寬帶需求迫使服務(wù)提供商不斷升級其網(wǎng)絡(luò)，以為客戶提供速度更快、質(zhì)量更佳的應(yīng)用和服務(wù)。光纖網(wǎng)絡(luò)設(shè)施上過多的色散會限制這些高速傳輸系統(tǒng)的性能和運行可靠性。一項需要測試以確保這些系統(tǒng)達到最優(yōu)性能的基本參數(shù)是偏振模色散(PMD)。光纖鏈路中的PMD一直是服務(wù)提供商關(guān)注的焦點，原因在于通過它可以了解是否能夠升級傳輸系統(tǒng)以支持更高比特率的信號。因此，要驗證給定光纖鏈路是否能夠支持傳輸速率的提升，就需要測量差分群時延(DGD)的平均值，即我們所說的PMD。

PMD的隨機性對在有限波長范圍內(nèi)通過一次測量測定DGD均值的精度形成了基本限制。這些限制對數(shù)值很小的DGD均值影響尤為嚴重，而這樣小的DGD均值在將鏈路升級為2.5、10或40Gb/s(即幾個ps)時將得到更多的關(guān)注。不確定性可以通過在較長時間內(nèi)進行重復(fù)測試得以改善。因此，測試儀器須能進行長期的PMD監(jiān)測，以實現(xiàn)DGD均值的時間平均。

JDSU公司研發(fā)了一種可在現(xiàn)場部署的測試儀器，其采用非干擾的方法測量一段光纖鏈路的PMD，同時，該鏈路可保持正常的在線工作。該儀器分析傳輸信號的偏振態(tài)，通過每個傳輸信號中的偏振變量的頻率依賴性測定光纖鏈路的DGD均值。

這種測試儀器不僅可用于光纖鏈路質(zhì)量認證，還可用于排除那些表現(xiàn)出過高誤碼率的波長通道的故障。

傳統(tǒng)的PMD測量

光纖的PMD通常是通過將專用測試信號注入鏈路的一端，在另一端分析所引起的以光頻率為函數(shù)的偏振變化而測量得到。然后通過對各個光頻率上測量到的瞬時DGD值進行平均得到鏈路的DGD均值。最常用的現(xiàn)場PMD分析儀在發(fā)射端使用一個寬譜光源，并在接收端對其進行分析(見圖1)。但是，要進行這樣的測量，整個光纖鏈路必須退出服務(wù)——數(shù)據(jù)傳輸要么被中斷，要么被重新路由到一條備用鏈路上。這種傳統(tǒng)方案僅適用于“暗”光纖鏈路或“無光”光纖鏈路。

圖1：被測光纖網(wǎng)絡(luò)必須中斷服務(wù)，以便分析插入的測試信號。

傳統(tǒng)的測試方法難以在現(xiàn)代ROADM網(wǎng)絡(luò)中應(yīng)用，因為測試信號的光譜分量可能被路由到許多方向。因此必須為在線鏈路中的PMD測量提供非干擾的測試技術(shù)，并且能夠測量獨立的DWDM(密集波分復(fù)用)通道(見圖2)。

圖2：測試信號的光譜分量可能被路由到不同地點。

DGD與等效DGD

雖然光纖鏈路中的DGD均值一般是將各個光頻率處測得的瞬時DGD取平均值獲得，但其也可由固定光頻率的DGD變化的時間平均值得出，或者由時間平均值和頻率平均值的組合得到。此外，DGD甚至無需直接測量，而是通過測量等效DGD(DGDeff)得到。DGDeff定義為斯托克斯空間中PMD矢量分量的幅度，其與光信號的發(fā)射偏振態(tài)或偏振態(tài)(SOP)矢量正交(見圖3)。

圖3：各種狀態(tài)的PMD與SOP矢量對比。上：當(dāng)信號的發(fā)射偏振態(tài)正交于主偏振態(tài)(PSP)時，DGDeff等于瞬時DGD(Δτ)；中：當(dāng)發(fā)射偏振態(tài)與PMD矢量平行時，無偏振旋轉(zhuǎn)，DGDeff直接消失；下：在其他情況下，若發(fā)射偏振態(tài)與PMD矢量形成角??，則DGDeff=Δτsin?。

