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文本内容:
偏振控制及偏振测试基础知识.偏振态的表示方法
1.偏振态的控制方法
2.偏振态的测量方法
3.偏振度()及其测量4DOP,偏振消光比()及其测量5PER.偏振相关损耗()及其测量6PDL.偏振模色散()7PMD随着通信技术的飞速发展,电信运营商们正在不断地提高系统中单信道的传输速率目前,单波长WDM传输速率为的系统正在建设中,而传输速率更高的系统也已经进入了人们的视野,这对光纤中的偏振40Gb/s模色散()偏振相关调制()放大器的偏振相关增益()等均提出了更高的要求尤其是近PMD,PDM,PDG两年,偏振复用、相干探测技术成为在现已铺设的光缆中实现更高速率传输的热点解决方案,赢得了业内人士的普遍关注另一方面,随着光纤传感技术的突破性进展,光纤传感系统在国民经济的各个领域中得到广泛应用作为解调相位、频移等传感信号的重要方法之一,相干探测成为分布式传感、角速度传感、声学传感、电流传感等传感领域的核心技术而控制偏振态,实现干涉信号的稳定输出,则是相干探测的关键部分因此,我们可以看到,无论是在通讯领域,还是在传感领域,光的偏振都是大家共同关注的问题下面我们简单介绍一下偏振的基本概念、偏振的控制方法及几个重要偏振特性的测量技术.偏振态的表示方法1所谓光的偏振,是指在光的传播过程中其能量分布的偏向性光是一种横波,其能量分布是横向的,也就分布于传播方向的横截面上而能量在此平面上如何分布,则是偏振所要描述的问题了对于完全偏振光,能量在此平面内的分布是确定的,有固定的方向性而对于自然光,其能量分布是没有任何方向上的偏向的,是完全随机的我们日常见到的绝大部分光,则是介于这两个状态之间的,其能量的分布既有一定的随机性,也有一定的偏向性光是电磁波,其偏振状态可以用光的电矢量来描述根据电矢量末端的变化轨迹,偏振光可以分为线偏振光、圆偏振光和椭圆偏振光此外,由电矢量还可以派生出来其他几种表示方法,如偏振椭圆、参数、邦加Stokes球,另外还可以通过琼斯矩阵、米勒矩阵来表示一个偏振器件对偏振态的影响或改变下面我们仅就Stokes参数、邦加球表示法做详细说明图偏振消光比的测量方法
10.)测量光源的消光比)测量起偏器的消光比a b由此可以看出,消光比是描述光束线性度的一个参量,对于线偏光,其能量完全集中于一个方向上,消光比无穷大;对于圆偏光,其能量平均分布于两正交方向上,消光比为;其它偏振光,消光比则介于和无穷00之间另外,对于非偏振光,由于各轴上能量均相等,其消光比也为0在实际应用中,人们通常将另外一个概念与偏振消光比相混淆偏振串音偏振串音是指线偏振光经过一个偏振器件时,偏振主态与其正交方向上的能量串绕偏振串音越大,线偏振光的消光比劣化就越大或者说,偏振串音越大,偏振器件的保偏能力就越弱偏振串音通常由两种因素造成一种是由于偏振光注入偏振器件时没有良好对轴,或者两个偏振器件对接时快慢轴没有完全匹配造成的,如图所示在这种情况下消光比很高的线偏振光注入器件后将会沿器件的11快轴、慢轴分解为两个偏振分量,从而造成消光比下降偏振光注入偏振器件时,或两个偏振器件对接时,对轴精度越高,偏振串音就越小,偏振消光比保持的就越好实际应用中的保偏器件,其自身的保偏性能也是有限的比如一束的线偏振光沿慢轴注入一段保偏30dB光纤,虽然对轴精度很高,确保偏振串音低于・30dB,但经过一段距离传输后,输出光的消光比仍然会有一定程度的劣化这是因为器件本身的保偏能力不够,在传输过程中,快轴与慢轴上的偏振分量会发生耦合,从而造成的偏振串音器件自身的偏振串音与器件的制作工艺相关,也与器件的长度密