（通信与信息系统专业论文）偏振控制器算法研究.pdf

摘要 摘要 随着光纤通信系统向高速率、大容量和长距离传输方向发展，通信系统对一系列 由偏振引起的损害也越来越敏感。而这些损害越来越成为光纤通信系统向更高速发展 的瓶颈，成为阻碍光纤通信w d m ( w a v e l e n g t hd i v i s i o nm u l t i p l e x i n g 波分复用) 系 统传输速率升级的主要因素，而克服这一问题方法之一就是采用偏振控制器进行偏振 控制。偏振控制器作为一种重要的光学器件，以其较高的偏振变换精度、低成本、低 插入损耗等特性在相干光通信和高速光纤通信领域以及光纤传感等领域具有十分重 要的地位。因此，对偏振控制器的研究具有很重要的理论意义和实用价值。 按照偏振控制器中相位延迟单元的类型将偏振控制器分为：方位角控制型偏振控 制器、延迟量控制型偏振控制器和方位角一延迟量控制型偏振控制器三种类型。本论 文在介绍各种偏振控制器原理的基础上，重点研究了方位角控制型偏振控制器和延迟 量控制型偏振控制器的算法。 首先，论文对目前常见的各种偏振控制器的原理和结构进行了介绍，并对各种偏 振控制器的性能进行了比较，指出各种偏振控制器都有其优缺点。 偏振态投射平面法是王军利博士提出的一种新的表示偏振态的二维几何方法，王 ，j， 军利博士只研究了詈+ + ( h q q ) 型和手+ + 要( q q h ) 型偏振控制器的算法。本论 二q-z ， 文利用偏振态投射平面法简单明了的研究了- 7 + - - 几+ 7 , 型偏振控制器的算法，,(qhq) 4 2q 得到偏振态变换时方位角对应的计算公式，通过仿真实验验证了该算法的合理性，最 后以q h q 型偏振控制器为例对方位角控制型偏振控制器的波长相关性进行了误差分 析，其分析结果对我们进行方位角控制型偏振控制器的误差补偿有重要的指导作用。 在延迟量控制型偏振控制器算法的研究中，首先研究了两个延迟器级联型偏振控 制器，即0 。- 4 5 。型偏振控制器和4 5 。一o o 型偏振控制器。通过分析仿真结果可以看出 这两种偏振控制器都不能实现从任意偏振态到任意偏振态的转化。基于4 5 。一0 。型偏 振控制器响应速度快、插入损耗小、控制算法简单等优点，本文提出一种改进的 4 5 4 一扩型偏振控制器，该偏振控制器能实现任意偏振态到任意偏振态的转化。接着 研究了三个延迟器级联型偏振控制器的算法，通过分析仿真结果可以看出该偏振控制 器能实现任意偏振态到任意偏振态的转化。最后以三个延迟器级联型偏振控制器为例 对延迟量控制型偏振控制器的波长相关性进行了误差二j 。析，其分析结果对我们进行延 迟量控制型偏振控制器的误差补偿有重要的指导作用。 摘要 关键词：光纤通信技术，偏振态，偏振控制器，偏振态投射平面，误差分析 a b s t r a c t f i b e r - o p t i cc o m m u n i c a t i o ns y s t e m sr u n st oh i 曲b i tr a t e ，l a r g ec a p a c i t ya n dl o n g d i s t a n c e ，c o m m u n i c a t i o ns y s t e mi sb e c o m i n gm o r ea n dm o r es e n s i t i v et oas e r i e so fh a r m w h i c hc a u s e sb yt h ep o l a r i z a t i o n t h e s eh a r mi sm o r ea n dm o r eb e c o m i n gt h eb o t t l e n e c k o ff i b e r - o p t i cc o m m u n i c a t i o ns y s t e m st oah i g h e rs p e e dd e v e l o p m e n ta n dt h ek e yp o i n t w h i c hh i d e rw d m s y s t e mt r a n s m i s s i o ns p e e dp r o m o t i o n u s et h ep o l a r i z a t i o nc o n t r o l l e rt o c o n t r o lt h es t a t eo ft h eo p t i c a li so n eo ft h es o l u t i o n s p o l a r i z a t i o nc o n t r o l l e r sa r ei m p o r t a n t i nt h ec o h e r e n t f i b e r - o p t i cc o m m u n i c a t i o ns y s t e m s a n dh i g l l - s p e e d f i b e r - o p t i c c o m m u n i c a t i o ns y s t e m s h i g ha c c u r a t es t a t eo fp o l a r i