Technologie im Einsatz

Untersuchung der Auswirkung von Blitzschlägen auf die Polarisation

Vorläufer PM500 des Polarimeters PM1000 wurden von D. Charlton et al. eingesetzt für Feldmessungen der Polarisationstransienten in optischen Freileitungen, unter zeitlicher und örtlicher Korrelation mit Blitzschlägen: https://www.osapublishing.org/oe/abstract.cfm?uri=oe-25-9-9689

PM1000 nimmt durch EPS1000 erzeugte Poincarékugeltrajektorien auf

EPS1000: HWP, 20 Mrad/s, lineare Eingangspolarisation		... und zugehörige Geschwindigkeitsverteilung (logarithmische Skala), FWHM = 20 Mrad/s ±3%
Die Polarisation wird durch die 7 Wellenplatten eines EPS1000 mit einer Geschwindigkeit von etwa 70 krad/s verwürfelt. Der PM1000 zeichnet die Polarisation im Torbetrieb während 5 ms auf. Torbetrieb und Trigger sind über Hardware und Software steuerbar.		Die Polarisation wird durch die 7 Wellenplatten des EPS1000 schnell verwürfelt. Im PM1000 ist die Mittelungszeit auf 10 ms gestellt und die Normierung der Stokesvektoren auf exakt. Das depolarisierte Licht wird daher im Inneren der Poincarékugel dargestellt.

Internes Triggern

Das Polarimeter PM1000 kann die Stokesparameter kontinuierlich aufzeichnen. Bei 100 MS/s decken die bis zu 4 x 2²⁶ Messwerte im Speicher (4 Gbit) einen Zeitbereich von 0,67 s ab, bei langsamerer Abtastung entsprechend mehr. Nach einem internen oder externen Triggerereignis wird die Hälfte des gewählten Speicherbereichs weiter beschrieben, sodass das auslösende Ereignis in der Mitte des aufgezeichneten Zeitbereichs liegt.
Zur Erzeugung plötzlicher Polarisationsänderungen wurde ein Hammer (0,3 kg) aus 2 cm Höhe auf eine Faserkassette DCM-40 fallengelassen. Bei >0,1 rad Polarisationsänderung in 10,24 µs, also rund 10 krad/s Polarisationsänderungsgeschwindigkeit, wurde intern getriggert.
Erlaubte Polarisationsänderung und Zeitintervall können entsprechend dem erwarteten Ereignis eingestellt werden. Auch eine bestimmte Abweichung von einer festgelegten Sollpolarisation kann als Auslöser gewählt werden.

		Links: Die aufgezeichnete Polarisationstrajektorie lässt sich auf der Poincarékugel darstellen und beliebig drehen. Hier wurde sie so gedreht, dass Anfang und Ende der Trajektorie mittig vorn sind. Unten: Dieselbe Trajektorie wie zuvor ist nun im Oszilloskopmodus als Funktion der Zeit dargestellt, mit 40 ms (links) und 20 µs (rechts) pro Teilstrich. Natürlich lassen sich die Daten auch auf einen Rechner herunterladen, um sie mit anderen Programmen, z.B. Matlab, zu analysieren.

Polarisationsextinktion (PER)

Das PM1000 unterstützt die automatisierte Messung der Polarisationsextinktion (polarization extincation ratio PER) in einem polarisationserhaltenden Lichtwellenleiter (PMF). Zu diesem Zweck wird der maximale Durchmesser eines Objekts auf der Poincarékugel berechnet. Eine Möglichkeit zur Erzeugung dieses Objekts ist Ziehen (siehe nachfolgendes linkes Bild) oder Heizen/Kühlen der PMF. Eine andere Möglichkeit ist Abstimmen der Laserfrequenz. Um von der Abstimmung verursachte Polarisationsartefakte zu unterdrücken kann man die PER-Messung durch eine Leistungsschwelle, welche überschritten werden muss (siehe nachfolgendes rechtes Bild), oder ein LVCMOS33-Signal im Torbetrieb ausführen. nother possibility is laser frequency tuning.

Eine PMF wird gezogen, um die Polarisationsextinktion PER zu messen.		Ein Laser (ITLA) wird in 9 50-GHz-Schritten abgestimmt, um die PER zu messen. Die DGD der PMF beträgt 2,2 ps. Durch die Abstimmung verursachte Polarisationsartefakte werden durch eine eingerichtete Leistungsschwelle unterdrückt.

