Приложение С (обязательное). Интерферометрический метод

Приложение С
(обязательное)

Интерферометрический метод

В настоящем приложении указаны подробные требования к проведению измерений PMD с использованием метода С (INTY).

С.1 Испытательная установка

На рисунке С.1 показана блок-схема для типового случая применения метода С.

"Рисунок С.1 - Блок-схема для метода С (типовая реализация)"

Параметры, используемые на рисунке С.1 и ниже по тексту:

- частота оптического сигнала ;

- разница круговой задержки между двумя плечами интерферометра;

- оптический спектр, на входе испытуемого волокна подобен спектральной плотности спектра электрического поля источника ;

- оптический спектр, на выходе испытуемого волокна (вход анализатора);

- оптический спектр на выходе анализатора (вход интерферометра)

- состояние поляризации (SOP) на входе испытуемого волокна (единичный вектор Стокса);

- состояние поляризации (SOP) на входе испытуемого волокна;

- осевая линия передачи анализатора;

- параметр Стокса, определяющий проекцию на осевую линию передачи анализатора. В этом параметре содержится информацию о PMD;

- мощность оптического сигнала на выходе интерферометра, как функция задержки ;

- переменная часть Р (т) ("а.с." часть);

- постоянная часть Р(т) ("d.c." часть);

- огибающая интерферограммы;

- огибающая графика функции взаимной корреляции;

- огибающая графика функции автокорреляции.

Мощность оптического сигнала на выходе интерферометра равна сумме "а.с." и "d.c." частей. Обе части равны при = 0, так что "а.с." часть можно рассчитать. Для идеального интерферометра "а.с." часть является четной функцией, правая половина которой равна косинус-преобразованию Фурье оптического спектра S(v), получаемого на выходе анализатора. Для неидеальных интерферометров могут допускаться некоторые корректировки в зависимости от особенностей реализации схемы испытательной установки.

При использовании традиционного анализа для метода С (TINTY) огибающая интерферограммы представляет собой абсолютное значение "а.с." части. При использовании общего анализа для метода С (GINTY) проводят дополнительные расчеты для определения огибающих функций взаимной корреляции и автокорреляции, которые указаны в С.2.2.2 и С.3.2. В этих расчетах используют две измеренные интерферограммы, получаемые на выходе анализатора, устанавливаемого в два ортогональных состояния поляризации (SOPs).

На рисунке С.2 показаны блок-схемы для трех конкретных испытательных установок.

"Рисунок С.2 - Другие блок-схемы для метода С"

С.1.1 Источник света

Используют широкополосный источник света BBS, излучающий на длинах волн установленных для проведения измерения, например, светодиод (LED), источник спонтанного усиленного излучения (ASE) или суперлюминесцентный источник. Свет должен быть поляризован, как указано на рисунке С.1. Центральная длина волны должна лежать в областях 1310 нм или 1550 нм или какой-либо другой рассматриваемой области длин волн. Для успешного использования измерительной системы на основе традиционного анализа для метода С TINTY, широкополосный источник BBS должен иметь Гауссовскую форму спектра без пульсаций, которые могли бы влиять на функцию автокорреляции излучаемого света. Для измерительной системы на основе общего анализа для метода С GINTY не требуется таких характеристик источника: Может использоваться световой сигнал с любой формой спектра. Ширина спектральной линии источника по уровню (-3 дБ), , должна быть известна для расчета времени когерентности , которое определяют по формуле

.

(С.1)

С.1.2 Светоделитель

Светоделитель используют для расщепления падающего поляризованного света на два элемента распространяющихся в ответвлениях интерферометра. Светоделитель может представлять собой волоконно-оптический соединитель или кубический светоделитель.

С.1.3 Анализатор

Функция анализатора, показанного на рисунке С.1, может быть реализована интерферометром. Для методики TINTY анализатор должен иметь способность вращаться для установки его во второе положение, ортогональное первоначальному положению.

С.1.4 Интерферометр

Интерферометр может быть воздушного типа или волоконного типа. Он может быть типа Михельсона или типа Маха-Зендера, и может быть размещен вблизи источника излучения или вблизи конца детектора, к которому подсоединено испытуемое волокно. Во всех случаях интерферометр располагают таким образом, чтобы ортогональные состояния поляризации (SOPs) могли интерферировать. Существует много способов достичь этого.

Первый способ установить анализатор на входе интерферометра, как показано на рисунке С.1. Однако, если на входе интерферометра не установлен поляризатор и оба плеча интерферометра не оказывают влияния на SOPs, то в этом случае не наблюдают интерферограмму функции взаимной корреляции отображающую PMD. Если на входе интерферометра не установлен поляризатор, следует предпринять что-либо другое.

При втором способе волновая пластина одного плеча интерферометра может использоваться в случае использования интерферометра воздушного типа. Вообще говоря, двойное прохождение сигнала в прямом и обратном направлении в двух плечах любого двухканального интерферометра может быть представлено матрицами Джонса и . Это эквивалентно волновой пластине с матрицей Джонса только в одном плече интерферометра. В случае волоконного интерферометра петля Лефевра может быть введена в одно плечо и настроена таким образом, чтобы дало желаемый эффект (заданное отношение функции взаимной корреляции к функции автокорреляции).

