CN1766725A - 利用若干可调旋偏器的光学器件和测量的系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及利用若干可调旋偏器的光学器件和测量的系统，属于产生和分析光的偏振态的技术领域，本装置包括：至少4个可调节的旋偏器，放置形成一个光通道；和一个光偏振装置，放置在旋偏器的一端的光通道中。本方法包括：利用至少四个可调旋偏器在光通道中传输光并且控制传输光束的一个偏振态；控制所述各旋偏器，使偏振态旋转两个不同的预设的角度；并且控制至少四个旋偏器工作在不同旋偏器设置下，产生至少四个不同的偏振态。本发明中能够高精度地产生多种偏振。重复精度优于0.1°，插入损耗小于0.9dB，回程损耗优于55dB。本发明可用作米勒矩阵偏振分析器，可应用于偏振分析，扫描波长测量，偏振相关参数和光网络的信噪比监测。

Description

利用若干可调旋偏器的光学器件和测量的系统

本发明是以2004年6月10日递交的美国专利申请号No.60/578,700题目为“利用可调旋光器产生和分析偏振态”的专利，(律师档案号No.12361-033P01)。及2004年8月9日递交美国专利申请号No.10/914,592题目为“利用可调旋光器产生和分析偏振态”(律师档案号No.12361-033001)两项专利申请的优先权为基础的申请。

技术领域

本发明属于光偏振实现技术及其在偏振光监测装置和系统中的应用技术领域。

背景技术

在一个光学装置或系统中，光的光学性质或参数因为多种目的被测量。例如，光学测量可用来确定装置或系统的性能和工作条件。光的光学性质或参数包括光偏振，信噪比，两正交偏振态的差分群延时，等等。

在多种光学系统中光偏振是一个光信号的重要参数。在光通信系统中，光纤和其他装置的偏振相关效应--如偏振相关损耗(PDL)、偏振模色散(PDM)，对光学装置和系统的性能和正常工作有很大的伤害。因此，最好对这些系统中的偏振态(SOP)和偏振度(DOP)进行测量和监测。

同样的，光信号的信噪比(SNR)和差分群延迟(DGD)对于多种光学装置和系统也同样是重要的参数，因此在一定情况下最好对这些参数进行监测。

发明内容

本发明的目的是提出一种利用可调旋偏器产生和分析偏振态的光学装置及其方法。本发明的装置能够高精度地在邦加球上产生多种偏振态。其重复精度高，还可预测的波长和温度依赖度。器件光纤至光纤的插入损耗小。本发明可用作米勒矩阵偏振分析器，可应用于偏振分析，扫描波长测量，偏振相关参数和光网络的信噪比监测。

本发明提出的一种产生和分析偏振态的装置，其特征在于，该装置包括：

至少4个旋偏器，放置形成一个光通道；各旋偏器是可调节的，用于改变穿过光通道中的光的偏振旋转度；和

一个光偏振装置，放置在旋偏器的一端的光通道中，用于传输一束线偏振经过选择的光。

本发明提出的另一种产生和分析偏振态的装置，其特征在于，该装置包括：

至少2个旋偏器，放置形成一个光通道；各旋偏器是可调节的，用于改变穿过光通道中的光的偏振旋转度；和

一个光偏振装置，放置在旋偏器的一端的光通道中，用于传输一束线偏振经过选择的光。

本发明提出的一种产生和分析偏振态的方法，其特征在于，包括以下步骤：

利用至少四个可调旋偏器在光通道中传输光并且控制传输光束的一个偏振态；

控制所述各旋偏器旋转偏振两个不同的预定的角度；并且

控制至少四个旋偏器在不同旋偏器设置下并且产生至少四个不同的偏振态。

本发明提出的另一种产生和分析偏振态的方法，其特征在于，包括以下步骤：

利用至少两个可调旋偏器在光通道中传输光并且控制传输光束的一个偏振态；

控制所述各旋偏器旋转偏振两个不同的预定的角度；并且

控制至少两个旋偏器在不同旋偏器设置下并且产生至少三个不同的偏振态。

本发明包括多种监测一个或多个光信号SNR、DOP和DGD及产生多种偏振态的装置和技术的实现方案和例子。一种实现方案是，可在光通道中利用一个扰偏器和一个起偏器进行测量。另一种实现方案是，可在光通道中利用一个可旋转的四分之一波片和可旋转的二分之一波片进行测量。在其它实现方案中，可利用一个偏振态发生器和线偏振起偏器进行测量。本发明描述的光监测装置可用来测量WDM通道。

以下包括多种实现方案的例子。

在一个例子中，一个装置，它包括一个光纤回路，在上述光纤回路的一个光耦合器，用于将输入光耦合到上述的光纤回路中作为上述光纤回路中两反向传播的波并且耦合上述光纤回路的光作为一个输出光束输出，一个在上述光纤回路的偏振装置用于改变上述光纤回路中光的偏振态使上述输出光束达到一个最大功率大小和最小功率大小，一个光探测器用于接受上述输出光束产生一个探测器信号；和一个电路用于处理上述探测器信号，产生一个代表上述输入信号在上述最大和最小功率大小下的一个信噪比或一个偏振度的输出。

在另一个例子中，一个装置，它包括一个扰偏器用于扰乱接收光的偏振态产生一个响应控制信号的受控的输出光，一个起偏器用来接收上述扰偏器的输出光产生一个传输光束，一个光探测器用于接收上述传输光束产生一个探测器信号，和一个控制单元用于产生上述扰偏器的上述控制信号，并产生一个代表上述输入光的一个信噪比或一个偏振度的输出。

在另一个例子中，一个装置，它包括一个偏振装置用于调节接收光的偏振，产生输出光，利用此输出光寻找上述接收光的不同WDM通道的各WDM通道的最大和最小功率大小，一个WDM解复器用于接受上述输出光并且分别分离上述输出光的不同WDM通道；多个光探测器用于分别接收传输经过上述起偏器后的上述不同WDM通道；和一个电路用于处理上述光探测器的输出信号，利用上述最大最小功率大小为各WDM通道产生一个代表上述各WDM通道信噪比或偏振度的输出。偏振装置可能是一个在搜索上述最大最小功率大小时随机改变上述偏振的扰偏器。偏振装置还可能是一个偏振控制器。

在另一个例子中，一个装置，它包括一个偏振装置用来扰乱调节接收光的偏振产生一个输出光，利用这个输出光寻找上述接收光的不同WDM通道的各WDM通道的一个最大和一个最小功率大小。一个起偏器，在上述偏振装置和WDM解复用器之间的输出光的光通道中用于传输上述输出光到上述WDM解复器，多个光探测器分别接收经过上述起偏器后的上述不同WDM通道，和一个电路，用于处理上述光探测器的输出信号，利用上述最大最小功率大小为各WDM通道产生一个代表上述各WDM通道信噪比或偏振度的输出。偏振装置可能是一个在搜索上述最大最小功率大小时随机改变上述偏振的扰偏器，还可能是一个偏振控制器。

在另一个例子中，一个装置，它包括一个偏振装置，用于改变接收光的偏振态产生输出光，此输出光用于寻找上述接受光的不同WDM通道的各通道的一个最大功率大小和一个最小功率大小；一个光起偏器，用于接收上述输出光产生一个光束；一个衍射光栅，用于使上述光束发生衍射成为空间上分离的不同WDM通道；一个透镜，用于传输上述不同WDM通道；多个光探测器，用于从上述透镜分别接收上述不同WDM通道；和一个电路，用于处理上述光探测器的输出信号，为各WDM通道产生一个代表上述各WDM通道噪比或偏振度的输出。偏振装置可能是一个在搜索上述最大和上述最小功率大小时随机改变上述偏振的扰偏器，还可能是一个偏振控制器。

在另一个例子中，一个装置，它包括一个偏振装置用于改变接收光的偏振态产生输出光，这个输出光用于寻找上述接收光不同WDM通道中各WDM通道的一个最大功率大小和一个最小功率大小；一个WDM解复器用于接受上述输出光分离上述接收光的不同WDM通道；多个偏振分束器分别放置在上述不同WDM通道的光通道中，其中各偏振分束器将相应的WDM通道分离成两个具有正交偏振的监测光束；多个滤波片分别放置于上述不同WDM通道的上述两个监测光束中的一个光束中，每个滤波片可以通过操作在不影响上述各WDM通道的信号功率大小的情况下，为各WDM通道产生一个上述两监测光束噪声功率大小之间的差值功率；多个光探测器提供给不同WDM通道，其中每对光探测器的两个探测器分别接受相应WDM通道的上述两监测光束，为上述WDM通道产生两个探测器信号；和一个控制单元用于产生上述控制信号并且处理探测器信号，为各WDM通道产生一个代表上述各WDM通道的一个信噪比或偏振度的输出。偏振装置可能是一个在搜索上述最大和上述最小功率大小时随机改变上述偏振的扰偏器，还可能是一个偏振控制器。

在另一个例子中，一个装置，它包括一个偏振装置用于改变接收光的偏振产生输出光，这个输出光用于寻找上述接收光的不同WDM通道的各通道的一个最大功率大小和一个最小功率大小；一个偏振分束器用于将上述输出光分离成偏振相互正交的第一和第二个光束；第一个WDM解复器，用于接受上述第一个光束分离上述第一个光束的不同WDM通道；第二个WDM解复器，用于接受上述第二个光束分离上述第一个光束的不同WDM通道，其中的上述第一个WDM解偏器和第二个解偏器不同，其不同在于上述的第一个WDM解偏器的一个输出WDM通道的噪声功率大小和上述的第二个WDM解复器不同；第一个光探测器用于接收上述第一个WDM解复器的不同WDM通道；第二个光探测器用于接收上述第二个WDM解复器的不同WDM通道；和一个控制单元用于产生上述控制信号并且处理来自上述第一个光探测器的探测信号为各WDM通道产生一个代表上述各WDM通道的一个信噪比或偏振态的输出。偏振装置可能是一个在搜索上述最大和上述最小功率大小时随机改变上述偏振的扰偏器并且还可能是一个偏振控制器。

在另外一个例子中，一个装置，它包括一个偏振元件可用于调节输入光的偏振；一个起偏器，用于接收上述偏振元件的输出光产生一个传输光束；一个光探测器，用于接收上述起偏器的上述传输光束；和一个信号运算电路，用于处理上述光探测器的输出，提取上述输入光的偏振态信息。偏振元件可利用一个偏振控制器实现，一个可旋转的四分之一波片，或SOP发生器来实现。

还描述了一个方法用于得到来自一个光纤链路承载的WDM通道的监测信号；空间上分离来自上述监测光束的WDM通道；将WDM通道分离成具有正交偏振的第一个光束和第二个光束，利用上述第一个光束的噪声功率大小和上述第二个光束不同的方法；在分离上述第一和上述第二个光束之前调节各WDM通道的偏振，寻找上述第一和上述第二个光束的一个最大功率大小和一个最小功率大小；并且测定上述监测光束中各WDM通道的一个信噪比和一个偏振度。

