительно небольших расстояниях и низких частотах.

Одномодовые кабели, в которых распространяется только одна пространственная мода, до сих пор имеют значительную дисперсию, хотя и в меньшей степени, чем раньше, что обусловлено зависимостью показателя преломления материала сердцевины от длины волны. Эта так называемая хроматическая дисперсия приводит к различным скоростям распространения для различных длин волн и имеет место вследствие конечной ширины спектра источников, так как каждая составляющая спектра распространяется с различной скоростью и достигает приемника в разное время. При 1550 нм типовое значение дисперсии, равно 15 пс/нм км, что ограничивает частоту до 44 МГц при длине волокна 100 км и ширине линии источника 3 нм (лазер Фабри-Перо). Обычное одномодовое волокно имеет естественную свободную от дисперсии точку, так называемую точку нулевой дисперсии при 1312 нм, отклонение от которой вызывает постепенное увеличение дисперсии. В волокнах со смещенной дисперсией данная точка переносится с 1312 нм на 1550 нм, тогда как волокно со сглаженной дисперсией имеет два участка, свободных от дисперсии на 1312 нм и 1550 нм. Простейшим способом уменьшения влияния хроматической дисперсии является использование лазеров с узким спектром излучения, так называемых лазеров с распределенной обратной связью (DFB) (< 0.01 нм, < 0.15 пс/км).

Показатель преломления материала сердцевины обладает также и поляризационной зависимостью, приводящей к разнице в скоростях распространения вследствие двойного лучепреломления и взаимодействия мод. Чтобы лучше понять влияние этой зависимости, ниже рассмотрим более подробно такие эффекты как поляризация, двойное лучепреломление и взаимодействие мод.

Световая волна одномодового волокна всегда может быть представлена в виде двух ортогонально поляризованных мод, распространяющихся вдоль его быстрой и медленной осей. В случае использования материалов с двойным лучепреломлением каждое состояние или поляризационная мода перемещаются с разной скоростью, приводя к временной дисперсии определяемой зависимостью показателя преломления от угла между плоскостью поляризации световой волны и быстрой или медленной осью материала. Таким образом, двойное лучепреломление - это показатель анизотропии или асимметрии среды распространения и может иметь место в кристалле вследствие асимметричных химических связей, а так же в изотропных материалах, где есть силовое воздействие (механическое, магнитное, электрическое) создающее локальную асимметрию распределения атомов.

Так как в волокне есть участки, обладающие произвольным двойным лучепреломлением, при распространении поляризованной световой волны могут возникнуть волны с иными состояниями поляризации, которые распространяются со скоростью отличной от скорости основной волны. В результате возникает статистическое распределение запаздываний, называемое PMD. Из-за зависимости от длины волокна, среднее значение этих запаздываний называется средним запаздыванием PMD или коэффициентом запаздывания PMD, или коэффициентом PMD. Учитывая, так же зависимость интенсивности связи (энергетического обмена) между поляризованными модами (так называемая связь мод), коэффициент PMD выражается в nc/км для слабо связанных мод (фиксированного небольшого двойного лучепреломления) или nc/км^1/2 для сильно связанных мод (типичный случай для кабелей, используемых в реальных условиях).

В промышленных оптических кабелях коэффициент PMD как правило не превышает 0.5 пс/км^1/2, что устанавливает ограничение 40 ГГц на 100 км. Кабели, установленные несколько лет назад, использующие волокно со "сплющенной" оболочкой, часто обладают более высоким коэффициентом PMD, что делает проблематичным переход к более высоким битовым скоростям.

Краткий обзор методов измерения PMD

На высоких частотах измерять дисперсию в режиме реального времени бесполезно, однако существуют два метода, на которых основано определение параметра PMD, это временной и волновой (частотный) методы, заключающиеся в измерении PMD по средней дифференциальной групповой задержке и среднеквадратичному отклонению интервалов времени, соответственно. Первый метод, основан на поиске экстремальных точек посредством измерений поляризации и определяет Δτ исходя из анализа эволюции выходного состояния поляризации по мере изменения длины волны, анализа собственных матриц Джонса на интервалах длин волн, по скорости вращения выходного состояния поляризации вокруг оси основных состояний на сфере Пуанкаре.

Второй метод основан на преобразовании Фурье при интерферометрических измерениях и определяет временную задержку исходя из интерферограммы, получаемой путем помещения измеряемого устройства в интерферометр с низкой когерентностью.

