安捷伦科技关于光缆全面验收测试的方案说明

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安捷伦科技关于光缆全面验收测试的方案说明
1．光纤长度和衰减的测试
OTDR是测试光纤中继段长度和平均每公里衰减的基本工具，它利用其激光光源向被测光纤发送一光脉冲来实现测量。用户可以对光脉冲宽度这一参数进行选择。由光纤本身或光纤上各特征点上会有光信号沿光纤反射回OTDR。反射回的光信号又通过一个定向耦合器耦合到OTDR的接收器并在这里转变成电信号，最终经过分析后在显示器上显示出结果曲线。
OTDR通过测量反射信号与时间的关系进行测试。时间值乘以光纤中光传播的速度可以得到距离参数的值。这样，OTDR就可以显示出反射光信号的相对强度与距离之间的关系曲线。我们可以根据这一曲线在确定被测光纤中的以下各重要特性：
距离：被测光纤上各特征点，光纤尾端或断裂处的位置。
损耗：诸如一个单个熔点或整根光纤端到端的衰耗。
衰减：平均每公里光纤引起的光功率的衰减。
反射：诸如连接器等事件点反射系数（或回波损耗）的大小。

图1. OTDR的测试原理
OTDR采用单端测试，一般需要设置波长，测试范围，测试脉宽，测试平均时间和光纤折射率等主要参数，测试结束后，仪表能够自动扫描得到事件表，主要的测试结果都可以反映在事件表中。
2. 光纤色散的测试
2.1 光纤色散的分类
色散是光纤传输的一个重要参数，色散会引起光脉冲在传输中展宽，从而使眼图信号变差，系统误码增加，从而严重影响系统性能。因此，降低光纤的色散，对增加通信容量，延长通信距离，提供光纤通信质量至关重要。
光纤的色散主要由两方面引起：一是光源发出的并不是单色光；二是调制信号有一定的带宽。实际光源发出的光不是单色的，而是有一定的波长范围。这个范围就是光源的线宽。在对光源进行调制时，可以认为信号是按照同样的方式对光源谱线中的每一分量进行调制的。一般调制带宽比光源窄得多，因而可以认为光源的线宽就是已调信号带宽，但对高速和线宽极窄的光源，情况不一样。进入光纤中去的是一个调制了的光谱，如果是单模光纤，它将激发出基模；如果是多模光纤，则激发出大量模式。由此可以看出，光纤中的信号能量是由不同的频率成分和模式成分构成的，它们有不同的传播速度，从而引起比较复杂的色散现象。光纤的色散可以分为下列三类：
模间色散：在多模光纤中，即使是同一波长，不同模式的光由于传播速度的不同而引起的色散称为模式色散。
色度色散：是指光源光谱中不同波长在光纤中的群延时差所引起的光脉冲展宽现象。
偏振模色散：单模光纤中实际存在偏振方向相互正交的两个基模。当光纤存在双折射时，这两个模式的传输速度不同而引起的色散称为偏振模色散。


图2. 光纤色散示意图

在长途中继光缆中，存在色度色散(CD)和偏振模式色散（PMD）二种。
2.2 CD的测试方法

目前单模光纤的CD(色度色散)的测试方法有OTDR法，脉冲时延法和相移法。
其中OTDR法是在工程中得到较多应用的一种方法，其原理是OTDR发出三种以上的测试波长，通过后向散射曲线来判断不同波长的光脉冲在到达中继段的时延差得到光纤的色散值。这种方法同OTDR测试一样是单端测试，便于操作。而且结合大动态范围的OTDR模块，可保证测试中继段光缆的距离超过120km以上。

图3. OTDR法测试CD的原理
安捷伦N3900A采用四波长（分别是1310/1480/1550/1625nm）的OTDR模块（N3916AL）进行色散测试，图4是仪表的测试结果界面，测试结果包括光纤类型，光纤的零色散点波长，光纤的色散值（ps/km）,光纤的色散系数（ps/nm*km）。
采用OTDR法测CD的好处除了操作简单，单端测试外，其最大好处是一表多用，还可作为四个波长的OTDR测试光纤的衰减，常规的1310/1550nm测试常用的通信波长在光纤上的衰减，1625nm测试DWDM的监控波长在光纤上的衰减，1480nm测试全波光纤在水吸收峰上的衰减。

