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公路工程光传输系统的色散测试
公路工程光传输系统的色散测试

公路工程光传输系统的色散测试

 《JTG 2182—2020 公路工程质量检验评定标准第二册机电工程》色散测试详解

本文刊于《中国交通建设监理协会实验检测工作委员会会刊》2023年第6期

背景

高速公路通信系统是高速公路现代化管理的支撑系统，要实现监控系统和收费系统的数据、语音和图像等信息准确而及时的传输，保持高速公路各管理部门之间业务联络通讯的畅通，是交通信息的主要传输载体。

随着高速公路建设的规模化及相关业务量的增加，高速公路系统新的需求为⑴完善的通信网络以提供良好的通信平台。⑵提供多业务支持功能，确保高速沿线的语音、数据、图像等业务接入。⑶图像监控功能增强以实时掌握路况。

密集波分复用（DWDM）光纤传输系统为高速公路通信系统提供了有力的支持，光纤传输由速率到传输距离已经产生了飞跃性进步。然而，随着高速公路相关业务量的加大，传输速率与传输距离的增加，光传输的制约因素光放和色散问题越发凸显。色散会使脉冲展宽，造成码间干扰和误码率，最终使系统传输性能降低，因此对光放和色散的测试及验收成为高速公路机电通信工程的要点。

波分系统结构如图一，有主设备的发送端、接收端，合波器、分波器，掺铒光纤放大器EDFA、光分插复用器OADM和色散补偿模块DCM这些组件组成。

图一 波分复用系统结构

JTG 2182—2020 《公路工程质量检验评定标准第二册机电工程》中已明确要求测量MPI-SM～MPI-RM残余色散和MPI-SM～MPI-RM偏振模色散。

光纤传输系统的色散

光纤色散CD

光纤由纯石英加工而成，是工作在光波频率的圆柱形介质波导，具有极低的损耗和极大的带宽，是光纤通信的重要组成。

色散在数值上表现的是光纤中折射率和频率间的相互关系。在光学中，对于不同的波长，介质的折射率𝑛不同，这样不同波长的光在同一介质中传输时就会有不同的相速度，会彼此分开，这种现象叫做光的色散(dispersion)，即色度色散，也就是JTG 2182-2020标准中要求的残余色散。所谓残余色散是经过色散补偿后的色散剩余量。

图二 光纤色散

在光纤通讯系统中，信号的频率成分不同，在光纤中传输一定距离后开散，脉冲加宽，使误码率增加，降低传输容量。展宽现象见下图。

图三 色散的展宽现象

图中可以看出，光谱中频率最小的部分最先到达接收端，频率最大的部分要延迟到达，形成了脉冲展宽。

光纤的色散引起传输信号的畸变，使通信质量下降，从而限制了通信容量和通信距离。在光纤的损耗已大为降低的今天，色散对高速光纤通信的影响就显得更为突出。40Gb/s系统和10Gb/s系统相比，在光纤传输上的色散效应对系统性能的影响有新的差异。由于光纤中不同波长对应不同的传输速度，不同波长到达相同距离的光纤的时间不同，从而导致光脉冲展宽。此种称为色度色散（CD）,色度色散除了与光纤的类型、性能、长度有关外，还与光源的谱宽有关外，色度色散具有累积效应，并随着传输距离的增加而线性增加。更重要的是，对于高速调制系统，假设光源的静态发射谱线很窄，色散对系统的影响以数据速率平方的关系增加。首先，数据速率翻倍将导致信号傅里叶变换频谱宽度翻倍，从而使色散效应翻倍。其次，数据速率翻倍使数据脉冲时域宽度减半，也导致对色散引起的脉冲展宽的敏感度翻倍。更宽的频谱和更小的脉冲宽度一起导致了整个二次方效应。