这里还描述了其他的例子和实现方案。

这里描述的一个装置的例子，它包括第一和第二个旋偏器相继放置在一个光通道中，一个四分之一波片在光通道中用于接收来自第一和第二旋偏器的输出光，并且第三和第四旋偏器相继放置在光通道中用于接收来自四分之一波片的输出光。各旋偏器可通过控制信号调节并且可工作在两个旋偏角度下。

在另一个例子中，一个装置，它包括至少四个旋偏器在光通道中，并且各旋偏器通过响应一个控制信号调节偏振旋转+22.5°或-22.5°。这个装置还包括一个四分之一波片在光通道中。

产生和分析偏振的方法在这里也有描述。在一个例子中，一个装置，它包括至少四个旋偏器放置形成一个光通道，各旋偏器可通过调节改变通过光通道的光的偏振旋转角度，和一个光偏振装置在旋偏器一端的光通道中，用于传输经过挑选的线偏振光。作为另外一个例子，至少4个可调的旋偏器在光通道中用于传输光并且控制传输光的一个偏振态。各旋偏器通过控制将偏振旋转两个预定的不同的角度；和至少四个旋偏器通过控制在不同旋偏设置下工作，产生至少四个不同的偏振态。

另一个例子利用至少四个旋偏器和一个四分之一波片在一个传输光的光通道中。各旋偏器通过控制将偏振态旋转两个预定的不同的角度。这至少四个旋偏器通过控制在不同旋偏设置下工作产生至少四个不同的偏振态。

这些和其他实现方案在附图、细节描述和权利要求中有更详细地描述。

本发明技术特点及效果：

如果利用米勒矩阵的方法分析光器件或系统的偏振性能，非常关键的一步是沿邦加球能否产生至少4个独立的具有高重复精度的偏振态，如0°线偏振，+/-45°线偏振，90°线偏振，右旋圆偏振(RHC)和左旋圆偏振(LHC)。从这些分析中得到的信息还可用于进一步测量其他参数，如双折射，偏振模色散(PMD)，偏振相关损耗(PDL)，偏振度(DOP)，信噪比(SNR)和偏振态。本发明中的装置能够高精度地在邦加球上产生0°线偏振，+/-45°线偏振，90°线偏振，右旋圆偏振和左旋圆偏振。测量结果显示在邦加球上的重复精度优于0.1°，器件的另外一个优点是它可预测的波长和温度依赖度，典型值分别为-0.067°/nm和0.1°/C。器件光纤至光纤的插入损耗为小于0.9dB，回程损耗优于55dB。该器件同样可用作米勒矩阵偏振分析器，可应用于偏振分析，扫描波长测量，偏振相关参数和光网络的信噪比监测。

附图说明

图1和图2展示了两个带有扰偏器或偏振控制器的光监测装置。

图3展示了一个应用了图2中的监测装置的传输系统。

图4展示了一个波分复用(WDM)传输线路的监测装置，其中波分复用传输线的输入包括不同WDM波长的信号。

图5展示了一个基于上述监测技术的一个全光纤动态PMD控制器500的实现方案。

图6展示了一个基于微处理器的监测装置的实现方案。

图7展示了一个在扰偏器或偏振控制器的输出利用一个波分解复器分离不同WDM通道的监测装置。

图8展示了另一个利用衍射光栅分离不同WDM通道的实现方案。

图9展示了一个PMD非敏感监测装置，用于所有波长通道只利用一个扰偏器的WDM应用。

图10展示了另一个WDM监测装置的实现方案，其中包括了一个结合了两个WDM解复器的偏振分束器。

图11展示了一个具有实时DGD监测装置和一个动态PMD补偿器的系统。

图12举例说明了图11中的DGD运算电路进行偏振处理的参考邦加球。

图13，14和15展示了三个光监测装置的例子，这些装置将一个可旋转的四分之一波片和一个可旋转的起偏器用作一个扰偏器。

图16展示了一个光纤系统，它利用法布里-泊罗滤波器和连续或者并联的多通道偏光计监测各通道的SOP.

图17举例说明了图16中法布里-泊罗滤波器的操作。

图18A和18B展示了两个WDM系统光监测装置的例子，它利用了一个可旋转四分之一波片和一个可旋转的二分之一波片作为装置的一部分。

图19A，19B，19C，19D，和19E举例说明了利用一个SOP发生器和一个固定的起偏镜的光监测装置。

图20和21展示了一个SOP发生器的实现方案。

图22展示了一个将SOP发生器用作SOP分析仪测量光偏振度的装置。

图23展示了一个含有一个控制和处理单元的具有4个旋偏器的装置的例子。

图24和25展示了利用光纤的具有4个旋偏器和具有6个旋偏器的装置的例子。

图26展示了另一个具有6个旋偏器的装置的例子。

图27展示了一个具有8个旋偏器的例子。

图28展示了为测试上述多旋偏器的测试系统。

图29，30，31，32A，和32B展示了基于具有4个旋偏器的和具有6个旋偏器的装置的多旋偏器装置的测量。

图33展示了一个利用多旋偏SOP发生器和分离的多旋偏器测量偏振特性的系统。

图34A，34B，35和36展示了测量一个样品或装置偏振特性的系统，这个系统基于利用多旋偏器的光反射使用单一的设置同时产生SOP和分析样品和装置的输出的一个折叠设计。

图37A和37B展示了两个多通道SOP分析仪的例子。

图38举例说明了图37A和37B中多通道SOP分析仪的使用。

具体实施方式

本发明的技术方案结合附图及实施例进一步详细说明如下：

图1举例说明了一个监测器100的实现方案，它可以用来监测接收光的SNR和DOP。监测器100利用一段光纤接收一个被监测光信号101，和一个光回路120例如一个光纤回路用于实现监测。一个光耦合器110，例如一个50％的光纤耦合器，耦合于光纤回路120的两端，分离输入信号110成为回路120中两个反向传输的光束，并且耦合两反向传输的光束产生一个输出光束140。因此，耦合器110和回路120提供了一个反射装置。一个扰偏器或偏振控制器130在光纤回路120中随机打乱回路120中光的偏振态，或系统的控制偏振态在所有可能的偏振态范围内变化，从而测量得到输出光束140的一个最大功率大小和一个最小功率大小。扰偏器或偏振控制器130可以选择通过响应一个控制信号163的方法，调节通过光的偏振态。

如图1所示的装置130的一个实现方案是，利用分别包括两个或更多在控制器133和134控制下的光纤挤压器131和132型扰偏器或偏振控制器130。光纤挤压器131和132的挤压方向的方位互相成45度角用于实现扰偏操作。

一个光探测器150用于接收来自回路120的耦合输出光140。一个光隔离器103放置在输入光101的光通道中，用于防止任何输入光通道内的光反馈。一个运算电路160用于接收来自光探测器150的探测信号产生一个输出信号162，它包括SNR或DOP的信息。

在操作过程中，光探测器150探测输出信号140的最大和最小光功率大小。运算电路160计算基于测量得到的最大和最小光功率大小的消光比。在多种应用中，信号101一般是偏振的但噪声是非偏振的。因此，消光比直接和SNR及DOP相关。消光比增大，DOP和SOP也相应的增大，反之亦然。运算电路160还包括一个控制单元控制扰偏器130的工作。

图2展示了一个基于其他实现方案的监测装置200。扰偏器130用于打乱输入光101的偏振，和一个起偏器210用于传输来自扰偏器130的输出光。起偏器在这里用于代替图1中监测装置100的反射回路120。光探测器150用于接收来自起偏器210的传输光。运算电路160接收和处理探测器的输出产生输出162。

图3展示了在传输系统300中监测装置200的一个使用方法。一个光耦合器310放置在输入光束301的光通道中，将一部分输入光耦合器310的光分流成为一个监测光束320，和输入光束301剩下的光302继续沿输入通道传播作为系统300的一个输出。监测装置200通过耦合接收监测光束320完成测量过程。特别的是，用一个机架303封装了耦合器310，监测光束320的光通道，和监测装置200。组成所有光通道的是光纤，绝缘波导，或一个光纤通道和波导通道的组合。这个密封的机架提供了可供光纤传输链路或系统使用的集成模块。一个基片用来将波导和其他光学部分制作成为一个单一芯片封装在机架303中。在图1中的监测装置100可以用来代替图3中的装置200和在这个申请中展示的其它系统。

图4展示了一个波分复用(WDM)传输链路的监测装置，这里输入301包括不同WDM波长的信号。耦合器310分离输入的所有WDM信号产生监测光束320。把一个WDM耦合器用作耦合器310。一个可调滤波器410耦合在耦合器310和监测装置200或100之间，对WDM信号进行滤波，从而使每次只有在一个WDM波长的一个信号能够传输到装置200或100。滤波器410在所有信号波长范围内一次一个连续可调的进行滤波，并且通过装置200或100测量各个WDM信号。一个控制装置420耦合到滤波器410和监测装置200或100中控制这种连续的滤波和监测操作。可调滤波器410可利用许多结构实现，例如一个可调法布里-泊罗滤波器，或一个可调光纤光栅滤波器(例如，与一个光线拉伸器耦合)，或一个可通过一个进步马达，或其他装置控制的旋转轴上的传输不同波长的若干滤波器。

图5展示了一个基于上述监测技术的全光纤动态PMD控制器500的实现方案。一个可调偏振控制器510耦合于输入光纤用于控制输入光束501的偏振。一个保偏光纤部分520耦合于偏振控制器510的输出，用于产生来自控制器510的输出光需要的差分群延时。熔接光纤用于连接PM光纤部分510。一个光线耦合器310用于分离可调偏振控制器510的输出成为一个在输入光纤内的输出光束502和一个监测光束320到图2中的监测装置200(或图1中的装置100)用于监测偏振度。电路160通过耦合提供输出162，控制偏振控制器510，因此可调偏振控制器510能通过响应电路160的测量进行动态的调节。可调偏振控制器510可通过许多结构实现。PMD控制器500包括多个，例如，3个或更多的光纤挤压器。美国专利号No.6,493,474在2002年12月10号准予姚公开一些基于四个连续光纤挤压器的例子并且在这里结合它的全部内容作为本申请的一个特殊部分。

图5中的系统有许多优点，例如少于0.5dB的低光损和由基于简单光学设计和简单器件的独特设计得到的低成本。可用图中所示的一个密封的机架530封装整个装置。

图6展示了一个基于微处理器的监测装置600的实现方案。一个偏振控制器630用于调节被测输入光612的SOP，和一个起偏器210用于传输来自控制器630的输出光到一个光探测器150中。来自探测器150的输出信号152可被电放大器660放大并且这个放大的信号发送到一个基于微处理器的运算电路650。运算电路650将各接收到的各模拟信号转换为数字位并且通过利用一个数字的微处理器实现信号处理操作，产生一个代表输入光612的DOP或SNR监测结果的输出651。如图6所示，可用一个激光器610或其它光源产生输入光612。

