CN1488932A

CN1488932A - 偏振光波反射分析法

Info

Publication number: CN1488932A
Application number: CNA031565158A
Authority: CN
Inventors: P��Լ��; P·法约勒; ��˹��ŵ��; Y·吕米诺; G·布凯; V·迪雷尔
Original assignee: Alcatel NV
Current assignee: Alcatel Lucent NV
Priority date: 2002-09-05
Filing date: 2003-09-03
Publication date: 2004-04-14
Anticipated expiration: 2023-09-03
Also published as: FR2844354B1; EP1396712A3; JP2004264280A; FR2844354A1; EP1396712A2; US20060285105A1; CN1488932B; US7126678B2; US20040046955A1; JP4769411B2; EP1396712B1; US7362427B2

Abstract

本发明提供一种偏振光波反射分析法，它至少在一给定的偏振模式色散范围内更精确并可认为是真正定量的。为此，本发明的方法可以尤其是利用下列特点中的全部或某些特点：将至少两个偏振光信号传送到待测试的光纤上，而不是将一个偏振光信号传递到待测试的光纤上，各信号显现一个彼此确定的角偏移，以使偏振模式色散系数保持与待测试光纤中偏振的任何旋转无关；两个线性偏振信号间角偏移的优选值约为45°；对每个由光信号反向散射所得到的轨迹提取相对噪声型标量参数，而不是从由光信号反向散射所得到的轨迹中提取DGP或DOP型的标量参数；及利用一个函数估计偏振模式色散系数，所述函数具有一个标量输入，上述函数是基于指数的类型并具有形式为exp(a+bp+cp^－1)。

Description

偏振光波反射分析法

技术领域

本发明涉及偏振光波反射分析法，所述偏振光波反射分析法也通称为偏振光时域反射分析法(POTDR)。

背景技术

偏振光波反射分析法或POTDR使得能至少得到光纤偏振模式色散(PMD)的定性估计，上述光纤具有一高的模式耦合度，同时色散用每平方根公里微微秒(ps/km^1/2)表示。POTDR使得能沿着光纤检验PMD的均匀性。这使得能鉴别和选择良好的光纤段(亦即提供低PMD系数的光纤段)。由于光纤中的PMD是由于上述光纤中的双折射产生的，所以分析已沿着一个光学函数通过的偏振光波能定性地评价上述光纤的双折射，并因此得到它的PMD的定性估计。PMD可以局部评价，亦即在一部分待测试光纤上进行评价，上述光纤部分最好是至少1千米(km)长，或者是总的评价，亦即在整个待测试的光纤长度上进行评价。因为POTDR包括一个被反向散射的信号，所以接入待测试光纤的仅仅一端或是连接待测试光纤的光缆的仅仅一端就足够了。对一种光纤的PMD，有利的是均匀，已知，并且很低。

在现有技术中，比如，在由B.Huttener所写并于1999年3月10日在“Journal of Lightwave Technology”17，pp 1843-1948，1999中所发表的文章“Distributed PMD measurement with a polarization-OTDR in opticalfibers”中，或者在由Andrea Galtarossa所写并于1999年10月10日在“Journal of Lightwave Technology”中所发表的文章“Single-endpolarization dispersion measurement by back-reflected spectra through alinear polarizer”中所述，偏振光波反射分析法是已知的。尽管如此，这些方法都是基于传送单个线性偏振光信号，从上述单个线性偏振光信号提取出一个或多个参数，如：偏振度(DOP)或微分群时延(DGD)，例如根据它们评价偏振模式色散。所提出的方法可以说成是半定性的，因为首先通过给定一个用于偏振模式色散系数的值，它们提供对纯粹定性方法的显著改善，其次它们的精度受到限制及对某些应用来说精度不够。

发明概述

本发明提出一种偏振光波反射分析法，所述方法至少在一给定的偏振模式色散范围内更精确，并且可以认为是真正定量的。为此，本发明的方法可以特别利用下列原始特点的全部或其中某些特点：

-将至少两个偏振光信号送到待测试的光纤中，而不是将单个偏振光信号送到待测试的光纤中，所述信号提供一确定的彼此相对的角偏移，以使偏振模式色散系数与待测试光纤偏振的任何旋转无关；两个线性偏振的信号之间一个优选的角偏移值约为45°；

