偏振度(DOP)测试仪－精确测定偏振度的捷径

众所周知，偏振度（ DOP ）是光源的重要特性之一。光源的 DOP 直接关系到光器件特性描述的精确度、传感器的灵敏度以及光通信系统中的光信号的质量。因此，精确、快速地测定 DOP 参数变得愈发重要。本文首先介绍了DOP 的基本概念，概括了不同类型光源的 DOP 特性。接着介绍了 DOP 的不同测量方法，并对各种方法的优缺点进行了比较。最后，本文介绍了 DOP 测试仪在光源生产、系统监测、质量保证等方面的独特应用。
      DOP 描述了偏振光在总光功率中所占的比重，数值定义为偏振光功率与总光功率（偏振光功率与非偏振光功率之和）之比： DOP=P偏振/P总＝ P偏振/(P偏振＋ P非偏振) （1） 完全偏振光的 DOP 为 1 ，完全非偏振光的 DOP 为 0 。
光源按 DOP 参数的分类
      不同类型光源的 DOP 不同，取值范围从 0 ～ 1 。 DOP 较高的光源包括 DFB 激光器、外腔结构的激光器等，通常应用于电信系统的光发射机，或被用作干涉仪的光源。
      与之不同，放大的自发辐射光源（ ASE ）、发光二极管（ LED ）、超辐射发光二极管（ SLED ）则属于 DOP 较低的光源。这些低 DOP 光源在传感领域有着非常重要的应用，它们的使用可以将传感器对偏振的敏感性减少到最小。如在光纤陀螺（一种测量物体旋转角速度的传感器）中， SLED 和 ASE 光源都是比较理想的光源。同时，在光器件性能精确测定方面，低 DOP 光源也极具吸引力。低 DOP 光源的使用可以去除偏振相关损耗（ PDL ）及探测器对偏振敏感等因素的影响。由此可知， DOP 的精确测定不论是对光器件生产商还是对使用者来说都是至关重要的。
     光放大器是光通信和传感领域的关键组件，对偏振不敏感是放大器一个非常重要的要求。不幸的是，无论是在掺铒光纤放大器（EDFA）还是在喇曼放大器（RA）中都存在偏振相关增益（PDG）。尤其是在喇曼放大器中，如果处理不当其偏振相关增益要比EDFA严重的多。
     喇曼放大器的工作原理基于光纤中的受激喇曼散射。在光纤中，吸收泵浦光能量而处于激发态的光学声子，在弱信号光的激励下发生受激辐射，从而将信号光放大，这一过程被称为受激喇曼散射。在受激喇曼散射过程中，一个入射光子只能激励由与其偏振态相同的泵浦光子所激发的光学声子，因此当信号光与泵浦光的偏振方向一致时喇曼增益最大，而当两偏振方向正交时喇曼增益几乎可以忽略，这使得偏振相关增益效应在喇曼放大器中非常严重。

      消除偏振相关增益、降低放大器偏振敏感性的有效方法之一，就是采用消偏的激光光源作为放大器泵浦。如图 1a 所示，消偏器可以用来将偏振光转变为 DOP 接近于 0 的非偏振光，这类消偏器由双折射晶体、保偏光纤，或其它方法制成。如图 1b 所示，采用偏振合波器将两束频率相同、偏振态正交的泵浦光合波，同样也可以获得接近非偏振光的输出。泵浦激光器的 DOP 直接关系到放大器的偏振敏感性，精确测定泵浦激光器的 DOP 参数对制造商来说至关重要。如两个偏振态正交的泵浦光合波后，其 DOP 参数完全依赖于两泵浦光的功率，为了能够实时地测定 DOP ，调整泵浦激光器的输出功率，一台快速、低成本的 DOP 测试仪对放大器制造商来说是非常必要的。
DOP 的测量方法

• 采用偏振测试仪
     使用传统的偏振测试仪即可测量 DOP 参数。偏振测试仪通过测量 S 0 ， S 1 ， S 2 ， S 3 等 4 个 Stokes 参数来全面描述光源的偏振特性。图 2 描述了两种结构的偏振测试仪，第一种偏振测试仪包括一个旋转波片、一个起偏器和一个探测器；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。
     使用 Stokes 参数，仅仅通过测量光功率就可以完全描述光的偏振特性：
S 0 = P 0 ( 2a )      S 1 = P x - P y (2b)      S 2 = P 45 - P -45 ( 2c )      S 3 = P L - P R (2d)
其中， P 0 是总光功率（包括偏振光部分和非偏振光部分）， P x 、 P y 、 P +45 、 P -45 、 P R 、 P L 分别代表沿 X 轴（ 0° 方向）、 Y 轴（ 90° 方向）、 +45° 方向、 -45° 方向、右旋（ RHC ）轴、左旋（LHC）轴的光功率。 DOP 与 Stokes 参数之间的有如下关系：
                                                           

