JJF 1690-2018偏振依赖损耗测试仪校准规范-（高清版）.pdf

中华人民共和国国家计量技术规范J J F1 6 9 02 0 1 8偏振依赖损耗测试仪校准规范C a l i b r a t i o nS p e c i f i c a t i o nf o rP o l a r i z a t i o nD e p e n d e n tL o s sM e t e r s 2 0 1 8-0 2-2 7发布2 0 1 8-0 5-2 7实施国 家 质 量 监 督 检 验 检 疫 总 局 发 布偏振依赖损耗测试仪校准规范C a l i b r a t i o nS p e c i f i c a t i o nf o rP o l a r i z a t i o nD e p e n d e n tL o s sM e t e r sJ J F1 6 9 02 0 1 8 归 口 单 位:全国光学计量技术委员会 主要起草单位:中国电子科技集团公司第四十一研究所中国计量科学研究院 参加起草单位:工业和信息化部通信计量中心 本规范委托全国光学计量技术委员会负责解释J J F1 6 9 02 0 1 8本规范主要起草人:王恒飞(中国电子科技集团公司第四十一研究所)李国超(中国电子科技集团公司第四十一研究所)徐 楠(中国计量科学研究院)参加起草人:应承平(中国电子科技集团公司第四十一研究所)李 健(中国计量科学研究院)傅栋博(工业和信息化部通信计量中心)J J F1 6 9 02 0 1 8目 录引言()1 范围(1)2 引用文件(1)3 术语和计量单位(1)3.1 偏振依赖损耗(1)4 概述(1)4.1 偏振态扫描法原理(1)4.2 穆勒矩阵法原理(2)4.3 琼斯矩阵法原理(2)5 计量特性(3)5.1 偏振依赖损耗示值误差(3)5.2 偏振依赖损耗测量重复性(3)6 校准条件(3)6.1 环境条件(3)6.2 测量标准及其他设备(3)7 校准项目和校准方法(4)7.1 校准项目(4)7.2 校准方法(4)8 校准结果表达(5)9 复校时间间隔(5)附录A 校准原始记录参考格式(6)附录B 校准证书内页推荐格式(7)附录C 不确定度评定示例(8)J J F1 6 9 02 0 1 8引 言J J F1 0 7 12 0 1 0 国家计量校准规范编写规则、J J F1 0 0 12 0 1 1 通用计量术语及定义、J J F1 0 5 9.12 0 1 2 测量不确定度评定与表示共同构成本校准规范制定的基础性系列规定。本规范参照G B/T1 8 3 1 1.22 0 0 1 纤维光学互连器件和无源器件基本试验和测量程序 第3-2部分:检查和测量单模纤维光学器件偏振依赖性中的测试方法A、试验装置要求等有关章节。本规范为首次制定。J J F1 6 9 02 0 1 8偏振依赖损耗测试仪校准规范1 范围本规范适用于偏振依赖损耗测试仪的校准。2 引用文件本规范引用了下列文件:G B/T1 8 3 1 1.22 0 0 1 纤维光学互连器件和无源器件基本试验和测量程序 第3-2部分:检查和测量单模纤维光学器件偏振依赖性凡是注日期的引用文件,仅注日期的版本适用于本规范;凡是不注日期的引用文件,其最新版本(包括所有的修改单)适用于本规范。3 术语和计量单位以下术语和定义适用于本校准规范。3.1 偏振依赖损耗 p o l a r i z a t i o nd e p e n d e n t l o s s(P D L)传输光信号在全偏振态变化时,光器件或光网络输出端口输出光功率的最大变化量,单位d B,其定义见式(1):P D L=Pm a x-Pm i n(1)式中:Pm a x 被测件全偏振态下的输出端口最大输出光功率,d B m;Pm i n 被测件全偏振态下的输出端口最小输出光功率,d B m。