偏振控制及偏振測(cè)試基礎(chǔ)知識(shí)1.偏振態(tài)的表示方法2.偏振態(tài)的控制方法3.偏振態(tài)的測(cè)量方法4.偏振度（DOP）及其測(cè)量5.偏振消光比（PER）及其測(cè)量6.偏振相關(guān)損耗（PDL）及其測(cè)量7.偏振模色散（PMD）

隨著通信技術(shù)的飛速發(fā)展，電信運(yùn)營(yíng)商們正在不斷地提高WDM系統(tǒng)中單信道的傳輸速率。目前，單波長(zhǎng)傳輸速率為40Gb/s的系統(tǒng)正在建設(shè)中，而傳輸速率更高的系統(tǒng)也已經(jīng)進(jìn)入了人們的視野，這對(duì)光纖中的偏振模色散（PMD），偏振相關(guān)調(diào)制（PDM），放大器的偏振相關(guān)增益（PDG）等均提出了更高的要求。尤其是近兩年，偏振復(fù)用、相干探測(cè)技術(shù)成為在現(xiàn)已鋪設(shè)的光纜中實(shí)現(xiàn)更高速率傳輸?shù)臒狳c(diǎn)解決方案，贏得了業(yè)內(nèi)人士的普遍關(guān)注。另一方面，隨著光纖傳感技術(shù)的突破性進(jìn)展，光纖傳感系統(tǒng)在國(guó)民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)領(lǐng)域中得到廣泛應(yīng)用。作為解調(diào)相位、頻移等傳感信號(hào)的重要方法之一，相干探測(cè)成為分布式傳感、角速度傳感、聲學(xué)傳感、電流傳感等傳感領(lǐng)域的核心技術(shù)。而控制偏振態(tài)，實(shí)現(xiàn)干涉信號(hào)的穩(wěn)定輸出，則是相干探測(cè)的關(guān)鍵部分。因此，我們可以看到，無(wú)論是在通訊領(lǐng)域，還是在傳感領(lǐng)域，光的偏振都是大家共同關(guān)注的問(wèn)題。下面我們簡(jiǎn)單介紹一下偏振的基本概念、偏振的控制方法及幾個(gè)重要偏振特性的測(cè)量技術(shù)。1.偏振態(tài)的表示方法

所謂光的偏振，是指在光的傳播過(guò)程中其能量分布的偏向性。光是一種橫波，其能量分布是橫向的，也就分布于傳播方向的橫截面上。而能量在此平面上如何分布，則是偏振所要描述的問(wèn)題了。對(duì)于完全偏振光，能量在此平面內(nèi)的分布是確定的，有固定的方向性。而對(duì)于自然光，其能量分布是沒(méi)有任何方向上的偏向的，是完全隨機(jī)的。我們?nèi)粘Ｒ?jiàn)到的絕大部分光，則是介于這兩個(gè)狀態(tài)之間的，其能量的分布既有一定的隨機(jī)性，也有一定的偏向性。光是電磁波，其偏振狀態(tài)可以用光的電矢量來(lái)描述。根據(jù)電矢量末端的變化軌跡，偏振光可以分為線偏振光、圓偏振光和橢圓偏振光。此外，由電矢量還可以派生出來(lái)其他幾種表示方法，如偏振橢圓、Stokes參數(shù)、邦加球，另外還可以通過(guò)瓊斯矩陣、米勒矩陣來(lái)表示一個(gè)偏振器件對(duì)偏振態(tài)的影響或改變。下面我們僅就Stokes參數(shù)、邦加球表示法做詳細(xì)說(shuō)明。Stokes參數(shù)通過(guò)S0、S1、S2、S3等4個(gè)參數(shù)來(lái)全面描述光源的偏振特性。4個(gè)Stokes參數(shù)的定義如下：S0=P0S1=PX–PYS2=P+45-P-45S3=PL-PR其中，P0是總光功率（包括偏振光部分和非偏振光部分），PX、PY、P+45、P-45、PL、PR分別代表沿X軸（0°方向）、Y軸（90°方向）、+45°方向、-45°方向、右旋（RHC）軸、左旋（LHC）軸的光功率。我們定義偏振度（DOP）來(lái)表征偏振光占總光強(qiáng)的比重。不同類(lèi)型光源，DOP也不同，取值范圍從0～1。DFB激光器、外腔半導(dǎo)體激光器的DOP較高，接近1。而放大的自發(fā)輻射光源（ASE）、發(fā)光二極管（LED）、超輻射發(fā)光二極管（SLED）的DOP較低。當(dāng)DOP=1時(shí)，我們將S1、S2、S3對(duì)S0進(jìn)行歸一化，并把S1、S2、S3作為一組坐標(biāo)，就可以得到一個(gè)球的方程S12+S22+S32＝1，也就是我們所說(shuō)的邦加球。我們可以看到，赤道線上各點(diǎn)S3＝0，對(duì)應(yīng)于線偏振光；兩個(gè)極點(diǎn)S1＝S2＝0，對(duì)應(yīng)于圓偏振光；球面上的其他點(diǎn)對(duì)應(yīng)于橢圓偏振光；球面以?xún)?nèi)的部分DOP<1，對(duì)應(yīng)于部分偏振光。圖1.通過(guò)邦加球表征偏振態(tài)返回2.偏振態(tài)的控制方法

目前，商用的偏振控制器種類(lèi)很多，具體方法和實(shí)際性能各不相同，但其原理均是通過(guò)雙折射效應(yīng)來(lái)使一個(gè)偏振態(tài)的兩個(gè)分量產(chǎn)生不同相位延遲，從而再重新生成所期望的偏振態(tài)。根據(jù)其技術(shù)原理，偏振控制器大體可分為三類(lèi)：A、由多個(gè)延遲固定、方位角可變的波片組成；B、由單個(gè)延遲可調(diào)、方位角可變的波片組成；C、由多個(gè)方位角固定、延遲可調(diào)的波片組成；