В одном особом случае четверть волновую пластину помещают в одно плечо интерферометра Михельсона (или полуволновую пластину в одно плечо интерферометра Маха-Зендера); при такой конфигурации наблюдают только интерферограмму функции взаимной корреляции.

С.1.5 Поляризационный скремблер

На рисунке С.2с поляризационный скремблер позволяет выбрать любое состояние поляризации (SOPs) на входе и выходе испытуемого волокна (FUT). Поляризационный светоделитель позволяет проводить одновременно детектирование того, что было бы продетектировано при двух ортогональных положениях анализатора. Функциональности поляризационного скремблера выбирающего разные SOPs на входе и разные положения анализатора на выходе можно достичь другими способами.

С.1.6 Поляризационный светоделитель

Поляризационный светоделитель (PBS) можно использовать, как показано на рисунке С.2с, для получения интерферограмм ортогональных SOPs на выходе (в противоположность сфере Пуанкаре) для той же комбинации I/O-SOP. Эти две интерферограммы позволяют рассчитывать взаимную корреляцию и автокорреляцию как отдельные функции. Совместно с системой детектирования поляризационный светоделитель (PBS) образует систему детектирования поляризационного разнесения. Средства, отличные от PBS, могут использоваться для получения интерферограмм ортогональных состояний поляризации (SOPs) на выходе испытуемого волокна.

С.2 Проведение испытания

С.2.1 Калибровка

Оборудование калибруют путем сравнения механики линии задержки с двулучепреломляющим волокном с известным значением задержки PMD. С другой стороны, можно провести измерения на сборке из двулучепреломляющих волокон с известными параметрами. Внешние условия и возбуждающее волокно не должны изменяться во время измерения.

С.2.2 Общая операция

Один конец испытуемого волокна соединяют с поляризованным выходом поляризованного источника излучения. Другой конец соединяют с входом интерферометра. Это можно сделать при помощи стандартных волоконных соединителей, сростков или при помощи системы выравнивания волокна. Если используют последнее, то на стыки наносят некоторое количество иммерсионного масла во избежание отражений.

Выходную оптическую мощность источника света регулируют до достижения эталонного значения для используемой системы детектирования. Для получения достаточно контрастной интерферограммы значения оптической мощности в обоих плечах интерферометра должны быть почти идентичными.

С.2.2.1 Порядок действий для TINTY

Первичный сбор данных происходит при перемещении зеркала плеча интерферометра и регистрации значения интенсивности света. Интерференционную картину рассчитывают путем вычитания "d.c." части из интерферограммы: . Огибающие интерферограммы, которые обычно отображаются, являются абсолютным значением интерференционной картины. Типовые примеры огибающих интерферограммы для случаев незначительной и случайной поляризационной связи мод показаны на рисунке С.3.

В случае недостаточной поляризационной связи мод, или в случае низкого значения PMD, рекомендуется повторить измерение для разных состояний поляризации (SOPs) или модулировать SOP во время измерения с целью получения результата, являющегося средним для всех SOPs.

"Рисунок С.3 - Огибающие интерферограмм для случаев незначительной и случайной поляризационной связи мод"

С.2.2.2 Порядок действий для GINTY

Комбинацию конкретной входной настройки поляризатора и пары ортогональных положений анализатора называют состоянием поляризации на входе и выходе измеряемого волокна (I/O SOP). Проводят сканирование (сканирования) для получения двух интерферограмм от двух ортогональных положений анализатора и вычитают "d.c." часть из каждой интерферограммы для получения и , интерферограмм, генерируемых для ортогональных положений анализатора.

Огибающие интерферограмм функций взаимной корреляции и автокорреляции и рассчитывают по следующим формулам

    .

(С.2)

Эти функции квадрируют с целью проведения последующих расчетов и отображения результатов. Некоторые примеры квадратичных результатов функции взаимной корреляции приведены ниже. Заметим, что пик функции автокорреляции видимый при использовании методики TINTY на нижеприведенных графиках отсутствует.

"Рисунок С.4 - Огибающие интерферограмм для случаев незначительной и случайной поляризационной связи мод (методика GINTY)"

Ниже приведены способы поляризационного скремблирования. При измерении многих I/O SOP, им присваивают индекс i для дальнейших расчетов.

С.2.2.2.1 Ряд Мюллера из 9 состояний

Сумма девяти квадратичных огибающих, отслеживаемых с помощью девяти конкретных I/O SOP, равна равномерно скремблированной среднеквадратичной огибающей. Этими девятью I/O SOP являются: три оси анализатора, образующие прямоугольный трехгранник для каждого из трех входных SOPs, также образующих прямоугольный трехгранник.

С.2.2.2.2 Случайное скремблирование

Скремблирование от сканирования к сканированию: автоматическая/ручная настройка скремблеров перед каждым сканированием.

