Измерение коэффициента поляризационной экстинкции

Коэффициент поляризационной экстинкции (PER) – это безразмерная физическая величина, отражающая ослабление интенсивности излучения, возникающее при его распространении в среде или при отражении от границы раздела. Определяется как отношение мощности потоков излучения до (P₀) и после (P) отражения от границы раздела 2-х сред. Коэффициент поляризационной экстинкции выражается в дБ и рассчитывается по формуле:

Значение PER, измеренное в любой точке системы, отражает совокупное влияние нескольких факторов. К ним относятся:

• Поляризационные характеристики источника света (в частности, степень поляризации или линейной поляризации света.
• Рассогласования в волоконно-оптических соединениях или сращиваниях.
• Особенности распространения света через волоконно-оптическую среду или тестируемое устройство до точки измерения.

PER является важным параметром производительности для систем или устройств, которые требуют, чтобы свет, распространяющийся через них, оставался линейно поляризованным с ориентацией по определенной оси. В таких случаях PER должен быть как можно выше. Типичные значения варьируются в зависимости от устройства:

• от 18-20 дБ для многих пассивных компонентов.
• до 50-60 дБ и выше для некоторых поляризаторов или поляризующих волноводов.

PER также может использоваться в качестве косвенного показателя для измерения степени поляризации (DOP) деполяризатора или источника света с низкой поляризацией. В таких случаях PER будет близок к 0, что указывает на равномерное распределение света по всем поляризационным состояниям.

Существует несколько методов измерения коэффициента поляризационной экстинкции. Наиболее подходящий метод зависит от области применения.

Метод вращающегося поляризатора

Метод вращающегося поляризатора представляет собой наиболее простой подход к измерению коэффициента поляризационной экстинкции. В этом методе выход испытуемого устройства (ИУ) подключается к измерителю PER, который состоит из вращающегося поляризатора и последующего фотодетектора. Поляризатор совершает полный оборот для определения:

• Максимальной мощности (P_max), соответствующей основному линейному состоянию поляризации.
• Минимальной мощности (P_min), соответствующей ортогональному состоянию поляризации.

Затем прибор вычисляет коэффициент поляризационной экстинкции по формуле:

С помощью данного подхода можно измерять как высокие, так и низкие значения PER. Однако, метод ограничен тем, что он основывается на отношении мощности между ортогональными линейными компонентами поляризации света. Следовательно, данная методика не позволяет различать неполяризованный свет и свет с круговой поляризацией.

Точность измерения зависит от:

• Коэффициента экстинкции (ER) вращающегося поляризатора.
• Качества схемы детектирования.

Минимизации внутренних отражений, которые могут добавить шум к измерению. 

Оптическая схема прибора PEM-100L

PEM-100L – это устройство для измерения PER, которое также позволяет одновременно измерять мощность оптического излучения и угол рассогласования. Обладая чувствительностью схемы измерения PER до -40 дБ и динамическим диапазоном PER более 50 дБ, PEM-100L обеспечивает точные измерения. Управление прибором возможно как с помощью сенсорного экрана, так и кнопок. Для удалённого контроля предусмотрены интерфейсы RS-232 и GPIB.

Измеритель коэффициента поляризационной экстинкции PEM-100L

Для точных измерений минимального PER рекомендуется использовать широкополосный источник света. Это связано с тем, что у широкополосных источников длина когерентности короче, чем у узкополосных лазерных источников. Длина когерентности источника света должна быть короче произведения центральной длины волны λ_center и длины тестируемого PM-волокна λ_PM, деленного на длину биений (beat length). Когда используется узкополосный лазерный источник с длиной когерентности, значительно большей, чем (λ_{center *} λ_PM ) / beat length, поляризационные компоненты света, выровненные по медленной и быстрой осям, будут когерентными. Если они синфазны или противофазны, выходной свет будет линейно поляризован даже при рассогласовании входного света.

Чтобы повысить точность и надежность измерений PER, рекомендуется использовать источники поляризованного излучения. Эти специализированные устройства генерируют линейно поляризованный свет с высоким коэффициентом ослабления. Их использование устраняет необходимость в дополнительных поляризаторах, увеличивает доступную оптическую мощность, сохраняет спектральную форму сигнала и снижает уровень шумов. Такие источники особенно полезны в задачах, требующих стабильного и высокополяризованного излучения, включая научные исследования, биомедицинские приложения и тестирование оптических компонентов.

Как правило, мгновенные значения PER нестабильны из-за переменной разности фаз между медленной и быстрой осями, вызванной изменениями напряжения в PM-волокне или колебаниями температуры в рабочем диапазоне. Поэтому мгновенные значения PER не могут использоваться для определения характеристик устройства. В этом случае измеритель PER должен работать в режиме поиска минимума, а спецификацией производительности должно быть минимальное измеренное значение ER, полученное измерителем PER при растяжении или нагреве (охлаждении) волокна.

Метод измерения угла вращения плоскости поляризации света

В PM-волокне свет, поляризованный вдоль медленной оси, и свет, поляризованный вдоль быстрой оси, распространяются с разными скоростями. Если свет, введенный в PM-волокно, не полностью выровнен по одной из этих осей или не полностью поляризован, он будет содержать компоненты поляризации как медленной, так и быстрой осей. 

Медленная и быстрая оси в PM волокне

Относительная задержка фазы между этими ортогональными компонентами поляризации и, следовательно, состояние поляризации света, изменяются по мере распространения света через волокно. Аналогично, изменение относительной задержки фазы между двумя ортогональными компонентами поляризации на выходе волокна, будь то путем нагрева или растяжения PM-волокна или путем сканирования длины волны входного света, приведет к вращению состояния поляризации выходного света по окружности на сфере Пуанкаре. Ось вращения окружности определяется медленной осью волокна, а радиус окружности – несовпадением света с медленной осью.

