（电路与系统专业论文）相干光通信系统中偏振控制的研究.pdf

学科专业：电路与系统 研究生：宁伟刚 指导教师：柯熙政教授 摘要 近年来，大气激光通信系统多采用强度调制一直接探测( 呦d ) 的方式接收信号，而随 着现代通信事业的发展，对信号传输距离的要求越来越高，i m d d 方式已不能完全满足通信 要求，因此提出了接收灵敏度更高的相干光通信系统。偏振控制是相干光通信系统中必不可少 的技术环节，信号光与本振光偏振态的不一致，直接影响整个系统的接收灵敏度，削弱了相干 光通信的优势，浪费了资源。 本文的主要研究内容包括： 1 ，概述了大气激光通信相干光接收系统的研究背景，及偏振控制的研究进展； 2 ，分析了目前常用各种类型的偏振控制器，以及常用的相干光通信偏振控制技术，并对 相干光通信进行偏振控制的必要性进行了数学推导； 勘应用了一种实用的、有利于提高接收灵敏度的偏振控制方案，并建立了数学模型； 4 ，研究了粒子群算法与改进的模拟退火算法在偏振控制中的应用，使用这两种算法分别 进行偏振控制，并在m a t l a b 仿真软件中进行了仿真和验证，表明这两种算法都能够实 现相干光通信系统的自动偏振控制； 5 ，最后对本文所做的工作以及不足之处进行了总结。 通过对相干光通信偏振控制技术的研究，本文选择使用种适合于大气激光通信的偏振控 制方案；在模拟挤压光纤偏振控制器的基础上，本文采用粒子群算法和模拟退火算法进行了自 动偏振控制的仿真，结果表明模拟退火算法在完成自动偏振控制方面具有更好的全局收敛性以 及更好的实时控制能力。 关键词：无线激光通信：相干光通信；偏振控制；粒子群算法；模拟退火算法 本课题得到国家自然科学基金( 6 0 9 7 7 0 5 4 ) 资助项目、教育厅产业化培育项目( 2 0 1 0 j c l 7 ) 的资助。 西安理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t t i t l e ：t h es t u d yo fc o h e r e n to p t i c a lc o m m u n i c a t i o np o l a r i z a t i o nc o n t r o l s p e c i a l t y ：c i r c u i ta n ds y s t e m s a u t h o r ： n i n gw e i g a n g s u p e r v i s o r ：p r o f k ex i z h e n g ( s i g n a t u r e ： ( s i g n a t u r e ： a b s t r a c t i nr e c e n ty e a r s , f r e e - s p a c eo p t i c a lc o m m u n i c a t i o n ( f s o ) c o m m o n l yu s et h ew a yo fi n t e n s i t y m o d u l a t i o n d i r e c td c t c c f i o n ( i m d d ) t or c c c i v es i g n a l s ，a n dw i t ht h ed e v e l o p m e n to fm o d c l t l c o m m u n i c a t i o n s ，t h es i g n a | t r a l l s m i s s i o nd i s t a n c eh a v eb e e o m ci n c r e a s i n g l yd 豇m n d i n g i m d d m e t h o d 眺ln o tf u l l ym e e tt h ec o m m u n i c a t i o nr e q u i r e m e n t s ，s oac o h e r e n to 两c a lc o m m u n i c a t i o n s y s t e m i s p r o p o s e d p o l a r i z a t i o n c o n t r o li se s s e n t i a lt e c h n i c a la s p e c t sf o rc o h e r e n to p 6 c a l c o m m u n i c a t i o ns y s t e m s ，t h ed i f f e r e n to fs i g n a ll i g h ta n dt h ep o l a r i z a t i o no f p o l a r i z e dl i g h tw i nd i r e c t l y a f f e c tt h e s y s t e m s r e c e i v e r s e n s i t i v i t