（电子科学与技术专业论文）基于透明电光陶瓷偏振控制器及其算法的设计与研究.pdf

浙江大学博士学位论文 a b s t r a c t t h ed e v e l o p m e n to ft h e p o l a r i z a t i o nc o n t r o l l e r s ( p c s ) i s s u m m a r i z e da n dt h ep c sa r e c 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 lp c s ，t h er e t a r d a t i o n c o n t r o lp c 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 c sa c c o r d i n gt ot h er e t a r d e r su s e di np o l a r i z a t i o nc o n t r o ld e v i c e s m a t h e m a t i c sm o d e l so fs o pa n dt h eo p t i c a lp r o p a g a t i o nc h a r a c t e r i s t i c si ne l e c t r i c - o p t i c a lc r y s t a l a r er e v i e w e d t h ep r o p e r t i e so f t r a n s p a r e n te l e c t r o - o p t i cc e r a m i c sa r es t u d i e di nd e t a i l a4 - p l a t e e l e c t r o o p t i cp o l a r i z a t i o nc o n t r o l l e r i sc o n s t r u c t e dw i t ht h e p l a t e s f a s ta x e s o r i e n t e da l t e m a t e l y4 5 0 ，0 0 ，4 5 。a n d0 。w i t hr e s p e c tt oh o r i z o n t a l o nc o n t r o l l i n g ，t h eo u t p u t p o l a r i z a t i o ns t a t ei sm o d i f i e db yc h a n g i n g t h ep h a s ed e l a yo f t h ep l a t e sa n df i x i n gt h e i rf a s ta x e s u s i n gj o n e sm a t r i x ，t h ep o l a r i z a t i o ns t a t eo fp o l a r i z a t i o nl i g h tt h r o u g h t h ep o l a r i z a t i o nc o n t r o l l e r i sa n a l y z e d t h em u t a t i o n o p e r a t i o n i ss u b s t i t u t e db yr a n d o md i t h e rf o rm o d i f i e dg e n e t i ca l g o r i t h m s a p p l i e di np o l a r i z a t i o nc o n t r 0 1 t h es i m u l a t i o nf o r4 - p l a t ep o l a r i z a t i o nc o n t r o l l e rs h o w s t h a tt h e r a n d o mi n p u ts t a t eo fp o l a r i z a t i o n ( s o p ) c a nb ec o n v e r t e di n t oaf i x e dl i n e a ro u t p u ts t a t eo f p o l a r i z a t i o nb yt h em o d i f i e dg e n e t i ca l g o r i t h m s o nt h ec o n t r o l l i n gt h eo u t p u ts t a t eo f p o l a r i z a t i o n i ss t a b l ea n dt h ef l u c t u a t i o no f i n t e n s i t yo f t h ed e s i r e do u t p u tl i g h ti sl e s st h a n2 an e we n d l e s sp o l a r i z a t i o nc o n t r o la l g o r i t h mb a s e do r ls i m