专利名称：利用反复的高速偏振扰频测量偏振依赖损耗的装置和方法
技术领域：
本发明涉及一种测量光学设备插入损耗变化量的装置和方法，该损耗取决于入射光的偏振状态，即偏振依赖损耗。
在光学元件的各种规格中，尤其是偏振依赖损耗(PDL)的特征在于其测量难度大且测量时间长。而且，由于PDL能在光通信速度增加时引起信号降低，所以它是质量控制要求严格的光学设备的一项重要特征。
光学设备的插入损耗或PDL由输入光信号强度与输出光信号强度的比率来限定，并且取决于入射光的偏振。代表这些特征的PDL一般按以下方式测量首先，当入射光的偏振发生变化且其强度保持恒定时，将入射光引入PDL测量条件下的试验设备(DUT)。然后，测量输出光的强度。通过由等式1限定的最大输出Pmax与最小输出Pmin的比率来求得PDLPDL=10·log(Pmax)Pmin---]]>等式1。
上述测量PDL的常规方法包括全部状态扫描法和缪勒(Mueller)矩阵法。全部状态扫描法形成尽可能多样的入射光偏振状态并测量输出光的强度，从而获得最大输出值和最小输出值，下面将对此进行描述。


图1显示了一种根据全部状态扫描法测量PDL的装置的结构。参照图1，激光二极管100的输出信号具有预定的偏振状态和强度。从激光二极管100输出的信号主要沿着偏振调节器110传导，其中偏振调节器110包括几个由光纤制成的波片。改变波片的角度从而调节通过光纤120进入DUT130的入射光的偏振状态。光功率计测量从DUT130输出的光信号的强度。换句话说，偏振调节器110的波片在该角度时被扫描，因此当输入光信号沿着DUT130传导之后就会具有全部偏振状态，于是可以导出偏振输出光信号在预定时间间隔内的最大和最小值，从而计算出PDL值。但是，该装置最大的缺点是普遍使用机械偏振调节器，所以测量时间会延长到大约5到10秒那么久，从而导致该装置很少用在制造场所中。
同时，缪勒(Mueller)矩阵法通过利用四个准确已知的输入偏振状态的输出值进行数学计算来获得最大输出值和最小输出值，其中授予Favin et al的USP 5371597就公开了这样一种详细测量方法。根据USP 5371597，使用包括手动和自动偏振调节器的偏振调节器，从而在DUT前端获得入射光信号的四个已知的偏振状态。该自动偏振调节器的实施例包括用来旋转以调节偏振的1/2和1/4波片。然而，实施该方法存在以下限制在确定四个偏振状态中DUT的入射光信号强度和输出光信号强度的比率时所不可避免的校准过程，以及要求在输入相同的信号后必须精确获得四个偏振状态的合成值的测量过程。为了达到这个目的，输入偏振状态必须无干扰，但是，如果测量过程操作时间太长，就会存在输入偏振状态中不可避免地出现干扰的问题。
本发明的另一个目的是提供一种根据利用具有几百kHz或更大的调制速度的偏振调制器的全部状态扫描法，可以快速测量PDL的装置和方法。
为了实现上述目的，提供一种测量偏振依赖损耗的装置。该装置包括(a)光源；(b)将光源照射的光转换成偏振光的起偏器；(c)用于调制频率为F的偏振光的偏振状态的偏振扰频器，该偏振扰频器包括(c-1)具有至少三个圆柱形压电元件和无间隔地分别缠绕在压电元件外壁上的光纤的光纤双折射调制器，以及(c-2)与每个光纤双折射调制器的普通时钟同步的，用于向每个光纤双折射调制器施加频率为预定频率F的质数的整数倍的AC电压的AC电压源；(d)当偏振扰频器的输出光经过试验中的物体时，用于检测该物体承受的输出光的光功率的光电检测器；(f)与普通时钟同步的，用于提供具有1/F周期的输出光的强度轮廓的ADC；以及(g)用于将ADC输出的光的周期强度轮廓平均从而抑制各测量中夹杂的干扰的数字信号处理单元。
