CN112146849A

CN112146849A - 光器件偏振相关衰减的测量方法

Info

Publication number: CN112146849A
Application number: CN202010788692.6A
Authority: CN
Inventors: 洪亮; 张笃峰
Original assignee: SHANGHAI CHINA SCIENCE FIBEROPTIC COMPONENTS CO Ltd; Shanghai China Sciences Co ltd; Shanghai Zhongke Chuangxin Communication Equipment Co ltd
Current assignee: SHANGHAI CHINA SCIENCE FIBEROPTIC COMPONENTS CO Ltd; Shanghai China Sciences Co ltd; Shanghai Zhongke Chuangxin Communication Equipment Co ltd
Priority date: 2020-08-07
Filing date: 2020-08-07
Publication date: 2020-12-29
Anticipated expiration: 2040-08-07
Also published as: CN112146849B

Abstract

本发明公开了一种光器件偏振相关衰减的测量方法，本方法将检偏器设置于偏振控制器输出端与光功率计之间，依次转动偏振控制器的三个波片，直到光功率计接收到最大功率，此时确定偏振控制器输出t1态，偏振控制器方向序列是A(α,β,γ)；移除检偏器，将待测光器件设置于偏振控制器输出端与光功率计之间，记录t1态对应的光功率I1；通过转动波片，依次将偏振控制器方向序列转换为B、C、D，并记录对应的光功率，四个光功率值中的最大值与最小值之差，即待测光器件的偏振相关衰减值。本方法克服传统四态法偏振相关衰减测量的缺陷，使输入的四个偏振态在邦加球面上角分离最大化，从而提高偏振相关衰减测量的精度，准确表征无源光器件的特性。

Description

光器件偏振相关衰减的测量方法

技术领域

本发明涉及光器件制造技术领域，尤其涉及一种光器件偏振相关衰减的测量方法。

背景技术

偏振相关衰减(PDL)是光器件在所有偏振状态下的最大传输差值，即光器件在所有偏振状态下最大传输和最小传输的比率，是描述无源光器件特性的一项标准指标。光器件的PDL测量必须通过该器件的最大和最小光功率，其中一个关键的困难是最大、最小功率对应的偏振方向是未知的。

一种测量方法是全态法，它为待测器件输入光提供所有可能偏振态，并在该器件输出端测量光功率，查找最值。该方法需要花很长时间进行人工操纵偏振控制器，或采用光波偏振控制器(比如Agilent11896A)进行高速扰偏，因此测量成本很高，测量效率低，而且在接近最值时可能会有误差，所以实际测量时并不能精确地找到最值。另外，全态法容易出现重复性问题，导致每次测量结果都有些随机性。

另一种测量方法是四态法，它只为待测器件输入光提供四个偏振态。四态法由两部分组成，首先，使用待测器件的Mueller矩阵建立输入输出光的映射关系：

其中,T₀～T₃是输出光Stokes四参量，T₀是总强度，T₁～T₃是偏振化强度；同样地，S₀～S₃是输入光Stokes四参量，S₀是总强度，S₁～S₃是偏振化强度；m₁₁～ m₁₄是待测器件Mueller矩阵首行四项。

计算PDL只需要关注输出光总强度T₀，即只需要关注Mueller矩阵中的首行四项。使用拉格朗日乘子法，可以建立输出光最大最小值和这些矩阵项之间的关系：

其次，为了估计矩阵项的值，必须要进行测量。四态法的传统做法是输入图1所示的四个偏振态，这四个偏振态在邦加球上对应水平线偏振(0,0)、竖直线偏振(π,0)、45°线偏振(π/2,0)以及右圆偏振(θ,π/2)。

为了获得对矩阵项的最佳估计，输入的偏振态应该表现出最大化的差异，这意味着它们在邦加球面上分离得越远越好。而四态法的传统做法并不满足输入的偏振态最大化差异的要求，因此测量精度较低，无法准确表征无源光器件的特性。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种光器件偏振相关衰减的测量方法，本方法克服传统四态法偏振相关衰减测量的缺陷，使输入的四个偏振态在邦加球面上角分离最大化，从而提高偏振相关衰减测量的精度，准确表征无源光器件的特性。

为解决上述技术问题，本发明光器件偏振相关衰减的测量方法包括如下步骤：

步骤一、偏振控制器的输入光偏振态是随机且任意的，偏振控制器由三个光纤环构成，并分别等效成第一λ/4波片、λ/2波片、第二λ/4波片，这三个波片沿同一个转轴独立旋转，可以输出任意期望的偏振态；

步骤二、将检偏器设置于偏振控制器输出端与光功率计之间，依次转动偏振控制器的三个波片，直到光功率计接收到最大功率，此时确定偏振控制器输出t1态，三个波片的转角分别为α、β、γ，偏振控制器方向序列是 A(α,β,γ)；