y , w h i c hr e d u c e dt h ea d v a n t a g e s o fc o h e r e n t o p d c a l c o m m u n i c a t i o na n dw a s t e dr c s o u r c c s 硼m a i nc o n t e n t so f t h i sa r t i c l ei n c l u d e ： 1 a no v e r v i e wo f c o h e r e n to p t i c a lr e c e i v e ra t m o s p h e r i cl a s e rc o m m u n i c a t i o ns y s t e mo f b a c k g r o u n d , a n dt h er e s e a r c ho f t h ep o l a r i z a t i o nc o n t r o l ； 2 a n a l y s i so f 嘟o fp o l a r i z a t i o nc o n t r o l l e rw h i c hi sc o m m o n l yu s e di n 砚喊a n d c o h e r e n t o p 6 c a lp o l a r i z a t i o n c o n t r o lt e c h n o l o g yw h i c hi s c o m m o n l yu s e d , a n dm a k cn e c e s s a r y m a t h e m a t i c a ld e r i v a t i o no f c o r n m u n i e a t i o n sa n dc o h e r e n to p t i c a lp o l a r i z a t i o nc o n t r o l ； 3 u s i n gap r a c t i c a la p p l i c a t i o np o l a r i z a t i o nc o n t r o lp r o g r a mw h i c hc a nh e l pt oi m p r o v et h el e o e i v e t s e n s i t i v i t y , a n ds e tu pi t sm a t h e m a t i c a lm o d e l ； 4 s t u d i e do fp a r t i c l es w 8 1 1 1 1a l g o r i t h ma n ds i m u l a t e da n n e a n n ga l g o f i t h m , u s i n gt h ep a r t i c l e $ w f l l m a l g o r i t h ma n di m p r o v e ds i m u l a t e da n n e a l i l l ga l g o f i t h mf o ra u t o m a t i cp o l a r i z a t i o nc o n t r o l , a n di ti s e m u l a t e di nm a t l a b ，a n dv e r i f i e dt h a tt h e s et w oa l g o r i t h m sa r ea b l et oa c h i e v ea u t o m a t i c p o l a r i z a t i o nc o n t r o li nc o h e r e n t0 1 ) t i c a lc o m m u n i c a t i o ns y s t e m s ； 5 f i n a l l y , s u n m m r y o f t h ei n a d e q u a c i e so f t h i sw o r k c o h e r e n to 皿c a lc o m m u n i c a t i o nt h r o u g ht h ep o l a r i z a t i o nc o n t r o lt e c h n o l o g y , t h i sp a p e rc h o s et o u s eap o l a r i z a t i o np r o g r a mw h i c hi ss u i t a b l ei na t m o s p h e r ec o m m u n i c a t i o n s m sp a p e ru s cp a r t i c l e s w f m lo p t i m i z a t i o na n ds i m u l a t e da n n e a l 血ga l g o