CN101476975B - 用于测量偏振模色散矢量的方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了用于测量偏振模色散矢量的方法，包括以下步骤：使指定波长的光分别按照三种输入偏振态通过待测器件，三种输入偏振态满足线性无关；分别测量光通过待测器件后的三种输出偏振态，将三种输入偏振态和三种输出偏振态记录为一组计算数据；重复上述步骤，记录多个不同指定波长下的多组计算数据；和根据各组计算数据计算各指定波长下的米勒矩阵，并根据米勒矩阵计算待测器件的偏振模色散矢量。本发明还公开了采用该方法的测量装置。本发明能使测量过程中由波长和输入偏振态的调节而引入的误差降低，提高偏振模色散矢量的测量精度。

Description

用于测量偏振模色散矢量的方法和装置

【技术领域】

本发明涉及光纤器件或***的偏振模色散(PMD)矢量的测试，明确的说，涉及一种用于测量偏振模色散矢量的方法和装置。

【背景技术】

随着长距离全光网络的发展，光纤通讯***变得越来越复杂并使用了大量的器件和设备。因此，准确快速的测量光纤器件和设备(DUT)的特性变得越来越重要。

这种***主要有两大类特性：偏振相关和偏振无关特性。偏振相关特性包括偏振相关损耗或增益(PDL/G)，双折射和去偏效应。偏振无关特性包括色散、散射、损耗等。随着光纤通讯***向着高速、宽带宽方向快速发展，由双折射引起的偏振模色散(PMD)对***的影响越来越大。尤其是对现在逐渐走向前台的40Gbit/s的***，这种影响主要体现在脉冲展宽，信号变形以及对***信噪比产生随机影响从而导致***容限下降。因此，PMD的快速精确测量对在生产时控制器件和仪器的PMD以及光纤通讯***中的PMD补偿都有重要的意义。

PMD的研究始于上世纪70年代相干广通讯***中对输出偏振态(SOP)的锁定。在1986年，C.D.Poole和R.E.Wagner提出了偏振主态(PSP)模型来描述偏振态在光纤中的演化从而引出了PMD的模型。他们进而在1988年提出了用主态测量偏振模色散矢量的方法，但是这个方法只适用于没有偏振相关损耗的***。此外，邦加球(Poincarésphere)法，米勒矩阵法(Mueller Matrix Method，MMM)也都只适用待测***没有偏振相关损耗的情况。

当待测***含有偏振相关损耗或增益时，PMD矢量变得比较复杂，主要有两类方法来进行测量：基于差分的方法和基于传输矩阵的方法。第一类方法包括复平面法(Complex Plane Method)和扩展邦加球法(GeneralizedPoincaréSphere Method)。这类方法测量结果信噪比比较差。第二类包括琼斯矩阵特征值分析法(Jones Matrix Eigenanalysis，JME)，扩展米勒矩阵法(Generalized Mueller Matrix Method，GMMM)等。JME具有较高的信噪比，已经成为PMD测量的基准试验方法，但其测量结果仅是PMD矢量的大小，即差分群时延(Differential Group Delay，DGD)。扩展米勒矩阵法对传统的米勒矩阵法PMD矢量的测量进行了扩展，使其适用于存在偏振相关损耗的情况。这类方法测量结果的信噪比较高。

在实际测量中，上述两类方法要求进行波长扫描并在每一波长下取得几个特定输入SOP所对应的输出SOP。在测量时可以采用两种方式：

第一种是先设定一个指定的输入SOP再进行波长扫描，然后再指定另一个所需SOP并进行波长扫描。重复类似测量直到完成在所有SOP下的波长扫描。这种测量方式可以获得SOP在不同波长下的一致性但对可调光源波长调节的重复性提出很高的要求。光源的波长调节误差会引起输出SOP的旋转从而导致测量结果错误，特别是在PMD比较大的情况下。光源波长调节误差包含绝对波长误差和波长重复性误差。绝对波长误差是指光源设定波长和实际输出波长之间的最大差别。这会引起波长调节步长的误差从而影响PMD测量结果。通过在测量中用波长计测量工作波长可以解决这个问题。波长重复性是指不同波长设定和调节中的随机不确定性引入的误差。因为随机性，所引入的误差很难克服。此外，因为光源波长调节速度通常比较慢(几百毫秒到几秒量级)，所以这种方式更容易受到环境影响。由于前述的第一类测量方法需要对波长的差分运算，这就需要波长调节非常精确，因而这种方式对第一类测量方法的精度的影响很大。