步骤三、移除检偏器，将待测光器件设置于偏振控制器输出端与光功率计之间，记录t1态对应的光功率I1；

步骤四、偏振控制器方向序列转换成B，即转动λ/2波片转角β至β+π/6，转动第二λ/4波片转角γ至γ+π/3，记录t2态对应的光功率I2；

步骤五、偏振控制器方向序列转换成C，即转动λ/2波片转角β至β+7π/24，转动第二λ/4波片转角γ至γ+3π/4，记录t3态对应的光功率I3；

步骤六、偏振控制器方向序列转换成D，即转动λ/2波片转角β至β+π/3，转动第二λ/4波片转角γ至γ+π/2，记录t4态对应的光功率I4；

步骤七、四个光功率值I1～I4中的最大值与最小值之差，即待测光器件的偏振相关衰减值。

进一步，所述λ/2波片和第二λ/4波片的旋转范围为0～π，若转动过程超出旋转范围，则反向转动π/2。

进一步，所述检偏器是0°线偏振器。

进一步，所述偏振控制器是机械式偏振控制器或可编程偏振控制器。

由于本发明光器件偏振相关衰减的测量方法采用了上述技术方案，即本方法将检偏器设置于偏振控制器输出端与光功率计之间，依次转动偏振控制器的三个波片，直到光功率计接收到最大功率，此时确定偏振控制器输出t1态，偏振控制器方向序列是A(α,β,γ)；移除检偏器，将待测光器件设置于偏振控制器输出端与光功率计之间，记录t1态对应的光功率I1；通过转动波片，依次将偏振控制器方向序列转换为B、C、D，并记录对应的光功率，四个光功率值中的最大值与最小值之差，即待测光器件的偏振相关衰减值。本方法克服传统四态法偏振相关衰减测量的缺陷，使输入的四个偏振态在邦加球面上角分离最大化，从而提高偏振相关衰减测量的精度，准确表征无源光器件的特性。

附图说明

下面结合附图和实施方式对本发明作进一步的详细说明：

图1为传统四态法测量的邦加球上四个偏振态布置示意图；

图2为本方法测量的邦加球120°偏振态布置示意图；

图3为本方法中偏振控制器输入输出偏振态的关系示意图；

图4为偏振控制器对偏振态转换的邦加球表述示意图；

图5为偏振控制器输入态输出态转换示意图。

具体实施方式

本发明光器件偏振相关衰减的测量方法包括如下步骤：

步骤五、偏振控制器方向序列转换成C，即转动λ/2波片转角β至β+7π/24，转动第二λ/4波片转角γ至γ+3π/4，记录t3态对应的光功率 I3；

优选的，所述λ/2波片和第二λ/4波片的旋转范围为0～π，若转动过程超出旋转范围，则反向转动π/2。

优选的，所述检偏器是0°线偏振器。

优选的，所述偏振控制器是机械式偏振控制器或可编程偏振控制器。

本方法的原理为偏振控制器的方向序列由一组确定的波片快轴方向描述；当偏振控制器存在一种方向序列A，这种方向序列将未知的输入态s转换成一个期望态t1，则存在一个基于A的转换序列A→B→C→D→……，使得偏振控制器依次产生其它的期望态t2,t3,t4,……。

方向序列A可通过检偏器测量期望态t1来确定，偏振控制器产生的期望态t1,t2,t3,t4，在邦加球上最大化角分离，从而准确测量光器件的PDL值。

如图2所示，本方法通过检偏器和偏振控制器获得四个偏振态，四个偏振态在邦加球面上角分离最大化，这四个偏振态对应于一个正四面体的顶点。这四个顶点可以取(0,0),(2π/3,0),(3π/2,π/3),(π,-π/3)，相邻偏振态角分离120°，这是三维空间中四个点的最大角分离。当然，正四面体可以绕原点任意旋转，对应的四个顶点坐标随之改变，但各顶点之间的相对距离不会改变，依然满足相邻偏振态角分离120°的条件，满足这个条件的四个偏振态可以为 Mueller矩阵首行四项作出最好的估计。

在邦加球上讨论偏振控制器三个波片对偏振态的转换是极为方便的，球面上任意一点对应于一个偏振态。邦加球面上点的坐标由经度和纬度(θ,ψ)描述，其中，θ是经度坐标，与s1正半轴相交的子午线对应θ零点，经度坐标θ取值范围0～2π；ψ是纬度坐标，赤道对应ψ零点，北极和南极分别对应ψ＝π/2和ψ＝-π/2，纬度坐标取值范围-π/2～π/2。

在物理空间中，偏振控制器三个波片的旋转轴是固定的，转角取值范围 0～π。波片旋转方向始终垂直于光传播方向，在邦加球上，这三个波片的快轴被限制在赤道面内，转角取值范围0～2π，波片快轴在邦加球上的转角是其物理空间的两倍。

