尚超　吳重慶

摘要

目前的商用偏振分析儀檢測(cè)速率較低，因此在檢測(cè)光纖通信中高速信號(hào)的偏振態(tài)時(shí)，需要自行搭建測(cè)量系統(tǒng)并結(jié)合高速實(shí)時(shí)數(shù)字示波器使用.此時(shí)，系統(tǒng)定標(biāo)就顯得尤為重要，定標(biāo)方法也將直接影響測(cè)量的準(zhǔn)確性.針對(duì)光纖型高速偏振態(tài)檢測(cè)系統(tǒng)提出了定標(biāo)方法，先通過Mueller矩陣算法對(duì)其進(jìn)行了理論分析，進(jìn)而通過實(shí)驗(yàn)證明了該定標(biāo)方法準(zhǔn)確可行，測(cè)量誤差水平小于±3%.關(guān)鍵詞

偏振態(tài)檢測(cè)；Mueller矩陣；Stokes參量

中圖分類號(hào)TP21214

文獻(xiàn)標(biāo)志碼A

0引言

光纖通信中的偏振控制、偏振復(fù)用、偏振編碼、偏振模色散補(bǔ)償，以及光纖傳感中的偏振敏感型光時(shí)域/頻域反射技術(shù)等都是對(duì)光纖中的偏振效應(yīng)不斷深入研究的成果[1].在前沿的量子光通信領(lǐng)域中，由于光子偏振態(tài)具有良好的糾纏特性，量子通信可以采用調(diào)制光子偏振態(tài)的方法進(jìn)行編碼[2]，量子密鑰也可以采用偏振調(diào)制的方式進(jìn)行編碼[3].因此，高速偏振態(tài)發(fā)生、控制與檢測(cè)技術(shù)對(duì)光通信、光傳感等許多領(lǐng)域而言，有著重要的研究意義和實(shí)用價(jià)值.

光波偏振態(tài)探測(cè)的方法有很多[411]，主要可分為兩大類，第一大類是單路光波偏振調(diào)制探測(cè)法，其中具有代表性的方法有機(jī)械調(diào)制法、電光調(diào)制法等；第二大類是分光探測(cè)法，其又可以細(xì)分為分振幅探測(cè)法和分波前探測(cè)法.由于分光法不需要考慮機(jī)械或電光等調(diào)制的動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間，所以從原理上就具有更快的測(cè)量速率.目前商用的光纖偏振分析儀大多采用分光探測(cè)法，例如General Photonic公司的POD101D型在線偏振狀態(tài)分析儀、THORLABS 公司的 IPM5300 型光纖共軸偏振分析儀、Agilent Technologies公司的 N7781B 型偏振分析儀.

由于目前商用偏振分析儀的測(cè)量速率遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于光通信的信道速率，所以在需要進(jìn)行高速信號(hào)的偏振態(tài)測(cè)量時(shí)，往往需要依據(jù)所選用的偏振態(tài)測(cè)量算法，自行搭建測(cè)量系統(tǒng)的光路部分[1214]，并配合高速光電采集系統(tǒng)（例如高速光電接收器件與高速實(shí)時(shí)數(shù)字示波器組合使用）來完成測(cè)量.為了保證自建系統(tǒng)的測(cè)量準(zhǔn)確性，選擇正確的定標(biāo)方法十分重要.本文針對(duì)基于波片型光纖偏振控制器的高速偏振態(tài)檢測(cè)系統(tǒng)，提出了利用相對(duì)系統(tǒng)測(cè)量速率而言可視為低速的偏振分析儀作為定標(biāo)基準(zhǔn)儀，通過Mueller矩陣算法對(duì)定標(biāo)方法進(jìn)行了理論分析，并完成了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證.實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明本文提出的定標(biāo)方法準(zhǔn)確可靠，能夠保證高速偏振態(tài)檢測(cè)系統(tǒng)的測(cè)量精度.

