CN101144751A

CN101144751A - 测量偏振模色散

Info

Publication number: CN101144751A
Application number: CNA2007101521241A
Authority: CN
Inventors: 文森特·勒科奇
Original assignee: ACTEMA LLC
Current assignee: Only Yahweh Communication Technology Co Ltd
Priority date: 2006-09-16
Filing date: 2007-09-17
Publication date: 2008-03-19
Anticipated expiration: 2027-09-17
Also published as: DE602006018009D1; ES2353530T3; EP1901052A1; EP1901052B1; US7602499B2; CN101144751B; US20080068607A1

Abstract

本发明公开了一种用于测量受试器件(DUT)内偏振模色散(PMD)的装置，包括偏振光源，用于经DUT发射测试光束；以及PMD分析仪，它采用多种已知技术中的一种，如固定分析仪－傅立叶变换(FA－FT)或干涉仪式，以计算DUT引起的PMD。在光源与PMD分析仪之间布置有由多个双折射元件组成的无源消偏器，以生成多个对应于双折射元件所施加时延的载波频率。DUT的PMD成分存在于每个载波周围，可以对多个PMD测量值取平均来获得更为精确且可再现的PMD测量值。

Description

测量偏振模色散

对相关申请的交叉引用

[01]本发明要求于2006年9月16日提交的06254826.8号欧洲专利申请的优先权，在此通过参考将其合并入本申请中。

技术领域

[02]本发明涉及一种测量偏振模色散(PMD)的装置，具体而言，涉及一种包含消偏器的PMD测量装置，该消偏器具有多个双折射元件。

发明背景

[03]偏振模色散(PMD)是一种类似色散的畸变机制，它会导致单模光纤、光开关及光隔离器等光学器件对透射光信号产生失真，这可能引起信号随机衰减、复合二次失真增大以及误码率增加。作为透射光波长之函数的PMD的相对严重度随着色散处理技术的进步、传输距离的增大以及比特率的提高而增加。

[04]PMD是由光学器件传输路径中的几何不规则及其他双折射现象源引起的差分群时延(DGD)所致。例如，单模光纤(SMF)在理想情况下是仅支持一种模式的均匀介质。在实践中，它支持采用正交偏振的两种传输模式。当一光波源向SMF光纤中发送一个脉冲时，脉冲能量将落在光纤的偏振主态(PSP)上。这两组脉冲能量以不同的速度传播，因而到达的时间不同，由此导致脉冲展宽和信号失真。当光在其内部传播的光纤芯部为非对称时，沿一个偏振轴传输的光将慢于沿另一轴偏振的光，这可能导致脉冲展宽，从而与其他脉冲重叠，或者改变波形，而使接收端无法检测。

[05]确定已装光纤的PMD可用于确定光纤传输新的电信业务的容量，以及用于PMD补偿器的设计和控制。

[06]光纤的PMD通常由称为偏振主态(PSP)的两个特定正交偏振状态以及它们之间的差分群时延(DGD)加以表征。在光波长λ下的DGD可以由三分量斯托克斯矢量描述，[Ω(λ)]＝Δτq，其中q为指向较快的PSP方向的单位斯托克斯矢量，幅值Δτ即为DGD。在传输系统中遇到的典型的DGD值范围在几十fs和100ps之间。

[07]用于确定PMD矢量的已知方法包括琼斯矩阵特征值分析法(Jones MatrixEigenanalysis，JME)技术和穆勒矩阵法(Muller Matrix Method，MMM)。这些方法均须采用可调谐的连续波激光器和偏光计来测量以两个光频率发出的两个(或三个)不同输入偏振状态。之后由PMD矢量计算出中点频率。除了确定输出PMD矢量之外，穆勒矩阵法还将确定光纤在每个频率下的转动矩阵，从而可以计算输入PMD矢量。这两种方法的缺点是实现起来都有些困难，特别是在反馈系统中，因为它们需要多个光频率下测得数据的频率差异化。

[08]本公开的发明涉及采用现有技术中著名的固定分析仪-傅立叶变换(FA-FT)法或干涉测量(INTFER)法来测量偏振模色散。典型情况下，对于INTFER法，采用宽带光源，其光线经一个DUT发送至干涉仪中。随着干涉仪动臂的往复运动，只有当两臂之间的时延差与在DUT中生成、处于光源相干时间内的时延相匹配时，才会在检测器上观察到干涉条纹。对于非模耦合的器件，随着对干涉仪动臂的扫描，绘出干涉条纹的包络线可以得到一幅有一个中央峰和两个旁瓣的时延直方图。该中央峰是光源的自相关，它不能提供关于PMD的任何信息；但从任一侧的旁瓣到中央峰的距离却可以度量出光源光谱上DGD的平均值。或者说，两个旁瓣之间的间距等于光源光谱上DGD平均值的2倍。