Известны также методы измерения PMD по смещению фазы и задержке импульса, в которых Δτ определяется соответственно, исходя из измерения фазы огибающей модулированного по интенсивности сигнала и интервала времени между импульсами двух основных состояний поляризации. Метод подгона кривой полосы частот основан на использовании математической модели, в которой с целью определения Δτ кривая подгоняется до микроволновой амплитудной модуляции волокна.

Здесь мы рассмотрим три основных метода, используемых в современных измерителях PMD, учитывая, что метод сферы Пуанкаре в измерительных телекоммуникационных лабораториях вряд ли будет использоваться, из-за ограниченного применения поляриметров.

Волновые методы измерения PMD

Рассмотрим методы измерения PMD путем сканирования длины волны и матрицы Джонса, которые относятся к волновым методам, так как позволяют извлечь информацию из изменения состояния поляризации на выходе тестируемого устройства по мере изменения длины входной световой волны.

Метод сканирования длины волны

В данном методе, для измерения PMD, среднее значение дифференциальной групповой задержки определяется статистически исходя из количества максимальных и минимальных значений мощности на выходе анализатора по мере сканирования длины волны.

Хотя отклонение выходной поляризации в случае использования волокна с произвольно связанными модами является неустойчивым на любой длине волны, существует два основных состояния поляризации, при небольших отклонениях от которых, выходная поляризация будет изменяться в достаточно малом интервале длины волны. На этом основано несколько альтернативных конфигураций метода сканирования длины волны приведенных на рис. 1.

Рис.1 Основные схемы измерения PMD волновым методом.

Эти схемы отличаются типом источника излучения, а так же используемыми средствами определения ширины спектра и настройки длины волны. Для обеспечения адекватного определения характеристик, спектральное разрешение схемы должно удовлетворять требованию [1]

Δλ	<	1
λ		8νΔτ

где Δλ - спектральная ширина источника или разрешение полосы пропускания приемника, м; λ - номинальная длина волны измерения, м; ν - оптическая частота, Гц; Δτ - дифференциальная групповая задержка тестируемого устройства, с.

Согласно данному методу, результаты измерений накапливаются во время сканирования или пошаговых изменений длины волны источника (или приемника, в зависимости от схемы измерения). Для коррекции зависимости мощности источника и потерь вставки устройства от длины волны как правило требуется проведение эталонного измерения, которое осуществляется с удаленным анализатором. В противном случае эталонное измерение может быть проведено при повороте анализатора на 90 градусов. Так как полученные результаты не являются непосредственно значением PMD, они требуют последующей автоматизированной обработки - анализа результатов, который осуществляется подсчетом экстремальных значений или преобразованием Фурье.

Анализ методом подсчета экстремальных значений при сканировании длины волны.

При подсчете экстремальных значений имеющих место при сканировании длины волны в диапазоне от λ₁ до λ₂, среднее значение дифференциальной групповой задержки <Δτ> тестируемого устройства может быть определено в соответствии с выражением [1]

<Δτ>λ =	kNeλ1λ2
	2(λ2-λ1) c

где N_e - количество экстремальных значений (максимальных и минимальных); c - скорость света; k - безразмерный коэффициент, который называется коэффициентом взаимодействия мод и равен 0.824 для волокна с произвольной связью мод и 1.0 для вырожденного волокна. Подстрочный индекс λ в <Δτ> указывает, что дифференциальная групповая задержка определена для интервала длины волны.

Если начальную и конечную длины волн интервала заменить длинами волн первого λ₁¹ и последнего λ₂^N экстремумов, количество изменений длины волны конечных точек уменьшается на одно. Несмотря на то, что количество экстремумов, как правило, достаточно велико, для получения результатов измерения, многие пользователи предпочитают определять длину волны в процессе анализа, с тем чтобы можно было бы оценить возможность изменения в сторону уменьшения или увеличения начальной и конечной длин волн без изменения количества экстремумов.

Если тестируемое устройство показывает отсутствие связи мод, фактор объединения принимается равным единице (k=1), а анализ основывается на первом и последнем экстремумах.

Здесь следует отметить возможность появления ложных максимальных и минимальных значений, которые могут быть вызваны зависимостью мощности оптического источника от длины волны или потерь вставки тестового волокна, что обычно вызывает необходимость в эталонном измерении.

Очевидно, что диапазон длин волн, в котором производятся измерения PMD методом сканирования длины волны, должен быть достаточно большим, чтобы выдавать статистически значимое количество экстремумов. Для оптических компонентов без связи мод, базовое измерение может включать один цикл изменения амплитуды или даже на одну пару максимального и минимального значений.