u l a t e da n n e a l i n g ( s a ) a l g o r i t h mi s p r o p o s e da n dd e m o n s t r a t e d t h es aa l g o r i t h m c a nq u i c k l ys e a r c ht h es o l u t i o ni nt h ew h o l er e g i o n a n de a s i l ye s c a p ef r o mt h es a d d l ep o i n t s t oe m p l o yt h es ai nt h ep c s ，t h ec o n t r o lp a r a m e t e r so f t h es aa r es t u d i e d t h es i m u l a t i n gr e s u l t so ft h es a b a s e d4 - p l a t ep o l a r i z a t i o nc o n t r o l l e rw h i c h p h a s ed e l a yv a t 3 ，f r o m0 t o2 ”s h o wt h a tt h i sc o n t r o l l e ri se n d l e s sa n dt h eo u t p u tp o l a r i z a t i o ns t a t e i ss t a b i l ew h i l et h el i g h ti n t e n s i t yf l u c t u a t e sl e s st h a nl t ov e r i f yt h es ac o n t r o la b i l i t y , a na p p l i c a t i o no ft h ea l g o r i t h mi n af a s tf e e d b a c k p o l a r i z a t i o nc o n t r o l l e r ( p c ) c o n s t r u c t e db yf o u re l e c t r o - o p t i cc e r a m i cv a r i a b l ew a v e p l a t e sf o rt h e c o n t i n u o u sc o n v e r s i o no ft h es t a t eo fp o l a r i z a t i o n ( s o p ) i si n v e s t i g a t e d t h ee x p e r i m e n tr e s u l t s s h o wt h a tt h ef l u c t u a t i o no ft h el i g h ti n t e n s i t yi nt h ed e s i r e do u t p u ts o p i sl e s st h a n2 a n dt h e e x t i n c t i o ni sl a r g e rt h a n2 0d bf o rar a n d o mi n p u ts o p t h i ss a b a s e dp c c a nm n r e s e t - f r e e l ya n d t h er e s p o n s et i m ei sl e s st h a n4 0 0 p s t h ee n d l e s sr e s e to fs i m u l a t e da n n e a l i n ga l g o r i t h mb a s e dp o l a r i z a t i o nc o n t r o l l e ri sa n a l y z e d r h en e er e s e tm e t h 。di su s e dt oo v e r c o m er e s e t f l u c t u a t i o ni nt h i sc o n t r o l l e ra n ds i m u l a t i n g 浙江人学博十学位论文 r e s e a r c hs h o w st h a tt h ed i s a d v a n t a g e o u sr e s e ts u r g ew a sf o u n dw i t hn 0 6r e s e tm e t h o di nt h i s c o n t r o l l e r t oe n s u r et h ee n d l e s sp r o p e r t yo ft h ec o n t r o l l e r , ac o e r c i n gr e s e tm e t h o di si n t r o d u c e d f o rr e s e t t h i si sb a s e d0 nt h ef a c tt h a ta tl e a s tt w o p l a t e so f 舡a r e u s