第二种方式是先设定波长，然后调整SOP。因为只需要一次扫描波长，因而可避免波长重复性误差。但测量要求在不同的波长下具有相同的一组输入SOP，这就需要使用偏振控制器(PC)来调节输入SOP并用在线偏振分析仪测量检测调节过程直到调节到所需SOP。因为SOP的测量误差会导致输入SOP在不同波长下不一致，最终也会增加PMD测量的误差。当然，使用市场上的偏振状态发生仪代替PC和偏振分析仪。虽然测量速度可以提高，但SOP的不一致还是不能避免。

其它的一些PMD测量方法如固定分析法(FA)，传统干涉法(TINTY)及扩展干涉法(GINTY)因不能给出PMD矢量，从而难以适用于PMD补偿的要求。

【发明内容】

本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，提供一种新的用于测量待测器件或***的偏振模色散矢量的方法和装置，可使测量过程中由波长和输入偏振态的调节所引入的误差降低到最低水平而提高测量精度。

为实现上述目的，本发明提供一种用于测量偏振模色散矢量的方法，包括以下步骤：

A、使指定波长的光分别按照三种输入偏振态通过待测器件，所述三种输入偏振态线性无关；

B、分别测量所述光通过所述待测器件后的三种输出偏振态，将所述三种输入偏振态和三种输出偏振态记录为一组计算数据；

重复上述步骤A、B，记录多个不同指定波长下的多组计算数据；和

C、根据各组计算数据计算各指定波长下的米勒矩阵，并根据所述米勒矩阵计算所述待测器件的偏振模色散矢量。

优选地，所述步骤C之后还包括：

D、根据所述米勒矩阵计算出相应指定波长下的双折射和/或相应指定波长下的偏振相关损耗或增益。

优选地，所述三种输入偏振态的矢量为在斯托克斯空间中两两夹角为120度的三个斯托克斯矢量。

优选地，所述步骤A中，根据预先记录的偏振控制器状态设定偏振控制器产生三种输入偏振态。

优选地，所述步骤A中，在使所述光通过所述待测器件之前，获得在斯托克斯空间中两两夹角为120度的三个斯托克斯校准矢量并记录相应的偏振控制器状态，进行偏振控制且实时测量偏振控制的结果，并通过反馈来调节偏振控制以获得与所述偏振控制器状态相应的输入偏振态。

一种用于测量偏振模色散矢量的装置，其特征在于，包括：

光源，用于产生不同指定波长的光；

输入偏振态获取模块，用于分别获取各指定波长的光的三种输入偏振态，所述三种输入偏振态线性无关；

输出偏振态检测模块，用于检测各指定波长的光分别在所述三种输入偏振态下通过待测器件后相应得到的三种输出偏振态；以及

处理模块，包括第一处理单元，用于根据所述三种输入偏振态和对应的所述三种输出偏振态计算指定波长下的米勒矩阵，并根据各指定波长下的所述米勒矩阵计算所述待测器件的偏振模色散矢量。

优选地，所述处理模块还包括第二处理单元，用于根据所述米勒矩阵计算相应指定波长下的双折射和/或相应指定波长下的偏振相关损耗或增益。

优选地，所述输入偏振态获取模块包括偏振控制器和在线偏振分析仪，所述偏振控制器用于调节所述光的输入偏振态，所述在线偏振分析仪用于检测所述光经所述偏振控制器作用的结果，并反馈测得的偏振态至所述偏振控制器以获得将所述光调节至满足条件的输入偏振态的偏振控制器控制状态。

优选地，所述三种输入偏振态的矢量为在斯托克斯空间中两两夹角为120度的三个斯托克斯矢量。

优选地，所述输入偏振态获取模块包括偏振控制器和在线偏振分析仪，所述偏振控制器用于调节所述光的输入偏振态，所述在线偏振分析仪用于检测所述光经所述偏振控制器作用的结果，所述偏振控制器和在线偏振分析仪同时又是校准单元，所述校准单元用于提供产生一组在斯托克斯空间中两两夹角为120度的三个校准矢量时的偏振控制器状态，所述偏振控制器根据校准状态将所述光调节至满足条件的所述输入偏振态。

