无源器件的偏振相关损耗测量

无源器件的偏振相关损耗测量介绍PDL已经成为衡量无源光学器件的重要特性。在光网络中，当偏振不在受限并且随机变化时，器件的PDL便会不受控制地累计叠加。这会使得网络的传输质量下降甚至导致网络瘫痪。测量无源器件PDL有两种被广泛应用的方法:偏振扫描技术（PolarizationScanningTechnique）和四态法（thefour-statemethod）。偏振扫描技术是一种易于实现的测量方法并且精确度较高，并且相对来说对操作环境不敏感；但是采用这种方法，测量用于DWDM的无源器件时速度会很慢。在这种情况下，基于四状态法（或Muller法）的扫描波长式PDl测试相对来说有跟高的测量速度。在另一方面，为了达到高精度，Muller法需要更高的系统维护，而且相比扫描法，它的实现需要更大的精力。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：10log()MaxdbMinTPDLT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。PDL与PMD（偏振模色散）可能成为脉冲失真和展宽的主要来源。总的来说，级联器件的PDL并不是其包含分立元件PDL的代数总和。系统的总PDL只取决于系统中PDL特性最差的器件。实际情况中，系统的PDL与分立器件的相互几何排列和器件之间光纤引起的偏振态变化有关。在WDM网络的波长选择型器件中，器件的PDL根据其频域传输特性随着波长而变化。此外，有些滤波特性（如纹波或通带带宽）也是偏振相关的。因此，波长PDL的测定就变得十分重要。PDL按照测量方式可分为两种方法：确定性方法和不确定性方法。确定性方法从DUT的Mueller或Jones传输矩阵中推导得出其PDL，而传输矩阵则通过测量DUT在一系列特定输入偏振态下的传输属性得到，例如Mueller方法。非确定性方法直接测量DUT在大量输入偏振态下的最小和最大传输值。偏振扫描法偏振扫描法属于不确定性方法，基于对最大和最小传输的实际测量。在测试中，DUT暴露于大量事先确定或伪随机产生的偏振状态下。前一种情况下，偏振态即沿着Poincare球轨道确定地生成；后一种情况下，，偏振态则伪随机地覆盖了Poincare球的大部分。偏振扫描法的实现非常简单。如图1所示，其标准测量装置仅包括一个信号源、一个用以确定性地或伪随机地生成不同偏振态的偏振控制器，以及一个功率计。图1偏振扫描法：用伪随机法方式对庞佳球进行扫描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变化。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不是耦合的，所以无法从测定的功率值上确定功率的变化是由DUT的PDL造成的还是由光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的不确定性主要受以下几点的影响：探测器的偏振敏感度，光源的稳定性和偏振度，偏振控制器中偏振态引起的传输偏差。PDL测量中必须使用偏振相关响应度低的探测器以保证其对测量结果的影响较小。同时必须使用高偏振度光源。偏振控制器会改变光偏振部分的偏振态，但对非偏振部分无影响，因此光非偏振部分的传输改变与DUT的PDL无关。如果DUT暴漏在非偏振光下，功率计将无法探测其PDL。最后，对于偏振光，偏振控制器自身还存在PDL。如果扫描中偏振态是事先确定的，偏振控制器引起的传输变化可以被矫正；如果是伪随机生成的，测量的精确度则取决于所有偏振态中经过偏振控制器后损耗最小的情况下的功率变化。因此，PDL的不确定性主要受到以下因素影响：光源的功率稳定性，接收机的PDL和偏振控制器的插入损耗偏差。总误差近似等于各项单个误差的均方根值。假设源功率稳定系数为0.006dB，插入损耗偏差和接收机的PDL均为0.004dB，那么总误差就为0.008dB。系统之所以存在误差，是因为于扫描时间或测量时间是有限的。因此，DUT只能在有限数量的偏振状态下进行测量。为检测出某一特定系统误差所需的扫描时间与偏振控制器所能达到的偏振态变化率相关。Poincare球扫描中的最小角间距与可达到的最小系统误差min有关，而该值取为偏振控制器旋转角速度和功率计的平均时间t：2min()4vt总测量时间与功率计的平均时间t和期望系统误差，公式如下：2totaltT例如，假设期望系统误差为0.1％，功率计平均时间为1ms，则总扫描时间为：1.5totalTs。如果DUT的PDL针对不同波长进行测量，那么扫描时间将与所测量波长数呈线性增长。显然，光谱PDL测量会因为大量的波长点而变得相当费时。例如，使用偏振扫描法在的20nm波长范围内以10pm为步长（即2000个数据点）进行PDL测量，按每个波长点1.5s计算，整个测量大约需要50分钟的时间。在一定波长范围内的高密度PDL测量并不罕见，此时偏振扫描法是很低效的。尽管如此，如果只需要在一个滤波器的通带范围内针对3个波长点测量PDL（如中心和3dB带宽波长），偏振扫描法就很适合，因为它易于实现并且不确定性低。Muller矩阵法Muller矩阵法是一种确定性方法，它通过DUT的Muller矩阵推出其PDL。Muller矩阵法仅通过测量DUT在四种特定偏振态下的传输特性，就可以得到其Muller矩阵，例如对LHP、LVP、L+45、RHC四种偏振态进行测量。PDL的推导基于Mueller-Stokes积分，它是一种分析地获取系统或器件偏振态变换的方法。