圖2a是一個(gè)典型的偏振控制器的結(jié)構(gòu)圖，它由三個(gè)延遲固定、方位角可變的波片組成，一個(gè)λ/2（HWP）波片處于兩個(gè)λ/4（QWP）波片中間，每個(gè)波片都可沿著光軸相對(duì)于其它波片自由轉(zhuǎn)動(dòng)。第一個(gè)λ/4波片的作用是將任意輸入偏振光轉(zhuǎn)變?yōu)榫€偏振光，然后λ/2波片將此線偏振光旋轉(zhuǎn)到任一希望得到的偏振方向，于是第二個(gè)λ/4波片就能將該偏振光轉(zhuǎn)變?yōu)槿魏蜗Ｍ玫降妮敵銎駪B(tài)。

雖然，這種方法應(yīng)用在商用化的產(chǎn)品中已經(jīng)頗見(jiàn)成效，但這項(xiàng)技術(shù)存在很多缺點(diǎn)。首先，光線的準(zhǔn)直、對(duì)軸、聚焦不僅費(fèi)時(shí)，而且耗費(fèi)眾多勞力。其次，波片、微透鏡等元件都價(jià)格不菲，并且需要鍍?cè)鐾改ぁ伳バ苯且詼p少背向反射。再次，由于不可避免的要將光從一根光纖中耦合輸出，然后再將其聚焦進(jìn)入另一根光纖，以至于插入損耗很大。而且，波片本身就對(duì)波長(zhǎng)敏感的，從而使得此種偏振控制器也對(duì)波長(zhǎng)敏感。最后，使用電動(dòng)機(jī)或其它機(jī)械器件旋轉(zhuǎn)波片，都會(huì)限制偏振控制器的控制速度。

基于相同原理的全光纖偏振控制器（如圖2b所示）即可以減少插入損耗，又可以降低成本。在這種裝置中，三個(gè)光纖線圈取代了自由空間的延遲波片，線圈彎曲產(chǎn)生的應(yīng)力，可以產(chǎn)生與線圈直徑平方成反比的雙折射效應(yīng)。調(diào)節(jié)光纖線圈的直徑和圈數(shù)即可得到任何希望得到的全光纖波片。但這種方法的缺點(diǎn)在于對(duì)波長(zhǎng)敏感、控制速度慢。而且為了減少由光纖彎曲引入的插入損耗，光纖線圈直徑必須很大，從而使這種偏振控制器的體積變大。因此，這種“米老鼠耳朵”形狀的偏振控制器主要局限在實(shí)驗(yàn)室中使用。

速度是網(wǎng)絡(luò)技術(shù)發(fā)展的一個(gè)關(guān)鍵要素，機(jī)械旋轉(zhuǎn)波片難以滿(mǎn)足在調(diào)節(jié)速度方面的要求。因此，人們開(kāi)始開(kāi)發(fā)基于LiNbO3材料的快速偏振控制器（如圖2c所示）。這種偏振控制器由三個(gè)波導(dǎo)結(jié)構(gòu)組成，其中兩個(gè)波導(dǎo)用來(lái)充當(dāng)λ/4波片，另一個(gè)用來(lái)充當(dāng)λ/2波片。不再需要旋轉(zhuǎn)波片，兩個(gè)控制電壓和光電效應(yīng)即可決定各波片的相對(duì)取向，選取合適的電壓即可實(shí)現(xiàn)每個(gè)波片取向的無(wú)限制旋轉(zhuǎn)。這種方法的主要缺點(diǎn)是：高插入損耗（～3dB）、高偏振相關(guān)損耗（～0.2dB）、高啟動(dòng)損耗（～0.15dB）以及昂貴的價(jià)格。并且，這種裝置至少有九個(gè)參數(shù)需要優(yōu)化，不僅使用復(fù)雜而且造價(jià)高。

一種替代的方法就是Babinet-Soleil補(bǔ)償器，它可以將任意輸入的偏振態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)槿魏蜗Ｍ玫降妮敵銎駪B(tài)。這種裝置的核心器件是一個(gè)由兩個(gè)楔形雙折射晶體組成的復(fù)合波片（如圖3a所示）。波片厚度（對(duì)應(yīng)于總延遲）的變化可以通過(guò)兩塊晶體的相對(duì)滑動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)；同時(shí)，復(fù)合波片的取向可以繞光軸旋轉(zhuǎn)。與前面提到的裝置（圖2a）相比，這種裝置具有對(duì)波長(zhǎng)不敏感的優(yōu)點(diǎn)，因?yàn)樗梢詫?shí)現(xiàn)任何波長(zhǎng)的精確延遲。但這種裝置具有成本高、插入損耗高、調(diào)節(jié)速度慢等缺點(diǎn)。

為了降低成本、減少損耗，一種新型的光纖偏振控制器（如圖3b所示）被開(kāi)發(fā)出來(lái)。這種偏振控制器基于與Babinet-Soleil補(bǔ)償器相同的原理，由一個(gè)可繞光纖旋轉(zhuǎn)的光纖擠壓器組成。對(duì)光纖施予壓力以產(chǎn)生一個(gè)線性的雙折射，等效產(chǎn)生一個(gè)延遲隨壓力變化的全光纖波片。這樣僅僅通過(guò)簡(jiǎn)單的擠壓和旋轉(zhuǎn)操作就可由任意輸入偏振態(tài)產(chǎn)生任何希望得到的輸出偏振態(tài)。這種裝置不僅插入損耗低、成本低，而且與“米老鼠耳朵”形狀的偏振控制器相比，它還具有體積小、對(duì)波長(zhǎng)不敏感的優(yōu)點(diǎn)。

