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綿陽超光通信

2014-01-17 10:08

怎么樣才能準確測量器件的PDL?

用擾偏器消除光信息傳輸中的偏振相關損害
一、偏振相關損害的種類：
隨著光網絡的日益普及，以及光信息傳輸速度的不斷提高，由光的偏振所引起的偏振相關損害越來越不可忽視。由于不同偏振態(tài)的入射光、光纖及光器件的偏振特性的不同，在光纖中進行信息傳輸時候都會受到不同的影響，都會給光信息傳輸造成各種影響。為此，消除偏振相關損害就成了眾多光電子產業(yè)人士的重要工作。
偏振相關損害主要包括以下幾個類型：
1 、光纖中的偏振模色散（ PMD ），
2 、無源光器件中的偏振相關損耗（ PDL ），
3 、電光調制器中的偏振相關調制（ PDM ），
4 、光放大器中的偏振相關增益（ PDG ），
5 、 WDM 濾波器中的偏振相關波長（ PDW ），
6 、接收機中的偏振相關響應（ PDR ），
7 、傳感器和相干通訊系統(tǒng)中的偏振相關響應度（ PDS ）。
消除偏振損害的一個非常有效的手段，就是使用擾偏器。
二、擾偏器的主要種類及工作原理
擾偏器的工作原理，就是將通過擾偏器的偏振光，以較高的速度不斷改變其偏振態(tài)（ SOP ），從而在總體時間段里，其綜合效果失去了偏振特性。也就是說，在某一個瞬間它還是一個偏振度（ DOP ）為 1 的偏振光，但從平均時間上看，它就是一個 DOP＝ 0 的非偏振光。這個過程就叫做“擾偏”，經過“擾偏”的光叫做“擾偏光”。
目前常見的擾偏器有三種類型，分別是：鈮酸鋰晶體擾偏器、柱型壓電陶瓷諧振擾偏器和光纖擠壓型擾偏器。下面分別介紹這三種擾偏器的工作原理和特性。
? 鈮酸鋰晶體擾偏器：
這種擾偏器是利用了鈮酸鋰晶體的電光效應，在晶體外施加電場，可以改變晶體的折射率。當光通過晶體的時候，在晶體外加入一個不斷改變的電場，使得晶體的折射率不斷發(fā)生變化，從而使這束光的偏振狀態(tài)發(fā)生變化（圖 1 ）。

圖 1
因為鈮酸鋰晶體的電光效應的響應速度很高，所以這種擾偏器的優(yōu)點是擾偏速度快。但也存在缺點。一個主要缺點是插入損耗大。這是因為光在通過擾偏器的時候，需要進行多次的從光纖到晶體的界面出入。另一個主要缺點是造價高。這是因為這種擾偏器結構相對復雜，晶體器件成本也較高。
這種擾偏器還有一個缺點是對偏振的敏感度高（偏振敏感度是指由于入射光的偏振態(tài)不同，儀器的擾偏效果也會發(fā)生變化）。當入射光的偏振方向正好和晶體的電場方向成 45 度角的時候，這種擾偏器的擾偏效果最好。遺憾的是在實際應用中，這樣理想的情況是非常少的。為了解決這一矛盾，可以采用多級晶體器件，以不同的電場角度串聯(lián)起來。但是這樣一來插入損耗更大，制作成本也成倍增加。
? 柱型壓電陶瓷諧振擾偏器
這種擾偏器的主要結構是將光纖纏繞在柱型的壓電陶瓷上，在壓電陶瓷上施加電壓，壓電陶瓷會發(fā)生形變，從而使得上面的光纖產生拉伸，由于光彈效應，進而使得光纖內部的折射率發(fā)生變化（產生雙折射），造成光纖內傳輸的光的偏振態(tài)的變化（圖 2）。

圖 2
電壓變化頻率與柱型壓電陶瓷產生諧振的情況下，這種擾偏器的工作效率最高。在實際應用中，通常是采用多個柱型串聯(lián)使用，從而降低這種擾偏器的偏振敏感度。這是因為單一柱型的擾偏效果，會受到入射光初始偏振態(tài)的影響。
與鈮酸鋰晶體擾偏器相比，這種擾偏器的優(yōu)點是插入損耗小、偏振損耗（ PDL ）低、制作成本低等優(yōu)點。缺點是體積大、擾偏速度低，另外，由于陶瓷柱膨脹時光纖產生大量的拉伸，導致殘余調制位相大。
3 、擠壓光纖型擾偏器
這種擾偏器的結構，是在光纖兩側加上兩塊壓電陶瓷，壓電陶瓷通電后對光纖進行擠壓，使光纖產生雙折射，從而實現擾偏（圖三）。