z a t i o nc o n v e r t i n g ，l o wi n s e r tl o s sa n d s i m p l ec o n t r o la l g o r i t h m sa r ev i t a lf o rp o l a r i z a t i o nw a r t s f o r m a t i o n s ，s ot h er e s e a r c ho n p o l a r i z a t i o nc o n t r o l l e ri sv e r yi m p o r t a n ti nt h e o r ya n di na c t u a lu s e 1 1 屺p o l a r i z a t i o nc o n t r o l l e r sa r ec l a s s i f i e di n t ot h r e ec a t e g o r i e s ：t h ed i r e c t i o n - c o n t r o l p o l a r i z a t i o nc o n t r o l l e r s ，t h e r e t a r d a t i o n - c o n t r o l p o l a r i z a t i o n c o n t r o l l e r sa n dt h e d i r e c t i o n - r e t a r d a t i o n - c o n t r o lp o l a r i z a t i o nc o n t r o l l e r sa c c o r d i n gt ot h er e t a r d e r su s e di n p o l a r i z a t i o nc o n t r o l d e v i c e s p r e s e n t sp r i n c i p l e so fp o l a r i z a t i o nc o n t r o l l e r s ，i n t r o d u c e s 谢t l l e m p h a s i so nt h ec o n t r o la l g o r i t h m so f t h ed i r e c t i o n - c o n t r o lp o l a r i z a t i o nc o n t r o l l e r sa n dt h e r e t a r d a t i o n - c o n t r o lp o l a r i z a t i o nc o n t r o u c r s f i r s t , t h i sp a p e ri n t r o d u c et h ep r i n c i p l ea n ds t r u c t u r eo fk i n d so fp o l a r i z a t i o n c o n t r o l l e r s ，c o m p a r et h e s ep e r f o r m a n c e s ，p o i n t e do u tt h a te a c hk i n do fp o l a r i z a t i o n c o n t r o l l e rh a di t so w na d v a n t a g ea n dd i s a d v a n t a g e s o pp r o j e c t i o np l a n em e t h o di sn e wm e t h o dt oe x p r e s s i o nt h es t a t eo fp o l a r i z a t i o n w h i c hp r o p o s e db yd r w a n gj u n l i ，h ej u s tr e s e a r c hh q qa n dq q h p o l a r i z a t i o nc o n t r o l l e r w eu s et h i sm e t h o dr e s e a r c hq h q p o l a r i z a t i o nc o n t r o l l e r , a n do b t a i nt h ef o r m u l ao f a z i m u t hw h i c hu s e di nt h ep o l a r i z a t i o nt r a n s f o r m a t i o n s s i m u l a t i o nr e s d t ss h o wt h a tt h i s a l g o r i t h mi sf e a s i b l e ，a n dw et a k et h eq h qp o l a r i z a t i o nc o n t r o l l e ra se x a m p l et oc a r r yo u t t h ee i t o ra n a l y s i so nw a v e l e n g t hc o r r e l a t i v i