偏振控制器還可以使用幾個(gè)取向成45o角的自由空間波片來(lái)實(shí)現(xiàn)（如圖4a所示）。每個(gè)波片的延遲隨加載的電壓變化；波片的取向固定。這種可變延遲波片可由液晶、電光晶體或電光陶瓷等材料制成。采用液晶材料的缺點(diǎn)是調(diào)節(jié)速度慢，而電光晶體一般需要極高的工作電壓。這種類(lèi)型的偏振控制器一般具有插入損耗高、成本高、以及由增透膜和微透鏡造成的工作帶寬窄等缺點(diǎn)。

一種與圖4a所示裝置具有相同工作原理的全光纖偏振控制器（如圖4b所示）可以解決插入損耗高和成本高的問(wèn)題。波片的延遲隨光纖擠壓器施加的壓力而變化。這種裝置的關(guān)鍵在于如何提高器件的可靠性、緊湊性和性?xún)r(jià)比。

在這種偏振控制器中有0°、45°、0°、45°四個(gè)擠壓器，每個(gè)擠壓器在邦加球上對(duì)應(yīng)一個(gè)從球心到球面的軸，通過(guò)給擠壓器加電壓，偏振態(tài)就會(huì)繞該軸在邦加球上做弧形變動(dòng)。0°與45°擠壓器在邦加球上所確定的轉(zhuǎn)軸是正交的。這樣通過(guò)四個(gè)擠壓器、兩個(gè)正交軸，就可以實(shí)現(xiàn)任意輸入的偏振態(tài)到任意輸出偏振態(tài)之間的變化。返回3.偏振態(tài)的測(cè)量方法

前面我們提到了偏振態(tài)有諸多表示方法，Stokes參數(shù)法更加直觀，并且可以方便地把偏振態(tài)顯示在邦加球上，是比較通用的表示方法。根據(jù)Stokes參數(shù)四個(gè)分量的定義，我們可以采用圖5所示的偏振分析儀對(duì)偏振態(tài)進(jìn)行測(cè)量。第一種偏振測(cè)試儀包括一個(gè)旋轉(zhuǎn)波片、一個(gè)檢偏器和一個(gè)探測(cè)器；第二種結(jié)構(gòu)中，輸入光被分為四束分別在不同取向上進(jìn)行分析。

圖5a所示的偏振分析儀采用一個(gè)1/4波片與一個(gè)檢偏器的組合，通過(guò)旋轉(zhuǎn)1/4波片，分別形成一個(gè)0o，45o，90o和左旋方向的檢偏器。測(cè)量出光經(jīng)過(guò)其后的光強(qiáng)，經(jīng)過(guò)計(jì)算，便可得出實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確的Stokes分量。圖5b則采用分波的形式，將輸入光分成四束，同時(shí)分別進(jìn)行測(cè)量，得出P1、P2、P3、P4，再通過(guò)計(jì)算得到S0、S1、S2、S3。分波法的優(yōu)勢(shì)在于同時(shí)測(cè)量P1、P2、P3、P4，可以避免光源變化引起的測(cè)量誤差，具有很好的可重復(fù)性。圖6.分波型偏振測(cè)試儀的工作原理返回4.偏振度（DOP）及其測(cè)量

前面我們討論過(guò)，DOP定義為偏振光占總光強(qiáng)的比重，可以通過(guò)四個(gè)Stokes分量計(jì)算得出。DOP另一個(gè)更為直接的定義如下：

其中，P偏振是指光束中偏振成分的功率，P非偏振是指光束中非偏振成分的功率，DOP表征了一束光中偏振成分的多少。

不論是在通信領(lǐng)域還是在傳感領(lǐng)域，DOP都是光源的一個(gè)重要指標(biāo)。光纖放大器是光通信領(lǐng)域的關(guān)鍵組件，對(duì)偏振不敏感是放大器一個(gè)非常重要的要求。不幸的是，無(wú)論是在摻鉺光纖放大器（EDFA）還是在喇曼放大器（RA）中都存在偏振相關(guān)增益（PDG）。尤其是在喇曼放大器中，當(dāng)信號(hào)光與泵浦光的偏振方向一致時(shí)喇曼增益最大，而當(dāng)兩偏振方向正交時(shí)喇曼增益幾乎可以忽略，這使得偏振相關(guān)增益效應(yīng)在喇曼放大器中非常嚴(yán)重。在光纖傳感的某些應(yīng)用方向，光源的偏振度將直接影響傳感系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，尤其是在需要相干檢測(cè)的傳感器中，光源的偏振度更是一項(xiàng)關(guān)鍵指標(biāo)。

如果需要將低偏振度的光源變成高偏振度的光源，通常需要用起偏器或部分起偏器將光源起偏。相反如果需要得到低偏振度的光，通常需要使用消偏器或采用偏振合波器消除光源的偏振特性。DOP的測(cè)量方法主要有三種。

第一種方法，就是使用偏振態(tài)測(cè)量?jī)x，測(cè)出光束的Stokes分量，再計(jì)算得出DOP。測(cè)試原理圖如圖5所示。此種方法的主要缺點(diǎn)有：偏振分析儀是一款總和測(cè)試設(shè)備，價(jià)格昂貴，如果僅為測(cè)量DOP而采用偏振分析儀，測(cè)量成本高，利用率過(guò)低；另外，從計(jì)算公式我們可以得到，DOP的測(cè)量誤差由S0、S1、S2、S3四個(gè)參量的測(cè)量誤差共同決定，測(cè)量誤差比較大，尤其是在測(cè)量低DOP值時(shí)，將會(huì)更加顯著。

