PDL（Polarization Dependent Loss）测试
PDL（Polarization Dependent Loss）测试
目录：
- PDL的定义与其重要性；
- PDL的测试方案；
- 优峰GouMax的PDL测试介绍；
- PDL测试实例对比；
- 总结。
- PDL的定义与其重要性。
1.1： 偏振方向的定义：在光通信领域，用激光做为信号发射源。这篇文章里头，我们的讨论，仅止于对激光的偏振特性做简介。
光是电磁波的一种，电场震动的方向，就定义为光的偏振方向。光在单模光纤或者在自由空间传递时，电场的方向和传递的方向是互相垂直的。在这篇文章里，我们把光传递的方向称为Z-方向，电场在XY-平面。对于任何一个在XY平面上震荡的电场，都可以把它分解成水平和垂直两个正交分量，振幅分别为E_x和 E_y. 为了方便描述偏振光，我们定义两个角度：电场方向角α，以及两个电场分量之间的相位差，δ。其中, tan(α)=E_y/E_x。在相位差为零时，电场的震荡的方向离X-轴α角 （逆时针）。这种偏振态称为线偏振。对于相位差不为零的偏振态，都称为椭圆偏振(包含圆偏振)。每一组(α,δ), 唯一的定义了一个光的偏振态。α 的值介于0 的 90 度之间；δ则介于0 到360 度。为了将偏振态更形象化，科学家把每个偏振态表达为在单位球上的一个点，这个球坐标就采用(2α) 作为极角（polar angle），δ 做为方位角 （azimuthal angle）。 球上的每一个点，代表独一无二的一个偏振态。这个球就是著名的庞加莱偏振球（Poincare Sphere）
1.2，PDL的定义：对于给定的入光功率
进入光器件，它的出光功率会随着入光的偏振态而改变。如果最大和最小的出光功率为，P_max和P_min, 则PDL的定义为，
PDL=10∙log[P_max/P_min ]
PDL（Polarization Dependent Loss）就是在所有可能的入光偏振态里头，器件的最大的差损和最小的差损的差额。
PDL都是一个非常重要的指标，它体现了一个器件对不同偏振态的差损变化范围，这个值要越小越好。在光网络里，有很多的光器件串联在一起，整个光路的最后差损值，是个别器件差损的总和。因为各个器件都有一定程度的PDL，接收端能够收到的光强度，就会和偏振态有关。由于光信号在单模光纤里头传递之后，偏振态是不可控，而且随时在改变。因此，如果总和的PDL过大，那么接收端收到的信号强度，会有很大的不确定性，这会使得传输的信号变形，失真，误码率的增加，甚至会导致网络故障。
二，PDL 的测试方法
上一节对光的偏振态做了基本的介绍。在光纤通信领域，PDL是无源光器件一个重要的参数指标，它直接影响了光网络的性能优劣。 一直以来，快速/准确的测量器件的PDL是光通信无源器件厂家所面对比较困难的一个问题。主要的原因是1）PDL是一个矢量，不像插损测量那样，可以直接扣除光路本身的损耗。 比方说，PDL测量系统，在不接DUT时，有0.1dB的PDL，接了DUT之后， PDL的总和为0.6 dB。那么，DUT的PDL值，有可能介于0.5 到 0.7 dB 之间， 取决于系统的偏振主轴(差损最大的偏振方向)和器件的偏振主轴之间的关系。因此，为了准确的测量PDL，测量系统本身的PDL必须小到可以忽略不计。这就对测式系统的有很高的要求。2）必须扫描四个差损谱，这就会花掉很长的时间。
目前PDL 测试，常见有下列几种方法。
A) 偏振扰动法：这是最直观的方法。因为器件的输出光强度和入光的偏振态有光，测量时，快速的改变入光电场的偏振态，同时测量输出光的强度。图1.1 和 1.3显示这个方法的示意图。光源从器件的左侧以固定的功率，进入器件，通过器件之后，在其右侧测量输出光强度。改变输入光的偏振态的同时，测量对应的输出光强度。测量到的光强度的范围，就近似为器件的PDL。这个方法在操作上，必须均匀的跑遍偏振球上的点 （图1.4）。点数越多，测量的结果越接近真实值.
