Jan Lamperski, Agnieszka Gapińska, Jakub Lamperski BADANIE WŁAŚCIWOŚCI POLARYZACYJNYCH OPTYCZNYCH ELEMENTÓW OBJĘTOŚCIOWYCH I WŁÓKIEN ŚWIATŁOWODOWYCHSesja: Światłowody w sieciach telekomunikacyjnych.Politechnika Poznańska, IET

Pełen tekst

(1)www.pwt.et.put.poznan.pl. Agnieszka Gapińska Jakub Lamperski Jan Lamperski Politechnika Poznańska Instytut Elektroniki i Telekomunikacji ul. Piotrpwo 3A, 60-965 Poznań jlamper@et.put.poznan.pl. 2005. Poznańskie Warsztaty Telekomunikacyjne Poznań 8 - 9 grudnia 2005. BADANIE WŁAŚCIWOŚCI POLARYZACYJNYCH OPTYCZNYCH ELEMENTÓW OBJĘTOŚCIOWYCH I WŁÓKIEN ŚWIATŁOWODOWYCH. Streszczenie: W referacie zaprezentowano wyniki pomiarów efektywności dyfrakcyjnej oraz dyspersji polaryzacyjnej objętościowej akusto-optycznej komórki Bragga. Przedstawiono również wyniki pomiaru dyspersji polaryzacyjnej włókna światłowodowego NZDSF przeprowadzone metodą Jones’a oraz metodą interferometryczną.. 1. WSTĘP Właściwości elementów optycznych stosowanych w telekomunikacji światłowodowej mogą zależeć od stanu polaryzacji transmitowanego światła. W praktyce najistotniejsze znaczenie odgrywają dwa zjawiska: zależność tłumienia oraz prędkości grupowej od stanu polaryzacji. Stan polaryzacji wiązki optycznej można określić wykonując pomiary [1-4]: stopnia polaryzacji, elipsy polaryzacji oraz za pomocą współrzędnych na sferze Poincare. Właściwości transmisyjne elementów optycznych są określane za pomocą parametrów macierzy Jones’a, tłumienia zależnego od stanu polaryzacji oraz dyspersji polaryzacyjnej. Systemy telekomunikacyjne najczęściej wymagają niskiej wrażliwości przyrządów optycznych na stan polaryzacji. Tłumienie zależne od polaryzacji (PDL) prowadzi do degradacji budżetu mocy. Dyspersja polaryzacyjna (PMD) jest jednym z efektów degradujących optyczne systemy telekomunikacyjne. Jest ona spowodowana z jednej strony niejednorodnościami własnymi włókna z drugiej dwójłomnością spowodowaną czynnikami zewnętrznymi (temperatura, wibracje, naprężenia mechaniczne). Przyczyny dyspersji decydują o jej losowym charakterze. PMD szczególnie przejawia się w systemach o bardzo dużych przepływnościach binarnych prowadząc do ograniczenia uzyskiwanych przepływności [3]. Przepływność GB/s 2,5 10 40. Maksymalna PMD ps 40 10 2,5. Współczynnik PMD ps/km0,5 <2,0 <0,5 <0,125. PWT 2005 - POZNAŃ 8-9 GRUDNIA 2005. Charakter dyspersji powoduje, że jej wartość może być określona wyłącznie na drodze pomiarowej. W prezentowanej pracy przedstawiono wyniki badań tłumienności, sprawności dyfrakcyjnej zależnej od polaryzacji akustooptycznej komórki Bragga. W drugiej części przedstawiono wyniki pomiarów dyspersji polaryzacyjnej komórki Bragga oraz włókna światłowodowego z przesuniętej niezerowej charakterystyce dyspersyjnej. Pomiar parametrów PMD włókna zrealizowano dwoma metodami: Jones’a oraz metodą interferometryczną 2. METODY OPISU POLARYZACJI ŚWIATŁA Istnieją różne sposoby opisu stanu polaryzacji SOP fali świetlnej. Do najważniejszych zalicza się: • Stopień spolaryzowania, • Elipsę polaryzacji, • Wektor Jonesa, • Wektor Stokesa, • Sferę Poincare. Stan polaryzacji określa amplitudę i fazę pola elektrycznego fali świetlnej. Stopień spolaryzowania pokazuje jaka część mocy sygnału optycznego jest spolaryzowana. Wektor Jones’a, dla całkowicie spolaryzowanego światła, posiada reprezentuje stan polaryzacji przez dwie komponenty pola elektrycznego. Wektor Stokesa składa się z czterech elementów [S0, S1, S2, S3] reprezentujących stan polaryzacji sygnału optycznego [1, 2]. S0 jest całkowita mocą sygnału optycznego, S1 jest różnicą mocy optycznej przy poziomej i pionowej liniowej polaryzacji, S2 oznacza różnicę mocy przy +45° i -45° liniowej polaryzacji, S3 zdefiniowana jest jako różnica mocy przy prawoskrętnej i lewoskrętnej, kołowej polaryzacji. Za pomocą elementów wektora Stokesa można również określić stopień spolaryzowania fali świetlnej. Strefa Poincare umożliwia zobrazowanie dowolnych stanów polaryzacji. Jest przestrzennym, jednoznacznym przedstawieniem elementów wektora Stokesa.. 1/4.

(2) www.pwt.et.put.poznan.pl. 3. POMIAR SPRAWNOŚCI DYFRAKCYJNEJ AKUSTO-OPTYCZNEJ KOMÓRKI BRAGGA W FUNKCJI STANU POLARYZACJI. Rys. 1. Sfera Poincare z zaznaczonymi charakterystycznymi stanami polaryzacji Sfera Poincare pozwala na monitorowanie zmian stanów polaryzacji światła.. W niniejszym rozdziale przedstawiono rezultaty badań tłumienia zależnego od polaryzacji modulatora akustooptycznego. Ewentualne zmiany mocy sygnału wyjściowego mogą być spowodowane zależnością sprawności dyfrakcyjnej akustooptycznej komórki Bragga od stanu polaryzacji sygnału wejściowego. Stosowano metodę „Maksimum-Minimum” [2], która wymaga przeskanowania układu przez możliwie dużą liczbę stanów. Początkowe pomiary wykonano zmieniając stany polaryzacji ręcznie. Kolejne pomiary wykonano stosując kontroler polaryzacji z automatycznym trybem skanowania. Schemat stanowiska pomiarowego pokazano na Rys.3. Analizator Stanu Polaryzacji Agilent 8509 B. 1. F-P. Rys. 2. Sfera Poincare z przykładową historią zmian (trajektoriami) stanów polaryzacji Stopień spolaryzowania fali określony jest długością wektora, czyli odległością punktu od początku układu współrzędnych. 2. TRANSMITANCJA ZALEŻNA OD POLARYZACJI Właściwości transmitancyjne elementów optycznych można opisać za pomocą macierzy Jonesa. Macierz ta pozwala wyznaczyć między innymi tłumienie zależne od polaryzacji oraz dyspersję polaryzacyjną. Macierz transmitancyjną dowolnego elementu optycznego określa się mierząc trzy wektory Jonesa fali światła na wyjściu badanego elementu. Znając polaryzację fali światła na wejściu można znaleźć wyrażenia macierzy badanego elementu, szczególnie gdy fale wejściowe mają polaryzację liniową. Tłumienie zależne od polaryzacji PDL opisuje bezwzględną lub względną różnicę pomiędzy maksymalnymi i minimalnymi stratami transmisji, wygaszania, czułości lub wzmocnienia uzyskanymi dla wszystkich możliwych stanów polaryzacji wejściowej. Zmiany PDL pojedynczego elementu systemu optycznego powodują zmiany strat całego systemu. Metodę macierzy Jonesa stosuje się do badania zarówno wzmacniaczy EDFA, sprzęgaczy, izolatorów, złączy, jak i kabli światłowodowych.. PWT 2005 - POZNAŃ 8-9 GRUDNIA 2005. 1 – wejście zewnętrznego źródła 2 – wyjście optyczne 3 – wejście optyczne. 2. 3. AOM. Rys. 3. Schemat układu do pomiaru PDL modulatora akustooptycznego przy ręcznym skanowaniu stanów polaryzacji Polaryzację fali kontrolowano ręcznie. Uzyskano wyniki PDL przy bardzo wielu stanach polaryzacji sygnału wejściowego, o czym świadczy prawie całkowite pokrycie sfery Poincaré. Na Rys. 4 przedstawiono przykładowe okno pomiarowe zawierające informacje o mocy sygnału wejściowego, stopniu spolaryzowania, o elementach wektora Stokesa. Oprócz danych liczbowych prezentowana jest także elipsa polaryzacji i sfera Poincaré.. Rys. 4. Przykładowe okno pomiarowe analizatora polaryzacji. 2/4.