第二種方法，是采用擾偏方法來(lái)進(jìn)行測(cè)量，如圖8所示。擾偏器被置于起偏器和探測(cè)器之前。理想情況下，在擾偏的一個(gè)周期內(nèi)，一定會(huì)出現(xiàn)信號(hào)光的偏振部分與起偏器的起偏方向平行或者垂直。當(dāng)兩者平行時(shí)，信號(hào)光的偏振部分全部通過(guò)起偏器，探測(cè)到的功率最大；兩者垂直時(shí)，如果起偏器的消光比足夠高，信號(hào)光的偏振部分將會(huì)被全部阻斷，探測(cè)到的功率最小。由此可知P偏振=Pmax-Pmin。

而信號(hào)光的非偏振部分不會(huì)受到擾偏器的影響，對(duì)探測(cè)到功率的貢獻(xiàn)是個(gè)常量，但會(huì)由于經(jīng)過(guò)起偏器而減半。當(dāng)信號(hào)光的偏振部分對(duì)探測(cè)器的貢獻(xiàn)為0時(shí)，探測(cè)器所探測(cè)到的功率為Pmin=P非偏振/2。于是有：

因此，只需將輸入信號(hào)擾偏，然后再探測(cè)其最大、最小功率，就可以簡(jiǎn)便地確定信號(hào)光的DOP。采用這種方法，擾偏器的速度必須足夠快，以便于在很短的時(shí)間內(nèi)就可以使輸出偏振態(tài)覆蓋整個(gè)邦加球。另外，擾偏器自身的啟動(dòng)損耗必需很小，以至于可以忽略。最后，探測(cè)器必須足夠快、足夠精確，以便如實(shí)地探測(cè)到最大和最小功率。

但是，不論擾偏器的速度多快、均衡性多好，在有限的時(shí)間內(nèi)，輸出的偏振態(tài)都無(wú)法覆蓋整個(gè)邦加球，一般都會(huì)留有一個(gè)未被覆蓋的區(qū)域，產(chǎn)生較大誤差。同時(shí)此種方法為了確保測(cè)量的準(zhǔn)確性，測(cè)量所需時(shí)間也會(huì)較長(zhǎng)，不利于在對(duì)DOP測(cè)量速度要求較高的場(chǎng)合應(yīng)用。

為了消除擾偏法中的不準(zhǔn)確性，人們?cè)O(shè)計(jì)發(fā)明了一套準(zhǔn)確的測(cè)試方法――最大值/最小值搜尋法。如圖9所示，使用一個(gè)反饋回路來(lái)控制偏振控制器、調(diào)整偏振狀態(tài)，以探測(cè)得到最大功率和最小功率。不再象擾偏法中靠誤打誤撞來(lái)尋找偏振態(tài)，最大值/最小值搜尋法可以確保測(cè)試儀準(zhǔn)確無(wú)誤地測(cè)定Pmax和Pmin，再計(jì)算出DOP。由于只需要搜尋兩個(gè)點(diǎn)，并且這兩個(gè)點(diǎn)在邦加球上能夠準(zhǔn)確、唯一地找到。所以，不論是測(cè)量低DOP，還是測(cè)量高DOP，測(cè)量的速度和準(zhǔn)確性都可以得到保證，從而克服了偏振測(cè)試儀法（測(cè)量低DOP時(shí)不準(zhǔn)確）和擾偏法（測(cè)量高DOP時(shí)不準(zhǔn)確）中存在的缺點(diǎn)。

最大值/最小值搜尋法實(shí)質(zhì)上是一種閉環(huán)控制的擾偏法，它去除了擾偏法的不準(zhǔn)確性，但又繼承了擾偏法所有的優(yōu)點(diǎn)，包括對(duì)波長(zhǎng)不敏感、無(wú)需校準(zhǔn)、承受功率高、操作簡(jiǎn)便、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單和成本低等。不僅如此，它還具有測(cè)試速度快的優(yōu)點(diǎn)（小于0.2s）。返回

5.偏振消光比（PER）及其測(cè)量

偏振消光比是指沿偏振主態(tài)方向分解的兩個(gè)正交偏振分量之間大小關(guān)系。對(duì)于光源來(lái)說(shuō)，消光比越高，輸出光越接近于線偏振光。對(duì)于起偏器來(lái)說(shuō)，消光比越高，將輸入光變?yōu)榫€偏振光的能力就越強(qiáng)。偏振消光比可以通過(guò)旋轉(zhuǎn)起偏器的方法進(jìn)行測(cè)量，如圖10所示。假設(shè)起偏器的消光比足夠高，大于光源的消光比，并且可以連續(xù)旋轉(zhuǎn)。當(dāng)起偏器的起偏方向與輸入光偏振主態(tài)方向重合時(shí)，功率計(jì)探測(cè)到的功率最大；當(dāng)起偏方向與偏振主態(tài)方向正交時(shí)，功率計(jì)探測(cè)到的功率最小。這樣偏振消光比就可以通過(guò)下式計(jì)算得出：

圖10.偏振消光比的測(cè)量方法a)測(cè)量光源的消光比b)測(cè)量起偏器的消光比

由此可以看出，消光比是描述光束線性度的一個(gè)參量，對(duì)于線偏光，其能量完全集中于一個(gè)方向上，消光比無(wú)窮大；對(duì)于圓偏光，其能量平均分布于兩正交方向上，消光比為0；其它偏振光，消光比則介于0和無(wú)窮之間。另外，對(duì)于非偏振光，由于各軸上能量均相等，其消光比也為0。