根据本发明的另一方面，提供一种测量偏振依赖损耗的方法。该方法包括以下步骤预备偏振入射光；将入射光输入偏振扰频器并输出具有预定频率F的偏振扰频输出光，其中偏振扰频器包括具有至少三个圆柱形压电元件和无间隔地分别缠绕在压电元件外壁上的光纤的光纤双折射调制器、与每个光纤双折射调制器的普通时钟同步的用于向每个光纤双折射调制器施加频率为预定频率F的质数的整数倍的AC电压的AC电压源；由偏振扰频器输出的光经过试验中的光学设备；通过光电检测器检测经过光学设备的光的输出；和将光电检测器检测的值进行有关恒定周期的双折射调制的平均，从而由该周期的最大输出和最小输出之比计算出偏振依赖损耗。
图2显示了根据本发明实施方式的测量PDL的装置的结构。下面将参照图2中的结构，描述本发明的装置和方法。参照图2，具有预定偏振状态的入射光信号从入射光提供装置300中获得，其中该装置包括光源302如可调谐激光器或分布式反馈(DFB)激光二极管、绝缘体304和起偏器306，然后将入射光信号输入偏振扰频器310。该实施方式的装置中使用的偏振扰频器310包括具有三个圆柱形压电元件和无间隔地分别缠绕在压电元件外壁上的光纤的光纤双折射调制器，其中连接在两个相邻调制器之间的光纤是扭曲的，所以双折射轴彼此之间具有48度的角度。光纤可以利用相对便宜的单模光纤或者也可选择偏振维持光纤。
同时，每个光学双折射调制器都由具有AC电压源的驱动信号发生单元370驱动，该电压源与每个光纤双折射调制器的普通时钟同步，并用于向每个光纤双折射调制器施加频率为预定频率F的质数的整数倍的AC电压。
也就是说，三个频率f1、f2和f3是根据等式2确定的f1f2f3＝F*(k，l，m)…等式2，其中，k、l和m是互为质数的整数。
频率F可以是从频率组1kHz、2kHz、5kHz和10kHz中选择出的一个数值。在该实施方式中，这三个调制器分别按照f1＝770kHz、f2＝950kHz和f3＝1070kHz的正弦波来调制。这三个调制器的调制幅度优选调节到满足3.14或更大，但在该实施方式中要调节到m1＝4.36rad、m2＝5rad、m3＝5.8rad。该值能使偏振变化可以完全覆盖住Poincare球。换句话说，这将在一段时期内产生运用全部偏振状态扫描法中所需的全部偏振状态。如上所述，光信号经过扰频器310之后进入DUT320。由于进入DUT320的入射光信号的偏振状态变化在每个时间周期T(1/F)间隔内重复，所以光信号经过DUT230之后其强度变化以周期T重复再生。光信号经过DUT320之后将沿着光电检测器330和紧接着的高速放大器340传导，然后由模/数转换器(ADC)350调制以适于处理。同时，ADC350与确定偏振调制器的调制信号的周期的时钟同步，该偏振调制器在偏振扰频器310中。为了减少光电检测器330产生的干扰，该实施方式运用了平均法。如上所述光信号在ADC350中转换过后，在信号处理单元360中进行平均。该平均处理减少了各测量中夹杂的干扰。由于调制频率为最高公因数10kHz，所以调制光信号的周期为100μs。这时，偏振扰频器310中的偏振调制器与上述ADC350同步，从而实现了可以将100μs的波平均1000次的实时平均器。因此，这时可以由100μs乘以1000来得到0.1秒的测量时间。当上述平均处理完成后，通过显示单元显示出测量值。
图3是表示根据本发明的装置和方法而测量的光学设备的PDL值的图表，其中已知该光学设备的PDL值为2.42dB/1550nm。为了便于比较，一同显示出根据传统测量装置和方法测量的PDL值。在PDL测量中，入射到光学设备的入射光波长以1520nm到1590nm范围内的10nm间隔而变化。在该图表中，圆形表示根据全部状态扫描法的传统装置(例A)测量出的结果，三角形表示根据缪勒(Mueller)矩阵法的另一传统装置(例B)测量出的结果。参照图3，上述三种方法提供了非常相近的误差为±1％或更小的PDL值。虽然通过上述比较发现三种测量方法对于同一光学设备提供了非常相近的PDL值，但是根据本发明的装置和方法在测量时间上获得了极大的优势。根据波长测量PDL值，例A和例B分别消耗了10秒和2秒的测量时间，而同样情况下根据本发明的装置和方法则用了0.1秒的测量时间。
