CN100529712C - 单次扫频的偏振相关损耗的测量 - Google Patents

Abstract

一种单次扫频的偏振相关损耗测量，它通过使测试光源的偏振态随测试光源在扫过一光波长范围时光波长变化而在庞加莱球上旋转。在四个不同取向的偏振态测量被测光学元件的输入端和输出端的偏振态和光功率，该测量以及对应于偏振态的己知波长提供一组用于计算光学元件的偏振相关损耗的测量数据。用偏振扫频模块(全无源或有源配置)产生随测试光源光波长变化而变化的偏振态。偏振扫频模块包含扫频波长光源(12)以及有源偏振控制器或无源光学元件，可使偏振态随光波长变化在庞加莱球上旋转。无源元件可以是偏振保持光纤(14，16)或者是分光器/复用器对，在偏振保持光纤(PMF)的场合，各偏振保持光纤本征态相互之间和偏振保持光纤本征态和光源(12)偏振态之间交角最好为约45°，各PMF(14，16)具有不同光程(L，√2)；在分光器/复用器对的场合，在每对中分光器和复用器之间有不同光程长度，每对中光程长度差值是不同的。其相对取向和光程长度选择成使得偏振态在庞加莱球上旋转。

Description

单次扫频的偏振相关损耗的测量

发明背景

本发明涉及元件光学特性的测量，更具体地说，涉及使用扫频波长系统的单次扫频的偏振相关损耗(PDL)测量方法和装置。

当前测量无源光学元件的PDL基本上有三种方案。

·使用在光学元件输入端的四个已知的偏振态，对每一偏振态扫频一定波长范围，并测量在每次扫频时通过元件的所传输光功率。这称为Mueller矩阵方法，在美国专利No.5371597中作了描述。

·使用在光学元件输入端的三个公知的偏振态，对每一偏振态扫频一定波长范围，以及测量在每次扫频时通过元件的所传输光的Jones矢量。这称为Jones矩阵方法，在美国专利No.5298972和5227623中作了描述。

·使用在光学元件输入端的随机的偏振态，测量每个随机态的所传输的光功率，这是一个众所周知的方法，在由Dennis Derickson所著的《光纤测试和测量》一书(354页，由Prentice Hall在1997年10月8月出版)中作了描述。

一些数学算法然后被用来处理这些数据以求得PDL，请参阅例如TIA/EIA FOTP-157，《单横光纤元件的偏振相关损耗(PDL)测量》。

这些方法中的每一个都需要在不同的偏振态(SOP)按次序即按顺序扫频进行多次测量。

期待实现既可靠又可减少测量时间的简单PDL测量方法。

发明内容

因此本发明提出一种单次扫频的偏振相关损耗测量，它通过使测试光源的偏振态在扫频一光波长范围时作为该测试光源的光波长的函数在庞加莱球上旋转。在四个不同取向的偏振态测量被测光学元件的输入端和输出端的偏振态和光功率，这些测量以及对应于偏振态的己知波长提供了一组用于计算光学元件的偏振相关损耗的测量数据。使用偏振扫频模块(全无源或有源结构)产生随测试光源光波长变化而变化的偏振态。偏振扫频模块包括扫频波长光源和或是有源偏振控制器或是无源光学元件，提供偏振态随光波长变化在庞加莱球上旋转。无源元件可以是偏振保持光纤或是分光器/复用器对，在偏振保持光纤(pMF)的场合，各偏振保持光纤本征态相互之间和偏振保持光纤本征态和光源偏振态之间交角都为约45°，各PMF具有不同光程；在分光器/复用器对的场合，在每对中分光器和复用器之间有不同光程长度，每对中的光程长度差值是不同的。

