PDL（Polarization Dependent Loss）測試
目錄：
1， PDL的定義與其重要性；
2， PDL的測試方案；
3， 優(yōu)峰GouMax的PDL測試介紹；
4， PDL測試實例對比；
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，用激光做為信號發(fā)射源。這篇文章里頭，我們的討論，僅止于對激光的偏振特性做簡介。
光是電磁波的一種，電場震動的方向，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，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。對于任何一個在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，我們定義兩個角度：電場方向角
，以及兩個電場分量之間的相位差
。其中
。在相位差為零時，電場的震蕩的方向離X-軸
角 （逆時針）。這種偏振態(tài)稱為線偏振。對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，科學家把每個偏振態(tài)表達為在單位球上的一個點，這個球坐標就采用
作為極角（polar angle），
做為方位角 （azimuthal angle）。 球上的每一個點，代表獨一無二的一個偏振態(tài)。這個球就是著名的龐加萊偏振球（Poincare Sphere）。
1.2，PDL的定義：對于給定的入光功率
進入光器件，它的出光功率會隨著入光的偏振態(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都是一個非常重要的指標，它體現(xiàn)了一個器件對不同偏振態(tài)的差損變化范圍，這個值要越小越好。在光網(wǎng)絡里，有很多的光器件串聯(lián)在一起，整個光路的最后差損值，是個別器件差損的總和。因為各個器件都有一定程度的PDL，接收端能夠收到的光強度，就會和偏振態(tài)有關(guān)。由于光信號在單模光纖里頭傳遞之后，偏振態(tài)是不可控，而且隨時在改變。因此，如果總和的PDL過大，那么接收端收到的信號強度，會有很大的不確定性，這會使得傳輸?shù)男盘栕冃?，失真，誤碼率的增加，甚至會導致網(wǎng)絡故障。
二，PDL 的測試方法
上一節(jié)對光的偏振態(tài)做了基本的介紹。在光纖通信領(lǐng)域，PDL是無源光器件一個重要的參數(shù)指標，它直接影響了光網(wǎng)絡的性能優(yōu)劣。 一直以來，快速/準確的測量器件的PDL是光通信無源器件廠家所面對比較困難的一個問題。主要的原因是1）PDL是一個矢量，不像插損測量那樣，可以直接扣除光路本身的損耗。 比方說，PDL測量系統(tǒng)，在不接DUT時，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，為了準確的測量PDL，測量系統(tǒng)本身的PDL必須小到可以忽略不計。這就對測式系統(tǒng)的有很高的要求。2）必須掃描四個差損譜，這就會花掉很長的時間。
目前PDL 測試，常見有下列幾種方法。
A) 偏振擾動法：這是最直觀的方法。因為器件的輸出光強度和入光的偏振態(tài)有光，測量時，快速的改變?nèi)牍怆妶龅钠駪B(tài)，同時測量輸出光的強度。圖1.1 和 1.3顯示這個方法的示意圖。光源從器件的左側(cè)以固定的功率，進入器件，通過器件之后，在其右側(cè)測量輸出光強度。改變輸入光的偏振態(tài)的同時，測量對應的輸出光強度。測量到的光強度的范圍，就近似為器件的PDL。這個方法在操作上，必須均勻的跑遍偏振球上的點 （圖1.4）。點數(shù)越多，測量的結(jié)果越接近真實值.
在實驗室和生產(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偏振態(tài)需要若干秒。即使只走過偏振球上均勻的100 個點，也要耗時幾分鐘。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測量。
圖1-3：擾偏法測量PDL示意圖
擾偏法雖然實現(xiàn)簡單，但是在使用上有一定的操作局限性。首先，要求產(chǎn)生足夠多個偏振態(tài)盡可能均勻的覆蓋 Poincare球，測量是近似的。其次，產(chǎn)生多個偏振態(tài)（典型測量要求2000個）需要時間很長，尤其是要進行多波長PDL測試，效率太低。
圖1-4：在Poincare球上的有限點近似
B） 極大/極小搜索法：從任意一個偏振態(tài)出發(fā)，進入器件的光先經(jīng)過偏振控制器，再藉由出光的探測器的讀數(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。這種方法測試時間長（單個波長測試時間理論上是也是秒級以上，參考安捷倫11896使用手冊或者OPL3000使用手冊），和第一種方法有相同的缺點，一次只能測量一個波長。
C）矩陣測量法
矩陣測量法又可以細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委員會在IEC61300-3-12中規(guī)定的PDL測量方法。在Mueller矩陣法中，偏振態(tài)控制器產(chǎn)生4個線性獨立的偏振態(tài)，通常為水平，垂直，45-度的線偏振，加上一個圓偏振；根據(jù)測量這4個偏振態(tài)通過DUT的光功率，可以解出待測器件和功率相關(guān)的4個矩陣元素，進而準確計算出PDL。注意圖1-5 和圖1-3的不同。圖1-3，偏振擾動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個偏振態(tài)。