图4是表示根据本发明的装置和方法的由输入偏振的变化造成的影响的图表。换句话说，图4显示了通过运用偏振状态在300中与在图2中所示的偏振扰频器310中不同的光学信号，根据经过光学设备的光信号而测得的PDL值。参照图4，可以看到在整个偏振状态中，测得的PDL值的偏差是±1％或更小。这个结果证明了根据本发明的装置和方法，任何经过偏振扰频器的光信号都将承受全部偏振状态。
同时，表1显示了在有干扰影响的环境下使用本发明的装置和方法得出的平均值和PDL值的变化。当根据图1所示的传统装置测量时，光学设备的PDL值为0.717dB。
表1
参照表1，即使在干扰严重的情况下，根据本发明的装置和方法也可以在短时间内精确地获得测量结果。
根据前述本发明测量PDL的装置和方法，通过对输入偏振及其周期扰频进行重复地测量可以获得平均值，因此提高了测量精度。而且，本发明还采用了可以进行高速运作的偏振扰频器，从而提高了测量速度。工业实用性虽然已经参照上述实施方式和附图对本发明进行了描述，但是在不脱离附属权利要求书中公开的本发明的范围和精神的条件下，可以对这些技术作出各种修改、增加和替代。因此，虽然已经说明过本发明的装置具有与光源分离开的起偏器，但如果光源可以独自输出偏振光时，这个单独的起偏器就不必要了。
权利要求
1.一种测量偏振依赖损耗的装置，该装置包括(a)光源；(b)将所述光源照射的光转换成偏振光的起偏器；(c)用于调制频率为F的所述偏振光的偏振状态的偏振扰频器，所述偏振扰频器包括(c-1)具有至少三个圆柱形压电元件和无间隔地分别缠绕在所述压电元件外壁上的光纤的光纤双折射调制器，以及(c-2)与每个所述光纤双折射调制器的普通时钟同步的，用于向所述每个光纤双折射调制器施加频率为预定频率F的质数的整数倍的AC电压的AC电压源；(d)当偏振扰频器的输出光经过试验中的物体时，用于检测该物体承受的输出光的光功率的光电检测器；(f)与普通时钟同步的，用于提供具有1/F周期的输出光的强度轮廓的ADC；和(g)用于将从所述ADC输出的光的周期强度轮廓平均以抑制各测量中夹杂的干扰的数字信号处理单元。
2.如权利要求1所述的装置，其中光纤保持扭曲状态，以使相邻的双折射调制器之间的双折射轴彼此之间具有48度的角度。
3.如权利要求1所述的装置，其中频率F是从频率组1kHz、2kHz、5kHz和10kHz中选择出的一个数值。
4.如权利要求1所述的装置，其中双折射调制器的调制幅度为3.14或更大。
5.如权利要求1所述的装置，其中分别缠绕在所述压电元件外壁上的所述光纤是单模光纤。
6.一种测量偏振依赖损耗的方法，该方法包括以下步骤预备偏振入射光；将入射光输入偏振扰频器并输出具有预定频率F的偏振扰频输出光，其中偏振扰频器包括具有至少三个圆柱形压电元件和无间隔地分别缠绕在压电元件外壁上的光纤的光纤双折射调制器、与每个光纤双折射调制器的普通时钟同步的用于向每个光纤双折射调制器施加频率为预定频率F的质数的整数倍的AC电压的AC电压源；由所述偏振扰频器输出的光经过试验中的光学设备；通过光电检测器检测经过光学设备的光的输出；和将光电检测器检测的值进行有关恒定周期的双折射调制的平均，从而由该周期的最大输出和最小输出之比计算出偏振依赖损耗。
全文摘要
本发明公开了一种测量光学设备插入损耗变化量的装置和方法，该损耗取决于入射光的偏振状态，即偏振依赖损耗。周期地受全部偏振状态控制的入射光通过偏振扰频器经过试验光学设备，该扰频器包括压电元件式光纤双折射调制器，同时光辐射探测器测量通过的光的强度，其中被平均以进行双折射调制的测量强度值具有恒定周期，于是由该周期的最大功率与最小功率之比而计算出偏振依赖损耗。利用双折射调制器缩短了测量时间，减少了外界干扰对入射试验光学元件内的入射光的影响或外界干扰的出现几率，从而可以精确测量偏振依赖损耗。
文档编号G01M11/00GK1459037SQ02800671
公开日2003年11月26日 申请日期2002年2月7日 优先权日2001年3月16日
发明者高年完, 李峰玩, 金正元 申请人:图南系统株式会社