从以下结合附图和所附权利要求的详细说明，显见本发明的目标、优点和其它创新特征。

附图说明

图1是本发明的单次扫频PDL测量系统的偏振扫频模块的简图。

图2是本发明的另一单次扫频PDL测量系统的简图。

图3是说明斯托克斯矢量随波长变化在庞加莱球上旋转的曲线图。

图4是本发明的使用有源偏振控制器的单次扫频PDL测量系统的简图。

图5是图4的系统的偏振态相对波长的曲线图。

发明的详细说明

参阅图1，图中表示全无源配置，其中可调谐的激光器12或其它扫频波长光源发出的输入光的偏振态(SOP)最好以相对偏振保持光纤(PMF)的第一部分14的本征态约45°地输入。PMF 14的第一部分以其本征态相对于PMF 16的第二部分的本征态优选约45°地拼合。PMF 14的第一部分的长度是L，而PMF 16的第二部分的长度最好为L×SQRT(2)。两个部分PMF14、16的属性，即它们的相对取向和长度，使得偏振态随可调谐的激光器12发出的输入光的波长变化而在庞加莱球上旋转。PMF16的第二部分的输出又被输入到在线快速偏振仪18(就如Egbert Krause等在2002年9月12日28届欧洲光通信会议上提交的“1MHz高速光纤在线偏振仪”中描述的)，偏振仪18的输出被加在被测光学元件(DUT)40(图4)上。光源12和PMF14、16的两个部分构成偏振扫频模块(PSM)。

由于PMF成本高，在图2中示出了另一配置。其中输入光是线性偏振的，取向优选相对于第一级24的本征态为约45°。输入光被第一分光器28各分为线性偏振态S和P，其中分出的一个偏振态在由第一偏振复用器30合并前通过附加光纤长度ΔL。第一级24的输出被接合到第二级26的输入，两级本征态取向相互之间的交角最好为约45°。第二分光器32和第二偏振复用器34构成第二级26。在第二级26中两个偏振路径的长度差最好是第一级24中偏振路径的长度差的SQRT(2)倍。来自第二偏振复用器34的复合输出又被输入到偏振仪18。偏振仪18的输出施加在DUT40上。两级24、26的属性，即它们相对取向和长度差值，使得偏振态随可调谐的激光器12发出的输入光波长的变化而在庞加莱球上旋转。

这两个实施例中，在一个扫频波长系统内整个操作这样进行：输入光是波长变化的，准确的波长从位于可调谐激光器12的输出端的扫频波长仪20(例如美国专利申请No.091774433中介绍的)中可知。透射系数通过用光功率计42(图4)高精度地获知透过DUT40的功率并在输入端用高速偏振仪18测量功率而得到。

该方法类似于Mueller矩阵方法，所不同之处在于四个偏振态基本上是用高速偏振仪18测量的随机变量。一个光学元件的PDL由该元件Mueller矩阵的顶行决定：

PDL＝1O＊log{{m_0，0+SQRT(m_0，1 ²+m_0，2 ²+m_0，3 ²))/(m_0，0-SQRT(m_0，1 ²+m_0，2 ²+m_0，3 ²))}(1)

式中m_0，x是DUT的Mueller矩阵的元素。

一般说，Mueller矩阵的元素通过测量DUT40在四个正交偏振态的透射系数求得，即Mueller矩阵的元素可以表示如下：

m_0，0＝(T₀+T₁)/2；m_0，1＝(T₀-T₁)/2；m0_j＝T_j-m_0，0

式中j＝2、3，T_X是水平方向线性、垂直方向线性、+45°方向线性以及右旋圆偏振光的透射系数。也可以使用表示不同偏振态的其它正交斯托克斯矢量。

己知可使用任何组的非同一斯托克斯矢量，只要四个斯托克斯矢量己知且不在一个共有平面上：

$\begin{array}{cccc}|{S0}_0& {S0}_1& {S0}_2& {S0}_3|\\ |{S1}_0& {S1}_1& {S1}_2& {S1}_3|\\ {|S2}_0& {S2}_1& {S2}_2& {S2}_3|\\ |{S3}_0& {S3}_1& {S3}_2& {S3}_3|\end{array}*\begin{array}{c}\left|m_{\mathrm{0,0}}\right|\\ \left|m_{\mathrm{0,0}}\right|\\ \left|m_{\mathrm{0,2}}\right|\\ \left|m_{\mathrm{0,3}}\right|\end{array}=\begin{array}{c}\left|P0\right|\\ \left|P1\right|\\ \left|P2\right|\\ \left|P3\right|\end{array}---\left(2\right)$

