專利名稱：呈現高偏振模色散之光纖的識別方法
技術領域：
本發明涉及光纖，尤其涉及呈現高偏振模色散(PMD)之光纖的識別方法。
背景技術：
PMD是設計目前技術水平下光纖傳輸系統的重要因素。一個數字脈沖在網絡中傳播足夠長的距離后，它會在時域中擴散，并且變得不能與附近的脈沖相區別，這時光纖系統中的PMD效應很明顯的。PMD引起的脈沖擴散會將誤差引入數據傳播，從而有效地限制脈沖的傳播速率，或者串接光纖媒體的最長距離。
因此，光纖制造商感興趣的是提供PMD較小的光纖，尤其是把高數據率、遠距離傳輸系統定為目標的產品。不幸的是，直接測量PMD化費很大。因此，需要一種易于使用，對PMD較高的光纖進行間接識別的方法，由于這種方法可以為PMD較低的光纖降低測量(質量控制)成本，以致于降低總的造價，所以對工業很有價值。
已使用光時域反射計(OTDR)測量光纖的各種性能。OTDR的工作方式是沿光纖發送短脈沖激光，并且觀察向光源散射回來的小部分光。典型的脈寬范圍是從0.5米(5納秒)到2000米(20微秒)。
實踐中，測試光纖通過一根相對較短的光纖(例如，1公里長的光纖)與OTDR相連，在本領域中將所述相對較短的光纖稱為“尾纖”。尾纖可以縮小光纖起點處的盲區(非線性區)，OTDR在盲區中不能提供可靠的信息。為了進一步改善性能，可以在尾纖和光纖之間的連接處使用折射率匹配油。
圖1示出了典型的OTDR跡線(trace)，圖中y軸表示返回功率，以dB為單位，x軸表示沿光纖的距離。跡線上的各種特征是用標號1至9來識別的，其中標號1表示在OTDR和尾纖之間接點處發生的反射，標號2表示從尾纖獲得的跡線，標號3表示尾纖的最后一點以及測試光纖的第一點，標號4表示由尾纖和測試光纖之間的接點產生的反射和相關的盲區，標號5表示靠近盲區末端之后的第一點，在該點(“光纖起點”)可以可靠地檢查跡線信息，標號6表示光纖起點與光纖自然終點(光纖終點)之間的光纖跡線，標號7表示光纖終點，標號8表示在光纖終點處產生的反射，以及標號9表示OTDR跡線的固有噪聲級。
文獻中已出現一些關于OTDR跡線中存在周期性圖形的報告。因此，“光子動力學”的作者Casey Shaar在1995年1月24日舉辦的TIA6.6.5標準會議上提交了一份題為“光纖顛簸效應”的報告。該報告描述了OTDR跡線中存在波紋狀的圖形。波紋被認為是由偏振效應或OTDR光源光譜引起的。
該報告所述的波紋與本發明的不同，因為其中波紋的周期比本發明周期性圖形的周期小得多(例如，200-300米對2-3千米)；隨波長的變化(例如，從1310納米到1550納米)，波紋有更大的可變性；并且當從光纖不同端觀察時，波紋變化明顯。另外，此參考文獻中的波紋在原始OTDR跡線中有某一“特征”(循環周期、幅值、形狀)，而在模場直徑(MFD)跡線中有不同的特征(波紋可以相長地或相消地相加)。相反，本發明原始OTDR跡線中的循環在MFD跡線中同相合并，增加了循環的振幅，但循環周期和形狀不變。
授予Garnham的美國專利第5,518,516號描述了OTDR跡線中波紋，該波紋被認為是由預制棒安裝過程中引入的螺旋脊造成的。該專利描述了一種據說可以消除這種波紋的預制棒制備過程。Garnham描述的波紋一般在整個毛坯上延伸，而作為本發明主題的波紋一般在毛坯的不同部分開始和結束。實際上，已發現Garnham描述的波紋類型與高PMD無關。
關于本發明，重要的是注意“光子動力學”論文和Garnham專利都未建議可以用OTDR或MRD跡線中的波紋識別呈現高PMD的光纖。
發明內容
鑒于上述內容，本發明的目的是提供一種用于識別呈現高PMD之光纖的改進型方法。尤其是，本發明的目的是提供一種易于使用、對這類光纖的間接識別方法。
