專利名稱：一種兼有任意偏振態(tài)轉(zhuǎn)化和穩(wěn)定的方法及其裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于一種兼有任意偏振態(tài)轉(zhuǎn)化和穩(wěn)定的方法及其裝置。
背景技術(shù)：
光信號在傳輸過程中由于光纖的扭曲、旋轉(zhuǎn)、擠壓等原因，將發(fā)生偏振態(tài) 的改變。這對于偏分復(fù)用、相干接收等需要保持偏振態(tài)穩(wěn)定的系統(tǒng)而言，無疑 是一個(gè)亟待解決的問題。因此，控制和穩(wěn)定光纖中的偏振態(tài)成為偏分復(fù)用系統(tǒng) 及相干檢測等研究的重點(diǎn)和難點(diǎn)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提出一種兼有任意偏振態(tài)轉(zhuǎn)化和穩(wěn)定的方法及其裝置，用 方法和裝置既可以將任意的輸入光信號的偏振態(tài)轉(zhuǎn)化成所需的目標(biāo)偏振態(tài)，也 可以實(shí)現(xiàn)在線跟蹤，將輸入光信號的偏振態(tài)穩(wěn)定在目標(biāo)偏振態(tài)上。
為此，本發(fā)明的方法是 任意偏振態(tài)的入射光經(jīng)過偏振控制器后偏振態(tài)發(fā)生改變，偏振檢測儀監(jiān) 測改變后的偏振態(tài)，并將結(jié)果輸出到數(shù)據(jù)處理單元，數(shù)據(jù)處理單元采用PS0 算法搜索并跟蹤要輸出的目標(biāo)偏振態(tài)，并將其反饋給偏振控制器以實(shí)現(xiàn)對入射 光信號偏振態(tài)的轉(zhuǎn)化或穩(wěn)定控制，包括如下步驟
(1) 設(shè)定所期望得到轉(zhuǎn)化的，或所期望得到穩(wěn)定的偏振態(tài)57，52，S3及目標(biāo) 函數(shù)的閾值；
巨標(biāo)函數(shù)是/ = expj-^——^-^——^-^}
11 + [(S1' - Sl)2 + (S2' - S2)2 + (S3' - S3)2 ] J
其中，W，52'，5T是偏振檢測儀監(jiān)測到的輸入光信號的偏振態(tài)，57,52，^ 是待輸出的目標(biāo)偏振態(tài)，對于完全偏振光，S12+S22+<S32=S02，用W，52，^即可 描述光信號的偏振態(tài)，當(dāng)S1'^1,S2'^2,S3'^3時(shí)，目標(biāo)函數(shù)值最大；
(2) 在偏振控制電壓所允許的范圍內(nèi)，隨機(jī)設(shè)20個(gè)粒子，即隨機(jī)選取20 組電壓""，得到20個(gè)不同的偏振態(tài)W，W,W;
(3) 判斷當(dāng)前光信號的偏振態(tài)是否是待輸出的目標(biāo)偏振態(tài)，即目標(biāo)函數(shù) 是否達(dá)到閾值，如果目標(biāo)函數(shù)值小于閾值，則按下面的更新公式更新每個(gè)粒子的速度和位置，
vw — v,.rf + ci * rawc/ () * (/ Z est;cw — xw) + C2 * 7'awd () * (g6asto — xw)
式中，第一項(xiàng)是原有速度，第二項(xiàng)對應(yīng)"個(gè)體認(rèn)知"，第三項(xiàng)對應(yīng)"群體學(xué)
習(xí)"，cl、 c2分別是"個(gè)體認(rèn)知"和"群體學(xué)習(xí)"的權(quán)重，mm/()是0，l之間的 隨機(jī)數(shù)，第i個(gè)粒子的最佳位置記為/^es,x;-(/7^stei，pZ^ftc,2,…，； 6"/x"，…p6e^to)， 群體的最佳位置記為g6"fc^(g&邊"g&欲2，…，g6"to,…gMsto)，直至達(dá)到閾值，
