（光学专业论文）单模光纤中偏振态的发生和检测研究.pdf

中文摘要 摘要：随着现代光纤通信技术的发展，信息传输速率不断加快、传输距离不断加 长，而光纤中的偏振效应对于光纤通信系统产生的影响也不能够再被忽视了。因 此探索和掌握光纤中偏振念的演变对解决偏振效应对光纤通信系统的限制问题是 至关重要的，而研究光纤偏振态的发生和检测则是关键。 本文首先研制了一种基于挤压光纤双折射效应的电动偏振态发生器：针对当 前的偏振态测试方法使用元件过多的问题，给出了一种相对简单的四通道斯托克 斯参量测试方法。 本文的主要工作内容包括： l ，对光纤偏振态发生和检测研究的国内外发展现状调研，给出了基于挤压光 纤双折射效应的光纤偏振态发生原理和四通道斯托克斯参量测试的基本原理。 2 制作了一套光纤偏振态发生系统，包括一个基于软件仿真设计的光纤挤压 平台和一个上升时间微秒量级( 输入1 l z ) 的输出0 2 0 0 v 高线性度可调三通道 压电陶瓷驱动电源，系统经过测试可以实现任意偏振态输出，在低速( 1 m s ) 脉冲 调制下有较好的动态响应能力。 3 对给出的四通道斯托克斯参量测试方法中各个光纤器件对系统性能的影 响进行了分析和测试。 关键词：光纤偏振；密勒矩阵；偏振态发生；偏振态检测；双折射；斯托克斯矢 量：压电陶瓷 分类号：t n 2 ；t n 8 ；t n 9 1 a bs t r a c t a b s t r a c t ：w i t ht h ed e v e l o p m e n to ft h eo p t i c a lf i b e rc o m m u n i c a t i o n ，t h e t r a n s m i s s i o ns p e e do ft h ei n f o r m a t i o ni sf a s t e ra n dt h ed i s t a n c eo ft h ec o m m u n i c a t i o ni s f a r t h e r , a n dt h en e g a t i v ee f f e c to ft h ep o l a r i z a t i o ni nt h eo p t i c a lf i b e rc o m m u n i c a t i o n s y s t e mc a nn ol o n g e rb ei g n o r e d t h e r e f o r ee x p l o r i n gt h en a t u r eo ft h ep o l a r i z a t i o ni n t h eo p t i c a lf i b e ri sv e r yi m p o r t a n tt os o l v et h ep r o b l e mo ft h el i m i t a t i o nt ot h e p o l a r i z a t i o ni nt h eo p t i c a lf i b e rc o m m u n i c a t i o ns y s t e m n ek e yi st or e s e a r c ht h e g e n e r a t i o na n dd e t e c t i o no ft h ep o l a r i z a t i o ni nt h ef i b e r a g e n e r a t o rb a s e do nt h et h e o r yo ft h eb i r e f r i n g e n c ee f f e c ti ns q u e e z e df i b e ri s g a v e ；a st h e r ea r et o om a n yc o m p o n e n t si nt h et r a d i t i o n a lp o l a r i z a t i o nd e t e c t i o n ，af o u r t u n n e l ss t o k e sd e t e c t i o ns y s t e mw h i c hi t ss t r u c t u r ei ss i m p l e ri sg a v e 1 a f t e ri n v e s t i g a t i n gt h es i t u a t i o no ft h er e s e a r c ho nt h eo p t i c a lf i b e r p o l a r i z a t i o ng e n e r a t o ra n dd e t e c t i o n ，g a v et h eb a s i ct h e o r yo ft h ep o l a r i z a t i o n g e n e r a t o rw h i c hb a s e do nt h eb i r e f r i n g e n c ee f f e c ti ns q u e e z e df i b e ra n dt h