-对每个由光信号反向散射所得到的轨迹提取相关噪声类型的标量参数，而不是从由光信号反向散射所得到的轨迹提取DGP或DOP型标量参数；及

-利用一个函数估计偏振模式色散系数，所述函数具有一个标量输入，该函数具有基于指数的类型并具有的形式为exp(a+bp+cp^-1)。

利用所有上述特点能使本发明的方法在一扩大的偏振模式色散系数范围内用很良好的精度定量。将前两个特点结合尤其有利，并导致在精度和复杂性之间一个尤其有利的折衷方案。

根据本发明的一个方面，提供了一种偏振光波反射分析法，它按顺序包括至少：将多个线性偏振光信号传送到待测试光纤中的步骤；一个检测由光信号反向散射所得到的轨迹的对偏振敏感的步骤；一个将每个轨迹归一化的步骤；对每个轨迹计算在至少一部分待测试光纤上归一化的光纤的标准偏差的步骤，结果被称为轨迹的相对噪声；计算步骤，所述计算将一加权平均型函数应用到各种轨迹的相对噪声上，同时将相同的加权提供给每个的噪声，结果称为总相对噪声；以及利用一种类型从总相对噪声估计偏振模式色散系数的步骤，上述类型函数具有一个标量输入和一个标量输出；线性偏振光信号之间的角偏移用这种方式确定，以使总相对噪声与待测试光纤中偏振的任何旋转无关。

在本发明的另一方面，提供了一种偏振光反射分析法，它按顺序包括至少：将多个相互不同的偏振光信号传送到待测试光纤中的步骤；检测由光信号反向散射所得到的轨迹对偏振敏感的步骤；将每个轨迹归一化的步骤；对每个轨迹，在至少一部分待测试的光纤上计算归一化轨迹的标准偏差的步骤，结果称为轨迹的相对噪声；及从轨迹的相对噪声估计偏振模式色散系数的步骤；偏振光信号对于偏振模式色散系数相互完全不同，以便保持与待测试光纤中偏振的任何旋转无关。

在本发明的另一方面，提供了一种偏振光波反射分析法，它按顺序包括至少：将两个线性偏振光信号送到待测试光纤中的步骤；检测由光信号反向散射所得到的轨迹对偏振敏感的步骤；及从各轨迹估计偏振模式色散系数的步骤；对于估计的偏振模式色散系数，两个线性偏振光信号之间的角偏移十分接近45°，以便保持与待测试光纤中偏振的任何旋转无关。

在本发明的另一方面，提供了一种偏振光波反射分析法，它按顺序包括至少：将至少一个偏振光信号送到待测试光纤中的步骤；检测由光信号反向散射所得的轨迹对偏振敏感的步骤；计算由一个或多个轨迹得到的标量参数p的步骤；及利用一个函数从标量参数p估计偏振模式色散系数的步骤，上述函数通过一个或多个指数形式exp(a+bp+cp^-1)的线性组合构成，其中系数 a， b和 c从一个指数到另一个指数可以变化。

在本发明的另一方面，提供了一种偏振光波反射分析法，它按顺序包括至少：将多个相互不同的偏振光信号送到待测试光纤中的步骤；检测由光信号反向散射所得到的轨迹对偏振敏感的步骤；从每个轨迹提取共同标量参数的步骤，所述标量参数代表偏振模式色散；以及从各标量参数估计偏振模式色散系数的步骤；各偏振光信号偏振模式色散系数相互十分不同，以便保持与待测试光纤中偏振的任何旋转无关。

在本发明的另一方面，提供了一种偏振光波反射分析法，它按顺序包括至少：将多个相互不同的偏振光信号送到待测试光纤中的步骤；检测由光信号反向散射所得到的轨迹对偏振敏感的步骤；及从各轨迹估计偏振模式色散系数的步骤；各偏振光信号偏振模式色散系数相互十分不同，以便保持与待测试光纤中偏振的任何旋转无关。

