專利名稱：一種偏振控制器及其應(yīng)用的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于光纖通信領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
在光纖通信系統(tǒng)中，光信號(hào)在沿光纖及各種光器件方向傳播過程中其偏振態(tài)往往存在明顯的波動(dòng)，而接收端要求具有穩(wěn)定偏振特性的光信號(hào)，特別是偏振復(fù)用系統(tǒng)要求解復(fù)用端精確地識(shí)別偏振態(tài)，這就需要對(duì)接收端的光信號(hào)偏振態(tài)進(jìn)行準(zhǔn)確地控制。另外，隨著光纖通信系統(tǒng)單信道速率的不斷提高和密集波分復(fù)用系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用，偏振模色散效應(yīng)被認(rèn)為是限制光通信系統(tǒng)向更高速率、大容量、長(zhǎng)距離發(fā)展的最終障礙，而在偏振模色散的補(bǔ)償方案中，能將任意輸入偏振態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)槿我廨敵銎駪B(tài)的器件是必不可少的，偏振模色散相關(guān)研究過程中還需要使用偏振態(tài)擾動(dòng)器件來模擬實(shí)際光纖鏈路中光信號(hào)偏振特性的隨機(jī)規(guī)律。以上控制光信號(hào)偏振態(tài)的功能均可以通過偏振控制器來實(shí)現(xiàn)。
已有的偏振控制器主要包括光纖擠壓/纏繞型、波片旋轉(zhuǎn)型及液晶/電光調(diào)制型等幾種。其中，光纖擠壓/纏繞型的偏振控制器主要通過使用壓電陶瓷等器件對(duì)光纖施加不同方向的外力，從而產(chǎn)生應(yīng)力雙折射效應(yīng)來改變偏振態(tài)，其優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，成本比較低廉，但由于存在物理疲勞等因素，其性能不穩(wěn)定，不能實(shí)現(xiàn)精確的控制；波片旋轉(zhuǎn)型偏振控制器通過三片以上的半波片和四分之一波片級(jí)聯(lián)，并用手控或電控方式旋轉(zhuǎn)波片的主軸方向，以在不同方向上引入雙折射，從而達(dá)到偏振控制的目的，這種方法比光纖擠壓/纏繞型精確，但是由于需要波片的機(jī)械旋轉(zhuǎn)，影響了控制的速度；液晶/電光調(diào)制型的偏振控制器利用液晶或LiNO3等晶體的電光效應(yīng)引入不同方向的雙折射進(jìn)而控制偏振態(tài)，這類方法精度高、速度快，但是結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本較高。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于實(shí)現(xiàn)一種可應(yīng)用于光纖通信系統(tǒng)接收端、解復(fù)用端及偏振模色散補(bǔ)償器件中的偏振控制器，并可同時(shí)實(shí)現(xiàn)應(yīng)用于偏振模色散相關(guān)研究的偏振態(tài)隨機(jī)擾動(dòng)功能。該偏振控制器相較于液晶/電光調(diào)制型的偏振控制器結(jié)構(gòu)更加簡(jiǎn)單，成本更加低廉，相較于光纖擠壓/纏繞型和波片旋轉(zhuǎn)型的偏振控制器則避免了部件機(jī)械運(yùn)動(dòng)，使得控制更加精確和迅速。
本發(fā)明提出了一種偏振控制器，包括光學(xué)部分，以及由計(jì)算機(jī)和驅(qū)動(dòng)電路組成的電控部分，其特征在于所述偏振控制器的光學(xué)部分是由三個(gè)磁光晶體制作的法拉第旋轉(zhuǎn)器和兩個(gè)四分之一波片沿光路方向相間級(jí)聯(lián)而成的，所述的兩個(gè)四分之一波片固定放置，所述的三個(gè)法拉第旋轉(zhuǎn)器通過所述電控部分進(jìn)行控制，電控旋轉(zhuǎn)角度范圍分別為±45°、±90°、±45°，以實(shí)現(xiàn)任意確定輸入偏振態(tài)到任意確定輸出偏振態(tài)的轉(zhuǎn)換。
