一部理想的光譜分析儀(Optical Spectrum Analyzer，OSA)，其量測結果應與入射光之極化狀態無關...
一部理想的光譜分析儀(Optical Spectrum Analyzer，OSA)，其量測結果應與入射光之極化狀態無關。但是光譜儀中之繞射光柵(Diffraction Grating)是具有強烈極化靈敏度的元件，若是以一般的光譜儀來量測Fabry-Perot雷射時域ASE光源時，光譜量測結果將產生極大的誤差。
因為光通訊產業所使用之光源大多是具有強烈極化的光源，因此光通訊產業使用的光譜分析儀必須特別針對消除極化靈敏度進行設計，才能在光通訊領域的測試中使用。
在光纖通訊產業中，極化(Polarization)是一個很重要之參數，幾乎系統內所有的元件，如EDFAs、光纖、隔離器(isolators)、光開關、雷射、光耦合器、光調變器等，他們的特性都與極化相關。極化相關的特性會使通訊系統之效能降低，這是無法避免的，但充分利用極化相關的特性亦可設計出功能極佳之元件。PMD(polarization mode dispersion)與PDL(Polarization dependence loss)是不利於通訊系統的，他們會造成誤碼率(Bit error rate)增加；而光隔離器及光環流器(Circulator)的功能反而是利用極化相關的特性去達成的。
在光纖通信系統中，想預先控制好各個節點的極化態(State of Polarization，SOP)是不太可能的，因為光是能量，在光纖中傳遞時，溫度、壓力、張力等因素都會使光的極化態隨時發生變化，更何況還有系統中其他元件。因此，若要根據預測的極化態來設計系統其他元件是不實際的。唯一能做的就是把各元件的極化相關性減到最低，這才是比較實際的方法。而測試儀器也一樣，它不能先預設你的待測光源是什麼樣的極化態，再來設計你的儀器。而是儀器本身就要減低或消除對極化的靈敏度，而這也是本文的主題。
與結構有關之元件，如雙折射晶體(Birefringence Crystal)、繞射光柵(Diffraction grating)及鍍膜濾光片等，其反射或穿透率與入射光源之電場方向有關。繞射光柵是由週期性細密刻紋所構成的光學元件，受到光照射時，由於繞射的作用，會沿不同角度產生數個繞射階的光束，各階光束的角度決定於光波的波長及條紋的週期，這也是光譜儀中之分光元件。
繞射光柵之刻紋(groove)方向可定義為P方向(垂直方向)，而色散(dispersion)方向為S方向(水平方向)，z軸為光行進之方向(圖 1)。在波長λ下，若入射光為P方向之線偏振光，則此入射光照射此繞射光柵所獲得的反射率為f(λ)；反之，若入射光為S方向之線偏振光，則此入射光照射比繞射光柵所獲得的反射率為g(λ)。圖2為一繞射光柵之效率圖，在波長λ0下，此光柵效率與極化態無關。在f(λ)與g(λ)中間之效率線為非極化光源 (如鹵素燈、LED燈)所獲之繞射效率。上圖之繞射效率圖通常是在Littrow configuration下量測之結果，在真正使用光柵時，我們多採用Czerny-Turner或Ebert-Fastie configuration，因此真正之繞射效率應再修正，不過跟製造商給的效率圖還是不會差太多的。
一個繞射光柵之效率與以下幾個參數有關：刻紋條數(groove number)、groove shape、表面金屬鍍膜、入射光角度(angle of incidence)與入射光極化態。基本上，量測寬頻(broadband)光源是不太需要考慮極化靈敏度的，因這些光源皆是非極化光 (unpolarized light)。但是當量測雷射這類具有強烈線偏振之光源時，就必須考慮極化靈敏度。若是忽略掉這項因素，則量測出來之雷射光譜會有不對稱或是絕對計量(如 mW)量測錯誤之情形發生。