e d ， e q u i v a l e n tr o t a t a b l eq u a r t e r - w a v ep l a t e sa n dr o t a t a b l eh a l f - w a v ep l a t e sa r ec o n s t r u c t e df r o m s e q u e n c e so fa d j u s t a b l el i n e a rr e t a r d e r sw i t hf i x e dr e t a r d a t i o na x e s t oa v o i dr e s e t t i n g ，t h e a d j u s t a b l el i n e a rr e t a r d e r sb a s e dp o l a r i z a t i o nc o n t r o l l e ru s i n gr o t a t i n gp l a t e sb a s e dp o l a r i z a t i o n c o n t r o l l i n ga l g o r i t h m i s p r o p o s e da n dd e m o n s t r a t e d s i m u l a t i o nr e s u l t s s h o wt h a tt h e4 - p l a t e p o l a r i z a t i o nc o n t r o l l e r i se n d l e s sw h i l et h er a n g eo fr e t a r d a t i o ni sc o n f i n e di n t o2 na n dt h e t r a n s f o r m a t i o no fs o p si sc o n t i n u o u s ，a n dr e s t - f r e ea n dt h ep h a s es h i f t sa r es m o o t h 。 t h ef e e d b a c k s i n g l e r o t a t a b l e - v a r i a b l e o p t o c e r a m i cw a v e p l a t ep o l a r i z a t i o n c o n t r o l l e ri s c o n s t r u c t e db a s e do nt h ev a i l a b l er e t a r d a t i o na n dr o t a t a b l ea x e so f a w a v e p l a t e f o rt h i sc o n t r o l l e r , t h es i m u l a t e da n n e a l i n ga l g o r i t h mi sa p p l i e dt od i t h e ro p t i m i z a t i o nc o n s i d e r i n gt h el i m i to fp h a s e s h i f ta n dt h ee n d l e s sr o t a t a b l ea x e s s i m u l a t e dr e s e a r c h e ss h o wt h a tt h i sc o n t r o l l e rc a nn n s f o r m a n yv a r y i n gg e n e r a li n p u tp o l a r i z a t i o ns t a t ei n t oa na r b i t r a r yl i n e a ro u t p u tp o l a r i z a t i o ns t a t e o n c o n t r o l l i n g t h ep h a s es h i f tv a r yw i t h i no - 2 n ，s ot h ef l u c t u a t i o nc a u s e db yr e s e t t i n gc a nb ea v o i d e d k e yw o r d s ：p o l a r i z a t i o nc o n t r o l l e r , t r a n s p a r e n te l e c t r o - o p t i cc e r a m i c s ，s i m u l a t e da n n e a l i n g a l g o r i t h m ，e n d l e s sr e s e t , r e t a r d a t i o n 本课题承浙江省科技计划重点项目资助 ( n o 2 4 c 2 1 g 2 0 l 0 7 ) 浙江人学博士学位论文 1 1 引言 第一章绪论 光纤通信的诞生与发展是电信史上的一次重要变革。但是随着通信技术的飞 速发展和信息交流的日益增多，语言、图像、数据等信息量爆炸式地增长，尤其 是因特网的迅速崛起，广大用户对通信网的带宽速度提出了更高的要求。