上述偏振控制器在偏振模色散隨機(jī)特性研究實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用，其特征在于通過偏振控制器的電控部分隨機(jī)控制三個(gè)磁光晶體制作的法拉第旋轉(zhuǎn)器，實(shí)現(xiàn)輸出偏振態(tài)隨機(jī)擾動(dòng)，使輸出偏振態(tài)遍布整個(gè)幫加球。
本發(fā)明所述的偏振控制器的優(yōu)點(diǎn)在于波片為固定放置，利用磁光效應(yīng)對(duì)偏振態(tài)進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，避免了機(jī)械轉(zhuǎn)動(dòng)，且能夠保證控制精度，使其同時(shí)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、控制精確、成本低廉、易于系統(tǒng)集成的特點(diǎn)。


圖1為本發(fā)明所述偏振控制器的一個(gè)實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖，其中兩個(gè)四分之一波片慢軸均與瓊斯空間的x軸成0°固定放置。
圖2為本發(fā)明所述偏振控制器的另一個(gè)實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖，其中兩個(gè)四分之一波片慢軸分別與瓊斯空間的x軸成0°和45°固定放置。
圖3a～圖3d為利用本發(fā)明所述的偏振控制器實(shí)現(xiàn)偏振控制過程的示意圖。
圖4為利用本發(fā)明所述的偏振控制器實(shí)現(xiàn)偏振態(tài)隨機(jī)擾動(dòng)過程的示意圖。
具體實(shí)施例方式
1.利用磁光晶體實(shí)現(xiàn)法拉第旋轉(zhuǎn)器的原理分析。
磁光效應(yīng)又稱為法拉第效應(yīng)，是指當(dāng)在磁光材料中施加磁場(chǎng)時(shí)材料中產(chǎn)生圓雙折射的現(xiàn)象，即右旋偏振光和左旋偏振光在介質(zhì)中感受到不同的折射率。磁光效應(yīng)使在磁光介質(zhì)中傳播的光的偏振態(tài)沿斯托克斯空間的S3軸旋轉(zhuǎn)，其旋轉(zhuǎn)角度與磁光效應(yīng)的強(qiáng)弱有關(guān)，可以通過改變施加在磁光材料上的磁場(chǎng)強(qiáng)度進(jìn)行控制。這種對(duì)偏振態(tài)的旋轉(zhuǎn)效應(yīng)可以用以下瓊斯矩陣J和斯托克斯矩陣S表示J=cosα-sinαsinαcosα---(1)]]>S=cos2α-sin2α0sin2αcos2α0001---(2)]]>其中α表示旋轉(zhuǎn)的角度。
法拉第旋轉(zhuǎn)器即基于上述磁光效應(yīng)對(duì)光的偏振態(tài)進(jìn)行旋轉(zhuǎn)。多種磁光晶體材料可供選擇，例如鉍代稀土鐵石榴石單晶具有插入損耗小且法拉第效應(yīng)明顯的特點(diǎn)。通過計(jì)算機(jī)和驅(qū)動(dòng)電路組成的電控部分驅(qū)動(dòng)線圈產(chǎn)生可控強(qiáng)度和方向的磁場(chǎng)并施加于磁光晶體上，即可控制偏振態(tài)旋轉(zhuǎn)角度在±45°或±90°范圍內(nèi)改變。為減小磁光晶體的損耗波動(dòng)，可從橫向和縱向分別施加兩個(gè)可變磁場(chǎng)，使總的可控磁場(chǎng)達(dá)到飽和。
2.偏振控制器的參數(shù)控制原理分析及實(shí)例。