本发明的有益效果是：

本发明中，使指定波长的光分别按照三种输入偏振态通过待测器件，三种输入偏振态满足线性无关的条件，测量对应的三种输出偏振态，将三种输入、输出偏振态记录为一组计算数据，分别测量和记录多个不同指定波长下的多组计算数据，然后利用各组计算数据计算各指定波长下的米勒矩阵，即可根据各米勒矩阵计算待测器件的偏振模色散矢量。一方面，本发明只进行了一次波长扫描，从而避免了波长重复性误差，另一方面，相对于以往采用一次波长扫描的测量方法，本发明根据任意三个线性无关输入偏振态及其对应的三个输出偏振态来测算***米勒矩阵，不要求在不同波长下的输入偏振态的一致性，从而避免了输入偏振态不一致带来的测量误差。由于本发明避免了以往测量的方案各自的缺点，因此能将测量过程中由波长和输入偏振态的调节所引入的误差降低到最低，有效抑止测量噪声，大幅提高测量精度。

另外，本发明在有无偏振相关损耗或增益的情况下均可使用。

由于本发明测量了不同波长下的***传输米勒矩阵，***在相应波长下的双折射和偏振相关损耗或增益也可以同时测量出来。

【附图说明】

图1为本发明测量偏振模色散矢量的方法的基本流程；

图2为测量偏振模色散矢量的方法一种实施例的流程图；

图3为同一指定波长的三种输入偏振态之间的矢量关系示意图；

图4为本发明测量偏振模色散矢量的装置的原理框图；

图5为测量偏振模色散矢量的装置一种实施例的结构框图；

【具体实施方式】

本发明的特征及优点将通过实施例结合附图进行详细说明。

Jopson等人在1999年已经证明在含有偏振相关损耗或增益(PDL/G)的***中，PMD矢量表示为

包括两个实矢量并由矩阵M_Δ＝M(ω+Δω)M^-1(ω)表述^[1]。其中M(ω+Δω)和M(ω)是待测***在频率ω和ω+Δω下的米勒矩阵。结合董晖等人在2007年提出的利用任意三组线性无关输入偏振态及其对应输出偏振态进行***米勒矩阵测量的方法^[2]，描述PMD矢量的M_Δ矩阵就可以计算出来。

请参考图1，本发明用于测量偏振模色散矢量的方法的基本流程如下：

步骤A、使指定波长的光分别按照三种输入偏振态通过待测器件，三种输入偏振态满足线性无关；

步骤B、分别测量光通过待测器件后的三种输出偏振态，将三种输入偏振态和三种输出偏振态记录为一组计算数据；

重复上述步骤A、B，记录多个不同指定波长下的多组计算数据；和

步骤C、根据各组计算数据计算各指定波长下的米勒矩阵，并根据各米勒矩阵计待测器件的偏振模色散矢量。

请参考图2，优选的实施例中，偏振模色散矢量的测量方法包括如下步骤：

步骤s1、调节窄带光源输出指定波长的偏振光；

步骤s2、使用偏振控制器作用于该指定波长的偏振光，调整其到第一输入偏振态；

步骤s3、使用在线偏振分析仪实时检测调整结果；

步骤s4、使第一输入偏振态的偏振光通过待测器件或***，例如光纤；

步骤s5、使用偏振分析仪测量第一输入偏振态对应的第一输出偏振态；

重复步骤s2至s5，产生并记录第二输入偏振态和第三输入偏振态及其对应的第二、三输出偏振态；

重复前面的步骤，测量在其它指定波长下的三组输入、输出偏振态，作为一组计算数据；

步骤s6、根据各组计算数据计算不同指定波长下的米勒矩阵，并根据不同波长下的米勒矩阵计算矩阵M_Δ和PMD矢量。

优选还包括以下步骤：

步骤s7、根据不同波长下的米勒矩阵计算出相应波长下***的偏振相关损耗或增益(PDL/G)；

优选还包括以下步骤：

步骤s8、根据不同波长下的米勒矩阵可以计算出相应波长下***的双折射。

上下文中，术语“输入偏振态”指光进入待测器件时的偏振态，术语“输出偏振态”指光从待测器件输出时的偏振态。

根据本发明的方法，同一指定波长所需的3个输入偏振态仅需满足相互间线性无关，即3个偏振态在邦加球上任意两个都不平行。因此可以使光源随机产生3个偏振态。若3个偏振态区别不大，则测量误差增大的概率会比较大。为了取得最优的测量结果，可按照董晖等人在测量米勒矩阵的方法中所指出的，采用3个偏振态为在斯托克斯空间中两两呈120度夹角的三个斯托克斯矢量。如图3所示，斯托克斯矢量