发展高 速光纤通信系统的一种有效方法是在现已敷设的光纤通信系统上利用复用通信 技术进行升级【o “j 。 但随着传输速率的提高，通信系统对光纤中的偏振模色散( p m d ) 、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 ) 等一 系列由偏振引起的损害也越来越敏感【1 2 6 1 。这些损害主要是由光纤本身的缺陷 造成的，在实际使用的标准通信光纤中，传输光的偏振态是沿光纤不断变化的。 产生这种变化的原因是光纤中由热应力、机械应力以及纤芯的不规则性等因素引 起的不规则双折射。更糟糕的是，光纤中的双折射效应是随温度、压力、应力以 及其它环境因素不断变化的，这就大大增加了偏振相关损害的不可预知性【l l 1 8 1 o 偏振模色散是限制当前高速光纤通信系统的主要因素。单模光纤中的不规则 双折射使得原先简并的基模呈现出双模特征，偏振模间的差分群时延( d g d ) r ，即偏振模色散，如图1 1 所示，它会引起光脉冲信号的展宽。为抑制偏振 模色散对光通信系统的影响，必须进行偏振模色散补偿。由于偏振相关损害是随 时间变化的，消除他们的方法必须是动态的、可适应随机变化的i l “”l 。图l - 2 是 一个典型的一阶p m d 补偿器，它由一个动态偏振控制器( p c ) 和一个固定的或 可变的差分群迟延线( d g d ) 组成，其补偿过程如下：首先通过p c 将两偏振信 号分开，然后用延迟线分别对两偏振模信号进行延时补偿，在反馈回路的控制下， 使两偏振模之间的时延差为零，最生将补偿后的两偏振模信号混合输出1 1 。 幽1 - 1 偏振模色散的产生 浙江大学博士学位论文 圈t 一2 典型的一一阶偏振模色散补偿 相干光通信是一种重要的通信方式，它通过光载波的频率或相位传输信息， 利用零差或外差技术检测传输信号。利用它可提高光接收机的灵敏度，比直接检 测( i m d d ) 高1 0 2 5 d b ；实现信道问隔小于1 1 0 g h z 的光频分复用技术；增 强系统抗非线性效应的能力1 2 。相干光通信的相干检测，要求接收的信号光与 本地振荡光的偏振方向匹配，这是通过偏振控制嚣来实现的孙1 。 传输链路中的许多器件或模块都是偏振敏感的，如光电( e o ) 和电吸收( e a ) 调制器、光干涉计等。在这样的链路中使用一个偏振控制器即可通过优化器件或 模块的输出功率，实现偏振敏感度的最小化【2 9 1 。这种方案同样也可以用来降低 许多无源器件的偏振相关损失( p d l ) 。 偏振控制器也可以用做扰偏器，以得到高度随机的偏振态。为了监测和补偿 沿链路的p d l ，需要把快速扰偏器放置在光发射模块之后，通过监测由器件或 光模块( 如e d f a 等) 的p d l 引起的功率起伏，来监控系统的p d l 。通过反馈 信号来控制偏振控制器和产生p d l 的器件，可以使功率起伏达到最小。 在传输系统中，由偏振相关增益( p d g ) 引起光放大器的性能降低可以通过 扰偏器来抑止。偏振相关增益与偏振度成正比，低的偏振度可以降低偏振烧孔效 应( p h b ) ，减小偏振相关增益。当偏振态的扰动频率大于光放大器响应时间( m s 级) 的倒数时，偏振度就能够达到最小。 此外，偏振控制器还广泛应用于干涉型传感器以及某些非线性光学系统中的 偏振态匹配【3 2 ，3 3 1 。总之，在现代光通信系统中，偏振控制器已成为一种不可或 缺的光通信器件，是克服光传输系统中偏振相关损害和监测仪器偏振特性的关键 元件。 1 2 偏振控制器概述 所谓偏振控制器( p o l a r i z a t i o nc o n t r o l l e r ，简称p c ) ，就是指能将任意输入偏 振态转换为任意期望输出偏振态的偏振态控制器件。偏振控制器町利用晶体的双 浙江大学博士学位论文 折射现象来改变偏振态：通过一一定的组成方法( 串接波片数量和各波片间相对方 位关系) 和控制算法( 高速动态改变波片的方位角和双折射相对位相差) ，以得 到期望的输出偏振态3 8 1 。在偏振控制器中，把具有双折射性能的光元件统称 为波片，而其双折射相对位相差简称为延迟量( r e t a r d a t i o n ) 或相移( p h a s e s h i f t ) 。 1 2 1 偏振控制器性能指标 偏振控制器的技术指标主要有：响应速度( r e s p o n s et i m e ) ，消光比( e x t i n c t i o n r a t i o n ) ，插入损耗( i n s e r t i o nl o s s ) ，回波损耗( r e t u r nl o s s ) ，启动损耗，偏振相 关损耗( p d l ) ，工作带宽，无中断调节能力( 无端性) ，最大光输入功率等。 响应速度决定了偏振控制器的动态实时跟踪能力，在光纤通信系统中，通常 要求有很高的响应速度，如用于p m d 补偿的偏振控制器的响应时间必需小于 l m s f j 5 】。 消光比常用于期望得到线偏振态的偏振控制器，它表征了偏振控制器对偏振 态的控制能力，大的消光比说明能较好得到期望输出偏振态，目前已有3 0 d b 以 上的偏振控制器。