PDL（Polarization Dependent Loss）測(cè)試
目錄：
1， PDL的定義與其重要性；
2， PDL的測(cè)試方案；
3， 優(yōu)峰GouMax的PDL測(cè)試介紹；
4， PDL測(cè)試實(shí)例對(duì)比；
5， 總結(jié)；
6， 附穆勒矩陣原理。
一， PDL的定義與其重要性。
1.1： 偏振方向的定義：在光通信領(lǐng)域，用激光做為信號(hào)發(fā)射源。這篇文章里頭，我們的討論，僅止于對(duì)激光的偏振特性做簡介。
光是電磁波的一種，電場震動(dòng)的方向，就定義為光的偏振方向。光在單模光纖或者在自由空間傳遞時(shí)，電場的方向和傳遞的方向是互相垂直的。在這篇文章里，我們把光傳遞的方向稱為Z-方向，電場在XY-平面。對(duì)于任何一個(gè)在XY平面上震蕩的電場，都可以把它分解成水平和垂直兩個(gè)正交分量，振幅分別為
和
， 為了方便描述偏振光，我們定義兩個(gè)角度：電場方向角
，以及兩個(gè)電場分量之間的相位差
。其中
。在相位差為零時(shí)，電場的震蕩的方向離X-軸
角 （逆時(shí)針）。這種偏振態(tài)稱為線偏振。對(duì)于相位差不為零的偏振態(tài)，都稱為橢圓偏振(包含圓偏振)。每一組
, 唯一的定義了一個(gè)光的偏振態(tài)。的值介于0 的 90 度之間；
則介于0 到360 度。為了將偏振態(tài)更形象化，科學(xué)家把每個(gè)偏振態(tài)表達(dá)為在單位球上的一個(gè)點(diǎn)，這個(gè)球坐標(biāo)就采用
作為極角（polar angle），
做為方位角 （azimuthal angle）。 球上的每一個(gè)點(diǎn)，代表獨(dú)一無二的一個(gè)偏振態(tài)。這個(gè)球就是著名的龐加萊偏振球（Poincare Sphere）。
1.2，PDL的定義：對(duì)于給定的入光功率
進(jìn)入光器件，它的出光功率會(huì)隨著入光的偏振態(tài)而改變。如果最大和最小的出光功率為，
, 則PDL的定義為，
PDL（Polarization Dependent Loss）就是在所有可能的入光偏振態(tài)里頭，器件的最大的差損和最小的差損的差額。
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)的差損變化范圍，這個(gè)值要越小越好。在光網(wǎng)絡(luò)里，有很多的光器件串聯(lián)在一起，整個(gè)光路的最后差損值，是個(gè)別器件差損的總和。因?yàn)楦鱾€(gè)器件都有一定程度的PDL，接收端能夠收到的光強(qiáng)度，就會(huì)和偏振態(tài)有關(guān)。由于光信號(hào)在單模光纖里頭傳遞之后，偏振態(tài)是不可控，而且隨時(shí)在改變。因此，如果總和的PDL過大，那么接收端收到的信號(hào)強(qiáng)度，會(huì)有很大的不確定性，這會(huì)使得傳輸?shù)男盘?hào)變形，失真，誤碼率的增加，甚至?xí)?dǎo)致網(wǎng)絡(luò)故障。
二，PDL 的測(cè)試方法
上一節(jié)對(duì)光的偏振態(tài)做了基本的介紹。在光纖通信領(lǐng)域，PDL是無源光器件一個(gè)重要的參數(shù)指標(biāo)，它直接影響了光網(wǎng)絡(luò)的性能優(yōu)劣。 一直以來，快速/準(zhǔn)確的測(cè)量器件的PDL是光通信無源器件廠家所面對(duì)比較困難的一個(gè)問題。主要的原因是1）PDL是一個(gè)矢量，不像插損測(cè)量那樣，可以直接扣除光路本身的損耗。 比方說，PDL測(cè)量系統(tǒng)，在不接DUT時(shí)，有0.1dB的PDL，接了DUT之后， PDL的總和為0.6 dB。那么，DUT的PDL值，有可能介于0.5 到 0.7 dB 之間， 取決于系統(tǒng)的偏振主軸(差損最大的偏振方向)和器件的偏振主軸之間的關(guān)系。因此，為了準(zhǔn)確的測(cè)量PDL，測(cè)量系統(tǒng)本身的PDL必須小到可以忽略不計(jì)。這就對(duì)測(cè)式系統(tǒng)的有很高的要求。2）必須掃描四個(gè)差損譜，這就會(huì)花掉很長的時(shí)間。