和

的起点在邦加球的球心，终点在一圆周上，3个矢量位于同一平面内。

在实际测量中，可事先指定一组斯托克斯矢量，例如(100)^T， ${\left(\begin{array}{ccc}-1/2& \sqrt{3}/2& 0\end{array}\right)}^T$ 和 ${\left(\begin{array}{ccc}-1/2& -\sqrt{3}/2& 0\end{array}\right)}^T,$ 来找到对应的3组偏振控制器电压值，作为偏振控制器的校准。

由于从光源到偏振分析仪这段光路的偏振相关损耗和偏振模色散很小，可以认为只有双折射的影响，而只含有双折射的***对于不同偏振态在邦加球上的旋转角度和方向是相同的，因此，在测量过程中，即使进入偏振控制器的3个偏振态虽然会因为环境影响而改变，导致偏振控制器输出的不是上述3个偏振态，但输出的3个偏振态仍保持120度夹角关系，故仍然能达到减小测量误差的效果。

当测量完成后，可根据董晖等人在2007年提出的方法计算出在不同波长下的***传输米勒矩阵，从而PMD矢量

可根据Jopson等人的方法用矩阵M_Δ＝M(ω+Δω)M^-1(ω)计算出。而用式

和

还可以可计算除差分群时延(differential group delay，DGD)和差分衰减率(differential attenuation slope，DAS)。

一方面，本发明采用的方法只进行了一次波长扫描，从而避免了波长重复性误差，另一方面，本发明不要求在不同波长下的输入SOP的一致性，从而避免了SOP不一致带来的测量误差。因此，本发明避免了以往测量方法中不同测量方式的缺点，从而使得测量精度得到提高，噪声得到抑止。

由于本发明测量了不同波长下的***传输米勒矩阵，***在相应波长下的双折射和偏振相关损耗或增益也可以同时测量出来。

请参考图4，本发明用于测量偏振模色散矢量的装置包括：光源1、输入偏振态获取模块2、输出偏振态检测模块3以及处理模块4。其中，光源1用于产生不同指定波长的光，输入偏振态获取模块2用于分别获取各指定波长的光的三种输入偏振态，输出偏振态检测模块3用于检测各指定波长的光分别在三种输入偏振态下通过待测器件后相应得到的三种输出偏振态，处理模块包括第一处理单元，第一处理单元用于根据三种输入偏振态和对应的三种输出偏振态计算指定波长下的米勒矩阵，并根据各指定波长下的米勒矩阵计算待测器件的偏振模色散矢量。处理模块优选还包括第二处理单元，第二处理单元用于根据米勒矩阵计算相应指定波长下的双折射和/或偏振相关损耗或增益。

请参考图5，在优选的实施例中，光源1包括波长可调窄带光源11，输入偏振态获取模块2包括偏振控制器12和在线偏振分析仪13，输出偏振态检测模块3采用偏振分析仪15，处理模块4采用计算机16。工作过程中，波长可调窄带光源11产生指定波长的窄带线偏振光，偏振光经偏振控制后加到待测器件或***14的输入端。偏振控制器12改变光源11出射光的偏振态，将其调节为满足前述条件的合适的输入偏振态。在线偏振分析仪13在测量过程中检测偏振光经偏振控制器12作用后的偏振态；在校准过程中将检测结果反馈至偏振控制器12，由偏振控制器12根据反馈进行适当的调整。在待测器件或***14的输出端，偏振分析仪15测量通过待测器件或***14的光的输出偏振态。

典型地，偏振控制器12采用由电光晶体制成的电控偏振控制器。此类偏振控制器对偏振态的调节是通过施加电压控制信号进行的。此情形下，调节后的偏振态与输入到偏振控制器的以及偏振控制器的光纤尾纤的双折射有关，电压控制信号和输出偏振态没有一一对应关系，因此，通过在线偏振分析仪13实时测量经偏振控制器12作用后的偏振态，经反馈调整偏振控制器的电压控制信号，从而获得所需输入偏振态。

上述过程中，计算机16控制各个器件按照本发明的测量算法协同工作。当一个指定波长下的3组输入输出偏振态测量完成后，使光源11调整到下一个指定波长并重复3组输入输出偏振态的测量。当所有指定波长的数据测好以后，计算机16根据测得的数据计算各波长下的米勒矩阵，进而计算出待测器件或***14的偏振模色散矢量。

以下参考文献的相关公开内容以引用的方式并入本文：

[1]R.M.Jopson，L.E.Nelson，and H.Kogelnik，″Measurement ofsecond-order polarization-mode dispersion vectors in optical fibers，″IEEEPhotonics Technology Letters，vol.11，pp.1153-1155，1999.