在實(shí)際應(yīng)用中，人們通常將另外一個(gè)概念與偏振消光比相混淆：偏振串音。偏振串音是指線偏振光經(jīng)過(guò)一個(gè)偏振器件時(shí)，偏振主態(tài)與其正交方向上的能量串繞。偏振串音越大，線偏振光的消光比劣化就越大?；蛘哒f(shuō)，偏振串音越大，偏振器件的保偏能力就越弱。

偏振串音通常由兩種因素造成。一種是由于偏振光注入偏振器件時(shí)沒(méi)有良好對(duì)軸，或者兩個(gè)偏振器件對(duì)接時(shí)快慢軸沒(méi)有完全匹配造成的，如圖11所示。在這種情況下消光比很高的線偏振光注入器件后將會(huì)沿器件的快軸、慢軸分解為兩個(gè)偏振分量，從而造成消光比下降。偏振光注入偏振器件時(shí)，或兩個(gè)偏振器件對(duì)接時(shí)，對(duì)軸精度越高，偏振串音就越小，偏振消光比保持的就越好。

實(shí)際應(yīng)用中的保偏器件，其自身的保偏性能也是有限的。比如一束30dB的線偏振光沿慢軸注入一段保偏光纖，雖然對(duì)軸精度很高，確保偏振串音低于-30dB，但經(jīng)過(guò)一段距離傳輸后，輸出光的消光比仍然會(huì)有一定程度的劣化。這是因?yàn)槠骷旧淼谋Ｆ芰Σ粔?，在傳輸過(guò)程中，快軸與慢軸上的偏振分量會(huì)發(fā)生耦合，從而造成的偏振串音。器件自身的偏振串音與器件的制作工藝相關(guān)，也與器件的長(zhǎng)度密切相關(guān)。對(duì)于保偏光纖來(lái)說(shuō)，光纖越長(zhǎng)，偏振串音越大。我們通常用100m長(zhǎng)保偏光纖的串音來(lái)衡量保偏光纖的保偏性能，如-30dB/100m。圖11.由于對(duì)軸引起的偏振串音

偏振消光比有兩種主要測(cè)量方法。一種是前面介紹的旋轉(zhuǎn)起偏器法，另一種是偏振分析儀法。采用偏振分析儀測(cè)量消光比的光路如圖12所示。窄帶光源經(jīng)過(guò)起偏后，注入到待測(cè)光纖中，由偏振分析儀檢測(cè)輸出偏振態(tài)。在待測(cè)光纖上加上擾動(dòng)，如加熱或拉伸等，保偏光纖快慢軸上的兩個(gè)偏振分量之間的相位差就會(huì)發(fā)生變化，從而導(dǎo)致偏振態(tài)的變化。圖12.采用偏振分析儀測(cè)量消光比

經(jīng)過(guò)理論推導(dǎo)，我們可以得到偏振態(tài)在邦加球上的變化軌跡是球面上的一個(gè)圓，并且消光比的數(shù)值與圓的半徑滿(mǎn)足一定的關(guān)系。通過(guò)測(cè)量偏振態(tài)變化的軌跡，就可以算出偏振消光比。

在實(shí)際應(yīng)用中，給光纖施加拉拽或加熱等擾動(dòng)是不方便的。一種替代方法是采用可調(diào)激光器作為測(cè)試光源，進(jìn)行波長(zhǎng)掃描實(shí)現(xiàn)相位差改變。在這種方法中，待測(cè)光纖是不發(fā)生變動(dòng)的，而傳輸光的波長(zhǎng)進(jìn)行掃描。在確定的光程下，相位與波長(zhǎng)直接相關(guān)，波長(zhǎng)的變化就會(huì)引起快軸、慢軸之間的相位差變化，從而引起輸出偏振態(tài)的變化。圖13是波長(zhǎng)掃描法的測(cè)試光路圖及測(cè)試結(jié)果。

圖13波長(zhǎng)掃描法的測(cè)試光路圖及測(cè)試結(jié)果。

由于要測(cè)輸出光的偏振態(tài)，所以采用偏振分析儀測(cè)量消光比的方法具有一定的局限性。如果采用寬帶光源，相干長(zhǎng)度較短，在經(jīng)過(guò)待測(cè)器件后，如果快慢軸之間產(chǎn)生的相位延遲超過(guò)了光源的相干時(shí)間，輸出的兩個(gè)正交分量之間將不再有相關(guān)性，也就無(wú)法組合成輸出偏振態(tài)進(jìn)行偏振態(tài)測(cè)試了。所以，此種方法必須采用窄帶光源。另外，對(duì)外界擾動(dòng)或波長(zhǎng)掃描的要求，大大影響了測(cè)試速度，無(wú)法實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過(guò)程的實(shí)時(shí)監(jiān)控，不適合工業(yè)化生產(chǎn)的需要。再有，偏振分析儀價(jià)格昂貴，資金投入太多。相較而言，專(zhuān)為工業(yè)化生產(chǎn)設(shè)計(jì)的消光比測(cè)試儀具有測(cè)試速度快、測(cè)試精度高、性?xún)r(jià)比高等諸多優(yōu)點(diǎn)，是科研、生產(chǎn)的理想選擇。

偏振串音的測(cè)量方法與消光比基本相同，如圖14所示。仔細(xì)分析，我們可以看到最終測(cè)試結(jié)果其實(shí)是多個(gè)指標(biāo)的疊加效果，其中包括起偏器1的起偏消光比、起偏器與待測(cè)器件的對(duì)軸串音、待測(cè)器件自身的偏振串音、可旋轉(zhuǎn)起偏器的消光比和功率計(jì)的測(cè)試精度。實(shí)際上，在測(cè)試光路中，每經(jīng)過(guò)一個(gè)器件（具有起偏作用的器件除外）、一段光纖、一個(gè)接頭，偏振串音都會(huì)增加，測(cè)試到的消光比都會(huì)逐級(jí)劣化。要想得到更加精確的偏振串音測(cè)試結(jié)果，必須確保起偏器具有較高的起偏消光比、起偏器與待測(cè)器件具有較小對(duì)軸串音、消光比測(cè)試儀具有較高的測(cè)試精度。圖14.器件偏振串音的測(cè)試光路返回6.偏振相關(guān)損耗（PDL）及其測(cè)量