При измерении одномодового волокна точность возрастает с увеличением количества циклов, но не следует использовать более 20 циклов, при этом могут иметь место некоторые вариации результатов измерений PMD в зависимости от поляризации входной световой волны. Этого нельзя избежать, однако более точное значение может быть получено путем повторения измерения с различными ориентациями входного и выходного поляризаторов, или с другим расположением входного и выходного пигтейлов измерительного устройства. В случае оптических компонентов, количество экстремумов обычно стабильно к ориентации поляризатора, но может возникнуть необходимость его регулировки для получения хорошей взаимосвязи между двумя поляризационными модами.

Анализ методом преобразования Фурье.

Анализ выходного сигнала стационарного анализатора может быть смещен во временную область с использованием преобразования Фурье. В случае использования волокна с произвольной связью мод, результирующий спектр, функционально эквивалентен интерферометрическому измерению, рассматриваемому далее, и имеет Гауссово распределение. Поэтому значение PMD определяется путем подгонки кривой Гаусса в соответствии с данными, или путем вторичного подсчета, аналогично интерферометрическому методу. Оценка выходного сигнала стационарного анализатора при помощи анализа Фурье имеет преимущество, заключающееся в том, что она графически отражает характеристики связи мод образца. Кроме этого, анализ Фурье позволяет осуществлять фильтрацию высоких частот, вызванных шумами или вибрацией, которые могут быть обнаружены как максимальные и минимальные значения при использовании метода подсчета экстремумов.

Анализ методом параметров Стокса.

В рассмотренном выше методе, изменение выходного состояния поляризации от длины волны оптического излучения, определяется исходя из его передачи через анализатор. Обнаружение выходной поляризации при помощи быстрого поляриметра, дает некоторые преимущества по сравнению с использованием анализатора. Это связано тем, что значения нормализованных параметров Стокса дают полное описание выходной поляризации на данной длине волны, причем каждый параметр может анализироваться путем подсчета экстремумов или анализа Фурье, а получаемые в результате три значения дифференциальной групповой задержки усредняются. В связи с этим, по сравнению с рассмотренным выше измерением с помощью анализатора, измерения с использованием поляриметра менее зависимы от поляризации входного излучения и положения пигтейлов. Второе преимущество применения поляриметра заключается в том, что нормализованные параметры Стокса не зависят от изменений оптической мощности, в связи с чем, отпадает необходимость в проведении эталонного измерения и уровень абсолютной мощности может варьироваться во время измерения, не влияя на его точность. Поляриметр также позволяет наблюдать выходное состояние поляризации на сфере Пуанкаре с целью анализа стабильности тестового устройства. Это с одной стороны наглядно демонстрирует состояния поляризации и дисперсию, а с другой стороны исключает присущую анализатору чувствительность к механическому перемещению и изменениям температуры.

Однако при использовании поляриметра необходимо учитывать, что:

• измерение больших значений PMD требует более разнесенных длин волны и более высокого разрешения источника;
• увеличением разрешения длины волны связано с уменьшением динамического диапазона;
• диапазон длин волн должен быть достаточно широким для получения хороших статистических данных;
• когерентность источника должна быть больше измеряемого запаздывания, чтобы избежать деполяризации;
• измерение занимает очень много времени и чувствительно к вибрации волокна и температуре;
• необходима связь между входом и выходом волокна, что недопустимо в полевых условиях.

Анализ методом матриц Джонса.

В отличие от рассмотренных выше методов анализа, применение матриц Джонса (JME) позволяет напрямую определить разницу групповых задержек мод с основными состояниями поляризации в зависимости от длины волны. Анализ основывается на измерении собственных матриц устройств с линейной функцией передачи, на серии длин волн. Метод может быть использован для коротких и длинных волокон, вне зависимости от степени связи мод. Ограничение линейности исключает возможность использования оптических устройств, генерирующих новые оптические частоты. При этом ограничение временной инвариантности относится только к преобразованию поляризации, вызванному устройством, и не включает абсолютную задержку оптической фазы.

Согласно методу Джонса, входной и выходной поляризованные сигналы выражаются как одноименный вектор, который состоит из двух элементов матрицы, полностью описывающей амплитуду и состояние поляризации сигнала, при характеристике линия связи матрицей 4х4. Последняя определяется из отношения измеренных выходных состояний к известным входным состояниям и описывает характеристики преобразования поляризации двухпортового устройства, включая абсолютную задержку распространения света, которая не учитывается при определении дифференциальной групповой задержки.