4 概述偏振依赖损耗测试仪主要用于光纤、光纤器件(包括耦合器、光环行器、光连接器和波分复用器等)在研制、生产和检测等过程中P D L技术指标的测试。目前,偏振依赖损耗测试仪采用的方法主要有偏振态扫描法、穆勒矩阵法和琼斯矩阵法。4.1 偏振态扫描法原理偏振态扫描法是测试P D L的基本方法,它依据P D L定义完成测试,其测试原理如图1所示。光源输出的光经偏振扫描模块后偏振态发生随机变化,由于被测件的偏振依赖损耗特性,光探测器接收到的光功率随着偏振态的变化而改变。当偏振扫描模块扫描时间足够长时,经过被测件的偏振态就足够多,即可从光探测器接收到的系列数据中,利用其定义式求得被测器件的P D L。1J J F1 6 9 02 0 1 8图1 偏振态扫描法P D L测试原理图4.2 穆勒矩阵法原理穆勒(M u e l l e r)矩阵法是根据偏振光的传输特性,利用穆勒矩阵及拉格朗日求极值法推导出来的测试方法,其测试原理如图2所示。测试过程主要分两步:首先不加被测件,如图2虚线所示,通过偏振控制模块分别产生4 5、0、9 0 线偏振光及圆偏振光,测出每个偏振态对应的光功率。第二步,把被测件放入光路,如图2实线所示,通过偏振控制模块重新产生以上四种偏振态,测出每个偏振态通过被测件的光功率。将以上光功率代入穆勒矩阵方程,通过计算可获得被测件的P D L。图2 穆勒矩阵法P D L测试原理图4.3 琼斯矩阵法原理琼斯(J o n e s)矩阵法也是利用了光的传输特性,但与穆勒矩阵法相比又有所不同。琼斯矩阵法的计算使用了22琼斯矩阵和光的琼斯矢量传输特性,在求解琼斯矩阵方程时仅使用三个特殊偏振态,其测试原理如图3所示。测试过程主要分两步:首先不加被测件,如图3虚线所示,偏振控制器模块分别产生4 5、0 和9 0 线偏振光,用偏振分析模块测出每个偏振态。第二步,把被测件放入光路,如图3实线所示,偏振控制器模块重新产生以上三种偏振态,重新测出经过被测器件后的三种偏振态。将以上偏振态代入琼斯矩阵方程,通过计算可获得被测件的P D L。图3 琼斯矩阵法P D L测试原理图2J J F1 6 9 02 0 1 85 计量特性5.1 偏振依赖损耗示值误差偏振依赖损耗示值误差:(0.0 1d B+P D L测量值5%)5.2 偏振依赖损耗测量重复性偏振依赖损耗测量重复性:0.0 0 5d B+P D L测量值2%注:以上指标不适用于合格判定,仅供参考。6 校准条件6.1 环境条件6.1.1 环境温度:(2 35),校准期间温度变化不超过2。6.1.2 相对湿度:8 0%。6.1.3 供电电压:(2 2 01 1)V,频率:(5 02)H z。6.1.4 周围无剧烈振动,无影响校准结果的强磁场。6.2 测量标准及其他设备6.2.1 光功率计6.2.1.1 波长范围:8 0 0n m17 0 0n m。6.2.1.2 功率测量范围:+1 0d B m-6 0d B m。6.2.1.3 功率非线性:优于0.0 1 5d B。6.2.1.4 偏振依赖损耗:0.0 2d B。6.2.2 偏振控制器6.2.2.1 波长范围:12 6 0n m16 0 0n m。6.2.2.2 插入损耗:2d B。6.2.2.3 插入损耗随偏振态的变化量:0.7%。6.2.2.4 旋转速度:3 6 0/s。6.2.3 P D L传递标准6.2.3.1 参考值:(01.5)d B、(1.53.5)d B、(3.55)d B各区间至少一个。6.2.3.2 温度相关性:0.0 1d B/。6.2.3.3 测量不确定度:优于U=0.0 0 5d B+P D L测量值4%(k=2)。6.2.4 光源6.2.4.1 波长范围:至少覆盖13 1 0n m和15 5 0n m两个通信窗口。6.2.4.2 线宽:1 0 0MH z。