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PDL(Polarization Dependent Loss)测试

PDL(Polarization Dependent Loss)测试






目录:

  1. PDL的定义与其重要性;
  2. PDL的测试方案;
  3. 优峰GouMax的PDL测试介绍;
  4. PDL测试实例对比;
  5. 总结。
  • PDL的定义与其重要性。



1.1: 偏振方向的定义:在光通信领域,用激光做为信号发射源。这篇文章里头,我们的讨论,仅止于对激光的偏振特性做简介。

光是电磁波的一种,电场震动的方向,就定义为光的偏振方向。光在单模光纤或者在自由空间传递时,电场的方向和传递的方向是互相垂直的。在这篇文章里,我们把光传递的方向称为Z-方向,电场在XY-平面。对于任何一个在XY平面上震荡的电场,都可以把它分解成水平和垂直两个正交分量,振幅分别为E_x和 E_y. 为了方便描述偏振光,我们定义两个角度:电场方向角α,以及两个电场分量之间的相位差,δ。其中, tan(α)=E_y/E_x。在相位差为零时,电场的震荡的方向离X-轴α角 (逆时针)。这种偏振态称为线偏振。对于相位差不为零的偏振态,都称为椭圆偏振(包含圆偏振)。每一组(α,δ), 唯一的定义了一个光的偏振态。α 的值介于0 的 90 度之间;δ则介于0 到360 度。为了将偏振态更形象化,科学家把每个偏振态表达为在单位球上的一个点,这个球坐标就采用(2α) 作为极角(polar angle),δ 做为方位角 (azimuthal angle)。 球上的每一个点,代表独一无二的一个偏振态。这个球就是著名的庞加莱偏振球(Poincare Sphere)


1.2,PDL的定义:对于给定的入光功率进入光器件,它的出光功率会随着入光的偏振态而改变。如果最大和最小的出光功率为,P_max和P_min, 则PDL的定义为,

PDL=10log[P_max/P_min ]

PDL(Polarization Dependent Loss)就是在所有可能的入光偏振态里头,器件的最大的差损和最小的差损的差额。

PDL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差损变化范围,这个值要越小越好。在光网络里,有很多的光器件串联在一起,整个光路的最后差损值,是个别器件差损的总和。因为各个器件都有一定程度的PDL,接收端能够收到的光强度,就会和偏振态有关。由于光信号在单模光纤里头传递之后,偏振态是不可控,而且随时在改变。因此,如果总和的PDL过大,那么接收端收到的信号强度,会有很大的不确定性,这会使得传输的信号变形,失真,误码率的增加,甚至会导致网络故障。


二,PDL 的测试方法

上一节对光的偏振态做了基本的介绍。在光纤通信领域,PDL是无源光器件一个重要的参数指标,它直接影响了光网络的性能优劣。 一直以来,快速/准确的测量器件的PDL是光通信无源器件厂家所面对比较困难的一个问题。主要的原因是1)PDL是一个矢量,不像插损测量那样,可以直接扣除光路本身的损耗。 比方说,PDL测量系统,在不接DUT时,有0.1dB的PDL,接了DUT之后, PDL的总和为0.6 dB。那么,DUT的PDL值,有可能介于0.5 到 0.7 dB 之间, 取决于系统的偏振主轴(差损最大的偏振方向)和器件的偏振主轴之间的关系。因此,为了准确的测量PDL,测量系统本身的PDL必须小到可以忽略不计。这就对测式系统的有很高的要求。2)必须扫描四个差损谱,这就会花掉很长的时间。

目前PDL 测试,常见有下列几种方法。

A) 偏振扰动法:这是最直观的方法。因为器件的输出光强度和入光的偏振态有光,测量时,快速的改变入光电场的偏振态,同时测量输出光的强度。图1.1 和 1.3显示这个方法的示意图。光源从器件的左侧以固定的功率,进入器件,通过器件之后,在其右侧测量输出光强度。改变输入光的偏振态的同时,测量对应的输出光强度。测量到的光强度的范围,就近似为器件的PDL。这个方法在操作上,必须均匀的跑遍偏振球上的点 (图1.4)。点数越多,测量的结果越接近真实值.

在实验室和生产线,图1-2中的“3环光纤是常用的偏振控制器。对于输入的偏振态,通过三环不同的方向组合,产生不同的输出偏振状态。这种做法每改变一个偏振态需要若干秒。即使只走过偏振球上均匀的100 个点,也要耗时几分钟。因此,它只能作为定性,粗略的检视PDL。

市面上有高速的偏振扰动器,可以在1秒内均匀步扫1万次的偏振态。传统上,许多无源器件生产厂家使用这种工具,做为定波长的PDL测量。


图1-3:扰偏法测量PDL示意图


扰偏法虽然实现简单,但是在使用上有一定的操作局限性。首先,要求产生足够多个偏振态尽可能均匀的覆盖 Poincare球,测量是近似的。其次,产生多个偏振态(典型测量要求2000个)需要时间很长,尤其是要进行多波长PDL测试,效率太低。


                      图1-4:在Poincare球上的有限点近似


B) 极大/极小搜索法:从任意一个偏振态出发,进入器件的光先经过偏振控制器,再藉由出光的探测器的读数来死循环改变入光的偏振态,这样可以逐步搜寻差损的最大和最小值。这种方法测试时间长(单个波长测试时间理论上是也是秒级以上,参考安捷伦11896使用手册或者OPL3000使用手册),和第一种方法有相同的缺点,一次只能测量一个波长。