t yo fd i r e c t i o n - c o n t r o lp o l a r i z a t i o nc o n t r o l l e r s ， t h i sr e s u l ti sv e r yi m p o r t a n tt ou st oc a r r yo ne r r o rc o m p e n s a t i o no fd i r e c t i o n c o n t r o l o o l a n z a t l o nc o n t r o l l e r s ， i nt h er e s e a r c ho ft h er e t a r d a t i o n - c o n t r o lp o l a r i z a t i o nc o n t r o l l e r s ，w ef i r s tr e s e a r c ht w o r e t a r d e r sc a s c a d ep o l a r i z a t i o nc o n t r o l l e r s ，t h e s ea r e0 。- 4 5 。p o l a r i z a t i o nc o n t r o l l e ra n d 4 5 。- 0 。p o l a r i z a t i o nc o n t r o l l e r w ef i n do u tt h a tt h et w oc o n t r o l l e r sc a nn o tr e a l i z e m t r a n s f o r m a t i o nf r o mt h er a n d o ms t a t eo fp o l a r i z a t i o nt ot h er a n d o ms t a t eo fp o l a r i z a t i o n b e c a u s eo fq u i c ks p e e d ，s m a l li n s e r t i o nl o s s ，s i m p l ec o n t r o la l g o r i t h ma n ds oo n , w e p r o p o s ea l la d v a n c e d4 5 。- 0 。p o l a r i z a t i o nc o n t r o l l e rw h i c hc a nr e a l i z et r a n s f o r m a t i o n f r o mt h er a n d o ms t a t eo fp o l a r i z a t i o nt ot h er a n d o ms t a t eo fp o l a r i z a t i o n f i n a l l yw e r e s e a r c ht h ea l g o r i t h mo ft h r e er e t a e d e r sc a s c a d ep o l a r i z a t i o nc o n t r o l l e r s ，s i m u l a t i o n r e s u l t ss h o wt h a t t h i sa l g o r i t h mi sf e a s i b l e ，a n dw et a k et h et h r e er e t a r d e r sc a s c a d e p o l a r i z a t i o n c o n t r o l l e ra se x a m p l et oc a r r yo u tt h ee r r o ra n a l y s i so nw a v e l e n g t h c o r r e l a t i v i t yo ft h er e t a r d a t i o n - c o n t r o lp o l a r i z a t i o nc o n t r o l l e r s ，t h i sr e s u l ti sv e r yi m p o r t a n t t ou st oc a r r yo ne r r o rc o m p e n s a t i o no fr e t a r d a t i o n - c o n t r o lp o l a r i z a t i o nc o n t r o l l e r s k e y - w o r d s ：o p t i c a lf i b e rc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g y , s t a t eo fp o l a r i z a t i o n , p o l a r i z a t i o n c o n t r o l l e r , s o pp r o j e c t i o np l a n e ，e r r o ra n a l y s i s i v 学位论文原创性声明 秉承学校严谨的学风和优良的科学道德，本人郑重声明：所呈交的论文是本人在 导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和 致谢中所罗列的内容以外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不 包含本人已用于其他学位申请的论文或成果。