本發(fā)明涉及光域信號(hào)處理技術(shù)，具體是基于光纖非線性增益偏振相關(guān)性的光域偏振鎖定裝置及鎖定方法。

背景技術(shù)：

光波屬于橫電磁波，偏振特性是其固有屬性之一。光纖通信技術(shù)中，光波偏振特性制約著部分光子器件的性能，促使各種新型偏振相關(guān)功能光域信號(hào)處理光子器件的迅速發(fā)展。因此，光波偏振演化及其操控是光纖領(lǐng)域的熱門技術(shù)。無(wú)論是偏振相關(guān)問題的解決還是偏振相關(guān)效應(yīng)的應(yīng)用，關(guān)鍵是如何實(shí)施對(duì)光波偏振取向的操控。實(shí)際光纖波導(dǎo)總會(huì)存在材料或者結(jié)構(gòu)的微觀缺陷，光波偏振取向在光纖中的演化具有隨機(jī)特征，致使光纖中光波偏振取向的操控極為困難。最簡(jiǎn)便的光波偏振操控?zé)o源光學(xué)器件是偏振片：調(diào)整偏振片的透光取向，可以輸出任意角度的線偏振光波。該器件的缺陷在于偏振片輸出的光波振幅與光波輸入偏振取向密切相關(guān)。傳統(tǒng)的有源光波偏振操控方法基于有源光電子器件融合復(fù)雜反饋算法，如粒子群尋優(yōu)算法，模擬退火尋優(yōu)算法、遺傳算法等，這些算法在實(shí)際應(yīng)用中顯示出效率和優(yōu)勢(shì)，但在高速和超高速系統(tǒng)中受到電子器件響應(yīng)速度瓶頸的限制。

光纖三階非線性光學(xué)效應(yīng)響應(yīng)時(shí)間極短，且非線性增益具有偏振相關(guān)性，因此，基于光纖三階非線性偏振相關(guān)增益可對(duì)入射光波實(shí)施光域偏振鎖定。傳統(tǒng)上，光域偏振鎖定設(shè)計(jì)方案包含“同向結(jié)構(gòu)”和“反向結(jié)構(gòu)”。“同向結(jié)構(gòu)”中泵浦光波和信號(hào)光波在光纖中同向傳輸，偏振鎖定效率高、響應(yīng)速度快，適用于高速光信號(hào)的光域偏振鎖定；然而，“同向結(jié)構(gòu)”存在的嚴(yán)重問題是：由于泵浦光波偏振取向在光纖中隨機(jī)演化，使信號(hào)光波的輸出偏振具有隨機(jī)性和不可預(yù)知性，且無(wú)法有效實(shí)施對(duì)其輸出偏振取向的調(diào)節(jié)?！胺聪蚪Y(jié)構(gòu)”中泵浦光波和信號(hào)光波在光纖中反向傳輸，其優(yōu)點(diǎn)是信號(hào)光波的輸出偏振取向由泵浦光波的輸入偏振取向鎖定和調(diào)節(jié)?！胺聪蚪Y(jié)構(gòu)”的缺陷在于：響應(yīng)速度慢，一般響應(yīng)速度僅為微秒量級(jí)；泵浦光波功率高，需要8W或8W以上才能使信號(hào)光波偏振度大于0.9，實(shí)用性低。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足而提供一種基于光纖非線性增益偏振相關(guān)性的光域偏振鎖定裝置及鎖定方法。

這種裝置的優(yōu)點(diǎn)是響應(yīng)速度快、操作方便、實(shí)用性好。

這種光域偏振鎖定方法設(shè)有二階非線性泵浦光波對(duì)一階非線性泵浦光波實(shí)施分布式、反向非線性放大，不僅增加了信號(hào)光波的偏振相關(guān)非線性增益和降低了非線性泵浦光波的功率要求，同時(shí)也使信號(hào)光波的輸出偏振取易于調(diào)節(jié)。

實(shí)現(xiàn)本發(fā)明目的的技術(shù)方案是：

基于光纖非線性增益偏振相關(guān)性的光域偏振鎖定裝置，包括順序連接的光學(xué)擾偏器、光學(xué)放大器、第一波分復(fù)用器、低雙折射光纖、第二波分復(fù)用器和光學(xué)濾波器，設(shè)有第一泵浦源通過第一偏振控制器與第一波分復(fù)用器連接，設(shè)有第二泵浦源通過第二偏振控制器與第二波分復(fù)用器連接。