图4. N3916AL的显示界面
2.3 PMD的测试方法

从测试原理来看，有代表性的PMD测试方有琼斯矩阵法，干涉法和波长扫描法。

1） Jones Matrix Eigenanalysis (JME)琼斯矩阵法

JME法是光器件PMD测试的首选方法，其测量技术是基于Jones偏振状态转移矩阵的特性而实现的。Jones矩阵描述了被测设备的偏振状态转移特性，它完整地包含了PMD，DGD和PSP(基准偏振态) 的信息。当采用JME测量PMD时，通过发送端的可调协激光源(TLS)设定一定数量的波长， 然后测得每个波长的Jones矩阵，并利用这些矩阵精确计算出PSP和DGD。
该测试方法可测得不同波长上的DGD以及平均DGD，可适合于不同的测试应用场合，即可测试较小的DGD，也可测试较大的DGD，即能测试一般宽带设备（如光纤）的DGD，也可用来测量窄带设备的DGD，如DWDM网络中的分波器(DEMUX)。而测量值PMD是在某个波长范围内特定时间t0的算术平均DGD。计算公式如下：

理论计算和实验测试的结果表明，时间平均值PMDt与波长平均值PMD相等。这也是PMD测量方法的基础，所有测试都是基于能够快速测试PMD从而确定PMD值的。
目前通过技术革新，可将琼斯法用于现场PMD测试。其测试速度非常快(1-2s 1525-1620ns全波段数据采集)并且十分可靠，避免了由于测试时间长而在测试期间光纤移动的影响，从而使现场测试同样准确，其主要特点为：
1）测量精度较高，最小可测量的PMD可达0.005ps；
2）测试精度不依赖被测光纤或链路的特性，对于非Maxwell DGD分布或跨光放都能保证高精度;
3)能测量DGD  vs. 波长曲线的PMD测试仪;
4)可测量二阶PMD值。
2） 干涉法

图6  PDM的测量方法：干涉法
干涉测量方法的特点是：测量精度较低，最小可测量PMD一般达0.03ps，但测试速度较快，且与波长无关，测试过程中光纤允许移动。由于测试精度较低，该测试方法不适合实验室使用；但由于设备简便易用，体积、成本和信息内容小，适合作为现场仪器使用，在早先的工程现场测试光纤PMD中较大采用。
但是应当看到，与琼斯矩阵法比较，该方法的缺陷非常明显：
1）误差大，通过曲线拟合被测光纤或器件的干涉图，要求被测光纤或器件的干涉图有完美的分布，否则会引起若拟合不准，导致误差；
2）只能推算出平均DGD即PMD值，不能测出DGD；
3）特别在下列情况下可能引起测试结果的不准：
a.当整个光链路测试中，存在光放的光元件时，这些元件的干涉图为非高斯分布从而导致整个干涉图的形态破坏而无法拟合出准确的PMD结果；
b.起始尾纤的极化态会导致测试结果产生影响；
c.对模式耦合敏感，链路上不同光纤/器件的混合会导致测试误差；
d.无法准确测试小的PMD值。

3）Wavelength Scanning (WS)波长扫描法







图7  PMD的测试方法：波长扫描法
上图是利用Wavelength Scanning(波长扫描)方法测量PMD的仪表配 置图。 该方法是基于 不同大小的PMD值会导致不同波长上被测设备输出光信号 偏振状态不同的变化程度而实现的。输出信号偏振状态的变化会引起analyzer插入损耗的变化(见上图后面的线性polarizer)，利用 光谱分析仪监 测功 率的变化情 况，再利用如下公式计算得到PMD值，其中N是光功率 曲线的 峰值个数。   
C：光速, K：模式耦合系数, (1, 2)：测试用起止波长,
：对应于设置的测试波长范围的DGD值.以上公式中，当1，2起止波长为峰值波长时，用N-1来代替N进行计 算。有时亦 用1/2的光功率正负峰值的个数替代N进行计算。
该方法可适应于宽带设备较大PMD的测试情况，但对较小PMD的设备或含有窄带器件的设备或系统则不适用。对于较小PMD的设备，该方法不能测到足够的功率变化以得到相应的光功率峰值，而对于窄带器件，由于不能设置较大的波长扫描范围进行测试，故亦不能测得必需的光功率峰值。因此在此情况下，该测试方法不适用。
该方法早期在现场测试中有一定的应用，但受限于本身测量误差较大，同时测量动态范围较小，特别对长距离光纤（100KM）以上的情况不适用，因此目前已较少使用。

2.4 琼斯矩阵法的操作
如图8所示，整个测试采用源和接收机的端到端的测试方法，其中：
—光源采用安捷伦高端的可调谐激光源，1520-1625nm波长扫描只需1.5s,而且无跳模，输出功率每个波长高达10.5dBm,从而提供极高的动态范围。
—接收模块为N3909A DGD/PMD测试模块，工作在N3900A平台上。
—可调谐激光源和PMD测试模块之间通过被测光纤通信。


图8 琼斯法的测试连接图

从图9测试结果中可以得到每个波长的DGD值，任意波段内的PMD值，如果输入被测光纤的长度，可进一步得到PMD系数：PMD系数=PMD/Sqrt(L)



图9 琼斯法测试PMD的显示结果