(3) www.pwt.et.put.poznan.pl. Rezultaty pomiarów przedstawione są w oknie pomiarowym PDL.. Zgodnie z przewidywaniami, przy automatycznym skanowaniu polaryzacji sfera Poincaré jest gęściej i bardziej równomiernie zapełniona niż przy poprzednim pomiarze, a zatem zbadano moc sygnału wyjściowego przy jeszcze innych, nie uwzględnionych poprzednio, stanach polaryzacji. Zmienił się ostateczny wynik. Różnica skrajnych wartości tłumienia wynosiła do 0,401 dB a kąt między tymi stanami zbliżył się do teoretycznej granicy 90° i wyniósł 90,77°. Zarówno sfera Poincaré jak i ekranu okno pomiarowe, zostały pokazane na Rys.8.. Rys. 5. Okno pomiarowe PDL Różnica pomiędzy maksymalną i minimalną wartością tłumienia wyniosła 0,372 dB. Kąt między stanami polaryzacji, przy których zarejestrowano maksymalną różnicę przyjął wartość 81,3° i jest on bliski wartości 90°, która odpowiada spodziewanej wartości wynikającej z budowy i zasady działania komórki. Stany polaryzacji, które wzięto w pomiarze pod uwagę zilustrowane są na sferze Poincare.. Rys. 6. Trajektorie stanów polaryzacji przy ręcznym skanowaniu Jak widać gęstość trajektorii nie jest równomiernie rozłożona, istnieją obszary, które w pomiarze nie zostały uwzględnione. Kolejne badania wykonano w podobnym układzie stosując jednak automatyczny scrambler polaryzacji. Analizator Stanu Polaryzacji Agilent 8509 B. 1. 2. 3. Kontroler Polaryzacji. Rys. 8. Wyniki pomiaru i trajektorie stanów polaryzacji przy automatycznym skanowaniu. 4. POMIAR DYSPERSJI POLARYZACYJNEJ PMD MODULATORA AKUSTOOPTYCZNEGO Dyspersja polaryzacyjna modulatora akustooptycznego została zmierzona metodą analizy macierzy Jonesa. Schemat układu został zaprezentowany na Rys. 9. Liczba punktów, w jakich został przeprowadzony pomiar zależy zarówno od zakresu długości fal, jak i od spodziewanej dyspersji. Małe wartości dyspersji wymagają większego kroku zmian długości fali.. EXFO IQ 203/ IQ 5100. AOM F-P LD. 1 – wejście zewnętrznego źródła 2 – wyjście optyczne 3 – wejście optyczne. Rys. 7. Schemat stanowiska do pomiaru PDL w wykorzystaniem skramblera polaryzacji. PWT 2005 - POZNAŃ 8-9 GRUDNIA 2005. 3/4.