Mueller矩阵的顶行元素通过取该4×4矩阵的逆求得：

$\begin{array}{c}\left|m_{\mathrm{0,0}}\right|\\ \left|m_{\mathrm{0,1}}\right|\\ \left|m_{\mathrm{0,2}}\right|\\ \left|m_{\mathrm{0,3}}\right|\end{array}=\mathrm{INV}\begin{array}{cccc}|S{0}_0& S{0}_1& S{0}_2& S{0}_3|\\ |S{1}_0& S{1}_1& {S1}_2& {S1}_3|\\ |S{2}_0& S{2}_1& S{2}_2& S{2}_3|\\ |{S3}_0& {S3}_1& S{3}_2& {S3}_3|\end{array}*\begin{array}{c}\left|P0\right|\\ \left|P1\right|\\ \left|P2\right|\\ \left|P3\right|\end{array}---\left(3\right)$

从此式显见，要求四个斯托克斯矢量不在同一平面上等价于要求该4×4矩阵不是降秩矩阵。基于方程式(3)可以通过在受到上述约束(即四个偏振态不在一个共有平面)的基本上任何四个随机选择的偏振态测量透过DUT40的功率求得PDL。

在一特例中，相对波长变化1微微米斯托克斯矢量可在庞加莱球上旋转45°或更多。图3表示斯托克斯矢量的旋转。这样在使用全无源设计的扫频激光系统中可使SOP在庞加莱球上自动旋转。图5表示SOP如何在单次扫频中随波长变化。

如图4所示，PDL测量系统也可以使用有源偏振控制器作为偏振扫频模块来实现。偏振控制器36用于改变输入光信号在输入高速偏振仪18以前的偏振。传统的控制环38连接在偏振仪18和偏振控制器36之间。控制环38确保偏振控制器36顺序地设定在同一组四个不同偏振态，从而保证四个偏振态不在一个同一平面。而且，尽管不在同一平面的任何四个不同偏振态可以被使用，实际上假如四个偏振态在庞加莱球上尽可能地远离，则会改善噪声。这是有源方法的主要优点。因此，在单次扫频时偏振仪18测到的偏振态(SOP)在四个预定的偏振态之间顺序地和循环地变化，在庞加莱球上粗略地描绘出四分之一半球。因为偏振仪18接在OUT40输入端，可以高精度地获知SOP。

在任一情况(有源或全无源)，PDL测量系统使用高速偏振仪18，随波长变化精确地测量表示偏振态的斯托克斯矢量。现在有无源的、全光纤偏振仪的设计，其速度仅受到光电检测器电子线路的限制。请参阅几个例子：Westbrook，P.S.等的“使用闪耀光纤光栅的在线偏振仪”(IEEE Photonics Technology Letters，Vol.12，No.10，October2000)；Bouzid，A.等的“光纤四检测器偏振仪”(Optics Communications118(1995)329-334)；Westbrook，P.的“全光纤偏振监测和系统应用”(OFC’02，WJl-1)；Kraus，E.的“四检测器偏振仪的新精确校准程序”(DRA Technical Notebook，OPT10，pp67-68)；Krause，E.等在2002年9月12日28届欧洲光通讯会议上提交的“1MHz高速光纤在线偏振仪”。

概念上该测量过程使用以下程序：

1.在起始波长测量斯托克斯矢量(偏振态)和传输的光功率。

2.在无源实施方案中，改变波长一般大约1微微米，使得斯托克斯矢量旋转。在有源实施方案中，有源偏振控制器改变偏振态，测量新的斯托克斯矢量(偏振态)和新的透射光功率。

3.重复第2步骤，直至测量四个斯托克斯矢量和四个光功率。

4.在方程(3)中使用从第2和3步骤得到的数据，确定Mueller矩阵的顶行元素，再由此使用方程(1)计算PDL。

只要PDL在用于旋转斯托克斯矢量的四个波长扫频时不变化，这个程序就运行非常好。因为在本例中波长变化仅约为4微微米，对于大多数DUT而言，这个程序己非常好。

假如DUT的PDL随波长变化而明显变化，就如在密集波分复用(DWDM)滤波器的边缘那样，假定Mueller矩阵的元素在八个波长步骤(Mueller矩阵的四个顶行元素和Mueller矩阵的顶行元素的四个变化率)上线性变化，则该程序仍然有用。该程序的方程如下：