如果g標(biāo)函數(shù)值達(dá)到閾值，則跳出搜索算法，進(jìn)入跟蹤過程，將粒子數(shù)適當(dāng)
減少，搜索空間由整個(gè)斯托克斯空間縮小到原有最優(yōu)位置的附近，在小范圍 內(nèi)尋找目標(biāo)函數(shù)的最大值；
(4)數(shù)據(jù)處理單元將搜索到的反饋控制電壓C 。經(jīng)數(shù)模轉(zhuǎn)換后輸出 到偏振控制器，改變偏振控制器的狀態(tài)，以獲得所需要的轉(zhuǎn)化偏振態(tài)或所需要 的穩(wěn)定偏振態(tài)。
木發(fā)明實(shí)現(xiàn)該方法的裝置具有 偏振控制器，由四個(gè)波片組成，是一種角度固定，相差可變的偏振控制 器，其四個(gè)波片的角度分別是45° 、 0° 、 45° 、 0° ，可變相差由施加在波 片上的電壓控制，控制電壓的范圍是0--IOV，可實(shí)現(xiàn)0 5;r的相位變化；
偏振檢測儀，用于檢測偏振控制器輸出信號的偏振態(tài)，它輸出四路電壓 VO、 VI、 V2、 V3，經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換和矩陣運(yùn)算后得到斯托克斯矢量的四個(gè)分量； 數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器，用于連接數(shù)據(jù)處理單元和偏振控制器； 模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器，用于連接數(shù)據(jù)處理單元和偏振檢測儀； 數(shù)據(jù)處理單元，數(shù)據(jù)處理單元的硬件部分為高速數(shù)字信號處理器(DSP) 或計(jì)算機(jī)，控制算法采用粒子群優(yōu)化(PSO)算法搜索并跟蹤要輸出的目標(biāo)偏 振態(tài)，并將其反饋給偏振控制器以實(shí)現(xiàn)對入射光信號偏振態(tài)的穩(wěn)定控制。 上述結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了本發(fā)明的目的。
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是可以將任意的輸入光信號的偏振態(tài)轉(zhuǎn)化成所需的目標(biāo)偏 振態(tài)，也可以實(shí)現(xiàn)在線跟蹤，將輸入光信號的偏振態(tài)穩(wěn)定在目標(biāo)偏振態(tài)上。利 用實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有的硬件設(shè)備，所能穩(wěn)定跟蹤的偏振態(tài)的響應(yīng)速度最高達(dá) 12. 8krad/s (12. 8千弧度/秒)，且應(yīng)用可行，前景廣泛。


圖l為本發(fā)明結(jié)構(gòu)的示意2為本發(fā)明的粒子群優(yōu)化(PS0)算法搜索工作流程圖' 圖3為本發(fā)明以(1, 0, 0)作為目標(biāo)偏振態(tài)的搜索結(jié)果圖 圖4為本發(fā)明的粒子群優(yōu)化(PS0)算法跟蹤流程圖 圖5 (a d)為本發(fā)明的在線跟蹤的結(jié)果圖
圖6為本發(fā)明在擾偏器頻率為0-8kHz時(shí)，相位變化范圍分別為^、工、；r時(shí)
4 2
穩(wěn)定后偏振態(tài)偏離目標(biāo)偏振態(tài)(l， 0， 0)的標(biāo)準(zhǔn)差圖 具休實(shí)施方式