如果入射光作用于某器件并由Stokes矢量inS表征，出射光用另一个Stokes矢量outS表征，则该器件的偏振传输和损耗特性即可用44Muller矩阵来表示：outinSMS上述方程包含了一组四式线性方程组。为了得出PDL，只需要Muller矩阵的第一行1114...mm，因为0outS代表了总输出功率。出射光由入射光偏振态引起的光功率变化都可以在0outS中体现：110121132143ininininSmSmSmSmSMueller-Stokes积分的方便之处之一就在于Stokes矢量系数可以通过光功率来测量。如果输入光功率用,,,abcdPPPP表示，输出光功率用1234,,,PPPP表示，上述方程可改写为为（了简便此处略去波长相关的测量）：11112211123111341114aabbccddPmPmPPmPmPPmPmPPmPmP测量所有功率值需要两个步骤：1、必须对四个偏振态分别进行参考测量，得出输入光功率,,,abcdPPPP；2、然后插入DUT，分别记录四个偏振态下的输出功率1234,,,PPPP。注意参考测量和实际测量必须在相同情况下进行，例如针对相同的波长和光源功率，从而保证PDL计算的有效性。解上述方程组可以得出Muller矩阵第一行的系数为：1211121213311144111()21()2ababcdPPPPmPPPPmmPmPmPmP重写任意输入Stokes矢量与输出总功率之间的传输关系，得到011012113214300outininininininSSmSmSmSmSTSS对上式微分可以得到T的极值：222min11121314222max11121314TmmmmTmmmm将minT、maxT带入PDL的定义式，便可将其求出。图2使用Muller矩阵法进行决定性测试，将DUT放在四中偏振态下，通过Muller矩阵参数推导其PDL使用Muller矩阵法测量PDL的典型装置如图2所示。偏振控制器由一个起偏器、一个四分之一波片和一个二分之一波片组成，起偏器生成线性偏振态，两个波片则根据它们相互之间的转角关系和它们相对于起偏器的夹角将线性偏振态光转换为其他偏振态的光。这样的起偏器——波片装置可以生产任何偏振态的光。由于PDL的获取只对四中偏振态下的传输进行了测量，因此可以通过连续可调谐光源用扫描的方式实现波长相关测量。在每个偏振态下，记录下不同波长的传输特性，通过记录的数据可以有上述算法得出不同波长下的PDL.在测量之前，起偏器光轴方向与入射光偏振态相同以减小经过偏振控制器的传输损耗。参考测量所有不同波长和偏振态下的状态以排除装置的内在影响，但探测器的偏振相关响应是不能被校准的。偏振控制器对不同的波长和偏振态有不同的传输特性，当波长变化时，到达起偏器的偏振态周期性地变化，从而导致其传输特性随着波长的周期性变化。针对每个波长重新调整起偏器已获得最大输出功率会使波长扫描系统的优势无法体现，因此，波长相关传输特性应在参考测量时记录。同时，偏振控制器偏振态变化时引起的功率变化也应在参考测量时记录。图3四种偏振态下一个AWG型滤波器的插入损耗，可以清楚地看见滤波器曲线弯曲处由于偏振引起的波长漂移显然，为了较小Muller矩阵法的不确定性，在建立测量系统时必须严格遵守几个要求：（1）偏振控制器的角度不确定性会影响整个测量的不确定性。（2）可调谐激光光源必须有高度的波长准确度和可重复性，后者在两方面上显得尤其重要，第一，经过偏振控制器时波长变化引起的功率偏差必须在参考测量和实际测量中具有可重复性，从而其可以在计算中消除；第二，注册量滤波器响应时，四个偏振态下的测量结果会有波长错位，这是因为光源的波长可重复率低从而由系统的PDL而不是器件的PDL导致。某些器件比如AWG型波分复用器/解复用器，在滤波曲线谷点处存在偏振引起的波长偏移，如图3所示，可见在这种情况下测量系统设置问题会导致错误性结果。（3）某AWG通道的PDL如图4所示。其PDL与图3中的四个损耗曲线相关。滤波曲线上升沿处的偏振相关波长偏移在PDL曲线中被清晰地反映出来。在曲线谷点处四个曲线相交的波长位置，PDL有最小值，在此特殊情况下，波长偏移是由DUT自身导致的。尽管如此，如果测量系统的可重复性低，就算DUT没有的损耗不是偏振相关的，可会导致那样的结果。（4）另一个精确测量PDL的关键点在于光源和偏振控制器间的光纤连接。在测量过程中如果该光纤所在的环境有任何变化，如震动，温漂或移动，入射到起偏器的光偏振态就会发生变化，从而导致偏振控制器的谱传输特性曲线改变。进一步地，参考和实际测量就会在不同的条件下进行，从而无法对测量校准。图4单次Muller扫描法上述Muller矩阵法的缺点可以在一种新的方法中克服。这种方法是基于单次扫描方法的。该方法将所有的数据在一次光源波长扫描中收集，其装置如图5:图5和图2所示的传统Muller方法相比，该方法有两个主要变化：1、偏振合成器代替了偏振控制器，它包含了众多波片和一个内置偏振态测量器，从而可以实时测量光信号的偏振态。偏振合成器能够在几毫秒内完成波片组的调整。2、为了得到高速采样率，功率计由高速功率计代替。在光源扫描过程中，偏振控制器高速地在四或六种偏振态之艰难转换。高速采样率保证了每种偏振态下的测得的数据被准确地收集。用六种而不是四种偏振态保证了更多的平均数据也增加了测量的精确度。每组偏振态的Stokes参数由集成在偏振合成器中的偏振态测量器精确确定。这种方法的优点如下：·较高的测量速度——只需一次波长扫描·更高的PDL测量精度。偏振态只存在很小的不确定性因为他们在扫描中经过了测量。·更高的损耗测量精度，因为波长扫描时在偏振合成器中没有起偏器导致的功率纹波。·波长的不精确