f i t h mw h i c hi so nt h eb a s i so fe x a r u d e df i b e r p o l m - i z a f i o nc o n t r o l l e rt oa c c o m p l i s ha u t o m a t i cp o l a r i z a t i o nc o n t r 0 1 n l es i m u l a t i o nr e s u l t ss h o w t h a t t h es i m u l a t e da n n e a l i n ga l g o f i t h mi nc o m p l e t ea u t o m a t i cp o l a r i z a t i o nc o n t r o lh a sb e t t e rg l o l l c o n v e r g e n c ea n db e t t e rr e a l - t i m ec o n t r 0 1 西安理工大学硕士学位论文 k e y w o r d s ：f s o ；c o h e r e n to p 6 c a lc o m m u n i c a t i o n ；p o l a r i z a t i o nc o n t r o l ；p a r t i c l es w a n t lo p f u n i z a t i o n ； s i m u l a t e da n n e a l i n g t l l i sp r o j e as u p p o r t e db yt h en a t i o n a ln a t u r a ls c i e n c ef o u n d a t i o nf u n d e dp 呵e c l 惭7 0 5 4 ) a | 1 d 雠i n d u s w i a l i z a t i o n o f t h e 啪e n t o f e d u c a t i o nf i m d e dt r a i n i n gp r o j e c t ( 2 0 1 0 j c l 7 ) 绪论 1 绪论 1 1 课题背景 无线激光通信是将语音、数据、图像等信息加载到激光束e 在空间( 大气层或外太空) 进 行双向传输的一种技术，又称为“自由空间光通信 ( f r e es p a c eo p t i c 面c o m m u n i c a t i o n ) 、“无 线激光通信”或“无线激光网络”( w n - e l e s s0 1 ) t i c a ln e t w o r k ) 1 1 。 无线激光通信按照不同的传输空间可以分为三种：卫星间激光通信、水下激光通信和 大气激光通信。目前，我们的研究内容主要是大气激光通信，它是以激光束作为传输信息的 载体发射到大气中进行传输，是一种先进的通信方式。它主要由光发射系统和光接收系统两部 分组成，只要相互进行瞄准就可以通信。大气激光通信具有通信成本低、架设灵活便捷、通信 频带宽、保密性好、速率高、功耗小等优点n 1 。无线激光通信目前多采用强度调制直接检测 ( i m d d ) 来实现信息传输。与强度调制直接检测相比，外差检测方式可以大大提高接收机的 灵敏度、延长通信中继距离、实现对微弱光信号的振幅、频率和相位信息解调。因此外差检测 在弱信号探测、光通信、光雷达、遥测传感、检测技术及光谱学领域有很广泛的应用前景。 1 1 1 无线激光通信概述 f i g 1 一lw h e l e s sl a s e rc o m m u n i c a t i o ns y s t e m 无线激光通信系统主要由三大部分组成，包括发射部分、信道和接收部分，其结构框图如 图1 1 所示。其中发射部分包括：激光器、外调制器、光学天线和编码器等；接收部分包括： 光学天线、外差接收机、解调器和译码器等部分。无线激光通信根据使用情况可分为：点对点、 点对多点、多点对多点的通信方式。在此论文中，我们主要研究在发射端通过外调制器将要发 送的数据信号加载到激光光波上，然后在接收端采用外差检测技术将激光信号转换为中频电信 西安理工大学硕士学位论文 号，最后对中频电信号进行解调和译码得到发送端发送的数据信号。实现此点对点的单工通信 后，可以在两个点都加入发射部分和接收部分，就是任何一方都可以向对方发射被调制的激光 光信号，并且每一_ 亨都可以利用外差检测技术接收和解调来自对方的光信号，从而实现双工通 信。整个系统主要用到信号调制、解调、外差检测、电信号处理等技术。 无线光通信得到各国的极大重视，主要原因包括： ( 1 ) 具有比较广泛的应用，可用于现代通信的备用应急通信；可以用于不利于铺设光缆 的地方，比如海岛等；可用于军事等保密机构；大气激光通信也可以用于进行临时数据传输等。 ( 2 ) 人们对大带宽的需求。数十年来随着通行业务的迅速发展，加大了人们对大带宽的 需求。