ef o u r t u n n e l ss t o k e sd e t e c t i o ni d e a 2 ao p t i c a lf i b e rp o l a r i z a t i o ns t a t eg e n e r a t o rs y s t e mi sb u i l t ，w h i c hi n c l u d ea o p t i c a lf i b e rs q u e e z es y s t e mb a s e do ns i m u l a t i o na n dap i e z o e l e c t r i cc e r a m i c ( p z t ) d r i v e rw h i c hi t so u t p u tb e t w e e n0a n d2 0 0 v , a n di t sr i s et i m ei s l l s ”t h es y s t e mc a l l o u t p u ta n yp o l a r i z a t i o ns t a t e ，a n da l s oc a nr e s p o n s ew e l lw h e n t h ei n p u ti sl o ws p e e d ( 1 k h z ) 3 n e o p t i c a lc o m p o n e n t si nt h ef o u rt u n n e l ss t o k e sd e t e c t i o ni d e aa l et e s t e da n d a n a l y z e d k e y w o r d s ：o p t i c a lp o l a r i z a t i o n ；m u l l e rm a t r i x ；p o l a r i z a t i o ns t a t eg e n e r a t i o n ； p o l a r i z a t i o ns t a t ed e t e c t i o n ；b i r e f r i n g e n c e ；s t o k e s ；p i e z o e l e c t r i cc e r a m i c c l a s s n o ：t n 2 ：t n 8 ：t n 9 1 独创- 性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研 究成果，除了文中特别加以标注和致谓 之处外，论文中不包含其他人已经发表或 撰写过的研究成果，也不包含为获得北京交通大学或其他教育机构的学位或证书 而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作 了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：签字日期：年月日 3 9 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特 授权北京交通大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：导师签名： 签字日期：年月日签字r 期：年月日 致谢 本论文的工作是在我的导师王健副教授、吴重庆教授的悉心指导下完成的， 两位教授严谨的治学态度和科学的工作方法给了我极大的帮助和影响。在此衷心 感谢三年来两位老师对我的关心和指导。 王智教授悉心指导我们完成了实验室的科研工作，在学习上和生活上都给予 了我很大的关心和帮助，在此向王智老师表示衷心的谢意。 盛新志教授对于我的科研工作和论文都提出了许多的宝贵意见，在此表示衷 心的感谢。 在实验室工作及撰写论文期间，李政勇博士、杨双收博士、尚超博士对我论 文中的诸多研究工作给予了热情帮助，在此向他们表达我的感激之情。 另外也感谢我的父母，他们的理解和支持使我能够在学校专心完成我的学业。 1 引言 1 1 课题的背景和意义 众所周知，偏振是光的本性之一，在光纤通信中必然存在着偏振的效应。早 在上个世纪7 0 年代，人们就开始对单模光纤的偏振特性进行了研究，1 9 7 8 年， a s h l e i g h 和u l r i c h 首次在可见的文献中，对单模光纤的偏振模色散进行了定义和描 述1 1 。但那时光纤通信尚处于起步阶段，偏振效应对于强度调制直接检测的低速 光纤通信系统几乎无任何影响，所以没有引起重视。进入8 0 年代后期，光纤通信 得到了蓬勃的发展，促进了人们对偏振特性及其对光纤通信系统的影响进行了广 泛和深入的研究。大家知道，相干光通信与强度调制直接检测系统相比，有着一 定的优势，但由于偏振效应的影响，导致此项技术一直没有得到成功应用，并逐 步销声匿迹了。9 0 年代后期，由于信息在社会各领域的流量不断加大而导致的对 通信网络容量的巨大需求，高速度、长距离和大容量的光纤通信成为通信网络发 展的必然趋势。而伴随着光网络的传输速率的不断加快和传输距离的不断加长， 光纤中的偏振效应对于光纤通信系统产生的影响也不能够再被忽视了【2 】【3 1 1 4 。