可供选择的，一个分光器620，例如一个光纤耦合器，用于分离输入光束612的一部分作为一个参考光束622到第二个光探测器640中去。此分光器620因该是对光偏振不敏感的。第二个探测器640的输出642被反馈回电路650进行处理。这个参考光束622提供了一个测量输入光束612功率变化的测量方法，所以由功率变化引起的接收信号152的一部分的变化可由扰偏器630引起的偏振变化推导出来。

在操作中，电路650产生一个控制信号652用于调节控制器630寻找探测器150的最大功率(V_max)和最小功率(V_min)。控制信号652首先是通过微处理器产生的数字的信号，并且随后转换成为模拟信号。电路650中的运算器基于测量得到的Vman和Vmin计算光的DOP或SNR。DOP可通过下式计算得到：

$\mathrm{DOP}=\frac{V_{\max }-V_{\min }}{V_{\max }+V_{\min }}.$

偏振控制器630利用如图1中元件130的两挤压器设计或图6中的三挤压器设计，或5，6个挤压器给输入光提供更多控制。图6展示了一个终端的设计，它的输入光完全利用于监测操作。同样，监测装置600可用作一个线内装置，和图3附加一个分光器310的设计相似，用于将主输入光301分束产生监测装置600的输入和继续传输在传输系统中的主输入光。

在这个申请中的以上和其他监测装置中，可利用一个可调光滤波器插入输入光通道实现对输入的不同WDM通道进行连续监测。图4展示了一个例子。这种基于一个可调滤波器的多通道技术可用于本申请的很多监测装置的实现方案中。但是，这种技术受限于只能连续的一次监测一个通道。

图7和8展示了两个同时监测不同WDM通道的多通道监测技术。这种技术允许在同一时刻监测不同通道。

图7展示了一个监测装置700，它利用一个WDM解复器710在扰偏器或偏振控制器130后分离不同WDM通道。在各分离的WDM光通道中，一个起偏器210和一个光探测器150用于接收和探测各通道的功率大小。因此，不同通道的功率大小在同一时刻得到了测量。探测器150的输出信号随后被反馈到电路160中，用于通过数据处理来监测WDM通道。若干个起偏器210放置在解复器710和探测器150的光通道之间。同样的，可用一个单一起偏器放置在扰偏器130和WDM解复器710之间代替探测器150前的若干起偏器210。

图8展示了另一个实现方案800，它利用一个衍射光栅820分离不同WDM通道。一个准直器810用于接收扰偏器130的输出产生一个准直后的输出。一个起偏器210放置在扰偏器130和准直器810之间。光栅820通过使输入光发生衍射得到具有不同衍射角的不同WDM波长。这个衍射空间上分离了不同WDM通道。第二个准直器830，例如一个透镜，用于收集不同波长的不同光束并且聚焦衍射光束到光探测器阵列840的不同探测器元件上。一个可选的运算电路850用于调整进入电路160之前的探测输出。

以上基于一个扰偏器的监测信号可能会对包括两个或更多WDM通道的输入信号的PMD敏感。这种PMD敏感性会造成一个测量误差。通常，输入的PMD越大，监测装置的误差越大。因此，最好在监测DOP或SNR的时候消除这种PMD效应。

图9展示了一个针对与WDM应用的PMD非敏感监测装置900的实现方案，它只使用一个扰偏器作用于所有波长通道。装置900包括一个通用扰偏器910用于接收输入光纤901的输入WDM通道。一个或更多光放大器902用在输入光通道中放大输入的WDM通道。一个WDM解复器920用于接收来自扰偏器910的输出并且分离不同波长的WDM通道成为分离的光信号输出922。在各光输出中，一个偏振分束器(PBS)930或一个合适的偏振装置用于分离基于具有两正交偏振态的接收光产生两个具有正交偏振的光束。一个滤波器940用于过滤PBS 930两个输出中的一个，所以两输出光的噪声功率大小不同，同时输出光束的信号功率大小本质上不会受滤波影响。如图示，滤波器940从沿输入光束方向传输的光的端口过滤光。

以上光滤波器导致了两正交偏振的输出光的噪声信号不平衡。这个不平衡用于同时并且独立的监测SNR和DOP。可选用两正交方位角的起偏器941和942放置在PBS 930的两输出端口用于保证输出光束是正交偏振的。放置两个光探测器951和952用于分别接收PBS 930的输出光。探测器951和952的输出信号反馈回一个运算电路970用于测量和数据处理。可选的两电放大器961和962用于在运算电路970之前分别放大探测输出。

在一个实现方案中，带通滤波器940具有一个比各信号实际带宽更宽的带宽来允许各信道不被滤波的穿过滤波器，但是比WDM装置的各通道带宽要窄因为要滤掉一部分噪声以产生噪声功率不均衡的两个输出光束。例如，对一个通道间隔为100GHz和通道带宽为10GHz的WDM通道来说，WDM解复器920的带宽可以被设计为50GHz。带通滤波器940的带宽可以是25GHz，在10-GHz通道带宽和50-GHz装置通道带宽之间，以允许一个通道不被滤波的穿过滤波器。但是25GHz窗口外的噪声分量被滤波器从PBS 930传输光束中滤出。

两探测器951和952探测的所有SOP的得到的最大最小功率为：

$\left\{\begin{array}{c}{V}_1^{\max }=G_1[P_s(1-\mathrm{\δ})+0.5P_N]---\left(1\right)\\ V_1^{\min }=G_1[P_s\mathrm{\δ}+0.5P_N]---\left(2\right)\\ V_2^{\max }=G_2[P_s(1-\mathrm{\δ})+0.5\mathrm{\α}{P}_N]---\left(3\right)\\ V_2^{\min }=G_2[P_s\mathrm{\δ}+0.5\mathrm{\α}{P}_N]---\left(4\right)\end{array}\right.$

这里P_s为信号功率，P_N为噪声功率，α小于1并且是带通滤波器940的噪声功率滤波系数，和δ消偏系数，它产生于，例如，输入信号的PMD，非线性双折射，和PBS 930的非完美。特别是，在没有产生PBS 930两输出光束非平衡输出的的滤波器940的情况下，等式(1)和(2)和等式(3)和(4)是相等的。滤波器940是专门用来破坏简并和提供SOP和DOP的分别测量的。

等式(1)和(2)相加得到：

$V_1^{\max }+V_1^{\min }=G_1(P_S+P_N)---\left(5\right),$

等式(1)和(2)相减得到：

$V_1^{\max }-V_1^{\min }=G_1{P}_S(1-2\mathrm{\δ})---\left(6\right).$

等式(3)和(4)经过同样的运算得到：

$V_2^{\max }+V_2^{\min }=G_2(P_s+\mathrm{\α}{P}_N)---\left(7\right)$

$V_2^{\max }-V_2^{\min }=G_2{P}_S(1-2\mathrm{\δ})---\left(8\right)$

另外，通过如下的信号运算：

$G_2\·\mathrm{Eq}.\left(5\right)-G_i\·\mathrm{Eq}.\left(7\right)=G_2(V_1^{\max }+V_1^{\min })-G_1(V_2^{\max }+V_2^{\min })$

$=G_1{G}_2{P}_S+G_1{G}_2{P}_N-G_1{G}_2{P}_S-\mathrm{\α}{G}_1{G}_2{P}_N.$

因此，可得到如下结果：

$G_1{G}_2(1-\mathrm{\α})P_N=G_2(V_1^{\max }+V_1^{\min })-G_1(V_2^{\max }+V_2^{\min }),\mathrm{and}$

$P_N=\frac{1}{1-\mathrm{\α}}[\frac{V_1^{\max }+V_a^{\min }}{G_1}-\frac{V_2^{\max }+V_2^{\min }}{G_2}]---\left(9\right)$

从等式(5)可推导出：

$G_1{P}_S=(V_1^{\max }+V_1^{\min })-G_1{P}_N$

$=(V_1^{\max }+V_1^{\min })-\frac{1}{1-\mathrm{\α}}[(V_1^{\max }+V_1^{\min })-\frac{G_1}{G_2}(V_2^{\max }+V_2^{\min })]$

$=(1-\frac{1}{1-\mathrm{\α}})(V_1^{\max }+V_1^{\min })+\frac{G_1/G_2}{1-\mathrm{\α}}(V_2^{\max }+V_2^{\min })$

$=\frac{1}{1-\mathrm{\α}}[\frac{G_1}{G_2}(V_2^{\max }+V_2^{\min })-\mathrm{\α}(V_1^{\max }+V_1^{\min })].$

所以，可推出如下表达式：

$P_S=\frac{1}{1-\mathrm{\α}}[\frac{V_2^{\max }+V_2^{\min }}{G_2}-\frac{\mathrm{\α}}{G_1}(V_1^{\max }+V_1^{\min })]---\left(10\right)$

$S/N=\frac{P_s}{P_N}$

$=\frac{\frac{V_2^{\max }+V_2^{\min }}{G_2}-\frac{\mathrm{\α}}{G_1}(V_1^{\max }+V_1^{\min })}{\frac{V_1^{\max }+V_1^{\min }}{G_1}-\frac{V_2^{\max }+V_2^{\min }}{G_2}}$

$=\frac{G_1(V_2^{\max }+V_2^{\min })-\mathrm{\α}{G}_2(V_1^{\max }+V_1^{\min })}{G_2(V_1^{\max }+V_1^{\min })-G_1(V_2^{\max }+V_2^{\min })}.$

取 $\stackrel{\‾}{V_1}=\frac{1}{2}(V_1^{\max }+V_1^{\min }),$ 并且

${\stackrel{\‾}{V}}_2=\frac{1}{2}(V_2^{\max }+V_2^{\min }),$

SNR可通过下式计算得到：

$\frac{S}{N}=\frac{G_1{\stackrel{\‾}{V}}_2-\mathrm{\α}{G}_2{\stackrel{\‾}{V}}_1}{G_2{\stackrel{\‾}{V}}_1-G_1{\stackrel{\‾}{V}}_2}.---\left(12\right)$

如果G₁＝G₂，那么SNR为

$\frac{S}{N}=\frac{{\stackrel{\‾}{V}}_2-\mathrm{\α}{\stackrel{\‾}{V}}_1}{{\stackrel{\‾}{V}}_1-{\stackrel{\‾}{V}}_2}.$

因此，信噪比只和V₁、V₂的平均值有关。这种推导本质上排除了所有PMD效应，非线性双折射，和PBS的非完美性。

由公式(6)，(9)，和(10)可得消偏系数δ为：

$G_1{P}_S(1-2\mathrm{\δ})=V_1^{\max }-V_1^{\min },$

$1-2\mathrm{\δ}=\frac{1}{G_1{P}_S}(V_1^{\max }-V_1^{\min }),\mathrm{and}$

$\mathrm{\δ}=\frac{1}{2}[1-\frac{1}{G_1{P}_S}(V_1^{\max }-V_1^{\min })]=\frac{1}{2}[1-\frac{(1-\mathrm{\α})(V_1^{\max }-V_1^{\min })}{\frac{G_1}{G_2}(V_2^{\max }+V_2^{\min })-\mathrm{\α}(V_1^{\max }+V_1^{\min })}].$

