《電子技術(shù)應(yīng)用》
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無(wú)源光器件的偏振相關(guān)損耗測(cè)量
摘要: 描述無(wú)源光器件的特性時(shí),偏振相關(guān)損耗(PDL)現(xiàn)已成為一項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)指標(biāo),。當(dāng)前主要有兩種PDL測(cè)量方法:偏振掃描法和四狀態(tài)法,,后者一般也被稱作Mueller法。本文將對(duì)這兩種測(cè)量方法進(jìn)行簡(jiǎn)要的介紹,,概要說(shuō)明其主要難題和主要的誤差來(lái)源,,并對(duì)其在當(dāng)前無(wú)源器件測(cè)量中的實(shí)際應(yīng)用進(jìn)行比較。
Abstract:
Key words :

介紹
  描述無(wú)源光器件的特性時(shí),,偏振相關(guān)損耗(PDL)現(xiàn)已成為一項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)指標(biāo),。當(dāng)前主要有兩種PDL測(cè)量方法:偏振掃描法和四狀態(tài)法,后者一般也被稱作Mueller法,。
  本文將對(duì)這兩種測(cè)量方法進(jìn)行簡(jiǎn)要的介紹,,概要說(shuō)明其主要難題和主要的誤差來(lái)源,并對(duì)其在當(dāng)前無(wú)源器件測(cè)量中的實(shí)際應(yīng)用進(jìn)行比較,。
  偏振相關(guān)損耗
  PDL是光器件或系統(tǒng)在所有偏振狀態(tài)下的最大傳輸差值,。它是光設(shè)備在所有偏振狀態(tài)下最大傳輸和最小傳輸?shù)谋嚷省DL定義如下:
 
公式
  Tmax和Tmin分別表示測(cè)試器件(DUT)的最大傳輸和最小傳輸,。
  PDL對(duì)于光器件的表征至關(guān)重要,。實(shí)際上,每個(gè)器件都表現(xiàn)為一種偏振相關(guān)傳輸,。由于傳輸信號(hào)的偏振不僅局限于光纖網(wǎng)絡(luò)之內(nèi),,因此器件的插入損耗隨偏振狀態(tài)而異。這種效應(yīng)會(huì)沿傳輸鏈路不可控制地增長(zhǎng),,對(duì)傳輸質(zhì)量帶來(lái)嚴(yán)重影響,,因?yàn)橐粭l光纖上的偏振是隨意變化的。個(gè)別器件的PDL會(huì)在系統(tǒng)內(nèi)造成大的功率波動(dòng),,從而提高了系統(tǒng)的比特錯(cuò)誤率,,甚至?xí)?dǎo)致網(wǎng)絡(luò)故障。結(jié)合偏振模色散(PMD),,PDL可能成為脈沖失真和擴(kuò)散的主要來(lái)源,。
  在WDM網(wǎng)絡(luò)的波長(zhǎng)選擇型器件中,,PDL對(duì)應(yīng)于器件的光譜傳輸特征曲線而變化。此

 

外,,有些濾波器屬性(如波動(dòng)或通帶帶寬)也是偏振相關(guān)的,。因此,波長(zhǎng)PDL的測(cè)定就變得必不可少了,。
  PDL測(cè)量原則可分為兩大類:確定性方法和不確定性方法,。確定性方法從DUT的Mueller或Jones測(cè)試矩陣中推導(dǎo)得出其PDL,而這些測(cè)試結(jié)果又是通過(guò)測(cè)量DUT在一系列定義輸入偏振狀態(tài)下的傳輸屬性而得到的,,例如Mueller方法,。非確定性方法測(cè)量DUT在大量輸入偏振狀態(tài)下的最小和最大傳輸值。
  偏振掃描法
  偏振掃描法屬于非確定法,。在測(cè)試中,,DUT暴露于多種偏振狀態(tài)之下,這些狀態(tài)是確定或偽隨機(jī)產(chǎn)生的,。在第一種情況下,,偏振狀態(tài)是沿Poincare球的定義軌跡確定性地生成的。后一種偽隨機(jī)法則覆蓋了Poincare球的大部分,。
  偏振掃描法非常簡(jiǎn)單,。
  如圖1所示,其標(biāo)準(zhǔn)測(cè)量裝備僅包括一個(gè)信號(hào)源,、一個(gè)用以確定性地或偽隨機(jī)地生成不同偏振狀態(tài)的偏振控制器,,以及一個(gè)功率計(jì)。