為了達到這些和其它目的，本發明提供了一種用于檢測光纖中高偏振模色散的方法，該方法包括以下步驟
a)用光時域反射計(OTDR)對光纖第一端施加光；b)檢測從光纖反射回OTDR的光，并且產生第一組值，第一組值包括被檢測反射光的振幅，它是沿光纖長度距光纖第一端之距離的函數；c)用OTDR對光纖第二端施加光(這里的OTDR可以與步驟(a)使用的OTDR相同或不同)；d)檢測從光纖反射回OTDR的光，并且產生第二組值，第二組值包括被檢測反射光的振幅，它是沿光纖長度距光纖第二端之距離的函數；e)由第一和第二組值形成第三組值，第三組值表示光纖模場直徑沿其長度的變化；和f)檢測至少具有一個預定特征的周期性圖形，它是第三組值中沿光纖長度的距離的函數，出現周期性圖形表示PMD程度較高。
附圖概述圖1示出了由OTDR產生的典型的背向散射跡線。
圖2和3是差分跡線，分別表示具有低PMD和高PMD的光纖。
圖4示出了對具有高PMD之光纖的差分跡線的周期特性進行量化的過程。圖4D和4E中的實線分別表示ytj值，圖4D中的虛線表示ymj值，而圖4E中的虛線表示prevj值，所有這些量在下文中定義。
上述附圖包含在說明書中，并構成說明書的一部分，它們顯示了本發明的較佳實施例，并且與文字描述一起解釋發明原理。當然應該理解，附圖和文字描述對發明都只是說明性的，而非限制性的。
較佳實施例的描述以下是應用于本發明較佳實施例的術語和一般過程(1)背向散射跡線背向功率對數曲線，其中背向功率是OTDR從光纖的一端測量得到的。這是一條通常可以觀察到的曲線。可以將上述第一和第二組值畫成背向散射跡線。
(2)褐色端/綠色端(Brown end/Green end)進行OTDR單向測量的特定端。綠色端/褐色端對應于上述以及權利要求書中的第一端/第二端。
(3)雙向反轉將從褐色端測量得到的觀察進行位置和數值反轉，以便與從綠色端得到的觀察對準。位置反轉要求識別現行光纖的起點和終點，消除尾纖和終點反射，并且對褐色端觀察加一偏移值。用尾纖接合處以及光纖終點處的反射進行終點識別。用具有反射型不連續性的光纖校正OTDR跡線。在獲得用來識別高PMD光纖的第三組值時，進行雙向反轉。
(4)差分跡線在褐色端跡線已被雙向反轉后，褐色端跡線和綠色端跡線之間的差。如果只在方向上反轉褐色端跡線，數值上不反轉，那么僅僅通過增加褐色端跡線和綠色端跡線就可以獲得差分跡線。差分跡線構成第三組值的較佳形式。
(5)MFD變化曲線如果需要，可以用以下等式將差分跡線轉換成MFD變化曲線MFD(x)＝MFD(0)·10(y(x)/20)其中x是沿光纖的距離，MFD(0)是模場直徑在光纖終點(x＝0)處的測量值，而y(x)是差分跡線。如果需要，可以將MFD變化曲線用作第三組值。
根據本發明，已發現具有高PMD的光纖在其差分跡線中呈現周期性圖形。圖2和3示出了該效果，其中圖2示出了五根具有低PMD之光纖的差分跡線，而圖3示出了五根具有高PMD的光纖。比較這些示圖可以清楚地發現PMD較高的光纖具有周期性圖形。
最好根據圖4所示的過程對周期性圖形進行量化，具體地說，即確定周期性圖形的周期。
圖4A示出了最初的原始數據，具體地說，它是由OTDR測量獲得的差分跡線。該圖中的原始數據包括1238個差分跡線值(0…最后)，沿光纖長度，數據點之間的間隔(δ)對應于0.0102千米。
作為量化過程的第一步，例如最好用9抽頭矩形波串濾波器對原始數據進行平滑，以便降低噪聲。圖4B示出了對圖4A跡線應用這種濾波器后的結果。