Непрерывное скремблирование: в случае, когда суммируются квадратичные огибающие, скремблирование проводят во время сканирования. Автоматизированные скремблеры настраивают с цепью покрытия сферы непрерывно как функции от времени.

Быстрое, скремблирование для одного сканирования: если скремблеры достаточно быстрые, хорошо скремблированные квадратичные огибающие можно наблюдать в одном сканировании. Однако, необходимо принять меры для предотвращения возникновения перекрестных помех между "а.с." частью и предшествующей "d.c." частью интерферограммы.

С.3 Расчеты

По результатам обоих этих расчетов в отчете указывают . Для идеального случая случайной связи мод, когда интерферограмма имеет идеальную Гауссову форму, это значение может быть преобразовано в , используя уравнение (3).

С.3.1 Расчеты для TINTY

В случае незначительной связи мод задержку PMD определяют одинаковым способом для измерительных систем как на основе TINTY, так и на основе GINTY из разделения второстепенных связанных между собой пиков каждый имеющий задержку от центра на значение DGD для испытуемого волокна как указано на рисунке С.3b и рисунке С.4b. В этом случае DGD эквивалентна задержке PMD

,

(С.3)

где - это перемещающийся путь линии оптической задержки между двумя второстепенными связанными между собой пиками и - это скорость света в свободном пространстве. Коэффициент PMD определяется отношением , где L - это длина волокна, км.

Следующие расчеты используют для режима случайной связи мод, возникающей в длинных волокнах/кабелях или волоконно-оптических линиях. Для этого режима характерно растягивание огибающей интерферограммы, без учета центрального пика.

Значение рассчитывают, используя второй момент (среднеквадратичное значение ширины) функции взаимной корреляции детектируемого сигнала (огибающей интерферограммы)

,

(С.4)

где - это среднеквадратичное значение ширины огибающей функции взаимной корреляции.

Подробный алгоритм для расчета , используя измеренную огибающую интерферограммы, описан в разделе D.1.

Для допущений, приведенных ниже, уравнение (С.4) связано с уравнением (С.3) следующим соотношением

.

(С.5)

Уравнение (С.5) получают теоретическим путем при условии выполнения следующих допущений:

- идеальная случайная связь мод;

Примечания

1 Идеальная случайная связь мод означает, что и имеет место равномерное распределение оси двулучевого преломления. L - это длина испытуемого волокна и h - это длина волокна, на которой наблюдается поляризационная связь мод. Для устройства, состоящего из N соединенных последовательно сегментов с двулучевым преломлением длиной h, это соответствует при равномерном распределении осей.

2 Возможно проведение анализа на наличие или отсутствие незначительной связи мод.

- идеальный Гауссовский источник излучения, у которого в форме сигнала отсутствуют пульсации;

- , где - это среднеквадратичное значение ширины огибающей функции автокорреляции;

- эргодические условия.

Примечание 3 - При использовании гауссовского источника результат может представлять собой взвешенное среднее значений DGD. Это взвешивание (использование весовых коэффициентов) не определено в традиционном анализе для метода С (TINTY), но определено в общем анализе для метода С (GINTY). По этой причине ожидается, что применение данного метода приведет к получению результата для указанного диапазона длин волн и времени, отличного от одного из методов, при которых используют прямоугольное взвешивание (например, эталонный метод испытаний (RTM)). Допущение эргодических условий имеет следствием достоверность взаимосвязи значений. На практике диапазоны длин волн, выбранные путем разного применения других методов, также будут различными, что подразумевает получение разных результатов для этих диапазонов.

С.3.2 Расчеты для GINTY

При использовании GINTY принимают следующие допущения, требуемые для уравнения (С.5), которые не применяют при использовании TINTY [4]:

- не требуется допущения идеальности случайной связи мод;

- не требуется допущения Гауссовской формы сигнала у источника излучения;

- не требуется допущения того, что значение PMD является большим в сравнении со значением ширины функции автокорреляции.

- Формируют среднеквадратичные огибающие функций взаимной корреляции и автокорреляции и в виде

,

(С.6)

где N - это число I/O SOPs.

Рассчитывают среднеквадратичное значение ширины двух выборочных среднеквадратичных огибающих и , соответственно. Выборочный алгоритм для расчета указан в разделе D.2. Математическое определение этих значений ширины огибающих имеет вид

.

(С.7)

Оператор ожидаемого значения в вышеуказанных уравнениях указан в соответствии с равномерной и случайной выборкой I/O SOPs.

Значение указывают в отчете в виде

.

(С.8)

В соответствии с [4] уравнение (С.8) соотносится с уравнением (3) следующим образом

.

(С.9)

Определение элементов среднеквадратичного значения ширины для идеального случая в соответствии с уравнениями (С.7) и (С.9) равнозначно для любой кривой DGD, соответствующей времени измерения и любых спектральных характеристик источника. В левой части уравнения (С.9) указан расчет спектрально взвешенного (путем возведения в квадрат) среднеквадратичного значения PMD.

Используя допущение наличия эргодических условий, получают следующую формулу

(С.10)