目前PDL 測(cè)試，常見有下列幾種方法。
A) 偏振擾動(dòng)法：這是最直觀的方法。因?yàn)槠骷妮敵龉鈴?qiáng)度和入光的偏振態(tài)有光，測(cè)量時(shí)，快速的改變?nèi)牍怆妶龅钠駪B(tài)，同時(shí)測(cè)量輸出光的強(qiáng)度。圖1.1 和 1.3顯示這個(gè)方法的示意圖。光源從器件的左側(cè)以固定的功率，進(jìn)入器件，通過器件之后，在其右側(cè)測(cè)量輸出光強(qiáng)度。改變輸入光的偏振態(tài)的同時(shí)，測(cè)量對(duì)應(yīng)的輸出光強(qiáng)度。測(cè)量到的光強(qiáng)度的范圍，就近似為器件的PDL。這個(gè)方法在操作上，必須均勻的跑遍偏振球上的點(diǎn) （圖1.4）。點(diǎn)數(shù)越多，測(cè)量的結(jié)果越接近真實(shí)值.
在實(shí)驗(yàn)室和生產(chǎn)線，圖1-2中的“3環(huán)光纖是常用的偏振控制器。對(duì)于輸入的偏振態(tài)，通過三環(huán)不同的方向組合，產(chǎn)生不同的輸出偏振狀態(tài)。這種做法每改變一個(gè)偏振態(tài)需要若干秒。即使只走過偏振球上均勻的100 個(gè)點(diǎn)，也要耗時(shí)幾分鐘。因此，它只能作為定性，粗略的檢視PDL。
市面上有高速的偏振擾動(dòng)器，可以在1秒內(nèi)均勻步掃1萬次的偏振態(tài)。傳統(tǒng)上，許多無源器件生產(chǎn)廠家使用這種工具，做為定波長的PDL測(cè)量。
圖1-3：擾偏法測(cè)量PDL示意圖
擾偏法雖然實(shí)現(xiàn)簡單，但是在使用上有一定的操作局限性。首先，要求產(chǎn)生足夠多個(gè)偏振態(tài)盡可能均勻的覆蓋 Poincare球，測(cè)量是近似的。其次，產(chǎn)生多個(gè)偏振態(tài)（典型測(cè)量要求2000個(gè)）需要時(shí)間很長，尤其是要進(jìn)行多波長PDL測(cè)試，效率太低。
圖1-4：在Poincare球上的有限點(diǎn)近似
B） 極大/極小搜索法：從任意一個(gè)偏振態(tài)出發(fā)，進(jìn)入器件的光先經(jīng)過偏振控制器，再藉由出光的探測(cè)器的讀數(shù)來死循環(huán)改變?nèi)牍獾钠駪B(tài)，這樣可以逐步搜尋差損的最大和最小值。這種方法測(cè)試時(shí)間長（單個(gè)波長測(cè)試時(shí)間理論上是也是秒級(jí)以上，參考安捷倫11896使用手冊(cè)或者OPL3000使用手冊(cè)），和第一種方法有相同的缺點(diǎn)，一次只能測(cè)量一個(gè)波長。
C）矩陣測(cè)量法
矩陣測(cè)量法又可以細(xì)分為米勒矩陣法和瓊斯矩陣法。兩者的精類似。在這里，我們就只簡單介紹米勒矩陣法。這是IEC委員會(huì)在IEC61300-3-12中規(guī)定的PDL測(cè)量方法。在Mueller矩陣法中，偏振態(tài)控制器產(chǎn)生4個(gè)線性獨(dú)立的偏振態(tài)，通常為水平，垂直，45-度的線偏振，加上一個(gè)圓偏振；根據(jù)測(cè)量這4個(gè)偏振態(tài)通過DUT的光功率，可以解出待測(cè)器件和功率相關(guān)的4個(gè)矩陣元素，進(jìn)而準(zhǔn)確計(jì)算出PDL。注意圖1-5 和圖1-3的不同。圖1-3，偏振擾動(dòng)器一直在高速不斷的變化偏振方向；圖1-5的偏振控制器只需要輸出4個(gè)偏振態(tài)。
