CN1735798A - 用于测量偏振模色散的方法和设备 - Google Patents

Abstract

一种用于测量例如波导管的器件的偏振模色散(PMD)的设备，包括：宽带光源装置，用于使偏振宽带光穿过器件(14)；干涉仪(20)，用于分离和复合穿过所述器件的光以形成干涉图；偏振分离器(30)，用于接收来自所述干涉仪的所述光，并将该接收的光沿第一和第二正交偏振态分离；检测器(32_X，32_Y)，用于将所述第一和第二正交偏振态分别转换为相应的第一和第二电信号(P_X(τ)，P_Y(τ))；以及处理器(36)，用于分别计算所述第一和第二电信号的差与和的模量，以产生互相关包络(E_C(τ))和自相关包络(E_A(τ))，并根据表达式（见上图）确定偏振模色散，其中τ是干涉仪的两光路间的延迟差。

Description

用于测量偏振模色散的方法和设备

技术领域

本发明涉及用于测量光学器件的偏振模色散(PMD)的方法和设备，所述光学器件尤其是用于光通信系统中的波导管。

背景技术

已知可以这样测量PMD，将宽带线性偏振光射入波导管，使离开波导管的光穿过线性偏振器，并将其传送到扫描干涉仪，复合从干涉仪的两臂射出的光而产生干涉图，将所述复合光的强度I转换为相应的电信号，并处理该电信号以从曲线I(τ)中得到PMD，所述曲线I(τ)是光强I相对于干涉仪的两臂间的光路延迟差τ(下文中称为延迟τ)的曲线。

如美国专利5712704(Martin等)中所述，曲线I(τ)显示出较高的中心峰值，而在其两侧表现为较小的波动。(在中心位置的类似的波动被中心峰值掩盖)。中心峰值表示(在线性偏振器的前面的)波导管的输出端的光谱，而波动表示PMD。根据Martin等人的说法，上述波峰“阻碍了对检测信号的处理，从而妨碍了对PMD的精确测量”。

Martin等讨论了一种目前已公开的技术，其中通过如下去除中心峰值：通过45°的第一偏振器将光传送到干涉仪，该干涉仪的一臂具有0°偏振器而另一臂具有90°偏振器，然后使复合的光穿过0°的检偏器(检偏偏振器)。由于具有公认的复杂结构，并且检偏器的应用并不满意，Martin等人研究了更简单的去除中心峰值的方法。尤其是，Martin等提供了至少一个双折射元件，其在干涉仪的至少一臂中具有两个独立的偏振模，其中两臂中的单元相移(elementary phase shift)的代数和等于相对相移，而两个相对相移的代数差的值是π。根据Martin等的描述，这允许光强I对延迟τ的曲线不再具有“寄生的”中心峰值。

但是，上述两种方法都不完全令人满意，因为，它们是基于：由于“寄生”中心峰值妨碍对PMD的测量，而去除所述中心峰值，从而通过简单地去除中心峰值可以显著改善测量精度。这只是部分正确的，实际上，去除中心峰值意味着丢弃了有用信息，其结果为，非常小的、趋近于0的PMD不能被精确测量。在实施中，对测量精度的改善是微小的。

发明内容

本发明试图至少减少现有的PMD测量技术的不足，或者至少给出可供选择的方法。

本发明的一方面为一种用于测量例如波导管的器件的偏振模色散(PMD)的设备，其包括：

(i)宽带光源装置，用于将偏振宽带光施加到所述器件的一端；

(ii)干涉仪，其包括，输入端和输出端、用于将来自所述器件的所述光分成第一和第二分量的装置、用于将所述第一和第二分量分别传送到所述输出端以复合的第一和第二光路、以及用于改变所述第一和第二光路中的一个相对于另一个的长度以在复合时引起所述分量之间的干涉的装置；