大的带宽需要高频率载波的支持，光频具有超高的频率，可以进行大宽带信息的传输。 ( 3 ) 大气激光通信也可以应用于骨干网到接入网的过度，成本较低。 ( 4 ) 宽带入户成为了新的难题，为了能够解决这个困难，许多通信公司采用可扩展的、 经济成本较低的基础设施来进行网络接入，将宽带入户。 此外，技术的发展也更好的支持了激光通信的发展。最近几十年，美国、日本、等国家相 继推出了大量激光通信产品，比如美国的大功率半导体激光器以及高灵敏度光电探测器，日本 佳能集团生产的无线光通信系统、自适应光学处理器、小体积轻重量的光学收发天线、有限带 宽内的信号压缩编码器、窄带光学滤波器和自动跟踪瞄准技术等，这些器件和技术可以完成无 线光通信，是无线光通信系统必不可少的组成部分。 1 1 2 相干光检测在无线激光通信系统中的应用 无线光通信根据接收技术的不同可以分为：非相干光通信接收和相干光通信接收。非相干 光通信接收是指应用强度调n 直接检测( 呦d ) 方式的光通信；相干光通信是指在发射端 对光波进行调幅、调频或者调相，在接收端采用相干检测( 外差或零差) 技术进行信息接收的 光通信方式。 随着无线激光通信传输距离的增加，直接检测方式的探测灵敏度已达到极限值，不能完全 发挥光载波带来的带宽优势。相干光检测接收需要确定光信号的波长，对光信号的波长具有较 高的要求，其带来的优势是该系统可以滤除空间背景光，减小背景光对信号的干扰。由于相干 光通信系统中具有大的本振光功率，它直接带来的优势是降低了散粒噪声对整个系统的影响， 使系统仅仅受限于散粒噪声。所以，相干光通信具有i m d d 通信无可比拟的优势，相干光通 信系统具有的优点可以表述为啪： ( 1 ) 在传输距离、码速率以及误码率相同的条件下，其探测灵敏度比直接探测系统提高 了( 1 0 - 2 0 ) d r 。 ( 2 ) 相干光接收系统提高了接收灵敏度，可以大大减小收发天线的口径，进而可以减小 整个接收机的尺寸大小以及功耗。 ( 3 ) 相对于较宽光频率来说，相干接收系统具有极窄的接收带宽，在合理利用相干光频 2 绪论 率跟踪技术的情况下可以极大地抑制背景光对接收系统的干扰。 ( 4 ) 相干光通信可以进行多种调制，如a s k 、f s k 、p s k 、d p s k 等调制方式，在工程 实现中可以灵活应用。 ( 5 ) 相干光接收系统极窄的接收带宽使其具有较好的频率选择性，因此，更适合用于多 通道复用系统。 相干检测的基本原理是在接收信号光时同时加入本地振荡光，使信号光和本振光在光电探 测器的光敏面上相干，形成中频信号。中频信号电流的平方比与信号光功率和本振光功率之积 成正比关系。在相干光检测系统中，本振光功率远大于信号光功率，因此两者混频后的中频信 号增益得到了提高，即进一步提高了接收机的灵敏度。 1 1 3 相干光检测系统中的关键技术 相干通信系统有两种检测方式：零差检测和外差检测。当本振光波与信号光波的频率相 同、相位差恒定时，称为零差检测；当本振光波与信号光波的频率之差( ( - o h r ) 为大于零的 定值时，称为外差检测。 零差检测的优点是探测灵敏度较高，其缺点是由于对相位的敏感度有较高的要求，要求信 号光和本振光之间的相位锁定和光频率严格匹配，它的控制处理比较复杂。外差检测时，由于 国，f f 引起探测电流( f i t ) ) 对时间的周期变化，平均的信号功率降低，带来的优势是信号处理 变得简单。所以，与零差检测相比，外差检测无需实现相位锁定，接收机设计相对简单，所以， 我们选择使用外差检测方式。要实现外差接收必须满足以下条件啪： ( 1 ) 信号光波与本振光波必须具有相同的模式结构，因为只有同一模式的光波是相干的， 不同模式的光波是不相干的； ( 2 ) 信号光和本振光束的光斑直径最好相等，并且在光混频面上必须相互重合； ( 3 ) 信号光束和本振光束必须保持空间上的角准直； ( 4 ) 两束传播方向相同的光束，其波前面要保持曲率匹配； ( 5 ) 在到达光混频面时，两光波偏振态需要保持致。 根据以上外差检测系统的必要条件，要实现高性能的相干光通信，我们必须进行深入的研 究关键技术有：激光模式结构、激光稳频技术、光纤耦合技术、波前修正技术以及偏振控制技 术等。在本文中，我对偏振控制技术做了更加详细的研究。在外差检测系统中，本振光束和信 号光束的偏振态是否一致对外差灵敏度的影响很大，当信号光与本振光的振动方向不一致时， 混频效率必然降低。在大气激光通信系统中，由于信号光在大气中传播，所以只能在接收端接 收到信号后对信号进行处理。 1 2 相干光通信系统偏振控制技术 无线激光通信相干光通信系统中，信号光束与本振光束必须具有相同或相近的偏振态，换 3 西安理工大学硕士学位论文 句话说，就是信号光束电矢量和本振光束电矢量必须相同或者相近的方向，这样才能发挥相干 光检测高灵敏度的优势，否则就没有意义。信号光束与本振光束进行混频，在理论意义e 就是 将信号光波的电矢量投影到本振光波电矢量方向上，并且也只有投影部分才会对混频后输出中 频电流的大小有贡献。