(4) www.pwt.et.put.poznan.pl. A naliz ator S tanu P olary z ac ji A gilent 8509 B. 1. 2. 3. AOM Las er przes trajalny. 1 – wejś cie z ewnętrz nego ź ródła 2 – wy jś cie opty c z ne 3 – wejś cie opty c z ne. W łók no. Rys. 9. Schemat układu do badania PMD komórki Bragga metodą analizy macierzy Jonesa. Uzyskana dyspersja polaryzacyjna wyniosła 0,32222 ps. W następnej kolejności przeprowadzono pomiary metodą interferencyjną. W układzie nadawczym stosowano diodę SLED o dużej szerokości widmowej 80 nm. Krótki czas koherencji decyduje o wartości minimalnej dyspersji polaryzacyjnej, jaka może być zmierzona. Układ zawiera interferometr Michelsona, w czasie przestrajania którego, na detektorze pojawiają się prążki, obwiednia których pozwala na określenie różnicy czasów propagacji ortogonalnych modów. Wyniki pomiarów pokazano na Rys. 12.. Dyspersja polaryzacyjna określona jest za pomocą różnicowego opóźnienia grupowego DGD wyrażonego w ps. Na Rys. 10 przedstawiono wyniki pomiaru dyspersji polaryzacyjnej modulatora dla fal świetlnych z zakresu od 1500 do 1580 nm. Pomiar wykonany był co 4 nm. Średnie opóźnienie grupowe wyniosło 6,02 fs.. Rys.12. Wykres przedstawiający wyniki pomiaru PMD włókna NZDF metodą interferometryczną. Rys.10 Wynik pomiaru dyspersji polaryzacyjnej modulatora akustooptycznego 4. POMIAR DYSPERSJI POLARYZACYJNEJ PMD WŁÓKNA ŚWIATŁOWODOWEGO Celem pomiaru było zbadanie PMD włókna jednomodowego z niezerową przesuniętą dyspersją NZDSF, G.655 o długości 25,200km, stosowanego w technice DWDM w systemach o dużych przepływnościach. Pomiary wykonano dwoma metodami: metodą analizy macierzy Jonesa [2] oraz metodą interferencyjną [1, 4] Rysunek 11 zawiera wyniki PMD włókna światłowodowego, metoda Jonesa.. Poszerzenie impulsu wejściowego, czyli wartość dyspersji polaryzacyjnej, wynosiła 0,321 ps. Współczynnik PMD osiągnął wartość 0,064 ps/√km, która jest zgodna z oczekiwaniami. Wyniki są w pełni zgodne z uzyskanymi metodą analizy macierzy Jonesa. WNIOSKI Wyniki pomiaru PDL zarówno przy ręcznej, jak i automatycznej zmianie stanów polaryzacji są podobne. Wynoszą odpowiednio 0,372 i 0,401 dB. Są to wartości niewielkie, zatem można przyjąć, że modulator jest prawie nieczuły na zmiany polaryzacji sygnału optycznego. Kąt zbliżony do 900 potwierdza poprawność pomiarów oraz wskazuje, że decydującym o PDL zjawiskiem jest zaburzenie falą sprężystą. Zmierzone opóźnienie grupowe jest bardzo niewielkie, rzędu kilku femtosekund. Wynik ten jest zgodny z oczekiwaniami. Dyspersja polaryzacyjna włókna posiadała niewielką wartość. Wyniki uzyskano dwoma niezależnymi metodami były praktycznie identyczne. SPIS LITERATURY [1] K. Perlicki, Pomiary w optycznych systemach telekomunikacyjnych, WKŁ Warszawa 2002 [2] http://www.agilent.com [3] The EXFO lightwave test and measurement, materiały firmy EXFO, 2001 [4] PMD400 Series Operators Manual, materiały firmy GN NetTest. Rys. 11. Pomiar dyspersji PMD metodą Jonesa. PWT 2005 - POZNAŃ 8-9 GRUDNIA 2005. 4/4.

(5)