摘 要：讨论了固定分析器法测量光纤偏振模色散（PMD）的测量原理，提出一种基于固定分析器法的光纤PMD自动测量仪，并给出了用该仪器测出的测量结果．
关键词：偏振模色散；固定分析器法；测量
偏振模色散（PMD）是单模光纤中两个垂直的偏振模之间的差分群时延（DGD）［1］．在数字通信系统中PMD会使脉冲展宽，在模拟通信系统中产生高阶畸变效应．随着单信道传输速率的提高和模拟信号传输带宽的增加，原来在光纤通信系统中未受关注的PMD问题变得十分突出，在极端情形下会严重劣化系统性能．
正是由于PMD对高速大容量光纤通信系统有着不可忽视的影响，所以对PMD的测量和补偿的研究日益成为热点．
1 测量原理［2］
测量光纤PMD的方法分为时域法和频域法两大类．我们采用ITU－TG．650推荐的频域法中的固定分析器法测量光纤的PMD．传统的固定分析器法测量系统框图如图1所示．
通过光谱分析仪可以得到一条曲线（此曲线横坐标为波长，纵坐标为功率）．在Δw的频率间隔内，曲线出现极值点的可能性为［2］
式中，ΔL是频率间隔Δω内偏振色散矢量在邦加球面上画出的弧长；η是描述Ω×S方向的单位矢量；这里Ω是输出偏振模矢量；S是输入偏振的斯托克斯矢量．在Δω的频率间隔内的极值密度为
式（3）无法得到解析解，但是可以通过数值实验处理的蒙得卡罗模拟方法求其结果．通过这样的模拟，得到＜｜dη／dω｜＞值为
利用关系式
式中，c为真空中的光速．
由固定分析器法测得的结果是待测光纤的平均差分群时延值．
2 实验装置及测量结果讨论
我们提出了一种简单的、自动化程度较高的测量装置，如图2所示．与传统测量方案相比，我们可用图2中虚线框所示设备代替光谱分析仪．图2中虚线框所示设备全部成本为人民币6 000元左右，而传统测量方案中采用的光谱分析仪价值10多万元乃至20多万元人民币．此测量装置在成本大幅降低的同时，实现了PMD的自动测试．
在图2中，分析器的出射光入射到滤光片．图中微控制器和步进电机控制滤光片的精确转动．滤光片转动导致其透光窗口中心波长发生变化．如果将滤光片透光窗口视为光谱采样窗口，转动滤光片可以在指定波长范围内完成光谱曲线样本点的采集．PC机对采样点进行信息处理，复现光谱曲线并且计算出待测光纤的平均差分群时延．
实验中，采用保偏光纤模拟普通单模光纤作为待测光纤．该段保偏光纤产生1．834 ps的差分群时延，相当于长度为123．21 km、PMD系数为
的普通单模光纤所能产生的差分群时延．同时保偏光纤可引入固定大小的平均差分群时延值，便于比较两种方案测试结果的异同．
图3是用传统固定分析器方法在光谱分析仪上截取的光谱线．我们发现，如果实验中光谱分析仪的分辨率设置为0．5 nm，曲线的光滑度非常好．如果光谱分析仪的分辨率设置为0．2 nm或更小，曲线的光滑度变差，如图3所示．这说明只有在分辨率足够高的时候，光谱的精细结构才能反映出来．由于实验光路中采用了晶体偏振器，其端面对光的反射作用导致了图3中的抖动．
图4是在我们设计的PMD测量仪上测得的光谱线．本测试方案中由微控制器将数据传送至PC机，图4曲线右边数据区显示的是当次测试过程中PC机接收到的原始数据．设置该数据区可以使操作人员很方便地获得完整的数据信息．对两种方法的多次测量结果进行比较，发现两者在极值点的个数上吻合得很好，并且曲线抖动明显减小，这表明我们设计的自动测量仪在降低系统成本的同时也保证了较好的测量效果．
我们分析图4曲线上的抖动现象是由以下几个原因造成：
（1）步进电机转动中的微小震动导致滤光片自身抖动，致使滤光片出射光能量抖动；
（2）光路中放置的偏振器是晶体偏振器，其端面对光信号的反射造成光谱抖动；
（3）实验中采用的步进电机细分控制器的细分倍数为40倍，在指定波长范围内采样点个数较少，曲线拟合时难度较大．
通过增加步进电机减震装置，改用光纤偏振器以减少端面反射效果，同时采用细分倍数更高（比如200倍细分控制）的步进电机驱动控制器以增加采样点的个数，就可以改善由以上3个原因带来的曲线抖动现象，从而获取更好的测试性能．
3 结 论
光纤中的PMD是限制高速光纤通信系统传输容量的重要因素．固定分析器法是较为通用的PMD测试方法之一，本文论述了固定分析器法测量光纤PMD的原理．在此基础上提出了一种光纤PMD自动测量仪设计思想．给出了传统固定分析器法与该仪器测量结果之间的对比．这些都为进一步深入研究光纤PMD的变化规律，也为今后的PMD实时测量及补偿研究打下了一定基础．
［1］ 刘德明，向清，黄德修．光纤光学［M］．北京：国防工业出版社，1995．
［2］ Poole Craig D，Favin David L．Polarization－mode dispersion measurements based on transmissionspectra through a polarizer［J］．J．Lightwave Technol．，1994，12（6）917－929．