(iii)偏振分离器，用于接收来自所述输出端的所述复合光，并沿两个正交的偏振态分离所述复合光以获得相应的第一和第二干涉图；

(iv)第一和第二检测装置，用于将所述第一和第二干涉图分别转换为相应的第一和第二干涉图电信号(P_X(τ)，P_Y(τ))；以及

(v)处理器装置，用于处理所述第一和第二干涉图电信号，以产生互相关包络(E_C(τ))和自相关包络(E_A(τ))，并从所述互相关和所述自相关中确定所述器件的偏振模色散(PMD)。

本发明的第二个方面为一种测量例如波导管的器件的偏振模色散(PMD)的方法，所述方法包括如下步骤：

(i)使线性偏振宽带光穿过所述器件；

(ii)利用扫描干涉仪将离开所述器件的光分离为第一和第二分量，所述干涉仪具有用于改变其两个光路中的第一光路相对于第二光路的延迟的装置，通过第一和第二光路分别传送所述第一和第二分量，并在所述两个分量分别穿过第一和第二光路后将其复合，以及，改变所述光路之一相对于另一个的长度，以在复合时引起所述分量之间的干涉；

(iii)沿两个正交的偏振态分离所述复合光，以获得相应的第一和第二干涉图；

(iv)将所述第一和第二干涉图分别转换为相应的第一和第二干涉图电信号(P_X(τ)，P_Y(τ))，以及

(v)处理所述第一和第二干涉图电信号，以产生互相关包络(E_C(τ))和自相关包络(E_A(τ))，并从所述互相关和所述自相关包络中确定波导管的偏振模色散(PMD)。

在本发明任一方面的实施例中，根据如下的表达式，可以将互相关包络(E_C(τ))计算为第一和第二干涉图电信号之差的模量，以及，将自相关包络(E_A(τ))计算为第一和第二干涉图电信号之和的模量：

E_(τ)＝|P_i(τ)-P_p(τ)|以及

优选，根据下述表达式从所述互相关(E_C(τ))和自相关(E_A(τ))计算出偏振模色散(PMD)：

$\mathrm{PMD}=\sqrt{\frac{3}{2}({\mathrm{\σ}}^2-{\mathrm{\σ}}_0^2)}$

其中， ${\mathrm{\σ}}^2=\frac{\∫{\mathrm{\τ}}^2{E}_C^2\left(\mathrm{\τ}\right)\mathrm{d\τ}}{\∫E_C^2\left(\mathrm{\τ}\right)\mathrm{d\τ}}$ 以及 ${\mathrm{\σ}}_0^2=\frac{{\∫\mathrm{\τ}}^2{E}_A^2\left(\mathrm{\τ}\right)\mathrm{d\τ}}{\∫E_A^2\left(\mathrm{\τ}\right)\mathrm{d\τ}}$

并且τ是干涉仪的第一和第二光路之间的延迟。

附图说明

现在通过仅仅示例的方式、参照如下附图描述本发明的实施例，其中：

图1(a)示出了现有技术的用于测量受测波导管的偏振模色散(PMD)的常规设备；

图1(b)示出了离开设备中的检偏器的光随光频率υ变化的能谱；

图1(c)示出了在设备中的干涉仪的输出端的随延迟T变化的条纹包络；

图1(d)借助能谱示出了条纹包络的自相关和互相关部分的物理来源；以及

图2示出了本发明的实施例。

具体实施方式

图1所示的已知设备包括宽带偏振光源装置，所述光源装置包括宽带光源10，例如发光二极管、掺铒光纤源等，该设备还包括偏振器12(常规线性偏振器)，其用于使来自光源10的光偏振，并将具有偏振态 的偏振光施加到受测装置(DUT)14(例如光纤或其它类型的波导管)的输入端。通过简单地作为另一个线性偏振器的检偏器16，将离开DUT14的、其光频率依赖于偏振态

和功率P₀(υ)的光施加到干涉仪20的输入端18，所述干涉仪被示出为Michelson干涉仪。

干涉仪20包括分光器或分离器22，例如倾斜45°的半反射片或50-50光纤耦合器，用于将从检偏器16接收的光分别分离为两部分干涉光束24A和24B，以及，用于在分别由反射镜26A和26B反射所述干涉光束后，再将所述干涉光束重新复合，以形成复合光束，该复合光束经输出端28离开干涉仪20。