它可定义为期望方向光强与正交方向光强的比值。 启动损耗用于量度启动偏振控制器时所引入的插入损耗，定义为在所有可能 的启动条件下最大插入损耗和最小插入损耗的差值。由于所有偏振相关损害的补 偿机制都是利用反馈信号来激活偏振控制器进行动态偏振控制的，所以，控制器 启动时所产生的损耗和波动都可能会使反馈信号产生错误，从而直接导致仪器的 性能下降。另外，在使用偏振控制器进行p d l 测量的仪器中，启动损耗还会限 制仪器测量的分辨率和准确度。 偏振控制器自身的p d l 也会使反馈信号产生错误，使补偿的软件、硬件设 计变得非常复杂。在光纤通信系统中，与偏振控制器相关的损耗应尽量低，以减 少控制器自身对光信号的影响。 偏振控制器的无中断调节，即无端性也是非常重要的一个特性。在光网络中， 任何偏振状态的重置都可能引起不可预料的信号中断。 1 2 2 偏振控制器分类 偏振控制器可有多种分类方法。按对波片作用方式的不同，可分机械式、电 控式、以及全光学偏振控制器【3 8 - 4 4 。机械式包括光纤曲柄偏振控制器和光纤环 偏振控制器，它利用步进电机来转动光纤f f 柄或光纤环。4 4 4 5 o 机械式偏振控制 浙江人学博士学位论文 器由于涉及到机械装置，故其控制速度一般较慢，但它采用在线光纤进行偏振态 控制，故其损耗一般很低，机械式偏振控制器多用于实验室研究。电控式偏振控 制器包括电光、压电、磁光、液晶等多种类型，通过外加电场的变化来变换偏振 态【4 。”。电控制式偏振控制器的控制速度一般较快，但它需要复杂的控制电路 和较高的偏压，而且价格偏高。电控式偏振控制器可用于实际的光通信系统。全 光学偏振控制器不需附加其他控制装置，控制速度很快，几乎没有时延，可用于 全光网通信系统，但它的输出偏振态单一，不能得到其他期望输出偏振态，同时 对波长很敏感【 “】。 偏振控制器都是由多个位相延迟器即波片串接而成，位相延迟器有两个可变 量，即位相延迟量和折射率主轴方位角，这两个参量中任意一个的改动，都会对 输入偏振态产生影响，偏振控制器就是通过变动各波片的这两个参量来实现对偏 态控制。因此，按位相延迟波片对偏振态作用原理不同，偏振控制器可分为三种 主要类型：一是控制器中波片的延迟量固定但其方位角可变，利用波片方位角的 变化来控制偏振态的，称为方位控制型偏振控制器( d i r e c t i o n - c o n t r o lt y p e ) ，相应 的波片叫可转波片( r o t a t a b l er e t a r d e r ) ，因此也简称可转波片偏振控制器【4 ”2 j ； 二是控制器中波片的方位角固定但其延迟量可变，通过改变波片的延迟量来改变 偏振态，此即延迟量控制型偏振控制器( r e t a r d a t i o n - c o n t r o lt y p e ) ，相应的波片叫 可变波片( v a r i a b l er e t a r d a t i o np l a t e ，简称v r p ) ，因此也叫可变波片偏振控制器 5 5 6 6 1 ；三是利用波片的延迟量和方位角同时变化来改变偏振态，事实上它是上 两种类型的结合，称它为延迟量一方位角控制型偏振控制器，相应的波片口q 可变 可转波片( r o t a t a b l e v a r i a b l ew a v e p l a t e ) ，因此也叫可变可转波片偏振控制器f 辨凇。 偏振控制器还可按制成波片的材质来分，最常见的是电光晶体偏振控制器， 如液晶( l c ) 偏振控制器、铌酸锂( l i n b 0 3 ，简称l n ) 偏振控制器、电光陶瓷 ( 如p l z t ) 偏振控制器。 1 2 3 偏振控制器偏振态控制原理 、方位角控制型偏振控制器 图1 3 是方位角控制型偏振控制器典型结构图，它由三个可旋转的波片组成， 一个”2 ( h w p ) 波片处于两个列4 ( q w p ) 波片中间，每个波片都可沿着光轴 相对于其它波片自由转动。第一个l 4 波片的作用是将任意输入偏振光转变为线 偏振光，然后v 2 波片将此线偏振光旋转到任一希疆得到的偏振方向，于是第二 个列4 波片就能将该偏振光转变为任何希望得到的输出偏振态4 1 4 “。在这种实 现方法r 扣，波片的延迟是同定的，但波片的相对角度是叮变的。 浙江大学博上学位论文 图1 - 3 方位角控制型偏振控制器的典型结构 h e i s m a n n 已经证实1 4 2 l ，上述三个波片的作用等效于一个具有固定兀相移的椭 圆双折射，而其主轴在邦加球上可任意转动，因此，通过转动这个主轴，就可实 现邦加球上任意两点偏振态的转换。图1 - 4 是对这种偏振控制器控制过程的邦加 球说明。当采用具有电光效应的材料如l n 、l c 、p l z t 时，其旋转方位角没有 限制，因此，方位角控制型偏振控制器可实现无端偏振态控制，不存在复位问题， 但这种控制器对电极的要求很高，故制备并不容易。 上 置 图1 - 4 方位角控制型偏振控制器对偏振态转换作用的邦加球表示 二、延迟量控制型偏振控制器 延迟量控制型偏振控制器多由三个或四个取向成4 5 0 角的自由空间波片来实 现，图1 5 是其一种结构示意图。