如果两束光波振动方向之间的夹角大于0 四，则不能够改善接收机的 灵敏度，从而失去了采用相干光检测技术的优越性。因此为了能够充分发挥相干光检测技术的 优势，所以进行偏振控制成为了相干光检测系统不可或缺的技术。 1 2 1 偏振控制概述 偏振控制是指用偏振控制器改变光的偏振态。所谓偏振控制器，是指能够转变光学偏 振态的控制器件，即能够将输入的任意偏振态的偏振光转变为想要输出的任意偏振态的偏 振光。近年来，偏振控制器多是利用晶体的双折射效应来改变偏振光的偏振态，将这些利 用双折射效应改变光的光的偏振态的晶体称为位相延迟器，它包括折射率主轴方位角和相 位延迟量两个变量，随意改变任何一个参量都可以完成对光的偏振态的改变。所以，按照 不同参量的变化分为三种类型：一是方位角控制型偏振控制器( d i r e c t i o n - e o n t m lt y p e ) ，此 类型偏振控制器其相位延迟量固定，利用方位角的改变控制光的偏振态；二是延迟量控制 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 ) ，此类型偏振控制器其方位角固定，利用相位延迟 量的改变控制光的偏振态；三是延迟量一方位角控制型偏振控制器，此类型偏振控制器利 用相位延迟量和方位角同时变化来改变光的偏振态。 1 2 1 1 方位角控制型偏振控制器的控制原理 常见的方位角控制型偏振控制器如下图1 - 2 所示，由三个可旋转波片组成，它们的相 位延迟量分别为必、z 、必，每个波片都可以随着光轴任意转动。首先，要通过必波片将输 入的偏振光变化为线偏振光；然后，将第一个波片输出的光通过必波片转变到任意期望的偏振 方向；最后，将必波片输出的偏振光通过第二个必波片转变为任何期望输出偏振光。此方法 中，波片的相位延迟量固定，波片的方位角是可以旋转的。 4 输 入 偏 振 光 q w ph w po w p 图1 2 方位角控制型偏振控制器 f 培1 - 2a z i m u f l a - e o n l r o l l e dp o l a r i z a t i o nc o n t r o l l e r 输 出 偏 振 光 绪论 1 2 1 2 延迟量控制型偏振控制器的控制原理 延迟量控制型偏振控制器一般由三个或四个方位角成4 5 。的波片组成。波片的位置固定， 其延迟量的大小随加载电压的变化而变化，如图1 3 所示。 输 入 偏 振 光 0 045。0。450 输 出 偏 振 光 图1 3 延迟量型偏振控制器 f 皓1 - 3d e l a yv o l u m 咖l l e dp o l a r i z a t i o ne o n l ，o l l e r 两个方位角成4 5 。的波片快轴分别对应于邦加球赤道平面上的两个正交轴，就是所谓的旋 转轴。输入光的偏振态相当于邦加球上的一个点，先后绕着这两个轴进行旋转，随着加载电压 的不同，其分别绕轴旋转的角度不同，加上合适的电压，就可以输出期望的偏振态。错位4 5 。 角能够有效防止偏转死角的出现。在理论情况下，当波片的延迟量范围大于2 万时，那么，由 两块这样的波片就可以对偏振光的偏振态进行任意转换。但是由于波片的延迟量受到限制，即 仅仅使用两个波片不能够满足无端控制的要求。因此，人们一般通过采用三个或四个波片来满 足偏振态无端控制的要求。 1 2 1 3 延迟量一方位角控制型偏振控制器的控制原理 延迟量一方位角控制型偏振控制器是前两者的结合，即只需要一个这样的波片就可以实 现光波偏振态的任意旋转。这种偏振控制器可以随时且同时改变两个参量( 折射率主轴和 延迟量) 来改变偏振光的偏振态。 1 2 2 偏振控制的研究进展 近几年来，随着相干光通信系统的快速发展，其关联到的各项关键技术也得到了快速发展， 包括偏振控制技术。目前应用最广泛的偏振控制技术有：偏振分集接收技术和使用偏振控制器 实现偏振态控制的技术。下面是国内外的学着对偏振控制做过的主要研究： n gw a l k e ra n dgrw a l k e r h l 研究了光纤系统中偏振态的控制，分别使用了保偏光纤传感 器和铌酸锂集成光学器件进行偏振控制。eh e i s m a n n 跚分析了由三个无穷旋转波片组成的无复 位偏振控制器的操作，发现对于两个波片之间的任意角偏移，控制器可以连续的、无复位的转 动，以实现从任意输入偏振态到任意输出偏振态。k a t s u h i k oh i r a b a y a s h i 嘲等介绍了由多个成4 5 。 5 西安理工大学硕士学位论文 的波片组成的延迟量偏振控制器，采用反馈式偏振控制，控制速度比较快。j y u 口1 等提出了一 种利用声光效应的空心光纤型偏振控制器，通过压电陶瓷将射频信号转换为一定频率的声波， 通过空i ) 光纤进行传播，会周期性的改变光纤内径的形变，从而利用双折射效应来完成偏振控 制。