图四 色散CD对高速网络的影响

偏振模色散PMD

偏振模色散的最大特点之一就是随机性，主要原因有两点：一是光纤本身的特性，如光纤的椭圆度，纤芯、包层的尺寸差异，材料的各向同性等；二是外部应用环境，如光纤所受的侧压力、扭曲力、弯曲力等，后者的随机性更大。对于光通信工程师来说，相比于普通的色度色散（CD），偏振模色散（PMD）始终是高速光纤链路中挥之不去的难题，特别是偏振模色散的影响难以克服。所以，在40Gb/s系统技术中，必须考虑和研究光纤的色散，PMD和非线性的影响等。同时，由于偏振模色散的测试是比较复杂的问题，如何根据其特点，比较迅速和准确地测出偏振模色散值，是对现场测试仪表的考验。

双折射与偏振是单模光纤特有的问题。单模光纤实际上传输的是两个正交的基模，它们的电场各沿x,y方向偏振。在理想的光纤中，这两个模式有着相同的相位常数，它们是互相简并的。但实际上光纤总有某种程度的不完善，如光纤纤芯的椭圆变形、光纤内部的残余应力等，将使得两个模式之间的简并被破坏，两个模式的相位常数不相等，这种现象称为模式双折射。由于存在双折射，将引起一系列复杂的效应。例如，由于双折射，两模式的群速度不同，因而引起偏振色散；由于双折射偏振态沿光纤轴向变化，外界条件的变化将引起光纤输出偏振态的不稳定，这对某些应用场合，影响严重。

光纤的固有偏振模色散是由非圆形纤芯引起，构成双折射现象导致的色散，而对双折射引起的偏振模色散是由外部因素如机械压力、热压力等导致的色散。

图五是引起偏振模色散的光纤示意图：

图五 光纤截面结构示意图

图六 偏振模色散

偏振模色散具有随机性，在DWDM系统中，造成偏振和引起偏振模色散的因素很多，示意图如下图所示：因此DWDM光通信系统的测试一定是个系统测试，而不是简单的某一段光缆的测试。在JTG 2182-2020中，色散测量要求明确了两个测量参考点MPI-SM和MPI-RM，DWDM传输系统的MPI-SM参考点到MPI-RM参考点之间的色散测试。两个参考点间不仅有光纤，还存在多种类型的光器件，如EDFA放大器、色散补偿模块、OADM分插复用器等。

图七 引起偏振和偏振模色散的因素

偏振模色散PMD是指在一定时间内一定波长范围内或在指定波长上某时间窗口上的平均时延，与时间相对无关，具有确定性。PMD的测试方法主要有琼斯矩阵特征分析法、固定分析法、干涉测量方法和波长扫描法等。 

色散测试要求分析

根据JTG 2182-2020标准，DWDM系统要求测量MPI-SM～MPI-RM残余色散和MPI-SM～MPI-RM偏振模色散，测试仪器是宽谱光源和色散分析仪。在这两个测试项目有几个要点。

  1. MPI-SM和MPI-RM。指定测量参考点，即要求的测量位置。我们引用《YD/T 1159-2016 光波分复用(WDM)系统测试方法》之4光波分复用(WDM)系统配置和测试参考点定义的DWDM系统构成图。见图八：

图八  WDM系统参考配置

MPI-SM, RM, SM, MPI-RM是WDM系统主光通道的参考点。MPI-SM到MPI-RM之间测量色散，测量目标是主光通道色散值。偏离MPI-SM和MPI-RM两个参考点的测试，或在两个参考点间分段测试都是错误的测试方法。

  • 测试方向。DWDM系统基本是单向传输系统，传输方向是S到R。测试仪器放置位置应该是：
    • MPI-SM参考点放置宽谱光源
    • MPI-RM参考点放置色散分析仪

图九 色散测试方向 MPI-SM — MPI-RM

  • 残余色散。残余色散是经过色散补偿（DCM）之后的剩余色散量。本质上依然是色度色散CD。色散测试链路中要包含色散补偿模块DCM，才能测量到残余色散量。不包含色散补偿模块DCM的色散测试是错误方法。由于光纤本身的色度色散是固定值，不会受到外界环境的影响，因此，只测光纤色散是没有意义的，测试的目标是经过色散补偿后的残余色散量。