1定標(biāo)方法理論分析

本文討論的光纖型高速偏振態(tài)檢測(cè)系統(tǒng)示意如圖1所示，在對(duì)定標(biāo)方案進(jìn)行理論分析時(shí)，除去用于檢測(cè)總光強(qiáng)的一路，將高速偏振態(tài)測(cè)量系統(tǒng)的光路部分看成一個(gè)黑匣子，如圖1b所示.假定在一個(gè)統(tǒng)一的空間坐標(biāo)系下，可以存在滿足6個(gè)輸出端的偏振態(tài)關(guān)聯(lián)的光路結(jié)

構(gòu)，

即將其看作是有1個(gè)輸入端和6個(gè)輸出端的器件，并且這6個(gè)端口輸出的光功率應(yīng)分別代表輸入端光信號(hào)的6個(gè)偏振分量的光強(qiáng)：I0°、I90°、I45°、I-45°、Ir、Il.參照?qǐng)D1a所示的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，可以通過調(diào)節(jié)3個(gè)偏振分束器（PBS）前的3個(gè)偏振控制器（PC）獲得滿足上述關(guān)聯(lián)的條件.

測(cè)量系統(tǒng)所用的偏振控制器為波片型偏振控制器，其具有結(jié)構(gòu)簡單、調(diào)節(jié)方便、成本較低等優(yōu)點(diǎn)，它等效于1/4波片、1/2波片、1/4波片的級(jí)聯(lián)[15]，如圖2所示.

依據(jù)上述結(jié)論，可以得出滿足定標(biāo)要求的PC等效波片方位角θ1、θ2、θ3的值非唯一，即其位置關(guān)系存在多種組合，因而給波片型偏振控制器的調(diào)節(jié)過程帶來了很大的靈活性，便于實(shí)際操作.

2定標(biāo)實(shí)驗(yàn)

采用上一節(jié)所討論定標(biāo)方法的校準(zhǔn)系統(tǒng)原理框圖如圖3所示.

通過定標(biāo)來實(shí)現(xiàn)3個(gè)PBS的6個(gè)輸出端光功率分別與1×4耦合器的輸入端光信號(hào)的6個(gè)偏振分量功率相對(duì)應(yīng).為了在線監(jiān)測(cè)1×4耦合器的輸入偏振態(tài)，在其前面接入一個(gè)分光比95∶5的1×2耦合器，“5%”輸出端使用THORLABS公司的PA530型偏振分析儀進(jìn)行監(jiān)測(cè).通過調(diào)節(jié)1×2耦合器前的PC，使偏振分析儀測(cè)得的偏振態(tài)依次為[1100]T、[1010]T、[1001]T 3個(gè)基準(zhǔn)偏振態(tài)，每次改變輸入偏振態(tài)后，調(diào)節(jié)1×4耦合器后的3個(gè)PC，使PA530測(cè)得的偏振態(tài)與6路輸出光強(qiáng)滿足表1所示的對(duì)應(yīng)關(guān)系，依次完成對(duì)所有光路的定標(biāo).

1×4耦合器輸入端的偏振態(tài)in與偏振分析儀測(cè)得的偏振態(tài)anyl之間的關(guān)系可寫為in=M1×2M′-11×2anyl，其中，M1×2是1×2耦合器連接1×4耦合器的傳輸矩陣，M′1×2是1×2耦合器連接偏振分析儀的傳輸矩陣.使1×2耦合器輸出端光纖盡可能短且穩(wěn)固，可以最大程度地減小兩端口信號(hào)光偏振態(tài)的差異，并使偏振分析儀測(cè)得的偏振態(tài)與1×4耦合器的輸入偏振態(tài)之間保持固定的相對(duì)關(guān)系且基本一致，因此可以將測(cè)量系統(tǒng)的參考坐標(biāo)系和偏振分析儀的參考坐標(biāo)系相統(tǒng)一.