6.2.4.3 稳定性:优于0.0 0 3d B/1 5m i n。6.2.4.4 偏振度:9 9%;6.2.4.5 输出功率-1 0d B m。6.2.5 F C/A P C、F C/P C单模光纤跳线若干6.2.5.1 长度:1m。6.2.5.2 偏振依赖损耗:0.0 1d B。3J J F1 6 9 02 0 1 87 校准项目和校准方法7.1 校准项目7.1.1 偏振依赖损耗示值误差7.1.2 偏振依赖损耗测量重复性7.2 校准方法7.2.1 外观及功能性检查7.2.1.1 目视检查部件安装是否牢固,表面有无影响计量性能的碰伤、划痕及影响校准结果的其他缺陷;7.2.1.2 按被校仪器要求的电压加电,观察自检是否通过,显示是否正常,有无异味等异常现象。7.2.2 偏振依赖损耗示值误差和测量重复性a)按图4实线所示连接好设备,依据说明书规定通电预热;b)设置光功率计和偏振依赖损耗测试仪的波长与光源一致,并将偏振控制器设为自动偏振扫描状态,光功率计单位设为d B m模式;c)启动偏振控制器偏振态扫描,同时从光功率计自动采集或记录数据(测试时间不小于5m i n,采集或记录数据间隔不大于1s,确保偏振控制器遍历全偏振态9 5%以上);图4 偏振依赖损耗测试仪校准连接示意图d)在采样或记录的数据中找出光功率计接收的最大和最小光功率,利用式(1)计算得到传递标准的P D L参考值P D LR e f,并将其记录到原始记录中,原始记录参考格式见附录A;e)按图4虚线所示连接好设备;f)参照被校偏振依赖损耗测试仪的操作说明,测出传递标准的P D L值;g)重复f)步骤n次(n6),将每次的测试结果P D Li记录到原始记录中;h)数据处理:1)P D L测量结果的平均值P D L,见式(2):4J J F1 6 9 02 0 1 8P D L=1nni=1P D Li(2)2)P D L示值误差 P D L,见式(3):P D L=P D L-P D LR e f(3)3)P D L测量重复性P D L,见式(4):P D L=1n(n-1)ni=1(P D Li-P D L)2(4)i)更换传递标准或改变光源波长,重复a)g)步骤,完成其他量程或其他波长点的偏振依赖损耗校准。8 校准结果表达校准结束后应出具校准证书,校准证书内页参考格式见附录B。校准证书应准确、客观地报告校准结果。校准结果用校准数据的形式给出,并给出测量不确定评定,不确定度评定实例见附录C。校准证书至少包含以下信息:a)“校准证书”标题;b)实验室名称和地址;c)进行校准的地点;d)证书或报告的唯一性标识(如编号),每页及总页数的标识;e)送校单位的名称和地址;f)被校对象的描述和明确标识;g)进行校准的日期,如果与校准结果的有效性和应用有关时,应说明被校对象的接收日期;h)如果与校准结果的有效性和应用有关时,应对抽样程序进行说明;i)对校准所依据的技术规范的标识,包括名称及代号;j)本次校准所用测量标准的溯源性及有效性说明;k)校准环境的描述,如温度、湿度等;l)校准结果及其测量不确定度的说明;m)对校准规范的偏离的说明;n)校准证书或校准报告测试人、审核人和签发人的签名;o)校准结果仅对被校对象有效的声明;p)未经实验室书面批准,不得部分复制证书或报告的声明。9 复校时间间隔复校时间间隔一般不超过1年。由于复校时间间隔的长短是由仪器的使用情况、使用者、仪器本身质量等诸因素所决定的,因此,送校单位可根据实际使用情况自主决定复校时间间隔。更换重要部件、维修或对仪器性能有怀疑时,应及时校准。