第一波分復(fù)用器對(duì)偏振控制后的第一泵浦源和擾偏后的信號(hào)光波實(shí)施合束，前向注入低雙折射光纖；第二波分復(fù)用器將偏振控制后的第二泵浦源后向注入低雙折射光纖，并輸出光域偏振鎖定的信號(hào)光波。

所述光學(xué)放大器的工作波段涵蓋C+L波段。

所述低雙折射光纖為C+L波段單模光纖，低雙折射光纖的偏振模色散系數(shù)不大于0.05ps/。

所述第一泵浦源為一階非線性泵浦源，第一泵浦源經(jīng)第一偏振控制器產(chǎn)生具有確定偏振取向的前向傳輸非線性泵浦光波，前向傳輸非線性泵浦光波在低雙折射光纖中與信號(hào)光波的傳輸方向相同。

所述第二泵浦源為二階非線性泵浦源，第二泵浦源經(jīng)第二偏振控制器產(chǎn)生具有確定偏振取向的后向傳輸非線性泵浦光波，后向傳輸非線性泵浦光波在低雙折射光纖中與信號(hào)光波、第一泵浦源產(chǎn)生的一階非線性泵浦光波傳輸方向相反。

所述前向傳輸非線性泵浦光波在低雙折射光纖中對(duì)輸入信號(hào)光波實(shí)施偏振相關(guān)受激拉曼散射放大時(shí)，前向傳輸非線性泵浦光波頻率等于信號(hào)光波頻率和低雙折射光纖的拉曼頻移之和。

所述前向傳輸非線性泵浦光波在低雙折射光纖中對(duì)輸入信號(hào)光波實(shí)施偏振相關(guān)參量放大時(shí)，前向傳輸非線性泵浦光波的波長(zhǎng)與低雙折射光纖的零色散波長(zhǎng)之差的絕對(duì)值小于10nm。

所述后向傳輸非線性泵浦光波在低雙折射光纖中對(duì)前向傳輸非線性泵浦光波實(shí)施偏振相關(guān)受激拉曼散射放大，后向傳輸非線性泵浦光波頻率等于前向傳輸非線性泵浦光波頻率和低雙折射光纖的拉曼頻移之和。

基于光纖非線性增益偏振相關(guān)性的光域偏振鎖定方法，包括所述基于光纖非線性增益偏振相關(guān)性的光域偏振鎖定裝置，具體步驟如下：

（1）輸入信號(hào)光波的擾偏與放大：將信號(hào)光波輸入光學(xué)擾偏器，使得擾偏后信號(hào)光波的偏振度小于0.10,再將擾偏后的信號(hào)光波輸入光學(xué)放大器，通過光學(xué)放大器對(duì)注入低雙折射光纖的信號(hào)光波功率實(shí)施控制；

（2）一階非線性泵浦光波的偏振取向控制：第一泵浦源輸出的一階非線性泵浦光波輸入第一偏振控制器，通過第一偏振控制器對(duì)一階非線性泵浦光波的偏振取向?qū)嵤┛刂疲?/p>

（3）信號(hào)光波的偏振相關(guān)非線性放大：將擾偏、放大后的信號(hào)光波和具有確定偏振取向的一階非線性泵浦光波共同輸入第一波分復(fù)用器，再由第一波分復(fù)用器合束并輸入低雙折射光纖，在低雙折射光纖中，一階非線性泵浦光波對(duì)信號(hào)光波實(shí)施偏振相關(guān)非線性放大；

（4）二階非線性泵浦光波的偏振取向控制：將第二泵浦源輸出的二階非線性泵浦光波輸入第二偏振控制器，通過第二偏振控制器對(duì)二階非線性泵浦光波的偏振取向?qū)嵤┛刂疲?/p>

（5）一階非線性泵浦光波的非線性放大：通過第二波分復(fù)用器將具有確定偏振取向的二階非線性泵浦光波反向輸入低雙折射光纖，在低雙折射光纖中，二階非線性泵浦光波對(duì)一階非線性泵浦光波實(shí)施非線性放大和非線性偏振鎖定；

（6）獲取偏振鎖定的信號(hào)光波：光學(xué)濾波器濾除第二波分復(fù)用器耦合輸出的殘余前向傳輸一階非線性泵浦光波和其余光學(xué)噪聲，獲取偏振鎖定的信號(hào)光波。