使用Poincare球偽隨機(jī)掃描的偏振掃描法

圖1:使用Poincare球偽隨機(jī)掃描的偏振掃描法,。
  偏振掃描法是一種相對(duì)測(cè)量法,,其實(shí)際測(cè)量值反應(yīng)的是光功率隨入射光偏振狀態(tài)變化的偏差值。在所測(cè)得的功率值中,,最大值與最小值之差就是PDL,。但是,功率測(cè)量和偏振轉(zhuǎn)換是去耦的,。您無(wú)法從測(cè)定的功率值上確定功率的變化是由DUT的PDL造成的還是由源輸出功率的波動(dòng)所造成,。 
  因此,要想獲得準(zhǔn)確的測(cè)量結(jié)果就必須保持高水平的功率穩(wěn)定性,。PDL誤差主要受到以下因素影響:檢測(cè)器的偏振敏感響應(yīng),,源功率穩(wěn)定性和偏振度,偏振控制器的偏振所引起的傳輸偏差,。
  總誤差近似等于各項(xiàng)單個(gè)誤差的和的平方根,。假設(shè)源功率穩(wěn)定系數(shù)為0.006dB,插入損耗偏差和檢測(cè)器的PDL均為0.004dB,,那么總誤差就為0.008dB,。
  系統(tǒng)誤差的主要來(lái)源在于掃描時(shí)間或測(cè)量時(shí)間都只是有限的,。因此,DUT只能暴露在有限數(shù)量的偏振狀態(tài)下進(jìn)行測(cè)量,。檢測(cè)出某一系統(tǒng)誤差所需的掃描時(shí)間與偏振控制器所能達(dá)到的偏振變化率相關(guān)。Poincare球掃描中的最小角間距與可達(dá)到的最小系統(tǒng)誤emin有關(guān),,該值取決于偏振控制器產(chǎn)品的旋轉(zhuǎn)角速度n和功率計(jì)的平均時(shí)間Dt :

公式
  總測(cè)量時(shí)間取決于功率表平均時(shí)間Dt和系統(tǒng)誤差e,,公式如下:

公式
  例如,假設(shè)系統(tǒng)誤差為0.1%,,功率表平均時(shí)間為1ms,。那么顯然總掃描時(shí)間為:Ttotal = 1.5秒。
  如果DUT的PDL在波長(zhǎng)之上進(jìn)行測(cè)量,,那么預(yù)計(jì)掃描時(shí)間將與波長(zhǎng)點(diǎn)數(shù)呈線性關(guān)系,。很明顯,光譜PDL測(cè)量很容易因?yàn)榇罅康牟ㄩL(zhǎng)點(diǎn)而變得相當(dāng)費(fèi)時(shí),。例如,,使用偏振掃描法在10pm步長(zhǎng)的20nm波長(zhǎng)范圍內(nèi)(即2000個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn))進(jìn)行PDL測(cè)量,按每段波長(zhǎng)1.5秒計(jì),,整個(gè)測(cè)量大約需要50分鐘的總掃描時(shí)間,。
  在某些情形中,PDL必須以很小的分辨率在一段波長(zhǎng)范圍中進(jìn)行測(cè)量,。在這種情形下,,偏振掃描法的效率就很低了。但是,,舉例來(lái)說(shuō),,如果只需測(cè)量濾波器通帶中的三個(gè)波長(zhǎng)點(diǎn)(例如在通帶中心或在中心左右3dB帶寬波長(zhǎng))時(shí),那么偏振掃描法就非常有吸引力,,因?yàn)樗鼘?shí)施簡(jiǎn)單而且誤差小,。
  Mueller法
  Mueller法是一種確定性方法,它可從Mueller矩陣中推導(dǎo)出DUT的PUL,。Mueller法通過(guò)DUT在四種明確的偏振狀態(tài)下的傳輸測(cè)量結(jié)果中得出其Mueller矩陣,。PDL的計(jì)算基于Mueller-Stokes計(jì)算法進(jìn)行,該算法可分析性地獲得組件或系統(tǒng)的偏振轉(zhuǎn)換,。