反射镜26A是固定的，而反射镜26B是可移动的，以便相对于干涉光束24A通过的光路长度而改变干涉光束24B通过的光路长度。在操作中，将扫描反射镜26B来回移动以改变光路长度，从而改变两臂间的光路延迟差τ，使得干涉光束24A和24B当在干涉仪20的输出端复合时而相干涉。图1(c)示出了在干涉仪20的输出端产生的干涉图(更确切地说是干涉条纹包络，或者是随延迟τ变化的可视条纹)。

如图1(b)所示，当DUT 14的输出端具有检偏器16，则进入干涉仪20的光的光谱整体上呈钟形，但具有很大的波动。实际上，如图1(c)所示的由干涉仪20产生的干涉条纹包络是对所述光谱进行傅立叶变换的模量。图1(d)示出了从下面的光谱表达式得出干涉图的过程：

$P\left(\mathrm{\ν}\right)=\frac{1}{2}P\left(\mathrm{\ν}\right)[1+\hat{s}\left(\mathrm{\ν}\right)\·\hat{e}]---\left(1\right)$

其中

是检偏器16的最大透射轴。

从图l(c)和1(d)、以及公式(1)的方括号中的项可以看出，可以将离开检偏器16的光的光谱表示为两部分的和，一部分独立于偏振态

，由该部分产生所谓的中心峰值。中心峰值是自相关的，即，在检偏器16的输入端的光谱P₀(υ)(见图1(d))的傅立叶变换模量，其不依赖于偏振态

的波动，因此也不依赖于PMD。注意，将在中心(延迟为0)的自相关峰值的最大值设为1；该图被放大以更清楚地示出互相关的部分。

在表达式(1)的方括号中的上述项的第二部分依赖于偏振态，并产生图1(d)中所示的干涉图的互相关部分；其在中心部分具有某个给出值，而不是大的中心峰值。应注意，提供图1(d)只是为了便于基本的理解。所述设备直接测量干涉图，而不测量光谱。

在这种常规干涉PMD测量装置中，图1(c)和1(d)的整体包络不是所述两个包络即自相关和互相关的和；它们在中心部分干涉(和的模量，而不是模量的和)。这里PMD较大，如10ps，而互相关包络的宽度远远大于自相关峰值的宽度，因此自相关峰值的存在关系不大。应注意，在中心处(延迟为0)的自相关峰值的最大值被设为1；将该图按比例扩大以更清楚地示出互相关部分。

US 5712704提出的方法是，通过省略检偏器并在干涉仪20的一臂中插入波片而去除自相关峰值。但这并不完全令人满意，因为它丢掉了在测量PMD较低值时特别有用的信息。这种所谓的寄生中心峰值并不只是寄生体。通过在中心位置没有互相关和自相关的干涉的情况下单独地提取互相关和自相关而获得的所述峰值，可以被有利地使用。

这样，本发明实施例没有丢掉自相关峰值，而是利用其改善PMD测量的精确性，特别是在PMD非常小的情况中。下面将参照图2描述作为实例的这样的实施例，在图2中，以相同的标号表示与图1(a)中相同的部件。图2所示设备的操作在许多方面与US 5712704所示设备类似，因此，为了方便起见，这里不作详细描述。读者可以参考这里引用的US 5712704以获得更多的信息。

图2所示的设备与图1(a)的不同之处在于，省略检偏器16，而设置偏振分光器(PBS)30，将偏振分光器30的输入端耦合到干涉仪20的输出端28、并将其输出端分别与第一和第二光检测器32_X和32_Y耦合。(可选地)由放大器34_x和34_y放大的光检测器32_X和32_Y的电输出，由处理器36监测。

PBS 30将所述复合光束分成两个具有相互垂直的偏振态的干涉图分量P_X(τ)和P_Y(τ)，并将该两个干涉图分量分别提供给光检测器32_X和32_Y用以转换成相应的电信号，该电信号被放大并提供给处理器36。