步驟（3）中，當(dāng)一階非線性泵浦光波對(duì)信號(hào)光波實(shí)施偏振相關(guān)受激拉曼散射放大時(shí)，所述第一泵浦源輸出的一階非線性泵浦光波的最大功率不大于3.5W，所述第二泵浦源輸出的二階非線性泵浦光波的最大功率不大于3.5W，所述第一波分復(fù)用器的工作波段為14XXnm/15XXnm，所述第二波分復(fù)用器的工作波段為13XXnm/15XXnm。

步驟（3）中，當(dāng)一階非線性泵浦光波對(duì)信號(hào)光波實(shí)施偏振相關(guān)參量放大時(shí)，所述第一泵浦源輸出的一階非線性泵浦光波的最大功率小于1W，所述第二泵浦源輸出的二階非線性泵浦光波的最大功率不大于3.5W，所述第一波分復(fù)用器的工作波長(zhǎng)為1550±50nm，所述第二波分復(fù)用器的工作波段為14XXnm/15XXnm。

信號(hào)光波的輸出偏振取向由第二偏振控制器鎖定和調(diào)節(jié)。

這種光域偏振鎖定裝置設(shè)有兩階非線性泵浦光波，其中：一階非線性泵浦光波與信號(hào)光波同向傳輸，并對(duì)信號(hào)光波實(shí)施高效的非線性偏振鎖定；二階非線性泵浦光波與一階非線性泵浦光波反向傳輸，并對(duì)一階非線性泵浦光波實(shí)施非線性偏振鎖定。

這種裝置的優(yōu)點(diǎn)是響應(yīng)速度快、操作方便、實(shí)用性好。

這種光域偏振鎖定方法設(shè)有二階非線性泵浦光波對(duì)一階非線性泵浦光波實(shí)施分布式、反向非線性放大，不僅增加了信號(hào)光波的偏振相關(guān)非線性增益和降低了非線性泵浦光波的功率要求，同時(shí)也使信號(hào)光波的輸出偏振取易于調(diào)節(jié)。

附圖說明

圖1為實(shí)施例中裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為實(shí)施例的方法流程示意圖。

圖中，1.光學(xué)擾偏器 2.光學(xué)放大器 3.第一波分復(fù)用器 4.低雙折射光纖 5.第二波分復(fù)用器 6.光學(xué)濾波器 7.第一偏振控制器 8.第一泵浦源 9.第二偏振控制器 10.第二泵浦源。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明內(nèi)容作進(jìn)一步闡述，但不是對(duì)本發(fā)明的限定。

實(shí)施例：

參照?qǐng)D1，基于光纖非線性增益偏振相關(guān)性的光域偏振鎖定裝置，包括順序連接的光學(xué)擾偏器1、光學(xué)放大器2、第一波分復(fù)用器3、低雙折射光纖4、第二波分復(fù)用器5和光學(xué)濾波器6，設(shè)有第一泵浦源8通過第一偏振控制器7與第一波分復(fù)用器3連接，設(shè)有第二泵浦源10通過第二偏振控制器9與第二波分復(fù)用器5連接。

第一波分復(fù)用器3對(duì)偏振控制后的第一泵浦源8和擾偏后的信號(hào)光波實(shí)施合束，前向注入低雙折射光纖4；第二波分復(fù)用器5將偏振控制后的第二泵浦源10后向注入低雙折射光纖4，并輸出光域偏振鎖定的信號(hào)光波。

所述光學(xué)放大器2的工作波段涵蓋C+L波段。

所述低雙折射光纖4為C+L波段單模光纖，低雙折射光纖4偏振模色散系數(shù)不大于0.05ps/。

所述第一泵浦源8為一階非線性泵浦源，第一泵浦源8經(jīng)第一偏振控制器7產(chǎn)生具有確定偏振取向的前向傳輸非線性泵浦光波，前向傳輸非線性泵浦光波在低雙折射光纖4中與信號(hào)光波的傳輸方向相同。

所述第二泵浦源10為二階非線性泵浦源，第二泵浦源10經(jīng)第二偏振控制器9產(chǎn)生具有確定偏振取向的后向傳輸非線性泵浦光波，后向傳輸非線性泵浦光波在低雙折射光纖4中與信號(hào)光波、第一泵浦源8產(chǎn)生的一階非線性泵浦光波傳輸方向相反。