在本发明的另一方面，提供了一种偏振光波反射分析法，它按顺序包括至少：将至少一个偏振光信号送到待测试光纤中的步骤；检测由光信号反向散射所得到的轨迹对偏振敏感的步骤；将轨迹归一化的步骤；计算至少在一部分待测试的光纤上归一化的轨迹标准偏差的步骤，其结果称为轨迹的相对噪声；及从各轨迹或每个轨迹的相对噪声估计偏振模式色散系数的步骤。

附图说明

在阅读了下面以示例给出的说明和附图后，将会更好地理解本发明，本发明的其它特点和优点将变得明显，其中：

图1是本发明的一个系统的示意图；

图2是从图1的OTDR获得的示例性轨迹示意图；

图3是通过反向散射得到的示例性轨迹示意图；

图4是示例性的归一化的轨迹示意图；

图5是在估计偏振模式色散系数的步骤中所用的一个函数示例图。

具体实施方式

下面就本发明的一个方面对其进行更详细的描述。在本发明的一个优选方面，偏振光波反射分析法应用于一种待测试的光纤，所述光纤的偏振模式色散系数是待确定的，尤其是用于检验在测试中的光纤中偏振模式色散的均匀性，和其次用于任意选择优良光纤段，亦即具有低偏振模式色散系数的光纤段二者。所述方法包括把多个线性偏振光信号，优选的是两个这样的信号传送到待测试光纤中的步骤。各光信号有一个确定的相互角偏移，以便总的相对噪声保持与待测试光纤中偏振的任何旋转无关。各光信号在庞加莱球上的表示相互独立，这样确保总的相对噪声是一个常数值，因而使测定偏振模式色散系数的精度与偏振的任何旋转无关，各光信号在它们沿着测试中的光纤来回行进过程中都经受上述偏振的旋转。在返回时，检测光信号。检测由反向散射的光信号所得到的轨迹的步骤对偏振很敏感，亦即，例如已在前进方向穿过偏振器的光信号在返回时还穿过该偏振器。一旦得到，则将每个轨迹都归一化，以便使它与不同的衰减量无关，根据反向散射的位置，信号沿着待测试的光纤经受衰减，因此，使得能忽略不计随光纤长度变化而产生的损失，反向散射的信号沿着上述光纤在来回方向上行进。然后，对每一个轨迹，当估计局部偏振膜式色散时在一部分待测试的光纤上，及估计总偏振模式色散时在整个待测试的光纤上，计算归一化轨迹的标准偏差，这种标准偏差被称为轨迹的“相对噪声”。此后，将一加权平均式函数应用到这些轨迹其中每个轨迹的相对噪声上，将同样的加权加到每个上述轨迹的相对噪声上，上述平均叫做“总相对噪声”。最后，一个估计步骤根据总相对噪声通过一种类型函数确定偏振模式色散系数，上述类型函数具有一个标量输入和一个标量输出，亦即，将一种简单标量值的总相对噪声被输入上述函数，并且上述函数输出一个用于偏振模式色散系数的值，该值同样是一种简单的标量值。本发明的方法具有在各种情况下都简单的优点，尤其是涉及处理的参数情况下，它将一个轨迹中所包括的信息减少到一个单一标量参数而没有显著变差，并且就涉及所用的光源而论，没有必要像尤其在一个现有技术文献中所需要的那样产生很细的光脉冲。

本发明的方法是定量的，在从约0.01ps/km^1/2到0.2ps/km^1/2范围内都具有良好的精度，因为在本发明的系统中采用一标准的OTDR装置对研究更宽的范围没有足够的灵敏度。尽管如此，实际上这个范围是很宽的，因为可以认为偏振模式色散系数低于上述范围下限的光纤是优良的，而可以认为偏振模式色散系数高于上述范围上限的光纤是差的。一旦将光纤判断为是优良的(满足最严格的技术条件)或是差的(满足最不严格的技术条件)，则精度就不需要，而对中间的情况则继续需要精度，在上述中间的情况下必须确定是否满足这样或那样的技术要求。长时间以来，偏振模式色散系数的值及均匀性都是限制光纤质量的因素，并构成一把“锁”，该“锁”用本发明的定量偏振光波反射分析法“打开”。当采用一种标准的OTDR装置时，本发明的系统实施本发明方法的能力使它在成本方面特别有吸引力。这也使它能同时进行一些常规OTDR测量，尤其是与长度、缺陷和衰减有关的测量。

