无源光器件的偏振相关损耗测量方法
引言
偏振相关损耗(PDL)已经成为描述无源光器件的一项标准指标。在偏振不受限制且不会随机改变的光网络中，器件的PDL可能会出现出人意料的累积，从而降低网络传输质量，甚至导致网络故障。
当前有两种广泛使用的测试无源光器件PDL的方法：偏振扫描技术和四状态法，后者也被称作Mueller法。
本文将简要介绍这两种测量技术，概括说明其主要难题和主要的误差来源，并提供一些提高测量精度的方法。
偏振相关损耗
PDL是光器件或系统在所有偏振状态下的最大传输差值。它是光设备在所有偏振状态下最大传输和最小传输的比率。PDL定义如下：
Tmax和Tmin分别表示被测器件(DUT)的最大传输和最小传输。
PDL对于描述光器件的特性至关重要，因为几乎所有的光器件都具有偏振相关传输特性。由于传输信号的偏振不仅局限于光纤网络之内，因此器件的插入损耗随偏振状态而异。这种影响会沿传输链路不可控制地增长，严重影响传输质量，因为一条光纤上的偏振是随机变化的。单个器件的PDL能够引起系统中大的功率波动，从而增加系统的比特错误率，甚至会导致网络故障。结合偏振模色散(PMD)，PDL可能成为脉冲失真和扩散的主要原因。
通常而言，在确定几个链接器件的PDL时不能通过把所有单个器件的PDL简单相加而得出，系统的实际PDL情况往往比简单相加更糟糕。实际上，整体PDL取决于单个器件相互之间的几何排列，以及器件之间的光纤偏振转换状况。
在WDM网络的波长选择型器件中，PDL会和波长一起随着被测设备的光谱传输特征而变化。因此，波长PDL的测定就变得必不可少。
PDL测量原则可分为两大类：确定性方法和不确定性方法。确定性方法是从DUT的Mueller或Jones测试矩阵中计算得出其PDL，这些测试结果通过测量DUT在一系列确定的输入偏振状态下的传输属性而得到，例如Mueller方法。非确定法是测量DUT在大量输入偏振状态下的最小和最大传输值。
偏振扫描法
偏振扫描方法是一种基于实际的最小和最大传输测量值的不确定性方法。在测试中，DUT暴露于多种偏振状态之下，这些状态是确定或伪随机产生的。在第一种情况下，偏振状态是沿Poincare球的定义轨迹确定性地生成的。后一种伪随机法则覆盖了Poincare球的大部分。
偏振扫描方法相当容易实施。典型的测量设备为一个信号源，一个用以确定性地或伪随机生成不同偏振状态的偏振控制器，以及一个功率计。
偏振扫描法是一种相对测量法，其实际测量值反应的是光功率随入射光偏振状态变化的偏差值。在这些测量值中，最大和最小功率之差就是PDL。但是，功率测量和偏振转换是去耦的，无法从测定的功率值上确定功率的变化是由DUT的PDL造成的还是由源输出功率的波动所造成的。
为使它对测量的影响最小化，必须使用具有低偏振相关响应的检波器。PDL测量需要一个偏振度极高的光源。偏振控制器会改变偏振光的偏振状态，但不会影响未偏振的部分。因此，任何未偏振的光线在传输时都与DUT的PDL无关，如果DUT暴露在部分未偏振的光线下，光功率计将不能充分检测到PDL。
最后，偏振控制器会产生一些偏振损耗偏差。在Poincare球的确定性扫描中，可以发现并校准那些通过偏振控制器的传输偏差。在伪随机产生的情况下，测量的精度依赖于偏振控制器在各种偏振状态中的低损耗偏差。
因此，PDL的误差主要受下列因素的影响：光源功率稳定性，接收机的PDL和偏振控制器的插入损耗偏差。总误差近似等于各项单个误差的和的平方根。例如：假设源功率稳定系数为0.006dB，插入损耗偏差和检测器的PDL均为0.004dB，那么总误差就为0.008dB。
系统误差主要是由扫描时间或测量时间有限引起的。因此，DUT只能在有限数量的偏振状态下进行测量。检测出某一系统误差所需的扫描时间与偏振控制器所能达到的偏振变化率相关。Poincare球扫描中的最小角间距与可达到的最小系统误差min有关，该值取决于偏振控制器的旋转角速度(和功率表的平均时间苩：
总测量时间取决于功率表平均时间苩和要求的系统误差，公式如下：
例如，假设系统误差为0.1%，功率表平均时间为1ms。那么总扫描时间就是：
如果DUT的PDL在波长之上进行测量，那么扫描时间将随波长点数呈线性增长。显然，光谱PDL测量很容易因为大量的波长点而变得相当费时。例如，使用偏振扫描法在10pm步长的20nm波长范围内(即2000个数据点)进行PDL测量，按每段波长1.5秒计算，整个测量过程大约需要50分钟的总扫描时间。
