專利名稱：利用反復的高速偏振擾頻測量偏振依賴損耗的裝置和方法
技術領域：
本發明涉及一種測量光學設備插入損耗變化量的裝置和方法，該損耗取決于入射光的偏振狀態，即偏振依賴損耗。
在光學元件的各種規格中，尤其是偏振依賴損耗(PDL)的特征在于其測量難度大且測量時間長。而且，由于PDL能在光通信速度增加時引起信號降低，所以它是質量控制要求嚴格的光學設備的一項重要特征。
光學設備的插入損耗或PDL由輸入光信號強度與輸出光信號強度的比率來限定，并且取決于入射光的偏振。代表這些特征的PDL一般按以下方式測量首先，當入射光的偏振發生變化且其強度保持恒定時，將入射光引入PDL測量條件下的試驗設備(DUT)。然后，測量輸出光的強度。通過由等式1限定的最大輸出Pmax與最小輸出Pmin的比率來求得PDLPDL=10·log(Pmax)Pmin---]]>等式1。
上述測量PDL的常規方法包括全部狀態掃描法和繆勒(Mueller)矩陣法。全部狀態掃描法形成盡可能多樣的入射光偏振狀態并測量輸出光的強度，從而獲得最大輸出值和最小輸出值，下面將對此進行描述。
圖1顯示了一種根據全部狀態掃描法測量PDL的裝置的結構。參照圖1，激光二極管100的輸出信號具有預定的偏振狀態和強度。從激光二極管100輸出的信號主要沿著偏振調節器110傳導，其中偏振調節器110包括幾個由光纖制成的波片。改變波片的角度從而調節通過光纖120進入DUT130的入射光的偏振狀態。光功率計測量從DUT130輸出的光信號的強度。換句話說，偏振調節器110的波片在該角度時被掃描，因此當輸入光信號沿著DUT130傳導之后就會具有全部偏振狀態，于是可以導出偏振輸出光信號在預定時間間隔內的最大和最小值，從而計算出PDL值。但是，該裝置最大的缺點是普遍使用機械偏振調節器，所以測量時間會延長到大約5到10秒那么久，從而導致該裝置很少用在制造場所中。
同時，繆勒(Mueller)矩陣法通過利用四個準確已知的輸入偏振狀態的輸出值進行數學計算來獲得最大輸出值和最小輸出值，其中授予Favin et al的USP 5371597就公開了這樣一種詳細測量方法。根據USP 5371597，使用包括手動和自動偏振調節器的偏振調節器，從而在DUT前端獲得入射光信號的四個已知的偏振狀態。該自動偏振調節器的實施例包括用來旋轉以調節偏振的1/2和1/4波片。然而，實施該方法存在以下限制在確定四個偏振狀態中DUT的入射光信號強度和輸出光信號強度的比率時所不可避免的校準過程，以及要求在輸入相同的信號后必須精確獲得四個偏振狀態的合成值的測量過程。為了達到這個目的，輸入偏振狀態必須無干擾，但是，如果測量過程操作時間太長，就會存在輸入偏振狀態中不可避免地出現干擾的問題。
本發明的另一個目的是提供一種根據利用具有幾百kHz或更大的調制速度的偏振調制器的全部狀態掃描法，可以快速測量PDL的裝置和方法。
為了實現上述目的，提供一種測量偏振依賴損耗的裝置。該裝置包括(a)光源；(b)將光源照射的光轉換成偏振光的起偏器；(c)用于調制頻率為F的偏振光的偏振狀態的偏振擾頻器，該偏振擾頻器包括(c-1)具有至少三個圓柱形壓電元件和無間隔地分別纏繞在壓電元件外壁上的光纖的光纖雙折射調制器，以及(c-2)與每個光纖雙折射調制器的普通時鐘同步的，用于向每個光纖雙折射調制器施加頻率為預定頻率F的質數的整數倍的AC電壓的AC電壓源；(d)當偏振擾頻器的輸出光經過試驗中的物體時，用于檢測該物體承受的輸出光的光功率的光電檢測器；(f)與普通時鐘同步的，用于提供具有1/F周期的輸出光的強度輪廓的ADC；以及(g)用于將ADC輸出的光的周期強度輪廓平均從而抑制各測量中夾雜的干擾的數字信號處理單元。