处理器34处理所述电信号，以提取出两个偏振态的干涉图，并利用其计算DUT 14的PMD。尤其是，通过计算来自两个光检测器32_X和32_Y的电信号的和与差，处理器36获取自相关包络E_A(τ)和互相关包络E_C(τ)。这样，当P_X(τ)和P_Y(τ)是随在干涉仪20的两臂之间的延迟差τ变化的两个干涉图，则自相关E_A(τ)和互相关E_C(τ)被推导出如下：

E_A(τ)＝|P_X(τ)+P_Y(τ)|以及E_C(τ)＝|P_X(τ)-P_Y(τ)|        (2)

相比于在US 5712704中所述，在后续处理中的主要差别在于，PMD通过如下表达式计算：

$\mathrm{PMD}=\sqrt{\frac{3}{2}({\mathrm{\σ}}^2-{\mathrm{\σ}}_0^2)}---\left(3\right)$

其中σ₀ ²是自关包络的平方的均方根宽度，而σ是互相关包络的平方的均方根宽度。在两中情况中求解σ₀ ²和σ的公式是相同的，表示如下：

${\mathrm{\σ}}^2=\frac{{\∫\mathrm{\τ}}^2{E}_C^2\left(\mathrm{\τ}\right)\mathrm{d\τ}}{\∫E_C^2\left(\mathrm{\τ}\right)\mathrm{d\τ}}$ 以及 ${\mathrm{\σ}}_0^2=\frac{\∫{\mathrm{\τ}}^2{E}_A^2\left(\mathrm{\τ}\right)\mathrm{d\τ}}{\∫E_A^2\left(\mathrm{\τ}\right)\mathrm{d\τ}}$ (4)

从公式(3)中可以看出，从σ²中减去已知的偏移量σ² ₀以获得PMD值；根据公式(4)，σ₀ ²完全不依赖于PMD的值，因为其被从单独的自相关包络推导出。这样，由于自相关包络和互相关包络都被独立地提取，而不存在相互的干涉，因此可以根据公式(4)计算偏移量σ₀ ²并根据公式(3)将σ₀ ²从σ²中减去。

在计算PMD时，通过求出并减去偏移量σ₀ ²，获得如下实用优点：

1.不依赖于光谱形状：该技术变得对光谱P₀(n)的宽度和形状不灵敏，尤其对光谱的波纹(ripple)(例如多路干涉(MPI)效应，通过DUT的滤光等)不灵敏，所述波纹现象在商业化干涉PMD检偏器中已成为确实的实施限制。无论光谱的形状怎样，其实际转换为在观察到的σ²上的偏移量σ₀ ²。

2.对小到PMD＝0的PMD的测量：可以理解，当PMD值较小时，即不远大于σ₀，或者与其为相同的数量级，求出偏差并不只是微小的益处。实际上，本发明实施例在PMD＝0时可以确实返回PMD＝0的结果，而目前可得的检偏器不是这样，其在PMD＝0时返回的PMD值

，即偏移值。当然，当PMD值较大时，这便不重要了。

3.便于穿过EDFA(掺铒光纤放大器)的测量：作为推论，本发明实施例的上述特征使得在实际中可以使用干涉PMD检偏器来测量含有EDFA的光纤连接，这是非常有利的。

当穿过EDFA时，位于连接的输出端的光谱比输入的宽带源的光谱窄得多，并且不具有平滑的形状。因此，自相关宽度(σ₀)比当测量典型的“无源”光纤时大得多(注意，如图1(d)所示，自相关干涉图是对在干涉仪(没有检偏器，如图2所示)的输入端的光谱的傅立叶变换)。并且，显然的是，穿过EDFA的光谱并不能被认为在所有情况下都被精确预知。实际上，测量自相关以及互相关是测量唯一的必须根据公式(3)获得的光谱特征，即相应的自相关σ₀(平方)的均方根宽度。当具有EDFA时，σ₀可以在皮秒的范围内，而不是当只有光纤时在～30fs的范围内。这不能作为“可忽略不计”而忽略。