与我一同工作的同志对本研究所做的任 何贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切的法律责任。 本人签名：壑塑壹 西安邮电学院 学位论文知识产权声明 本人完全了解西安邮电学院有关保留和使用学位论文的规定，即：研究生在校攻 读学位期间论文工作的知识产权单位属西安邮电学院。学校有权保留并向国家有关部 门或机构送交论文的复印件和电子版。本人允许论文被查阅和借阅。学校可以将本学 位论文全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复印 手段保存和汇编本学位论文。同时本人保证，毕业后结合学位论文研究课题再撰写的 文章一律署名单位为西安邮电学院。 r 期：型昼年月_ 立n 同期：兰! ! 星年主一月主一f 1 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 研究偏振控制器的背景和意义 从2 0 世纪7 0 年代末期，光纤通信在传输线路上开始实际应用，光纤通信的诞生 与发展是电信史上的一次重要的变革。随着光纤通信技术的飞速发展和信息交流的日 益增多，数据业务大量增长，尤其是因特网的迅速崛起，语音、图像和数据等信息量 飞速增加，通信道路越来越拥挤，因此光通信以其带宽极大、传输质量好、抗电磁干 扰、保密性好等优点广受人们青睐，成为目前世界上快速发展的技术领域之一【蚓。 当光信号在理想化的光纤中传输时，传输光的偏振态( s o p ) 不会发生变化。而在 实际的通信系统中，由于光纤中的双折射效应是随温度、压力、应力以及其它因素不 断变化的，这就使得传输光的偏振态也是不断变化的，这就大大增加了偏振相关损害 的不可预知性1 4 l 。特别是光通信中1 0 g b i t s 的波分复用( w d m ) 长距离传输系统的大 量应用和4 0 g b i t s 技术的日趋成熟，由光的偏振所引起的偏振相关损耗越来越不可忽 略。这些偏振相关损害包括：光纤中的偏振模色散( p m d ) 【5 】、无源光器件中的偏振相 关损耗( p d l ) 6 - s l 、电光调制器中的偏振相关调制( p d m ) ，以及光放大器中的偏振相 关增益( p d g ) 9 1 、波分复用滤波器中的偏振相关波长( p d w ) ；接收机中的偏振相关响 应( p d r ) 及传感器和相干通信系统中的偏振相关响应度( p d s ) 等。随着传输速率的提 高，通信系统对这一系列由偏振引起的损害也越来越敏感，它们已经成为光纤系统向 更高速发展的瓶颈，成为阻碍光纤通信e ) m ( w a v e l e n g t hd i v i s i o nm u l t i p l e x i n g 波分 复用) 系统传输速率升级的主要因素，而克服这一问题方法之一就是采用偏振控制器 进行偏振控制。偏振控制器在高速光纤通信、相干光通信、光纤传感以及光纤测量等 领域都有应用，已成为克服光传输系统中偏振相关损耗和监测偏振特性的关键器件 1 1 0 q 6 o 总之，在现代光纤通信中，偏振控制器已经成为一种不可缺少的光通信器件。随 着信息时代的发展，高速光纤通信、相干光通信和光纤传感系统在我国工业中的应用 越来越重要，所以开展研究一种高性能的偏振控制器具有重要的理论意义和实际应用 价值。 1 2 偏振控制器概述 偏振控制器( p o l a r i z a t i o nc o n t r o l l e r , p c ) ，是指能实现偏振态转化的光器件。偏振 控制器可以利用晶体的双折射现象来改变偏振态：通过一定的组成方法( 串接不同的 位相延迟器或控制各延迟器之间的相对方位角) 和控制算法( 改变延迟器的方位角或 双折射相对相位差) ，最终输出期望得到的偏振态1 1 7 - 2 0 1 。 西安邮电学院硕士学位论文论 在偏振控制器的发展过程中，国外的科研工作者起步较早，已经对偏振控制器的理论 研究和实用化做了大量的工作，部分研究成果已经产业化。我国在该领域的起步相对 较晚，做的工作也较少，姚毅等人研究了一种光纤型的在线式偏振控制器的实现方法 2 1 l o 最初的偏振控制器，如挤压光纤型的 2 2 1 ，是由机械装置来驱动的，限制了它的 工作速度和精度。t o k o s h i 等人提出一种具有低插入损耗并能实现无穷控制的可旋转 光纤曲柄型偏振控制器【2 3 1 ，但其响应速度较慢，为解决这一问题，j p r a 提出了一种 由两个光纤法拉第旋转器和一个四分之一波片组成的偏振控制器【2 4 1 ，但是这种偏振 控制器只能将线偏振光转换成其他任意的偏振光，不能进行任意偏振态之间的转换。 而液晶型偏振控制器的出现【2 5 1 ，以其较快的响应速度受到人们的青睐，但是其造价 昂贵，受环境影响大等缺点，限制了它的实用化。随之，电光晶体型的，压电陶瓷可 变可转波片型的，基于磁光效应的法拉第旋转器型等各种偏振控制器相继被提出。 