然后，由平滑數據獲得斜率數據。用于確定斜率值(“ym”值)的合適“窗口”例如為100個數據點，即對于δ＝0.0102千米，窗口大約為1千米。
然后，用一閾值對圖4C的斜率數據進行半周期計數，以便識別從一個半周期到下一個半周期的過渡。圖4D示出了對圖4C數據應用下述等式從而在過渡處獲得第一切割(cut)的結果，其中閾值(“thresh”)選為0.02dB/kmytj＝如果[ymj≥thresh，thresh，(如果(ymj≤-thresh，-thresh，0))]其中對于形式“如果(判據，a，b)”，如果滿足“判據”，那么取“a”值，否則取“b”值。
為了確定過渡識別的最后形式，對圖4D的數據應用下述等式，以便產生圖4E的數據prev0＝0j2＝1...last-窗口+1preyj2＝如果(ytj2＝thresh，thersh，0)prevj2＝如果(ytj2＝-thresh，-thersh，prevj2)prevj2＝如果(ytj2＝0，prevj2-1，prevj2)。
用以下過程很容易對圖4E的數據進行半周期計數，其中變量“level”等于半周期的數目j3＝1...last-窗口countj3＝如果(prevj3·prevj3+1＝thresh2，1，0)level=Σj3countj3]]>level＝如果(level O1，level+1，level)。
對于圖4E的數據，此過程計得7個半周期(level＝7)。作為量化的最后步驟，如下用數據點的數目(“last”值)、數據點之間的間隔(“δ”值)以及半周期的個數(“level”值)計算差分跡線周期性變化的周期周期＝2·last·δ/level對于圖4的數據，計算得到的周期為3.605千米。
當然，用來制備圖4的特殊“窗口”和“閾值”只是說明性的。一般來說，可以用本領域已知的各種量化過程(非圖4所示的量化過程)來對差分跡線的周期性行為進行分析。例如，可以檢查斜率值(例如，|ym|值)，并應用閾值(“斜率閾值”)，從而確定差分跡線中存在足夠多的變化。還可以檢查MFD值，并且建立最小的MFD差值(即，光纖MFD最大值與其MFD最小值之間的差)，作為分析周期性行為的先決條件。
然后，對周期性圖形所進行的量化可以用來建立質量控制過程，用于識別具有高PMD的光纖。可以用于此目的的參數是周期性圖形的周期、圖形的最大斜率、圖形的最小斜率以及圖形中峰到峰的最大偏差。綜合這些參數可以識別不合格的產品。
例如，已發現以下判據適于從具有可接受PMD的光纖(例如，光纖具有圖2所示的差分跡線)中區分出具有不可接受PMD的光纖(例如，光纖具有圖3所示的差分跡線)如果圖4過程用閾值0.02dB/km確定的周期在1.5千米-10千米范圍內，那么拒絕該光纖。在應用此判據時，首先確定光纖的|ym|值大于0.025dB/km，并且MFD差值至少為0.04微米。
當然，本領域的熟練技術人員可以根據這里的揭示內容為特殊光纖建立其它的量化判據。一般來說，通過以下方式建立這類判據，即測量各種光纖的PMD值，測量用于這些光纖之差分跡線的量化判據，并且使PMD值與量化判據關聯。
如上所述，數據取自一根相對較短的光纖(例如，大約1千米)。通常在將光纖繞于相對小的運輸線軸上之后，對光纖進行這種測量。纏繞可以取自較大體積的線軸或者直接取自拉絲設備。在某些情況下，循環周期可以很大，以致于在較短的光纖中不明顯。在這種情況下，用于產生MFD跡線的數據必須取自從整個玻璃毛坯上拉絲得到的較長光纖，然后根據此數據進行周期性判斷。
作如此測量的一種方法是用OTDR單獨測量來自單個毛坯的每小卷光纖，并為每卷光纖生成MFD跡線。在用這種方法測量了整個毛坯后，在脫機計算機上對來自每卷光纖的數據進行附加處理，以便串接數據，產生表示整個毛坯之單個MFD跡線的第四組值。對此毛坯總圖和毛坯區域進行周期性判斷，它可以是幾卷光纖，可以識別出其包含周期性行為。
