使用I-PMD進(jìn)行無(wú)擾在線PMD測(cè)量

寬帶需求迫使服務(wù)提供商不斷升級(jí)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(guò)多的色散會(huì)限制這些高速傳輸系統(tǒng)的性能和運(yùn)行可靠性。一項(xiàng)需要測(cè)試以確保這些系統(tǒng)達(dá)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(diǎn)，原因在于通過(guò)它可以了解是否能夠升級(jí)傳輸系統(tǒng)以支持更高比特率的信號(hào)。因此，要驗(yàn)證給定光纖鏈路是否能夠支持傳輸速率的提升，就需要測(cè)量差分群時(shí)延(DGD)的平均值，即我們所說(shuō)的PMD。

PMD的隨機(jī)性對(duì)在有限波長(zhǎng)范圍內(nèi)通過(guò)一次測(cè)量測(cè)定DGD均值的精度形成了基本限制。這些限制對(duì)數(shù)值很小的DGD均值影響尤為嚴(yán)重，而這樣小的DGD均值在將鏈路升級(jí)為2.5、10或40Gb/s(即幾個(gè)ps)時(shí)將得到更多的關(guān)注。不確定性可以通過(guò)在較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)進(jìn)行重復(fù)測(cè)試得以改善。因此，測(cè)試儀器須能進(jìn)行長(zhǎng)期的PMD監(jiān)測(cè)，以實(shí)現(xiàn)DGD均值的時(shí)間平均。

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

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

傳統(tǒng)的PMD測(cè)量

光纖的PMD通常是通過(guò)將專用測(cè)試信號(hào)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(cè)量得到。然后通過(guò)對(duì)各個(gè)光頻率上測(cè)量到的瞬時(shí)DGD值進(jìn)行平均得到鏈路的DGD均值。最常用的現(xiàn)場(chǎng)PMD分析儀在發(fā)射端使用一個(gè)寬譜光源，并在接收端對(duì)其進(jìn)行分析(見(jiàn)圖1)。但是，要進(jìn)行這樣的測(cè)量，整個(gè)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(wú)光”光纖鏈路。

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

傳統(tǒng)的測(cè)試方法難以在現(xiàn)代ROADM網(wǎng)絡(luò)中應(yīng)用，因?yàn)闇y(cè)試信號(hào)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(cè)量提供非干擾的測(cè)試技術(shù)，并且能夠測(cè)量獨(dú)立的DWDM(密集波分復(fù)用)通道(見(jiàn)圖2)。

圖2：測(cè)試信號(hào)的光譜分量可能被路由到不同地點(diǎn)。

DGD與等效DGD

雖然光纖鏈路中的DGD均值一般是將各個(gè)光頻率處測(cè)得的瞬時(shí)DGD取平均值獲得，但其也可由固定光頻率的DGD變化的時(shí)間平均值得出，或者由時(shí)間平均值和頻率平均值的組合得到。此外，DGD甚至無(wú)需直接測(cè)量，而是通過(guò)測(cè)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(hào)的發(fā)射偏振態(tài)或偏振態(tài)(SOP)矢量正交(見(jiàn)圖3)。

圖3：各種狀態(tài)的PMD與SOP矢量對(duì)比。上：當(dāng)信號(hào)的發(fā)射偏振態(tài)正交于主偏振態(tài)(PSP)時(shí)，DGDeff等于瞬時(shí)DGD(Δτ)；中：當(dāng)發(fā)射偏振態(tài)與PMD矢量平行時(shí)，無(wú)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(shí)上，DGDeff表示PMD對(duì)信號(hào)損傷的極精確的測(cè)量。DGD均值與DGDeff,均值(時(shí)域和/或頻域的平均)相關(guān)。人們對(duì)DGDeff,的統(tǒng)計(jì)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(jiàn)圖4)。

圖4： DGD Δτeff與DGD Δτ的統(tǒng)計(jì)分布。

因此，光纖鏈路中的DGD均值可由傳輸光信號(hào)中等效DGD的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量進(jìn)行估算。