[2]H.Dong，P.Shum，M.Yan，J.Q.Zhou，G.X.Ning，Y.D.Gong，and C.Q.Wu，″Measurement of Mueller matrix for an optical fiber system withbirefringence and polarization-dependent loss or gain，″Optics Communications，vol.274，pp.116-123，2007.

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种用于测量偏振模色散矢量的方法，其特征在于，包括以下步骤：

A、使指定波长的光分别按照三种输入偏振态通过待测器件，所述三种输入偏振态满足线性无关；

B、分别测量所述光通过所述待测器件后的三种输出偏振态，将所述三种输入偏振态和三种输出偏振态记录为一组计算数据；

重复上述步骤A、B，记录多个不同指定波长下的多组计算数据；和

C、根据各组计算数据计算各指定波长下的米勒矩阵，并根据所述米勒矩阵计算所述待测器件的偏振模色散矢量。

2.如权利要求1所述的用于测量偏振模色散矢量的方法，其特征在于，所述步骤C之后还包括：

D、根据所述米勒矩阵计算出相应指定波长下的双折射和/或相应指定波长下的偏振相关损耗或增益。

3.如权利要求1或2所述的用于测量偏振模色散矢量的方法，其特征在于，所述三种输入偏振态的矢量为在斯托克斯空间中两两夹角为120度的三个斯托克斯矢量。

4.如权利要求3所述的用于测量偏振模色散矢量的方法，其特征在于，所述步骤A中，根据预先记录的偏振控制器状态设定偏振控制器产生三种输入偏振态。

5.如权利要求4所述的用于测量偏振模色散矢量的方法，其特征在于，所述步骤A中，在使所述光通过所述待测器件之前，获得在斯托克斯空间中两两夹角为120度的三个斯托克斯校准矢量并记录相应的偏振控制器状态，进行偏振控制且实时测量偏振控制的结果，并通过反馈来调节偏振控制以获得与所述偏振控制器状态相应的输入偏振态。

6.一种用于测量偏振模色散矢量的装置，其特征在于，包括：

光源，用于产生不同指定波长的光；

输入偏振态获取模块，用于分别获取各指定波长的光的三种输入偏振态，所述三种输入偏振态线性无关；

输出偏振态检测模块，用于检测各指定波长的光分别在所述三种输入偏振态下通过待测器件后相应得到的三种输出偏振态；

以及处理模块，包括第一处理单元，用于根据所述三种输入偏振态和对应的所述三种输出偏振态计算指定波长下的米勒矩阵，并根据各指定波长下的所述米勒矩阵计算所述待测器件的偏振模色散矢量。

7.如权利要求6所述的用于测量偏振模色散矢量的装置，其特征在于，所述处理模块还包括第二处理单元，用于根据所述米勒矩阵计算相应指定波长下的双折射和/或相应指定波长下的偏振相关损耗或增益。

8.如权利要求6或7所述的用于测量偏振模色散矢量的装置，其特征在于，所述输入偏振态获取模块包括偏振控制器和在线偏振分析仪，所述偏振控制器用于调节所述光的输入偏振态，所述在线偏振分析仪用于检测所述光经所述偏振控制器作用的结果，并反馈测得的偏振态至所述偏振控制器以获得将所述光调节至满足条件的输入偏振态的偏振控制器控制状态。

9.如权利要求6或7所述的用于测量偏振模色散矢量的装置，其特征在于，所述三种输入偏振态的矢量为在斯托克斯空间中两两夹角为120度的三个斯托克斯矢量。

10.如权利要求9所述的用于测量偏振模色散矢量的装置，其特征在于，所述输入偏振态获取模块包括偏振控制器和在线偏振分析仪，所述偏振控制器用于调节所述光的输入偏振态，所述在线偏振分析仪用于检测所述光经所述偏振控制器作用的结果，所述偏振控制器和在线偏振分析仪同时又是校准单元，所述校准单元用于提供产生一组在斯托克斯空间中两两夹角为120度的三个校准矢量时的偏振控制器状态，所述偏振控制器根据校准状态将所述光调节至满足条件的所述输入偏振态。

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