在实验室和生产线，图1-2中的“3环光纤是常用的偏振控制器。对于输入的偏振态，通过三环不同的方向组合，产生不同的输出偏振状态。这种做法每改变一个偏振态需要若干秒。即使只走过偏振球上均匀的100 个点，也要耗时几分钟。因此，它只能作为定性，粗略的检视PDL。
市面上有高速的偏振扰动器，可以在1秒内均匀步扫1万次的偏振态。传统上，许多无源器件生产厂家使用这种工具，做为定波长的PDL测量。
图1-3：扰偏法测量PDL示意图
扰偏法虽然实现简单，但是在使用上有一定的操作局限性。首先，要求产生足够多个偏振态尽可能均匀的覆盖 Poincare球，测量是近似的。其次，产生多个偏振态（典型测量要求2000个）需要时间很长，尤其是要进行多波长PDL测试，效率太低。
图1-4：在Poincare球上的有限点近似
B） 极大/极小搜索法：从任意一个偏振态出发，进入器件的光先经过偏振控制器，再藉由出光的探测器的读数来死循环改变入光的偏振态，这样可以逐步搜寻差损的最大和最小值。这种方法测试时间长（单个波长测试时间理论上是也是秒级以上，参考安捷伦11896使用手册或者OPL3000使用手册），和第一种方法有相同的缺点，一次只能测量一个波长。
C）矩阵测量法
矩阵测量法又可以细分为米勒矩阵法和琼斯矩阵法。两者的精类似。在这里，我们就只简单介绍米勒矩阵法。这是IEC委员会在IEC61300-3-12中规定的PDL测量方法。在Mueller矩阵法中，偏振态控制器产生4个线性独立的偏振态，通常为水平，垂直，45-度的线偏振，加上一个圆偏振；根据测量这4个偏振态通过DUT的光功率，可以解出待测器件和功率相关的4个矩阵元素，进而准确计算出PDL。注意图1-5 和图1-3的不同。图1-3，偏振扰动器一直在高速不断的变化偏振方向；图1-5的偏振控制器只需要输出4个偏振态。
图1-5：四态测量法测量PDL示意图
米勒矩阵法是目前最主流的测试PDL的方法，适合测量PDL和波长有关系的大量生产。要能有效率的应用这个技术，必须有高速扫描的光源和数据采集/处理系统。
三．优峰GouMax的PDL测试系统
为了满足市场对 PDL 进行快速且精确测量的需要，基于米勒矩阵法，优峰GouMax 开发了LSA-200U PDL 测量仪。LSA-200U 由偏振态控制器与单通道高速探测器/数据采集分析模块，LSA-200A组成。偏振控制器依时序产生PDL测试需要的4个偏振态，LSA-200A对每一个偏振态进行数据采集和差损测量。计算机通过调用 DLL的PDL 测量函数进行数据传递和 PDL计算，实现高速精确的PDL测量。
综合言之，PDL的高速测量需要两个必要的组件：1）高速波长扫描激光器，2）高速数据采集和分析模块。当偏振态控制器设定好一个偏振态时，激光器进行高速波长扫描。与此同时，数据采集模块需要同步高速采集差损数据。
目前，市场上已知商用可调激光器的最大扫描速度规格是200nm／s。这些可调激光器都是通过马达转动进行波长扫描，速度慢，需要波长回扫，有机械磨损。在进行 PDL测量时，激光波长的扫描速度需要控制在50～100nm／s，以保证波长精度和功率重复性。进行40nm波长范围的PDL测量需要时间大约是10秒钟。
图3-1是由优峰GouMax TLS-1000扫描激光器和LSA-200U PDL测量仪组成的高速PDL测量系统。TLS-1000是业界内可以提供最高扫描速度的可调激光器，利用电控机制可以完成高达400nm／s的波长扫描速度，无机械磨损，回扫时间可以忽略不计。在PDL测量时，可以使用最高的波长扫描速度400nm／s。实测结果显示，由TLS-1000和LSA-200U组成的PDL 测量系统可以在1秒内完成40nm波长范围的PDL测量。与业界同类PDL测量系统相比，测量时间缩短了10倍。
图3-1：GouMax LSA-200U高速PDL测量系统
四．PDL测试实例对比。
GouMax的PDL测试系统，可以集联双通道LSA-200B模块，达到同时测量多个工位PDL的目地。
4.1 测量安排
硬件和连接：
1）GouMax TLS-1000 C-band 可调谐激光器
2）GouMax C-band LSA-200U PDL测量仪
3）LSA-200U与TLS-1000的连接（图3-2）
软件和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测试的函数
4.2 测量标准样品的PDL谱
测量条件：
1）激光器扫描速度：400nm／s
2）激光器波长扫描范围：1520～1580nm
我们用一只C-band coupler 作为样品进行PDL测试。分别用LSA-200U和手动方法测量PDL，然后进行比较。手动测量是用“三环偏振控制器”改变光的偏振态，每隔5nm测量PDL。结果显示在图4-1中。二者测量差别在0.02dB以内。
图4-1：比较LSA-200U和手动PDL测量结果
4.3 PDL测量的定量比较
为了定量比较LSA-200U的PDL测试精度，我们测量一个平行玻璃板折射光的PDL随入射角的定量关系。实验安排如图4-2所示。要求玻璃板有足够的厚度，保证光纤准直器接收到的只有直接透射光束。将玻璃板固定在一个有精密刻度的转盘上，通过转盘的转动改变光在玻璃板上的入射角。用LSA-200U 测量
接收到的光功率（差损），计算出PDL随角度变化。
测量条件：
1）激光器扫描速度：400nm／s
2）激光波长范围：1520～1580nm
图4-2：测量平行玻璃板的PDL
图4-3是测量结果与理论值的比较。图中的红色曲线是理论计算结果，蓝色点是LSA-200U在不同入射角测量得到的PDL值。可以看到，LSA-200U测量到的PDL值与理论结果精确吻合，误差在＜0.5％。
图4-3是测量结果与理论值的比较。
五． PDL测试总结
在这篇短文里头，我们对光的偏振特性、以及测试方案做了概略的介绍，并通过实测进行对比。由于无源器件的偏振相关差损（PDL）对光传输系统会造成信号失真，降低PDL是器件制造商必须面对的课题。
面对问题第一步是必须能够在器件做完之后，测量PDL来确认器件本身满足PDL的规格。目前被普遍采用的米勒矩阵法，测量一个C-band的PDL谱线，大约要10秒或者更长的时间。这已是无源器件在终测的主要瓶颈。这么长的时间是由于激光扫描的速度太慢，加上必须测出4个偏振态的差损谱，来计算PDL谱。优峰GouMax 的PDL测试仪器，可以在1秒之内完成PDL谱的测试，完全颠覆了传统上认为PDL测试必须“很慢“的刻板印象。测试效率大大提高，是无源器件测试的必备利器。