在定標(biāo)實(shí)驗(yàn)中，使用DFB（Distributed Feedback）激光器作為光源，外調(diào)制器的驅(qū)動(dòng)電信號(hào)由PPG（Pattern Pulse Generator）提供.定標(biāo)參考光信號(hào)的速率為200 Mb/s，10 bit周期性編碼，碼型為“10000 00000”.PA530型偏振分析儀速率很低，速率200 Mb/s的周期性光信號(hào)在其20 Hz左右的采樣頻率面前基本可以被PA530認(rèn)為是直流光，此時(shí)PA530測(cè)得的偏振態(tài)可認(rèn)為是比特“1”（有光輸出）光信號(hào)的偏振態(tài).使用周期性脈沖光定標(biāo)可以測(cè)試系統(tǒng)的最大偏振態(tài)采集速率，同時(shí)還可以根據(jù)示波器測(cè)得的3路脈沖信號(hào)的時(shí)延差異來微調(diào)測(cè)量系統(tǒng)多路光程的差異，提高測(cè)量精度.

定標(biāo)時(shí)需要使用6個(gè)示波器通道檢測(cè)3組輸出光強(qiáng)，輸入光信號(hào)的偏振態(tài)分別為[1100]T、[1010]T、[1001]T時(shí)，示波器采集到的6路輸出光信號(hào)經(jīng)光電轉(zhuǎn)換后的電壓波形如圖4所示.

定標(biāo)完成后，將3組光電探測(cè)電路的差值輸出信號(hào)線連接至示波器，調(diào)節(jié)1×2耦合器前的PC，輸入一個(gè)任意偏振態(tài).PA530測(cè)得的偏振態(tài)與示波器探測(cè)的S1、S2、S3 3路Stokes參量波形如圖5所示.

圖5中周期性光信號(hào)的速率為200 Mb/s，由PA530測(cè)得的光信號(hào)“1”比特的偏振態(tài)的歸一化Stokes參量為[1025607600598]T，由示波器讀出的S1、S2、S3 3路波形中“1”比特信號(hào)的電壓峰峰值分別為95、286 和229 mV，其代表的歸一化Stokes參量為[1025107570605]T，與PA530的測(cè)量值基本一致.經(jīng)多次測(cè)試后計(jì)算得出測(cè)量系統(tǒng)的誤差小于±3%.如果采用速率更高的光電轉(zhuǎn)換電路和超高速實(shí)時(shí)數(shù)字示波器，則可以大大提高測(cè)量系統(tǒng)的偏振態(tài)采集速率.

3結(jié)論

針對(duì)光纖型高速偏振態(tài)檢測(cè)系統(tǒng)提出了利用低速偏振分析儀進(jìn)行定標(biāo)的方法，并通過Mueller矩陣算法進(jìn)行理論分析來確定實(shí)施步驟，在實(shí)驗(yàn)中采用周期性編碼速率為200 Mb/s的光信號(hào)作為定標(biāo)參考光源，并依次調(diào)節(jié)輸入信號(hào)光的偏振態(tài)為3個(gè)基準(zhǔn)偏振態(tài)來完成高速測(cè)量系統(tǒng)的定標(biāo).實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明提出的定標(biāo)方法準(zhǔn)確可行，誤差水平可以保證高速偏振態(tài)檢測(cè)系統(tǒng)完成高精度的測(cè)量.

參考文獻(xiàn)

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AbstractDue to the relatively low sampling rate of current commercial polarization state analyzers，a specialized measurement system will need to be built with the use of highspeed realtime digital oscilloscopes if the detection of polarization state for a highspeed signal is required.At this point，the system calibration becomes particularly important，and the calibration method will directly decide the measurement accuracy.A calibration method is proposed for an optical fiber highspeed polarization state detection system.This method is theoretically analyzed by Mueller matrix，and then it is proved that the calibration method is feasible and accurate，of which the measurement error is less than ±3%.

Key wordsmeasurement of polarization state；Mueller matrix；Stokes parameters