如果G₁＝G₂，消偏系数可简化为：

$\mathrm{\δ}=\frac{1}{2}[1-\frac{(1-\mathrm{\α})(V_1^{\max }-V_1^{\min })}{2({\stackrel{\‾}{V}}_2-\mathrm{\α}{\stackrel{\‾}{V}}_1)}].$

由不完美的PBS 930带来的δ可通过在图9中的PBS 930输出放置起偏器941和942来消除。因此，由PMD带来的消偏可得到精确的测量。这个机制还能用于监测PMD效应。

图9中的装置利用若干PBS分离WDM通道。同样的，图10展示了用了一个PBS 930结合两个WDM解复器1010和1020的另一个实现方案1000。在这个设计中，两解复器1010和1020刻意的设计为不同的，以产生噪声功率不平衡，不平衡系数为α(λi)(i＝1，2，...，N)。例如，两解复器1010和1020的通道带宽不同，一个为50GHz另一个为75GHz，在WDM信号通道带宽10GHz和100GHz通道间距的情况下，各WDM通道无衰减的传输但是解复器1010和1020输出的噪声功率大小不同。因此，可以除去图9中的滤波器940。如果两解复器1010和1020是一致的，那么需要用一个滤波器产生噪声功率不平衡。

参见图11，展示了光纤系统1100中的一个实时DGD监测装置，它和动态PMD补偿器连接在一起使用。这个光纤系统包括三个主要模块：一个发射终端，光纤传输线1103，它可能包括一个带有光放大器的光线链路，和一个接收终端。发射终端包括若干不同通道波长的光发射器1101和一个WDM复用器1102用于复用不同通道使之在光纤链路1103中传输。接收终端包括一个DGD监测器，一个解复用器1120，不同通道的动态PMD补偿器，和不同通道的光接收器。一个光耦合器1110，例如一个光纤耦合器，放置在解复器1120的输入端用于分离输入信号的一部分作为监测光束1112发送到DGD监测器，和解复器1120接收到的主输入信号。

系统1100中的DGD监测器包括一个可调滤波器1130，一个偏光计1140，和一个控制单元1190中的一个DGD运算电路。可调滤波器1130用于相继的扫描不同WDM或DWDM通道使不同通道依次到达偏光计1140。可调滤波器1130的带宽远远小于各通道的带宽。偏光计1140用于高速测量SOP作为实时的监测。在控制单元1190中的DGD运算电路接收并处理由偏光计1140产生的SOP信号确定各通道的DGD。

在操作中，可调滤波器1130用于调谐一个通道到它的中心波长λi，并且在λi附近扫描一段比偏光计测量通道SOP长的时间。在扫描λi附近的信号的过程中，偏光计处理λi的输入光信号产生这个通道的SOP信息。

图12举例说明了DGD运算电路的运算操作，它在偏振上是以邦加球为参考的。设定通道λi的SOP围绕主光轴Ω变化的角度为Δθi，并且围绕中心波长λi的频率变换为Δfi，DGD可通过下示计算得到：

$\mathrm{\Δ}{\mathrm{\τ}}_i=\frac{{\mathrm{\Δ\θ}}_i}{2\mathrm{\π\Δ}{f}_i}.$

这个计算是通过DGD运算电路完成的。图12中展示的，DGD和主光轴Ω的方向都能够由此确定下来。

接下来，控制单元1190利用DGD信息控制MD补偿器产生一个和测量得到的DGD相反的DGD。这样就完成了一个通道的监测和控制。然后，控制单元1190命令滤波器1130跳到下一个通道重复这个监测和补偿操作。这个过程相继重复于所有通道。

图11中的DGD监测装置共享于所有通道。但是PMD补偿是各通道分别实现的。因此，图11中利用若干PMD补偿器对各通道分别进行补偿。为了简化只描述了通道λ1的补偿。

在解复器1120后的各通道的光通道中，通道的PMD补偿器放置在各自的通道接收器1180之前。PMD补偿器包括一个偏振控制器(PC)1150，一个可调DGD(VDGD)元件1160产生一个可调的DGD，一个DOP监测器用于测量光的偏振度，和控制单元1190中的一个PMD控制电路。偏振控制器1150可通过多种方法实现，包括结合的美国专利号No.6,493,474的专利中公开的光纤挤压器型控制器。DOP监测器1170通过设置，分流一部分信号提供给监测操作并且将剩下的信号传送到通道接收器1180中。如图例，PMD控制电路响应监测器1170测量得到的DOP，控制偏振控制器1150和可调DGD元件1160。因此，这个控制为一个反馈控制并且动态的操作产生实时PMD补偿。在实现方案中，一个微处理器在控制单元1190中用于完成DGD测量的计算和PMD补偿。

图11中的偏光计1140可通过多种方法实现。图13展示了一个利用一个可旋转的四分之一波片1310和一个可旋转的起偏器1320处理输入光的实现方案1300。波片1310和1320是受控制的，例如，电路1350，使它在不同旋转速度或频率下旋转。在这个和其他实现方案中，可旋转的波片可替换为一个偏振控制器例如美国专利号No.6,493,474公开的光纤挤压型控制器。一个光探测1330用于转换这个经过处理后的光成为一个探测信号，以及一个信号运算电路1350进一步处理这个探测信号测量光的SOP。一个可选的信号放大器1340耦合在探测器1330和电路1350之间用于放大信号。因此，在图11的结构中，滤波器扫描通过不同通道，偏光器1300一次一个的测量通道的SOP。同样的，图11中的结构中可调整滤波器1130的位置，把它放置在探测器1330和偏光计1300的起偏器1320之间。

同时一个偏光计还可用于平行的多通道SOP的测量。图14和15展示了两个例子。在图14中，偏光计1400利用一个解复器1120分离来自四分之一波片1310和起偏器1320输出的不同通道。各通道利用一个光探测器1330和一个信号运算电路1350处理通道信号，确定通道的SOP。因此，并行监测了同一时刻的所有通道。

图15展示了一个不同的设计1500，它使用一个衍射光栅820和一个准直透镜830空间分离不同通道，它的设计和图8近似的但是应用不同。一个运算电路1520用于处理探测输出产生不同通道的SOP信号。

在当输入信号不存在PMD时，信号的SNR能直接从DOP测量中得到。假设P_s为偏振的信号的功率P_n为非偏振的噪声的功率。DOP可通过如下公式计算：

$\mathrm{DOP}=\frac{P_s}{P_s+P_n}=\frac{P_s/P_n}{1+P_s/P_n}.$

因此，SNR能通过DOP计算得到：

$\mathrm{SNR}=\frac{P_s}{P_n}=\frac{\mathrm{DOP}}{1-\mathrm{DOP}}.$

这里，DOP可以通过计算测量得到的最大和最小功率大小得到。当DOP为1的时候，SNR为无穷，当DOP为0的时候，SNR为0。

图16展示了光纤系统1600，它用到以上的连续或平行的多通道偏光计监测各通道的SOP。一个光纤耦合器1110用于分离多通道的输入光的一部分产生一个监测信号1112。一个可调法布里-泊罗滤波器1610用于过滤监测光束1112同时传输所有WDM通道到一个多通道偏光计1620。这个可以通过使法布里-泊罗滤波器1610产生具有一个等于WDM通道间隔或通道间隔倍数的自由谱范围(FSR)实现。在操作中通过调节可调法布里-泊罗滤波器1610的中心波长，利用图12所示的邦加球对DGD进行测量。图17进一步展示了滤波器1610的光谱，滤波器1610的一个调节引起所有传输通道的相同量的频移。如图14和15所示，偏光计1620可以是一个含有一个可调滤波器的按时序测量的多通道偏光计也可以是一个平行的多通道偏光计。

在一些WDM系统中，通道间距为50GHz，100GHz，或200GHz。假设滤波器1610的精细度为100，则滤波器的分辨率带宽为1GHz并且足够分辨10Gb/s信号的光谱。如上所述，各通道的DGD可通过基于如图12所示的各通道SOP的测量计算得到。

图18A和18B展示了两个独立监测WDM系统的信噪比(SNR)和DGD的实现方案1801和1802。在两系统中，输入光相继经过一个可旋转的四分之一波片1310和一个可旋转的二分之一波片1810。波片1310和1810具有不同旋转速度。在两系统中，各通道被分解成两个具有正交偏振的光束并且具有不同功率大小。在系统1801中，可通过利用两个具有不同通道带宽的不同解复器1010和1020得到。在系统1802中，用一个滤波器940插入两束光中的一束来产生差异。这里可应用结合图9和10的处理技术。

在以上图13，14，15，18A和18B中描述的例子中，由可旋转波片1310和可旋转起偏器1320构成的扰偏器可由一个SOP发生器和一个在光通道下游的固定方向的起偏器代替。SOP发生器用于控制接收光的偏振产生邦加球上预设的任何SOP中所需的SOP。

图19A，19B，19C，19D，和19E用1901，1902，1903，1904，和1905的例子说明了用一个SOP发生器1910和一个特定起偏器210的光监测装置。SOP发生器通过设置可调节产生多种SOP。一个外控制信号用于控制SOP发生器1910产生SOP。在实际操作中，控制信号包括SOP发生器1910中不同旋偏器的各自的控制信号。

图20展示了一个SOP发生器的例子。在这个例子中，SOP发生器包括4个可控制的旋偏器1，2，3，和4相继放置在光通道中。一个四分之一波片放置在旋偏器2和3之间用于将4个旋偏器分成两对：旋偏器1和2为一对，旋偏器3和4为另一对。此外，一个可选的输入起偏器放置在第一个旋偏器之前用于将输入偏振和λ/4波片相关光轴(c-axis)对齐。输入起偏器可有多种方位角，例如，λ/4波片与c-轴方向，或与c-轴成45°角方向或其与它预定的角度对齐。图20中的各旋偏器如图所示可通过各自的控制信号控制。产生需要的SOP输出。

特别的是，图20中的SOP发生器可使输入的一个线偏振的输入光束产生至少4个和一般多于4个不同的偏振态。图20中的SOP发生器的这种特点主要因为光的任何偏振态可由4个Stockes参量表示。所以，当能够从光样品，一个光装置，或一个光模块得到的至少4个测量得到光的4个不同偏振态时，通过求解一个四元线性方程确定4个Stockes参量，从而确定被测样品装置或模块的偏振特性。

此外，图20中的SOP发生器还可用作SOP分析仪或偏光计来确定任何接收光的SOP，它是通过对输入光进行至少4次不同的测量，求解输入光的4个Stockes参量得到的。