5J J F1 6 9 02 0 1 8附录A校准原始记录参考格式 校准:核验:第 页 共 页证书编号:校准地点:校准日期:温度:;相对湿度:%客户信息送检单位:地址/邮编:被校仪器名称:型号:制造商:编号:校准前检查:依据文件和使用的标准装置依据的技术文件(代号、名称):标准装置测量范围:标准装置测量不确定度或准确度等级:校准使用的计量(基)标准装置或主要测量器具:名称型号/规格产品序列号证书编号证书有效期至光功率计偏振控制器P D L传递标准光源校准结果校准波长点P D L参考值次数123456平均值被校P D L示值示值误差示值误差测量不确定度(k=2)测量重复性6J J F1 6 9 02 0 1 8附录B校准证书内页推荐格式证书编号:第 页 共 页校准结果校准波长点:P D L参考值:被校P D L示值:示值误差:示值误差测量不确定度:测量重复性:校准地点:校准日期:年月日校准人:核验人:7J J F1 6 9 02 0 1 8附录C不确定度评定示例C.1 校准方法和测量模型偏振依赖损耗测试仪的P D L示值误差采用直接测量传递标准的方法校准。使用被校偏振依赖损耗测试仪连续测量传递标准n次(n6),取n次测量的平均值作为被校测试仪的测量结果,测量结果与参考值之差为P D L示值误差。则P D L示值误差的测量模型见公式(C.1):P D L=P D L-P D LR e f(C.1)式中:P D L 被校测试仪的P D L示值误差;P D L 被校测试仪的n次P D L测量结果的平均值;P D LR e f 传递标准的P D L参考值。C.2 测量不确定度来源分析校准方法的全过程,偏振依赖损耗示值误差校准的不确定度来源主要有:传递标准引入的测量不确定度u1;被校偏振依赖损耗测试仪分辨力引入的不确定度u2;测量重复性引入的测量不确定度u3。C.3 测量不确定度分量C.3.1 传递标准引入的测量不确定度传递标准的参考值P D LR e f采用扫描法进行多次测量取平均值,分析扫描法测量的全过程,影响其定标结果的主要因素有:测量方法的不完善引入的不确定度u1,1、偏振态变化导致功率变化引入的不确定度u1,2、系统内部的P D L变化引入的不确定度u1,3、系统功率的稳定性引入的不确定度u1,4、光功率计的线性引入的不确定度u1,5、环境温度等条件变化引入的不确定度u1,6。(1)测量方法的不完善引入的测量不确定度扫描法测量P D L时,无论把时间设置到多长,都不可能使全部偏振态通过被测器件,这必将对测试结果产生影响。但可确定时间越长,产生的偏振态越多,测量值越接近真值。表C.1的实验数据,是不同扫描时间,对同一传递标准连续进行8次测量P D L的测量结果和相对实验标准偏差。从表C.1中数据可知,随着扫描时间的增加,测试结果的分散性越小,测量结果的平均值越接近真值,当扫描时间大于1.5m i n时,测量结果平均值和实验标准偏差趋向稳定。测试时一般设扫描时间大于2m i n,则由此引入的不确定度分量不会超过:u1,1=P D LR e f1.0%8J J F1 6 9 02 0 1 8表C.1 不同扫描时间,P D L测试数据扫描时间m i nP D L/d B12345678平均d B相对实验标准偏差0.0 2 0.2 9 59 0.0 3 17 0.2 5 38 0.0 2 73 0.2 5 72 0.0 2 57 0.2 3 75 0.0 4 92 0.1 4 73 8 3.4 7%0.0 4 0.2 8 87 0.3 7 63 0.2 8 87 0.3 6 46 0.1 9 34 0.3 6 02 0.1 9 88 0.3 5 11 0.3 0 27 2 4.3 5%0.0 6 0.2 6 14 0.3 4 45 0.1 6 44 0.3 3 56 0.3 2 60 0.3 8 10 0.3 0 62 0.3 8 32 0.3 1 28 2 2.9 3%0.0 8 0.3 8 15 0.3 0 84 0.4 2 28 0.4 9 93 0.3 9 68 0.3 0 53 0.3 9 63 0.3 1 95 0.3 7 87 