切相关对于保偏光纤来说,光纤越长,偏振串音越大°我们通常用长保偏光纤的串音来衡量保偏光纤的保偏100m性能,如-30dB/100m______图由于对轴引起的偏振串音偏振消光比有两种主要测量方法一种是前面介绍的旋转起偏器法,另一种是偏振分析仪法采用偏振分析仪测量消光比的光路如图所示窄带光源经过起偏后,注入到待测光纤中,由偏振分析仪检12测输出偏振态在待测光纤上加上扰动,如加热或拉伸等,保偏光纤快慢轴上的两个偏振分量之间的相位差就会发生变化,从而导致偏振态的变化图采用偏振分析仪测量消光比
12.经过理论推导,我们可以得到偏振态在邦加球上的变化轨迹是球面上的一个圆,并且消光比的数值与圆的半径满足一定的关系通过测量偏振态变化的轨迹,就可以算出偏振消光比在实际应用中,给光纤施加拉拽或加热等扰动是不方便的一种替代方法是采用可调激光器作为测试光源,进行波长扫描实现相位差改变在这种方法中,待测光纤是不发生变动的,而传输光的波长进行扫描在确定的光程下,相位与波长直接相关,波长的变化就会引起快轴、慢轴之间的相位差变化,从而引起输出偏振态的变化图是波长扫描法的测试光路图及测试结果13图波长扫描法的测试光路图及测试结果13由于要测输出光的偏振态,所以采用偏振分析仪测量消光比的方法具有一定的局限性如果采用宽带光源,相干长度较短,在经过待测器件后,如果快慢轴之间产生的相位延迟超过了光源的相干时间,输出的两个正交分量之间将不再有相关性,也就无法组合成输出偏振态进行偏振态测试了所以,此种方法必须采用窄带光源另外,对外界扰动或波长扫描的要求,大大影响了测试速度,无法实现生产过程的实时监控,不适合工业化生产的需要再有,偏振分析仪价格昂贵,资金投入太多相较而言,专为工业化生产设计的消光比测试仪具有测试速度快、测试精度高、性价比高等诸多优点,是科研、生产的理想选择偏振串音的测量方法与消光比基本相同,如图所示仔细分析,我们可以看到最终测试结果其实是多个14指标的叠加效果,其中包括起偏器的起偏消光比、起偏器与待测器件的对轴串音、待测器件自身的偏振串音、1可旋转起偏器的消光比和功率计的测试精度实际上,在测试光路中,每经过一个器件(具有起偏作用的器件除外)、一段光纤、一个接头,偏振串音都会增加,测试到的消光比都会逐级劣化要想得到更加精确的偏振串音测试结果,必须确保起偏器具有较高的起偏消光比、起偏器与待测器件具有较小对轴串音、消光比测试仪具有较高的测试精度图器件偏振串音的测试光路
14.返回.偏振相关损耗()及其测量6PDL在通信和传感领域,都是一个非常重要的指标,它体现了一个器件对不同偏振态的敏感度定义为PDL PDL不同偏振态通过待测器件后最大功率与最小功率的比值,以对数的形式表示图偏振相关损耗的定义
15.理想情况下的各向同性器件对各个偏振态的损耗相同,值为;而理想情况下的起偏器,对一个偏振方PDL0向没有损耗,而在正交方向上损耗为无穷大,趋近于无穷大对于任何无源器件,其偏振相关损耗的数值PDL都是确定的,可以将确定的无源器件等效为部分起偏器+无损耗的偏振态变换元件PDL的测试方法很多,我们仅就其中的几种方法进行说明PDL扰偏法按照的定义,我们可以采用图所示的光路,线偏振光经过偏振控制器扰偏后,快速生产各PDL16种偏振态,逐一经过待测器件,通过光功率计记录透过功率的最大值和最小值,通过计算即可得到扰偏PDL的方法有两种,一种是随机点的方式,另一种是扫描方式在扫描方式中,偏振态不是从一个点跳到另外一个点,而是划过一个轨迹,这样能够更加有效地覆盖邦加球图扰偏法测量偏振相关损耗