本發(fā)明利用磁光晶體和四分之一波片實(shí)現(xiàn)偏振控制器，該偏振控制器包括光學(xué)部分，以及由計(jì)算機(jī)和驅(qū)動(dòng)電路組成的電控部分，結(jié)構(gòu)如圖1和圖2所示。光學(xué)部分由三個(gè)磁光晶體制作的法拉第旋轉(zhuǎn)器和兩個(gè)四分之一波片相間級(jí)聯(lián)而成，其中兩個(gè)四分之一波片可選用適于光纖通信的中心波長(zhǎng)在1550nm的波片，或適于其他領(lǐng)域的其他中心波長(zhǎng)的波片，兩個(gè)四分之一波片均固定放置，四分之一波片的慢軸可與瓊斯空間的x軸成任何角度，優(yōu)選0°(見圖1)或45°(見圖2)。三個(gè)法拉第旋轉(zhuǎn)器的電控旋轉(zhuǎn)角度范圍分別為±45°、±90°、±45°，通過計(jì)算機(jī)和驅(qū)動(dòng)電路組成的電控部分進(jìn)行控制。電控部分中的計(jì)算機(jī)控制算法和驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)制作可利用常規(guī)技術(shù)實(shí)現(xiàn)。
該偏振控制器的工作原理為第一法拉第旋轉(zhuǎn)器1將任意輸入光信號(hào)的偏振態(tài)繞幫加球上的S3軸(緯度方向)旋轉(zhuǎn)適當(dāng)?shù)慕嵌龋黄浜蟮牡谝凰姆种徊ㄆ?0將旋轉(zhuǎn)后的偏振態(tài)繞S1軸旋轉(zhuǎn)90°，從而使光信號(hào)變?yōu)榫€偏振態(tài)；隨后第二法拉第旋轉(zhuǎn)器2將偏振態(tài)繞S3軸沿幫加球赤道旋轉(zhuǎn)適當(dāng)角度；第二四分之一波片20再將線偏振態(tài)繞S1軸旋轉(zhuǎn)90°，使其變?yōu)橐欢E球度的橢圓偏振光或圓偏振光；最后，第三法拉第旋轉(zhuǎn)器3將光信號(hào)繞S3軸旋轉(zhuǎn)到指定的輸出偏振態(tài)。
以圖1所示的偏振控制器的第一個(gè)實(shí)施例為例，兩個(gè)四分之一波片的慢軸均與瓊斯空間的x軸的夾角為0°。設(shè)輸入光信號(hào)偏振態(tài)為[a，b，c]’，指定輸出偏振態(tài)為[x，y，z]’，則三個(gè)法拉第旋轉(zhuǎn)器的電控旋轉(zhuǎn)角度1，2，3分別為 其中，fix為向0方向取整函數(shù)，Δθ=(1-sgn(a)2)π+arctan-csgn(a)a2+b2-(1-sgn(x)2)π+arctanzsgn(x)x2+y2---(6)]]>
其中，sgn為符號(hào)函數(shù)。
根據(jù)上述控制算法編寫計(jì)算機(jī)控制程序，并控制驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)線圈，改變施加在光學(xué)部分中法拉第旋轉(zhuǎn)器上的磁場(chǎng)，即可實(shí)現(xiàn)對(duì)光偏振態(tài)的旋轉(zhuǎn)控制。
若兩個(gè)四分之一波片慢軸與瓊斯空間的x軸成45°等其他角度固定放置，則需對(duì)上述控制算法作相應(yīng)修改。
圖3a～圖3d所示為一次控制任意確定輸入偏振態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)槿我獯_定輸出偏振態(tài)的實(shí)例過程。將整個(gè)轉(zhuǎn)變過程在幫加球上表示，其中輸入偏振態(tài)為
’，要求的輸出偏振態(tài)為[-0.5000，-0.5000，0.7071]’。第一法拉第旋轉(zhuǎn)器1將輸入光信號(hào)的偏振態(tài)繞幫加球上的S3軸(緯度方向)旋轉(zhuǎn)-26.5651°，偏振態(tài)變化為
’；第一四分之一波片10將旋轉(zhuǎn)后的偏振態(tài)繞S1軸旋轉(zhuǎn)90°，從而使光信號(hào)變?yōu)榫€偏振態(tài)
’；第二法拉第旋轉(zhuǎn)器2將偏振態(tài)繞S3軸沿幫加球赤道旋轉(zhuǎn)87.1304°，偏振態(tài)變化為[-0.7071，0.7071，0]’；第二四分之一波片20再將線偏振態(tài)繞S1軸旋轉(zhuǎn)90°，使其變?yōu)闄E圓偏振光[-0.7071，0，0.7071]’；最后，第三法拉第旋轉(zhuǎn)器3將光信號(hào)繞S3軸旋轉(zhuǎn)45.0000°到指定的輸出偏振態(tài)[-0.5000，-0.5000，0.7071]’。