注意，当存在EDFA时，由于类似的电子放大器、光学放大器具有有限的“噪声系数”，在输出端也存在未偏振的噪音。互相关干涉图不包含对σ的ASE噪音贡献。不过，这构成了限制，因为干涉图(条纹)实际上被附加了一个偏移常量(总功率)，即根据延迟τ的常量。这样，如果ASE太大，就意味着信/噪比可能在实际中显著降低。

可以理解，处理器36可以具有用于存储两个观察到的干涉图P_X(τ)和P_Y(τ)的装置，以便可以随后根据公式(2)计算和与差(也可以利用单独的计算机)。可选的是，可以将处理器36设置为实时计算所述和与差(电子地、模拟地或数字地)。

设想了在本发明范围内的多种其它变形。例如，可以用普通的分光器(即不可以选择偏振)和两个偏振器代替PBS 30，将每个所述偏振器放置在两个光检测器之一的前面，其中一个偏振器的轴线垂直于另一个的轴线。可选地，还是用普通分光器代替PBS 30，可以在一个光检测器前放置一个偏振器，而在另一个光检测器前不放置偏振器，以分别获得干涉图P_X(τ)和P_Y(τ)：在后一情况中，用于从两个原始干涉图推导出自相关和互相关包络的计算与公式(2)不同，但仍然如下使用简单的求和与求差：

     E_C(τ)＝|2P_X(τ)-P_O(τ)|以及E_A(τ)＝|P_O(τ)|        (5)

还可以设想，本发明可以通过利用沿任何两个“有区别”的偏振轴线(有区别是指“不完全相同”)的方向的检测而实施，假设所述轴是精确已知的(即两轴之间的角度是精确已知的)。它们不一定要相垂直(在Pointcaré球上是180°)。

本发明并不仅限于测量波导管中的PMD，所述波导管例如光纤(也包括只用于“开放空间(open space)”或“体(bulk)”光学器件的多模光纤)、或具有集成的波导管的光学部件。基本上，DUT 14可以是这样的任何器件，所述器件的光输出可以被集中为基本准直的光束。其它可选方案包括：

“体”器件在输入端和输出端可以具有光纤引线(pigtail)；

干涉仪可以具有光纤输入端(具有用于形成准直光束的棱镜)；

可以将准直光束射入没有光纤输入端的干涉仪。

尽管上述实施例具有示意性的Michelson干涉仪，尤其是包括具有固定延迟的一臂的简化Michelson干涉仪，但是可以使用其中两臂的延迟可以改变、并只具有一个双面移动反射镜的Michelson干涉仪，所述延迟当在一臂中减小时则在另一臂中增大，反之亦然，这使得利用移动反射镜的给定物理行程所扫描的延迟范围扩大了一倍。

可选地，可以使用Mach-Zender类型的干涉仪，其中没有反射镜，所述两个光路在第二输出端分光器上简单地复合。

无论是Michelson类型还是Mach-Zender类型，所述干涉仪可以是光纤干涉仪：其中“自由空间”(free-space)分光器被替换为光纤耦合器。

总之，从而本发明的实施例可以研究任何具有可变光路延迟差的双光路的干涉仪，所述干涉仪将两个光路的光复合入一个共同的光路，即复合入一个光纤或两个基本上重叠的光束(不一定要准直，假设来自两个光路的两束光具有基本相同的传播方向和波前曲率半径)。

Claims (6)

1.一种用于测量器件的偏振模色散(PMD)的设备，包括：

(i)宽带光源装置(10，12)，用于将偏振宽带光施加到波导管(14)的一端；

(ii)干涉仪(20)，其具有用于从所述波导管(14)接收所述光的输入端(18)、输出端(28)、用于将所述光分成第一和第二分量(24A，24B)的装置(22)、用于将所述第一和第二分量分别传送到所述输出端(28)以复合的第一和第二光路、以及用于改变所述第一和第二光路中的一个相对于另一个的长度以在复合时引起所述分量之间的干涉的装置(26B)；