1 2 6 - 2 引。随着通信技术的发展，许多新型的材料被用于通信系统中，例如用空心光纤制 作偏振控制器。韩国的j y 也j l e e 等人提出了一种利用声光效应的空心光纤型偏振控 制器【2 9 】，由m a t t h e wt e r r e l 等人提出的利用扭转空心光纤制成的偏振控制器【3 0 1 ，以及 e r l y o n s 等人利用了保偏光纤的热光效应提出了一种电控微加热器型全光纤式偏振 控制裂3 1 1 。 偏振控制器的性能指标主要有：控制精度、响应速度、插入损耗，无中断调节能 力( 无端性) 、成本、波长敏感性等。就目前而言，还没有一种偏振控制器能同时满 足上述所有技术要求，而新一代的偏振控制器应尽可能满足要求。 偏振控制器有多种分类方法，目前常见的是按照位相延迟器对偏振态的作用方式 将偏振控制器分为：方位角控制型偏振控制器、延迟量控制型偏振控制器和方位角一 延迟量控制型偏振控制器三类p 2 。 1 2 1 方位角控制型偏振控制器 在方位角控制型偏振控制器中，各个延迟器的延迟量是固定的，但延迟器之间的 相对角度是可变的，通过转动延迟器的方位角可以达到偏振态转化的目的。此类型偏 振控制器对方位角的旋转范围没有限制，但需要机械装置对延迟器方位角进行控制， 因此速度较慢【3 3 】。方位角控制型偏振控制器主要有：晶体波片型偏振控制器、光纤 环型偏振控制器、基于法拉第效应的偏振控制器、扭转空心光纤型的偏振控制器等。 晶体波片型偏振控制器是一种发展较早的偏振控制器，主要是通过机械旋转波片 来达到偏振控制的目的。f r e dh e i s m a n n 给出了可以实现任意偏振态转化的波片型偏 振控制方案，其结构如图1 - 1 所示 3 4 1 。它由一个二分之一波片和两个四分之一波片 以级联形式组成，由于机械可移动部件的存在以及需要反馈信号控制他们的运动需要 的时间较长，导致它的响应速度慢。但是，晶体波片在某一特定波长下的相位延迟可 以做到十分精确，所以波片型偏振控制器具有很好的控制精度和长期工作的稳定性， 2 第1 章绪论 另外它结构简单，造价低廉，它适用于低速偏振控制场合。 输入偏振态输出偏振态 四分之一渡片二分之一波片四分之一波片 图1 1晶体波片型偏振控制器结构图 光纤环型偏振控制器利用了单模光纤在扭曲时呈现的各项异性，一个光纤环相当 于一个旯厂2 或2 4 波片。当单模光纤弯曲时，由于受到一个应力作用，变成了单轴 负双折射材料，这时会产生a n 的折射率差。这种双折射效应与晶体的双折射相比是 很小的，但由于它是沿光纤积累的，所以总效应就变得很大。这样光纤环的作用就相 当于位相延迟器，其延迟量由光纤环的半径和圈数就可以确定。至于偏振方位角的控 制，可以透过转动线圈面来实现，图l - 2 是一个基于单模光纤环偏振控制器的结构图。 它由三个光纤环( 分别等效于四分之一波片、二分之一波片、四分之一波片) 组成。 各自可以扭转任意角度，用这样的方式来实现偏振态的控制，能将任意输入的偏振态 转化为任意期望输出的偏振态。在这种偏振控制器中，由于光纤弯曲的半径不能过小， 否则损耗太大或易断裂，因而这种器件的体积较大：而且光纤环的转动只能靠机械方 式，因此速度比较慢。但该器件的插入损耗小，而且成本低廉，符合实验室的应用要 求【3 5 】 四分之一二分之一四分之一 波片波片波片 图1 2 光纤环型偏振控制器结构图 基于法拉第效应的偏振控制器利用了法拉第效应。即利用磁光效应来实现光偏振 态的控制。t y o s h i a o 和m y o k o t a 等人提出了一种基于火石玻璃制作的单模光纤环的 磁光法拉第效应的偏振控制技术，该偏振控制器的结构如图1 3 所示。它由两个用火 石玻璃做成的法拉第旋转器以及一个普通石英光纤环组成，其中石英光纤环被用作四 分之一波片，两个法拉第旋转器所需的磁场大小由电流控制。利用法拉第旋转效应制 作的偏振控制器具有较快的响应速度，便于和光纤链路连接。缺点是，插入损耗太大， 且由于变化的磁场对于穿过磁场的偏振光会发生散射损耗，容易导致光信号功率出现 波动。 3 西安邮电学院硕士学位论文论 输入偏 图1 - 3 基于火石玻璃的偏振控制器结构图 由m a t t h e wt e r r e l 等人提出的扭转光纤型偏振控制器，结构如图1 - 4 所示【3 0 】。此 偏振控制器是由三段分别为6 c m 长的光纤熔接在一起构成，在每段光纤中心部位加上 扭转机构，三段空心光纤分别朝着不同的方向进行扭转而使其光纤的主轴发生偏转， 其扭转角度分别为f l 、乃、h ，范围为( - 1 8 0 。，1 8 0 。) ，步长为1 8 。，选择合适的扭转 角度，就能控制输出偏振态。这种偏振控制器的优点是：结构简单，造价低廉，体 积小，便于和光纤链路连接。缺点是：偏振相关损耗比较大，控制精度较差，对波长 敏感，另外，由于长期扭转光纤会造成光纤损伤甚至断裂，从而会影响偏振控制器的 正常使用。 扭转角厦w l扭转角厦w 3 图1 - 4 基于扭转空心光纤型偏振控制器结构图 1 2 2 延迟量控制型偏振控制器 延迟量控制型偏振控制器主要通过控制位相延迟单元的延迟量对输出偏振态进 行控制，其中各个位相延迟单元的取向是固定的，其延迟量随加载的电压变化【3 6 1 。 