      对于完全非偏振光，理论上各种偏振状态都存在，并且存在几率相同，即 P x = P y = P 45 = P -45 = P L = P R ，于是有 S 1 = S 2 = S 3 = 0 。但实际上，探测器噪声、数字噪声、信号功率起伏、光器件旋转的可重复性、不同光路间的增益平衡、分析仪内部光学元件缺陷、分析仪内部光学元件对波长敏感等不确定因素的存在，都有可能引起 Stokes 参数的测量误差。由 3 式可知， DOP 是 S 1 、 S 2 、 S 3 三个 Stokes 参数归一化的方均根值。因此， DOP 的测量误差为 Stokes 参数测量误差之和。经验上，光源的 DOP 值较低时，采用此种方法测量 DOP 是不准确的。此外，使用偏振测试仪还存在成本高、对波长敏感、校准繁琐、操作复杂等缺点。
• 采用扰偏方法
     另一种比较常用的测试方法是扰偏法。如图 3 所示，扰偏器被置于起偏器和探测器之前。理想情况下，在扰偏的循环周期内，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的情况。当两者平行时，信号光的偏振部分全部通过起偏器，探测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，探测器探测到的功率最小。由此可知， 1 式中 P偏振 = 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。因为，信号光的偏振部分对探测器的贡献为 0 时，探测器所探测到的功率为 Pmin ，所以有Pmin =P非偏振/ 2 。于是， 1 式可以表示为
                                                    

     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 DOP 。

但是，为了使此种方法更加切实可行，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。
       美国 General Photonics 公司目前可以现货供应启动损耗小于 0.01dB 的扰偏器。 0.01dB 的启动损耗带来的 DOP 误差仅为 0.12% ，基本上可以忽略。而且，探测器的探测速度和准确度也都可以满足要求。但无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（如图 3 所示），这就造成 DOP 测量不准确。而且 DOP 的测试时间要求越短，不准确度就越高。光源的 DOP 值越高，测量结果的准确性就越差。但在 DOP 较低的情况下，偏振态能够覆盖整个邦加球的要求并不严格，采用扰偏法测量 DOP 比使用偏振测试仪更准确，速度也更快。另外，与使用偏振测试仪的方法相比，扰偏法还有对波长不敏感、无需校准、承受功率高、结构简单和成本低等优点。
• 最大值 / 最小值搜寻法

为了消除扰偏法中的不准确性， General Photonics 公司设计发明了一套准确的测试方法――最大值 / 最小值搜寻法。如图 4 所示，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 P max 和 P min ，再由 4 式最终计算出 DOP 。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 ，还是测量高 DOP ，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 DOP 时不准确）和扰偏法（测量高 DOP 时不准确）中存在的缺点。目前，美国 General Photonics 公司已推出此种 DOP 测试仪的商用化产品，如图 5 所示。

       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 ）。
高功率的处理方法
      不同光源的光功率差异非常大， LED 的光功率在 mW 量级，泵浦激光器的光功率可达 W 量级。一般的 DOP 测试仪都具有约 30dB 的动态范围，用户可以指定所需的功率范围，如 -30dBm~0dBm ，或者 -10dBm~20dBm 。在测试高功率光源时（如高达 500mW 的啦曼泵浦激光器），需要使用固定光衰减器。由于 PDL 通常会引起光源的重新起偏，光衰减器的偏振相关损耗（ PDL ）必须很小，以保证 DOP 的准确度。测试消偏光源时，由 PDL 引起的 DOP 测试误差可由下式很好地估计。
                                                                               

如： PDL 为 0.1dB 的光衰减器导致 DOP 的测量误差为 1.2 ％。
DOP 测试仪的其它应用

快速、精确的 DOP 测试仪测定 DOP 参数非常简便，而且能够实时监测以便调整 DOP 参数，这一点非常重要。如图 1 中，通过实时监测 DOP 来调整两个泵浦激光器功率的平衡，可以得到 DOP 非常低的啦曼泵浦源。偏振测试仪一般价格都很昂贵，不适于配置在生产工位上；使用非常复杂，不适于非熟练工人操作；精确度低，不满足此应用的苛刻要求。与之相比， General Photonics 公司基于最大值 / 最小值搜寻法的 DOP 测试仪，价格低、准确度高、操作简便，非常适合此种应用。
      除了测试光源的 DOP 外，快速 DOP 测试仪还可以用在光网络中监测 PMD 和信噪比（ OSNR ），如图 6a 所示。在光学系统中， PMD 的存在会降低光信号的 DOP ，因此，监测 DOP 参数能够直接反映 PMD 对光信号的影响。另外，在不考虑 PMD 影响的情况下，假设信号光是完全偏振光，噪声是完全非偏振光，测量 DOP 参数就可以由下式得到 OSNR ：
                                                                            

      DOP 测试仪还能够用来测试放大器的噪声指数，如图 6b 所示。首先测试信号源的信噪比 OSNR o （用跳线代替放大器的位置），然后测量信号光经过放大器后的信噪比 OSNR 放 。两个信噪比（单位为 dB ）简单地相减即可得到放大器的噪声指数。在实际应用中，噪声指数通常定义在 0.1nm 的带宽范围内，因此， OSNR 的最终取值还需要考虑滤波器带宽和透射谱形的影响，采用计算机辅助控制即可确定噪声指数对波长和功率的依赖关系。
      总之，在通信、制造、测试、传感等应用领域， DOP 测试仪都是准确测量光源 DOP 参数的重要仪器。 新近推出的 DOP 测试仪，基于最大值 / 最小值搜寻法，更是具有成本低、操作简便、测试速度快、波长不敏感、无需校准等优点。无论是低 DOP ，还是高 DOP 都能够准确、快速、简捷地测量。
作者诚挚感谢 Dr. Y. Shi 和 Dr. J. Ma 两位博士的大力支持和宝贵建议。