[09]INTFER方法也可以用于测量模耦合器件的DGD；然而，如果有N个模耦合处，在得出的时延直方图中就将有2^N+2-1个峰。相邻峰的间隔可以很容易小于光源的相干时间，因此各峰之间不一定可以相互区分；因此，得出的时延直方图包络线来自各时延的相干叠加。可以由“高斯型”时延直方图的二阶矩得出DGD的均方根值。然而，该时延直方图上存在一些不理想的特征，使之偏离真正的高斯型态，如自相关峰和本底噪声。已经有过一些试图在数学计算中矫正这些特征的尝试，但迄今为止尚未有完全成功的例子。

[10]FA方法(又称波长扫描法)是通过检测经偏振器/DUT/偏振器装置传送的光，将平均DGD作为波长的函数进行间接测量的方法。其光源可以是需要单一检测器的可调谐激光器，也可以是需配备光谱分析仪的宽带光源。随着输出偏振矢量s_out(ω)围绕邦加球(Poincare Sphere)的运动，经输出偏振器传输的归一化强度I_N(ω)可以定义为：

[11]I_N(ω)＝1/2(1+sinΦcos[θ(ω)]sin+cosΦcos)

[12]其中各角均为邦加球坐标系内的角，Φ为Ω与斯托克斯矢量之间的夹角，描述的是输出偏振器的传输轴，而为s_out(ω)与Ω之间的夹角。对于非模耦合的器件，和Φ与ω无关。θ(ω)为sout(ω)相对Ω进动的方位角。对于非模耦合的器件，θ(ω)近似线性取决于ω，且包含I_N(ω)的所有光频率相关性。相应地，通过对给定光频率范围内的正弦I_N(ω)曲线的极值(即峰和谷)进行计数，可以确定dθ/dω以及平均DGD(Δτ)。或者可以将I_N(ω)谱经傅立叶变换(FA-FT)转至时域，形成与采用相同的光源光谱以干涉仪测量得出的图非常类似的时延直方图。

[13]然而DUT总是会表现出一轴快、一轴慢的本征偏振态，即使是对最常用的强耦合光纤也是如此，尽管在这种情况下欧拉轴会随波长转动。鉴于光在发出时其偏振状态在输入端相对光纤欧拉轴的方向以及输出偏振器在输出端相对光纤欧拉轴的方向均未经任何控制，很显然该测量的再现性就很差。再现性与在所分析的波长区间内欧拉轴的转数直接相关。更准确地讲，测量值的标准差波长区间宽度与DUT的PMD值之积的平方根成反比，这一关系由Gisin等人在“How accuratelycan one measure a statisticalquantity like polarization-mode dispersion？”，IEEE Photonics Technology Letters 8，no.12，p.1671(1996)(“偏振模色散等统计量的测量可达何种精度？”，IEEE光子学技术通讯8，第12期，第1671页(1996))一文中进行了阐述，此关系适用于给定DUT下的一组不同的波长区间。但是，Gisin等人没有考虑不同的发射情况；而本发明的发明人进行的实验表明，他们的公式在给定的DUT和波长区间内适用于一组不同的发射偏振状态。在常用的可覆盖约100nm至150nm光谱范围的光源、平均PMD很大(如10ps)的DUT的条件下，测量值的标准差约为所测得值的3％。鉴于PMD值随温度和应力的固有变化关系，在确定光纤是否可以传输10Gbit流量时，多数情况下3％被视为足够的精度。计入2.5ps的平均时延(这是对应40Gbit流量的极限值)，标准差将增大到2倍。本发明的目的是解决这一精度退化问题，并在2.5ps下实现与现有器件在10ps下精度相同的测量。注：在存在衰减或带放大链路的情况下，可用光谱范围将减小(对于C波段带放大链路，降至约35nm)，并由此使精度降低。

[14]以往文献和标准中给出的一种可用的解决方案是，采用不同的输入/输出连续重复测量，并对结果取平均值。但偏振控制器/扰频器是非常昂贵的设备，且重复过程会增加测量的时间。因此，用一种无源器件以另一种方式进行扰频，同时实现单次测量中的适当的再现性，将是更为理想的方式。