16.不论是随机点的方式,还是偏振态扫描的方式都存在邦加球覆盖率的问题测量时间越长,邦加球的覆盖率就越高,的测量就越准确;相反如果扰偏速度慢,或测量时间短,测量就不准确对于较大的器件,PDL PDL如果透射功率的最大值落入未被覆盖的区域,测量结果将出现较大的误差常扰偏法测量高器件时结果都PDL不太准确图扰偏时间与测量误差关系图
17.PDL四态测量法四态测量法也叫米勒矩阵法,是被大家认可的较为准确的测量方法其原理如图所示PDL18偏振光源通过偏振控制器后先后生成四个确定的偏振态(、、、)四个偏振态在经过待测器LHP LVPL+45RHC,件之前的功率分别为、、、在经过待测器件之后的功率分别为、、、Pa PbPc Pd,P1P2P3P4o图四态测量法测量偏振相关损耗
18.通过以下公式计算出米勒矩阵的四个矩阵元、、、再计算出待测器件的m11m12m13m14,PDL此种方法仅需要生成四个偏振态就可以测出器件的测量速度比扰偏法明显提高但由于需要测量个功PDL,8率值才能计算出功率计的噪声和测量误差将很大程度上决定的测量误差其次,由于需要先后测量不PDL,PDL经过和经过待测器件的功率,光源的稳定性会对测量结果产品不小的影响解决办法之一就是采用实时功率参考,输入光在经过待测器件之前,被精确地分出进行功率测量,另外经过待测器件后,再测量功率50%,50%这样就可以确保功率测量的同时性,避免光源不稳定造成的测量误差三态测量法三态测量法也叫琼斯据阵法,是通过偏振光经过待测器件后,测量琼斯矩阵,从而计算的出PDL的方法,与米勒据阵法类似,这里不再赘述最大值/最小值搜寻法在扰偏法的基础上,人们开发出一种确定的最大值/最小值搜寻法,如图所示偏19振光源通过偏振控制器、待测器件后测量功率,微处理器读取功率值,并通过搜寻算法闭环控制偏振控制,主动找到通过待测器件后的功率最大值和功率最小值,然后计算出PDLo图最大值/最小值搜寻法测量偏振相关损耗19由于只需要通过算法主动地找到功率最大值和最小值,并且是唯一确定的最大值和最小值,因此可以确保测量速度和数据的准确性整套系统结构简单,使用方便,测试速度快,是性价比极高的专业测试设备PDL返回.偏振模色散()7PMD在单模光纤中,传输的基模有两个相互垂直的偏振模式,在理想情况下(光纤横截面圆对称,使用环境没有外界干扰)这两个模式是相互兼并的但由于光纤生产中造成光纤的不对称、内应力,成缆过程中的边应力、光纤扭曲,以及使用过程中的压力、弯曲、环境温度变化等因素,致使两个偏振模式分开,以不同的速度传输,这就是效应两个偏振模之间的差分群时延()会导致信号光的脉冲展宽PMD DGD,其实,一直存在于光纤中,只是在低速系统中对信号的影响不大,可以忽略但随着光纤通信向高速PMD率、多信道、长距离和全光网络化方向发展,特别是或更高速率的通信系统的应用,已经成为限40Gb/s PMD制系统容量升级和传输距离的主要因素早先埋设的光缆都没有考虑的影响,从经济效益方面考虑,为PMD高速系统铺设新的光缆是不切实际的如何在现有的光缆链路中测量、评估造成的影响、采取措施PMD PMD补偿、实现高速率的传输,是充分利用现有线路的最佳选择PMD光纤中的定义为特定波长下,快、慢偏振主态()之间的相位延迟,单位为与群速度色散等DGD PSPps具有确定性的色散不同,任意一段光纤的是一个服从麦克斯韦分布的随机变量,其瞬时值随波长、时间、PMD温度、应力和安装条件的变化而变化定义为在某一特定时间、在指定波长范围内的线性平均值PMD DGD()或均方值()PMDavg PMDRMS通常我们用系数来表示光纤的特性,系数定义为对测量长度归一化的平均值对线PMD PMD PMD PMD路较长的光纤,两个偏振模呈强耦合状态,系数为或除以光纤长度的平PMD PMDavgPMDRMS方根,单位为对短距离光纤或保偏光纤,两个偏振模呈弱耦合状态,PMD系数为PMDavg或PMDRMS除以光纤长度,单位为ps/km的测量方法