这些 产生影响的偏振效应包括光纤的偏振模色散和偏振相关的非线性效应，光器件的 偏振相关损耗，光放大器的偏振相关增益，调制器的偏振相关调制，探测器的偏 振相关效应，传感器和相干系统的偏振相关灵敏度等。在包含一系列光器件的理 想光路中，传输的光信号质量不应该受偏振态的影响。但实际上，由于光信号偏 振态变化的随机性，上述效应不仅使信号的幅度产生波动，形成偏振相关的幅度 噪声：而且会因为与偏振相关的相位波动，引入信号的波形失真、频率啁啾和干 涉噪声。这些都将严重损伤高速光通信系统的传输性能，限制系统的传输速率和 传输距离，从而不得不付出很大的功率代价。在造成偏振相关损害的诸因素中， 由光纤本身的缺陷造成的损害占据主要作用。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。一般来说，普通光纤的输出偏振态为椭圆偏 振态，且椭圆偏振态的形状是不断变化的。正是由于光纤偏振态随传播的长度而 随机变化和随时间的延长及环境的改变所产生的不稳定性、不确定性和不可预知 性，才造成了整个光路中信号偏振相关损伤。 综上所述，探索和掌握光纤中偏振态的演变对解决偏振效应对光纤通信系统 的限制问题是至关重要的，而研究光纤偏振态的发生和检测则是关键。 6 扯塞窑亟厶生硬堂芷业奎 i l直 1 2 光纤偏振态发生和检测的研究现状 1 2 1光纤偏振态发生器研究现状 光纤偏振卷发生器在p - o t d r 、p m d 精确检测等偏振态相关研究中有着重要 的应用意义。偏振态发生器( p s g ) 实际上就是一个可以产生所需偏振态的激光光 源。最简单的光纤偏振卷发生器可以将一台普通的激光光源和手动偏振控制器串 接起柬，通过调节偏振控制器柬实现偏振态发生，然而这种偏振卷发生器由于是 采用机械控制，所以它的速度慢，且精度不高，而且偏振奋也不能够定量的设定。 基于波片旋转的偏振态发生器有很多( 图1 1 ) 。比如有人将激光器和起偏器、h w p ( 二分之一波片) 、q w p ( 四分之一波片) 分别固定在3 个精密旋转台，通过调整 h w p 、q w p 和起偏罂也可以实现任意偏振态的输出”( 图1 2 ) ，但是由于要机械 转动波片，所以也存在一定的误差，而且旋转波片与光纤的耦合是相当的困难的。 于曲w 恃 幽li 第一种p s g 方案 l a s e rp o l a r i t c r q w p i w p s 0 p 圈1 2 第二种p s g 方案 比较成熟的商用偏振态发生器只有美国通用光电公司的最新专利产品“高速 偏振态发生器”( 见图1 3 ) ，能够产生5 到6 个特殊不同偏振态，重复率小于01 度，切换速度少于2 5 0 us 。但是商用的这种偏振卷发生器通常价格都是极其的昂 贵。而且没有遍历性的技术指标可以推想没有进行遍历性的测试。 圈l3 关国光电通用公司专利产品“高速偏振态发生器” 1 2 2光纤偏振态检测研究现状 通常由于只能检测到输出光的光功率，而不易检测到相位变化，因此用检测 斯托克斯矢量的方法来对偏振态检测会相对容易，并且斯托克斯参量可以全面描 述光的偏振态和光强度。 当前，斯托克斯参量的测量方法主要有两种【7 】，一种是偏振光调制法，即在待 测光路中引入起偏器和相位延迟器，对光路的光强进行调制并测量，求得斯托克 斯参量，该方法通常要求起偏器和相位延迟器绕光轴作多角度的转动。 例如，w i e n e r 给出的斯托克斯参数测量方法f 8 】使用一个检偏器和一个波片( 见 图1 4 ) ，为得到斯托克斯参数，需要测量6 种角度组合下的光强，这种测量方法 可以在实践中使用，但是由于需要同时移动和转动1 4 波片和检偏器两个器件， 所以测量速度慢、容易引入误差。 入i 一口一口 波片检偏器 图1 4 偏振光调制法测量斯托克斯量 另一类是由r m a a z z a m 首次提出的分振幅法【9 1 ( 见图1 5 ) ，即把待测 光束分解成4 束，用4 个光电探测器同时完成对某一瞬时的各个斯托克斯参量的 测量。分振幅法是一种既无机械转动又无调制系统的偏振光斯托克斯参量测量方 法，目前，应用这一原理研制新型偏振测量仪在我国已引起业内同行的密切关注。 田 图1 5 分振幅法测量斯托克斯量 目前在商业领域高速测量偏振态的方法主要有分波前方法和分光束方法。分 波前方法即在测量装置的几个适当位置各引出一部分光，使用光电探测器测量它 们的光强，斯托克斯参数由其计算得出。在商业化的产品中，t h o r l a b s 公司新推 出的产品i p m 5 3 0 0 1 0 1 高速、在线式偏振测量卡应用的便是这种原理，如图1 6 所 示。它使用倾斜式的光纤布拉格光栅，输出四路光，通过这些光强计算偏振态和 偏振度。按照说明书给出的参数，它的测量速率可以达到1 m h z ，这是目前商用产 品能提供的最高速率。 p h o t o d e t e c t o rp a i r s 图1 6t h o d a b si p m 5 3 0 0 偏振测量卡的结构框图 分光束方法即把一个入射光束使用分束器分成4 束，分别通过四个设定好的 偏振装置，使用4 个高速光电探测器同时接收4 路光强信息，然后计算出每一时 刻的偏振态和偏振度。