e i l l y o n s 璐1 等根据保偏光纤具有的热光效应提出了一种用电控制微加热器的全光纤偏振 控制器，该偏振控制器插入损耗小、结构紧凑、驱动电压低。m a t t h e wt e r r e l 叫等提出了由三 段分别为6 c m 长的光纤熔接在起构成的偏振控制器，其工作原理是三个朝着不同方向扭转的 三段空心光纤使其光纤主轴发生偏转。y o u n g - h o o no h 1 0 1 等研究了电光光纤型偏振控制器，是 利用在垫心光纤内充入液晶的方法制成的，其通过改变加载于电极上的控制电压来改变偏振控 制器的延迟量，通过这样来完成偏振控制的目的。 李伟文，吴正珏等n 嵋1 2 儿1 3 1 对偏振控制器( 主要是铁电陶瓷偏振控制器) 的算法及控制电 路进行了深入的研究，用d s p 实现了相干光的偏振控制。姚娟，阴亚芳等1 4 d 5 研究了4 5 。一。口- 4 5 。 相位延迟型偏振控制器的控制算法，得到偏振态变换时延迟量对应的计算公式并分析了相位延 迟量引入的误差；赵娜n 6 1 对各种偏振控制器的原理及算法进行了深入的研究。张晓光，段高 燕等n 7 1 8 1 对偏振控制器的理论进行了深入的研究，并利用实验对其进行验证；王文楠n 9 1 则用 f p g a 实现了晶体偏振控制器的控制电路。郭耀仪例等研究了偏振控制器的完全扰偏算法， 对算法进行了仿真并证明了算法能够实现完全扰偏且提高了偏振度测试精度。肖远2 n 等利用 琼斯矩阵分析了适合高速应用的四通道挤压光纤型偏振控制器的复位原理并设计了以两个通 道为主延迟器，另两个为辅助复位延迟器的复位方案。陈硕阮1 等采用变步长算法和预测技术， 提高了搜索和跟踪速度，并实现了无需复位的无中断偏振控制。刘琦蚴研究了单模光纤中偏 振光偏振态的变化及控制的问题，主要利用自己设计的实验装置对偏振控制目前存在的问题以 及控制算法进行了研究。姚毅等翻1 研究了针对于在单模光纤内进行的偏振控制技术，用p o m a d e s p h e r e 表示法详细分析了光纤偏振控制器，发现了八种实现偏振控制的途径，并对其工作性能 进行了实验验证。金艳丽等晒1 研究了作用于单模光纤的作用力对偏振光偏振态的影响，得到 光的偏振态随径向应力( 指沿半径方向的作用力) 的增大呈周期性变化，轴向应力( 指使光纤 拉伸的作用力) 对其影响不大。 1 2 3 相干光通信偏振控制的主要性能参数 响应速度是指偏振控制器对输入光信号作用的速度。在相干光通信系统中，要求偏振 控制器的响应速度足够高。假如没有足够高的响应速度，偏振控制速度跟不上信号偏振态 改变的速度，就不能够完成偏振控制，永远不可能达到平衡状态。 6 绪论 1 2 3 2 插入损耗( i n s e r t i o nl o s s ) 插入损耗是指在相干光通信系统中由于偏振控制器的插入而引起的光功率的损耗，它 表示为偏振控制器插入前接收端接收到的光功率与插入后同一接收端接收到的光功率的比 值。插入损耗是偏振控制器的重要指标之一，它直接关系到光信号衰减的大小，当然，希 望插入损耗越小越好。目前使用的偏振控制器中，电光晶体偏振控制器和全光学偏振控制 器插入损耗相对较大些，而挤压光纤偏振控制器插入损耗较小些。 1 - 2 3 3 实时跟踪 在相干光通信系统中，在整个通信过程中都要进行光的偏振态控制，这就需要偏振控制具 有实时跟踪的能力。信号光在大气中传播，受到大气粒子散射及大气湍流的影响，到达接收端 的信号光偏振态发生了变化，由于大气对信号光的影响具有随机性，即不同时刻到达接收端的 信号光的偏振态具有随机性，所以，需要进行实时的偏振态控制，保证光通信实时有效的进行。 1 3 本论文的主要研究内容和主要工作 。 课题对相干光通信系统中偏振控制技术进行了深入研究，分析了相干光通信系统偏振控制 的必要性，提出了偏振控制方案并进行了数学推导，以挤压光纤偏振控制器为虚拟对象，进行 了偏振控制算法的研究和仿真，主要包括以下工作： 第一章：绪论 概述了相干光检测在大气激光通信系统中的应用及其关键技术；介绍了相干光通信偏振 控制的目的和意义；分析了偏振控制的原理、偏振控制器的研究现状以及相干光通信偏振控 制的主要性能参数。 第二章：偏振光与偏振控制 讲述了偏振光的表示方法和测量方法，讨论了各种偏振控制器的控制原理以及优缺点，最 后对所有偏振控制器及其特性进行了列表比较。 第三章：无线激光通信相干光检测系统偏振控制理论分析 本章用数学公式推导了相干光通信系统偏振控制，证明其进行偏振控制是必要的；介绍了 两种可以应用于大气激光通信系统的偏振控制技术方案，给出了本课题的偏振控制技术方案， 明确了研究目标。 第四章：挤压光纤偏振控制器的数学模型及控制算法的研究 本章首先具体描述了挤压光纤偏振控制器的工作原理，并对偏振控制器的每个控制模块建 立了数学模型；然后建立了相干光通信数学模型；接着分析了粒子群算法在实时偏振控制方面 的应用，针对具体隋况设定了粒子群算法的主要参数，并对相干光通信偏振控制系统进行了仿 真，得到很好的仿真结果。