由于本發(fā)明所述的偏振控制器可以實(shí)現(xiàn)任意偏振態(tài)的輸出，因此可在偏振模色散隨機(jī)特性研究實(shí)驗(yàn)中應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)偏振態(tài)隨機(jī)擾動(dòng)功能。當(dāng)指定任意輸入偏振態(tài)時(shí)，若利用電控部分控制三個(gè)法拉第旋轉(zhuǎn)器使其在各自角度變化范圍內(nèi)隨機(jī)取值，則輸出偏振態(tài)在整個(gè)幫加球上隨機(jī)出現(xiàn)，圖4所示為5000次獨(dú)立采樣的輸出偏振態(tài)分布，可見輸出偏振態(tài)遍布整個(gè)幫加球。另一方面，若輸入偏振態(tài)為波動(dòng)的未知值，需控制輸出偏振態(tài)恒定在某一值，則可在輸出端使用檢偏儀檢測(cè)輸出偏振態(tài)，并通過優(yōu)化算法反饋控制偏振控制器的三個(gè)控制參數(shù)，從而達(dá)到穩(wěn)定輸出偏振態(tài)的效果。
權(quán)利要求
1.一種偏振控制器，包括光學(xué)部分，以及由計(jì)算機(jī)和驅(qū)動(dòng)電路組成的電控部分，其特征在于所述偏振控制器的光學(xué)部分是由三個(gè)磁光晶體制作的法拉第旋轉(zhuǎn)器和兩個(gè)四分之一波片沿光路方向相間級(jí)聯(lián)而成的，所述的兩個(gè)四分之一波片固定放置，所述的三個(gè)法拉第旋轉(zhuǎn)器通過所述電控部分進(jìn)行控制，電控旋轉(zhuǎn)角度范圍分別為±45°、±90°、±45°，以實(shí)現(xiàn)任意確定輸入偏振態(tài)到任意確定輸出偏振態(tài)的轉(zhuǎn)換。
2.根據(jù)權(quán)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軸與瓊斯空間的x軸成0°或45°。
3.權(quán)利要求1所述的偏振控制器在偏振模色散隨機(jī)特性研究實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用，其特征在于通過偏振控制器的電控部分隨機(jī)控制三個(gè)磁光晶體制作的法拉第旋轉(zhuǎn)器，實(shí)現(xiàn)輸出偏振態(tài)隨機(jī)擾動(dòng)，使輸出偏振態(tài)遍布整個(gè)幫加球。
全文摘要
一種偏振控制器及其應(yīng)用，屬于光纖通信領(lǐng)域。為了實(shí)現(xiàn)光纖通信系統(tǒng)接收端、解復(fù)用端及偏振模色散補(bǔ)償器件中的偏振控制，并同時(shí)實(shí)現(xiàn)偏振模色散隨機(jī)特性相關(guān)研究實(shí)驗(yàn)中的偏振態(tài)隨機(jī)擾動(dòng)功能，本發(fā)明公開了一種偏振控制器，包括光學(xué)部分以及由計(jì)算機(jī)和驅(qū)動(dòng)電路組成的電控部分，光學(xué)部分是由三個(gè)磁光晶體制作的法拉第旋轉(zhuǎn)器和兩個(gè)四分之一波片沿光路方向相間級(jí)聯(lián)而成的，所述的兩個(gè)四分之一波片固定放置，所述的三個(gè)法拉第旋轉(zhuǎn)器通過所述電控部分進(jìn)行控制，電控旋轉(zhuǎn)角度范圍分別為±45°、±90°、±45°，以實(shí)現(xiàn)任意確定輸入偏振態(tài)到任意確定輸出偏振態(tài)的轉(zhuǎn)換。本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、控制精確、成本低廉、易于系統(tǒng)集成。
文檔編號(hào)G02F1/09GK1677171SQ20051001147
公開日2005年10月5日 申請(qǐng)日期2005年3月25日 優(yōu)先權(quán)日2005年3月25日
發(fā)明者楊昌喜, 張陽, 李世光 申請(qǐng)人:清華大學(xué)