 色散和偏振模色散测试

色散CD测试

色散测试的基准方法是相移法（The Phase Shift Method），在标准ITU-T G650.1 和 IEC 60793-1-42中均定义了该方法。原理是调制后的光通过被测光纤发送。将测试信号的相位与用于调制输入信号的参考信号的相位进行比较。在输入光源的整个波长范围测量相位差。

图十 相移法原理图

色散CD测试流程

色散CD测试操作流程很简单。测试人员在测试现场找到对应的MPI-SM和MPI-RM测量参考点对应位置，测试两个参考点间的色散。色度色散测试前应先执行参考，参考完成后，不要更换参考跳线，到现场布放测试仪器。宽带光源放置在MPI-SM位置，色散分析仪放置在对应的MPI-RM位置，然后展开测试。整个测试流程包含了色散参考、色散测试和数据记录几个步骤。

需要注意的是：

  1. 按照YD/T 1159-2016标准要求。测试时应确认光放大器（OA）处于正常工作状态。
  2. 分段测试必须包含色散补偿模块。不包含色散补偿模块测得的色散值是光纤色散，不是残余色散。
  3. 测试前调整仪器系统时间和所需语言。
  4. 色散测试属于断业务测试。测试前，务必协调和确定测试位置和授权。

下面我们以VIAVI的色散测试仪为例，说明测试过程。

测试连接

CD参考连接

图十一  CD参考连接

测试连接

图十二 CD测试连接

CD测试

  • 仪表、光源与被测系统连接
  • CD的测试光源要用专用的宽谱光源，普通光源更不能用来测试CD。
  • 确认断业务。光源连接往被测线路前，要确认线路对端的光纤连接状态，严禁光源在连接传输设备的光纤上发光，严禁光源在有光信号的线路上发光。
  • 光纤连接前应对光纤端面进行清洁。
  • 宽谱光源输出模式-CD

宽谱光源输出模式必须与接收一侧的分析仪模式一致。

  • VIAVI仪表测试模式-CD

启动仪器CD测试模式。

  • 参考设置
  • 采样波段： SCL。
  • 参考测试：是。
  • 参考测量

打开宽谱光源激光器，CD分析仪启动测试。提示是否参考测量选择是，进入参考测试。

  • 开始测试

参考完成后，将被测系统接入。打开宽谱光源激光器，CD分析仪启动测试。

  • 结果呈现

图十三 CD测试结果

  • 制作测试报告

偏振模色散PMD测试

偏振模色散也称极化模式色散，典型测试方法有琼斯矩阵法、固定分析法、干涉法等，其中琼斯矩阵法视为基准方法。我们所使用的VIAVI色散分析仪PMD测试采用了固定分析法，该方法已经被IEC 60793-1-48、ITU-T G.650.2和TIA Fiber Optic Test Procedure (FOTP)-113标准化并收录。

固定分析法又称波长扫描法，测试原理如下图所示。当输入光偏振方向保持固定而波长变化时，输出光的主偏振态也会变化，通过一个固定分析器，如检偏器，将偏振态随波长的变化转化为具有峰谷起伏的输出功率随波长的变化，根据输出功率谱与群延时差的关系就可确定PMD偏振模色散。

图十四 固定分析法（FA）原理图

实验表明，固定分析法的结果与基准方法琼斯矩阵法测量结果十分吻合。

图十五 固定分析法和琼斯矩阵法结果比对

偏振模色散PMD测试流程

偏振模色散PMD测试操作流程很简单。测试人员在测试现场找到对应的MPI-SM和MPI-RM测量参考点对应位置，测试两个参考点间的色散。宽带光源放置在MPI-SM位置，色散分析仪放置在对应的MPI-RM位置，然后展开测试。