图1是用于实施本发明方法的本发明系统一个示意图。各个装配有连接器的端件用EC表示，而这些端件之间的各段光纤用FO表示。系统还依次包括：一个光学反射计1，它是一种标准OTDR装置；一个偏振控制器2；和一个基准光纤3。系统还包括一个连接到OTDR装置1上的处理器装置5。由于一个标准的OTDR装置1只产生一个已用对数处理过的轨迹，所以处理器装置5尤其是用来恢复具有指数外形的原始轨迹。标准OTDR装置1具有一个在约1550纳米(nm)波长下工作的光脉冲源，一个偶合器，一个检测器，以及处理器装置，但它是常用的并可以从许多供应者那里得到。如果OTDR装置1具有一偏振光源，偏振控制器2可以由一与旋转半波板有关的线性偏振器构成，或者是如果OTDR装置1具有一非偏振光源，偏振控制器2可以由一旋转偏振器构成。基准光纤3是一种引出线(leader)光纤，其自由端设计成连接到一个光纤4上，所述光纤4是待测试的光纤并且不属于系统本身。因此，上述自由端最好具有一个装配连接器的端件。处理器装置5设计或与元件1-4协同工作，以便能实施本发明的偏振光波反射分析法。

基准光纤3不仅是一种引出线光纤，而且还构成一个内部标准，用于估计偏振模式色散系数，并且为此本发明的系统已知并采用引出线光纤的长度和偏振模式色散系数二者。为了提供一种尽可能均匀和尽可能可用的轨迹，基准光纤3提供最好是恒定和均匀的偏振模式色散。基准光纤3的偏振模式色散优选的是在0.04ps/km^1/2-0.06ps/km^1/2范围内，比如是0.05ps/km^1/2。对基准光纤3，有利的是它具有与待测试的光纤相同的类型，不过可能的情况是它要求能用各种类型的基准光纤3。有利的是，基准光纤3的长度在2km-4km范围内，如：3km。基准光纤3也可以用于实施本发明以外的偏振光波反射分析法的系统中，并且它也可以用于实施本发明以外的偏振光波反射分析法。

两个光信号通过OTDR装置1连续地传送通过偏振共振器2，以便沿着基准光纤3和待测试的光纤4行进。沿着上述光纤，光信号被反向散射，而反向散射的光朝OTDR装置方向返回并穿过偏振控制器2。两个光信号线性偏振，并且它们之间的角偏移十分接近45°，用于估计偏振模式色散系数，以便保证与待测试光纤中偏振的任何旋转无关。它们的角偏移越接近45°，达到这个目的的效果越好，然而在某些应用中稍微不同的值不会使最终的精度过度变差并且是可接受的。

图2是一种轨迹的例子的示意图，所述轨迹是通过图1的OTDR获得的并由处理器装置5处理，由反向散射的光从所传送的光信号之一得到。对应于基准光纤3的标准轨迹用Tref表示。对应于待测试光纤4的轨迹用Tfut表示。一般来说，标准OTDR提供一条已经受对数处理的曲线。然而，那个轨迹因为已经用处理器装置5处理过，所以在外表上是指数(因为衰减随沿着上述光纤的距离不同而不同)，但这没有显出轨迹是否是对一太短的距离作出的。反向散射光信号的强度在纵坐标上绘出并用毫伏(mv)表示，而距OTDR装置的距离沿着横坐标绘出，上述距离用米(m)表示。

图3是由反向散射所得到的一个轨迹的例子的示意图，而图4是一种归一化的轨迹示意图。曲线C1具有指数表现形式并代表反向散射其中一个光信号得到的轨迹。曲线C2示出曲线C1的最佳配合指数。平均值零的曲线S代表归一化的轨迹。从指数表现形式的轨迹C1开始，归一化步骤首先是确定C1的最佳配合指数的曲线C2，其次是确定归一化的轨迹S＝(C1-C2)/C2。计算归一化轨迹S的标准偏差的步骤用下面公式进行：

