《电子技术应用》

无源光器件的偏振相关损耗测量

2012/8/22 20:22:04

介绍
  描述无源光器件的特性时,偏振相关损耗(PDL)现已成为一项标准指标。当前主要有两种PDL测量方法:偏振扫描法和四状态法,后者一般也被称作Mueller法。
  本文将对这两种测量方法进行简要的介绍,概要说明其主要难题和主要的误差来源,并对其在当前无源器件测量中的实际应用进行比较。
  偏振相关损耗
  PDL是光器件或系统在所有偏振状态下的最大传输差值。它是光设备在所有偏振状态下最大传输和最小传输的比率。PDL定义如下:
 
公式
  Tmax和Tmin分别表示测试器件(DUT)的最大传输和最小传输。
  PDL对于光器件的表征至关重要。实际上,每个器件都表现为一种偏振相关传输。由于传输信号的偏振不仅局限于光纤网络之内,因此器件的插入损耗随偏振状态而异。这种效应会沿传输链路不可控制地增长,对传输质量带来严重影响,因为一条光纤上的偏振是随意变化的。个别器件的PDL会在系统内造成大的功率波动,从而提高了系统的比特错误率,甚至会导致网络故障。结合偏振模色散(PMD),PDL可能成为脉冲失真和扩散的主要来源。
  在WDM网络的波长选择型器件中,PDL对应于器件的光谱传输特征曲线而变化。此

 

外,有些滤波器属性(如波动或通带带宽)也是偏振相关的。因此,波长PDL的测定就变得必不可少了。
  PDL测量原则可分为两大类:确定性方法和不确定性方法。确定性方法从DUT的Mueller或Jones测试矩阵中推导得出其PDL,而这些测试结果又是通过测量DUT在一系列定义输入偏振状态下的传输属性而得到的,例如Mueller方法。非确定性方法测量DUT在大量输入偏振状态下的最小和最大传输值。
  偏振扫描法
  偏振扫描法属于非确定法。在测试中,DUT暴露于多种偏振状态之下,这些状态是确定或伪随机产生的。在第一种情况下,偏振状态是沿Poincare球的定义轨迹确定性地生成的。后一种伪随机法则覆盖了Poincare球的大部分。
  偏振扫描法非常简单。
  如图1所示,其标准测量装备仅包括一个信号源、一个用以确定性地或伪随机地生成不同偏振状态的偏振控制器,以及一个功率计。

使用Poincare球伪随机扫描的偏振扫描法

图1:使用Poincare球伪随机扫描的偏振扫描法。
  偏振扫描法是一种相对测量法,其实际测量值反应的是光功率随入射光偏振状态变化的偏差值。在所测得的功率值中,最大值与最小值之差就是PDL。但是,功率测量和偏振转换是去耦的。您无法从测定的功率值上确定功率的变化是由DUT的PDL造成的还是由源输出功率的波动所造成。 
  因此,要想获得准确的测量结果就必须保持高水平的功率稳定性。PDL误差主要受到以下因素影响:检测器的偏振敏感响应,源功率稳定性和偏振度,偏振控制器的偏振所引起的传输偏差。
  总误差近似等于各项单个误差的和的平方根。假设源功率稳定系数为0.006dB,插入损耗偏差和检测器的PDL均为0.004dB,那么总误差就为0.008dB。
  系统误差的主要来源在于扫描时间或测量时间都只是有限的。因此,DUT只能暴露在有限数量的偏振状态下进行测量。检测出某一系统误差所需的扫描时间与偏振控制器所能达到的偏振变化率相关。Poincare球扫描中的最小角间距与可达到的最小系统误emin有关,该值取决于偏振控制器产品的旋转角速度n和功率计的平均时间Dt :

公式
  总测量时间取决于功率表平均时间Dt和系统误差e,公式如下:

公式
  例如,假设系统误差为0.1%,功率表平均时间为1ms。那么显然总扫描时间为:Ttotal = 1.5秒。
  如果DUT的PDL在波长之上进行测量,那么预计扫描时间将与波长点数呈线性关系。很明显,光谱PDL测量很容易因为大量的波长点而变得相当费时。例如,使用偏振扫描法在10pm步长的20nm波长范围内(即2000个数据点)进行PDL测量,按每段波长1.5秒计,整个测量大约需要50分钟的总扫描时间。
  在某些情形中,PDL必须以很小的分辨率在一段波长范围中进行测量。在这种情形下,偏振扫描法的效率就很低了。但是,举例来说,如果只需测量滤波器通带中的三个波长点(例如在通带中心或在中心左右3dB带宽波长)时,那么偏振扫描法就非常有吸引力,因为它实施简单而且误差小。
  Mueller法
  Mueller法是一种确定性方法,它可从Mueller矩阵中推导出DUT的PUL。Mueller法通过DUT在四种明确的偏振状态下的传输测量结果中得出其Mueller矩阵。PDL的计算基于Mueller-Stokes计算法进行,该算法可分析性地获得组件或系统的偏振转换。

使用Mueller法的确定性PDL测量

图2:使用Mueller法的确定性PDL测量,Mueller方法把DUT暴露在四种偏振状态,从DUT的Mueller矩阵中推导得到PDL。
  图2中显示了一个典型的测量。
  偏振控制器由一个偏振器、一个l/4波片和l/2波片组成 。偏振器可以产生一种线性偏振光。l/4波片和l/2波片将确定性地把线性输入状态转换成其它偏振状态,这取决于彼此之间的角位移以及偏振器设定的输入偏振。因为在这种方法中PDL是通过测量四种偏振状态下的传输值而得到的,因此测量者可使用一个可连续调谐的可调激光源来以扫频的方式进行波长相关测量。然后,记录下每种偏振状态中的波长传输数据。从这些传输数据中,测量者可使用Mueller计算法计算得出DUT的波长PDL。
  在开始测量之前,偏振器调整到与输入光形同的偏振状态,以降低通过偏振控制器的传输损耗。参考测量记录了测量装置的所有波长与偏振依赖性,检波器的偏振相关响应性除外,这是不能校准的。

WDM过滤器通带的PDL测量,与Polarization Scrambling和Mueller方法相比

图3:WDM过滤器通带的PDL测量,与Polarization Scrambling和Mueller方法相比。
  测量方法比较
  尽管您可以使用不同的方法来测量PDL,但是两种测量方法应该得到相似的结果,理想情况下应是相同的测量结果。为了进行比较,我们在图2中显示了使用偏振扫描法和Mueller法在一个光栅WDM滤波器上进行的PDL测量示例。两种方法的测量时间大不相同。偏振扫描时间决定着每段波长的PDL,因此

 

测量时间与波长点数线性相关。Mueller方法结合扫频波长测量装置可对各偏振状态下的波长进行完全的损耗测量,从而同时得到所有波长的PDL。
  因此,如果必须测量大量波长上的PDL,那么Mueller方法会更快一些。相反,如果只需测量几个波长点的PDL,那么偏振扫描法则更好一些。

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