众所周知，邦加球可用于表示所有偏振态。邦加球上的各点有一个唯一的坐标值，这个值是由球的3维轴S₁，S₂和S₃确定的。一个Stokes矢量是一个结合4个Stokes参量(S₀，S₁，S₂，S₃)的4×1实矩阵，可完全的描述光的SOP。例如，邦加球赤道上的点表示的是线偏振态，两极表示右旋圆偏振和左旋圆偏振，邦加球上的其它点表示椭圆偏振态。

从数学上讲，至少4个相互不同的偏振测量可用来测量确定Stockes参量。从理论上讲，对一个特定的应用总会有一个比较合适的方法来得到这4个相互不同偏振测量。例如，一个未知SOP的光束的四个Stockes参量，可以用以下方法通过测量功率大小得到：1)将一个0°起偏器(例如，沿水平方向)放置在输入光通道中并且测量通过起偏器后的光功率；2)接下来，旋转起偏器45°然后测量通过起偏器后的相应的光功率；3)然后再旋转起偏器至90度(或-45°)后测量通过起偏器后的光功率；4)最后，插入一个左旋圆偏振或右旋圆偏振起偏器，测量通过左旋圆偏振或右旋圆偏振起偏器之后的光功率。

以上功率测量可通过以下方法确定输入SOP的Stockes参量：S₀为整个光束(I)的平均功率；S₁为光束的水平(0度)和垂直(90度)线偏振分量之差(I₀-I₉₀)；S₂表示+45度和-45度线偏振功率之差，(I₄₅-I_-45)；和S₃为左旋圆偏振光和右旋圆偏振光功率之差：(I_RCP-I_LCP)。Stokes矢量的大小等于(s₁ ²+s₂ ²+s₃ ²)^1/2并且以邦加球圆心为起点。这三个Stokes参量可通过归一化得到相对功率值(s₁＝S₁/S₀，s₂＝S₂/S₀，s₃＝S₃/S₀)。

图20中的SOP发生器的一个实现方案为，各旋偏器为一个磁-光(MO)旋偏器用于消除SOP发生器中任何机械移动部分。这种运用没有可移动部分的MO旋偏器或其它旋偏器的方法能改进装置的可靠性和使用寿命。

一个旋偏器，例如一个MO旋偏器，适合用作图20中的SOP发生器，它包含了以下性质：(1)当给MO旋片器加一个高于MO旋偏器饱和电压Vsat的正电压时(例如，V≥+Vsat)，MO旋偏器使光的SOP旋转+22.5°；(2)当给MO旋片器加一个低于MO旋偏器饱和电压Vsat的负电压时(例如，V≤-Vsat)，旋偏器使光的SOP旋转-22.5°；(3)当旋偏器1和2(或者3和4)相同方向旋转时，旋偏器1和2(或3和4)总的旋偏角为45°；(4)当旋偏器1和2(或者3和4)向相反方向旋转，旋偏器对的总旋偏角为0°。同时，其它类型的旋偏器例如液晶旋偏器和固态双折射晶体型旋偏器也可通过适当的控制信号产生以上工作偏振态。

因此，这个SOP发生器，在输入SOP是线偏振并且与λ/4波片的C-轴对齐的情况下产生至少以下5种特殊不同的偏振态：

当旋偏器1和2向相反方向旋偏，并且旋偏器3和4也向相反方向旋偏时产生一个0°线SOP；

当旋偏器1和2向相反方向旋偏，但是旋偏器3和4各旋偏+22.5°时产生一个+45°的线SOP；

当旋偏器1和2向相反方向旋偏，但是旋偏器3和4各旋偏-22.5°时产生一个-45°的SOP；

当旋偏器1和2各旋偏+22.5°时产生一个右旋圆偏振态(RHC)；和

当旋偏器1和2各旋偏-22.5°时产生一个左旋圆偏振态(LHC)。

表1和2为图20中两种结构的SOP发生器的旋偏器1，2，3，4在不同设置下的输出SOP逻辑表。各表中的第一行显示四个旋偏器中每个旋偏器的旋偏方向和旋偏角度，剩下的行只显示了旋偏器的旋偏方向并且旋偏角固定为22.5度。表2中具有45度配置的SOP发生器有6个不同的特定偏振态。这两个结构下的SOP具有简并偏振态，简并偏振态指的是两个不同旋偏器设置产生同一个偏振态输出。例如，最上面的四个不同设置的4个旋偏器都产生同样的0度线偏振输出。

               表1  当输入SOP与四分之一波片对齐时的输出SOP

旋偏器1	旋偏器2	旋偏器3	旋偏器4	SOP
					+22.5°	-22.5°	+22.5°	-22.5°	0°线偏振
+	-	-	+	0°线偏振
					-	+	+	-	0°线偏振
-	+	-	+	0°线偏振
					+	-	+	+	45°线偏振
-	+	+	+	45°线偏振
					+	-	-	-	-45°线偏振
-	+	-	-	-45°线偏振
					+	+	+	+	RHC
+	+	-	+	RHC
					+	+	+	-	RHC
+	+	-	-	RHC
					-	-	+	+	LHC
-	-	-	+	LHC
					-	-	-	-	LHC
-	-	-	-	LHC

              表2  输入SOP与四分之一波片的c-轴成45度角时的SOP输出

旋偏器1	旋偏器2	旋偏器3	旋偏器4	SOP
					+22.5°	-22.5°	+22.5°	-22.5°	RHC
+	-	-	+	RHC
					-	+	+	-	RHC
-	+	-	+	RHC
					+	-	+	+	RHC
-	+	+	+	RHC
					+	-	-	-	RHC
-	+	-	-	RHC
					+	+	+	+	90°线偏振
+	+	-	+	45°线偏振
					+	+	+	-	45°线偏振
+	+	-	-	0°线偏振
					-	-	+	+	0°线偏振
-	-	-	+	-45°线偏振
					-	-	+	-	-45°线偏振
-	-	-	-	-90°线偏振

图21举例说明了一个基于图20设计的封装了的SOP发生器的例子，发生器利用保偏(PM)或单模(SM)光纤作为输出封装。如图所示，用一个机架承载旋偏器和波片还有可选的起偏器。用两个光纤准直器在SOP发生器输入输出端口并且耦合于输入和输出PM或SM光纤中。光纤准直器也是单模或PM光纤。

在工作情况下图20或21的SOP发生器用于产生不同SOP输出，首先确定一个线偏振的输入光信号然后设置好输入SOP和四分之一波片之之间的相对方位角，例如，在如表1中的0度或表2中的45度。

当图20或图21中的SOP发生器被用作SOP分析仪测量光的SOP和DOP时，一个来自图20中右端口(旋偏器4)的未知SOP的输入光束发送到SOP发生器中和一个在图20中左端口(旋偏器1)的光探测器用于接收传输经过SOP发生器后的光束。图22展示了一个可实现SOP发生器用作SOP分析仪的装置。一个具有特定线偏振的输出起偏器放置在SOP发生器输出和光探测器之间用于过滤来自SOP发生器的输出光，所以光探测器接受到的光是被特定起偏器起偏后的光。起偏器的输出功率经过测量并且测量结果用来确定输入光的SOP。

在这种操作中，SOP发生器用于给起偏器产生最少4个不同偏振态，通过旋转起偏器分析输入光的SOP。因此，图22中用于分析输入光未知SOP的SOP发生器的4个旋偏器通过控制，旋转SOP为测量产生4个不同输出态。和之前通过旋转起偏器和用RHC或LHC起偏器确定4个Stokes系数的4个不同偏振态测量的例子相比，图22中的SOP起偏器通过旋转输入光的偏振态代替之前的4个等价功率的测量：1)通过控制4个旋偏器使输入SOP不变并且直接送入光探测器前的起偏器中并且测量起偏器后的光功率；2)通过控制4个旋偏器旋转SOP45°并且再次测量起偏器后的光功率；3)通过控制4个起偏器旋转输入SOP 90或-45°，第三次测量起偏器后的光功率；和4)通过控制4个旋偏器将输入SOP转换为RHC(或LHC)并且测量起偏器后的光功率。以上步骤用来说明图22中的SOP发生器是用于将输入SOP转换为4个不同SOP得到4个不同的功率实现测量的。图22中的SOP发生器在实际操作中，可利用4个或更多设置来产生不同SOP输出实现不同测量。例如，如果图22中光探测器前的起偏器的方向是与SOP发生器中λ/4波片的光轴对齐时，4个旋偏器可通过表1中4种不同的组合产生不同SOP输出实现4个功率测量。当图22中光探测器前的起偏器的方向是与SOP发生器中的λ/4波片成45度角时，这4个旋偏器可通过表2中4个不同设置产生表2中不同SOP输出实现4个功率测量。

图23进一步展示了一个基于图22设计的偏光计，它在光探测器之前并且平行对齐于λ/4波片的慢轴。假设这4个旋偏器1，2，3，和4分别工作在旋偏角α，β，γ，和δ下，并且在传输经过偏光计的过程中不存在光损耗，偏光计的Mueller矩阵可用如下4×4矩阵M(T)表示：

$M\left(T\right)=\left(\begin{array}{cccc}1& \cos 2(\mathrm{\α}+\mathrm{\β})\cos 2(\mathrm{\γ}+\mathrm{\δ})& \sin 2(\mathrm{\α}+\mathrm{\β})\cos 2(\mathrm{\γ}+\mathrm{\δ})& \sin 2(\mathrm{\γ}+\mathrm{\δ})\\ 1& \cos 2(\mathrm{\α}+\mathrm{\β})\cos 2(\mathrm{\γ}+\mathrm{\δ})& \sin 2(\mathrm{\α}+\mathrm{\β})\cos 2(\mathrm{\γ}+\mathrm{\δ})& \sin 2(\mathrm{\γ}+\mathrm{\δ})\\ 0& 0& 0& 0\\ 0& 0& 0& 0\end{array}\right),$

当利用Stokes矢量S＝(S₀，S₁，S₂，S₃)描述输入光的偏振态时，输出光功率(S₀′)为：

${S_0}^{\′}=\frac{1}{2}[S_0+\cos 2(\mathrm{\α}+\mathrm{\β})\cos 2(\mathrm{\γ}+\mathrm{\δ})S_1+\sin 2(\mathrm{\α}+\mathrm{\β})\cos 2(\mathrm{\γ}+\mathrm{\δ})S_2+\sin 2(\mathrm{\γ}+\mathrm{\δ})S_3].$

在偏光计输出光功率表达式中，旋偏器的4个不同旋转角是成对出现的，在λ/4波片一边的旋偏器1和2的旋偏角度体现为(α+β)之和并且在λ/4另一边的旋偏器3和5的旋偏角体现为(γ+δ)之和。因此，两个双级旋转角θ和定义用来分别代表着两个和：

θ＝α+β，和

＝γ+δ.