[15]双折射或针对特定波长的“人工制品”的应用是在1997年8月5日授予Barlow等人的5,654,793号美国专利中提出的，其目的是使PMD偏离“伪(接近零)PMD响应”，并可进行0.1ps以下的测量。然而，Barlow等人的方法不能提高测量的再现性，因为对于如此小的DGD而言，散度在很大程度上取决于受试光纤(FUT)与高双折射性(HIBI)光纤之间的偏振模耦合。在光路上仅加入一个双折射元件，两个欧拉轴被特许，而测量仍然对偏振高度敏感，特别是对PMD小于0.1ps的情况，在此情况下即使是强耦合的光纤也会呈现弱耦合的特征，这一点由Oberson等人在“Interferometric PMDmeasurements with femtosecond sensitivity”，J.Lightwave Techno.15，N°10，1997(“飞秒级精度的于涉仪PMD测量”，光波技术期刊15，第10期，1997)一文中进行了阐释，他们提出在主动控制偏振发射状况的条件下监测偏置频率，并成功测得了非常低的PMD值。但Oberson等人的方法需要对发射条件进行主动控制，同时如上文所述，采用无源器件的方法更为理想。

[16]本发明的一个目的是提高在整个测量范围内测量值的精度和再现性。此外，采用快速“交流”信号将有助于所研究信号与放大器的ASE(放大的自发辐射)及缓慢变化的隔离。

发明内容

[17]因此，本发明涉及一种用于测量光学受试器件(DUT)偏振模色散(PMD)的装置，它包括：

[18]偏振光源，用于经DUT发出具有偏振状态的光测试信号；

[19]偏振光源与光学器件之间的光消偏振装置，包括：第一双折射元件，该第一双折射元件具有与光测试信号的偏振状态成锐角的欧拉轴；以及第二双折射元件，该第二双折射元件具有与第一双折射元件的欧拉轴及光测试信号偏振状态均成锐角的欧拉轴；其中光测试信号包含与第一和第二双折射元件所引发时延相关的多个载波分量；以及

[20]分析装置，用于通过对多个载波分量取PMD均值的方式计算DUT的平均PMD。

附图说明

[21]下文将参照附图对本发明进行更为详细的介绍，附图所示为优选实施方式，其中：

[22]图1为根据本发明测量偏振模色散的装置的示意图；

[23]图2为图1中装置的一种实施方式的示意图；

[24]图3为图1中装置的另一种实施方式的示意图；以及

[25]图4为图1中装置所生成的四个载波分量的图示说明。

具体实施方式

[26]参见图1，依据本发明的偏振模色散(PMD)测量装置10包括用于经受试器件(DUT)13发出偏振测试光束的宽带偏振光源12、光消偏器14以及PMD分析设备1 6。光源12可以包含独立的偏振光源或具有光偏振器的发光器件，光偏振器用以对发光器件的输出施加偏振。典型情况下，光源以所需的偏振状态、大于100nm的光谱范围(如约100nm至150nm)发出光测试信号。

[27]消偏器14包括第一双折射元件18和第二双折射元件20。第一双折射元件18具有与光测试信号偏振状态成锐角(在-π/2和π/2之间)的欧拉轴。第二双折射元件20具有与第一双折射元件18的欧拉轴及光测试信号偏振状态均成锐角(在-π/2和π/2之间)的欧拉轴。

[28]消偏器14的基本功能是将偏振光源12发出的光转变为随机偏振的输出。实际上光是按波长的平均消偏振的，因为不存在消偏振光的情况，即在任何给定波长下，光总是具有一种偏振状态。消偏器14的功能是对偏振进行扰频，以使按波长的平均条件下不存在特定的偏振状态。光必须有一系列波长，每一波长在双折射元件18和20上的反应均不同，从而产生均化效应。消偏振是通过不同波长的圆偏振、椭圆偏振和线偏振的光叠加而成。

[29]本发明特别适合配用从固定分析仪-傅立叶变换(FA-FT)装置或干涉仪装置中所选的任合一种PMD分析设备16。这两种装置如IEC标准61280和61282中所述，在此通过参考将其合并入本申请中。对于这两种测量方法，载波时延与光经消偏器14传播所经历的时延直接相关。对于干涉测量技术，当两臂之间的路径不平衡与双折射元件18和20所生成的差分时延相匹配时，载波被检测器监测到。对于波长扫描技术，透过立奥(LYOT)消偏器和DUT(光纤)的光强度将作为波长及对光谱进行的傅立叶变换的函数被测量。载波是在进行傅立叶变换时产生的分量的时延。