根據本發明的另一方面，提供一種測量偏振依賴損耗的方法。該方法包括以下步驟預備偏振入射光；將入射光輸入偏振擾頻器并輸出具有預定頻率F的偏振擾頻輸出光，其中偏振擾頻器包括具有至少三個圓柱形壓電元件和無間隔地分別纏繞在壓電元件外壁上的光纖的光纖雙折射調制器、與每個光纖雙折射調制器的普通時鐘同步的用于向每個光纖雙折射調制器施加頻率為預定頻率F的質數的整數倍的AC電壓的AC電壓源；由偏振擾頻器輸出的光經過試驗中的光學設備；通過光電檢測器檢測經過光學設備的光的輸出；和將光電檢測器檢測的值進行有關恒定周期的雙折射調制的平均，從而由該周期的最大輸出和最小輸出之比計算出偏振依賴損耗。
圖2顯示了根據本發明實施方式的測量PDL的裝置的結構。下面將參照圖2中的結構，描述本發明的裝置和方法。參照圖2，具有預定偏振狀態的入射光信號從入射光提供裝置300中獲得，其中該裝置包括光源302如可調諧激光器或分布式反饋(DFB)激光二極管、絕緣體304和起偏器306，然后將入射光信號輸入偏振擾頻器310。該實施方式的裝置中使用的偏振擾頻器310包括具有三個圓柱形壓電元件和無間隔地分別纏繞在壓電元件外壁上的光纖的光纖雙折射調制器，其中連接在兩個相鄰調制器之間的光纖是扭曲的，所以雙折射軸彼此之間具有48度的角度。光纖可以利用相對便宜的單模光纖或者也可選擇偏振維持光纖。
同時，每個光學雙折射調制器都由具有AC電壓源的驅動信號發生單元370驅動，該電壓源與每個光纖雙折射調制器的普通時鐘同步，并用于向每個光纖雙折射調制器施加頻率為預定頻率F的質數的整數倍的AC電壓。
也就是說，三個頻率f1、f2和f3是根據等式2確定的f1f2f3＝F*(k，l，m)…等式2，其中，k、l和m是互為質數的整數。
頻率F可以是從頻率組1kHz、2kHz、5kHz和10kHz中選擇出的一個數值。在該實施方式中，這三個調制器分別按照f1＝770kHz、f2＝950kHz和f3＝1070kHz的正弦波來調制。這三個調制器的調制幅度優選調節到滿足3.14或更大，但在該實施方式中要調節到m1＝4.36rad、m2＝5rad、m3＝5.8rad。該值能使偏振變化可以完全覆蓋住Poincare球。換句話說，這將在一段時期內產生運用全部偏振狀態掃描法中所需的全部偏振狀態。如上所述，光信號經過擾頻器310之后進入DUT320。由于進入DUT320的入射光信號的偏振狀態變化在每個時間周期T(1/F)間隔內重復，所以光信號經過DUT230之后其強度變化以周期T重復再生。光信號經過DUT320之后將沿著光電檢測器330和緊接著的高速放大器340傳導，然后由模/數轉換器(ADC)350調制以適于處理。同時，ADC350與確定偏振調制器的調制信號的周期的時鐘同步，該偏振調制器在偏振擾頻器310中。為了減少光電檢測器330產生的干擾，該實施方式運用了平均法。如上所述光信號在ADC350中轉換過后，在信號處理單元360中進行平均。該平均處理減少了各測量中夾雜的干擾。由于調制頻率為最高公因數10kHz，所以調制光信號的周期為100μs。這時，偏振擾頻器310中的偏振調制器與上述ADC350同步，從而實現了可以將100μs的波平均1000次的實時平均器。因此，這時可以由100μs乘以1000來得到0.1秒的測量時間。當上述平均處理完成后，通過顯示單元顯示出測量值。
圖3是表示根據本發明的裝置和方法而測量的光學設備的PDL值的圖表，其中已知該光學設備的PDL值為2.42dB/1550nm。為了便于比較，一同顯示出根據傳統測量裝置和方法測量的PDL值。在PDL測量中，入射到光學設備的入射光波長以1520nm到1590nm范圍內的10nm間隔而變化。在該圖表中，圓形表示根據全部狀態掃描法的傳統裝置(例A)測量出的結果，三角形表示根據繆勒(Mueller)矩陣法的另一傳統裝置(例B)測量出的結果。參照圖3，上述三種方法提供了非常相近的誤差為±1％或更小的PDL值。雖然通過上述比較發現三種測量方法對于同一光學設備提供了非常相近的PDL值，但是根據本發明的裝置和方法在測量時間上獲得了極大的優勢。根據波長測量PDL值，例A和例B分別消耗了10秒和2秒的測量時間，而同樣情況下根據本發明的裝置和方法則用了0.1秒的測量時間。