在通信和傳感領(lǐng)域，PDL都是一個(gè)非常重要的指標(biāo)，它體現(xiàn)了一個(gè)器件對(duì)不同偏振態(tài)的敏感度。PDL定義為不同偏振態(tài)通過(guò)待測(cè)器件后最大功率與最小功率的比值，以對(duì)數(shù)的形式表示。圖15.偏振相關(guān)損耗的定義

理想情況下的各向同性器件對(duì)各個(gè)偏振態(tài)的損耗相同，PDL值為0；而理想情況下的起偏器，對(duì)一個(gè)偏振方向沒(méi)有損耗，而在正交方向上損耗為無(wú)窮大，PDL趨近于無(wú)窮大。對(duì)于任何無(wú)源器件，其偏振相關(guān)損耗的數(shù)值都是確定的，可以將確定PDL的無(wú)源器件等效為：部分起偏器＋無(wú)損耗的偏振態(tài)變換元件。

PDL的測(cè)試方法很多，我們僅就其中的幾種方法進(jìn)行說(shuō)明。

擾偏法。按照PDL的定義，我們可以采用圖16所示的光路，線偏振光經(jīng)過(guò)偏振控制器擾偏后，快速生產(chǎn)各種偏振態(tài)，逐一經(jīng)過(guò)待測(cè)器件，通過(guò)光功率計(jì)記錄透過(guò)功率的最大值和最小值，通過(guò)計(jì)算即可得到PDL。擾偏的方法有兩種，一種是隨機(jī)點(diǎn)的方式，另一種是掃描方式。在掃描方式中，偏振態(tài)不是從一個(gè)點(diǎn)跳到另外一個(gè)點(diǎn)，而是劃過(guò)一個(gè)軌跡，這樣能夠更加有效地覆蓋邦加球。圖16.擾偏法測(cè)量偏振相關(guān)損耗

不論是隨機(jī)點(diǎn)的方式，還是偏振態(tài)掃描的方式都存在邦加球覆蓋率的問(wèn)題。測(cè)量時(shí)間越長(zhǎng)，邦加球的覆蓋率就越高，PDL的測(cè)量就越準(zhǔn)確；相反如果擾偏速度慢，或測(cè)量時(shí)間短，測(cè)量就不準(zhǔn)確。對(duì)于PDL較大的器件，如果透射功率的最大值落入未被覆蓋的區(qū)域，測(cè)量結(jié)果將出現(xiàn)較大的誤差。常擾偏法測(cè)量高PDL器件時(shí)結(jié)果都不太準(zhǔn)確。圖17.擾偏時(shí)間與PDL測(cè)量誤差關(guān)系圖

四態(tài)測(cè)量法：四態(tài)測(cè)量法也叫米勒矩陣法，是被大家認(rèn)可的較為準(zhǔn)確的PDL測(cè)量方法。其原理如圖18所示。偏振光源通過(guò)偏振控制器后先后生成四個(gè)確定的偏振態(tài)（LHP、LVP、L+45、RHC），四個(gè)偏振態(tài)在經(jīng)過(guò)待測(cè)器件之前的功率分別為Pa、Pb、Pc、Pd，在經(jīng)過(guò)待測(cè)器件之后的功率分別為P1、P2、P3、P4。圖18.四態(tài)測(cè)量法測(cè)量偏振相關(guān)損耗

通過(guò)以下公式計(jì)算出米勒矩陣的四個(gè)矩陣元m11、m12、m13、m14，再計(jì)算出待測(cè)器件的PDL。

此種方法僅需要生成四個(gè)偏振態(tài)就可以測(cè)出器件的PDL，測(cè)量速度比擾偏法明顯提高。但由于需要測(cè)量8個(gè)功率值才能計(jì)算出PDL，功率計(jì)的噪聲和測(cè)量誤差將很大程度上決定PDL的測(cè)量誤差。其次，由于需要先后測(cè)量不經(jīng)過(guò)和經(jīng)過(guò)待測(cè)器件的功率，光源的穩(wěn)定性會(huì)對(duì)測(cè)量結(jié)果產(chǎn)品不小的影響。解決辦法之一就是采用實(shí)時(shí)功率參考，輸入光在經(jīng)過(guò)待測(cè)器件之前，被精確地分出50%，進(jìn)行功率測(cè)量，另外50%經(jīng)過(guò)待測(cè)器件后，再測(cè)量功率。這樣就可以確保功率測(cè)量的同時(shí)性，避免光源不穩(wěn)定造成的測(cè)量誤差。

三態(tài)測(cè)量法：三態(tài)測(cè)量法也叫瓊斯據(jù)陣法，是通過(guò)偏振光經(jīng)過(guò)待測(cè)器件后，測(cè)量瓊斯矩陣，從而計(jì)算的出PDL的方法，與米勒據(jù)陣法類(lèi)似，這里不再贅述。

最大值/最小值搜尋法：在擾偏法的基礎(chǔ)上，人們開(kāi)發(fā)出一種確定的最大值/最小值搜尋法，如圖19所示。偏振光源通過(guò)偏振控制器、待測(cè)器件后測(cè)量功率，微處理器讀取功率值，并通過(guò)搜尋算法閉環(huán)控制偏振控制，主動(dòng)找到通過(guò)待測(cè)器件后的功率最大值和功率最小值，然后計(jì)算出PDL。圖19最大值/最小值搜尋法測(cè)量偏振相關(guān)損耗