实际上采用这种思路的商用偏振测量仪有a g i l e n t ( h e w l e t t p a c k a r d ) 的8 5 0 9 b 和8 5 0 9 c ( 1 1 1 ，如图1 7 所示。 图1 7a g i l e n t ( h e w l e t t p a c k a r d ) 8 5 0 9 c 结构框图 这些商业的偏振测试仪的测量速率最快能够达到1 m h z ，而目前己知的实际铺 设光纤线路中偏振模色散的最快变化在m s 量级1 1 2 1 ，这个速率已经很高了，但是它 们的价格昂贵，体积庞大，不便于使用。 1 3 基于挤压光纤双折射效应的偏振态发生原理 理想单模光纤的纤芯是规则的圆，光的电场矢量在各个方向上的传播速率相 等，如图1 8 ( a ) 所示。当对光纤施加一个压力时，其纤芯就近似成为了一个椭 9 圆，如图1 8 ( b ) 所示，光的电场矢量在长轴方向上传播速率较慢，就称为慢轴， 在短轴方向上的传播速率较快，就称为快轴，这就是单模光纤的双折射效应。 图1 - 8a 是理想的单模光纤圆形纤芯，b 是施加压力后的椭圆形纤芯 如图1 - 9 所示，两个平行的平面挤压光纤时产生双折射效应。研究表明 1 3 1 1 4 】， 挤压光纤时产生的双折射相位差符合下式： 一( 砉) h 其中f 是单位长度光纤上受的力，d 是光纤的直径，常数k = 9 5 x l o r a d m 。 在菇方向上挤压光纤时的琼斯矩阵为： j c 。，= ( p ：2p 一耖o ，：) - 一2 其中，7 = d l ，l 是受挤压光纤长度。在与石方向成秒角的方向上挤压光纤时， 琼斯矩阵为j ( 只) ，) = r ( 0 ) j ( 0 ，) ，) r ( 一0 ) ，其中： 即，= 瞄s i n 茄o s ) 心 i cj 展开琼斯矩阵，可得： 即= ( c o s ( 一端咿陀一悉微2 ，) h 设输入光的斯托克斯矢量为( s l 如，是加，岛栩) ，经过口方向光纤挤压传输后的输出 光的斯托克斯矢量为( s t 。叫，最刎，岛洲) 。根据密勒矩阵的性质有s 加= m7 s 叫，将琼 斯矩阵1 - 2 转化为密勒矩阵m ，代入吾抽= m7 刎，展开： 1 0 f ，屯、 l i = 幌，1 c 。s 2 ( 主) + s i n 2 ( 考) c 。s ( 4 秒)s i n 2 ( 羞) s i n ( 4 0 ) s i n 2 ( 考) s i n ( 4 b ) s i n7s i n ( 2 b ) 当日= 0 时，有： c 。s 2 ( 考) 嘞2 ( 扣s ( 4 9 ) s i n y c o s ( 2 ) 刚妻 -sin。yusji厂n(2b)，。s，妇=：，一5 i l b o u j 厂八v 3 口村， 1 6 s i n y y s , 。，、 o 9 是叫l 1 7 c o s 厂人墨叫j 1 - 6 中的( 1 ，0 ，o ) ，( 一1 , 0 ，0 ) 和1 7 式中的( o ，l ，0 ) ，( o ，1 ，o ) 点是不随密勒传输矩阵 的变化演变的，因此随着密勒传输矩阵的变化，1 - 6 的偏振态轨迹是绕着s 轴转动 的圆，1 7 的偏振态轨迹是绕着s ，轴转动的圆，圆的半径取决于初始偏振态。 如果先后经过两个相互成n 4 的方向挤压的话则有： f ，s 加1f ，l 0 0 、f c o s , b0 一s i n y 墨。1 j l - - 10 c o ss i n c rl0 l 0 8 是刎i 1 8 i 岛加l o s i n 口c o s a ) l s i n f l 0 c o s 人s 叫 其中，口和是两个独立的相位延迟量。在邦加球上可以得到如图1 1 0 所示， 由图可以看出，不论初始偏振态为何，我们都可以通过挤压两次或更多次光纤从 而得到任何需要的偏振态，这就是本文中偏振态发生的原理。 图1 1 0 偏振态演化在邦加球上的表示 1 4 四通道斯托克斯参量检测原理 当偏振光通过夹角分别为幺、岛的起偏器与1 4 波片，利用偏振元件的矩阵 、， 酣 附 鲋墨是是 v 0 0 i 0 0 八 y y 0 g s c 厂v o 幽 c - 吖) v 瞄o g = h w h墨是s 有时舭 1 1 秒 当 公式【1 习： m ) = 圭 m ( o ：) - - 1 c o s 2 0 ,s i n x a , 0 c o s 2 e , c o s 22 0 , c o s 2 0 , s i n 2 0 , 0 s i n 2 0 tc o s 2 0 , s i n 2 0 1 s i n 22 0,0 ooo 00 c 0 8 22 0 2s i n2 0 2c o s2 0 2 s i n 2 0 2c o s 2 0 s i n 22 包 s i n 2 0 2c o s 2 0 2 1 9 l 一1 0 则有： s = m ( 0 。m ( o ：) s 卜1 1 其中s 为光波的初始斯托克斯矢量，m ( 0 。) 