因为波片的快轴“躺”在邦加球赤道面内，所以λ/4波片和λ/2波片有特殊的性质，λ/4波片可以转换线偏振

椭圆偏振，λ/2波片可以转换线偏振

线偏振，或椭圆偏振

椭圆偏振。

如图3所示，偏振控制器输入光是椭圆偏振态a，经过第一λ/4波片1转换成线偏振b，经过λ/2波片2转换成线偏振c，经过第二λ/4波片3转换成椭圆偏振态d。

如图4所示，偏振控制器的输入态和输出态分别对应邦加球面上任意两点 a和d。以下简单说明，对于任意已知输入态和任意期望输出态，偏振控制器总可以实现“输入→输出”转换。

输入态a坐标为(θa,ψa)，第一λ/4波片1将椭圆偏振a转换成线偏振b，线偏振b的经度为θa+ψa，第一λ/4波片1快轴方向为：

r1＝θa (1)

输出态d坐标为(θd,ψd)，它是由第二λ/4波片3对线偏振c转换而成，线偏振c的经度为θd-ψd，第二λ/4波,3快轴方向为：

r3＝θd (2)

λ/2波片2将线偏振b转换成线偏振c，λ/2波片2快轴方向为：

r2＝(θa+ψa+θd-ψd)/2 (3)。

因为已知的输入态和期望的输出态都是确定的，所以偏振控制器总可以实现“输入→输出”转换，此时偏振控制器的方向序列由一组确定的波片快轴方向(r1,r2,r3)描述。

当偏振控制器存在一种方向序列A(r1,r2,r3)，这种方向序列将未知的输入态s转换成一个期望态t1，则存在一个基于A(r1,r2,r3)的转换序列 A→B→C→D→……，使得偏振控制器依次产生其它期望态t2,t3,t4,……。也就是说，这种序列转换可以将“一个未知输入”映射成“多个期望输出”。

如前所述，四个角分离120°的偏振态t1(0,0)，t2(2π/3,0)， t3(3π/2,π/3)，t4(π,-π/3)，可以对光器件的PDL值作出最好的估计和测量。如果偏振控制器在序列A(r1,r2,r3)下，将未知的输入态s(θs,ψs)转换成一个输出态t1(0,0)，那么偏振控制器序列A的各方向参数由式1、式2 和式3确定：r1＝θs、r2＝(θs+ψs)/2、r3＝0。

进一步地，对偏振控制器作A→B→C→D序列转换，可以将输入态依次转换成四个输出态：t1(0,0)，t2(2π/3,0)，t3(3π/2,π/3)，t4(π,-π/3)，如图5所示：

图5是“输入→输出”映射关系，其中第一列是未知输入态s(θs,ψs)，第二列是偏振控制器的不同方向序列，第三列是一系列输出态，这些输出态是偏振控制器不同序列映射的结果。表中仅列举了四行“输入→输出”映射关系，但显而易见地，类似映射关系可以无限扩展。

显然，由于对称性，对偏振控制器波片快轴方向作±π变换，不会违反表 1中的映射关系。

前面提到，波片快轴在物理空间中的转动角度是邦加球上的一半。设偏振控制器在物理空间中的方向序列用(α,β,γ)表示，则α＝(r1)/2,β＝(r2)/2,γ＝(r3)/2。表1中的序列转换，在物理空间中表述为： A(α,β,γ)→B(α,β+π/6,γ+π/3)→C(α,β+7π/24,γ+3π/4)→ D(α,β+π/3,γ+π/2)。同样由于对称性，对α,β,γ作±π/2变换，不会违反转换关系。

物理空间中，波片旋转角度α,β,γ的正向与输入光方向满足左手螺旋关系，左手拇指指向输入光方向，其它四指指向α,β,γ正向。

在测量光器件的PDL值时，偏振控制器可以是依靠人工转动的机械式偏振控制器，也可以是依靠电路驱动的可编程偏振控制器。偏振控制器的输入端跟光源相连接，即使光源输出光是线偏振，经过一段光纤后也不再是线偏振，而是任意偏振。所以偏振控制器的输入光偏振态是任意未知的。

本方法通过偏振控制器产生期望的偏振态，从而准确测量光器件的PDL值，准确表征光器件的特性。

Claims

1.一种光器件偏振相关衰减的测量方法，其特征在于本方法包括如下步骤：

步骤二、将检偏器设置于偏振控制器输出端与光功率计之间，依次转动偏振控制器的三个波片，直到光功率计接收到最大功率，此时确定偏振控制器输出t1态，三个波片的转角分别为α、β、γ，偏振控制器方向序列是A(α,β,γ)；

2.根据权利要求1所述的光器件偏振相关衰减的测量方法，其特征在于：所述λ/2波片和第二λ/4波片的旋转范围为0～π，若转动过程超出旋转范围，则反向转动π/2。

3.根据权利要求1所述的光器件偏振相关衰减的测量方法，其特征在于：所述检偏器是0˚线偏振器。

4.根据权利要求1所述的光器件偏振相关衰减的测量方法，其特征在于：所述偏振控制器是机械式偏振控制器或可编程偏振控制器。