如圖1至圖6所示， 一種兼有任意偏振態(tài)轉(zhuǎn)化和穩(wěn)定的方法，任意偏振 態(tài)的入射光經(jīng)過偏振控制器后偏振態(tài)發(fā)生改變，偏振檢測儀監(jiān)測改變后的偏振 態(tài)，并將結(jié)果輸出到數(shù)據(jù)處理單元，數(shù)據(jù)處理單元采用PSO算法搜索并跟蹤要 輸出的目標(biāo)偏振態(tài)，并將其反饋給偏振控制器以實(shí)現(xiàn)對入射光信號偏振態(tài)的轉(zhuǎn) 化或穩(wěn)定控制，包括如下步驟
(1) 設(shè)定所期望得到轉(zhuǎn)化的，或所期望得到穩(wěn)定的偏振態(tài)W，M,W及目標(biāo) 函數(shù)的閾值；
目標(biāo)函數(shù)是/ = expj-5-^-^-
其中，W，5T,53'是偏振檢測儀監(jiān)測到的輸入光信號的偏振態(tài)，W^2，W 是待輸出的冃標(biāo)偏振態(tài)，對于完全偏振光，S12+S22"32=S02，用W,52，53即可 描述光信號的偏振態(tài)，當(dāng)S1'-S1，S2'^2,S3'^3時(shí)，目標(biāo)函數(shù)值最大；
(2) 在偏振控制電壓所允許的范圍內(nèi)，隨機(jī)設(shè)20個(gè)粒子，即隨機(jī)選取20 組電壓W, ^ K ，得到20個(gè)不同的偏振態(tài)^，,6T,W;
(3) 判斷當(dāng)前光信號的偏振態(tài)是否是待輸出的目標(biāo)偏振態(tài)，即目標(biāo)函數(shù) 是否達(dá)到閾值，如果目標(biāo)函數(shù)值小于閾值，則按下面的更新公式更新每個(gè)粒子 的速度和位置，
vw 二+ ci * () * (/ Z^5txw — xw) + 。 * () * (g6esto — xw)
XW 二 JCW + vw
式中，第一項(xiàng)是原有速度，第二項(xiàng)對應(yīng)"個(gè)體認(rèn)知"，第三項(xiàng)對應(yīng)"群體學(xué)
習(xí)"，d、 c2分別是"個(gè)體認(rèn)知"和"群體學(xué)習(xí)"的權(quán)重，mm/()是0，l之間的 隨t幾數(shù)，第i個(gè)茅立子的最j圭位置記為pZ^tt,:(/^e^x,i，/)Z^te2,…,/^eWjc,rf,…;^eyftto)， 群體的最佳4立置記為g^敏-(gZ^ta,g6e;s漢2,…,gZ^to,…g6eWXD)，直至達(dá)到閾值，如果目標(biāo)函數(shù)值達(dá)到閾值，則跳出搜索算法，進(jìn)入跟蹤過程，將粒子數(shù)適當(dāng) 減少，搜索空間由整個(gè)斯托克斯空間縮小到原有最優(yōu)位置的附近，在小范圍
內(nèi)尋找目標(biāo)函數(shù)的最大值；
(4)數(shù)據(jù)處理單元將搜索到的反饋控制電壓"C K龍5數(shù)模轉(zhuǎn)換后輸
出到偏振控制器，改變偏振控制器的狀態(tài)，以獲得所需要的轉(zhuǎn)化偏振態(tài)或 所需要的穩(wěn)定偏振態(tài)。
所述的速度更新公式還可用
式中，第一項(xiàng)是原有速度，第二項(xiàng)對應(yīng)"個(gè)體認(rèn)知"，第三項(xiàng)對應(yīng)"群體
學(xué)習(xí)"，cl、 e2分別是"個(gè)體認(rèn)知"和"群體學(xué)習(xí)"的權(quán)重，m"d()是0， 1之 間的隨機(jī)數(shù)，w是慣性權(quán)重，它表示粒子當(dāng)前速度對上一代速度的依賴程度。 所述的速度更新公式還可用
|2-c —/一 —4c I c = cl + c2(c > 4)