每个波片的延迟量随加载的电压变化；波片的 取向固定。这种可变延迟波片也可由液晶、电光晶体或电光陶瓷等材料制成。由 于波片方位固定，电场方向不变，因此波片电极的制作相对简单。 在邦加球上，两种错位4 5 。波片的快轴分别对应于赤道面上的两个f 交轴， 它们对偏振态的作用就是使其在邦加球e 的对应点依次绕这两种固定轴以各自 波片的延迟量角度进行转动，以达到新的偏振态点。4 5 。角错位，是为了防止偏 振转换过程中死角的存在。理论，卜，如果每个波片的延迟量大于2 丁c ，由两个t j ， 浙江人学博士学位论文 变波片就可实现任意偏振态间的转换。但由于波片延迟量的限制和偏振控制器无 端性要求，只有两个波片不能持续地对偏振态进行转换，当达到其相移极限时， 该偏振器将会失效。因此，为了能实现偏振态的无端控制，一般采用三个以上可 变波片：其中两个是主控波片，剩余的为补偿波片；并要附加复杂的复位算法。 图1 - 6 是由四个错位4 5 。可变波片构成的偏振控制器的控制过程在邦加球上的 表示，其中西( f 一1 ，2 ，3 ，4 ) 表示各对应波片的相移量哪j 。 图l 一5 四波片延迟量控制型偏振控制器结构 图1 - 6 延迟量控制型偏振控制器控制过程的邦加球表示 三、延迟量一方位角控制型偏振控制器 延迟量一方位角控制型偏振控制器只是前两种的结合，它只要一个波片就能 实现对偏振态的无端控制。在邦加球上其折射率主轴可在赤道面上任意转动，但 其延迟量变化是有一定范围的，通过两个参量的同时改变来改变偏振态，而其无 端性是由其转角无端性来实现的。 1 3 光纤型偏振控制器 光纤型偏振控制器是指把光纤作为对偏振念作用单元。它的主要优点是插入 损耗小，但为实现动态控制时需要复杂的控制算法。光纤型偏振控制器有光纤环 6 浙江大学博i 学位论文 偏振控制器，挤压光纤偏振控制器，保偏光纤伸展器偏振控制器，法拉第旋转器 偏振控制器，可转挤压光纤偏振控制器，光纤曲柄等。 1 3 1 光纤环偏振控制器 光纤环偏振控制器是利用单模光纤在扭曲时呈现出的各向异性，一个光纤环 相当于一个1 2 或1 4 波片，实行偏振态控制。光纤环偏振控制器是很常见的一 类方位角控制型偏振控制器。 当单模光纤弯曲时，由于受到个应力作用，变成了单轴负双折射材料，这 时可用两正交主轴即“非常光”的快轴和寻常光的慢轴来处理光在光纤中的传播 问题，产生厶月的折射率差【4 引。这种双折射效应与晶体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。特别是把光纤绕成半径r ，圈 数的螺线圈时，选定与r 的值，可使两模之间的总位相延迟达到7 c ，n 2 ( 即 1 2 波片，1 4 波片) 。计算公式如下 l i 2 n n r = & m 式中m m 是表示捌分之一波片。这样一个光纤环的作用就完全等同于一个波片器 件，其位相延迟量由光纤环的半径和圈数就可以确定，因此也完全可以用这种光 纤环波片设计出方位角控制型偏振控制器。 图1 7 是基于单模光纤环偏振控制器的一个完整简图，它由三个光纤环( 分 别等效于1 4 、1 2 、1 1 4 波片) 组成，各自可以扭转任意角度。如把入射到时光 纤的椭圆偏振光转变为一个线偏振光，只要用两个光纤环就可实现：椭圆偏振光 首先通过一个1 4 光纤环波片，转动该波片使其快慢轴处于适当位置，以使椭圆 偏振光变成线偏振光；而后线偏振光又通过l 2 光纤环波片，通过转动该波片使 出射的线偏振光位于某一确定的方向上，这样便构成了一种最简单的偏摄控制器 4 0 - 2 1 5 1 。 幽1 7 基于单模光纤环偏振控制器示意幽 浙江大学博士学位论文 基于光纤环偏振控制器的缺点是对波长敏感：由于光纤弯曲半径不能过小， 否则损耗太大或易断裂，因而这种器件的体积较大：由于光纤环的转动只能靠机 械方式，因此其速度较慢，不能用于实时快速的偏振态控制；由于每个光纤环都 最大转动角度( 如2 7 c ) 限制，因而不能对输入变化的偏振态实现持续控制，仅 适用于两个非时变偏振态间的转换。但该器件的插入损耗小，成本低在实验室得 到广泛应用。 1 3 2 挤压光纤偏振控制器 挤压光纤也叫光纤挤压器，它是利用单模光纤的光弹效应，采用电磁挤压使 光纤产生附加的应力双折射，产生类似晶体波片的性能，它的折射率是可以随着 应而改变的。因此基于挤压光纤的偏振控制器是种延迟量控制型偏振控制器。 一段光纤被压在磁极与衔铁之间，光纤横截面受到方向确定的横向应力，应 力的大小和方向分别决定了应力双折射的大小及其快慢轴的方向。分析表明，光 纤挤压器的快轴方向垂直于压力的方向，慢轴平行于压力方向1 4 0 】。 利用这种光弹效应设计的偏振控制器通常由两段或更多段加压的单模光纤 构成，作用力方向错位4 5 6 ，挤压器线圈电流的大小决定作用力的大小，也就 决定了延迟量的大小【4 l ，5 7 】。图1 - 8 为由四个光纤挤压器构成的偏振控制器示意 图。 图1 - 8 挤压光纤偏振控制器示意图 对于挤压光纤偏振控制器，人们己进行了大量的研究，很多实际的偏振态控 制都是采用这种由四个或三个光纤挤压器构成的偏振控制器。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极低。