C)矩阵测量法

矩阵测量法又可以细分为米勒矩阵法和琼斯矩阵法。两者的精类似。在这里,我们就只简单介绍米勒矩阵法。这是IEC委员会在IEC61300-3-12中规定的PDL测量方法。在Mueller矩阵法中,偏振态控制器产生4个线性独立的偏振态,通常为水平,垂直,45-度的线偏振,加上一个圆偏振;根据测量这4个偏振态通过DUT的光功率,可以解出待测器件和功率相关的4个矩阵元素,进而准确计算出PDL。注意图1-5 和图1-3的不同。图1-3,偏振扰动器一直在高速不断的变化偏振方向;图1-5的偏振控制器只需要输出4个偏振态。


图1-5:四态测量法测量PDL示意图

米勒矩阵法是目前最主流的测试PDL的方法,适合测量PDL和波长有关系的大量生产。要能有效率的应用这个技术,必须有高速扫描的光源和数据采集/处理系统。


三.优峰GouMax的PDL测试系统

为了满足市场对 PDL 进行快速且精确测量的需要,基于米勒矩阵法,优峰GouMax 开发了LSA-200U PDL 测量仪。LSA-200U 由偏振态控制器与单通道高速探测器/数据采集分析模块,LSA-200A组成。偏振控制器依时序产生PDL测试需要的4个偏振态,LSA-200A对每一个偏振态进行数据采集和差损测量。计算机通过调用 DLL的PDL 测量函数进行数据传递和 PDL计算,实现高速精确的PDL测量。

综合言之,PDL的高速测量需要两个必要的组件:1)高速波长扫描激光器,2)高速数据采集和分析模块。当偏振态控制器设定好一个偏振态时,激光器进行高速波长扫描。与此同时,数据采集模块需要同步高速采集差损数据。

目前,市场上已知商用可调激光器的最大扫描速度规格是200nm/s。这些可调激光器都是通过马达转动进行波长扫描,速度慢,需要波长回扫,有机械磨损。在进行 PDL测量时,激光波长的扫描速度需要控制在50~100nm/s,以保证波长精度和功率重复性。进行40nm波长范围的PDL测量需要时间大约是10秒钟。

图3-1是由优峰GouMax TLS-1000扫描激光器和LSA-200U PDL测量仪组成的高速PDL测量系统。TLS-1000是业界内可以提供最高扫描速度的可调激光器,利用电控机制可以完成高达400nm/s的波长扫描速度,无机械磨损,回扫时间可以忽略不计。在PDL测量时,可以使用最高的波长扫描速度400nm/s。实测结果显示,由TLS-1000和LSA-200U组成的PDL 测量系统可以在1秒内完成40nm波长范围的PDL测量。与业界同类PDL测量系统相比,测量时间缩短了10倍。

                  图3-1:GouMax LSA-200U高速PDL测量系统


四.PDL测试实例对比。

GouMax的PDL测试系统,可以集联双通道LSA-200B模块,达到同时测量多个工位PDL的目地。

4.1 测量安排

硬件和连接:

1)GouMax TLS-1000 C-band 可调谐激光器

2)GouMax C-band LSA-200U PDL测量仪

3)LSA-200U与TLS-1000的连接(图3-2)

软件和DLL:

1)使用 GouMax LSA Demo程序

2)使用DLL版本10.03.0N

3)使用DLL中的PDL测试的函数

4.2 测量标准样品的PDL谱

测量条件:

1)激光器扫描速度:400nm/s

2)激光器波长扫描范围:1520~1580nm

我们用一只C-band coupler 作为样品进行PDL测试。分别用LSA-200U和手动方法测量PDL,然后进行比较。手动测量是用“三环偏振控制器”改变光的偏振态,每隔5nm测量PDL。结果显示在图4-1中。二者测量差别在0.02dB以内。


                   图4-1:比较LSA-200U和手动PDL测量结果


4.3 PDL测量的定量比较

为了定量比较LSA-200U的PDL测试精度,我们测量一个平行玻璃板折射光的PDL随入射角的定量关系。实验安排如图4-2所示。要求玻璃板有足够的厚度,保证光纤准直器接收到的只有直接透射光束。将玻璃板固定在一个有精密刻度的转盘上,通过转盘的转动改变光在玻璃板上的入射角。用LSA-200U 测量

接收到的光功率(差损),计算出PDL随角度变化。

测量条件:

1)激光器扫描速度:400nm/s

2)激光波长范围:1520~1580nm


图4-2:测量平行玻璃板的PDL


图4-3是测量结果与理论值的比较。图中的红色曲线是理论计算结果,蓝色点是LSA-200U在不同入射角测量得到的PDL值。可以看到,LSA-200U测量到的PDL值与理论结果精确吻合,误差在<0.5%。

                        图4-3是测量结果与理论值的比较。



五. PDL测试总结

在这篇短文里头,我们对光的偏振特性、以及测试方案做了概略的介绍,并通过实测进行对比。由于无源器件的偏振相关差损(PDL)对光传输系统会造成信号失真,降低PDL是器件制造商必须面对的课题。

面对问题第一步是必须能够在器件做完之后,测量PDL来确认器件本身满足PDL的规格。目前被普遍采用的米勒矩阵法,测量一个C-band的PDL谱线,大约要10秒或者更长的时间。这已是无源器件在终测的主要瓶颈。这么长的时间是由于激光扫描的速度太慢,加上必须测出4个偏振态的差损谱,来计算PDL谱。优峰GouMax 的PDL测试仪器,可以在1秒之内完成PDL谱的测试,完全颠覆了传统上认为PDL测试必须“很慢“的刻板印象。测试效率大大提高,是无源器件测试的必备利器。

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