[30]消偏器14生成四个已知的、稳定的载波分量，从而确保PMD测量在四个不同的时间将有四种已知的干涉峰值，它们对应于每个双折射元件18和20内的时延以及时延的和与差。DUT 13的PMD成分存在于每个载波周围，且可以确定出平均值。对于包含两个双折射元件18和20(长度分别为L₁和L₂)的消偏器14，存在可以经沿四条不同路径(即元件18或20中的O光线或E光线)的各元件传播的不同偏振状态的光。因此，存在四种可能的光程差(n_o-n_e)L₁、(n_o-n_e)L₂、(n_o-n_e)(L₁+L₂)和(n_o-n_e)(L₁-L₂)，它们将导致四个不同的载波时延(条件是正确选择长度)，从而提供四个可进行平均的PDM测量值。

[31]消偏器14可以是一对双折射波片、一对双折射光纤或一对其他双折射器件。四个不同的时间是快、慢偏振模之间的时间差，简言之即为器件的PMD。理想情况下，消偏器为立奥型消偏器，其第一双折射元件18有一个与光测试信号的线性偏振状态成+/-π/6角的欧拉轴，而第二双折射元件20取向则与第一元件18的欧拉轴成+/-π/4角，从而确保全部四个载波分量在光谱中一直可见。通过有至少两个双折射段组成的立奥型消偏器，在整个波长区间内邦加球被快速覆盖。此外，还有其他形式的消偏器属于本发明的范畴，包括具有超过两个双折射元件的消偏器。消偏器14可以包含附加的双折射元件，其欧拉轴与其他双折射元件18和20的欧拉轴以及光测试信号偏振状态成一锐角(在-π/2和π/2之间)，以便在必要时提供额外的载波分量。

[32]时延测量值的范围被直接限于两载波之间时间差的一半，高于该限度时将发生信息重叠。在某一特定点之下，可将软件调整为忽略此重叠区或最后对结果进行补偿。载波时延的选择也可以调整为对1至3个载波提供更大的测量范围，而仅使用其他载波进行低PMD值测量。理想情况下，对于低PMD值测量，两个或更多载波相距5ps至30ps；而为了提供更大的测量范围，两个或更多载波相距30ps至100ps。典型情况下，如果一载波与第一个相邻的载波相差60ps，则它可被用来测量最大30ps的时延，由此在强耦合模式下平均时延最大可达10ps。因此，优选至少有一个载波分量与任何相邻载波分量相差50ps或更大(优选60ps或更大)，而至少有一个载波分量与任何相邻载波分量相距40ps以内(优选在30ps以内)。例如，若第一和第二双折射元件分别具有30ps和120ps的时延，四个载波分量时延应分别为30ps、90ps(120-30)、120ps和150ps(120+30)。因此，该装置用第一载波将可以测量最大10ps的时延，用其他三个载波则可测量最大5ps的时延。

[33]在实践中第一双折射元件18和第二双折射元件20采用偏振保持光纤要优于散装光纤，因为它们可以以非常低的损耗引入每米超过1ps的差分时延。可以采用其他允许使用散装光纤的时延形成方式替代双折射元件，如偏振光分束器、两个不同光程和偏振合束器。

[34]对于图2所示的FA-FT型装置，宽带光源12将通过消偏器14向DUT13发射偏振的光测试信号。偏振器22会分析光偏振状态，而光谱分析仪(OSA)或单色仪24可对偏振传播与光波长的关系进行测量。计算机26对OSA24的结果进行傅立叶分析，控制光源12和OSA24的功能，并根据所提供的两个、三个或四个测量值的平均值计算PMD。

[35]对于图3所示INTFER式装置，宽带光源12通过消偏器14向DUT13发射偏振光测试信号，而DUT13的输出则被送至干涉仪28。干涉仪28，如马赫-曾德耳(MachZehndern)或迈克尔逊(Michelso)干涉仪，将测试信号分为两个子光束，分别沿独立的路径传播，其中一个的时延线可调，之后再将两个子光束重新组合生成干涉图样。干涉仪28的输出通过分析仪30，在对干涉仪28两臂路径差的扫描中，由检测器32测量所传输信号的强度。此干涉图类似于采用上述FA-FT装置所获得的图。干涉特征与时延线设置之间的关系由计算机34采集并存储，之后计算机将根据所提供的2个、3个或4个测量值的平均值计算PMD。