由于只需要通過(guò)算法主動(dòng)地找到功率最大值和最小值，并且是唯一確定的最大值和最小值，因此可以確保測(cè)量速度和數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。整套系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，使用方便，測(cè)試速度快，是性?xún)r(jià)比極高的PDL專(zhuān)業(yè)測(cè)試設(shè)備。返回7.偏振模色散（PMD）

在單模光纖中，傳輸?shù)幕Ｓ袃蓚€(gè)相互垂直的偏振模式，在理想情況下（光纖橫截面圓對(duì)稱(chēng)，使用環(huán)境沒(méi)有外界干擾）這兩個(gè)模式是相互兼并的。但由于光纖生產(chǎn)中造成光纖的不對(duì)稱(chēng)、內(nèi)應(yīng)力，成纜過(guò)程中的邊應(yīng)力、光纖扭曲，以及使用過(guò)程中的壓力、彎曲、環(huán)境溫度變化等因素，致使兩個(gè)偏振模式分開(kāi)，以不同的速度傳輸，這就是PMD效應(yīng)。兩個(gè)偏振模之間的差分群時(shí)延（DGD），會(huì)導(dǎo)致信號(hào)光的脈沖展寬。

其實(shí)，PMD一直存在于光纖中，只是在低速系統(tǒng)中對(duì)信號(hào)的影響不大，可以忽略。但隨著光纖通信向高速率、多信道、長(zhǎng)距離和全光網(wǎng)絡(luò)化方向發(fā)展，特別是40Gb/s或更高速率的通信系統(tǒng)的應(yīng)用，PMD已經(jīng)成為限制系統(tǒng)容量升級(jí)和傳輸距離的主要因素。早先埋設(shè)的光纜都沒(méi)有考慮PMD的影響，從經(jīng)濟(jì)效益方面考慮，為高速系統(tǒng)鋪設(shè)新的光纜是不切實(shí)際的。如何在現(xiàn)有的光纜鏈路中測(cè)量PMD、評(píng)估PMD造成的影響、采取措施補(bǔ)償PMD、實(shí)現(xiàn)高速率的傳輸，是充分利用現(xiàn)有線路的最佳選擇。

光纖中的DGD定義為特定波長(zhǎng)下，快、慢偏振主態(tài)（PSP）之間的相位延遲，單位為ps。與群速度色散等具有確定性的色散不同，任意一段光纖的PMD是一個(gè)服從麥克斯韋分布的隨機(jī)變量，其瞬時(shí)值隨波長(zhǎng)、時(shí)間、溫度、應(yīng)力和安裝條件的變化而變化。PMD定義為在某一特定時(shí)間、在指定波長(zhǎng)范圍內(nèi)的DGD線性平均值（PMDavg）或均方值（PMDRMS）。

通常我們用PMD系數(shù)來(lái)表示光纖的PMD特性，PMD系數(shù)定義為對(duì)測(cè)量長(zhǎng)度歸一化的PMD平均值。對(duì)線路較長(zhǎng)的光纖，兩個(gè)偏振模呈強(qiáng)耦合狀態(tài)，PMD系數(shù)為PMDavg或PMDRMS除以光纖長(zhǎng)度的平方根，單位為；對(duì)短距離光纖或保偏光纖，兩個(gè)偏振模呈弱耦合狀態(tài)，PMD系數(shù)為PMDavg或PMDRMS除以光纖長(zhǎng)度，單位為ps/km。7.1PMD的測(cè)量方法

正如上面所述，PMD是一個(gè)隨機(jī)變量，與很多因素有關(guān)。因此如何對(duì)其進(jìn)行準(zhǔn)確、有效的測(cè)量，一直是人們所關(guān)心的一個(gè)問(wèn)題。目前，PMD的測(cè)試方法，主要有偏振分析法、波長(zhǎng)掃描法和干涉法三種。偏振態(tài)分析法：該種方法通過(guò)測(cè)試待測(cè)器件或系統(tǒng)的米勒矩陣、瓊斯矩陣或Stokes參數(shù)，便可從中計(jì)算出PMD。圖20是此類(lèi)方法的測(cè)試光路圖，在可調(diào)激光器（TLS）的某一特定波長(zhǎng)，偏振態(tài)發(fā)生器（PSG）產(chǎn)生三個(gè)偏振態(tài)：0°、45°、90°線偏振光，經(jīng)過(guò)待測(cè)器件后注入到偏振分析儀（PSA）中進(jìn)行測(cè)量，從而得到米勒矩陣、瓊斯矩陣或Stokes參數(shù)。調(diào)諧波長(zhǎng)，重復(fù)前面的步驟。對(duì)于米勒矩陣法、瓊斯矩陣法或邦加球分析法，前面的測(cè)量步驟是相似的，不同處在于后面采用不同的計(jì)算方法來(lái)確定DGD、偏振主態(tài)、二階PMD的波長(zhǎng)相關(guān)性。圖20.采用偏振態(tài)分析法測(cè)量PMD對(duì)于瓊斯矩陣法的測(cè)量步驟如下（米勒矩陣法同理）：1）對(duì)于波長(zhǎng)λ1，PSG發(fā)生0°、45°、90°三個(gè)偏振態(tài)，通過(guò)待測(cè)器件后得到瓊斯矩陣；2）對(duì)于波長(zhǎng)λ2，得到瓊斯矩陣，并計(jì)算得出瓊斯矩陣；3）的本征值和本征矢量決定了和與之對(duì)應(yīng)的；4）重復(fù)以上步驟得到，計(jì)算得到和；5）二階PMD由和，和決定；6）把DGD對(duì)波長(zhǎng)取平均就可以得到PMD，對(duì)波長(zhǎng)取平均就的到了SOPMD。對(duì)于邦加球分析法的測(cè)量步驟如下：1）對(duì)于波長(zhǎng)λ1