$\begin{array}{cccccccc}{|S0}_0& 0& {S0}_1& 0& {S0}_2& 0& {S0}_3& 0|\\ {|S1}_0& {\mathrm{\Δ\λ}}_1*{S1}_0& {S1}_1& {\mathrm{\Δ\λ}}_1*{S1}_1& {S1}_2& {\mathrm{\Δ\λ}}_1*{S1}_2& {S1}_3& {\mathrm{\Δ\λ}}_1*{S1}_3|\\ {|S2}_0& {\mathrm{\Δ\λ}}_2*{S2}_0& {S2}_1& {\mathrm{\Δ\λ}}_2*{S2}_1& {S2}_2& {\mathrm{\Δ\λ}}_2*{S2}_2& {S2}_3& {\mathrm{\Δ\λ}}_2*{S2}_3|\\ |{S3}_0& {\mathrm{\Δ\λ}}_3*{S3}_0& {S3}_1& {\mathrm{\Δ\λ}}_3*{S4}_1& {S3}_2& {\mathrm{\Δ\λ}}_3*{S3}_2& {S3}_3& {\mathrm{\Δ\λ}}_3*{S3}_3|\\ |{S4}_0& {\mathrm{\Δ\λ}}_4*{S4}_0& {S4}_1& {\mathrm{\Δ\λ}}_4*{S4}_1& {S4}_2& {\mathrm{\Δ\λ}}_4*{S4}_2& {S4}_3& {\mathrm{\Δ\λ}}_4*{S3}_3|\end{array}\begin{array}{c}\left|m_{\mathrm{0,0}}\right|\\ \left|{\mathrm{\Δ}}_{\mathrm{0,0}}\right|\\ \left|{\mathrm{\Δ}}_{\mathrm{0,1}}\right|\\ \left|{\mathrm{\Δ}}_{\mathrm{0,1}}\right|\\ \left|m_{\mathrm{0,2}}\right|\end{array}=\begin{array}{c}\left|P0\right|\\ \left|P1\right|\\ \left|P2\right|\\ \left|P3\right|\\ \left|P4\right|\end{array}$ 公式(4)

$\begin{array}{cccccccc}{|S5}_0& {\mathrm{\Δ\λ}}_5*{S5}_0& {S5}_1& {\mathrm{\Δ\λ}}_5*{S5}_1& {S5}_2& {\mathrm{\Δ\λ}}_5*{S5}_2& {S5}_3& {\mathrm{\Δ\λ}}_5*{S3}_3|\\ {|S6}_0& {\mathrm{\Δ\λ}}_6*S_{60}& {S6}_1& {\mathrm{\Δ\λ}}_6*{S6}_1& {S6}_2& {\mathrm{\Δ\λ}}_6*{S6}_2& {S6}_3& {\mathrm{\Δ\λ}}_6*{S6}_3|\\ |{S7}_0& {\mathrm{\Δ\λ}}_7*{S7}_0& {S7}_1& {\mathrm{\Δ\λ}}_7*{S7}_1& {S7}_2& {\mathrm{\Δ\λ}}_7*{S7}_2& {S7}_3& {\mathrm{\Δ\λ}}_7*{S7}_3|\end{array}\begin{array}{c}\left|{\mathrm{\Δ}}_{\mathrm{0,2}}\right|\\ \left|m_{\mathrm{0,3}}\right|\\ \left|{\mathrm{\Δ}}_{\mathrm{0,3}}\right|\end{array}\left[\begin{array}{c}\left|P5\right|\\ \left|P6\right|\\ \left|P7\right|\end{array}\right]$

式中Δλ_x是相接续的偏振态之间(即S_X-1和S_X之间)的波长变化。在方程(4)中，因为在线偏振仪18，斯托克斯矢量的全部分量是己知的；因为扫频波长仪20精确地校准该系统不超过1微微米RMS误差，波长步长(增量不一定要相等)是己知的。透射功率测量也就是己知的。结果，可以通过取斯托克斯矩阵的逆，从这个方程求解Mueller矩阵的未知元素和它们的斜率。