Схема измерения для метода JME включает настраиваемый узкополосный оптический источник излучения, поляризатор, переключаемый на три линейных состояния поляризации, быстрый поляриметр и компьютер, выполняющий функции контроля и обработки результатов измерений. Поляризация источника регулируется приблизительно до состояния окружности, чтобы сделать возможной передачу соответствующей моды через каждый поляризатор.

Матрица Джонса линии, введенной между поляризатором и поляриметром, измеряется на серии дискретных длин волн, причем значение дифференциальной групповой задержки Δτ на длине волны λ, подсчитывается на основе двух матриц Джонса, измеренных на двух равноудаленных от λ₁ длинах волн. Получаемая в результате серия значений Δτ, изображается графически и усредняется для нахождения среднего значения дифференциальной групповой задержки <Δτ>. Пигтейлы волокна, идущие от поляризатора к устройству и от устройства к поляризатору обычно добавляют к результатам измерения задержку не превышающую 0.005 пс каждый.

Оптический источник, используемый в методе JME, должен быть настраиваемым и иметь достаточно узкую полосу частот, чтобы избежать деполяризации тестовым устройством. С этой целью обычно используется настраиваемый лазер с внешним резонатором.

Дифференциальная групповая задержка Δτ определяется на основе двух матриц Джонса, полученных при двух незначительно отличающихся длинах волн и определяется как [2]

Δτ = |τ1-τ1| =		Arg(ρ1/ρ2)
		Δν

где τ₁ и τ₂ - групповые задержки сигналов с основными состояниями поляризации; Δν - изменение оптической частоты, соответствующее интервалу длины волны, рад/с; ρ₁ и ρ₂ - собственные значения измеренных матриц Джонса.

Здесь необходимо отметить, что для определение дифференциальной групповой задержки Δτ не требует самостоятельного определения τ₁ и τ₂.

На точность метода JME оказывает влияние паразитное двулучепреломление и стабильность тестируемой линии, точность длины волны оптического источника, точность поляриметра и повторяемость входной поляризации. Большие изменения длины волны обычно обеспечивают большую точность, однако, для того, чтобы однозначно измерить изменение поляризации, вызванное изменением длины волны, выходное состояние поляризации, создаваемое любым изменением длины волны, не должен превышать 180 градусов. Диапазон длин волн, в котором осуществляется измерение, может быть выбран в соответствии с типом тестируемого устройства.

Дифференциальная групповая задержка компонента с широкой полосой частот, как, например, оптического изолятора, часто не зависит от длины волны, и короткие серии, состоящие из от 1 до 5 переходов, позволят осуществить точное измерение. Одного перехода может быть достаточно, но серия переходов дает преимущество использования усреднения. Длинные кабели с высоким показателем объединения мод, вследствие статической природы PMD требуют более широкого диапазона длины волны, обычно полного диапазона настраиваемого лазера, и достаточно малого размера перехода для обнаружения вариации дифференциальной групповой задержки в зависимости от длины волны. Измерения PMD волокна длиной меньше метра могут быть осуществлены с использованием одного перехода между длинами волн 1300 и 1550 нм. Для кабелей короче длины объединения мод, PMD существенно не изменяется в диапазоне длин волн, в котором волокно остается одномодовым.

Основные особенности измерения PMD методом сканирования длины волны

В соответствии с вышеизложенным, можно сформулировать основные ограничения метода сканирования длины волны, к которым, в частности, относятся:

• минимальные значения PMD ограничены спектральным разрешением, так как меньшие значения PMD требуют более высокого разрешения;
• погрешность измерения PMD пропорциональна спектральному диапазону ввиду того, что более широкий диапазон спектра требует более высокой точности и разрешения;
• определение экстремальных значений зависит от шума и других внешних воздействий;
• когерентность источника должна быть больше, чем запаздывание PMD, которое необходимо измерить, чтобы избежать деполяризации источника;
• время измерения достаточно велико и, следовательно, зависит от изменений состояния волокна во время измерения (например, к вибрации);
• необходима связь между входом и выходом волокна, что неосуществимо в полевых условиях;
• чувствительность к поляризации входного излучения.

Временные методы измерения PMD

Как было отмечено выше, в настоящее время известен ряд методов измерений PMD во временной области, к которым относятся интерферометрический метод и методы измерения по смещению фазы и задержке импульса. В последних Δτ определяется исходя из измерения фазы огибающей модулированного по интенсивности сигнала и интервала времени между импульсами двух основных состояний поляризации, соответственно.