式中，第一項(xiàng)是原有速度，第二項(xiàng)對應(yīng)"個(gè)體認(rèn)知"，第三項(xiàng)對應(yīng)"群體 學(xué)習(xí)"，d、 d分別是"個(gè)體認(rèn)知"和"群體學(xué)習(xí)"的權(quán)重，腦甸是0， 1之 間的隨機(jī)數(shù)，^是限制因子，隨著C的增大，/f會變小，這樣就防止了 c過于大 而造成當(dāng)前粒子速度過大。
如圖l所示，一種實(shí)現(xiàn)所述方法的裝置，由偏振控制器2、偏振檢測儀3、 模擬數(shù)字變換器5、數(shù)據(jù)處理單元6和數(shù)字模擬變換器7組成。所述的裝置具 有偏振控制器，由四個(gè)波片組成，是一種角度固定，相差可變的偏振控制器， 其四個(gè)波片的角度分別是45° 、 0° 、 45° 、 0° ,可變相差由施加在波片上 的電壓控制，控制電壓的范圍是0--IOV，可實(shí)現(xiàn)0 5;r的相位變化。數(shù)字模擬 轉(zhuǎn)換器，用于連接數(shù)據(jù)處理單元和偏振控制器。模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器，用于連接數(shù) 據(jù)處理單元和偏振檢測儀。偏振檢測儀，用于檢測偏振控制器輸出信號的偏振 態(tài)，它輸出四路電壓VO、 VI、 V2、 V3，經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換后和矩陣運(yùn)算后得到斯托 克斯矢量的四個(gè)分量；數(shù)據(jù)處理單元6，其硬件部分為高速數(shù)字信號處理器
(DSP)或計(jì)算機(jī)，控制算法采用PSO算法搜索并跟蹤要輸出的目標(biāo)偏振態(tài)， 并將其反饋給偏振控制器以實(shí)現(xiàn)對入射光信號偏振態(tài)的穩(wěn)定控制。所述的偏振控制器連接偏振檢測儀，偏振檢測儀通過模擬數(shù)字變換器連 接數(shù)據(jù)處理單元，數(shù)據(jù)處理單元通過數(shù)字模擬變換器連接偏振控制器。
所述的穩(wěn)定裝置的輸入端1與光纖通信線路或任意偏振態(tài)的入射光路相 連，穩(wěn)定裝置的輸出端4與上述線路的光接收端相連。
數(shù)據(jù)處理單元是含有PS0算法及搜索跟蹤程序的高速數(shù)字信號處理器
(DSP)或者計(jì)算機(jī)。
木發(fā)明原理是任意偏振態(tài)的入射光經(jīng)過(電控)偏振控制器后偏振態(tài)發(fā) 生改變。偏振檢測儀監(jiān)測改變后的偏振態(tài)，并將結(jié)果輸出到數(shù)據(jù)處理單元。數(shù)
據(jù)處理單元采用PS0算法搜索并跟蹤要輸出的目標(biāo)偏振態(tài)，并將其反饋給偏振 控制器以實(shí)現(xiàn)對入射光信號偏振態(tài)的穩(wěn)定控制。
數(shù)據(jù)處理單元的控制算法采用PSO算法，搜索并跟蹤所選用的目標(biāo)函數(shù)的
最大值。目標(biāo)函數(shù)選取一個(gè)具有單凸最大值的函數(shù)
其中，(S1',S2',S3')是偏振檢測儀監(jiān)測到的輸入光信號的偏振態(tài)，(S1,S2,S3)是 待輸出的目標(biāo)偏振態(tài)。對于完全偏振光，^2+522+532=卯2，用(S1,S2，S3)即可 描述光信號的偏振態(tài)。當(dāng)51'=禮"'=52，53' = ^時(shí)，目標(biāo)函數(shù)值最大，本發(fā)明 采用PSO算法搜索并跟蹤目標(biāo)函數(shù)的最大值。當(dāng)進(jìn)行搜索時(shí)，搜索算法在全空 間尋找目標(biāo)函數(shù)的最大值；當(dāng)進(jìn)行跟蹤時(shí)，搜索算法在小范圍內(nèi)尋找目標(biāo)函 數(shù)的最大值。