與傳統(tǒng)技術(shù)相比，這種方法的優(yōu)勢(shì)在于光信號(hào)的發(fā)射偏振態(tài)可以是任意的，無(wú)需進(jìn)行控制或掃描。

無(wú)擾的在線PMD測(cè)量

JDSU的I-PMD創(chuàng)新測(cè)試方案用于測(cè)量DWDM信號(hào)中的等效DGD并獲取PMD值。其可以對(duì)在線系統(tǒng)中的新DWDM通道進(jìn)行定性分析(測(cè)量C波段內(nèi)通道的功率水平、OSNR及PMD；測(cè)試正在運(yùn)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(shí)信號(hào))；排除那些具有高誤碼率(BER)的異常光通道的故障(測(cè)量信號(hào)所經(jīng)歷的等效DGD；測(cè)量傳輸信號(hào)的帶內(nèi)OSNR；與測(cè)量的BER相關(guān)聯(lián))；以及將DWDM系統(tǒng)升級(jí)至更高的比特率(對(duì)信號(hào)所經(jīng)歷的DGD進(jìn)行長(zhǎng)期測(cè)量；繪制每個(gè)DWDM信號(hào)的DGD隨時(shí)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(hào)首先通過(guò)一個(gè)掃描偏振變換器，然后由偏振分束器(PBS)分離為兩個(gè)正交偏振分量(以下我們稱其為T(mén)E和TM)。

圖5：JDSU無(wú)擾PMD分析儀的功能框圖。

這兩個(gè)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(gè)C波段內(nèi)以超過(guò)100GHz/ms的速度及小于GHz的精度進(jìn)行調(diào)節(jié)。相干差拍信號(hào)通過(guò)一對(duì)平衡光電二極管進(jìn)行檢測(cè)，并在電氣放大和低通濾波到幾百M(fèi)Hz帶寬后，注入兩個(gè)RF功率檢波器，由此產(chǎn)生兩個(gè)信號(hào)PRF-TE和PRF-TM，它們?cè)贚O激光頻率?大約為幾百M(fèi)Hz的帶寬內(nèi)與兩個(gè)正交偏振態(tài)的光功率成正比。這兩個(gè)信號(hào)在本地振蕩器頻率在被測(cè)信號(hào)的頻譜范圍內(nèi)調(diào)整的過(guò)程中被記錄下來(lái)。測(cè)試在偏振變換器的各種設(shè)置下重復(fù)進(jìn)行。

為了測(cè)量給定信號(hào)中的等效DGD，我們選擇頻率掃描時(shí)出于以下考慮：在信號(hào)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(jì)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(shí)信號(hào)的功率，我們得出

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

比特率和調(diào)制格式的獨(dú)立性分析

基于相干檢測(cè)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(hào)的頻率相關(guān)偏振變化(見(jiàn)圖6)。

圖6：對(duì)使用不同調(diào)制格式的不同比特率信號(hào)進(jìn)行在線PMD測(cè)量的示例。

測(cè)量設(shè)置與程序

稱為I-PMD的測(cè)試方案安裝于T-BERD/MTS 8000V2主機(jī)上。

測(cè)試設(shè)置(見(jiàn)圖7)與相關(guān)程序非常簡(jiǎn)單。需要技術(shù)人員定義(或在檢測(cè)到的通道內(nèi)選擇)用于測(cè)試的DWDM波長(zhǎng)，然后按開(kāi)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(huì)中斷或影響在線的真實(shí)數(shù)據(jù)流量)；選擇列入PMD測(cè)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(dòng)通道檢測(cè))；開(kāi)始短期或長(zhǎng)期測(cè)量分析(該裝置可在任何地點(diǎn)遠(yuǎn)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(chǎng)試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果

我們對(duì)一段414km長(zhǎng)、在C波段內(nèi)不同頻率上承載19個(gè)常規(guī)10-Gb/s NRZ-OOK信號(hào)的長(zhǎng)途傳輸鏈路進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)(見(jiàn)表)。