圖 3
同樣，這種擾偏器通常將幾個擠壓器串聯(lián)使用，目的是排除對入射光的偏振敏感度。
這種擾偏器的驅動電壓頻率既可以是擠壓器的諧振頻率，也可以是較低頻率。與鈮酸鋰晶體擾偏器相比，它具有插入損耗和偏振相關損耗（ PDL ）小，同時制作成本低。與柱型壓電陶瓷諧振擾偏器相比，它還具有體積小、殘余調制位相低和使用方便的優(yōu)點。另外，與上面所說的兩種擾偏器中任何一個相比，它都具有低殘余相位調制和低殘余振幅調制（動態(tài)損耗）的優(yōu)勢。低殘余相位調制在光學系統(tǒng)中對于避免干涉相關噪聲非常重要，而對于用在 PDL 和 DOP 測量儀器方面的擾偏器，對低殘余振幅調制的要求是很嚴格的。
圖四所示為通用光電公司生產的用于 OEM 應用的光纖擠壓器型擾偏器板卡。

圖 4
三、擾偏器的性能
在實際應用中，除了上面提到的體積、成本、插入損耗、偏振相關損耗、殘余相位等特性，用戶應當關心擾偏器的這些性能指標： 1 、擾偏均勻性； 2 、擾偏器的工作波長； 3 、擾偏器的溫度系數；
擾偏均勻性一般是通過測量擾偏光經過一段時間后的偏振度和測量邦加球上偏振態(tài)覆蓋區(qū)的均勻性來體現。圖 5A 展示了用圖 4所示擾偏器板卡實現的邦加球上完美的擾偏均勻性。圖 5B 表示的是探測器帶寬與 DOP 之間的的函數關系。圖 5C 展示了波長靈敏度。由圖 5C 可知，多段光纖擠壓器型擾偏器對波長變化的敏感度遠遠低于其它類型的擾偏器。實驗結果還顯示，光纖擠壓器型擾偏器對溫度變化的敏感度也是較低的，如圖 5D 所示。

圖 5
擾偏器的工作壽命也是用戶關心的事情。對于光纖擠壓器型擾偏器，如果不做特殊工藝處理和保護，光纖會很快損壞。通用光電公司從 1996 年起花了很大力氣對在應力狀態(tài)下光纖受損失效的機理及保護技術進行了研究。采用通用光電公司的專利光纖保護技術，經測算，擠壓器中的光纖在最大工作應力下的平均失靈年限（ MTTF ）可達到 20 億年。
通用光電公司（ General Photonics ）除了生產應用于 OEM 的電路板卡式的擾偏器（型號 PCD-003/004 ），有利于用戶設計到自己的儀器當中，還生產出一種可以直接獨立工作的擾偏儀（圖 6 ），特別方便于光器件廠商和設備制造商用戶放在桌面上直接使用。

圖 6
四、擾偏器的用途：
擾偏器在光通信網絡，光纖傳感系統(tǒng)，測試測量系統(tǒng)中大有用途。如圖 7A 所示，對于 PDG 或超長距離傳輸系統(tǒng)中摻鉺光纖放大器，擾偏器可接在接收端，用于減小偏振燒孔效應。對于這一應用，擾偏速率應大大高于光纖放大器的增益恢復時間常數的倒數（在 10Hz 數量級）。

圖 7
擾偏器還可用來輔助監(jiān)控 WDM 系統(tǒng)的 PMD ，如圖 7B 所示。一般來講，可通過測量流經光纖的光數據流的偏振度（ DOP ）監(jiān)控 PMD 。 DOP 值低通常代表 PMD 大。然而，這種測量也可能不準，因為如果注入傳輸光纖的光的偏振態(tài)與光纖的主偏振態(tài)對準，那么無論兩個偏振態(tài)之間的差分群延遲（ DGD ）有多大，測量的 DOP 值總會很大。避免這一測量誤差的一個有效方法，就是在發(fā)射端使用擾偏器。另外，它還可以使接收端的 PMD 補償器中的偏振態(tài)測量儀對 PSP 進行識別，這樣可加速對 PMD 的補償。在光網絡方面的其它應用還有，在擾偏器后面放置起偏器來監(jiān)控 WDM 信號的信噪比。