使用Mueller法的確定性PDL測(cè)量

圖2:使用Mueller法的確定性PDL測(cè)量,,Mueller方法把DUT暴露在四種偏振狀態(tài),從DUT的Mueller矩陣中推導(dǎo)得到PDL,。
  圖2中顯示了一個(gè)典型的測(cè)量,。
  偏振控制器由一個(gè)偏振器、一個(gè)l/4波片和l/2波片組成 ,。偏振器可以產(chǎn)生一種線性偏振光,。l/4波片和l/2波片將確定性地把線性輸入狀態(tài)轉(zhuǎn)換成其它偏振狀態(tài),,這取決于彼此之間的角位移以及偏振器設(shè)定的輸入偏振。因?yàn)樵谶@種方法中PDL是通過(guò)測(cè)量四種偏振狀態(tài)下的傳輸值而得到的,,因此測(cè)量者可使用一個(gè)可連續(xù)調(diào)諧的可調(diào)激光源來(lái)以掃頻的方式進(jìn)行波長(zhǎng)相關(guān)測(cè)量,。然后,記錄下每種偏振狀態(tài)中的波長(zhǎng)傳輸數(shù)據(jù),。從這些傳輸數(shù)據(jù)中,,測(cè)量者可使用Mueller計(jì)算法計(jì)算得出DUT的波長(zhǎng)PDL。
  在開(kāi)始測(cè)量之前,,偏振器調(diào)整到與輸入光形同的偏振狀態(tài),,以降低通過(guò)偏振控制器的傳輸損耗。參考測(cè)量記錄了測(cè)量裝置的所有波長(zhǎng)與偏振依賴性,,檢波器的偏振相關(guān)響應(yīng)性除外,,這是不能校準(zhǔn)的。

WDM過(guò)濾器通帶的PDL測(cè)量,,與Polarization Scrambling和Mueller方法相比

圖3:WDM過(guò)濾器通帶的PDL測(cè)量,,與Polarization Scrambling和Mueller方法相比。
  測(cè)量方法比較
  盡管您可以使用不同的方法來(lái)測(cè)量PDL,,但是兩種測(cè)量方法應(yīng)該得到相似的結(jié)果,,理想情況下應(yīng)是相同的測(cè)量結(jié)果。為了進(jìn)行比較,,我們?cè)趫D2中顯示了使用偏振掃描法和Mueller法在一個(gè)光柵WDM濾波器上進(jìn)行的PDL測(cè)量示例,。兩種方法的測(cè)量時(shí)間大不相同。偏振掃描時(shí)間決定著每段波長(zhǎng)的PDL,,因此

 

測(cè)量時(shí)間與波長(zhǎng)點(diǎn)數(shù)線性相關(guān),。Mueller方法結(jié)合掃頻波長(zhǎng)測(cè)量裝置可對(duì)各偏振狀態(tài)下的波長(zhǎng)進(jìn)行完全的損耗測(cè)量,從而同時(shí)得到所有波長(zhǎng)的PDL,。
  因此,,如果必須測(cè)量大量波長(zhǎng)上的PDL,那么Mueller方法會(huì)更快一些,。相反,,如果只需測(cè)量幾個(gè)波長(zhǎng)點(diǎn)的PDL,那么偏振掃描法則更好一些,。

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