Сфера Пуанкаре

Поляриметр может измерить эту круговую эволюцию SOP (состояние поляризации) и рассчитать PER по размеру полученной окружности. Если поляриметр имеет вход в свободном пространстве, он также может определить угол совмещения ключей выходного разъема ИУ по расположению круга на сфере. Поляриметры, соединенные с волокном, не могут предоставить информацию об угле выравнивания ключа, потому что SM-волокно между выходом ИУ и входом оптической головки поляриметра может изменить положение (но не размер) окружности.

Поскольку точность измерения зависит от того, насколько хорошо поляриметр может измерить SOP и насколько хорошо можно аппроксимировать окружность, этот метод обычно не подходит для измерения высокого PER (т.к. круг сворачивается в точку, его становится труднее аппроксимировать) или PER испытываемого устройства с низким DOP (измерение SOP поляриметром ненадежно, если DOP очень низкий). Кроме того, измерение длинных ИУ или тестируемых устройств с высоким двойным лучепреломлением может быть затруднено. Для измерения длины волны таких ИУ требуется либо непрерывная развертка, либо очень маленькие шаги по длине волны. В противном случае расстояние между последовательными точками данных SOP может быть слишком большим, чтобы получить хорошую аппроксимацию окружности.

Например, компактный модуль для анализа поляризации OPA100L, принцип действия которого основан на использовании вращающихся волновых пластин, идеально подходит для измерения:

• Степени поляризации (DOP).
• Коэффициента поляризационной экстинкции (PER).
• Поляризационно-зависимых потерь (PDL).
• Поляризационной модовой дисперсии (PMD).

Анализатор поляризации OPA100L

Принцип работы анализатора OPA основан на методе вращающейся четвертьволновой пластинки.

Принцип работы анализатора OPA100L

Четвертьволновая пластина (λ/4) установлена на полом колесе, которое приводится в движение двигателем постоянного тока. Вращаясь, пластина модулирует входную поляризацию. Эта поляризационная модуляция преобразуется фиксированным поляризатором в амплитудную модуляцию интенсивности света, падающего на фотодиод. Таким образом, модулируется и фототок. Быстрое преобразование Фурье (БПФ) позволяет затем вычислить 3 нормализованных вектора Стокса (s1, s2 и s3), поляризованную мощность и степень поляризации (DOP). Этих параметров достаточно для полного описания состояния поляризации света, падающего на поляриметр OPA100L.

Пользовательский интерфейс OPA100L

Метод измерения перекрестных помех распределенной поляризации

Данный метод основан на интерферометрии и предназначен для детального анализа поляризационных свойств сложных систем на основе PM волокна. В отличие от методов, измеряющих интегральный PER, этот способ измерения перекрестных помех распределенной поляризации позволяет локализовать и количественно оценить вклад отдельных элементов системы (разъемов, сварных соединений, дефектных участков волокна) в общее значение PER.

Основные принципы:

1. Интерферометрическое измерение.
   Прибор использует интерферометр, в одном плече которого находится ИУ. Анализируя интерференционную картину, можно получить информацию о фазовых и амплитудных изменениях света, прошедшего через ИУ.
2. Высокая чувствительность к перекрестным помехам.
   Ключевой особенностью метода является его способность с высокой точностью измерять перекрестные помехи по поляризации. Перекрестные помехи возникают, когда часть света, изначально поляризованного вдоль одной оси PM-волокна (например, медленной), переходит в ортогональную поляризацию (быструю ось) и наоборот. Эти переходы могут быть вызваны дефектами, напряжениями или плохим соединениями.
3. Распределенное измерение.
   Вместо измерения суммарного PER метод позволяет определить интенсивность и местоположение каждого события перекрестных помех вдоль ИУ. Это достигается за счет анализа временной или частотной зависимости интерференционного сигнала. По сути, прибор «сканирует» ИУ и выявляет участки, которые вносят наибольший вклад в деполяризацию.
4. Расчет PER на основе интеграции перекрестных помех.
   После того, как определены все события перекрестных помех и их интенсивность, прибор рассчитывает общий PER путем интегрирования вклада каждого события. Это позволяет оценить, насколько сильно каждое отдельное нарушение поляризации влияет на общие поляризационные характеристики системы.

Для реализации данного метода компания TemSens разработала анализатор распределённых поляризационных преобразований CLM-P, который сочетает высокую точность и скорость измерений.

Основные характеристики:

• Рабочие диапазоны длин волн: 1290-1330 нм / 1530-1570 нм.
• Разрешение выборки: до 2 см.
• Динамический диапазон: 75 дБ.
• Время измерения: до 14 секунд.
• Повторяемость измерений перекрёстных помех: ±1 дБ.

Анализатор CLM-P обеспечивает прецизионные измерения поляризационных характеристик в PM-волоконных контурах и Y-волноводах, позволяя с высочайшей точностью выявлять участки с перекрестными помехами, оценивать качество соединений и разъёмных интерфейсов, а также определять коэффициент экстинкции. Благодаря уникальной методике распределённого анализа, устройство становится ключевым инструментом для оптимизации производственных процессов.

Поскольку методы измерения коэффициента поляризационной экстинкции имеют специфические возможности и ограничения, компании OPEAK и TemSens предлагают различные модели измерительных приборов, которые соответствуют требованиям для широкой области применения. В таблице ниже приведены основные различия между приборами. 

Компания «Специальные Системы. Фотоника» является официальным дистрибьютором представленных решений и оказывает техническую поддержку на территории России и ЕАЭС.

Для получения дополнительной информацией и оформления заказа вы можете связаться с нашими специалистами, которые помогут подобрать оптимальное решение под ваши задачи.