\sqrt{\frac{1}{L} {&Integral;}_{O}^{L} s^{2} dl}

式中L是待测试的光纤部分4的长度。在图3和图4中，纵坐标上信号的幅度A被表示成沿着待测试光纤4反向散射距离d的函数。总相对噪声用一加权平均类型函数计算，该加权平均类型函数可以是例如算术平均，几何平均，调和平均，或者是平方和的平方根。在利用一种算术平均类型函数的有利情况下，其中一个轨迹的相对噪声被写成BR(0°)，而另一个轨迹的相对噪声被写成BR(45°)，以表示相对于第一轨迹偏移45°。因此总相对噪声BRG等于：

写成CPMD的偏振模式色散系数是根据这个总相对噪声BRG确定的。

在估计步骤中所用的函数最好是一种用一个或多个形式为exp(a+bp+cp^-1)的指数线性结合形成的函数，式中系数a，b和c对每个指数来说都是固定的，但从一个指数到另一个指数可以改变。估计步骤的函数优选的是取下面形式：

CPMD = \exp (A + \frac{B}{BRG})

式中BRG是总相对噪声，A是在-6到-3范围内的一个固定系数，及B是在0.001到0.2范围内的一个固定系数。例如，A可以是-4.365和B可以是0.06176，它相应于图5中所示的曲线CR。

图5是在估计偏振模式色散系数的步骤中所用函数的示例性示意图。偏振模式色散系数CPMD在纵坐标上绘出并用ps/km^1/2表示。总相对噪声BRG沿着横坐标绘出并且是没有单位的纯数字。曲线CR由一组标准光纤FE确定，上述标准光纤FE用黑色菱形表示。曲线LP代表模型的精度界限。

用于估计步骤的另一种函数可以是，例如：下面的公式：

CPMD = \exp [

\frac{B}{BRG}

(\frac{BRG}{B 1})

式中A为0.4155和B为-0.01286，A1为0.04596和B1为-0.1970。也可以用另一些函数，无论是基于指数还是其它。

Claims

1.一种偏振光波反射分析法按顺序包括至少以下步骤：

-将多个线性偏振光信号传送到待测试光纤中；

-检测由光信号反向散射所得到的轨迹的对偏振敏感的步骤；

-将每一轨迹归一化；

-对每个轨迹在至少一部分待测试的光纤上计算归一化的轨迹标准偏差，结果称为轨迹的相对噪声；

-计算步骤，将一加权平均类型函数应用到各种轨迹的相对噪声上，同时将相同的加权提供给每个轨迹的噪声，结果称为总相对噪声；及

-利用一种类型函数从总相对噪声估计偏振膜色散系数，上述类型函数具有一个标量输入和一个标量输出；

-用这种方式确定所述线性偏振光信号之间的角偏移，以使总相对噪声保持与待测试光纤中偏振的任何旋转无关。

2.一种偏振光波反射分析法按顺序包括至少以下步骤：

-将多个相互不同的偏振光信号传送到待测试光纤中；

-对偏振敏感的检测由光信号反向散射得到的轨迹的步骤；

-使每个轨迹归一化；

-对每个轨迹在至少一部分待测试的光纤上计算归一化的轨迹标准偏差，结果称为轨迹的相对噪声；及

-从各轨迹的相对噪声估计偏振模式色散系数；

-所述偏振光信号偏振模式色散系数相互完全不同，以便保持与待测试光纤中偏振的任何旋转无关。

3.一种偏振光波反射分析按顺序包括至少以下步骤；

-将两个线性偏振光信号传送到待测试光纤中；

-对偏振敏感的检测由光信号向后散射得到的轨迹的步骤；及

-从各轨迹估计偏振模式色散系数；

-所述两个线性偏振光信号之间的角偏移十分接近45°用于估计偏振模式色散系数，以便保持与待测试光纤中偏振的任何旋转无关。

4.一种偏振光波反射分析法按顺序包括至少以下步骤：

-将至少一个偏振光信号传送到待测试光纤中；

-对偏振敏感的检测由光信号反向散射法得到的轨迹的步骤；

-利用一种函数由标量参数P估计偏振模式色散系数，上述函数由一个或多个取exp(a+bp+cp^-1)形式的指数线性组合构成，此处系数a，b和c可以从一个指数到另一个指数发生变化。