若是已知繞射光柵的使用波長固定某個小範圍內，則可針對此波段特別去進行繞射光柵之設計，使其在應用波長內之極化靈敏度降至最低。一個以繞射光柵為基礎之 DWDM元件就是最好的例子，而一個具有低極化靈敏度之繞射光柵則是最關鍵的元件。目前幾乎製造繞射光柵的廠商都會針對C BAND來特別提供光通訊繞射光柵(telecommunication grating)。圖3為optometric公司所提供的光通訊光柵，其規格為600 lp/mm，極化靈敏度小於10%(for 1530nm～1575nm)。
前段提過，極化靈敏度是由光柵本身及光源入射光柵之設計方式來決定。雖然光柵可針對某波段特別去設計低極化靈敏度特性，但要同時有3個低極化靈敏度波段 (1550nm、1310nm、850nm)之光柵，在製作與設計上是有困難的。因此目前的解決方法都是從系統設計上切入，而非光柵元件本身。一道入射光之能量可分離為S方向分量與P方向分量，輸出能量為這兩個分量各自經過光柵繞射作用後之能量總合。而極化靈敏度消除之基本原則是，經過光柵繞射後之輸出能量是不能與入射光之極化態有關的，須為一常數關係，如以下的式子：
目前光通訊光譜儀之主要製造商如Agilent、ANDO、Anritsu、Advantest及EXFO已在降低極化靈敏度之技術上各顯身手，使用之技術也大為不同。以下筆者將由這些公司所申請的美國專利中，剖析各種降低極化靈敏度之技術，接著再介紹由筆者提出的2個消除極化靈敏度專利，期能使讀者一窺光通訊光譜儀之精細與奧秘。
圖4之專利為利用一片半波片再搭配上雙通型光譜儀來消除極化靈敏度。在第一次與第二次繞射中間置入一半波片(Half waveplate)，將第一次繞射光之極化態旋轉90度後再進行第二次繞射。因此對光柵來說，不管最初入射光之極化態為何，在經過光柵兩次後，已提供光柵經歷了所有的極化態，而達成光柵反射率為常數f(λ)g(λ)的目標：
(詳細公式請見新通訊47期1月號第107頁)
圖5專利為利用所謂double-image元件(以Savart plate實現)先產生極化分離影像，再將Savart plate旋轉45度，造成兩個影像在P方向對稱於Z軸分離。兩道光源同時經過繞射光柵最後在輸出狹縫端同時被接收，達成消除極化靈敏度之效果。
(詳細公式請見新通訊47期1月號第107頁)
經過Savart plate選轉45度後，
(詳細公式請見新通訊47期1月號第107頁)
其中Pin+為對S方向45度之分量，Pin-為對S方向-45度之分量，
(詳細公式請見新通訊47期1月號第107頁)
其中，
(詳細公式請見新通訊47期1月號第107頁)
圖7專利是使用輸出端的一個三光路之光切換器，讓3個sensor去偵測某個波長下的能量。sensor18偵測所選取波長的能量，元件19為極化分離元件。經過分離之後，P與S方向的能量由sensor20及sensor21接收，並可獲得P及S分量之比例。再由此比例去修正sensor18所量到的能量。此方法需要針對每個波長預先校正且量測時間較久。
圖8專利利用一極化分離器與半波片，強迫繞射光柵只接收P方向電場之光照射，因此無極化靈敏性之問題。P方向的光經過光柵兩次繞射後沿原路徑返回輸入端，可經由光環流器把信號分離。
圖9專利使用一半波片，但只有一半面積的半波片讓入射光束通過。一半面積的入射光束，其極化態被旋轉90度後照射光柵，另外一半的光束以原極化態照射光柵。由此法可均勻光柵反射率f(λ)與g(λ)，而達成整體光柵反射率為常數之目標。
(詳細公式請見新通訊47期1月號第108頁)
若半波片置於光束下半部，則
(詳細公式請見新通訊47期1月號第108頁)
其中之極化方向經由該半波片偏轉90度，因此之極化方向已由P方向轉為S方向，而之極化方向已由S方向轉為P方向。
(詳細公式請見新通訊47期1月號第108頁)
圖10專利與第一個專利類似，都是double-pass的光譜儀，但以1/4波片(Quarter waveplate)再加反射鏡來取代半波片，同樣亦可達成把第一次繞射光旋轉90度的目的。
在消除極化靈敏度之專利佈局上，各大廠深耕已久，且還有光譜儀相關專利陸續公告，顯見此儀器市場空間仍大。IEK量測中心發展光譜分析儀，並突破國外專利，申請以上2個專利，將可在光機電整合技術與專利佈局上，協助國內業界，有利於國內相關廠商順利切入此市場。