在图20-22中可效仿的设计中，旋偏器，例如磁光晶体，假设具有以下二元静态值

α＝β＝γ＝δ＝±22.5°.

在这个条件下，可能的双级旋偏角组合为：

因此，光的输出S₀′，双级旋偏角θ和，和4个旋偏器的二元旋偏角可用来展示在所有可能的θ和的组合中能得到总共5个不同输出功率值。上述任意4个组合产生足够计算输入SOP的信息。

更特别的是，光的输出S₀′可表示为角θand的一个函数：

因此输出S₀′的以下输出态能通过控制旋偏器得到：

因此，偏光计中未知SOP的输入光的Stockes参量可用下示确定：

S₀＝S₀′(θ，45°)+S₀′(θ，-45°)＝S₀′(45°，0°)+S₀′(-45°，0°)，

S₁＝2S₀′-S₀′(45°，0°)-S₀′(-45°，0°)

S₂＝S₀′(45°，0°)-S₀′(-45°，0°)，

S₃＝S₀′(θ，45°)-S₀′(θ，-45°).

在偏光计的实际操作中，一个控制和运算单元用来产生控制信号1，2，3和4用于分别控制旋偏器并且处理来自相应不同旋偏器组合的光探测器的探测输出。一个微处理器或电脑在控制和运算单元中编程实现某些控制和数据处理操作。然后通过求解基于探测器输出的Muller矩阵方程确定接收光的SOP。然后输入光的DOP可通过SOP确定下来。输入信号的信噪比同样也通过SNR＝(DOP)/(1-DOP)的关系得到。

图24展示了一个利用光纤实现图23中的偏光计的例子，一个输入光纤用于传输输入光和一个输出光纤用于接收输出光。分别耦合光纤准直器C1和C2到偏光计的输入和输出端。

在以上SOP发生器和基于SOP的偏光计中，用4个旋偏器组成两对旋偏器对。可通过增加旋偏器对进一步增加这些SOP发生器和偏光计的不同的SOP输出。四分之一波片(QWP)可放置在任意两旋偏器对之间。

图25展示了一个总共具有6个旋偏器R1，R2，R3，R4，R5，和R6，形成3对旋偏器(R1，R2)，(R3，R4)，和(R5，R6)的偏光计的例子。四分之一波片放置在(R3，R4)和(R5，R6)旋偏器对之间。同样的，四分之一波片还可放置在(R1，R2)和(R3，R4)旋偏器对之间。此外，假设各旋偏器设定工作在二元旋偏角±22.5°下，这个具有3对旋偏器的SOP发生器能在线偏振输入时产生6个不同偏振态。

表3为当一个输入光具有一个对齐于四分之一波片慢轴的线偏振时，图25中具有3对旋偏器的偏光计的SOP发生器的输出SOP的逻辑表。这6个特定的不同SOP是4个不同线偏振态--0，+45，-45和+/-90度线偏振，和两个圆偏振态--RHC和LHC。

表3  具有6个旋偏器的偏振发生器逻辑表(0，+45，-45，+/-90，RHC，和LHC)

旋偏器1	旋偏器2	旋偏器3	旋偏器4	旋偏器5	旋偏器6	输出SOP
							+22.5	-22.5	+22.5	-22.5	+22.5	-22.5	0
+	-	+	+	-	-	0
							+	-	+	-	-	+	0
+	-	-	-	+	+	0

+	-	-	+	-	+	0
							+	-	-	+	+	-	0
+	-	+	+	+	-	45
							+	-	+	+	-	+	45
+	-	+	-	+	+	45
							+	-	-	+	+	+	45
+	-	-	-	+	-	-45
							+	-	-	-	-	+	-45
+	-	-	+	-	-	-45
							+	-	+	-	-	-	-45
+	-	+	+	+	+	90
							+	-	-	-	-	-	-90
-	+	+	-	+	-	0
							-	+	+	+	-	-	0
-	+	+	-	-	+	0
							-	+	-	-	+	+	0
-	+	-	+	-	+	0
							-	+	-	+	+	-	0
-	+	+	+	+	-	45
							-	+	+	+	-	+	45
-	+	+	-	+	+	45
							-	+	-	+	+	+	45
-	+	-	-	+	-	-45
							-	+	-	-	-	+	-45
-	+	-	+	-	-	-45
							-	+	+	-	-	-	-45
-	+	+	+	+	+	90
							-	+	-	-	-	-	-90
+	+	+	-	+	-	RHC
							+	+	+	+	-	-	RHC
+	+	+	-	-	+	RHC
							+	+	-	-	+	+	RHC
+	+	-	+	-	+	RHC
							+	+	-	+	+	-	RHC
+	+	+	+	+	-	RHC
							+	+	+	+	-	+	RHC
+	+	+	-	+	+	RHC
							+	+	-	+	+	+	RHC
+	+	-	-	+	-	RHC
							+	+	-	-	-	+	RHC
+	+	-	+	-	-	RHC
							+	+	+	-	-	-	RHC
+	+	+	+	+	+	RHC
							+	+	-	-	-	-	RHC
-	-	+	-	+	-	LHC
							-	-	+	+	-	-	LHC
-	-	+	-	-	+	LHC
							-	-	-	-	+	+	LHC
-	-	-	+	-	+	LHC
							-	-	-	+	+	-	LHC
-	-	+	+	+	-	LHC
							-	-	+	+	-	+	LHC
-	-	+	-	+	+	LHC
							-	-	-	+	+	+	LHC
-	-	-	-	+	-	LHC
							-	-	-	-	-	+	LHC
-	-	-	+	-	-	LHC
							-	-	+	-	-	-	LHC

-	-	+	+	+	+	LHC
							-	-	-	-	-	-	LHC

和具有4旋偏器的SOP发生器一样，图25中的偏光计中的SOP发生器具有很多简并的SOP，它们是通过不同旋偏器设置的组合产生的。旋偏器的设置和相应的SOP可以在6个不同的SOP下，根据各旋偏器对的不同组合和旋转角进行分类。因为旋偏器对(R1，R2)和(R3，R4)位于四分之一波片的同一边，前四个旋偏器R1，R2，R3，和R4的总旋偏被用作一个独立的控制参数，并且四分之一波片另一边的旋偏器对(R5 and R6)被用作另一个独立的控制参数。这6个不同SOP的两个总旋偏参数组合在表4中列出。

表4.图25中SOP发生器产生6个不同SOP

R5和R6的组合旋偏角	R1～R4的组合旋偏角	输出SOP	方位角定义
				0°	0°	沿X轴的线偏振	X轴为起偏器起偏方向P，Y与Z方向为从C2指C1的方向
0°	45°	沿45°角的线偏振
			0°	-45°	沿-45°角的线偏振
0°	90°	左旋圆偏振
			45°	任意	右旋圆偏振
-45°	任意	沿X轴的线偏振

同样的，图24中具有4个旋偏器的偏光计的SOP发生器能通过表5中两旋偏对(R1，R2)和(R3，R4)的组合，控制产生5个SOP。

表5图24中的SOP发生器产生的5个不同SOP

R3和R4的组合旋偏角	R1和R2的组合旋偏角	输出SOP	方位角定义
				0°	0°	沿X轴的线偏振	X轴为起偏器起偏方向PY与Z方向为从C2指C1的方向
0°	45°	沿45°角的线偏振
			0°	-45°	沿-45°角的线偏振
45°	任意	左旋圆偏振
			-45°	任意	右旋圆偏振

图26展示了另一个具有6个旋偏器的SOP发生器，它的四分之一波片位于前两对旋偏器对(R1，R2)和(R3，R4)之间。图27展示了一个利用了具有8个旋偏器的SOP发生器的例子。

在上述例子中，四分之一波片被放置于不同旋偏器对之间，例如，在第二和第三个旋偏器之间。这个位置使系统操作的分析更加直观。但是，四分之一波片可以放置于4个或更多旋偏器之间的任何位置，例如，第一个旋偏器之前，最后一个旋偏器之后，或之间的任意位置。另外，旋偏器的数量可以为4，5，6，7，8等等。而且，以上二元的旋偏角度可以设置为不同于22.5度的角。例如，要增加偏振态的数量，可选择小一些的旋偏角或其它合适的角度值。

以上4，6，和8旋偏的SOP发生器用于产生至少4个不同SOP来求解Muller矩阵方程，得到的结果用于确定输入光的SOP或测量光装置或模块或一个双折射材料的偏振特性。具有4个旋偏器的的SOP发生器在理论上足够得到4个不同SOP。但是，多于4个旋偏器可用于产生更多特殊SOP帮助在有由于许多光元件的非理想造成的附加的不确定元素的偏振测量。例如，用于测量的线起偏器可能没有和四分之一波片的快轴或慢轴完全对齐，而是相对于四分之一波片的轴有一个偏置角。作为另一个例子，旋偏器的旋偏角可能和想要的角之间存在着一定的偏差。

具有4个或更多旋偏器的SOP发生器设计用于产生邦加球上不同SOP，为了精确的测量，尽可能多的覆盖球上的偏振态。在一些实现方案中不同偏振态均一的分布在邦加球上。具有4个旋偏器的SOP发生器提供了邦加球赤道上的3个SOP和两极上的两个SOP，具有6个旋偏器的SOP发生器还提供了赤道上另外一个SOP。当存在3个以上不同偏振态时，可通过结合4个SOP进行测量，不同结合方法的测量结果取平均得到最后结果。

利用光纤实现的图24中的具有4个旋偏器的设计和图25中的具有6个旋偏器的装置的测量的方法为，输入光束耦合与C1和C2端口的任意一端。但是，装置对光从不同端口输入有不同的功能表现。当输入光束耦合于端口C1，C2后的起偏器只允许和它透过轴同向的偏振态传输到C2。因此，C2输出的不同旋转角的光功率是输入偏振态的函数。这个特点可用于构造一个偏振分析仪获偏光计用来测量输入光的SOP。另一方面，当输入光束耦合于C2端口并且对齐于起偏器的透光轴，C1端口的输出光保持一个固定的输出功率(和装置的PDL有关)，但是SOP在这里是MO旋偏器旋转角的一个函数。由于各MO旋偏器的二元(饱和)性，产生分离的SOP的数量相关于旋偏器的数量和各旋偏器的旋偏角。在测试装置中，各个旋偏器完全相同并且旋偏角当在±z轴方向加磁场的情况下都设置在±22.5度。在C2端口的起偏器可通过对齐于其它角产生一个不同的SOP。以上的表4和5展示了当C2用作输入口C1输出的SOP。当光进入图24和25中各装置的端口C2并且传输通过C1端口后的一断单模光纤，由于SM光纤的双折射，输出SOP变换成与表4和表5中所列的不同的SOP。但是，不同SOP的相对角，换而言之，邦加球上任意两个不同SOP之间的夹角，会保持不变。