为透射轴与石轴央角为舅的起偏器 对被测光波的作用矩阵，m ( 0 ：) ) 是l 4 波片的快轴与y 轴夹角为幺时对被测光波 的作用矩阵，s 是被测光通过l 4 波片和起偏器后的斯托克斯矢量。系统中的光 电转换装置可以测得的能量值为0 6 1 ： ， ，岛) ：要 二 s 0 - 4 - s i ( c o s 2 0 ic o s 22 幺+ s i n2 qs i n 2 岛c o s 2 幺) + 是( c o s 2 qs i n 2 0 2c o s 2 0 2 + s i n 2 0 l s i n 22 岛) + s 3 ( c o s 2 0 t s i n 2 0 2 一s i n 2 0 1 c o s 2 0 2 ) 1 1 2 在不移开1 4 波片的情况下，同时转动l 4 波片和起偏器，根据上面的公 式选取4 组1 4 波片和起偏器的角度组合，该角度组合应满足原则：1 ) 代入这些 角度值后形成的四元一次方程组有解；2 ) 便于计算化简，使得方程组解的结果相对 简洁。然后分别测出通过各个组合的能量，通过相对简单的算法即可得出偏振光 的4 个斯托克斯参量。 1 5 本文的工作 1 在查阅文献的基础上，对光纤偏振念的发生和检测的国内外发展现状作了 了解。 2 概述光纤偏振态发生和检测的基本原理。 3 基于理论搭建了一套光纤偏振态发生系统， 平台和p z t 驱动电源并对它们的性能进行了测试， 性能进行了测试。 4 给出了一种四通道斯托克斯参量测试方案， 1 2 设计与制作了其中的光纤挤压 最后对整个偏振态发生系统的 该方案减少了实验的使用元件 ，2 吵 岛礁 o m o 个数，通过实验证明该方案可以实现对偏振态的检测。 5 为了实现对偏振态的检测，对方案中的具体光纤器件的各种性质进行了测 量，并设计了光电探测电路。 业斑窑煎厶堂亟堂僮论窑啦红塌握盎蕉生苤红 2 光纤偏振态发生系统 在本文的第一章里面介绍了几种典型的光纤偏振态发生器，本文设计了一种 基于挤压光纤产生的双折射效应的电动光纤偏振态控制系统关于原理第二章中 有详细的介绍，本章主要介绍一下这一光纤偏振态发生系统的构成和设计，并且 通过实验证明该系统的可行性。 整个系统的结构如图3 1 所示，由光源和光纤偏振卷控制系统组成光纤偏振 态控制系统又由光纤挤压平台和p z t 驱动电源组成。 光纤偏振态控制系统 豳3 i 偏振态发生系统结构圈 光源使用的是一台可调谐功率和波长的激光器，使用的波长为典型的1 5 5 0 r i m ， 光纤使用的是普通的单模光纤。 压电陶瓷( 英文为p i e z o e l e c t r i cc e r a m i c ，简称p z t ) 是具有压电效应的一种 功能陶瓷，由于压电陶瓷具有体积小、分辨率高、响应快、推力大等一系列优点， 它被广泛的使用于微位移装置中，因此用它来挤压光纤是很好的选择。在本实验 中，我们选用的压电陶瓷是国产压电陶瓷致动器p t b s 2 0 0 系列中的 p t b s 2 0 0 5 x s 1 8 型号，其主要参数如表3 1 ，其示意图如图3 2 ，实物图见3 3 。 表3 - 1 压电陶瓷i t 8 $ 2 0 0 5 5 i8 土要参数 外形 标称位移最大位移最大推力刚度 静电 工作 尺寸a 【u m 2 0 0 v 】 m 2 6 0 v 】 n 2 6 0 v 州p m 容量 电压 b r l o )f 1 0 )f 2 0 )f 2 0 ) 【pf 】 【v 】 l m m 】 5 5 1 82 38 0 0 4 0 0 6o _ 2 0 0 1 8 北宝窑盐占兰；主亟堂也盈g出红墟握盔基生基堑 u a ：5 m m 【i b ：5 m m l ：1 8 m m 上 幽3 - 2 压l b 陶瓷示意图 该压电陶瓷工作电压范围比较长 中的偏振态。 圈3 - 3 压电陶瓷实物幽 可产生足够的推力挤压光纤从而改变光纤 光纤偏振态控制系统中的光纤挤压平台和p z t 驱动电路是整个系统的关键 下面分两章详细的介绍一下设计测试这两部分的工作。 2 1 光纤挤压平台设计 光纤挤压面的平整度要求很高，由于加工高精度光学平台周期长价格高，本 文采用常用的精密仪器螺旋测微器( 图3 - 4 ) 搭建挤压光学平台。将光纤放置在小 砧之上，再将压电陶瓷固定到徽测螺杆上，通过调节旋钮和微调旋钮可以实现精 细的控制压电陶瓷和光纤的接触程度。在此遇到的主要问题是如何保证三个挤压 面( 小砧顶面) 之间的关系严格的为0 度、4 5 度、0 度。 d 帖_ - _ #戤毕 o ? 、 一 m 2 幽3 - 4 螺旋测微器示意幽 在此经过翻阅资料和实地考察，得到螺旋测微器的一组固定参数，如图3 5 所示，a b = 6 m m ，a c = 3 0 m m ，c d = 3 4 m m ，其中a b 为小砧高度c d 为螺旋测微 器的两个固定螺- t l * 心问的距离，a c 为小砧下底中心到下螺孔中心间的距离。 韭哀窑煎盘堂亟堂垃控窑出红垣握盔蕉生丕菹 。