Измерение поляризационной модовой дисперсии

Свет – это поперечные электромагнитные волны. Направление колебаний векторы электрического поля в идеально круглом волокне может быть любым в плоскости, перпендикулярной оптической оси. Поэтому фундаментальная мода в одномодовом волокне содержит две ортогональные поляризованные компоненты, то есть включает в себя две ортогонально поляризованные моды. В волокне с оптически идеальной симметричной круглой сердцевиной и оболочкой как в объемной изотропной среде моды обеих поляризаций распространялись бы с одинаковой скоростью. Небольшие отклонения сердцевины волокна или оболочки от идеальной вращательной симметрии, а также возникновение механических напряжений ведут к появлению двулучепреломления.

Такие нарушения идеально круговой симметрии всегда присутствуют в реальных волокнах, поэтому в них ортогонально поляризованные компоненты световых импульсов (поляризационные моды) распространяются с несколько различными скоростями. Если входной импульс возбуждает обе составляющие поляризации, то у выхода из волокна он уширяется из-за того, что ортогонально поляризованные компоненты оказываются сдвинуты друг относительно друга. Разделение мод, а точнее их задержка друг относительно друга (в ПС), на выходе из волоконного световода называется поляризационной модовой дисперсией (ПМД). ПМД играет важную роль в высокоскоростных ВОСП, особенно при использовании усилителей для увеличения дальности передачи информации и компенсаторов для уменьшения влияния хроматической дисперсии.

Величину уширения импульсов можно оценить, используя время задержки между двумя составляющими поляризации импульса. При длине волокна значение определяется соотношением

, (10.3.14)

где и - групповые скорости распространения ортогонально поляризованных мод.

Величина является единицей измерения ПМД (аналогично межмодовой дисперсии в коротком многомодовом волокне). Для оценки значения ПМД в обычных телекоммуникационных волокнах выражение (10.3.14) использовать непосредственно нельзя. В силу случайного характера анизотропии в волокне, используемом в системах связи, в них нет выделенных состояний поляризации. Фактически, ПМД характеризуется среднеквадратичным значением , получаемым после усреднения случайных возмущений вдоль всего волокна. В результате такого усреднения для величины среднеквадратичного уширения световых импульсов в ОВ была получена формула

, (10.3.15)

где - это параметр ПМД с типичными значениями, находящимися в диапазоне =(0,1÷1)пс/.

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.

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 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 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 кривая подгоняется до микроволновой амплитудной модуляции волокна.

Ниже будут рассмотрены 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. Они включают 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.

В методе сканирования длины волны, 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 рисунке 10.21. 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 [14]

,

где - спектральная ширина источника или разрешение полосы пропускания приемника, м; - номинальная длина волны измерения, м; - оптическая частота, Гц; - 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.