延迟量控制型偏振控制器包括：挤压光纤型、液晶型、铌酸锂晶体型、基于声光效应 的空心光纤型等。 挤压光纤型偏振控制器利用了单模光纤的光弹效应，这种光弹效应偏振控制器通 常由两段( 或更多) 加压的单模光纤构成，作用力方向错位4 5 。光纤上加载压力的 大小，决定了相位延迟量的大小，从而可以控制输出光的偏振态，该偏振控制器的结 构如图1 5 所示网。由于是全光纤结构，该器件不仅没有背向反射，而且插入损耗和 偏振相关损耗都比较低、并且便于和光纤链路连接。但是由于长期挤压光纤会造成光 纤损伤甚至断裂，从而影响偏振控制器的正常使用。 4 第i 章绪论 图l - 5 挤压光纤型偏振控制器结构图 液晶型偏振控制器利用了液晶电光效应中的电控双折射效应，即对向列相液晶施 加电场使其液晶分子的排列方向发生改变，从而使入射光发生双折射。因为调节控制 电压可以改变一定厚度液晶的双折射程度，可以把一定厚度的液晶盒作为具有固定的 或者可变的相位的延迟器来使用，所以它是一种相位可变的偏振控制器。当外加电压 改变时，液晶盒上的位相延迟量也迅速发生变化，因此这种偏振控制器具有很快的响 应速度。但是此类偏振控制器的缺点是插入损耗大，二 作稳定性较差，不适合工作在 温度变化较大的环境及长期使用的场合 3 8 - 3 9 】。 电光型和波导型偏振控制器使用的都是铌酸锂晶体，所以两者可以归为一。类分 析。铌酸锂偏振控制器不但可以产生两个正交模式之间的延迟，而且可以改变主轴方 向。a r j a nj p v a nh a a s t e r e n 等人提出了一种电光调制型的铌酸锂晶体偏振控制器， 其结构如图1 6 所示一。这种控制器的优点是：偏振变换速度快、便于集成光路；缺 点是：造价昂贵、驱动电压高、插入损耗大。它的缺点是对输入光的偏振态很敏感， 在实际的光线通信系统和光纤传感系统中，由于温度的变化和振动的影响，光线中传 输光的偏振态会发生随机漂移，从而导致调制效果的下降。 钛扩敌波导 幽! 一6 铌酸锂晶体偏振控帛j 器结构图 二氧化硅缓冲层 金电极 韩国的j y u ，j l e e 等人提出了一种利用声光效应的空心光纤型偏振控制器，结构 如图1 - 7 2 9 1 。它是通过压电陶瓷作为压电换能器将射频信号转换为一定频率的声波在 空心光纤中传播，声波在空心光纤中传播时，空心光纤的内径会产生微小的周期性的 西安邮电学院硕士学位论文论 形变，利用其产生双折射效应来进行偏振态的控制。这种偏振控制器的插入损耗比较 小，响应速度很快，但是这种偏振控制器对波长比较敏感，由于受到光纤内径形变的 限制，延迟量的范围受限制，并且影响其工作性能的因素较多，所以该器件的工作性 能不稳定。 一定频率的声波 空心光纤 图1 7 利用声光效应的空心光纤型偏振控制器结构图 基于保偏光纤型的偏振控制器利用了保偏光纤的热光效应，e r l y o n s 等人提出 了一种电控微加热器型全光纤式偏振控制器，它的结构如图i - 8 所示【3 1 1 。该偏振控 制器使用了三段剥除了保护层和涂覆层的保偏光纤，其表面依次镀上2 0 n m 铬( c r ) 和 1 5 0 n m 金( a u ) 形成了微型加热器，在每段光纤两端再涂覆导电的环氧树脂作为加热电 极，并使三段光纤的光轴互成4 5 。熔接在一起，在输入和输出端分别熔接上标准单模 光纤和保偏光纤，这就构成了完整的偏振控制器，通过控制保偏光纤的热光效应来控 制输出偏振态，它可以看成是一种延迟量型偏振控制器。这种偏振控制器的优点是： 插入损耗小，结构紧凑，驱动电压低；缺点是：整个器件的制作复杂，控制精度较差， 器件的响应速度受到热传导速率的限制。 输竺团 徽加热器 厂、 口口口竺态 图1 - 8 电控微加热器型全光纤式偏振控制器结构图 电光光纤型偏振控制器是通过在空心光纤内充入液晶的方法制成的，如图卜9 所示1 4 l l 。要使三个相位控制单元和三对薄膜电极，三对薄膜电极设计在空心光纤的 包层上，这样就有利于器件的集成化和做成成对的电极，三个相位控制单元的主轴是 固定的，通过控制三对电极上加载的电压来控制三个相位控制器的延迟量，最终达到 偏振控制的目的，它属于相位延迟量控制型偏振控制器。这种偏振控制器的优点是： 响应速度快，能提供快速的偏振控制，驱动电压较低，插入损耗小。缺点是：器件制 作比较复杂，工作稳定性较差，不适合工作在温度变化较大的场合。 6 第1 章绪论 输入倔 0 。 第一段 图卜9 基于空心光纤的电光光纤型偏振控制器结构图 1 2 3 方位角延迟量控制型偏振控制器 方位角一延迟量控制型偏振控制器是前面两种方法的结合，通过同时改变延迟器 的方位角和延迟量对偏振态进行控制。由于这两个参量能同时改变，所以这种偏振控 制器的算法相对要复杂一些，但如果能由偏振仪事先确定输入的偏振态的相关参量， 则能以简单方法同时确定两个参量，所以这种偏振控制器多是利用前馈的方法进行控 制。这种偏振控制器对波片电极结构要求很严格，又由于是前馈控制，需要有昂贵的 偏振检测仪，这对在线控制是不利的。压电陶瓷型偏振控制器就属于这一类 4 2 1 。 压电陶瓷( p l z t ) 偏振控制器利用了压电陶瓷优良的光学性质，压电陶瓷本身具有 电控可变光散射和电控可变双折射的性能，可以用做光开关、光调制器等器件。