CN1333285C - 一种偏振控制器及其应用 - Google Patents

Abstract

一种偏振控制器及其应用，属于光纤通信领域。为了实现光纤通信系统接收端、解复用端及偏振模色散补偿器件中的偏振控制，并同时实现偏振模色散随机特性相关研究实验中的偏振态随机扰动功能，本发明公开了一种偏振控制器，包括光学部分以及由计算机和驱动电路组成的电控部分，光学部分是由三个磁光晶体制作的法拉第旋转器和两个四分之一波片沿光路方向相间级联而成的，所述的两个四分之一波片固定放置，所述的三个法拉第旋转器通过所述电控部分进行控制，电控旋转角度范围分别为±45°、±90°、±45°，以实现任意确定输入偏振态到任意确定输出偏振态的转换。本发明结构简单、控制精确、成本低廉、易于系统集成。

Description

一种偏振控制器及其应用

技术领域

本发明属于光纤通信领域。

背景技术

在光纤通信系统中，光信号在沿光纤及各种光器件方向传播过程中其偏振态往往存在明显的波动，而接收端要求具有稳定偏振特性的光信号，特别是偏振复用系统要求解复用端精确地识别偏振态，这就需要对接收端的光信号偏振态进行准确地控制。另外，随着光纤通信系统单信道速率的不断提高和密集波分复用系统的广泛应用，偏振模色散效应被认为是限制光通信系统向更高速率、大容量、长距离发展的最终障碍，而在偏振模色散的补偿方案中，能将任意输入偏振态转变为任意输出偏振态的器件是必不可少的，偏振模色散相关研究过程中还需要使用偏振态扰动器件来模拟实际光纤链路中光信号偏振特性的随机规律。以上控制光信号偏振态的功能均可以通过偏振控制器来实现。

已有的偏振控制器主要包括光纤挤压/缠绕型、波片旋转型及液晶/电光调制型等几种。其中，光纤挤压/缠绕型的偏振控制器主要通过使用压电陶瓷等器件对光纤施加不同方向的外力，从而产生应力双折射效应来改变偏振态，其优点是结构比较简单，成本比较低廉，但由于存在物理疲劳等因素，其性能不稳定，不能实现精确的控制；波片旋转型偏振控制器通过三片以上的半波片和四分之一波片级联，并用手控或电控方式旋转波片的主轴方向，以在不同方向上引入双折射，从而达到偏振控制的目的，这种方法比光纤挤压/缠绕型精确，但是由于需要波片的机械旋转，影响了控制的速度；液晶/电光调制型的偏振控制器利用液晶或LiNO₃等晶体的电光效应引入不同方向的双折射进而控制偏振态，这类方法精度高、速度快，但是结构复杂，成本较高。

发明内容

本发明的目的在于：实现一种可应用于光纤通信系统接收端、解复用端及偏振模色散补偿器件中的偏振控制器，并可同时实现应用于偏振模色散相关研究的偏振态随机扰动功能。该偏振控制器相较于液晶/电光调制型的偏振控制器结构更加简单，成本更加低廉，相较于光纤挤压/缠绕型和波片旋转型的偏振控制器则避免了部件机械运动，使得控制更加精确和迅速。

本发明提出了一种偏振控制器，包括光学部分，以及由计算机和驱动电路组成的电控部分，其特征在于：所述偏振控制器的光学部分是由三个磁光晶体制作的法拉第旋转器和两个四分之一波片沿光路方向相间级联而成的，所述的两个四分之一波片固定放置，所述的三个法拉第旋转器通过所述电控部分进行控制，电控旋转角度范围分别为±45°、±90°、±45°，以实现任意确定输入偏振态到任意确定输出偏振态的转换。

上述偏振控制器在偏振模色散随机特性研究实验中的应用，其特征在于：通过偏振控制器的电控部分随机控制三个磁光晶体制作的法拉第旋转器，实现输出偏振态随机扰动，使输出偏振态遍布整个帮加球。

本发明所述的偏振控制器的优点在于：波片为固定放置，利用磁光效应对偏振态进行旋转，避免了机械转动，且能够保证控制精度，使其同时具有结构简单、控制精确、成本低廉、易于系统集成的特点。

附图说明

图1为本发明所述偏振控制器的一个实施例的结构示意图，其中两个四分之一波片慢轴均与琼斯空间的x轴成0°固定放置。

图2为本发明所述偏振控制器的另一个实施例的结构示意图，其中两个四分之一波片慢轴分别与琼斯空间的x轴成0°和45°固定放置。

图3a～图3d为利用本发明所述的偏振控制器实现偏振控制过程的示意图。

图4为利用本发明所述的偏振控制器实现偏振态随机扰动过程的示意图。

具体实施方式

1.利用磁光晶体实现法拉第旋转器的原理分析。

磁光效应又称为法拉第效应，是指当在磁光材料中施加磁场时材料中产生圆双折射的现象，即右旋偏振光和左旋偏振光在介质中感受到不同的折射率。磁光效应使在磁光介质中传播的光的偏振态沿斯托克斯空间的S₃轴旋转，其旋转角度与磁光效应的强弱有关，可以通过改变施加在磁光材料上的磁场强度进行控制。这种对偏振态的旋转效应可以用以下琼斯矩阵J和斯托克斯矩阵S表示：

$J=\left[\begin{array}{cc}\cos \mathrm{\α}& -\sin \mathrm{\α}\\ \sin \mathrm{\α}& \cos \mathrm{\α}\end{array}\right]---\left(1\right)$

$S=\left[\begin{array}{ccc}\cos 2\mathrm{\α}& -\sin 2\mathrm{\α}& 0\\ \sin 2\mathrm{\α}& \cos 2\mathrm{\α}& 0\\ 0& 0& 1\end{array}\right]---\left(2\right)$