5.一种偏振光波反射分析法按顺序包括至少以下步骤：

-将多种相互不同的偏振光信号传送到待测试光纤中；

-对偏振敏感的检测由光信号反向散射得到的轨迹的步骤；

-从每个轨迹提取出共同的标量参数的步骤，上述参数代表偏振模式色散；及

-从各标量参数估计偏振模式色散系数；

-各偏振光信号相互的偏振模式色散系数十分不同，以便保持与待测试光纤中偏振的任何旋转无关。

6.一种偏振光波反射分析法按顺序包括至少以下步骤：

-将多个相互不同的光信号传送到待测试光纤中；

-对偏振敏感检测由光信号反向散射所得到的轨迹的步骤；及

-由各轨迹估计偏振模式色散系数；

-各偏振光信号的偏振模式色散系数相互十分不同，以便保持与待测试光纤中偏振的任何旋转无关。

7.根据权利要求5或6的偏振光波反射分析法，其特征在于：光信号的数量是两个。

8.一种偏振光波反射分析法按顺序包括至少下列步骤：

-将至少一个偏振光信号传送到待测试光纤中；

-对偏振敏感的检测由光信号反向散射所得到的轨迹的步骤；

-计算在至少一部分待测试光纤上归一化的轨迹标准偏差，结果称为轨迹的相对噪声；及

-由上述轨迹或每个轨迹的相对噪声估计偏振模式色散系数。

9.根据权利要求1或2的偏振光波反射分析法，其特征在于：

-光信号的数量是两个；及

-对于估计的偏振模式色散系数，两个线性偏振光信号之间的角偏移足以接近45°，以便保持与待测试光纤偏振的任何旋转无关。

10.根据权利要求1或9的偏振光波反射分析法，其特征在于：估计步骤的函数是一种由一个或多个取exp(a+bp+cp^-1)形式的指数线性组合构成的函数，系数a，b和c对每个指数都是固定的，但从一个指数到另一个指数可能有变化。

11.根据权利要求10的偏振光波反射分析法，其特征在于：估计步骤的函数是：

\exp (a + \frac{B}{BRG})

式中BRG是总相对噪声，A是在-6至-3范围内的一个固定系数，及B是在0.0001至0.2范围内的一个固定系数。

12.根据权利要求9的偏振光波反射分析法，其特征在于：加权平均类型函数是算术平均，或几何平均，或各平方之和的平方根。

13.根据权利要求9的偏振光波反射分析法，其特征在于：归一化步骤包括，从指数形式的轨迹C1开始，首先确定C1的最佳配合指数C2，其次确定归一化的轨迹S，此处：

S＝(C1-C2)/C2

14.根据权利要求13的偏振光波反射分析法，其特征在于：归一化的轨迹的标准偏差用下面公式计算：

\sqrt{\frac{1}{L}} {&Integral;}_{O}^{L} s^{2} dl

式中L是待测试光纤部分的长度。

15.根据权利要求1或2的偏振光波反射分析法，其特征在于：上述方法在从0.01ps/km^1/2到0.2ps/km^1/2范围内都是定量的。

16.一种系统，其特征在于包括多个串联连接的元件，上述元件包括：一OTDR装置类型的光学反射计(1)；一偏振控制器(2)；及一引出线光纤(3)，其自由端用于连接到待测试的光纤(4)上；上述系统还包括一处理器装置(5)，用于与上述各元件协同工作，以便实施按照上述任何权利要求所述的偏振光波反射分析法。

17.根据权利要求16的系统，其特征在于：如果光学反射计(1)具有一偏振光源，偏振控制器(2)由一线性偏振器和一半波板构成，或是如果光学反射计(1)具有一非偏振光源，偏振控制器(2)由一旋转偏振器构成。

18.根据权利要求16的系统，其特征在于：引出线光纤(3)也是一基准光纤，该基准光纤构成用于估计偏振模式色散系数的内部标准，所述引出线光纤(3)的长度及所述引出线光纤(3)的偏振模式色散系数都是已知的。

19.根据权利要求18的系统，其特征在于：基准光纤(3)在0.04ps/km^1/2-0.06ps/km^1/2范围内显现总偏振模式色散。

20.根据权利要求19的系统，其特征在于：基准光纤(3)的长度在2km-4km范围内。