日本 光子实验室的k a t s u h i k oh i r a b a y a s h i 等人利用p l z t 制作的一种光轴和相位都可变的 单片偏振控制器【3 6 1 。其基本原理是：将p l z t 片放置在特殊结构的装置中，并在装置 两端接上光纤。通过特殊形状的p l z t 片上镀金属电极在其内部形成两个正交的电 场，改变所加电压的大小就可以获得相位可变、光轴可变的波片，从而实现偏振控制 功能。这种控制器，整个器件的尺寸很小，便于集成到偏振相关效应的补偿系统中去， 响应速度也比较快，而且由于光轴可以无限旋转，对波片方位角的旋转范围没有限制。 但是这种偏振控制器的插入损耗比较大，对器件的实用化是一个很大的障碍，同时它 需要较高的驱动电压。 1 2 4 各种偏振控制器的性能比较 一个好的偏振控制器应该具有高的控制精度、低驱动电压、低插入损耗、快的响 应速度，低廉的成本。但目前还没有一种偏振控制器能完全做到上述的要求，对目前 各种偏振控制器的性能比较见表1 1 。 7 西安邮电学院硕士学位论文论 表1 1各种偏振控制器的性能比较 类型插入损耗响应速度控制精度成本波长敏感 挤压光纤型低慢低低不 波片型低慢高低是 光纤环型低慢低低是 基于法拉第效应的高快较低较低不 液晶型中 快中高 不 铌酸锂电光晶体型高快高高不 压电陶瓷型中快高高不 利用声光效应的低快低低是 空心光纤型 基于空心光纤的低快低高否 电光光纤型 基于扭转空心低一般低低 是 光纤型 电控微加热器型低快低高是 通过表卜l 看到每一种类型的偏振控制器都有各自的优缺点，我们应该根据实 际需要选择合适的偏振控制器。随着信息时代的到来，高速光纤通信、相干光通信和 光纤传感系统在国民工业中的地位越来越重要，所以开展研制具有自主知识产权的、 实用的、高精度的、低插入损耗的偏振控制器具有重要的理论意义和应用价值。 1 3 本论文主要研究内容 偏振控制器在相干光通信、高速光纤通信领域以及光纤传感等领域都具有十分重 要的地位。因此，对偏振控制器的研究具有很重要的理论意义和实用价值。本文主要 从以下几个方面展开研究： ( 1 ) 分析偏振控制器的发展背景及研究现状，对目前各种偏振控制器的性能进行 比较，以期可以根据实际需要选择合适的偏振控制器。 ( 2 ) 利用一种新的表示偏振态的方法偏振态投射平面的二维几何方法，研究 ， 导+ 昙+ ( q h q ) 型偏振控制器的算法。在处理偏振变换时，该方法比比邦加球法和 qz 矩阵法简单明了。 ( 3 ) 方位角控制型偏振控制器是波长敏感的，用仿真的方法验证该结论，并以q h q 型偏振控制器为例对方位角控制型偏振控制器的波长相关性进行误差分析，其结果将 对进行方位角控制型偏振控制器的误差补偿具有很重要的指导意义。 ( 4 ) 对两个延迟器级联型偏振控制器进行研究，即对0 。一4 5 。型偏振控制器和 8 第1 章绪论 4 5 。一0 。型偏振控制器进行研究，分析它们各自的控制性能。针对4 5 。一0 。型偏振控制 器响应速度快、插入损耗小、控制算法简单等优点提出一种改进的4 5 。0 9 型偏振控 制器。 ( 5 ) 对三个延迟器级联型偏振控制器的算法进行研究，即对o 。一4 5 。一0 。型偏振控制 器的控制原理和算法进行研究。 ( 6 ) 延迟量控制型偏振控制器是波长敏感的，用仿真的方法验证该结论，并以 0 。一4 5 。一0 。型偏振控制器为例对延迟量控制型偏振控制器的波长相关性进行误差分 析，其结果将对进行延迟量控制型偏振控制器的误差补偿具有很重要的指导意义。 9 西安邮电学院硕士学位论文 第2 章光的偏振态及光在晶体中的传播 本章介绍光偏振的概念，以及光偏振态的几种表示方法，这些方法为我们分析偏 振态的转化提供了依据。 2 1 光波的偏振态 偏振是各种矢量波共有的一种性质，光波作为特定波段的电磁波( 一种矢量波) ， 是一种横波，其振动方向应与传播方向正交。在垂直于传播方向的平面内，电场强度 矢量可能存在各种不同的振动状态，此即光的偏振态。通常将光振动矢量方向与光传 播方向构成的平面称为偏振面或振动面。根据偏振面的不同表现形式，一般可以将光 波的偏振态分为3 类5 种：完全偏振( 线偏振、圆偏振、椭圆偏振) 、自然光和部分 偏振光。事实上，线偏振光和圆偏振光都是椭圆偏振光的两种特殊形式。 偏振面方位恒定的偏振光称为线偏振光或平面偏振光。线偏振光的特点是，光振 动只限于某一确定的平面内，从而其光振动矢量在垂直于传播方向的平面内的投影为 一直线。偏振面相对于传播方向随时间以圆频率旋转，其光振动矢量末端的轨迹位 于一个圆或椭圆上，这种偏振光称为圆或椭圆偏振光。根据光振动矢量旋转方向的不 同，圆或椭圆偏振光有左旋和右旋之分。确切地说，由于空间传播的原因，光振动矢 量末端的轨迹实际上呈圆或椭圆形螺旋状，只是在垂直于传播方向的平面上的投影构 成一个圆或椭圆。若迎着光传播方向观察时，光振动矢量逆时针旋转，则称为左旋， 反之称为右旋。需要说明的是，左旋和右旋的规定是相对的。实际上近代物理中也常 采用另一种规定：当光的传播方向与旋向符合左手螺旋规则时( 即顺着光传播方向观 察，光振动矢量逆时针旋转时) ，称为左旋；当光的传播方向符合右手螺旋规则时( 顺 着光传播方向观察，光振动矢量顺时针旋转时) ，称为右旋【4 3 - 4 4 1 。 