圖1-5：四態(tài)測量法測量PDL示意圖
米勒矩陣法是目前最主流的測試PDL的方法，適合測量PDL和波長有關(guān)系的大量生產(chǎn)。要能有效率的應用這個技術(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測試系統(tǒng)
為了滿足市場對 PDL 進行快速且精確測量的需要，基于米勒矩陣法，優(yōu)峰GouMax 開發(fā)了LSA-200U PDL 測量儀。LSA-200U 由偏振態(tài)控制器與單通道高速探測器/數(shù)據(jù)采集分析模塊，LSA-200A組成。偏振控制器依時序產(chǎn)生PDL測試需要的4個偏振態(tài)，LSA-200A對每一個偏振態(tài)進行數(shù)據(jù)采集和差損測量。計算機通過調(diào)用 DLL的PDL 測量函數(shù)進行數(shù)據(jù)傳遞和 PDL計算，實現(xiàn)高速精確的PDL測量。
綜合言之，PDL的高速測量需要兩個必要的組件：1）高速波長掃描激光器，2）高速數(shù)據(jù)采集和分析模塊。當偏振態(tài)控制器設(shè)定好一個偏振態(tài)時，激光器進行高速波長掃描。與此同時，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轉(zhuǎn)動進行波長掃描，速度慢，需要波長回掃，有機械磨損。在進行 PDL測量時，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性。進行40nm波長范圍的PDL測量需要時間大約是10秒鐘。
圖3-1是由優(yōu)峰GouMax TLS-1000掃描激光器和LSA-200U PDL測量儀組成的高速PDL測量系統(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，利用電控機制可以完成高達400nm／s的波長掃描速度，無機械磨損，回掃時間可以忽略不計。在PDL測量時，可以使用最高的波長掃描速度400nm／s。實測結(jié)果顯示，由TLS-1000和LSA-200U組成的PDL 測量系統(tǒng)可以在1秒內(nèi)完成40nm波長范圍的PDL測量。與業(yè)界同類PDL測量系統(tǒng)相比，測量時間縮短了10倍。
圖3-1：GouMax LSA-300U高速PDL測量系統(tǒng)
四．PDL測試實例對比。
GouMax的PDL測試系統(tǒng)，可以集聯(lián)雙通道LSA-200B模塊，達到同時測量多個工位PDL的目地。
4.1 測量安排
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測試的函數(shù)
4.2 測量標準樣品的PDL譜
測量條件：
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 作為樣品進行PDL測試。分別用LSA-200U和手動方法測量PDL，然后進行比較。手動測量是用“三環(huán)偏振控制器”改變光的偏振態(tài)，每隔5nm測量PDL。結(jié)果顯示在圖4-1中。二者測量差別在0.02dB以內(nèi)。
圖4-1：比較LSA-200U和手動PDL測量結(jié)果
4.3 PDL測量的定量比較
為了定量比較LSA-200U的PDL測試精度，我們測量一個平行玻璃板折射光的PDL隨入射角的定量關(guān)系。實驗安排如圖4-2所示。要求玻璃板有足夠的厚度，保證光纖準直器接收到的只有直接透射光束。將玻璃板固定在一個有精密刻度的轉(zhuǎn)盤上，通過轉(zhuǎn)盤的轉(zhuǎn)動改變光在玻璃板上的入射角。用LSA-200U 測量接收到的光功率（差損），計算出PDL隨角度變化。
測量條件：
1）激光器掃描速度：400nm／s
2）激光波長范圍：1520～1580nm
圖4-2：測量平行玻璃板的PDL
圖4-3是測量結(jié)果與理論值的比較。圖中的紅色曲線是理論計算結(jié)果，藍色點是LSA-200U在不同入射角測量得到的PDL值?？梢钥吹?，LSA-200U測量到的PDL值與理論結(jié)果精確吻合，誤差在＜0.5％。
圖4-3：PDL測量與理論結(jié)果的比較
五． PDL測試總結(jié)
在這篇短文里頭，我們對光的偏振特性、以及測試方案做了概略的介紹，并通過實測進行對比。由于無源器件的偏振相關(guān)差損（PDL）對光傳輸系統(tǒng)會造成信號失真，降低PDL是器件制造商必須面對的課題。
面對問題第一步是必須能夠在器件做完之后，測量PDL來確認器件本身滿足PDL的規(guī)格。目前被普遍采用的米勒矩陣法，測量一個C-band的PDL譜線，大約要10秒或者更長的時間。這已是無源器件在終測的主要瓶頸。這么長的時間是由于激光掃描的速度太慢，加上必須測出4個偏振態(tài)的差損譜，來計算PDL譜。優(yōu)峰GouMax 的PDL測試儀器，可以在1秒之內(nèi)完成PDL譜的測試，完全顛覆了傳統(tǒng)上認為PDL測試必須“很慢“的刻板印象。測試效率大大提高，是無源器件測試的必備利器。
六．附穆勒矩陣原理
穆勒矩陣測試系統(tǒng)： Mueller 矩陣法(4 個固定偏振態(tài)掃描)
兩步： 1. 參考路徑測量 + 快 (TLS可連續(xù)掃描工作)
2．DUT .路徑測量 + 可得到高分辨率的PDL VS WL的測試
附穆勒矩陣分析法原理
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