需要注意的是：

  1. 按照YD/T 1159-2016标准要求。测试时应确认光放大器（OA）处于正常工作状态。
  2. 至少进行5次测试，最终测试结果取算术平均值。注意，仪器可设置平均次数。
  3. 测试前调整仪器系统时间和所需语言。
  4. 色散测试属于断业务测试。测试前，务必协调和确定测试位置和授权。

下面我们以VIAVI的色散测试仪为例，说明测试过程。

测试连接

下图是在测试时VIAVI PMD测试的连接示意图。

图十六 偏振模色散测试连接示意图

PMD测试

  • 仪表、光源与被测系统连接
  • PMD的测试光源要用专用的宽谱光源，普通光源更不能用来测试PMD。
  • 确认断业务。光源连接往被测线路前，要确认线路对端的光纤连接状态，严禁光源在连接传输设备的光纤上发光，严禁光源在有光信号的线路上发光。
  • 光纤连接前应对光纤端面进行清洁。
    • 宽谱光源输出模式-PMD

宽谱光源输出模式必须与接收一侧的分析仪模式一致。PMD测试需要将注入光起偏，经过偏振器后已经处于偏振状态。

  • VIAVI仪表测试模式-PMD

启动仪器PMD测试模式。

  • 测试设置
  • 采样波段， SCL。
  • 设置光纤长度。光纤长度是计算PMD系数需要的物理量。如果不需要PMD系数可以不设置。
  • 扫描模式，统计，次数5次。按照《YD/T1159-2016光波分复用（WDM）系统测试方法》要求，需要计算PMD的5次算术平均值。
    • 开始测试

打开宽谱光源激光器，PMD分析仪启动测试。

  • 结果呈现

由于受外界环境影响PMD结果不断变化，所以需要采用取算术平均值计算。PMD延迟即为PMD值，PMD系数是PMD延迟除以公里的开方，PMD系数必须有光纤长度设置才有结果。

图十七 PMD测试结果

  • 制作测试报告

总结

VIAVI 色散测试仪 CD/PMD采用标准定义的双端法测试，PMD采用固定分析法（IEC标准定义），CD测试采用相移法（ITU-T标准）。 适用DWDM系统和光纤光缆的色散分析场景，可跨越具有光放大器OA、分插复用器OADM和色散补偿模块DCM等光器件的DWDM系统，快速测量色散。同时，色散测量用光源具有很大的波长范围，使得色散测试在大波长跨度条件下，均为实际测试结果，而非拟合结果。

VIAVI CD/PMD/AP测试仪还可应用于波分复用系统中分波器信道插损和信道隔离度测试，进一步的贴合《JTG 2182—2020 公路工程质量检验评定标准  第二册机电工程》标准中的测量要求。

CD测量方法符合标准包括

  • IEC 60793-1-42 Measurement methods and test procedures—chromatic dispersion
  • ITU-T G.650.1 Definitions and test methods for linear, deterministic attributes of single-mode fiber and cable
  • TIA FOTP-175-B CD measurement of single-mode optical fibers
  • GR-761-CORE Generic criteria for chromatic dispersion test sets

PMD测量方法符合标准包括

  • FOTP-113/TIA-455-113 PMD for single-mode optical fibers by the Fixed Analyzer method
  • IEC 60793-1-48 Measurement methods and test procedures—polarization mode dispersion
  • GR-2947-CORE refers to portable PMD test sets used for analyzing single-mode fiber
  • ITU-T G.650.2 Definitions and test methods for statistical and nonlinear attributes of single-mode fiber and cable

参考文献

  1. YD/T1159-2016光波分复用（WDM）系统测试方法
  2. JTG 2182—2020 公路工程质量检验评定标准  第二册机电工程
  3. VIAVI Reference Guide to Fiber Optic Testing Volume 1
  4. VIAVI Reference Guide to Fiber Optic Testing Volume 2
  5. IEC-61300-3-35 Examinations and measurements –Visual inspection of fibre optic connectors and fibre-stub transceivers