7.1PMD正如上面所述,是一个随机变量,与很多因素有关因此如何对其进行准确、有效的测量,一直是人PMD们所关心的一个问题目前,的测试方法,主要有偏振分析法、波长扫描法和干涉法三种PMD偏振态分析法该种方法通过测试待测器件或系统的米勒矩阵、琼斯矩阵或参数,便可从中计算出Stokes PMD图是此类方法的测试光路图,在可调激光器()的某一特定波长,偏振态发生器20TLS()产生三个偏振态、、线偏振光,经过待测器件后注入到偏振分析仪()中进行测PSG04590PSA量,从而得到米勒矩阵、琼斯矩阵或参数调谐波长,重复前面的步骤对于米勒矩阵法、琼斯矩阵Stokes法或邦加球分析法,前面的测量步骤是相似的,不同处在于后面采用不同的计算方法来确定、偏振主态、DGD二阶的波长相关性PMD图采用偏振态分析法测量
20.PMD对于琼斯矩阵法的测量步骤如下(米勒矩阵法同理)对于波长入,得到琼斯矩阵二22)对于波长入发生、、三个偏振态,通过待测器件后得到琼斯矩阵,1L PSG045903)通的本征值和本征矢量决定了并计算得出琼和斯与矩之阵对应的)把对波长取平均就可以得到对波长取平均就的到了6DGD PMD,SOPMDo对于邦加球分析法的测量步骤如下对于波长入、、偏振光通过待测器件后得到偏振态1L04590)对于波长入同理得到22,)计算得到3)计算儿个矢量的微分45对于偏振态分析法测量PMD,PMD的测量范围由可调激光器的步长直接确定,经验公)把对波长取平均就可以得到,二=一对波长取平均就的到了6DGD PMD,SOPMDo式为:o可见,可调激光器的步长越大,PMD的测量范围就越小;反之,的测量范围就越大PMD波长扫描法波长扫描法的光路与偏振分析法基本相同,测试方法的不同之处在于,当发生一个偏振PSG态后,该偏振态在波长扫描的过程中保持不变通过测量输出偏振态与波长之间的变化曲线,计算得出PSA、的平均值DGD PMD其工作原理来源于随信号光频率变化的一个基本定义式其中是光频率变化PMD IIJos过程中偏振态在邦加球上的变化轨迹;为一确定矢量也就是说,随着可调激光器的波长扫描,偏振态将在邦加球上画圆,输出脉冲的强度也呈周期变化因此,通过输出偏振态与波长之间的变化曲线,计算波峰、波谷的数量,就可以算出、的平均值DGD PMD其中,入、入分别是波长扫描范围内,、或的第一个和最后一个峰值出现时的波长,为扫a bS1S2S3Ne描范围内出现的峰值个数,为一常数K
10.8干涉法图是一种干涉法测量的光路图宽谱光源的起偏后经过待测光纤,然后被耦合器分成两21PMD束光,分别经过一个固定的反射镜和一个可移动的反射镜反射后发生干涉,形成结构的干涉仪Michelson由于采用宽谱光源,相干长度很短,当两臂臂长完全相等时,探测器可观测到干涉条纹而当可移动的反射镜位置发生变化时,干涉条件被破坏,探测器上的干涉条纹消失同时,由于光源具有良好的偏振特性,干涉仪中的两臂中均有两个正交偏振态,并且由于待测器件的作用后,两臂中的正交偏振态并不是同时到PMD达反射镜这样,当可移动反射镜的移动到某一特定位置时,一个臂的快轴光与另一臂的慢轴光同时到达探测器,干涉条件重新建立,这样在探测器上可以再次观察到干涉条纹并且,由于是部分干涉,强度将减弱,这样通过测量出现较弱干涉条纹时的反射镜移动距离,就可以直接算出器件的PMDo利用此种方法测量一定要确保使用的光源是低相干性的偏振光源否则,由于相干长度较长,不论可PMD,移动反射镜的位置如何发生变化,在探测器上都将可以观测到干涉条纹,无法进行的测量干涉法测量PMD具有测量速度快,设备体积小等优点,特别适合于现场测量PMD,图,干涉法测量21PMD的仿真和补偿