1 7.5 6%0.10.6 8 36 0.6 3 69 0.7 3 02 0.4 4 65 0.7 0 21 0.5 4 96 0.7 5 72 0.6 8 46 0.6 4 88 1 5.9 1%0.20.9 6 36 0.7 3 40 0.7 3 49 0.7 3 92 0.7 4 76 0.7 4 19 0.7 4 91 0.7 4 06 0.7 6 89 1 0.2 6%0.30.7 9 05 0.9 0 63 0.8 2 75 0.9 5 25 0.9 2 45 0.9 1 28 0.9 9 58 0.8 2 16 0.8 9 147.9 9%0.40.9 6 52 0.8 4 04 0.8 4 73 0.9 5 53 0.8 1 28 0.9 0 43 0.9 2 16 0.9 3 84 0.8 9 826.4 1%0.50.8 6 25 0.9 9 16 1.0 5 63 1.0 2 83 1.0 0 68 1.0 0 92 1.0 3 63 0.9 8 19 0.9 9 665.9 5%0.61.0 1 40 0.9 9 59 0.9 8 45 1.0 3 53 1.0 5 07 1.0 4 86 1.0 5 06 1.0 5 32 1.0 2 912.6 6%0.71.0 4 08 0.9 9 13 1.0 3 72 0.9 9 13 1.0 4 74 1.0 1 56 1.0 2 84 1.0 3 98 1.0 2 402.1 8%0.81.0 4 51 1.0 5 85 1.0 2 43 1.0 2 61 1.0 6 20 1.0 4 08 1.0 4 53 1.0 0 71 1.0 3 871.7 8%0.91.0 5 18 1.0 4 33 1.0 4 06 1.0 0 66 1.0 1 38 1.0 5 00 1.0 4 89 1.0 4 61 1.0 3 761.6 8%1.01.0 2 35 1.0 6 54 1.0 3 07 1.0 2 47 1.0 3 14 1.0 3 99 1.0 4 07 1.0 5 33 1.0 3 871.4 0%1.21.0 4 50 1.0 5 01 1.0 5 32 1.0 5 47 1.0 1 50 1.0 2 26 1.0 4 42 1.0 4 00 1.0 4 061.3 9%1.41.0 5 43 1.0 3 36 1.0 4 16 1.0 5 97 1.0 4 64 1.0 3 36 1.0 5 68 1.0 5 47 1.0 4 760.9 9%1.61.0 5 57 1.0 5 24 1.0 4 17 1.0 5 75 1.0 4 55 1.0 5 30 1.0 3 15 1.0 4 54 1.0 4 780.8 2%1.81.0 5 98 1.0 5 31 1.0 4 21 1.0 5 06 1.0 5 71 1.0 4 02 1.0 3 66 1.0 4 33 1.0 4 790.8 1%2.01.0 5 32 1.0 5 20 1.0 5 96 1.0 3 50 1.0 5 07 1.0 5 52 1.0 3 87 1.0 5 43 1.0 4 980.8 1%(2)偏振态变化导致功率变化引入的不确定度无论使用光纤挤压,还是波片旋转来改变偏振态,由于耦合问题,都会导致光功率变化。根据目前偏振控制器的技术指标,偏振态改变引起的光功率变化不会超过0.7%,符合均匀分布,取k=3,由此引入的不确定度分量为:u1,2=P D LR e f0.7%3=P D LR e f0.4%(3)系统内部的P D L变化引入的测量不确定度传递标准测量时的偏振控制器、光纤跳线、光功率计等都存在偏振依赖损耗,由此引入的测量不确定度分量很难精确计算。