圖1-5：四態(tài)測(cè)量法測(cè)量PDL示意圖
米勒矩陣法是目前最主流的測(cè)試PDL的方法，適合測(cè)量PDL和波長有關(guān)系的大量生產(chǎn)。要能有效率的應(yīng)用這個(gè)技術(shù)，必須有高速掃描的光源和數(shù)據(jù)采集/處理系統(tǒng)。
三．優(yōu)峰GouMax的PDL測(cè)試系統(tǒng)
為了滿足市場對(duì) PDL 進(jìn)行快速且精確測(cè)量的需要，基于米勒矩陣法，優(yōu)峰GouMax 開發(fā)了LSA-200U PDL 測(cè)量儀。LSA-200U 由偏振態(tài)控制器與單通道高速探測(cè)器/數(shù)據(jù)采集分析模塊，LSA-200A組成。偏振控制器依時(shí)序產(chǎn)生PDL測(cè)試需要的4個(gè)偏振態(tài)，LSA-200A對(duì)每一個(gè)偏振態(tài)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和差損測(cè)量。計(jì)算機(jī)通過調(diào)用 DLL的PDL 測(cè)量函數(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳遞和 PDL計(jì)算，實(shí)現(xiàn)高速精確的PDL測(cè)量。
綜合言之，PDL的高速測(cè)量需要兩個(gè)必要的組件：1）高速波長掃描激光器，2）高速數(shù)據(jù)采集和分析模塊。當(dāng)偏振態(tài)控制器設(shè)定好一個(gè)偏振態(tài)時(shí)，激光器進(jìn)行高速波長掃描。與此同時(shí)，數(shù)據(jù)采集模塊需要同步高速采集差損數(shù)據(jù)。
目前，市場上已知商用可調(diào)激光器的最大掃描速度規(guī)格是200nm／s。這些可調(diào)激光器都是通過馬達(dá)轉(zhuǎn)動(dòng)進(jìn)行波長掃描，速度慢，需要波長回掃，有機(jī)械磨損。在進(jìn)行 PDL測(cè)量時(shí)，激光波長的掃描速度需要控制在50～100nm／s，以保證波長精度和功率重復(fù)性。進(jìn)行40nm波長范圍的PDL測(cè)量需要時(shí)間大約是10秒鐘。
圖3-1是由優(yōu)峰GouMax TLS-1000掃描激光器和LSA-200U PDL測(cè)量儀組成的高速PDL測(cè)量系統(tǒng)。TLS-1000是業(yè)界內(nèi)可以提供最高掃描速度的可調(diào)激光器，利用電控機(jī)制可以完成高達(dá)400nm／s的波長掃描速度，無機(jī)械磨損，回掃時(shí)間可以忽略不計(jì)。在PDL測(cè)量時(shí)，可以使用最高的波長掃描速度400nm／s。實(shí)測(cè)結(jié)果顯示，由TLS-1000和LSA-200U組成的PDL 測(cè)量系統(tǒng)可以在1秒內(nèi)完成40nm波長范圍的PDL測(cè)量。與業(yè)界同類PDL測(cè)量系統(tǒng)相比，測(cè)量時(shí)間縮短了10倍。
圖3-1：GouMax LSA-300U高速PDL測(cè)量系統(tǒng)
四．PDL測(cè)試實(shí)例對(duì)比。
GouMax的PDL測(cè)試系統(tǒng)，可以集聯(lián)雙通道LSA-200B模塊，達(dá)到同時(shí)測(cè)量多個(gè)工位PDL的目地。
4.1 測(cè)量安排
硬件和連接：
1）GouMax TLS-1000 C-band 可調(diào)諧激光器