p 、j 图3 - 5 螺旋测微器的固定参数 根据解析几何，见图3 - 6 ，以c 为坐标原点可以得到各点的坐标，从而通过简 单的计算可以精确的确定在旋转4 5 度角后要保持挤压平面的一致时那两个螺孔的 位置，即确定了螺旋测微器的位置。 止 7 雳 必 一 。 v 。 ： u m 凹3 7 平台仿真图图3 - 8 平台实物圈 2 2 光纤偏振态发生器p z t 驱动电路 压电陶瓷的使用是离不开相应的驱动电源的，本实验中压电陶瓷的驱动电源 的作用是实现压电陶瓷可调节的微小位移变化。压电陶瓷是一个容性负载并有迟 滞和蠕变现象，就其整个位移范围而言，压电陶瓷的电压一位移曲线是非线性的， 但在一段范围内可以看成是线性的，这是本实验的最基本的f j 提。另外，在理论 上，压电陶瓷在受外部电压影响下从电场建立到产生变形，所需时间为1 0 7 秒量 级，可以认为外部电压变化与形变是同步的，这是本实验的另一个前提。从这两 个前提可以看出，压电陶瓷的动态使用特性，完全取决于驱动电源的动念性能， 一方面，光纤中的偏振态是随机变化，这就要求压电陶瓷驱动电源适应这种动态 要求；另一方面，压电陶瓷是容性器件，对驱动电源也要求适应容性负载。在前 面已经选择了合适的压电陶瓷，下面详细介绍一下压电陶瓷驱动电源的设计以及 对其性能的测试。 2 2 1p z t 驱动电源原理 目前的p z t 驱动电路设计方案很多，国内研究较多的驱动电源可以分为电压 控制型和电荷控制型两种 1 7 1 。 电压控制型驱动电源主要有两种形式：一种是基于直流变换器原理的开关式 驱动电源，开关式驱动电源的功率损耗小、效率高、体积小，但电源输出波纹较 大，频响范围也较窄。另一种是直流放大式电源，该电源的特点是频响范围较宽， 从发展趋势看，这种电源应用前景广阔。电荷控制型驱动电源采用电荷控相j ( u 0 控 制电极板强度) ，它可以改善压电陶瓷的迟滞和蠕变，但由于压电陶瓷的内阻很高， 对外表现为容性负载，因此充电电流小，响应时间长。它更适合于静态或对频响 要求不高的场合。 除了以上两种方案外，目前使用高压芯片的驱动电源也比较多，这种电源的 精度比较高，响应特性也比较好，但是芯片的价格一般比较昂贵，如p a 3 8 。 本文的压电陶瓷驱动电路参考了i t 7 中介绍的电路，对其进行了改进，驱动电 源的稳定性有所提高，同时系统的发热量也明显减小。p z t 驱动电源的结构如图 3 - 9 所示，电路的原理图如图3 1 0 所示。 可调低压信号源可以灵活选用，既可以是固定的低压信号发生器，也可以是 各种由程序控制的信号发生装置。下面的线性度测试和时间响应测试中使用的信 号源一个是通过手动调节低压电源的电位器来调节输入驱动电路的电压，另一个 是使用基于5 5 5 定时器的可调频率方波发生器作为输入信号源。 1 7 可调低压信号源 低压输入 电压放大级 功率放大级 p z tp z t 微位移 1 工 图3 - 9 p z t 驱动电路框图 电压放大级负责将输入信号线性不失真的放大，直接决定了系统的动态性能， 所以是驱动电源的核心部分。图3 1 0 中g 是一个p 沟道m o s 管，简称p m o s ， 同样，下面的n 沟道m o s 管也简称为n m o s 。q 的g 和s 两极问导通后成为一 个恒流源，使用m o s 管作为恒流源电路的发热量不会太高，从而减小其对电路的 负面影响。流经三极管幺集电极的电流乞。与流经电阻马，是的电流之和，胄为一 定值，因此通过调整q 4 的集电极电流大小即可达到调整电压放大级的输出电压圪， 的目的，其中羁，r ，是，幺，q 共同组成反馈比较回路。具体的过程是，q ， q 为两只参数相同的p n p 管，组成对称的晶体管比较电路，根据电路特性知q 2 的基 极电位：跟随着变化，并且稳态时近似相等。假设大于：，则q 和伤管的射 极电压屹= ：+ 0 7 将降低，使q 趋向截止，幺也随着截止，这样将导致厶增大， 则圪：也增大。假设吃小于圪：，则g 、幺管的导通程度将加深，这样将导致l 。增 大，厶减小，则圪：减小。因此，有9 管的集电极电位满足下面的公式： 圪。= ( + 去) 圪：= 【+ 会) 圪 3 一t 从这个式子我们可以看出，电压放大级的输出电压可以随着输入电压的增大 而增大，减小而减小，实现了控制调节电压的目的，放大倍数为1 + ( r r ) 。 功率放大级由一个p 沟道和一个n 沟v m o s 管组成的推挽式功放，使p z t 上的电压能够跟随电压放大级输出电压圪一即： 屹，= ( h 去) ：= ( “妥) 3 2 v m o s 管具有输出阻抗小( 导通电阻仅数欧姆) 、电流负载能力大、开关速度快 ( 纳秒级) 等优点，适于驱动容性负载。 作为一种场效应管，v m o s 管是电压控制型器件，输入阻抗大于4 0 嬲q ，不 会对电压放大级产生影响，但栅极同源漏极之间有一个寄生的输出电容g ，由栅 源电容c 0 和栅漏电容组成，一般在几百皮法，为防止由此带来的寄生振荡对 电压放大级产生影响，各栅极应分别串接适当的小电阻，即图中的r 和是。 ；剐 v i s - 2 1 3 、, 图3 - 1 0p z t 驱动电路基本原理图 该驱动电源没有采用普通直流放大电源的误差放大环节，而是利用两个p n p 管对反馈电压和输入电压进行比较，避免了输入动态信号时高压放大级的剧烈波 动。