圖4是表示根據本發明的裝置和方法的由輸入偏振的變化造成的影響的圖表。換句話說，圖4顯示了通過運用偏振狀態在300中與在圖2中所示的偏振擾頻器310中不同的光學信號，根據經過光學設備的光信號而測得的PDL值。參照圖4，可以看到在整個偏振狀態中，測得的PDL值的偏差是±1％或更小。這個結果證明了根據本發明的裝置和方法，任何經過偏振擾頻器的光信號都將承受全部偏振狀態。
同時，表1顯示了在有干擾影響的環境下使用本發明的裝置和方法得出的平均值和PDL值的變化。當根據圖1所示的傳統裝置測量時，光學設備的PDL值為0.717dB。
表1
參照表1，即使在干擾嚴重的情況下，根據本發明的裝置和方法也可以在短時間內精確地獲得測量結果。
根據前述本發明測量PDL的裝置和方法，通過對輸入偏振及其周期擾頻進行重復地測量可以獲得平均值，因此提高了測量精度。而且，本發明還采用了可以進行高速運作的偏振擾頻器，從而提高了測量速度。工業實用性雖然已經參照上述實施方式和附圖對本發明進行了描述，但是在不脫離附屬權利要求書中公開的本發明的范圍和精神的條件下，可以對這些技術作出各種修改、增加和替代。因此，雖然已經說明過本發明的裝置具有與光源分離開的起偏器，但如果光源可以獨自輸出偏振光時，這個單獨的起偏器就不必要了。
權利要求
1.一種測量偏振依賴損耗的裝置，該裝置包括(a)光源；(b)將所述光源照射的光轉換成偏振光的起偏器；(c)用于調制頻率為F的所述偏振光的偏振狀態的偏振擾頻器，所述偏振擾頻器包括(c-1)具有至少三個圓柱形壓電元件和無間隔地分別纏繞在所述壓電元件外壁上的光纖的光纖雙折射調制器，以及(c-2)與每個所述光纖雙折射調制器的普通時鐘同步的，用于向所述每個光纖雙折射調制器施加頻率為預定頻率F的質數的整數倍的AC電壓的AC電壓源；(d)當偏振擾頻器的輸出光經過試驗中的物體時，用于檢測該物體承受的輸出光的光功率的光電檢測器；(f)與普通時鐘同步的，用于提供具有1/F周期的輸出光的強度輪廓的ADC；和(g)用于將從所述ADC輸出的光的周期強度輪廓平均以抑制各測量中夾雜的干擾的數字信號處理單元。
2.如權利要求1所述的裝置，其中光纖保持扭曲狀態，以使相鄰的雙折射調制器之間的雙折射軸彼此之間具有48度的角度。
3.如權利要求1所述的裝置，其中頻率F是從頻率組1kHz、2kHz、5kHz和10kHz中選擇出的一個數值。
4.如權利要求1所述的裝置，其中雙折射調制器的調制幅度為3.14或更大。
5.如權利要求1所述的裝置，其中分別纏繞在所述壓電元件外壁上的所述光纖是單模光纖。
6.一種測量偏振依賴損耗的方法，該方法包括以下步驟預備偏振入射光；將入射光輸入偏振擾頻器并輸出具有預定頻率F的偏振擾頻輸出光，其中偏振擾頻器包括具有至少三個圓柱形壓電元件和無間隔地分別纏繞在壓電元件外壁上的光纖的光纖雙折射調制器、與每個光纖雙折射調制器的普通時鐘同步的用于向每個光纖雙折射調制器施加頻率為預定頻率F的質數的整數倍的AC電壓的AC電壓源；由所述偏振擾頻器輸出的光經過試驗中的光學設備；通過光電檢測器檢測經過光學設備的光的輸出；和將光電檢測器檢測的值進行有關恒定周期的雙折射調制的平均，從而由該周期的最大輸出和最小輸出之比計算出偏振依賴損耗。
全文摘要
本發明公開了一種測量光學設備插入損耗變化量的裝置和方法，該損耗取決于入射光的偏振狀態，即偏振依賴損耗。周期地受全部偏振狀態控制的入射光通過偏振擾頻器經過試驗光學設備，該擾頻器包括壓電元件式光纖雙折射調制器，同時光輻射探測器測量通過的光的強度，其中被平均以進行雙折射調制的測量強度值具有恒定周期，于是由該周期的最大功率與最小功率之比而計算出偏振依賴損耗。利用雙折射調制器縮短了測量時間，減少了外界干擾對入射試驗光學元件內的入射光的影響或外界干擾的出現幾率，從而可以精確測量偏振依賴損耗。
文檔編號G01M11/00GK1459037SQ02800671
公開日2003年11月26日 申請日期2002年2月7日 優先權日2001年3月16日
發明者高年完, 李峰玩, 金正元 申請人:圖南系統株式會社