應該注意，周期性圖形不可能總是明確地預告PMD參數。例如，有些光纖表現出周期性，但具有較低的PMD值。例如，上述Garnham專利中討論的波紋類型會導致光纖具有周期性圖形，但它沒有高PMD。盡管不希望被任何特定的工作理論所束縛，但相信這會依賴于產品類型和制造設備(例如，一些爐子相比其它爐子在周期性跡線和高PMD之間具有更好的相關性)。另外，本領域不知道導致高PMD所有情況的根本原因。這些原因中有些可能與差分跡線均勻性(MFD跡線均勻性)無關，因此不可能通過搜索這類跡線中的周期性圖形來識別。這里揭示的內容允許本領域的熟練技術人員識別周期性圖形預言了和沒有預言PMD程度的那些情況。
這里描述的數學運算可以用各種計算機和軟件來實現。例如，可以用市場上買得到的MATHCAD程序(由Massachusetts州Cambridge市的MathSoft股份有限公司制作)和一臺個人計算機來完成這些運算，其中個人計算機被構造成根據程序制造商的規定運算程序。
盡管這里描述了本發明的較佳和其它實施例，本領域的熟練技術人員不脫離由以下權利要求書限定的發明范圍，可以獲得其它實施例。
權利要求
1.一種用于檢測光纖中高偏振模色散的方法，其特征在于，所述方法包括以下步驟a)用光時域反射計(OTDR)對光纖第一端施加光；b)檢測從光纖反射回OTDR的光，并且產生第一組值，所述第一組值包括被檢測反射光的振幅，它是沿光纖長度距光纖第一端之距離的函數；c)用OTDR對光纖第二端施加光；d)檢測從光纖反射回OTDR的光，并且產生第二組值，所述第二組值包括被檢測反射光的振幅，它是沿光纖長度距光纖第二端之距離的函數；e)由第一和第二組值形成第三組值，所述第三組值表示光纖模場直徑沿其長度的變化；和f)檢測至少具有一個預定特征的周期性圖形，它是所述第三組值中沿光纖長度的距離的函數，出現所述周期性圖形表示PMD程度較高。
2.如權利要求1所述的方法，其特征在于，在步驟(e)中，通過在第一組值和第二組值之間取差值，形成所述第三組值。
3.如權利要求1所述的方法，其特征在于，第三組值構成模場直徑值，它們是由第一組值與第二組值之間的差值獲得的。
4.如權利要求1所述的方法，其特征在于，步驟(f)包括i)平滑第三組值；ii)將經平滑的第三組值轉換成斜率值；以及iii)對斜率值中的周期次數計數。
5.如權利要求1所述的方法，其特征在于，所述至少一個預定特征選自以下的組第三組值的循環周期、第三組值的最大斜率值、第三組值的最小斜率值、第三組值的峰到峰的最大偏差，以及其中兩個或多個特征的組合。
6.如權利要求1所述的方法，其特征在于，所述至少一個預定特征是第三組值的循環周期。
7.如權利要求1所述的方法，其特征在于，對從單個毛坯上拉絲得到的2根或多根個別光纖段進行步驟(a)-(e)。
8.如權利要求8所述的方法，其特征在于，將所述每根個別光纖段的所述第一組值、所述第二組值和所述第三組值連續起來，形成第四組值，表示光纖模場直徑沿其整個長度的變化。
全文摘要
提供了用于識別呈現高偏振模色散(PMD)之光纖的方法。識別方法利用由光時域反射計(OTDR)測量獲得的差分跡線。發現差分跡線中存在周期性圖形,表示光纖具有高PMD。
文檔編號G01M11/00GK1265193SQ98807485
公開日2000年8月30日 申請日期1998年8月14日 優先權日1997年8月18日
發明者L·L·哈斯金斯, A·L·范德沃特 申請人:康寧股份有限公司