7.2PMD当前的通信系统,普遍采用的都是以及系统,在一根光纤中传输多个信道由于是波长WDM DWDMPMD相关的,对于不同波长,的大小也不同,这就给仿真和补偿带来了很大的困难不同的系统应用对PMD PMD仿真的要求也不一样,有的需要模拟实际光纤中的各种随机变化的有的则仅要求模拟中某一PMD PMD,PMD阶或几阶的分量根据这样的要求,仿真器主要包括两大类一类是模拟长距离单模光纤中PMD PMD PMD的统计行为(如分布),称为全阶仿真器;另一类则只模拟所需的波段内指定的一阶Maxwellian DGDPMD或高阶称为独立阶模拟器PMD,PMD
一、独立阶仿真器PMD参数通过、、、等个参数来全面描述光源的偏振特性个参数的定义如下Stokes SOS1S2S344StokesS0=P0S1=PX—PYS2=P+45-P-45S3=PL-PR其中,是总光功率(包括偏振光部分和非偏振光部分),、、、、、分别代表沿P0PX PYP+45P-45PL PRX轴(方向)、轴(方向)、方向、・方向、右旋()轴、左旋()轴的光功率0Y90+4545RHC LHC我们定义偏振度()来表征偏振光占总光强的比重DOP不同类型光源,也不同,取值范围从激光器、外腔半导体激光器的较高,接近而放DOP0-1DFB DOP1大的自发辐射光源()、发光二极管()、超辐射发光二极管()的较低ASE LEDSLED DOP当时,我们将、、对进行归一化,并把、作为一组坐标,就可以得到一个球的DOP=1S1S2S3S0S3S2S3方程也就是我们所说的邦加球我们可以看到,赤道线上各点对应于线偏振光;S12+S22+S32=1,S3=0,两个极点对应于圆偏振光;球面上的其他点对应于椭圆偏振光;球面以内的部分对应于部S1=S2=0,DOP1,分偏振光图.通过邦加球表征偏振态1返回偏振态的控制方法
2.独立阶仿真器,也称为确定仿真器,是根据系统需求,对的某一阶或某几阶进行模拟的仿真器根PMD据仿真的阶数,可以分为一阶仿真器,高阶仿真器和多阶仿真器PMD PMD PMD PMD一阶仿真器的结构比较简单,只需一个偏振分束器、一个偏振合束器和一个可调的相位延迟器,其原理PMD图如图所示信号光经偏振分束器分束后,在一路中引入相位延迟,再经偏振合束器合束后,两偏振模之22间便产生了延迟,形成了性能更加可靠的仿真器的结构稍微复杂一些,先通过磁光偏振开关来切DGD DGD换不同偏振态,再通过双折射晶体来产生相位延迟,将加入到系统中此种结构不含任何机械调节部分,DGD产生速度快,偏振态稳定,非常适合目前的系统应用DGD图一阶仿真器
22.PMD多阶模拟器采用级联的结构来同时实现很多阶的仿真,如图所示该仿真器采用四级结构,图PMD PMD23中仅画出了两级,每级由双折射晶体构成,各级之间通过旋转波片相隔这些旋转波片构成相移器,将每段的双折射相位调节到一个很小的范围内一旦所有相移被调节一致,他们就会一起被一起旋转,来产生所需要的一阶与高阶的组合了PMD】图多阶仿真器
23.PMD高阶仿真器主要应用于已进行过一阶补偿的系统中,要求只产生高阶而对一阶进行PMD PMD PMD,PMD抑制实现方法可采用图所示的光路结构,图为干涉式结构,图为基于光纤光栅式的高阶仿真器,2424a24b这些方法都能很好地消除一阶应,只产生出高阶来PMD PMD图高阶仿真器24PMD