$\begin{array}{c}\left|m_{0,0}\right|\\ {|\mathrm{\Δ}}_{\mathrm{0,0}}|\\ \left|m_{0,1}\right|\\ \left|{\mathrm{\Δ}}_{\mathrm{0,1}}\right|\\ \left|m_{\mathrm{0,2}}\right|\\ \left|{\mathrm{\Δ}}_{\mathrm{0,2}}\right|\\ \left|m_{\mathrm{0,3}}\right|\\ \left|m_{\mathrm{0,3}}\right|\end{array}=\mathrm{INV}\begin{array}{cccccccc}{|S0}_0& 0& {S0}_1& 0& {S0}_2& 0& {S0}_3& 0|\\ {|S1}_0& {\mathrm{\Δ\λ}}_1*{S1}_0& {S1}_1& {\mathrm{\Δ\λ}}_1*{S1}_1& {S1}_2& {\mathrm{\Δ\λ}}_2*{S1}_2& {S1}_3& {\mathrm{\Δ\λ}}_1*{S1}_3|\\ |{S2}_0& {\mathrm{\Δ\λ}}_2*{S2}_0& {S2}_1& {\mathrm{\Δ\λ}}_2*{S2}_1& {S2}_2& {\mathrm{\Δ\λ}}_2*{S2}_2& {S2}_3& {\mathrm{\Δ\λ}}_2*{S6}_3|\\ |{S3}_0& {\mathrm{\Δ\λ}}_3*{S3}_0& {S3}_1& {\mathrm{\Δ\λ}}_3*{S3}_1& {S3}_2& {\mathrm{\Δ\λ}}_3*{S3}_2& {S3}_3& {\mathrm{\Δ\λ}}_3*{S5}_3|\\ |{S4}_0& {\mathrm{\Δ\λ}}_4*{S4}_0& {s4}_1& {\mathrm{\Δ\λ}}_4*{S4}_1& {S4}_2& {\mathrm{\Δ\λ}}_4*{S4}_2& {S4}_3& {\mathrm{\Δ\λ}}_4*{S4}_3|\\ {|S5}_0& {\mathrm{\Δ\λ}}_5*{S5}_0& {S5}_1& {\mathrm{\Δ\λ}}_5*{S5}_1& {S5}_2& {\mathrm{\Δ\λ}}_5*{S5}_2& {S5}_3& {\mathrm{\Δ\λ}}_5*{S5}_3|\\ {|S6}_0& {\mathrm{\Δ\λ}}_6*{S6}_0& {S6}_1& {\mathrm{\Δ\λ}}_6*{S6}_1& {S6}_2& {\mathrm{\Δ\λ}}_6*{S6}_2& {S6}_3& {\mathrm{\Δ\λ}}_6*{S6}_3|\\ |{S7}_0& {\mathrm{\Δ\λ}}_7*{S7}_0& {S7}_1& {\mathrm{\Δ\λ}}_7*{S7}_1& {S7}_2& {\mathrm{\Δ\λ}}_7*{S7}_2& {S7}_3& {\mathrm{\Δ\λ}}_7*{S7}_3|\end{array}*\begin{array}{c}\left|P0\right|\\ \left|P1\right|\\ \left|P2\right|\\ \left|P3\right|\\ \left|P4\right|\\ \left|P5\right|\\ \left|P6\right|\\ \left|P7\right|\end{array}$ 公式(5)

在方程(5)中，m_0，k(式中k＝0-3)是在起始波长处的Mueller矩阵的顶行元素，Δ_0，k是Mueller矩阵的斜率，即假定斜率在八次测量所复盖的波长范围内是线性，则斜率就是Mueller矩阵的元素幅度除以波长变化。与方程(3)一样，斯托克斯矩阵不是降秩的-假如偏振态不是共面的，则该矩阵有逆。

上述程序的优点在于：(1)与每次测量需要一次扫频的标准配置相反，该系统在单次扫频中完成PDL测量，因此例如PDL测量可以在6秒而不是24秒完成；(2)偏振扫频模块可以做成没有移动部件，其中偏振仪18做成在反馈环路中使用光纤环和光纤布拉格光栅，该环路具有使用压电压缩器(squeezer)的固态偏振控制器(有源配置)，使得可靠性提高和平均无故障时间延长；(3)全部由光学元件组成的PSM和偏振仪可以组装成小体积，例如单宽的(single-wide)cPCI模块；以及(4)因为PSM(全无源配置)不需要电力，而偏振仪只需要足够的电力运行偏振仪中的光电检测器，故对供电要求很低。

Claims (14)

