尚超　吳重慶

摘要

目前的商用偏振分析儀檢測速率較低，因此在檢測光纖通信中高速信號的偏振態(tài)時，需要自行搭建測量系統(tǒng)并結(jié)合高速實時數(shù)字示波器使用.此時，系統(tǒng)定標就顯得尤為重要，定標方法也將直接影響測量的準確性.針對光纖型高速偏振態(tài)檢測系統(tǒng)提出了定標方法，先通過Mueller矩陣算法對其進行了理論分析，進而通過實驗證明了該定標方法準確可行，測量誤差水平小于±3%.關(guān)鍵詞

偏振態(tài)檢測；Mueller矩陣；Stokes參量

中圖分類號TP21214

文獻標志碼A

0引言

光纖通信中的偏振控制、偏振復(fù)用、偏振編碼、偏振模色散補償，以及光纖傳感中的偏振敏感型光時域/頻域反射技術(shù)等都是對光纖中的偏振效應(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)的方法進行編碼[2]，量子密鑰也可以采用偏振調(diào)制的方式進行編碼[3].因此，高速偏振態(tài)發(fā)生、控制與檢測技術(shù)對光通信、光傳感等許多領(lǐng)域而言，有著重要的研究意義和實用價值.

光波偏振態(tài)探測的方法有很多[411]，主要可分為兩大類，第一大類是單路光波偏振調(diào)制探測法，其中具有代表性的方法有機械調(diào)制法、電光調(diào)制法等；第二大類是分光探測法，其又可以細分為分振幅探測法和分波前探測法.由于分光法不需要考慮機械或電光等調(diào)制的動態(tài)響應(yīng)時間，所以從原理上就具有更快的測量速率.目前商用的光纖偏振分析儀大多采用分光探測法，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量速率遠遠低于光通信的信道速率，所以在需要進行高速信號的偏振態(tài)測量時，往往需要依據(jù)所選用的偏振態(tài)測量算法，自行搭建測量系統(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時數(shù)字示波器組合使用）來完成測量.為了保證自建系統(tǒng)的測量準確性，選擇正確的定標方法十分重要.本文針對基于波片型光纖偏振控制器的高速偏振態(tài)檢測系統(tǒng)，提出了利用相對系統(tǒng)測量速率而言可視為低速的偏振分析儀作為定標基準儀，通過Mueller矩陣算法對定標方法進行了理論分析，并完成了實驗驗證.實驗結(jié)果證明本文提出的定標方法準確可靠，能夠保證高速偏振態(tài)檢測系統(tǒng)的測量精度.

1定標方法理論分析

本文討論的光纖型高速偏振態(tài)檢測系統(tǒng)示意如圖1所示，在對定標方案進行理論分析時，除去用于檢測總光強的一路，將高速偏振態(tài)測量系統(tǒng)的光路部分看成一個黑匣子，如圖1b所示.假定在一個統(tǒng)一的空間坐標系下，可以存在滿足6個輸出端的偏振態(tài)關(guān)聯(lián)的光路結(jié)

構(gòu)，

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

測量系統(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，它等效于1/4波片、1/2波片、1/4波片的級聯(lián)[15]，如圖2所示.

依據(jù)上述結(jié)論，可以得出滿足定標要求的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，便于實際操作.

2定標實驗

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

通過定標來實現(xiàn)3個PBS的6個輸出端光功率分別與1×4耦合器的輸入端光信號的6個偏振分量功率相對應(yīng).為了在線監(jiān)測1×4耦合器的輸入偏振態(tài)，在其前面接入一個分光比95∶5的1×2耦合器，“5%”輸出端使用THORLABS公司的PA530型偏振分析儀進行監(jiān)測.通過調(diào)節(jié)1×2耦合器前的PC，使偏振分析儀測得的偏振態(tài)依次為[1100]T、[1010]T、[1001]T 3個基準偏振態(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PC，使PA530測得的偏振態(tài)與6路輸出光強滿足表1所示的對應(yīng)關(guān)系，依次完成對所有光路的定標.

1×4耦合器輸入端的偏振態(tài)in與偏振分析儀測得的偏振態(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光偏振態(tài)的差異，并使偏振分析儀測得的偏振態(tài)與1×4耦合器的輸入偏振態(tài)之間保持固定的相對關(guān)系且基本一致，因此可以將測量系統(tǒng)的參考坐標系和偏振分析儀的參考坐標系相統(tǒng)一.

在定標實驗中，使用DFB（Distributed Feedback）激光器作為光源，外調(diào)制器的驅(qū)動電信號由PPG（Pattern Pulse Generator）提供.定標參考光信號的速率為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的周期性光信號在其20 Hz左右的采樣頻率面前基本可以被PA530認為是直流光，此時PA530測得的偏振態(tài)可認為是比特“1”（有光輸出）光信號的偏振態(tài).使用周期性脈沖光定標可以測試系統(tǒng)的最大偏振態(tài)采集速率，同時還可以根據(jù)示波器測得的3路脈沖信號的時延差異來微調(diào)測量系統(tǒng)多路光程的差異，提高測量精度.

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

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

圖5中周期性光信號的速率為200 Mb/s，由PA530測得的光信號“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的測量值基本一致.經(jīng)多次測試后計算得出測量系統(tǒng)的誤差小于±3%.如果采用速率更高的光電轉(zhuǎn)換電路和超高速實時數(shù)字示波器，則可以大大提高測量系統(tǒng)的偏振態(tài)采集速率.

3結(jié)論

針對光纖型高速偏振態(tài)檢測系統(tǒng)提出了利用低速偏振分析儀進行定標的方法，并通過Mueller矩陣算法進行理論分析來確定實施步驟，在實驗中采用周期性編碼速率為200 Mb/s的光信號作為定標參考光源，并依次調(diào)節(jié)輸入信號光的偏振態(tài)為3個基準偏振態(tài)來完成高速測量系統(tǒng)的定標.實驗結(jié)果證明提出的定標方法準確可行，誤差水平可以保證高速偏振態(tài)檢測系統(tǒng)完成高精度的測量.

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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