在某些情形中，PDL必须以很小的分辨率在一段波长范围内进行测量。在这种情况下，偏振扫描法的效率就很低了。但是，如果只需测量滤波器通带中的三个波长点(例如在通带中心或在中心左右3dB带宽波长)时，偏振扫描法就非常适用，因为它实现简单而且误差小。
Mueller法
Mueller法是一种确定性方法，它可从Mueller矩阵中推导出DUT的PDL。Mueller矩阵可以通过测量被测设备在四个定义好的偏振状态下的传输特性而获得，包括线性水平(LHP)、线性垂直(LVP)、线性 +45(L+45)和右循环(RHC)偏振光状态。
PDL的计算基于Mueller-Stokes算法进行。在一条入射光波中，以Stokes矢量Sin和器件的相互作用为特征。输出光波可以由第2个Stokes矢量Sout来描述。器件的偏振转换和损耗性质由一个4×4 Mueller矩阵来诠释。
这个方程式代表了一组共四个线性方程。要确定PDL，仅需要Mueller矩阵的第一行系数m11..m14，因为S0out代表了全部光功率。由于入射光的偏振，对于新产生的光的功率而言，其数值上的任何偏差都会在S0out中表现出来：
Mueller-Stokes计算方法的一个优点就是Stokes矢量的系数可以按光功率测量。光波输入功率用Pa，Pb，Pc，和 Pd表示。光波输出功率用 P1，P2，P3，和 P4表示。为了简单起见，所有功率值的波长相关性在这里被忽略了。四个偏振状态的线性方程为：
对上述线性方程组进行求解，得出Mueller 矩阵的第一行系数：
重新书写任意输入的 Stokes 矢量 和按传输计算的总输出功率之间的关系，然后得出：
上述方程的极限值可以从下面的方程式得出：
在方程中插入 Tmax 和 Tmin，得出想要的 PDL 结果。偏振控制器由一个偏振器、一个四分之一和一个二分之一波长减速器组成。光减速板根据线性输入状态彼此之间的角位移以及偏振器设定的输入偏振，将其转换为其它偏振状态。偏振器-减速板可以非常准确地设置任何偏振状态。
由于在这种方法中PDL是通过测量四种偏振状态下的传输值而得到的，因此测量者可使用一个可持续调谐的可调激光源来以扫频的方式进行波长相关测量。然后，记录下每种偏振状态中的波长传输数据。从这些传输数据中，测量者可使用Mueller计算法计算得出DUT的波长PDL。
在开始测量之前，偏振器调整到与输入光相同的偏振状态，以降低通过偏振控制器的传输损耗。参考测量记录了测量装置的所有波长与偏振相关性，检波器的偏振相关响应性除外，这是不能校准的。
偏振控制器特别表现为随波长和偏振变化的传输状况。当波长改变时，偏振器的偏振也周期性地改变，导致随波长波动的传输。在每一个波长点重新调整偏振器，以获得最大传输效率，这将会抵消使用扫频波长测量系统的优势。因而，波长相关传输在参考测量中获得。此外，参考测量也能获得由偏振控制器引起的从一个偏振状态到另一个偏振状态产生的功率偏差。
很明显，Mueller法的测量原理对测量装置有一些特殊要求，以减少测量的不确定性。其中之一就是偏振控制器的角度误差会影响测量误差。
可调激光源必须提供较高的波长精度和可重复性。后者在两个方面都特别重要：第一，通过偏振控制器的波长相关功率偏差必须在参考测量和DUT测量之间可以重复产生，以在Mueller-Stokes算法中完全消除这种偏差。第二，在四个偏振状态之间的滤波器响应的测量斜面的波长变化(由于光源不充足而引起的波长重复性)引起的PDL，是由测量装置导致的，而不是设备本身。
精确测量PDL的另一个关键点是光源和偏振控制器之间的光纤链接。如果在测量中，光纤所处环境发生改变，例如震动、温度改变或移动，由偏振器改变引起的偏振入射光状态会导致偏振控制器产生不同的光谱传输模式。
避免这个问题的方法是将参考测量和DUT测量同时进行，并且使用一个分离器。在所有测量进行之前，必须确定分离器的分离比率。分离器也必须保持稳定，以保持它的偏振转换，因此分离比率的偏振相关性必须稳定。
结语
使用不同的方法来确定PDL，两种测量方法应该产生相似的结果，理想情况下应是相同的测量结果。
为了进行对比，在图1中显示了利用偏振扫描方法和运用Mueller方法进行的基于光栅的WDM 滤波器的PDL 测量结果。
两种方法的测量时间大不相同。偏振扫描时间决定着每段波长的PDL，因此测量时间与波长点数线性相关。Mueller方法结合扫频波长测量装置，可对各偏振状态下的波长进行完全的损耗测量，从而同时得到所有波长的PDL。
因此，如果要测量大量波长的PDL，那么Mueller方法会更快一些。相反，如果只需测量几个波长点的PDL，那么偏振扫描法则更好一些。