表明粒子群算法能够应用于相干光通信系统进行实时的偏振控制。 7 西安理工大学硕士学位论文 第五章：模拟退火算法在挤压光纤偏振控制器中的应用 研究了模拟退火算法的基本理论，将改进后的模拟退火算法用于相干光通信偏振控制系统 进行光的偏振态的自动控制，给出了参数设置的仿真图以及整个系统的仿真结果图，表明模拟 退火算法能够用于此系统；对比了两种算法在偏振控制方面应用的优缺点，得出更适合于该系 统的算法。 第六章：总结与展望 在这部分，对整个课题进行了总结，得到了自己的研究结果，并进一步提出了今后需要 完善和解决的问题。 8 偏振光与偏振控制器 2 偏振光与偏振控制器 2 1 偏振光的数学描述 偏振光的描述方法有：三角函数表示法、j o n e s 矩阵表示法、s t o k e s 矢量表示法和p o i n c a r e s p h e r e 表示法等。偏振光的偏振态均可以用三角函数表示，也可以用斯托克斯矢量表示；但用 于偏振控制器的表示时，主要使用j o n e s 矩阵表示法和p o i n c a r es p h e r e 表示法，p o i n c a r es p h e r e 表示法用图形有效的表示偏振态，并且可以形象的表示偏振态的变化过程。 2 1 1 三角函数表示法 设平面单色光束沿z 轴传播，光矢量e 分别在x 和y 方向上的振动轨迹方程为： 乓= 4 c o s ( w t k f + 疋) ( 2 1 1 ) e ，= 4 ，e o s ( w t - k f + 艿，) ( 2 1 2 ) 其中4 、4 表示在x 、j ，方向上的振幅矢量，瓯、表示x 、y 方向上的初相位，f 表示空 间位置坐标矢量，云为波矢。 其合成波矢量末端轨迹方程为： ( 冬) 2 + ( 考) 2 2 笔c 。s 艿= s ；n 2 6 6 = 疋一6 ，是x 、y 方向上分量间的相位差。表示合成光波电矢量末端轨迹在x 、 取值分别为2 4 ，2 彳，的椭圆偏振光。 当4 彳，；5 = 2 k l r 磋，k = 0 ，l ，2 ，时有 罢+ 墨：1 彰 表示合成光波是标准的椭圆偏振光。 ( 2 1 3 ) y 方向上的 ( 2 1 4 ) 当4 = 4 = 彳；6 = 2 k z r 必，k = o ，1 ，2 ，时有 e 2 + e 2 = 彳2 ( 2 1 5 ) 表示合成光波是圆偏振光。当艿= 2 k z c + 必时，表示右旋圆偏振光；当6 = 2 砌一彰时，表示 左旋圆偏振光。 当6 = 2 k z r 或5 = ( 2 k + 1 ) r r ，k = 0 ，1 ，2 ，时， 9 西安理工大学硕士学位论文 争千= 0 ( 2 1 6 ) a x a y 表示合成光波是线偏振光。 椭圆偏振光还可以用长轴方位角和椭圆度来表示。如图2 - l 所示，椭圆的长轴和短轴分别 为a 和b ，设椭圆长轴与x 轴的夹角为0 ( 引 ) ，则9 即为长轴方位角；椭圆度是指椭圆 短轴与椭圆长轴之比，l l p t a n s ，占决定了椭圆的旋转方向，当0 s 磋时，是右旋椭圆 偏振光；当一必 g ， 、 、 ，7 岁7 7 、 、 、 ，t ，j 、 。：j， 。，j j j j1 | | x 4 x 7 ， 7 7 、 、 、 、 ， 、，j 、 图2 - l 椭圆偏振光的表示 f i g 2 1r e l x e s e n t a f i o no f e l l i p t i c a l l yp o l a r i z e dl i g h t 2 1 2p o i n c a r es p h e r e 表示法 p o i n c a r es p h e r e 表示法是用图形表示光的偏振态的方法，能够更加直观和具体的表示偏振 态及其传输过程。在图2 - 2 中，两个极点指的是z 轴与球面的交点；零度经线指的是x 轴正半 轴与z 轴确定的平面与球面的交线；赤道指的是z 轴和j ，轴所确定的平面与球体的交线；赤 道平面指的是x 、】，轴所确定的平面；经度指的是球面上某点与球心的连线和赤道平面所成 的线面角；纬度指的是球面上一点与两极的连线与零度经线所在平面的夹角。用长轴方位 角和椭圆度可以表示椭圆偏振光，在单位球面上用经度和纬度( 图2 - 2 ) 可以表示球面上的任 意点，即用经度表示椭圆的长轴方位角，用纬度表示椭圆度，也就是用经度2 9 ( d 为椭圆长 轴方位角) 和纬度2 e ( s 为椭圆度角) 可以表示椭圆偏振光眨力，所以p o i n c a r e 上的每个点都 表示一个椭圆偏振光的偏振态。 1 0 偏振光与偏振控制器 图2 - 2 椭圆偏振光的p o i n c a r es p h e r e 表不 f i e , 2 - 2t h ep o i n e a r es p h e r es h o w e de l l i p t i c a l l yp o l a r i z e dl i g h t 如图2 - 2 可以看出，当2 e = 0 时，即赤道圆圈上的点表示的是线偏振光，且当2 6 = 0 时， 即x 轴的正方向和赤道的交点处表示的是沿水平方向振动的线偏振光，2 0 = 2 7 r 时，即x 轴 负向与赤道的交点处表示竖直振动的线偏振光；当2 e = 9 0 。