内容摘要：本文介绍了基于光谱分析仪测量偏振模式色散的方法—固定分析法，并通过与标准推荐的综合干涉分析法在不同环境下测量的两组数据的比对，分析了其适用性及局限性。
关键词：偏振模式色散，光谱分析仪，固定分析，综合干涉分析
偏振模式色散（Polarization Mode Dispersion：PMD）是潜在限制高速光纤传输速率的关键参数之一。许多光纤光学测试设备制造商提出了多种PMD测量方法，其中最常用的有干涉法、Stokes参数评估法和基于光谱分析仪（Optical Spectrum Analyzer：OSA）测量法。用OSA测量偏振模色散已被证明是可行的，并被称为固定分析仪（Fixed Analyzer：FA）法。但是该方法测量结果的可靠性有多高？需要靠测试工程师自己分析判断。中国电子科技集团公司第41研究所制造的AV6362光谱分析仪即具备此项测试功能。
一.测量方法描述
用OSA测量PMD的基本工作原理是：线偏振光被输入待测器件（DUT），光谱分析仪测量通过待测器件后再通过一偏振分析器的输出光功率随波长的变化函数（图１所示）。该测试原理是基于PMD的特性：当波长变化时，通过偏振器的功率将会升高或降低。这个信息被用来通过计算波峰数（n）测量平均PMD。当进行测量时，实际测量的是偏振输出状态（SOP）随波长变化的速率。OSA直接读出第一个波峰（λ1）和最后一个波峰（λ2）之间的波长差（λ2-λ1），并根据测量到的λ1、λ2、（λ2-λ1）和n的值自动计算出PMD（Δτ）。计算公式如下：
Δτ＝
式中：k—模式耦合因子，可设置范围为0.01～1。
c—光速（2.9979×108m/s）
n—波峰数
λ1—第一个波峰波长
λ2—最后一个波峰波长
二．测量操作方法
1．按图1所示连接PMD测试装置。
2．设置必要的测试条件，测量光源的光谱宽度。
设置光谱分辨带宽为0.05nm（一般为OSA的最小分辨带宽），其它的波长设置应与被测光源匹配。
执行重复扫描，观察扫描的波形，调节偏振控制器使测量到的光谱峰/谷值差别最大。
3．执行单次扫描，在扫描完成时，OSA自动计算并显示PMD值。
为了获得PMD读数，所有的PMD测量都是在一个给定的波长范围内进行的，也就是说PMD是微分群延迟（DGD）在一个较宽波长范围上的平均值。因此，波长范围越宽，测量的结果越准确。这意味着需要取用一个具有宽光谱的SLED或ASE光源来达到这种测试要求，并在另一端放一个滤波器来分析偏振随波长的变化关系。滤波器可以是干涉仪、可调谐窄带滤波器或光谱分析仪。
三．与综合干涉分析法的比较
综合干涉分析法（General Interferometry Analysis：GINTY）是唯一由IEC61280-4-42推荐的适用于已安装光缆在不同环境下的可靠测量PMD的方法。用FA测量PMD可以和用GINTY测量PMD得到几乎一样的准确度——假若你拥有正确的计算软件、选择了正确的光源，最重要的是OSA要有足够高的分辨率。但是，OSA的波长准确度一般没有干涉仪高。
另外，FA测量法对光纤的移动非常敏感（这即是被称作为固定分析法的原因）。当测量已安装的光纤时，如果光纤里有引起偏振态变化的振动，那么测量的结果就不准确。而GINTY分析法对光纤的摆动几乎不受影响。图3是两种测试方法在两种不同的条件下，同时对同一条光缆（120km）连续15次测试结果的统计分析[1]。
四．结论
FA法测量PMD被证明对光纤跳线的移动及由于环境效应而引起的光纤内的耦合变化高度敏感，这就是各种标准组织不推荐用这种方法测量已安装光纤PMD的原因。
另外，有两个因素限制FA法测量PMD的范围：
1．高端受OSA分辨率的限制。OSA的分辨率越好，PMD测量范围的上限越高。
2．低端受光源及OSA的波长范围的限制。波长扫描范围越宽，PMD的测量范围下限越低。因为这种方法本质上是峰值计数法，峰值必须清楚地从噪声中区分出来，如果不能区分，该测量方法失败。
事实上，FA测量方法在1～75ps延迟范围内相当好，但是在这个范围之外受到限制。这个范围属于高PMD范围，主要出现在已安装的光纤中，但是该方法被证明用于测量已安装的光纤并不理想。FA法较适合于感兴趣波长范围内具有大PMD的光器件的测试。
正如前面提到的局限性一样，用OSA测量PMD需要附加设备，包括一个宽带光源和两个偏振控制器。测量装置与单机PMD分析仪相比要相对复杂一些。
参考文献
[1] Francis Audet，USING AN OSA TO MEASURE PMD IN THE FIELD-TEST CASE，2005.
[2] AV6362 光谱分析仪用户指南，2002。
[3] AQ6317 OPTICAL SPECTRUM ANALYZER INSTRUCTION MANUAL，1998.
张家奎
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