Zeitaufgelöste Messung von Muellermatrizen

Ein PM1000 und ein EPS1000 werden als PMS1000 konfiguriert. Die Muellermatrix des Messobjekts wird bestimmt, während verschiedene Eingangspolarisationen eingestellt werden.

Als erstes Messobjekt dient die mit 3,05 kHz (elektrisch) rotierende Halbwellenplatte eines weiteren EPS1000. Es werden 1024 Muellermatrizen in zeitlichen Abständen von 320 ns aufgenommen und analysiert. Mittlerer Einfügeverlust (relativ groß wegen zusätzlicher Patchcords) und polarisationsabhängiger Verlust (PDL) variieren wie erwartet mit einfacher bzw. doppelter elektrischer Ansteuerfrequenz.

Die zeitliche Auflösung des PMS1000 (= PM1000 + EPS1000) kann auf 10 ns oder weniger gesteigert werden. Auf diese Weise wird ein LiNbO₃-Phasenmodulator als zweites Messobjekt untersucht. Aus den gemessenen zeitaufgelösten Muellermatrizen wird die differentielle Phasenmodulation extrahiert. Ihre Spitzenwerte erreichen 163 Mrad/s für sinusförmige Modulatiion bei 14.2 MHz.

PMD-Messung <10 fs ... 10 ps mit Standardabweichung ≤3 fs

Ein PM1000 und ein EPS1000 werden als PMS1000 konfiguriert. Mit einem gitterabstimmbaren Laser LU1000 wird in 50-GHz-Schritten ein 4,4 GHz breiter Bereich des C-Bands abgefahren. Die Muellermatrix und die Retardermatrix des Messobjekts werden bei jeder Frequenz bestimmt. Auf diese Weise kann man Polarisationsmodendispersion (PMD) messen, mit differentiellen Gruppenlaufzeiten (DGD) bis herunter in den niedrigen fs-Bereich und Standardabweichungen von wenigen fs.

Stücke von polarisationserhaltender Faser (PMF) wurden getested, jedes 6mal. Um Polarisationstransformationen von einer Messung zur nächsten zu verändern, wurde immer ein SMF-Stecker ausgesteckt, um verschiedene Vielfache von 360° rotiert und wieder eingesteckt. Sogar die 7 mm lange PMF mit einer erwarteten DGD von ~9,4 fs wurde klar detektiert. Mit 50-GHz-Frequenzschritten wurden DGD bis 10 ps ohne Mehrdeutigkeit gemessen.

Ungefähre Differentielle Gruppenlaufzeit (DGD)
PMF-Länge MittelwertStandardabweichung
0 mm (ohne PMF) 3 fs1 fs
7 mm 12 fs1,5 fs
25 mm 34 fs3 fs
49 mm 66 fs3 fs
580 mm 801 fs2 fs
780 mm 1032 fs2 fs
2600 mm 3540 fs3 fs
7000 mm 9432 fs3 fs

Mit einem andere, kontinuierlich abstimmbaren Laser im LU1000 können DGD bis in den hohen ps-Bereich gemessen werden.

Differentielles Gruppenlaufzeitprofil und polarisationsdispersive Struktur eines Messobjekts

Ein PM1000 und ein EPS1000 werden als PMS1000 konfiguriert. Mit einem abstimmbaren Laser LU1000 wird in 50-GHz-Schritten ein 4,4 GHz breiter Bereich des C-Bands abgefahren. Die Muellermatrix und die Retardermatrix des Messobjekts (DUT) werden bei jeder Frequenz bestimmt. Ein inverser Streualgorithmus bestimmt daraus die Richtungen von 44 elementaren differentiellen Gruppenlaufzeitsektionen (DGD-Sektionen) mit jeweils 1 / 50 GHz / 44 = 0,45 ps Länge. Diese bilden das DGD-Profil, welches die polarisationsdispersive Struktur des DUT offenbart. Wie man sieht, besteht das DUT aus zwei Stücken polarisationserhaltender Faser mit DGD von 4 ps und 6,6 ps. Einige überflüssige elementare DGD-Sektionen müssen sich paarweise gegenseitig kompensieren. Für Einzelheiten und PDL-Profile siehe Abschmitt III. hier. PMD verschiedener Ordnungen erhält man ebenfalls. (Doch siehe hier, inwieweit die herkömmliche Definition von PMD höherer Ordnung sinnvoll ist.)