DGDeff與DGD的關(guān)系表示為：

事實上，DGDeff表示PMD對信號損傷的極精確的測量。DGD均值與DGDeff,均值(時域和/或頻域的平均)相關(guān)。人們對DGDeff,的統(tǒng)計分布極為了解(瑞利概率密度函數(shù)(PDF))，且其平均值與DGD均值成正比(見圖4)。

圖4： DGD Δτeff與DGD Δτ的統(tǒng)計分布。

因此，光纖鏈路中的DGD均值可由傳輸光信號中等效DGD的現(xiàn)場測量進行估算。

與傳統(tǒng)技術(shù)相比，這種方法的優(yōu)勢在于光信號的發(fā)射偏振態(tài)可以是任意的，無需進行控制或掃描。

無擾的在線PMD測量

JDSU的I-PMD創(chuàng)新測試方案用于測量DWDM信號中的等效DGD并獲取PMD值。其可以對在線系統(tǒng)中的新DWDM通道進行定性分析(測量C波段內(nèi)通道的功率水平、OSNR及PMD；測試正在運行的在線網(wǎng)絡(luò)；使用2.5/10/40Gb/s或更高速率通道中傳輸?shù)脑诰€真實信號)；排除那些具有高誤碼率(BER)的異常光通道的故障(測量信號所經(jīng)歷的等效DGD；測量傳輸信號的帶內(nèi)OSNR；與測量的BER相關(guān)聯(lián))；以及將DWDM系統(tǒng)升級至更高的比特率(對信號所經(jīng)歷的DGD進行長期測量；繪制每個DWDM信號的DGD隨時間變化的圖)。

圖5為儀器的原理示意圖。光纖鏈路中分流的光信號首先通過一個掃描偏振變換器，然后由偏振分束器(PBS)分離為兩個正交偏振分量(以下我們稱其為TE和TM)。

圖5：JDSU無擾PMD分析儀的功能框圖。

這兩個分量再分別與掃描本地振蕩激光器(LO)發(fā)出的輸出光混合，LO在整個C波段內(nèi)以超過100GHz/ms的速度及小于GHz的精度進行調(diào)節(jié)。相干差拍信號通過一對平衡光電二極管進行檢測，并在電氣放大和低通濾波到幾百MHz帶寬后，注入兩個RF功率檢波器，由此產(chǎn)生兩個信號PRF-TE和PRF-TM，它們在LO激光頻率?大約為幾百MHz的帶寬內(nèi)與兩個正交偏振態(tài)的光功率成正比。這兩個信號在本地振蕩器頻率在被測信號的頻譜范圍內(nèi)調(diào)整的過程中被記錄下來。測試在偏振變換器的各種設(shè)置下重復(fù)進行。

為了測量給定信號中的等效DGD，我們選擇頻率掃描時出于以下考慮：在信號頻譜的中心，P(RF-TE)=P(RF-TM)；δP(RF-TM)/δν(和δ(RF-TE)/δν)為最大值。在這些條件下可直接計算DGDeff。用PLO表示LO的功率，θ(ν)表示變換的輸入偏振態(tài)與斯托克斯空間內(nèi)TE態(tài)之間的夾角，P Signal (ν)表示頻率為?時信號的功率，我們得出

并且DGDeff在信號中心頻率處與θ(ν)相對于θ(ν)的導(dǎo)數(shù)成正比，即

比特率和調(diào)制格式的獨立性分析

基于相干檢測技術(shù)的在線PMD分析儀提供足夠的頻譜分辨率，以分析比特率為2.5~40Gb/s的任意調(diào)制信號的頻率相關(guān)偏振變化(見圖6)。