理论上讲,通过基准测试可消除系统内部的P D L影响,但实际中办到这一点是不可能的,主要是因为器件级连后总的P D L并不是9J J F1 6 9 02 0 1 8每个器件P D L的简单相加减,这就给消除系统内部的P D L带来很大困难。但可肯定,系统内部的P D L引入的测量不确定度不会大于基准测试时的测量不确定度,因此可把基准测试时的实验标准偏差近似认为是系统内部的P D L引入的测量不确定度分量。在13 1 0n m波长点,使用扫描法对系统内部的P D L连续测8次(扫描时间为2m i n),测试结果分别为:0.0 1 81d B、0.0 1 68d B、0.0 1 90d B、0.0 1 93d B、0.0 1 66d B、0.0 1 86d B、0.0 1 45d B、0.0 1 51d B,则其实验标准偏差s=0.0 0 18d B,由此引入的不确定度分量为:u1,3=0.0 0 18d B(4)系统功率稳定性引入的测量不确定度系统功率稳定性主要是由光源的漂移和系统内部的各种反射引起的。目前光源的稳定性一般都优于0.0 0 2d B/5m i n,符合均匀分布,取k=3,由此引入的不确定度分量最大为:u1,4=0.0 0 23=0.0 0 11d B(5)光功率计线性引入的测量不确定度光功率计的非线性小于0.3 5%(环境温度在2 35),符合均匀分布,取k=3,由此引入的不确定度分量为:u1,5=P D LR e f0.0 0 353=P D LR e f0.2%(6)环境温度等条件变化引入的不确定度传递标准使用的材料具有一定的温度敏感性,测量过程中温度的改变会引起其偏振依赖损耗的变化。实验证明传递标准的P D L温度敏感性为:温度每变化1,P D L变化约0.2 4%,符合均匀分布,取k=3,测量过程中要求温度变化不超过2,则由此引入的不确定度分量为:u1,6=P D LR e f20.2 4%3=P D LR e f0.3%由以上(1)(6)项可得,传递标准引入的测量不确定度分量为:u1=u21,1+u21,2+u21,3+u21,4+u21,5+u21,6C.3.2 被校偏振依赖损耗测试仪分辨力引入的测量不确定度被校偏振依赖损耗测试仪的分辨力一般优于0.0 0 1d B,符合均匀分布,取k=3,由此引入的不确定度分量为:u2=0.0 0 12 3=0.0 0 03 d BC.3.3 测量重复性引入的测量不确定度依据本规范,用被校偏振分析仪对编号为P D L 5 5-0 9 8-0 4 4-0 4 4的P D L传递标准(用扫描法标定值为1.0 5 0d B)连续测量6次,测量波长15 5 0n m,环境温度2 3,相对湿度5 8%。6次测量结果分别为:1.0 3 9d B、1.0 5 0d B、1.0 3 8d B、1.0 5 1d B、01J J F1 6 9 02 0 1 81.0 4 0d B、1.0 5 6d B,测量平均值为1.0 4 6d B,单次实验标准偏差0.7 3%,则由此引入的测量不确定度为:u3=P D LR e f0.0 0 736=P D LR e f0.3%C.4 合成标准不确定度由C.3.1C.3.3分析可知,P D L示值校准的合成标准不确定度为:uc=u21+u22+u23=u21,1+u21,2+u21,3+u21,4+u21,5+u21,6+u22+u23u21,1+u21,2+u21,5+u21,6+u23+u21,3+u21,4+u22P D LR e f1.1 8%+0.0 0 22d B取uc=P D LR e f1.1 8%+0.0 0 22d BC.5 扩展不确定度简单的取包含因子k=2,P D L示值校准的扩展不确定度为:U=kuc=2(P D LR e f1.1 8%+0.0 0 22)P D LR e f2.4%+0.0 0 5 d B11J J F1 6 9 02 0 1 8