二、全阶仿真器PMD全阶仿真器也称统计仿真器,是用来模拟实际光纤中各种真实的效应的,其中也包含对各PMD PMDPMD阶的仿真这种仿真器采用级联结构,将多个线性双折射材料串连起来,通过改变各级之间的偏振耦合、PMD波长、双折射相位延迟等因素,来产生各种不同的值随着级数的增加,其特性将越来越接近实际PMDPMD长距离传输光纤中的效应PMD根据改变时所调整参数的不同,全阶仿真器可分为固定结构、旋转结构、分散结构、相位、旋PMDPMD转+偏振开关,以及可调结构等多种类型,如图所示每种结构的仿真器都是通过多级的串联,调节每级内25及级间的特定变量,以实现了各种不同态的产生PMD图全阶仿真器
25.PMD
三、补偿PMD补偿的原理与仿真非常相似典型的一阶补偿器由一个偏振控制器,及一个固定或可变PMDPMDPMD发生器组成的,通过对所需的偏振态进行补偿,来减轻系统中的偏振模色散作用此外,在高阶DGD DGDPMD补偿中,发生器也将会起到一定作用因此,发生器可以说是补偿中的一个关键器件DGD DGDPMD目前,随着技术的发展,补偿的方案非常多,发生器等补偿器件的制作已不再是主要问题,PMD DGDPMD取而代之的是补偿的控制算法因为伴随着补偿精度要求的提高,补偿器所需的自由度也越PMDPMDPMD来越高,这些自由度的控制算法也就越来越复杂并且,这些控制算法还要严格依赖于信号反馈的监控精度,这就对算法提出了更高的要求在补偿器中,所采用的控制算法的好坏将对其性能产生重要的影响PMD目前,商用的偏振控制器种类很多,具体方法和实际性能各不相同,但其原理均是通过双折射效应来使一个偏振态的两个分量产生不同相位延迟,从而再重新生成所期望的偏振态根据其技术原理,偏振控制器大体可分为三类、由多个延迟固定、方位角可变的波片组成;A、由单个延迟可调、方位角可变的波片组成;B、由多个方位角固定、延迟可调的波片组成;C图是一个典型的偏振控制器的结构图,它由三个延迟固定、方位角可变的波片组成,一个人()2a/2HWP波片处于两个入()波片中间,每个波片都可沿着光轴相对于其它波片自由转动第一/4QWP个波片的作用是将任意输入偏振光转变为线偏振光,然后波片将此线偏振光旋转到任一希望得到的偏A/4A/2振方向,于是第二个波片就能将该偏振光转变为任何希望得到的输出偏振态A/4虽然,这种方法应用在商用化的产品中已经颇见成效,但这项技术存在很多缺点首先,光线的准直、对轴、聚焦不仅费时,而且耗费众多劳力其次,波片、微透镜等元件都价格不菲,并且需要镀增透膜、抛磨斜角以减少背向反射再次,由于不可避免的要将光从一根光纤中耦合输出,然后再将其聚焦进入另一根光纤,以至于插入损耗很大而且,波片本身就对波长敏感的,从而使得此种偏振控制器也对波长敏感最后,使用电动机或其它机械器件旋转波片,都会限制偏振控制器的控制速度基于相同原理的全光纤偏振控制器(如图所示)即可以减少插入损耗,又可以降低成本在这种装置中,2b三个光纤线圈取代了自由空间的延迟波片,线圈弯曲产生的应力,可以产生与线圈直径平方成反比的双折射效应调节光纤线圈的直径和圈数即可得到任何希望得到的全光纤波片但这种方法的缺点在于对波长敏感、控制速度慢而且为了减少由光纤弯曲引入的插入损耗,光纤线圈直径必须很大,从而使这种偏振控制器的体积变大因此,这种“米老鼠耳朵”形状的偏振控制器主要局限在实验室中使用速度是网络技术发展的一个关键要素,机械旋转波片难以满足在调节速度方面的要求因此,人们开始开发基于材料的快速偏振控制器(如图所示)这种偏振控制器由三个波导结构组成,其中两个波LiNbO32c导用来充当入波片,另一个用来充当人波片不再需要旋转波片,两个控制电压和光电效应即可决定各/4/2波片的相对取向,选取合适的电压即可实现每个波片取向的无限制旋转这种方法的主要缺点是高插入损耗()、高偏振相关损耗()、高启动损耗()以及昂贵的价格并且,这种装置至〜3dB〜