同时输出级采用了v m o s 管组成的推挽式功放，输出电阻极小，负载能力大， 整个驱动电源的电路结构简单可靠。图3 1 1 为用p r o t e l 9 9 画的原理图，图3 1 2 为p z t 驱动电源的实物图。 图3 1 1p z t 驱动电源p r o t e l 9 9 原理图 1 9 扯缸至堂厶堂醒：芏篮监窑出红塌握盔越生丕统 圈3 1 2p z t 驱动电源实物幽 2 2 2p z t 驱动电源线性度测试 为了确定此p z t 电路是否符合实验系统要求，对其性能进行了测试，主要是测 试电源的线性度和频率响应特性。测试供电直流电源为2 2 0 v 直流开关电源。 图3 - 1 3 为电源线性度测试实验框图，图3 - 1 4 、3 1 5 、3 1 6 、3 1 7 是电源的线 性度测试结果。手动调节输入电压范围0 - 9 v ，步进0 2 v 。经软件o r i g i n 进行线 性拟合，得到三路的线性度分别为0 9 9 9 8 2 ，0 9 9 9 8 9 ，0 9 9 9 8 8 。 输入t0 - g v 幽3 1 3 电源线性度测试框图 幽3 1 4 p z i 驱动电源第一路线性度测试曲线围 韭直窑亚太生殛主芏位诧塞出红值趣盔篮生垂煞 圈3 1 5p e r 驱动电源第二路线性度测试曲线图 图3 1 6 驱动电潭第三路线性度测试曲线圈 刚3 一1 7 驱动电源三路线性度台酗 从图中可见三路输出一致性很好，在输出电压介于6 v 和1 9 7 v 时线性度较好， 压电陶瓷驱动电源基本上是工作在2 0 1 6 0 v 时电压的变化对偏振态的影响较大， 因此电源的线性度是很符合实验要求的。 2 2 3p z t 驱动电源响应特性测试 电源的频率响应特性决定了整个系统的动态性能，因此我对p z t 驱动电源的 频率响应特性也作t n 试。由于示波器的电压量程有限，所以对p z t 驱动电源的 输出采取电阻分压测量的方式。电阻相对来说是无容性器件，所以分压后的频率 响应特性不会受到影响。本测试中，输入采用了一个由5 5 5 定时器构成的可调方 波发生器( 图3 1 8 ) 对于输入输出波形进行了比较，实验框图见3 1 9 。 图3 1 85 5 5 定时器构成的可调方波发生器 5 5 5 定时器 肌。 p z t 驱动电源 u - 构成的叮调 方波笈生器 7 u 1 _ 图3 1 9p z t 驱动电源响应特性实验框图 图3 2 0 是典型的输入输出波形比较的截图，上方为输入波形，下方为输出波 形，以下的几幅图也是同样的情况。从这幅图中可以大致看到输出波形与输入波 形相比频率特性失真整体上还是比较小的，噪声也比较小，波形形状的失真也很 小。 锄kj 乙翻 物弼 m 陬o x l o r 广；i jl 一 铀硼僦 勤作 蕊 格式 圆 翩於 存图像 逢浮 资料爽 锯存 麟1 1 删 i ds 0 0 肼 2 1 - m 奶c - 0 e1 翱啕 3 2 0 输入输出典型波形比较 图3 2 l 到3 2 3 是在输入的方波为5 0 0 h z 、i k h z 和1 5 k h z 时候的波形上升沿延 迟结果，我们可以看到上升沿的延迟在5 0 u s 以内，而且并不随着输入频率的改变 而有变化。 您k ，几。t f i r 4 。1 4 陬0 0 0 s 汹 戤 ； 勤作 _ 1r ： 圈 格式 团 阔於 存图俊 遥挥 资料爽 髓存 ，：t f x 0 1 1 啪 t 警+ 、。i ，、? ? i 一。? i e 嬲2 毋0 够c 22 删 m 1 0 0 x 垮 2 1 啼钳p 1 鲫s蝴1 图3 2 l5 0 0 h z 输入下上升沿延迟 t e k几 。曩t 梅谨m 陬瓤咻铡脯 勤作 ；圈 ；广”呐叩格式 “ 1! 圃 枷一 + 朗於 ； 存圃像 1 1 、 e 辫12 o 露q 逢攫 瓷料爽 箭存 彻2 2 胂 m 锄_ o 婀”一一 2 1 一m w 1 鲫o i 0 2 0 s i , i 地 图3 2 2i k h z 输入下上升沿延迟 o 。 一 2 警几引两“忡= 1 铷鬻器 l 二，厂_ 零 朗於 存圃像 送择 瓷料爽 储存 乜。，t e l ( 0 1 瑚m p m5 0 0 鹏 2 1 - m a y - 0 819 ：1 3 1 。5 1 4 5 3 1 e h z 图3 2 31 5 k h z 输入下上升沿延迟 图3 2 4 到3 2 6 是在输入的方波为5 0 0 h z 、l k h z 和1 5 k h z 时候的波形下降沿延 迟结果，同样的，下降沿的延迟也在5 0 u s 以内，且也不随着输入频率的改变而有 变化。可见，整个的延迟在1 0 0 u s 以内。在输入的频率大于3 k h z 的时候，波形明 显失真( 见图3 - 2 7 ) 。可见，该驱动电源对于低速的( 1 k h z ) 偏振态发生系统还是 比较合适的。 t e k几 日t f i 9 d m p o 皇$ 7 0 0 , w ” 。“一 销v e ，r e c 勤作 圈 格式 团 图於 ； ： 。