根据矢量合成与分解规律可知，偏振面取一定方位的线偏振光，也可以看成是振 动方向正交、相位相同或相反的两个同频率线偏振光的合成。而圆偏振光则可以看作 是振幅相等、振动方向正交且相位相差_ + x 2 的两个同频率线偏振光的合成。其中正 号对应右旋，负号对应左旋。与圆偏振光类似，椭圆偏振光可以看作是振幅不相等、 振动方向正交且相位差恒定的两个同频率线偏振光的合成。事实上，当某一偏振态经 过双折射晶体时，就存在着这种偏振态的分解，两个正交偏振光以各自不同速度在晶 体中传播。基于以上分析可知，任一偏振态可由两个正交线偏振态表征，其中两偏振 光的相位差( 即竖直方向线偏振光相对于水平方向线偏振光的相位延迟) 为万= 破一参，。 图2 1 所示为一偏振椭圆，表征该椭圆和电场偏振特性的物理量有椭圆的方位角 口和椭率角占1 4 5 。方位角秒定义为椭圆主轴( 一般为长轴) 和x 轴正向之间的夹角。 它确定了偏振椭圆在平面内的取向。考虑到0 的物理意义，它的大小范围为： 1 0 第2 章光的偏振态及光在晶体中的传播 一三秒 一7 (21)22 、， 椭率角占是用来描述偏振椭圆的长轴和短轴比值关系的一个量，定义为： t g c ：皇( 2 2 ) 限定范围为： 一三g 三( 2 - 3 )44 显然，当口- - = b 时，椭圆偏振态演变为圆偏振态；当a = 0 ，b 0 或口0 ，b = 0 时， 椭圆偏振态变为线偏振态。 偏振椭圆的旋向性决定了椭圆的旋进方式，分为右旋偏振光和左旋偏振光两种方 式，分别对应式( 2 - 2 ) 中的+ 号和号。当观察者迎着光波的传播方向看时，如果椭圆按 顺时针旋转，就是右旋偏振光：如果椭圆按逆时针旋转，则是左旋偏振光。相位缈给 出了，_ 0 时电场的初始位置a 和椭圆主轴间的夹角，它的取值范围为万矽 7 。 。y 亡 刃 修 j 一冬 y 图2 1 直角坐标系中偏振椭圆的表示 2 2 偏振态的描述方法 偏振态的描述方法有多种，下面介绍几种常用的方法：j o n e s ( 琼斯) 矢量表示 与琼斯矩阵、斯托克斯矢量表示和m u l l e r ( 米勒) 矩阵、庞加球表示法以及偏振态平 面投射法。 2 2 1 椭圆偏振态的描述 椭圆偏振光是完全偏振光的最普遍方式，它可用振动方向互相垂直的两个线偏振 光表示，它们的振幅和相位保持有确定的关系1 4 4 1 ，即： 西安邮电学院硕士学位论文 l t a l l 口= 每( 振幅比) 4 、 ( 2 川 l 万= 以一九( 相位差) 随着时间的变化，合成后电矢量末端的轨迹方程为 ( 等) 2 + ( 考) 2 2 ( 鲁) ( 考 c o s 艿= s ；n 2 万 c 2 5 ， 它表示电矢量末端的运动轨迹是一个在x ，y 方向上分别取值为2 彳，2 a ，所描述的矩 形的内接椭圆，此即椭圆偏振态的轨迹。 j = 0 或2 石的整数倍时，其合成光波是线偏振光；万= 1 的奇数倍时，其合成光 波也是线偏振光，只不过偏振方向相差1 8 0 ；万= # 2 的奇数倍时，其合成光波是正 椭圆偏振光，若同时彳。= a 一则其合成光波是圆偏振光；万取其它值时，合成光波 为任意取向的椭圆偏振光。椭圆偏振光有左右旋之分，通常规定队着光的传播方向看 去，合矢量顺时针旋转时为左旋偏振光，反之右旋。其旋转方向取决万的取值范围： 0 占石为右旋，一刀 万0 为左旋。由此可见，利用参量振幅比t a n z 和相位差万就 可以决定椭圆的形状和旋向，从而确定某一种偏振态。 椭圆偏振光还可用其椭圆长轴的方位角及椭圆度来描述。如图2 1 ，取x 、y 为 椭圆长短轴的方向，其长短半轴分别为q 、q ，z 方向与x 轴的夹角为秒( 俐_ 0 表示x 方向线偏振光更强， s = 0 表示两个方向强度相等，墨 0 ，位于 4 5 。方位角方向的线偏振光更强，是= 0 则两个方向强度相等，最 0 表示右旋偏振光占优势，墨= 0 则两个方向强度相等，s s 1 2 + s 2 2 + s 3 2 ( 2 2 7 ) 在自然光( 非偏振光) 和单色光( 完全偏振光) 之间广泛存在的光被称为部分偏 振光。一般情况下，可以把部分偏振光表示为单色光和自然光的混合光，其斯托克斯 矢量为二者斯托克斯矢量之和： s = 瓯县+ s _ ( 2 2 8 ) 描述部分偏振光的一个重要参数就是它的偏振度( d e g r e eo fp o l a r i z a t i o n , d o p ) 。 偏振度定义为光束中全偏振分量的强度和光束总光强的比值。 d o p = 墨2 + 岛2 + 岛2 ( 2 2 9 ) 由式( 2 2 8 ) 、( 2 2 9 ) 、( 2 - 3 0 ) 以及( 2 3 2 ) ，可以得到如下结果： ( 1 ) 自然光( 非偏振光) ：d o p = 0 ( 2 ) 部分偏振光：0 d o p 1 ( 3 ) 单色光或者准单色光( 全偏振光) ：d o p = l 根据式( 2 1 8 ) 一( 2 2 0 ) ，可以由偏振光斯托克斯参量推导出偏振椭圆方位角9 和椭率角 g 的表达式 2 0 = a r c t a n ( s 28 1 ) ( 2 3 0 ) 2 血 赢剖 ( 2 - 3 1 ) 注意式( 2 - 3 0 ) 和( 2 3 1 ) 仅仅对单色平面光适用。