表：DWDM通道規(guī)劃和相關(guān)測(cè)量。

所有信號(hào)均穿過(guò)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(cè)器分光器上(見(jiàn)圖8)，其信號(hào)功率在-27.3與-24.6dBm之間。信號(hào)的光信噪比介于17~18dB。

在191個(gè)小時(shí)的測(cè)量時(shí)間內(nèi)，儀器對(duì)19個(gè)WDM信號(hào)的DGDeff自動(dòng)測(cè)量1680次，得到31920個(gè)樣本，其DGDeff均值為14.8 ps。連續(xù)測(cè)量的時(shí)間間隔為5~30分鐘。

圖9所示為31920個(gè)DGDeff測(cè)量的統(tǒng)計(jì)分布，與=14.8ps時(shí)預(yù)計(jì)的瑞利概率密度函數(shù)極為相近。

圖9：現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)中測(cè)量到的31920個(gè)DGDeff值的統(tǒng)計(jì)分布。

因此，我們估計(jì)光纖鏈路中的DGD均值大約為18.84ps，與之前對(duì)同一鏈路進(jìn)行的端到端PMD測(cè)量極為相符，分別為18.56和18.57ps.

圖10所示為在測(cè)量時(shí)間內(nèi)頻域平均的Δτ eff值的變化，即ν(t)，其與各個(gè)頻率的時(shí)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(dòng)確實(shí)很大。左圖所示為作為測(cè)量時(shí)間函數(shù)的頻域平均值，右圖為19個(gè)WDW通道內(nèi)的時(shí)域平均數(shù)據(jù)。左圖中的頻域平均樣本的標(biāo)準(zhǔn)偏差為平均值的10.4%，右圖中的時(shí)域平均樣本的標(biāo)準(zhǔn)偏差為13.8%。然而圖9也說(shuō)明在19個(gè)WDM信號(hào)內(nèi)只測(cè)量DGDeff一次不足以以大于20%的精度估計(jì)。

圖10：現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)測(cè)量到的Δτeff(ν,t)數(shù)據(jù)的時(shí)域和頻域平均值。

“非干擾的在線PMD測(cè)量技術(shù)是一項(xiàng)面向服務(wù)提供商、驗(yàn)證高速ROADM DWDM網(wǎng)絡(luò)并排除故障的獨(dú)特技術(shù)。在業(yè)務(wù)升級(jí)的規(guī)劃過(guò)程中(例如10G升級(jí)到40G)，PMD是一項(xiàng)需要測(cè)試的關(guān)鍵參數(shù)。這項(xiàng)測(cè)試在ROADMS網(wǎng)絡(luò)中更具挑戰(zhàn)性。這時(shí)信號(hào)被路由到多個(gè)不同方向，因而將網(wǎng)絡(luò)關(guān)斷進(jìn)行測(cè)試會(huì)遇到極大的困難。因此，所有測(cè)試均應(yīng)在不關(guān)斷網(wǎng)絡(luò)或不重新路由的前提下來(lái)完成，從而確保網(wǎng)絡(luò)設(shè)施的優(yōu)化并準(zhǔn)備好用于更高比特率的系統(tǒng)。”JDSU的Gregory Lietaert如此說(shuō)到。

本文小結(jié)

JDSU開(kāi)發(fā)出了獨(dú)特的無(wú)干擾在線測(cè)試技術(shù)來(lái)監(jiān)測(cè)調(diào)制信號(hào)的等效DGD。它與傳統(tǒng)的斷業(yè)務(wù)式技術(shù)相比，具備類(lèi)似的DGD均值評(píng)估精度。I-PMD儀器基于相干檢測(cè)，具備足夠的靈敏度以測(cè)量由任何網(wǎng)絡(luò)接入點(diǎn)的寬帶監(jiān)控端口分光所得的單個(gè)通道信號(hào)。該儀器設(shè)計(jì)用于便攜式現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，并已證明符合現(xiàn)場(chǎng)在線PMD測(cè)量與監(jiān)測(cè)要求。