图28展示了一个测量具有4个旋偏器的和具有6个旋偏器的装置，在一个有″PSG-4S/6S″标签的装置中。被测偏振控制器#1和#2放置于该装置的两边。一个激光光源，例如一个可调激光器(Agilent 81680 TSL)用于产生输入光；第一个偏振控制器#1控制进入被测装置的光束的偏振，用于将输出光功率最大化，最大功率产生在输入偏振态与内部起偏器对齐的时候。第二个偏振控制器#2为可选的，用于移动邦加球上的SOP来方便显示。一个偏振分析仪，例如Agilent 8509C光波偏振分析仪，用于分析光束通过被测装置的光的SOP。一个9伏的DC电源用来给被测装置中的MO旋偏器供电。被测装置的控制单元包括一个为MO旋偏器驱动控制设计的驱动卡。一台个人电脑(PC)用作被测装置的控制和运算单元。具有6个旋偏器的装置被组合在一个光学头模块中并且安装在驱动板上提供以供测量。具有4个旋偏器的装置和具有6个旋偏器的装置的测试步骤有些细微的不同，因为它们的测试步骤与学头和驱动卡之间的连接方式有关。

具有6个旋偏器的的装置按如下方法测试。测试之前，启动预运行可调激光器光源(例如，2小时)。在连接线缆之前，将DC电源设置为9V并且电源处于关闭状态。接下来，连接电源线并且具有6个旋偏器的装置相应的位1到位6线通过数据I/O卡输出块连接在一起。还可用其它方法得到6位TTL控制信号。具有6个旋偏器的装置连接好后，打开9VDC电源。默认的设置是所有LED显示器在开启状态。要得到更好的SOP重复性，建议预运行被测具有6个旋偏器的装置20分钟。

总共6个不同SOP态可通过一个6位高低数字信号产生。各位的高低逻辑信号能直接通过观察模块面板上的相应LED显示器确认。一个LED“开”代表逻辑表中的“1”；LED“关”代表逻辑表中的“0”。

逻辑表	SOP
		(000101)(001101)(011101)(011100)(111101)(111011)	State 1State 2State 3State 4State 5State 6

在以上逻辑表中，比特的次序从左到右数为位1到位6。当用到这个逻辑表时，态[1，3]，[2，5]和[4，6]形成正交态对。这里用来控制具有6个旋偏器的逻辑表并不是唯一的，它是能够产生6个不同态的许多组合中的一个。在一个有6位二进制TTL码中可以有64种组合，但只有6种不同偏振态。因此，在64种组合一些输出SOP是简并的或接近简并的。不同的逻辑表也可以通过用一个偏振分析仪监视输出偏振态得到。

接下来，由逻辑表引入控制程序和测试TTL。当给模块输入TTL控制信号时检查PSG-6S板上的6个绿色LED是否在闪烁。如果LED闪烁则说明逻辑的高(LED开)和低(LED关)已经成功的从控制器发送到模块中了。另外检查连接确保电脑和模块是正确连接的。来自激光器的光信号从合适的输入和合适的输出导入装置，因为这个装置作为一个偏振发生器是没有方向性的。之后通过依照以上逻辑表控制SOP值，测量光的插入损耗，切换态相关损耗，和切换瞬时损耗。.

没有任何连接器时的插入损耗是在制作装置的时候测量得到的。一个偏振控制器用于将输出偏振态和起偏器的透光轴P对齐。测量得到的1550nm波长的光的具有4个旋偏器的和具有6个旋偏器的装置的插入损耗和理论值0.65dB和0.75dB相比分别为0.83dB和0.90dB。

SOP相关损耗是通过记录测量不同SOP的输出光功率得到的。在测量之前，各旋偏器的切换时间设置为1秒，所以可得到一个稳定的功率读数。最大和最小读数之差为SOP相关损耗，它在1550nm的具有4个旋偏器的和具有6个旋偏器的装置中分别为0.06dB和0.08dB。

在被测的具有4个旋偏器的和具有6个旋偏器的装置中，当进行切换过程中反转加在旋偏器MO晶体上的磁场时，当磁场通过0点时有一个短暂的插入损耗。这个损耗增加通常被描述为切换瞬时损耗(或简单的讲成瞬时损耗)并且能用一个快速光探测器和一个示波器测量出来。瞬时损耗可表示为

这里的ΔV_s为切换过程中的电压凹陷，V_DC为没有切换时候的DC电压输出水平。

${\mathrm{IL}}_{\mathrm{tr}}=-10\·\log (1-\frac{\mathrm{\Δ}{V}_s}{V_{\mathrm{DC}}})$

图29的左边展示了测量得到的一个MO旋偏器的瞬时损耗，右边展示了没有切换时的光信号水平的相应DC电压。基于测量得到的单级切换ΔVs(图左边的通道1的峰-峰值)和VDC(图右边的Cursor Delta)，计算得到的瞬时损耗为各级0.37dB。在一个典型的任意2态切换中，能够进行切换的级数达到了5个，如以上逻辑表中从000101到111011之间的切换。

被测的具有4个旋偏器的和具有6个旋偏器的装置的SOP切换时间是通过利用一个TEK210数字示波器测量得到的。各被测装置的切换时间包括两个主要的构成部分：一个大约100μs的时延和一个大约50μs的上升时间。

一个SOP发生器，可以被设计用来产生均匀分布在邦加球上的互不相同的偏振态并且两不同偏振态之间夹角互成90度。这些偏振态能满足高精度的测量。在实际装置中，SOP的精确度可能被装置的一些因素限制住，例如，MO晶体的切换角度。MO晶体的旋偏角度为晶体厚度，光的波长，环境温度，和晶体方位角的函数。当晶体厚度和方位角有很好地控制并且是均匀的情况下，SOP的绝对精确度主要相关于光波长和环境温度。

图30展示了被测具有6个旋偏器的装置的邦加球上旋偏角的波长相关性。实际旋偏角为这些邦加球测量值得一半。实际MO晶体的波长相关斜率为0.0668deg./nm，在制造商提供的数据(-0.068deg./nm)的2％范围内。

另一个SOP发生器的性能参数是产生的SOP的重复性。产生的SOP的重复性可以通过重复的切换两个任意的SOP来得到。一个典型的两SOP之间的切换路径如图31所示。这些点描绘的初态和终态保持为两个非常清晰的定义的点，说明了装置优秀的SOP重复性。图31同样展示了从SA切换到SB和从SB切换到SA的路径不同，是交织在一起的。

回到参考图5，一个理想的具有4个旋偏器的装置能产生5个不同偏振态。在本发明的SOP覆盖测量中，来自驱动卡的全部的64个二元态都可用于驱动具有4个旋偏器的装置和具有6个旋偏器的装置。图32A和32B分别展示了具有4个旋偏器的和具有6个旋偏器的装置中在邦加球上的SOP的截图。在图32A中，标记了具有4个旋偏器的装置产生的5个不同的偏振态。显而易见的，在SOP A和C附近，有一些接近A和C的偏振态。这些点为什么没有交叠在点A和C上的原因尚不清楚。图38B展示了由一个被测的具有6个旋偏器的装置产生的邦加球上A-F所示的6个不同偏振态。偏振态B，C和F散布的比较少，而A，D，和E有一些接近简并的态，这些态的位置取决于与初始和最后的态。比较图32A和32B，很明显的，具有4个旋偏器的装置只覆盖了邦加球的一部分(例如，只有半个邦加球)，而具有6个旋偏器的装置对称的覆盖了整个邦加球的SOP，能提供更精确的测量。

以上多旋偏SOP发生器可用于产生不同SOP和分析输入光的SOP。在某些应用中，可以通过一个光系统测量得到光元件，装置，模块和双折射材料的偏振特性，这个光系统包括一个多旋偏SOP发生器(例如，一个偏振态发生器或PSG)用于产生具有不同SOP的探测光照亮被测装置或样品，和一个SOP分析仪或偏光计(例如，一个偏振态分析仪或PSA)利用另一个多旋偏SOP发生器来测量来自被测装置或样品的输出光。因为这个系统的输入SOP和输出SOP为已知的，装置或样品的偏振参数可以通过求解Muller矩阵方程得到。在这个系统中，可以利用偏振态分析仪(PSA)分析样品的双折射性质。PSG和PSA可以通过4个或更多片具有+/-22.5度旋转角的法拉第旋偏器构成。还可以利用其他旋偏装置，例如，旋偏器还可以由液晶单元构成。基本上，PSG能产生邦加球上4个特定偏振态。如以上的描述，PSA仅仅是在输出端利用起偏器光学翻转的PSG和一个用于接收光的光探测器。在这个设计中，PSA还可以产生具有邦加球上4个特定偏振态的光束，它的功率通过起偏器进行分析。利用四个SOP相应的四个功率读数确定引入光的SOP。

图33举例说明了测量样品或光装置的系统。它提供了一个支架用于固定将被测样品或装置。一个放置在输入光通道中的PSG用于控制输入SOP和一个放置在输出光通道的PSA用于分析传输光束的SOP。在PSG中，可利用一个输入线起偏器来控制输入的偏振。

特别是，当PSG和PSA基于同一个多旋偏器的设计时，PSA实质上是PSG的镜像。所以，在被测样品或装置中可以用一个镜子或反射镜将传输经过样品的光返回样品，并且在探测在回转方向的PSG的SOP时不需要另一个PSA。这种SOP系统可被看作折叠了图33中系统的折叠系统。

这种折叠系统有许多优点。例如，在系统中只有一个PSA装置，如具有4个旋偏器的或具有6个旋偏器的PSG，简化了系统并且降低了系统成本。另一个例子，与图33中的非折叠系统相比，折叠系统相对的SOP误差能够明显的减少或消除，因为发生器和分析仪经历了完全相同的不完美或偏移量。而且，折叠系统比图33中的非折叠系统有更简单的样品放置方法，尤其是样品更容易在x-y移动台上放置，探测光在折叠系统的样品中传输两次并且在样品互感厚度中完成两折叠增加用于改进测量和信噪比。这个折叠系统还有一个比图33中非折叠系统小巧的设计，适合在多种便携式的装置中应用。

图34A，34B，35和36展示了折叠系统的例子。在各例子中，将一个偏振分束器(PBS)用作为产生沿着一个方向的SOP的输入起偏器，和沿着这个偏振正交方向的输出起偏器实现SOP分析的操作。在图34中，一个准直透镜用于使输入光通过PBS进入测量装置，光探测器用于直接接收来自测量装置，经过PBS后的反射光。在图34B中，第二个准直透镜放置在PBS和光探测器之间用于校准反射光。在图35和36中，被测的样品为一卷光纤，第三个放置于旋偏器和光纤卷之间的准直透镜用于校准进入和从光纤卷反射回来的光。