Интерферометрический метод

Интерферометрический метод измерения PMD основан на измерении автокорреляции электрического поля световой волны или взаимной когерентности двух сигналов, излучаемых одним широкополосным источником. Как и методы задержки импульса и дифференциального смещения фазы, он основан на прямом измерении временной задержки [2]. На рис. 2 показана обобщенная схема измерения PMD на основе интерферометра Майкельсона с установленным на выходе источника оптического излучения поляризатором и анализатором - на входе фотодетектора.

Рис.2 Основная схема измерения PMD интерферометрическим методом.

Свет от широкополосного LED или источника белого света направляется в оба канала интерферометра, а свет от перемещающегося и фиксированного зеркал накладывается в плоскости детектора. Взаимное влияние возникает, когда длина двух ответвлений различается на величину, меньшую когерентной длины источника, а максимальная видимость имеет место, когда длины каналов идентичны. При этом ширина отклика обратно пропорциональна ширине спектра источника, а амплитуда огибающей фототока является функцией временной задержки, создаваемой движущимся зеркалом, и определяемой выражением [26]

Δτ =	2Δx
	c

где Δx - расстояние от зеркала до той точки, в которой оба канала имеют равную длину.

В рассматриваемой схеме лучи интерферометра ортогонально поляризованы, а перемещение зеркала создает задержку между ними, в то время как анализатор, обеспечивает взаимное объединение выходных собственных мод тестируемого устройства на фотодетекторе.

Интерферометрический метод применим к оптическим компонентам как с вырожденными модами, так и к оптическому волокну со связанными модами, где основные состояния поляризации являются функциями длины волны, причем получаемые в результате измерения интерферограммы имеют существенные различия. На рис. 3 приведен общий вид одного из наиболее распространенных измерителей поляризационной модовой дисперсии PMD-440 компании GN Nettest Fiber Optic Division.

Рис.3

Данное усторойство позволяет измерять значения PMD при условии превышения когерентного времени источника с представлением результата измерения во временной области в виде гистограммы (рис. 4) или гауссовского замещения (рис. 5). Для низких значений PMD или приборов обладающих особенно низкой PMD, измерения при помощи интерферометра зависят от формы спектра оптического источника и требуют введения соответствующей коррекции или использования других методов более точного определения значения PMD по измеренному отклику.

Рис.4 Временное представление PMD

Рис.5 Окно результатов измерений PMD-440

Основные особенности интерферометрического метода измерения PMD

Отличительной особенностью интерферометрического метода является возможность перемещения тестируемого волокна во время измерения, так как движение изменяет только детали интерферограммы, но не всю ее форму. Вследствие того, что интерферометрический метод позволяет быстро измерять большие значения PMD и схема легко разделяется на источник и приемник, этот метод используется для измерения инсталлированного волокна. Кроме этого, введение модуляции, он позволяет проводить измерение и линий с EDFA. Таким образом, интерферометрический метод характеризуется следующими особенностями:

• измерение больших значений PMD требует пропорционального смещения подвижного зеркала;
• при измерениях когерентность источника должна быть меньше, чем измеряемая задержка и, следовательно, ширина спектра источника должна быть большой;
• измерение осуществляется быстро и независимо от вибрации волокна;
• из-за отсутствия связи между входом и выходом волокна, этот метод идеален для полевых условий;
• измерение осуществляется в широком динамическом диапазоне;
• показания зависят от состояния поляризации на входе объекта измерения.

У некоторых приборов данного типа диапазон измерения PMD составляет 30 пс с возможностью расширения до 100 пс. Динамический диапазон составляет 40 дБ, что выше, чем у большинства других приборов, используемых в интерферометрических технологиях, и ограничивающих обычно длину тестируемого волокна. Некоторые из наиболее совершенных PMD устройств имеют среднее время измерения ниже 15 с и функцию автоматического подсчета PMD.

Заключение

Поляризационная модовая дисперсия сейчас имеет большое значение для высокоскоростных коммуникационных сетей, таких как STM - Х и должна измеряться не только сразу после изготовления, но и после разводки кабелей и инсталляции, так как механические изгибы и давление могут вызвать двойное лучепреломление и, следовательно, PMD. С использованием EDFA волоконные строительные участки увеличиваются и все источники дисперсии, включая PMD должны контролироваться с тем, чтобы свести их до минимума, ибо в противном случае эффект от усиления будет сведен на нет ограничением частоты модуляции.

Литература

1. TIA/EIA FOTP-113. Polarisation-mode dispersion measurement for singlemode optical fibers by the analyser method. Washington, DC: Telecommunications Industry Assotiation. 1997.
2. Gisin N. J-P Von der Weid, Pellaux J-P. Polarisation mode dispersion of short snd long singlemode fibers. Journal of Lightwave Technologi LT-9:821-827. 1991.