所述前向傳輸非線性泵浦光波在低雙折射光纖4中對(duì)輸入信號(hào)光波實(shí)施偏振相關(guān)受激拉曼散射放大時(shí)，前向傳輸非線性泵浦光波頻率等于信號(hào)光波頻率和低雙折射光纖4的拉曼頻移之和。

所述前向傳輸非線性泵浦光波在低雙折射光纖4中對(duì)輸入信號(hào)光波實(shí)施偏振相關(guān)參量放大時(shí)，前向傳輸非線性泵浦光波的波長(zhǎng)與低雙折射光纖4的零色散波長(zhǎng)之差的絕對(duì)值小于10nm。

所述后向傳輸非線性泵浦光波在低雙折射光纖4中對(duì)前向傳輸非線性泵浦光波實(shí)施偏振相關(guān)受激拉曼散射放大，后向傳輸非線性泵浦光波頻率等于前向傳輸非線性泵浦光波頻率和低雙折射光纖4的拉曼頻移之和。

參照?qǐng)D2，基于光纖非線性增益偏振相關(guān)性的光域偏振鎖定方法，包括所述基于光纖非線性增益偏振相關(guān)性的光域偏振鎖定裝置，具體步驟如下：

（1）輸入信號(hào)光波的擾偏與放大：將信號(hào)光波輸入光學(xué)擾偏器，使得擾偏后信號(hào)光波的偏振度小于0.10,再將擾偏后的信號(hào)光波輸入光學(xué)放大器，通過光學(xué)放大器對(duì)注入低雙折射光纖的信號(hào)光波功率實(shí)施控制；

（2）一階非線性泵浦光波的偏振取向控制：第一泵浦源輸出的一階非線性泵浦光波輸入第一偏振控制器，通過第一偏振控制器對(duì)一階非線性泵浦光波的偏振取向?qū)嵤┛刂疲?/p>

（3）信號(hào)光波的偏振相關(guān)非線性放大：將擾偏、放大后的信號(hào)光波和具有確定偏振取向的一階非線性泵浦光波共同輸入第一波分復(fù)用器，再由第一波分復(fù)用器合束并輸入低雙折射光纖，在低雙折射光纖中，一階非線性泵浦光波對(duì)信號(hào)光波實(shí)施偏振相關(guān)非線性放大；

（4）二階非線性泵浦光波的偏振取向控制：將第二泵浦源輸出的二階非線性泵浦光波輸入第二偏振控制器，通過第二偏振控制器對(duì)二階非線性泵浦光波的偏振取向?qū)嵤┛刂疲?/p>

（5）一階非線性泵浦光波的非線性放大：通過第二波分復(fù)用器將具有確定偏振取向的二階非線性泵浦光波反向輸入低雙折射光纖，在低雙折射光纖中，二階非線性泵浦光波對(duì)一階非線性泵浦光波實(shí)施非線性放大和非線性偏振鎖定；

（6）獲取偏振鎖定的信號(hào)光波：光學(xué)濾波器濾除第二波分復(fù)用器耦合輸出的殘余前向傳輸一階非線性泵浦光波和其余光學(xué)噪聲，獲取偏振鎖定的信號(hào)光波。

本例中：

一階非線性泵浦光波對(duì)信號(hào)光波實(shí)施偏振相關(guān)受激拉曼散射放大；

所述信號(hào)光波的輸出偏振取向由第二偏振控制器9鎖定和調(diào)節(jié)。

輸入信號(hào)光波波長(zhǎng)位于C波段，具體為1550nm，其輸入功率為-10dBm；

光學(xué)擾偏器1的中心工作波長(zhǎng)為1550nm，輸出偏振度小于5%；

光學(xué)放大器2的工作波段涵蓋C波段，其飽和輸出功率為25dBm，噪聲系數(shù)3.3-5.8dB；

第一波分復(fù)用器3的工作波段為1455nm/1550nm，第二波分復(fù)用器5工作波段為1365nm/1550nm；

低雙折射光纖4在C+L波段為單模運(yùn)行，其拉曼頻移為13.2THz,拉曼增益系數(shù)為0.76/W/km，偏振模色散系數(shù)為0.02ps.km^-1/2，光纖長(zhǎng)度為3.25km；