其中α表示旋转的角度。

法拉第旋转器即基于上述磁光效应对光的偏振态进行旋转。多种磁光晶体材料可供选择，例如铋代稀土铁石榴石单晶具有插入损耗小且法拉第效应明显的特点。通过计算机和驱动电路组成的电控部分驱动线圈产生可控强度和方向的磁场并施加于磁光晶体上，即可控制偏振态旋转角度在±45°或±90°范围内改变。为减小磁光晶体的损耗波动，可从横向和纵向分别施加两个可变磁场，使总的可控磁场达到饱和。

2.偏振控制器的参数控制原理分析及实例。

本发明利用磁光晶体和四分之一波片实现偏振控制器，该偏振控制器包括光学部分，以及由计算机和驱动电路组成的电控部分，结构如图1和图2所示。光学部分由三个磁光晶体制作的法拉第旋转器和两个四分之一波片相间级联而成，其中两个四分之一波片可选用适于光纤通信的中心波长在1550nm的波片，或适于其他领域的其他中心波长的波片，两个四分之一波片均固定放置，四分之一波片的慢轴可与琼斯空间的x轴成任何角度，优选0°(见图1)或45°(见图2)。三个法拉第旋转器的电控旋转角度范围分别为±45°、±90°、±45°，通过计算机和驱动电路组成的电控部分进行控制。电控部分中的计算机控制算法和驱动电路设计制作可利用常规技术实现。

该偏振控制器的工作原理为：第一法拉第旋转器1将任意输入光信号的偏振态绕帮加球上的S₃轴(纬度方向)旋转适当的角度；其后的第一四分之一波片10将旋转后的偏振态绕S₁轴旋转90°，从而使光信号变为线偏振态；随后第二法拉第旋转器2将偏振态绕S₃轴沿帮加球赤道旋转适当角度；第二四分之一波片20再将线偏振态绕S₁轴旋转90°，使其变为一定椭球度的椭圆偏振光或圆偏振光；最后，第三法拉第旋转器3将光信号绕S₃轴旋转到指定的输出偏振态。

以图1所示的偏振控制器的第一个实施例为例，两个四分之一波片的慢轴均与琼斯空间的x轴的夹角为0°。设输入光信号偏振态为[a，b，c]’，指定输出偏振态为[x，y，z]’，则三个法拉第旋转器的电控旋转角度₁，₂，₃分别为：

其中，fix为向0方向取整函数，

$\mathrm{\Δ\θ}=\left(\frac{1-\mathrm{sgn}\left(a\right)}{2}\right)\mathrm{\π}+\arctan \frac{-c}{\mathrm{sgn}\left(a\right)\sqrt{a^2+b^2}}-\left(\frac{1-\mathrm{sgn}\left(x\right)}{2}\right)\mathrm{\π}+\arctan \frac{z}{\mathrm{sgn}\left(x\right)\sqrt{x^2+y^2}}---\left(6\right)$

其中，sgn为符号函数。

根据上述控制算法编写计算机控制程序，并控制驱动电路驱动线圈，改变施加在光学部分中法拉第旋转器上的磁场，即可实现对光偏振态的旋转控制。

若两个四分之一波片慢轴与琼斯空间的x轴成45°等其他角度固定放置，则需对上述控制算法作相应修改。

图3a～图3d所示为一次控制任意确定输入偏振态转变为任意确定输出偏振态的实例过程。将整个转变过程在帮加球上表示，其中输入偏振态为[0.6000，0.3000，-0.7416]’，要求的输出偏振态为[-0.5000，-0.5000，0.7071]’。第一法拉第旋转器1将输入光信号的偏振态绕帮加球上的S₃轴(纬度方向)旋转-26.5651°，偏振态变化为[0.6708，0，-0.7416]’；第一四分之一波片10将旋转后的偏振态绕S₁轴旋转90°，从而使光信号变为线偏振态[0.6708，0.7416，0]’；第二法拉第旋转器2将偏振态绕S₃轴沿帮加球赤道旋转87.1304°，偏振态变化为[-0.7071，0.7071，0]’；第二四分之一波片20再将线偏振态绕S₁轴旋转90°，使其变为椭圆偏振光[-0.7071，0，0.7071]’；最后，第三法拉第旋转器3将光信号绕S₃轴旋转45.0000°到指定的输出偏振态[-0.5000，-0.5000，0.7071]’。

由于本发明所述的偏振控制器可以实现任意偏振态的输出，因此可在偏振模色散随机特性研究实验中应用，实现偏振态随机扰动功能。当指定任意输入偏振态时，若利用电控部分控制三个法拉第旋转器使其在各自角度变化范围内随机取值，则输出偏振态在整个帮加球上随机出现，图4所示为5000次独立采样的输出偏振态分布，可见输出偏振态遍布整个帮加球。另一方面，若输入偏振态为波动的未知值，需控制输出偏振态恒定在某一值，则可在输出端使用检偏仪检测输出偏振态，并通过优化算法反馈控制偏振控制器的三个控制参数，从而达到稳定输出偏振态的效果。

Claims (2)

1.一种偏振控制器，包括光学部分，以及由计算机和驱动电路组成的电控部分，其特征在于：所述偏振控制器的光学部分是由三个磁光晶体制作的法拉第旋转器和两个四分之一波片沿光路方向相间级联而成的，所述的两个四分之一波片固定放置，所述的三个法拉第旋转器通过所述电控部分进行控制，电控旋转角度范围分别为±45°、±90°、±45°，以实现任意确定输入偏振态到任意确定输出偏振态的转换。

2.根据权利要求1所述的偏振控制器，其特征在于：所述四分之一波片的慢轴与琼斯空间的x轴成0°或45°。