0.2dB〜
0.15dB少有九个参数需要优化,不仅使用复杂而且造价高一种替代的方法就是补偿器,它可以将任意输入的偏振态转变为任何希望得到的输出偏振态Babinet-Soleil这种装置的核心器件是一个由两个楔形双折射晶体组成的复合波片(如图所示)波片厚度(对应于总延3a迟)的变化可以通过两块晶体的相对滑动来实现;同时、复合波片的取向可以绕光轴旋转与前面提到的装置(图)相比,这种装置具有对波长不敏感的优点,因为它可以实现任何波长的精确延迟但这种装置具有成2a本高、插入损耗高、调节速度慢等缺点为了降低成本、减少损耗,一种新型的光纤偏振控制器(如图所示)被开发出来这种偏振控制器基于3b与补偿器相同的原理,由一个可绕光纤旋转的光纤挤压器组成对光纤施予压力以产生一个线Babinet-Soleil性的双折射,等效产生一个延迟随压力变化的全光纤波片这样仅仅通过简单的挤压和旋转操作就可由任意输入偏振态产生任何希望得到的输出偏振态这种装置不仅插入损耗低、成本低,而且与“米老鼠耳朵’形状的偏振控制器相比,它还具有体积小、对波长不敏感的优点偏振控制器还可以使用几个取向成角的自由空间波片来实现(如图所示)每个波片的延迟随加载454a的电压变化;波片的取向固定这种可变延迟波片可由液晶、电光晶体或电光陶瓷等材料制成采用液晶材料的缺点是调节速度慢,而电光晶体一般需要极高的工作电压这种类型的偏振控制器一般具有插入损耗高、成本高、以及由增透膜和微透镜造成的工作带宽窄等缺点一种与图所示装置具有相同工作原理的全光纤偏振控制器(如图所示)可以解决插入损耗高和成本4a4b高的问题波片的延迟随光纤挤压器施加的压力而变化这种装置的关键在于如何提高器件的可靠性、紧凑性和性价比在这种偏振控制器中有、、、四个挤压器,每个挤压器在邦加球上对应一个从球心到球面的045045轴,通过给挤压器加电压,偏振态就会绕该轴在邦加球上做弧形变动与挤压器在邦加球上所确定045的转轴是正交的这样通过四个挤压器、两个正交轴,就可以实现任意输入的偏振态到任意输出偏振态之间的变化返回前面我们提到了偏振态有诸多表示方法,参数法更加直观,并且可以方便地把偏振态显示在邦加球Stokes上,是比较通用的表示方法根据参数四个分量的定义,我们可以采用图所示的偏振分析仪对偏振Stokes5态进行测量第一种偏振测试仪包括一个旋转波片、一个检偏器和一个探测器;第二种结构中,输入光被分为四束分别在不同取向上进行分析图所示的偏振分析仪采用一个波片与一个检偏器的组合,通过旋转波片,分别形成一个5a1/41/4Oo,45o,和左旋方向的检偏器测量出光经过其后的光强,经过计算,便可得出实时、准确的分量图90Stokes5b则采用分波的形式,将输入光分成四束,同时分别进行测量,得出、、、再通过计算得到、P1P2P3P4,SO、、分波法的优势在于同时测量、、、可以避免光源变化引起的测量误差,具有很好的S1S2S3o P1P2P3P4,可重复性图分波型偏振测试仪的工作原理
6.返回,偏振度()及其测量4DOP前面我们讨论过,定义为偏振光占总光强的比重,可以通过四个分量计算得出另一个DOP Stokes DOP更为直接的定义如下其中,偏振是指光束中偏振成分的功率,非偏振是指光束中非偏振成分的功率,表征了一束光中P PDOP偏振成分的多少不论是在通信领域还是在传感领域,都是光源的一个重要指标光纤放大器是光通信领域的关键组件,DOP对偏振不敏感是放大器一个非常重要的要求不幸的是,无论是在掺银光纤放大器()还是在喇曼放大EDFA器()中都存在偏振相关增益()尤其是在喇曼放大器中,当信号光与泵浦光的偏振方向一致时喇RA