第一泵浦源8輸出的一階非線性泵浦光波波長(zhǎng)為1451nm，功率大小為3.5W；

第二泵浦源10輸出的二階非線性泵浦光波波長(zhǎng)為1364nm，功率大小為3.5W；

第二泵浦源10輸出的二階非線性泵浦光波的偏振斯托克斯矢量具體為（0,1,0）。

具體過程為：

（1）輸入信號(hào)光波的擾偏與放大：將頻率為υ_s的信號(hào)光波輸入光學(xué)擾偏器1，使得擾偏后信號(hào)光波的偏振度小于0.05，以降低偏振鎖定信號(hào)光波的功率起伏，提高偏振鎖定信號(hào)光波的光學(xué)信噪比；接著，將擾偏后信號(hào)光波輸入光學(xué)放大器2，通過所述光學(xué)放大器2對(duì)信號(hào)光波的功率實(shí)施控制，使信號(hào)光波與一階非線性泵浦光波在拉曼頻移Δυ_B =13.2THz的低雙折射光纖4中的受激拉曼散射效應(yīng)充分進(jìn)行，進(jìn)而獲得最大的信號(hào)光波偏振度。

（2）一階非線性泵浦光波的偏振取向控制：第一泵浦源8輸出的頻率為υ_B1的一階非線性泵浦光波輸入第一偏振控制器7，通過所述第一偏振控制器7對(duì)一階非線性泵浦光波的偏振取向?qū)嵤┛刂?，以獲得最大的信號(hào)光波偏振度輸出；

一階非線性泵浦光波的頻率υ_B1與信號(hào)光波的頻率υ_s、低雙折射光纖4的拉曼頻移Δυ_B滿足：υ_B1 = υ_s + Δυ_B。

（3）信號(hào)光波的偏振相關(guān)非線性放大:由第一波分復(fù)用器3對(duì)擾偏、放大后的信號(hào)光波和具有確定偏振取向的一階非線性泵浦光波實(shí)施合束并輸入低雙折射光纖4；在所述低雙折射光纖4中，一階非線性泵浦光波對(duì)信號(hào)光波實(shí)施偏振相關(guān)受激拉曼散射放大，使光纖中信號(hào)光波的偏振演化由一階非線性泵浦光波的偏振取向鎖定。

（4）二階非線性泵浦光波的偏振取向控制:將第二泵浦源10輸出的頻率為υ_B2的二階非線性泵浦光波輸入第二偏振控制器9，通過所述第二偏振控制器9對(duì)二階非線性泵浦光波的偏振取向?qū)嵤┛刂疲?/p>

二階非線性泵浦光波的頻率υ_B2與一階非線性泵浦光波的頻率υ_B1、低雙折射光纖4的拉曼頻移Δυ_B滿足：υ_B2 = υ_B1 + Δυ_B。

（5）一階非線性泵浦光波的非線性放大:由第二波分復(fù)用器5將具有確定偏振取向的二階非線性泵浦光波反向輸入低雙折射光纖4；在所述低雙折射光纖4中，二階非線性泵浦光波對(duì)一階非線性泵浦光波實(shí)施偏振相關(guān)受激拉曼散射放大，使一階非線性泵浦光波的偏振態(tài)由二階非線性泵浦光波的偏振取向鎖定，并進(jìn)而使信號(hào)光波的偏振態(tài)由二階非線性泵浦光波的偏振取向鎖定。

（6）獲取偏振鎖定的信號(hào)光波：光學(xué)濾波器6濾除所述第二波分復(fù)用器5耦合輸出的殘余一階非線性泵浦光波和其余光學(xué)噪聲，獲取偏振鎖定的信號(hào)光波；信號(hào)光波的輸出偏振取向調(diào)節(jié)由第二偏振控制器9實(shí)施完成。

經(jīng)光學(xué)濾波器輸出的信號(hào)光波的輸出偏振度大于0.9；

基于光纖非線性增益偏振相關(guān)性的光域偏振鎖定裝置信號(hào)光波的偏振鎖定帶寬大于6THz；

作為二階非線性泵浦光波的第二泵浦源10對(duì)一階非線性泵浦光波實(shí)施分布式受激拉曼散射放大，使一階非線性泵浦光波在低雙折射光纖4中保持較高功率傳輸，增加了一階非線性泵浦光波對(duì)信號(hào)光波的偏振相關(guān)拉曼增益，有效降低了一階非線性泵浦光波的輸入功率要求，提高了偏振鎖定效率。