1.一种偏振扫频模块，包括：

提供用以扫频一光波长范围的光信号的扫频波长光源，所述光信号具有偏振态；以及

当所述光信号在所述范围内改变波长时使所述偏振态在庞加莱球上旋转而产生测试光信号的装置，

其中，所述旋转装置包括：

具有第一本征态的被输入所述光信号的第一光学级，偏振态取向为与所述第一本征态的交角为第一角，该第一光学级提供第一输出光信号；以及

具有第二本征态的被输入所述第一输出光信号的第二光学级，所述第一本征态和所述第二本征态相互之间的交角为第二角，该第二光学级提供第二输出光信号作为测试光信号，这两个光学级的相对光程和取向可使得当所述光信号改变波长时所述偏振态在庞加莱球上旋转。

2.按照权利要求1所述的偏振扫频模块，其中，所述第一角和第二角各包含一个45°的角度。

3.按照权利要求1或2所述的偏振扫频模块，其中，所述相对光程包含一个2的平方根的关系因子。

4.按照权利要求1所述的偏振扫频模块，其中，所述第一光学级包含具有第一光程的第一偏振保持光纤，以所述测试光信号作为输入，所述第一输出光信号作为输出。

5.按照权利要求4所述的偏振扫频模块，其中，所述第二光学级包含具有第二光程的第二偏振保持光纤，所述第二光程等于所述第一光程乘以一个因子，使得当所述波长改变时所述偏振态在庞加莱球上旋转，以所述第一输出光信号作为输入，所述第二输出光信号作为输出。

6.按照权利要求5所述的偏振扫频模块，其中，所述因子包含2的平方根。

7.按照权利要求1所述的偏振扫频模块，其中，所述第一光学级包含：

第一分光器，以所述光信号作为输入，并提供两个正交的偏振态光信号作为输出；以及

第一光学复用器，将所述两个正交的偏振态光信号合并而提供第一输出光信号，所述两个正交的偏振态光信号在所述第一分光器和所述第一光学复用器之间具有第一光程差。

8.按照权利要求7所述的偏振扫频模块，其中，第二光学级包含：

第二分光器，以所述第一输出光信号作为输入，并提供两个正交的偏振态光信号作为输出；以及

第二光学复用器，将所述两个正交的偏振态光信号合并而提供第二输出光信号，所述两个正交的偏振态光信号在所述第二分光器和所述第二光学复用器之间具有第二光程差，所述第一和第二光程差通过一个因子相关联，使得当所述波长改变时所述偏振态在庞加莱球上旋转。

9.按照权利要求8所述的偏振扫频模块，其中，所述因子包含2的平方根。

10.按照权利要求1所述的偏振扫频模块，其中，所述旋转装置包含与光信号相互作用的有源偏振控制器，使得偏振态随光波长变化而变化，从而产生所述测试光信号。

11.按照权利要求10所述的偏振扫频模块，其中，所述有源偏振控制器包含在所述波长范围内顺序地且循环地改变偏振态的装置。

12.一种单次扫频偏振相关损耗测量系统，包括：

当光信号在一光波长范围内扫频时使光信号偏振态在庞加莱球上旋转的装置；

在被测光学元件的输入端和输出端均测量在所述光波长范围内的四个不同取向的偏振态的光功率的测量装置；以及

计算所述光学元件的随四个不同取向偏振态的所测量光功率和对应的己知波长变化而变化的偏振相关损耗的计算装置，

其中，所述旋转装置包含：

具有第一本征态的被输入所述光信号的第一光学级，偏振态取向为与所述第一本征态的交角为第一角，该第一光学级提供第一输出光信号；以及

具有第二本征态的被输入所述第一输出光信号的第二光学级，所述第一本征态和所述第二本征态相互之间的交角为第二角，该第二光学级提供第二输出光信号，这两个光学级的相对光程和取向可使得当所述光信号改变波长时所述偏振态在庞加莱球上旋转。

13.按照权利要求12所述的系统，其中，所述旋转装置包含：提供扫频光信号的可调谐激光器；以及

偏振控制器，以所述光信号作为输入并提供所述光信号在所述光波长范围内的顺序且循环的偏振态。

14.按照权利要求12或13所述的系统，其中，所述测量装置包含：

在光学元件的输入端测量偏振态的偏振仪；以及

在光学元件的输出端测量光功率的光功率计。

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