圖6：對使用不同調(diào)制格式的不同比特率信號進行在線PMD測量的示例。

測量設(shè)置與程序

稱為I-PMD的測試方案安裝于T-BERD/MTS 8000V2主機上。

測試設(shè)置(見圖7)與相關(guān)程序非常簡單。需要技術(shù)人員定義(或在檢測到的通道內(nèi)選擇)用于測試的DWDM波長，然后按開始鍵。步驟為：將儀器連接到光纖鏈路末端的寬帶分光器(分析不會中斷或影響在線的真實數(shù)據(jù)流量)；選擇列入PMD測量的DWDM通道(可混合不同比特率和/或調(diào)制格式；若尚不清楚精確的頻率，可使用自動通道檢測)；開始短期或長期測量分析(該裝置可在任何地點遠程接入和控制)。

圖7：T-BERD/MTS-8000V2的I-PMD模塊連接到ROADM網(wǎng)絡(luò)的分光處。

現(xiàn)場試驗測試結(jié)果

我們對一段414km長、在C波段內(nèi)不同頻率上承載19個常規(guī)10-Gb/s NRZ-OOK信號的長途傳輸鏈路進行了現(xiàn)場試驗(見表)。

表：DWDM通道規(guī)劃和相關(guān)測量。

所有信號均穿過相同光纖段。在本研究中，PMD分析儀連接到鏈路末端的監(jiān)測器分光器上(見圖8)，其信號功率在-27.3與-24.6dBm之間。信號的光信噪比介于17~18dB。

在191個小時的測量時間內(nèi)，儀器對19個WDM信號的DGDeff自動測量1680次，得到31920個樣本，其DGDeff均值為14.8 ps。連續(xù)測量的時間間隔為5~30分鐘。

圖9所示為31920個DGDeff測量的統(tǒng)計分布，與=14.8ps時預(yù)計的瑞利概率密度函數(shù)極為相近。

圖9：現(xiàn)場試驗中測量到的31920個DGDeff值的統(tǒng)計分布。

因此，我們估計光纖鏈路中的DGD均值大約為18.84ps，與之前對同一鏈路進行的端到端PMD測量極為相符，分別為18.56和18.57ps.

圖10所示為在測量時間內(nèi)頻域平均的Δτ eff值的變化，即ν(t)，其與各個頻率的時域平均t(ν)的變化幅度大致相同，因此表明光纖鏈路中的PMD波動確實很大。左圖所示為作為測量時間函數(shù)的頻域平均值，右圖為19個WDW通道內(nèi)的時域平均數(shù)據(jù)。左圖中的頻域平均樣本的標(biāo)準偏差為平均值的10.4%，右圖中的時域平均樣本的標(biāo)準偏差為13.8%。然而圖9也說明在19個WDM信號內(nèi)只測量DGDeff一次不足以以大于20%的精度估計。

圖10：現(xiàn)場試驗測量到的Δτeff(ν,t)數(shù)據(jù)的時域和頻域平均值。

“非干擾的在線PMD測量技術(shù)是一項面向服務(wù)提供商、驗證高速ROADM DWDM網(wǎng)絡(luò)并排除故障的獨特技術(shù)。在業(yè)務(wù)升級的規(guī)劃過程中(例如10G升級到40G)，PMD是一項需要測試的關(guān)鍵參數(shù)。這項測試在ROADMS網(wǎng)絡(luò)中更具挑戰(zhàn)性。這時信號被路由到多個不同方向，因而將網(wǎng)絡(luò)關(guān)斷進行測試會遇到極大的困難。因此，所有測試均應(yīng)在不關(guān)斷網(wǎng)絡(luò)或不重新路由的前提下來完成，從而確保網(wǎng)絡(luò)設(shè)施的優(yōu)化并準備好用于更高比特率的系統(tǒng)。”JDSU的Gregory Lietaert如此說到。

本文小結(jié)

JDSU開發(fā)出了獨特的無干擾在線測試技術(shù)來監(jiān)測調(diào)制信號的等效DGD。它與傳統(tǒng)的斷業(yè)務(wù)式技術(shù)相比，具備類似的DGD均值評估精度。I-PMD儀器基于相干檢測，具備足夠的靈敏度以測量由任何網(wǎng)絡(luò)接入點的寬帶監(jiān)控端口分光所得的單個通道信號。該儀器設(shè)計用于便攜式現(xiàn)場測試，并已證明符合現(xiàn)場在線PMD測量與監(jiān)測要求。