，0°、45°、90°偏振光通過(guò)待測(cè)器件后得到偏振態(tài)；2）對(duì)于波長(zhǎng)λ2，同理得到；3）計(jì)算得到4）計(jì)算幾個(gè)矢量的微分5）6）把DGD對(duì)波長(zhǎng)取平均就可以得到PMD，對(duì)波長(zhǎng)取平均就的到了SOPMD。對(duì)于偏振態(tài)分析法測(cè)量PMD，PMD的測(cè)量范圍由可調(diào)激光器的步長(zhǎng)直接確定，經(jīng)驗(yàn)公式為：?？梢?jiàn)，可調(diào)激光器的步長(zhǎng)越大，PMD的測(cè)量范圍就越??；反之，PMD的測(cè)量范圍就越大。

波長(zhǎng)掃描法：波長(zhǎng)掃描法的光路與偏振分析法基本相同，測(cè)試方法的不同之處在于，當(dāng)PSG發(fā)生一個(gè)偏振態(tài)后，該偏振態(tài)在波長(zhǎng)掃描的過(guò)程中保持不變。通過(guò)PSA測(cè)量輸出偏振態(tài)與波長(zhǎng)之間的變化曲線，計(jì)算得出DGD、PMD的平均值。

其工作原理來(lái)源于PMD隨信號(hào)光頻率變化的一個(gè)基本定義式：。其中s是光頻率變化過(guò)程中偏振態(tài)在邦加球上的變化軌跡；Ω為一確定矢量。也就是說(shuō)，隨著可調(diào)激光器的波長(zhǎng)掃描，偏振態(tài)將在邦加球上畫(huà)圓，輸出脈沖的強(qiáng)度也呈周期變化。因此，通過(guò)輸出偏振態(tài)與波長(zhǎng)之間的變化曲線，計(jì)算波峰、波谷的數(shù)量，就可以算出DGD、PMD的平均值。(10.8)

其中，λa、λb分別是波長(zhǎng)掃描范圍內(nèi)，S1、S2或S3的第一個(gè)和最后一個(gè)峰值出現(xiàn)時(shí)的波長(zhǎng)，Ne為掃描范圍內(nèi)出現(xiàn)的峰值個(gè)數(shù)，κ為一常數(shù)。

干涉法：圖21是一種干涉法測(cè)量PMD的光路圖。寬譜光源的起偏后經(jīng)過(guò)待測(cè)光纖，然后被耦合器分成兩束光，分別經(jīng)過(guò)一個(gè)固定的反射鏡和一個(gè)可移動(dòng)的反射鏡反射后發(fā)生干涉，形成Michelson結(jié)構(gòu)的干涉儀。由于采用寬譜光源，相干長(zhǎng)度很短，當(dāng)兩臂臂長(zhǎng)完全相等時(shí)，探測(cè)器可觀測(cè)到干涉條紋。而當(dāng)可移動(dòng)的反射鏡位置發(fā)生變化時(shí)，干涉條件被破壞，探測(cè)器上的干涉條紋消失。同時(shí)，由于光源具有良好的偏振特性，干涉儀中的兩臂中均有兩個(gè)正交偏振態(tài)，并且由于待測(cè)器件的PMD作用后，兩臂中的正交偏振態(tài)并不是同時(shí)到達(dá)反射鏡。這樣，當(dāng)可移動(dòng)反射鏡的移動(dòng)到某一特定位置時(shí)，一個(gè)臂的快軸光與另一臂的慢軸光同時(shí)到達(dá)探測(cè)器，干涉條件重新建立，這樣在探測(cè)器上可以再次觀察到干涉條紋。并且，由于是部分干涉，強(qiáng)度將減弱，這樣通過(guò)測(cè)量出現(xiàn)較弱干涉條紋時(shí)的反射鏡移動(dòng)距離，就可以直接算出器件的PMD。

利用此種方法測(cè)量PMD，一定要確保使用的光源是低相干性的偏振光源。否則，由于相干長(zhǎng)度較長(zhǎng)，不論可移動(dòng)反射鏡的位置如何發(fā)生變化，在探測(cè)器上都將可以觀測(cè)到干涉條紋，無(wú)法進(jìn)行PMD的測(cè)量。干涉法測(cè)量PMD，具有測(cè)量速度快，設(shè)備體積小等優(yōu)點(diǎn)，特別適合于現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量。圖21.干涉法測(cè)量PMD

7.2PMD的仿真和補(bǔ)償

當(dāng)前的通信系統(tǒng)，普遍采用的都是WDM以及DWDM系統(tǒng)，在一根光纖中傳輸多個(gè)信道。由于PMD是波長(zhǎng)相關(guān)的，對(duì)于不同波長(zhǎng)，PMD的大小也不同，這就給PMD仿真和補(bǔ)償帶來(lái)了很大的困難。不同的系統(tǒng)應(yīng)用對(duì)PMD仿真的要求也不一樣，有的需要模擬實(shí)際光纖中的各種隨機(jī)變化的PMD，有的則僅要求模擬PMD中某一階或幾階的PMD分量。根據(jù)這樣的要求，PMD仿真器主要包括兩大類(lèi)：一類(lèi)是模擬長(zhǎng)距離單模光纖中PMD的統(tǒng)計(jì)行為（如MaxwellianDGD分布），稱(chēng)為全階PMD仿真器；另一類(lèi)則只模擬所需的波段內(nèi)指定的一階或高階PMD，稱(chēng)為獨(dú)立階PMD模擬器。一、獨(dú)立階PMD仿真器

獨(dú)立階仿