2）GouMax C-band LSA-200U PDL測(cè)量儀
3）LSA-200U與TLS-1000的連接（圖3-2）
軟件和DLL：
1）使用 GouMax LSA Demo程序
2）使用DLL版本10.03.0N
3）使用DLL中的PDL測(cè)試的函數(shù)
4.2 測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)樣品的PDL譜
測(cè)量條件：
1）激光器掃描速度：400nm／s
2）激光器波長掃描范圍：1520～1580nm
我們用一只C-band coupler 作為樣品進(jìn)行PDL測(cè)試。分別用LSA-200U和手動(dòng)方法測(cè)量PDL，然后進(jìn)行比較。手動(dòng)測(cè)量是用“三環(huán)偏振控制器”改變光的偏振態(tài)，每隔5nm測(cè)量PDL。結(jié)果顯示在圖4-1中。二者測(cè)量差別在0.02dB以內(nèi)。
圖4-1：比較LSA-200U和手動(dòng)PDL測(cè)量結(jié)果
4.3 PDL測(cè)量的定量比較
為了定量比較LSA-200U的PDL測(cè)試精度，我們測(cè)量一個(gè)平行玻璃板折射光的PDL隨入射角的定量關(guān)系。實(shí)驗(yàn)安排如圖4-2所示。要求玻璃板有足夠的厚度，保證光纖準(zhǔn)直器接收到的只有直接透射光束。將玻璃板固定在一個(gè)有精密刻度的轉(zhuǎn)盤上，通過轉(zhuǎn)盤的轉(zhuǎn)動(dòng)改變光在玻璃板上的入射角。用LSA-200U 測(cè)量接收到的光功率（差損），計(jì)算出PDL隨角度變化。
測(cè)量條件：
1）激光器掃描速度：400nm／s
2）激光波長范圍：1520～1580nm
圖4-2：測(cè)量平行玻璃板的PDL
圖4-3是測(cè)量結(jié)果與理論值的比較。圖中的紅色曲線是理論計(jì)算結(jié)果，藍(lán)色點(diǎn)是LSA-200U在不同入射角測(cè)量得到的PDL值。可以看到，LSA-200U測(cè)量到的PDL值與理論結(jié)果精確吻合，誤差在＜0.5％。
圖4-3：PDL測(cè)量與理論結(jié)果的比較
五． PDL測(cè)試總結(jié)
在這篇短文里頭，我們對(duì)光的偏振特性、以及測(cè)試方案做了概略的介紹，并通過實(shí)測(cè)進(jìn)行對(duì)比。由于無源器件的偏振相關(guān)差損（PDL）對(duì)光傳輸系統(tǒng)會(huì)造成信號(hào)失真，降低PDL是器件制造商必須面對(duì)的課題。
面對(duì)問題第一步是必須能夠在器件做完之后，測(cè)量PDL來確認(rèn)器件本身滿足PDL的規(guī)格。目前被普遍采用的米勒矩陣法，測(cè)量一個(gè)C-band的PDL譜線，大約要10秒或者更長的時(shí)間。這已是無源器件在終測(cè)的主要瓶頸。這么長的時(shí)間是由于激光掃描的速度太慢，加上必須測(cè)出4個(gè)偏振態(tài)的差損譜，來計(jì)算PDL譜。優(yōu)峰GouMax 的PDL測(cè)試儀器，可以在1秒之內(nèi)完成PDL譜的測(cè)試，完全顛覆了傳統(tǒng)上認(rèn)為PDL測(cè)試必須“很慢“的刻板印象。測(cè)試效率大大提高，是無源器件測(cè)試的必備利器。
六．附穆勒矩陣原理
穆勒矩陣測(cè)試系統(tǒng)： Mueller 矩陣法(4 個(gè)固定偏振態(tài)掃描)
兩步： 1. 參考路徑測(cè)量 + 快 (TLS可連續(xù)掃描工作)
2．DUT .路徑測(cè)量 + 可得到高分辨率的PDL VS WL的測(cè)試
附穆勒矩陣分析法原理
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