但它要采 用复杂的控制程序，才能无中断即可实现无限制( 无需重置) 的偏振控制。而且 价格昂贵，因此在实际应用中受到限制。 浙江大学博士学位论文 1 3 3 町转光纤挤压器 图1 - 9 是可转挤压光纤偏振控制器结构示意图，它由一个可绕光纤旋转的光 纤挤压器组成。对光纤施予压力以产生一个线性的双折射，等效产生个延迟随 压力变化的全光纤波片。这样仅仅通过简单的挤压和旋转操作就可由任意输入偏 振态产生任何希望得到的输出偏振念。可见它是一种延迟量一方位角控制型偏振 控制器。 图1 - 9 可转挤压光纤偏振控制器结构示意图 这种装置不仅插入损耗低、成本低，它还具有体积小、对波长不敏感的优 点。这些优点使得此种偏振控制器有益于集成到w d m 模块中使用。但是这种器 件的调节速度非常慢，以至于无法应用于光纤网络的p m d 补偿。 1 4 电光晶体偏振控制器 电光晶体偏振控制器包括l n 偏振控制器和l c 偏振控制器，由于电光陶瓷 事实是一种多晶材料，在外加电场作用下呈现出电光晶体一样的特性，因此可把 它也归到这一类。电光晶体是通过外电场作用的来改变双折射的，其光轴方向与 外加电场方向一致，大小由电场强度决定。电光晶体都可以设计出三种类型波片， 基于方位角控制型偏控制器本身的无端性，故一般采用可转波片。 电光晶体偏振控制器的特点是响应速度快( 除l c ) ，控制方便，如l n 偏振 控制器已经得到商用化。但它也有自身的缺点：首先，制作时要进行光纤准直、 对轴、聚焦；其次，波片、微透镜等元件都价格不菲，并且需要镀增透膜、抛磨 斜角以减少背向反射：再次，由于不可避免的要将光从一根光纤中耦合输出，然 后再将其聚焦进入另一根光纤，以至于插入损耗大。而目，波片本身就对波长敏 感( 任何分数波片的确定都是针对某个固定波长的) ，从而使得此种偏振控制器 也对波长敏感。 9 浙江大学博士学位论文 1 4 1 l i n b 0 3 可转波片偏振控制器 l n 可转波片是指双折射主轴可随外加电场的变化而转动，而其位相延迟量 保持固定的l i n b 0 3 晶体。f r e dh e i s m a n n 等人对这种基于l i n b 0 3 晶体的集成光 学偏振控制器已作了大量的研究f 4 2 ，4 6 3 l 。图1 - 1 0 为一种基于i n 方位角控制型 偏振控制器示意图，它由x 切向z 轴传播的l i n b 0 3 晶体和扩散有t i 的单模波导 组成。 图1 - 1 0l i n b 0 3 偏振控制器示意图 它分成三段，每一段都有对应的电极进行电光效应控制，通过感应场产生的 t e 模与t m 模的转换使线性双折射的主轴可以进行无端转动，感应场产生的 t e t m 模间相移使各段有固定位相延迟量n 2 、n 2 ，这样就产生类似于三个 无端可转波片：第一段和第三段起到无端可转1 4 波片的作用，而第二段相当于 一个无端可转1 2 波片。 对于每一段，其波导都置有一个公共接地电极，而波导的两侧装有一对外电 极。t e 模与t m 模的转换，是通过这对外电极上的偏压所感应产生的。而 t e _ r m 模间的相移量，是通过这对外电极上所加的反向偏压一v s 2 和+ 哪所决 定的。第一段的具体驱动电压由下式给出 k ，- 2 ( v o 2 ) s i 叫 f 1 - 2 1 k l = + ( 2 ) c o s a 、 这样，第一段起到一个可转1 4 波片的作用，其主轴方位角为口2 。第二段上的 偏压方式如下 k2 = v os i n y y h 2 = y i 七。c o s y “一3 、 浙江凡学博士学位论义 第二段起到一个可转1 2 波片的作用，其双折射主轴方位作为y 2 。第三段上所 加的偏压方式为 3 = ( 2 ) s i n ( a 十s ) 3 = + ( 2 ) c o s ( a + s ) ( 1 4 ) 它起到一个1 4 可转波片的作用，其方位角由妇4 - g ) 2 决定。在上面三个公式中， 是产生t e t m 模完全转换的需的偏压，而“是t e t m 模问产生的耳相移所需 的偏压。附加偏压玢是用于补偿波导中残余的双折射。这样，通过改变偏压上 的上弧y 和岛就实现了波片的可转性。 在实际偏振控制器应用中，s 一般有两种取值情况：s = 0 和占= 7 c 。当s = o ， 两个1 4 波片处于平行状态，即有相同的方位角，故第一段和第三段的偏压应完 全一致，这时整个偏振控制器的作用就等同于一个有着持续可调延迟量的无端可 转波片。当占= 7 【，两个1 4 波片处于正交状态，即其方位角错开州2 ，因此第一段 和第三段的偏压极性相反，即有 这时整个控制器的作用就同于一个半波片，能产生有无端可调的固定相移为7 c 的 椭圆双折射。 可见这种偏振控制器不再需要具体旋转波片，两个控制电压和光电效应即可 决定各波片的相对取向( 等效光轴的方向) 。选取合适的电压即可实现每个波片 取向的无限制旋转。l i n b 0 3 电光晶体可转波片偏振控制器的控制速度很快，同 时可实现转角的无端转动，且可进行光学集成，是较理想的一个偏振控制器。但 不幸的是，用这种方法提高速度的代价是网络应用所不能接受的。