存圃像 p 蝴帅蚺_ _ ，送撵 t 瓷料爽 、：蝴_ _ _ 懒赭存 1 3 。一：j 。一、。t e k 0 1 1 8 j 卅i p m 1 0 0 , m 2 1 一m a y 1 卸6 4 3 3 2 9 3 h z 图3 2 45 0 0 h z 输入下下降沿延迟 t e k j l _ i b t 细理m p 哆1 非栅s v f j f e c + 勤作 ：一一棚； 圈 ： l格式 2 乙。i 国硼 一一一t ! 熬 1 蓊铲一“c 怒“蕊瓣，一 毽撵 资料爽 髓存 t e k 0 1 2 4 b 忡 州5 0 0 j _ l l 一4 2 1 - m a y - 0 81 钢1 1 0 1 5 7 8 k h z 图3 2 5l k h z 输入下下降沿延迟 2 警取一舯嘭一刚邱8 眦s 勤a v e 作r e c ： ? ：，。茛曼晶占r 搿 格式 衄 翩於 存圃像 邀挥 瓷料交 储存 二几二几二几一。几零 ：o _ o 期於 ； j ；4 存圃像 送撵 瓷料爽 储存 ： ，t e k 0 1 5 0 b 伊 m1 0 0 , u 5 一“。“j “1 二”。“1 “。“? 2 1 - m a y - 0 813 = ：豳4 , 0 3 4 16 k h z 图3 2 7 大于3 d l z 时波形明显恶化，图中为4 k h z 时的波形 2 3 光纤偏振态发生系统测试 为了检验该偏振态发生系统，对其进行了偏振态发生测试。根据第二章所述， 如果固定到某一个初始偏振态，然后对光纤沿着一个固定的方向进行渐进的挤压， 偏振态的演化在邦加球上会显示一个圆形的轨迹。如果沿着与该方向夹4 5 度角的 方向渐进的挤压，会在与该圆形轨迹平面垂直的方向得到第二次偏振态演化所形 成的圆形轨迹。 首先验证该系统在挤压一路时偏振态的演化在邦加球上是否是一个圆形的轨 迹，使用手动的偏振控制器将偏振态在邦加球上调整任意位置作为初始偏振态， 采用手动调节单独一路的电压方式来控制挤压光纤的力度，在偏振分析仪上记录 邦加球上的轨迹，实验框图见图3 2 8 ，得到的结果见图3 2 9 。 手动调节输入电压 l 3 2 8 光纤偏振态发生系统实验框图 b cd 图3 - 2 9 一个方向上挤压光纤偏振态演化轨迹 从这四幅图中我们可以看出偏振态的演化轨迹是圆形的。每当转过一圈后利 用手动偏振控制器将偏振态转到任意的位置，再调整同一路的电压，在一个方向 、，k o 、。、j j 。 拙塞窑通盔芏亟堂位监塞盘红塘握盔罄生丕班 上挤压光纤，不论初始偏振态在哪里，得到的偏振态轨迹是一组相互平行的圆。 图中圆形轨迹间的一些连线是在调整初始偏振态时留下的。根据第二章中的理论 使用m a t h e m a t i c 进行仿真结果见图3 3 0 ，可见试验结果和理论仿真是吻合的。 def 翻3 3 0 偏振态发生理论m a t h c m a 6 c 仿真图1 第二个实验是先后调整两路电压在0 度和4 5 度方向上挤压光纤，实验结果如 图3 - 3 1 所示，分别为不同视角下的两个圆形轨迹。 ? ，行i = 弋 ( 维乡复、 j 、 一 ”、； 、， 一舶 韭显奎垫盔堂亟芏位业塞出红螭握盔蕴生垂统 圆夕夕 、一 、j 一一7 c 图3 - 3 10 度和4 5 度角挤压光纤偏振态演化 由图3 - 3 1 可以看出尽管有一些偏差，但是两个圆形轨迹近似为正交。再次根 据第二章的理论进行仿真，见图3 3 2 ，可见实验和理论依然是吻合的。这意味着 该系统通过在0 度和4 5 度方向上挤压光纤，可以基本实现在邦加球上向任意一个 偏振态转化。 ( ab 图3 - 3 2 偏振奋发生理论m a t h e m a t i c 仿真圈i 最后对整个光纤偏振奋发生系统进行了简单的动态响应测试，实验框图见图 3 - 3 3 实验结果见图3 - 3 4 和3 3 5 。图3 - 3 4 中使用的起偏器是用来调节输出的光强 光电转换使用的是普通的低速光电探测器。圈3 3 5 中，a 是输入的方波占空比 大约1 比3 ，频率为i k h z ，b 是输出的波形。 业噩虿业占堂硒堂拉监童出红值耀盔蕴生歪蕴 1 k h z 占空比接 近1i z 3 的方波 削3 3 4 光纤偏振态发生系统l 冉应稠试框闰 啪，州茸竹咋优、硝讨l ，彳1 b 圈3 2 5 光纤偏振态发生系统响应测试结果 尽管图3 2 5 是用照片拍的结果，但是其图像依然比较清晰。由于使用的是普 通的光电探测器，其背景噪声相对较大，b 是测得的波形，可以看到输出波形近似 为尖峰从上一节的测试可以看出输入信号经过p z t 驱动电源后失真很小，所以 这一结果应该主要是由于压电陶瓷的压电效应作用时的迟滞和蠕变造成的。通过 这个简单的实验，我们可以大致了解到系统输入输出的时间特性，整个上升延迟 为1 5 0 u s 左右，作为低速的偏振态发生系统( 1 m s ) 基本符合要求。 2 4 本章小结 本章第一个主要工作是对研制的偏振态发生系统进行详细的说明，重点说明 了光纤及压平台和p z t 驱动电路的设计分析，对p z t 的性能进行了测试和分析， 本章第二个主要工作是使用该系统