[36]信号数值分析的第一步是确定对应于两个双折射段18和20的时延以及这两个时延的和与差的四个载波。在图4所示例子中，第一元件18为时延8ps、与光测试信号偏振状态成π/6角的高双折射性(HiBi)光纤，而第二元件20为时延为29ps、与第一元件18的欧拉轴成π/4角的HiBi光纤，可提供37ps的和时延和21ps的差时延。之后将对每个载波的宽度进行分析，对四个结果进行平均，得出DUT13的PMD值，在图示例子中即为一条长100km的单模光纤从一个1550nm SLED(超辐射发光二极管)传输光测试信号。简单平均可以良好地改善0.1ps以上PMD值的再现性。对于低于0.1ps的值，虽然DUT(或FUT)13可能仍被视为强耦合器件，它也会在足够小的波长区间上呈现弱耦合特征。FUT13的欧拉轴接近恒定，且从消偏器14到FUT13和从FUT13到分析仪的偏振耦合条件可能对某些载波形成异常高或低的PMD值。已经发现这种情况同时伴随着非常弱的载波功率，而其他载波则可提供预期的值并具有高得多的功率。其结果是，这种情况可以通过在四个载波宽度取平均时分配与每个载波功率成正比的权重加以消除。或者可以将四个载波信号合并为一个，然后计算合成峰的均方根(RMS)宽度，这种四个峰的简单平均将自动对每个载波的贡献率分配权重，对四个载波的宽度进行加权平均可以大幅减小0.1ps以下PMD值的测量色散。

Claims

1.一种用于测量光学受试器件DUT的偏振模色散PMD的装置，所述测量装置包括：

偏振光源，其用于经所述DUT发出具有偏振状态的光测试信号；

光消偏振装置，其在所述偏振光源与所述光学器件之间，所述光消偏振装置包括：

第一双折射元件，其具有与所述光测试信号的所述偏振状态成锐角的欧拉轴；

以及

第二双折射元件，其具有与所述第一双折射元件的所述欧拉轴及所述光测试信号的所述偏振状态均成锐角的欧拉轴；

因此，所述光测试信号包含与所述第一和第二双折射元件所引发时延相关的多个载波分量；以及

分析装置，其用于通过对所述多个载波分量取PMD平均值的方式计算所述DUT的平均PMD。

2.如权利要求1所述的测量装置，其中所述平均值为基于每个载波功率的加权平均值。

3.如权利要求1所述的测量装置，其中所述平均值通过将所述多个载波合成为一个合成峰、再计算所述合成峰均方根宽度的方式得出。

4.如权利要求1所述的测量装置，其中所述分析装置包括固定轴-傅立叶变换装置，所述固定轴-傅立叶变换装置包括：

偏振器，其用于分析经所述DUT发出的所述光测试信号；

光谱分析仪，其用于生成经所述偏振器发出的所述光测试信号的偏振传播与光波长之间关系的光谱；以及

计算机，其用于对所述光谱进行傅立叶变换，并由所述多个载波分量计算所述平均PMD。

5.如权利要求1所述的测量装置，其中所述分析装置包括干涉测量装置，所述干涉测量装置包括：

干涉仪，其用于对构成所传输信号的所述光测试信号的部分进行干涉；

检测器，其用于测量所述所传输信号的强度；以及

计算机，其用于由所述多个载波分量计算所述平均PMD。

6.如权利要求1所述的测量装置，其中所述多个载波分量包括：

基于经所述第一双折射元件的寻常光程和非常光程之差的第一载波分量；

基于经所述第二双折射元件的寻常光程和非常光程之差的第二载波分量；

基于经所述第一双折射元件和所述第二双折射元件的组合的寻常光程和非常光程之差的第三载波分量；以及

基于经所述第一双折射元件和所述第二双折射元件之间的差分的寻常光程和非常光程之差的第四载波分量。

7.如权利要求6所述的测量装置，其中所述第一、第二、第三和第四载波分量与相邻载波分量相距5-30ps以内。

8.如权利要求6所述的测量装置，其中在测量最大至10ps的PMD时至少有一个载波分量与相邻载波分量相距50ps或大于50ps，在测量最大至5ps的PMD时至少有一个载波分量与任何相邻载波分量之间相距5-30ps。

9.如权利要求1或6所述的测量装置，其中所述第一双折射元件的所述欧拉轴与所述光测试信号的所述偏振状态成±π/6角；且其中所述第二双折射元件的所述欧拉轴与所述第一双折射元件的所述欧拉轴成±π/4角。

10.如权利要求1或6所述的测量装置，还包括第三双折射元件，所述第三双折射元件具有与所述第一和第二双折射元件的所述欧拉轴及所述光测试信号的所述偏振状态均成锐角的欧拉轴，以提供附加载波分量；其中在测量低范围测量值时所述多个载波分量相互间距为5-30ps；且其中在测量高范围测量值时所述多个载波分量相互间距为30-100ps。