它的主要缺点 是：高插入损耗( 3 d b ) 、高偏振相关损耗( o 2 d b ) 、高启动损耗( o 1 5 d b ) 以及昂贵的价格。并且，这种装置多个参数需要优化，不仅使用复杂而且造价高。 1 , 4 2 液晶可转波片偏振控制器 液晶( l c ) 偏振控制器是基于液晶的电光效应实现的7 0 。邮。图1 - 1 1 是方位 角控制型l c 偏振控制器的l c 可转波片说明图。图1 - l l ( a ) 是夹在两个玻璃板问 的a l k e n y l 簇具有近晶a + 型液晶7 7 ，7 6 1 ，它具有很大的电光效应，其主轴方向由 所加电场方向决定，采用图1 - 1 l ( b ) 的电极结构可使其产生固定的位相延迟差， ) 5 0 2+ 一 一 i i = 3 3 浙江大学博士学位论文 它由偏压幅傻v 确定，而其主轴可按角转动，这时液晶波片就相当于一个可 转波片，当多个这样的液晶波片串接时，通过改变角度，就可以对偏振态进行控 制。 e l e c t r o d e s l i q u i dc r y s t a l g l o s sp l a t 。 p 铡e p i _ 日p 匍 + 删p 1 2 0 0 ) i 名i 慨 ( a )( b ) 图1 - 11 液晶可转波片： ( a ) 液晶波片结构，( b ) 可转液晶波片外加电场 施加不同的偏压方式，液晶还可制成可变波片，或可变可转波片，实现不同 的偏振态控制方式7 0 ，7 ”。液晶波片偏振控制器有其自身的许多优点，如电光系 数高，驱动电压比p l z t 低得多，与光纤耦合效率比l n 高等，但液晶的一个主 要问题是其响应速度低，在m s 级以上。 1 4 3p l z t 可变可转波片偏振控制器 可变可变波片是指其方位角和延迟量都可以调节的波片，这类波片多是由具 有很强电光效应的透明铁电体材料构成，如p l z t 6 6 - 6 9 j 。p l z t 具有很高二次电 光效应，在外加电场作用下，其双折射主轴方向与电场方向一致，当外加电场方 向改变时，其双折射主轴是随之转动；通过改变电场的大小，可以调节其位相差。 因此在这类晶体上一般都置有两对电极，可以同时改变电场的强度和方向。 对于p l z t ，在实际应用中一般采用内嵌柱状电极结构并每对电极加以余 弦变化偏压，即v o s i n 8 和v o c o s o 。图1 1 2 是一种该结构p l z t 波片的示意 说明图 7 7 】。该柱状电极结构p l z t 内电场分布是均匀的，电场方向与臼相一致， 随着口值的增大，电场也作逆时针方向转动。由于产生的双折射主光轴方向即为 电场方向，占值变化就决定了p l z t 波片本征轴的转动，其大小对应于本征轴的 转角即方位角，f q 见p l z t 波片是可转波片。由于p l z t 波片中所产生的电场强 度大小只由电压幅值v o 决定，与角度目无关，因此v o 的变化将引起p l z t 波片 附加相对延迟量的变化，从而也是可变波片，其相移只由电压幅值确定。 浙江火学鞲士学位论文 图1 1 2 桴电极结构p l z t 波片示意幽 由于是两个参量同时能改变，故由这种可变可转波片构成的偏振控制器一般 只要一个波片就足够的，是延迟量一方位角控制型偏振控制器，但也正是两个参 量同时要改变，其控制算法相对要复杂得多。但如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，故这种偏振控制器多是利 用前馈方法进行控制。这种偏振控制器对波片的电极结构要求很严格，同时由于 是前馈控制，需要有价格昂贵的偏振检测仪，这对在线控制是不利的。 1 , 5 棱镜型偏振控制器 棱镜型偏振控制器是利用棱镜作为双折射元件进行偏振态改变。 1 5 1 分光棱镜型偏振控制器 分光棱镜型偏振控制器是一种全光学偏振控制器，图1 13 是其原理说明示 意图眦3 9 】。 僦豫分米谍双光荣鞘骨 l j ! i l l 一 r i p i l i l ? li 7 d 图1 - 1 3 全光学偏振控制器原理幽 浙江人学博士学位论文 单横光纤输出偏振态进入偏振分束器后，由于双折射特性使其两种偏振模式 分开，然后进入第二块波片进行光程补偿，使它们的偏振模式达到+ 致，最后由 双光路耦合器将具有同一偏振态的两束光合成一束光输出，即得到了一恒定的线 偏振光，其功率和偏振方向不会随输入偏振态的变化而改变。 全光学偏振控制器不需附加其他控制装置，控制速度很快，几乎没有时延， 可用于全光网通信系统，但它的输出偏振态单一，不能得到其他期望输出偏振态， 同时对波长很敏感。 1 5 2b a b i n e t - s o l e i l 补偿器偏振控制器 b a b i n e t s o l e i l 补偿器偏振控制器的核心器件是一个由两个楔形双折射晶体 组成的复合波片( 如图1 1 4 所示) ，它可以将任意输入的偏振态转变为任何希 望得到的输出偏振态。波片厚度( 对应于总延迟) 的变化可以通过两块晶体的 相对滑动来实现；同时，复合波片的取向可以绕光轴旋转。 图1 1 4b a b i n e t s o t e i l 补偿器偏振控制器 这种装置偏振控制器具有对波长不敏感的优点，因为它可以实现任何波长 的精确延迟。但这种装置具有