如图35所示的装置，能够在单一或者多波长的情况下测量被测样品或装置。图35中用了一个宽谱光源产生不同波长的输入光。作为选择，还可用不同的单波长光源产生不同波长的光，并且耦合不同波长的光束送入系统中。在探测时，输出光可通过滤波器空间上分离开来，例如，利用一个波长解复器或一个光谱分析仪分离光。接下来探测器接收不同波长的输出光束。因此，被测样品或装置的不同波长的偏振特性能够同时地被测量出来。

以上和其他描述的折叠系统可有许多应用，包括小型双折射分析仪，测量水果，甘蔗，和糖尿病的糖分的便携式糖份分析仪(糖具有旋光性能够使SOP发生旋转，并且SOP旋转的量和含糖量有关)，和光窗的双折射分析。

图37A和37B展示了两个具有四个或更多旋偏器的多波长偏振分析仪的例子。这种系统可应用在同时进行WDM多通道测量的情况中。

图37A展示了一个利用一个衍射光栅和一个透镜分离光的不同波长的装置。通过起偏器后的光在波长上被衍射光栅分离，通过透镜聚焦在一个光探测器阵列的不同位置上。分析不同通道的光功率能得到各通道的SOP，DOP，PMD值。在图37B中，输入的具有所有不同通道的光在穿过起偏器后被一个WDM或密集型WDM解复器分离开来。接下来监测具有不同SOP的各通道的光功率大小，得到各通道的SOP，DOP，和PMD的全部信息。

要改进光谱的分辨率，可在光被光栅和透镜或解复器空间分离之前利用一个可调谐的法布里-泊罗过滤起偏器的输出。可调滤波器的自由谱宽度与WDM或DWDM信号的多波长通道间隔相同。例如，一个具有100GHz频率间隔的DWDM系统，它的滤波器的自由谱宽度(FSR)也同样选择为100GHz。分辨率随滤波器的精细度(F)增加。例如，一个精细度为100的法布里-泊罗滤波器相应的光谱分辨率为1GHz。精细度为1000时，光谱分辨率为0.1GHz。一个10Gb/s的信号的带宽大约为10GHz。F-P滤波器扫描整个信号谱并且测量各频率分量的SOP得到光纤的差分群延时(DGD)和光纤的主偏振态(PSP)方向。图38举例说明了这种多通道分析仪的操作流程。

在没有消偏的情况下，光信噪比(OSNR)直接相关于各通道的DOP∶OSNR＝DOP/(1-DOP)。因此，这个装置可以当作各通道的光谱，OSNR，DOP和PSP的性能监测仪使用。因为光谱分辨率非常高，OSNR也可以通过F-P滤波器扫描各通道直接得到。各频率扫描得到的最小探测功率相当于各通道的噪声功率p_n(v)。各频率v的信号功率p_s(v)等于测量得到的功率p(v)减去噪声功率p_n(v)：

p_s(v)＝p(v)-p_n(v)

$\mathrm{OSNR}=\frac{{\∫}_{-\mathrm{\Δ}}^{\mathrm{\Δ}}p\left(v\right)-p_n\left(v\right)}{{\∫}_{-\mathrm{\Δ}}^{\mathrm{\Δ}}{p}_n\left(v\right)}$

没有消偏的情况下，通过DOP测量的得到的OSNR结果和通过光谱扫描测量得到的结果应该是一致的。因此，利用一个DGD可忽略的短光纤得到测量结果之间的一个校准系数。

存在PMD(消偏)时的DOP可表示为：

$\mathrm{DOP}=\frac{P_{\mathrm{pol}}}{P_{\mathrm{pol}}+P_{\mathrm{nonpol}}}=\frac{(1-\mathrm{\δ})P_s}{P_s+P_n}$

这里的Ps和Pn为给定带宽的信号和噪声的功率，δ为消偏系数，在没有消偏的情况下为0，完全消偏的情况下为1。OSNR和DOP有如下关系：

$\mathrm{SNR}=P_s{/P}_n=\frac{\mathrm{DOP}}{1-\mathrm{\δ}-\mathrm{DOP}}$

所以，通过独立的测量DOP和OSNR，计算得到消偏系数

δ＝1-DOP-DOP/SNR

这里描述的SOP发生器能用于取代图13，14，和15中的多通道偏光计/偏振分析仪中的可旋转的四分之一波片和起偏器集合。这种SOP发生器还可用于其它的应用。

上述基于PSG装置的例子用到四个或更多旋偏器和一个四分之一波片的组合。但是，一些实现方案中我们可以去掉四分之一波片。所以在另一些实现方案中，也可以会用一个两主偏振相对相位延迟与四分之一波片延迟不同的波片代替四分之一波片。和四分之一波片相同，这个非四分之一波片也可放置于相对于旋偏器的任何位置。

这个发明的另一个实现方案是，只利用两个旋偏器产生至少三个偏振态，例如0，+45°，和-45°的线SOP。所以一般而言，可以利用这个发明的概念叠加两个或更多的旋偏器产生一些需要的SOP。

虽然这里只描述了少数例子和实现方案，但是其它的实现方案，变更，修正，和完善都是可能的。

Claims (27)

1.一种产生和分析偏振态的装置，其特征在于，该装置包括：

至少4个旋偏器，放置形成一个光通道；各旋偏器是可调节的，用于改变穿过光通道中的光的偏振旋转角；和

一个光偏振装置，放置在旋偏器的一端的光通道中，用于传输一束经过选择的线偏振光。

2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述的光偏振装置，放置在光通道中用于接收穿过旋偏器后的光产生一个输出光束，并且这个装置还包括一个光探测器用于测量一个输出光束的功率大小。

3.如权利要求2所述的装置，其特征在于，还包括：

一个控制单元，用于控制旋偏器使穿过旋偏器后的光束产生4个不同的偏振态；和

一个机制，用于处理输出光束的四个不同偏振态的功率大小，从而确定旋偏器接收到的光的一个偏振态。

4.如权利要求1所述的装置，其特征在于，把所述的光偏振装置放置在光通道中用于接收一个输入光束，并且把旋偏器放置在光偏振装置之后用于接收穿过光偏振装置的光并且产生一个输出光束。

5.如权利要求4所述的装置，其特征在于，还包括一个控制单元用于控制旋偏器在输出光束中产生一个偏振态。

6.如权利要求4所述的装置，其特征在于，还包括：

一个反射镜，用于把输出光束反射回旋偏器，而产生一个沿着光通道的反射光束，

所述的光偏振装置是一个偏振分束器，用于反射在反射光束中的与经过挑选的线偏振正交的偏振方向的那一部分；和

一个光探测器，用于测量所述偏振分束器中反射部分的功率大小。

7.如权利要求6所述的装置，其特征在于，还包括一个光学装置，它放置在光偏振分束器和光探测器之间，用于将反射部分分离为不同波长的光束。

8.如权利要求6所述的装置，其特征在于，还包括：

一个控制单元，用于控制旋偏器使穿过旋偏器后的光束产生至少四个不同的偏振态；和

一个机制，用于处理测量得到的反射部分的功率大小并且确定反射镜和旋偏器之间的一个样品的偏振特性。

9.如权利要求6所述的装置，其特征在于，还包括放置在光通道中的一个波片。

10.如权利要求9所述的装置，其特征在于，所述的波片不是一个四分之一波片。

11.如权利要求9所述的装置，其特征在于，所述的波片是一个四分之一波片。

12.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述的旋偏器组中的第一和第二个旋偏器是相继放置在光通道中的；

还包括一个四分之一波片，在光通道中用于接收上述的第一和第二个旋偏器的输出光；并且

所述旋偏器组中的第三和第四个旋偏器是相继放置在光通道中的，用于接收所述四分之一波片的输出光。

13.如权利要求12所述的装置，其特征在于，所述的各旋偏器是相互对齐的，所述第一和第二个旋偏器向相同方向旋偏产生一个总的45°旋偏角，所述第三和第四个旋偏器向相同方向旋偏产生一个总的45°旋偏角，并且所述第一和角第二个旋偏器向相反方向旋偏产生一个总的0°旋偏角，所述第三和上述第四个旋偏器向相反方向旋偏产生一个总的0°旋偏角。

14.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述的各旋偏器是一个磁-光旋偏器。

15.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述的各旋偏器响应第一个控制信号产生+22.5°旋偏角，并且响应第二个控制信号产生-22.5°旋偏角。

16.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述的各旋偏器响应第一个控制信号产生11.125°旋偏角，并且响应第二个控制信号产生-11.125°旋偏角。

17.如权利要求1所述的装置，其特征在于，还包括：

一个光栅，放置在光通道中用于接收穿过旋偏器的光并且分离不同波长的光到不同的方向；和

一个透镜，用于将不同波长的光从光栅导向一个光探测平面的上的不同位置。

18.如权利要求17所述的装置，其特征在于，还包括一个可调谐法布里-泊罗滤波器在光通道中，用于过滤进入所述光栅之前穿过旋偏器后的光。

19.如权利要求1所述的装置，其特点在于，还包括一个波长解复器放置在光通道中，用于接收穿过所述旋偏器后的光并且分离不同波长的光到不同的光束中。

20.如权利要求1所述的装置，其特点在于，所述的各旋偏器是一个液晶元件。

21.一种产生和分析偏振态的方法，其特征在于，包括以下步骤：

利用至少四个可调旋偏器在光通道中传输光并且控制传输光束的一个偏振态；

控制所述各旋偏器，使偏振态旋转两个不同的预设的角度；并且

控制至少四个旋偏器工作在不同旋偏器设置下，产生至少四个不同的偏振态。

22.如权利要求21所述的方法，其特点在于，所述的两不同预设角度依次是+22.5°和-22.5°。

23.如权利要求21所述的方法，其特点在于，还包括：

使光线在至少四个不同的偏振态下传输经过一个偏振特性有待测量的样品；

测量传输经过样品后的光线的相应输出偏振态；并且

利用输入样品的光的至少四个不同偏振态和相应输出偏振态来确定样品的偏振特性。

24.如权利要求23所述的方法，其特点在于，还包括：

使光线在至少四个不同的偏振态下传输经过一个偏振特性有待测量的样品；

反射回来的光作为一个反射光束传输经过样品和至少四个旋偏器和四分之一波片；

在一个特定的偏振输出下测量反射光束的功率大小；并且

利用测量得到的功率大小确定传输经过样品的光的相应输出偏振态。

25.如权利要求21所述的方法，其特点在于，还包括：

使一个偏振态未知的光束在光通道中传输经过至少四个旋偏器；

控制至少四个旋偏器工作在不同旋偏设置下，产生至少四个不同偏振态用于控制光束的偏振；

使光束通过一个固定的起偏器；

测量不同旋偏设置下传输经过特定起偏器后的光功率大小；并且

利用测量得到的功率大小和不同旋偏设置确定光束的偏振态。

26.如权利要求25所述的方法，其特征在于，还包括利用已确定的光束的偏振态来确定光束的偏振度。

27.如权利要求25所述的方法，其特征在于，还包括利用已确定的光束的偏振态来确定光束的一个信噪比。

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