时，即椭圆的长短轴相等，所以表 示右旋圆偏振光，同理2 e = 一9 0 。时表示左旋圆偏振光；当0 2 e 必时，即在北半球，表示 右旋椭圆偏振光，同理一磋 层，所以相干光检测系统要优于直接探测系统，即前者输出的电功率较大；但是随着 夹角的增大，相干光检测系统输出的电功率逐渐减小，直至减小为0 ，而直接探测系统则不受 影响，输出电功率保持不变。 无线激光通信相干光检测系统偏振控制理论分析 假设当夹角为0 时，两者输出的电功率相等，即足p = 珞，则： a 2 8 2 吃= 2 a 2 b 忍吃c o s 2 0 ( 3 1 1 6 ) 化简得： p c o s 2d = 二( 3 1 i 7 ) 2 昱 所以，就将信号光与本振光偏振方向的问题就转化为信号光功率与本振光功率之间的问题。 对于外差光通信，在信号光功率无法进一步增大的情况下，为了获得大的输出电功率，我 们考虑增加本振光功率。但是在增加本振光功率的同时也增加了散粒噪声和热噪声，减小了信 噪比。较大的本振光功率还会影响探测器的灵敏度，使探测器工作于非线性区域，也会影响信 噪比。对于本振光功率对探测器灵敏度的影响，哈尔滨工业大学的李岩超等m 进行了深入的 研究，他们假设所有的噪声来源于本振光引起的散粒噪声和热噪声，并获得了下面的公式： s n ( 3 1 1 8 ) ( 3 1 1 8 ) 式中召是探测器的噪声带宽；岛是探测器的灵敏度；a 是探测器自身的参数，可 以从探测器的光照特性曲线得到其值；也是本振激光器负载电阻与探测器内阻的并联值；乃工 作温度。并利用式( 3 1 1 8 ) 得到如下最佳本振光功率拟合曲线： 譬 登 逛 誉 l 器 入射光功率( 孵) 图3 - 1 本振光功率拟合曲线眈1 f i g 3 - 1i x ) o p t i c a lp o w e r f i t t e dc u r v em 1 虚线是理论计算值，信号光功率的取为0 1 3 m w ，温度3 0 0 k ，负载电阻5 0 。当本振光功率 为0 2 6 8 m w 时，得到最大的信噪比，并接近于l 。实线是相同条件下的实际测量值，得到最佳 本振光功率为0 4 3 m w 。实际测量结果低于理论分析值，其主要原因是：光纤器件使信号光减 弱；噪声被放大；信号光功率与本振光功率都不稳定等。 所以，当信号光功率为0 13 m w 时，取本振光功率为0 2 6 8 m w 。将信号光功率和本振光功 鳖触 最一分 型最 兰吨 肿 监眈 西安理工大学硕士学位论文 率代入式( 3 2 1 7 ) 可得n - c o s z0 ：q ：! 1 2 0 2 6 8 即： c o s 0 圭6 8 o 4 9 2 5 0 6 0 。 也就是说，在外差探测系统中其他条件完全成立的情况下，当两束光波偏振角0 6 0 。( 即 略大于6 0 。) 时，同一信号光分别采用直接探测和外差探测，其接收灵敏度相同，没有发挥出 外差探测的优势；当0 6 0 。时，外差探测输出的电功率小于直接探测输出的电功率，即外差 探测灵敏度小于直接探测灵敏度，这样的话，除了没有达到改善接收灵敏度的目的，还额外增 加了成本；所以，两束线偏振光的偏振角应该小于6 0 。，且当0 = 0 。时，即信号光与本振光同 偏振时，外差探测效率最高。 3 2 相干光通信偏振控制方案 在相干光通信系统中，需要本振光偏振态和信号光偏振态保持一致，否则会刚氐相干接收 机的灵敏度，甚至会导致接收机失去接收信号的能力。本振光的偏振方向由本振光源决定，可 以保挣匾定；但信号光在大气中传播，受到大气散射和湍流等因素的影响，在接收端其偏振态 会发生随机变化，这种偏振状态的变化会导致信号光与本振光混频时会有偏振噪声产生，偏振 噪声是指由于两束光的偏振态不同而损失的电功率。当信号光偏振态与本振光偏振态相互垂直 时，产生的偏振噪声会使混频后的中频信号消失。偏振控制的主要目的是使信号光和本振光偏 振态致，减小偏振噪声以增大混频后的中频信号光功率，有利于信号解调。 比较成熟的光纤通信系统，常用的解决偏振控制的方案m 有以下四种：一是使用保偏光 纤，这是最简单、最理想的方案，但是成本较高，不能够用于长距离通信；二是极化分集接收 机，把接收到的光信号和本振光信号分别分成两束正交光束，然后将偏振方向相同的光束分别 进行两两混频，最后将得到的两个中频信号进行叠加；三是数据偏振转换，此方法只适用于 f s k 通信系统，通过双折射元件将频率调制转换为偏振调制；四是偏振控制器，只有自动控制 的偏振控制器才能满足高速通信的要求。而对于大气激光通信，只能用偏振分集接收或偏振控 制器进行控制。 3 2 1 偏振分集接收技术 偏振分集接收技术是g r e 弩叫l a