PDG曼增益最大,而当两偏振方向正交时喇曼增益儿乎可以忽略,这使得偏振相关增益效应在喇曼放大器中非常严重在光纤传感的某些应用方向,光源的偏振度将直接影响传感系统的设计,尤其是在需要相干检测的传感器中,光源的偏振度更是一项关键指标如果需要将低偏振度的光源变成高偏振度的光源,通常需要用起偏器或部分起偏器将光源起偏相反如果需要得到低偏振度的光,通常需要使用消偏器或采用偏振合波器消除光源的偏振特性的测量方法主要有三种DOP第一种方法,就是使用偏振态测量仪,测出光束的分量,再计算得出测试原理图如图所示StokesDOP5此种方法的主要缺点有偏振分析仪是一款总和测试设备,价格昂贵,如果仅为测量而采用偏振分析仪,DOP测量成本高,利用率过低;另外,从计算公式我们可以得到,的测量误差由、、、四个参量DOP SOS1S2S3的测量误差共同决定,测量误差比较大,尤其是在测量低值时,将会更加显著DOP第二种方法,是采用扰偏方法来进行测量,如图所示扰偏器被置于起偏器和探测器之前理想情况下,8在扰偏的一个周期内,一定会出现信号光的偏振部分与起偏器的起偏方向平行或者垂直当两者平行时,信号光的偏振部分全部通过起偏器,探测到的功率最大;两者垂直时,如果起偏器的消光比足够高,信号光的偏振部分将会被全部阻断,探测到的功率最小由此可知偏振=P Pmax-Pmin而信号光的非偏振部分不会受到扰偏器的影响,对探测到功率的贡献是个常量,但会由于经过起偏器而减半当信号光的偏振部分对探测器的贡献为时,探测器所探测到的功率为非偏振于是有Pmin=P/2因此,只需将输入信号扰偏,然后再探测其最大、最小功率,就可以简便地确定信号光的采用这种DOP方法,扰偏器的速度必须足够快,以便于在很短的时间内就可以使输出偏振态覆盖整个邦加球另外,扰偏器自身的启动损耗必需很小,以至于可以忽略最后,探测器必须足够快、足够精确,以便如实地探测到最大和最小功率但是,不论扰偏器的速度多快、均衡性多好,在有限的时间内,输出的偏振态都无法覆盖整个邦加球,一般都会留有一个未被覆盖的区域,产生较大误差同时此种方法为了确保测量的准确性,测量所需时间也会较长,不利于在对测量速度要求较高的场合应用DOP为了消除扰偏法中的不准确性,人们设计发明了一套准确的测试方法一一最大值/最小值搜寻法如图所9示,使用一个反馈回路来控制偏振控制器、调整偏振状态,以探测得到最大功率和最小功率不再象扰偏法中靠误打误撞来寻找偏振态,最大值/最小值搜寻法可以确保测试仪准确无误地测定和再计算出Pmax Pmin,由于只需要搜寻两个点,并且这两个点在邦加球上能够准确、唯一地找到所以,不论是测量低DOP DOP,还是测量高测量的速度和准确性都可以得到保证,从而克服了偏振测试仪法(测量低时不准确)DOP,DOP和扰偏法(测量高时不准确)中存在的缺点DOP最大值/最小值搜寻法实质上是一种闭环控制的扰偏法,它去除了扰偏法的不准确性,但又继承了扰偏法所有的优点,包括对波长不敏感、无需校准、承受功率高、操作简便、结构简单和成本低等不仅如此,它还具有测试速度快的优点(小于)
0.2s返回.偏振消光比()及其测量5PER偏振消光比是指沿偏振主态方向分解的两个正交偏振分量之间大小关系对于光源来说,消光比越高,输出光越接近于线偏振光对于起偏器来说,消光比越高,将输入光变为线偏振光的能力就越强偏振消光比可以通过旋转起偏器的方法进行测量,如图所示假设起偏器的消光比足够高,大于光源的消10光比,并且可以连续旋转当起偏器的起偏方向与输入光偏振主态方向重合时,功率计探测到的功率最大;当起偏方向与偏振主态方向正交时,功率计探测到的功率最小这样偏振消光比就可以通过下式计算得出。