(iii)偏振分离器(30)，用于接收来自所述输出端的所述复合光，并将所述复合光分离为具有正交的偏振态的第一和第二干涉图；

(iv)检测装置(32_X，32_Y)，用于将所述第一和第二干涉图分别转换为相应的第一和第二干涉图电信号(P_X(τ)，P_Y(τ))；以及

(v)处理器装置(36)，用于处理所述第一和第二干涉图电信号，以产生互相关包络(E_C(τ))和自相关包络(E_A(τ))，并从所述互相关和所述自相关确定所述波导管的所述偏振模色散(PMD)。

2.根据权利要求1所述的设备，其中所述处理器(36)可以运行以推导出，所述互相关(E_C(τ))是所述第一和第二干涉图电信号之差的模量，以及所述自相关(E_A(τ))是所述第一和第二干涉图电信号之和的模量。

3.根据权利要求2所述的设备，其中所述处理器(36)可以运行以根据下述表达式从所述互相关(E_C(τ))和所述自相关(E_A(τ))计算出所述偏振模色散(PMD)，

$\mathrm{PMD}=\sqrt{\frac{3}{2}({\mathrm{\σ}}^2-{\mathrm{\σ}}_0^2)}$

其中 ${\mathrm{\σ}}^2=\frac{\∫{\mathrm{\τ}}^2{E}_C^2\left(\mathrm{\τ}\right)\mathrm{d\τ}}{\∫E_C^2\left(\mathrm{\τ}\right)\mathrm{d\τ}}$ 以及 ${\mathrm{\σ}}_0^2=\frac{{\∫\mathrm{\τ}}^2{E}_A^2\left(\mathrm{\τ}\right)\mathrm{d\τ}}{{\∫E}_A^2\left(\mathrm{\τ}\right)\mathrm{d\τ}}$

并且τ是所述干涉仪的所述第一和第二光路之间的延迟。

4.一种用于测量器件的偏振模色散(PMD)的方法，所述方法包括以下步骤：

(i)使偏振宽带光穿过所述器件；

(ii)利用干涉仪(20)分离和复合离开所述器件的所述光，以产生干涉图；

(iii)将所述复合光分离为具有正交的偏振态的第一和第二干涉图；

(iv)将所述第一和第二干涉图分别转换为相应的第一和第二干涉图电信号(P_X(τ)，P_Y(τ))；以及

(v)处理所述第一和第二干涉图电信号，以产生互相关包络(E_C(τ))和自相关包络(E_A(τ))，并从所述互相关和所述自相关确定波导管的所述偏振模色散(PMD)。

5.根据权利要求4所述的方法，其中推导出，所述互相关(E_C(τ))是所述第一和第二干涉图电信号之差的模量，以及所述自相关(E_A(τ))是所述第一和第二干涉图电信号之和的模量。

6.根据权利要求5所述的方法，其中根据下述表达式从所述互相关(E_C(τ))和所述自相关(E_A(τ))计算出所述偏振模色散(PMD)，

$\mathrm{PMD}=\sqrt{\frac{3}{2}({\mathrm{\σ}}^2-{\mathrm{\σ}}_0^2)}$

其中 ${\mathrm{\σ}}^2=\frac{\∫{\mathrm{\τ}}^2{E}_C^2\left(\mathrm{\τ}\right)\mathrm{d\τ}}{\∫E_C^2\left(\mathrm{\τ}\right)\mathrm{d\τ}}$ 以及 ${\mathrm{\σ}}_0^2=\frac{{\∫\mathrm{\τ}}^2{E}_A^2\left(\mathrm{\τ}\right)\mathrm{d\τ}}{{\∫E}_A^2\left(\mathrm{\τ}\right)\mathrm{d\τ}}$

并且τ是所述干涉仪的所述第一和第二光路之间的延迟。

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