偏振控制器的控制電壓由邏輯控制單元采用PSO算法搜索得到。 當(dāng)偏振檢測儀檢測到-組斯托克斯矢量(S1',S2',S3')后，判斷當(dāng)前光信號的偏振 態(tài)是否是待輸出的目標(biāo)偏振態(tài)，即目標(biāo)函數(shù)值是否達(dá)到閾值。如果目標(biāo)函數(shù) 值達(dá)到閾值，則跳出搜索算法，不進(jìn)行反饋輸出，保持當(dāng)前鏈路中的偏振態(tài)； 如果目標(biāo)函數(shù)值小于閾值，則利用搜索算法在電壓空間中尋找一組合適的反 饋控制電壓(n,",F3)，使得輸入的偏振態(tài)經(jīng)電控偏振控制器后輸出偏振態(tài)的 斯托克斯矢量(S1'，S2',S3')盡可能地滿足目標(biāo)函數(shù)的最大值條件。數(shù)據(jù)處理單元 搜索到的反饋控制電壓(n,F2,")經(jīng)數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器(D/A)轉(zhuǎn)換后輸出到(電 控)偏振控制器，改變偏振控制器的狀態(tài)，從而改變輸入光信號的偏振態(tài)。
具有任意偏振態(tài)轉(zhuǎn)化功能的光纖偏振態(tài)穩(wěn)定裝置具有在整個(gè)斯托克斯空 間中搜索目標(biāo)偏振態(tài)的功能。它采用PS0算法，以偏振控制器的控制電壓 (W,",K3)作為搜索對象，以目標(biāo)函數(shù)值作為判斷標(biāo)準(zhǔn)。如圖2所示，粒子群優(yōu)化(PS0)算法是一種源于生物現(xiàn)象的計(jì)算技術(shù)，它
是為模擬鳥群或魚群搜索捕食的行為而設(shè)計(jì)的一種優(yōu)化算法。該算法利用由 個(gè)體(或"粒子")組成的社會群體搜索最佳解。每個(gè)個(gè)體(或"粒子") 抽象成多維空間中的一個(gè)交匯點(diǎn)，通過迭代更新自己在多維空間中的位置， 以尋找最佳點(diǎn)。在每次迭代中，粒子對自己過去的最佳位置有記憶信息，同 時(shí)又與社會群體中的其它粒子相互分享最佳位置的信息。每個(gè)粒子同時(shí)評價(jià) 這兩個(gè)信息以決定自己下一步的移動。當(dāng)群體中的任何一個(gè)粒子離最佳目標(biāo) 位置足夠近，或者說距離最佳目標(biāo)位置的距離小于預(yù)先規(guī)定的誤差時(shí)，便認(rèn) 為粒子已經(jīng)找到了最佳位置。
粒子群優(yōu)化(PS0)算法采用N個(gè)粒子組成群體，在空間中搜索最佳位置。 它定義第i個(gè)粒子為D維空間中的位置矢量，表示為X,"x,!,x,v..,;cw,...,x,力。同時(shí) 定義該粒子的速度矢量為rh(叫叫...，，...則)。搜索開始時(shí)，首先隨機(jī)初始化N 個(gè)粒子的位置和速度，使N個(gè)粒子均勻地分布在搜索空間中。在每一代中，每 個(gè)粒子先反饋輸出自己的當(dāng)前位置，判斷是否已經(jīng)找到目標(biāo)位置。如果是， 則停止搜索；否則，等待更新自己的位置，以進(jìn)入下一代的搜索。如果N個(gè)粒 子在某一代中都沒有找到目標(biāo)位置，則進(jìn)行更新。N個(gè)粒子根據(jù)自己歷代搜索 到的最佳位置和群體搜索到的最佳位置來更新自己的位置。其中，第i個(gè)粒子 的最《圭"f立置i己為/ 6"te = 06^加i,; 6e5ftc,'2,…，/ Z Mttw，…;76e5tx:,7))，群體的最j圭位置i己 為g&欲=(gZ^加,g&愈2,…，gZ^to,…g6"to)。粒子根據(jù)自己歷代來的最佳位置進(jìn) 行更新稱之為"個(gè)體認(rèn)知"，根據(jù)群體最佳位置進(jìn)行更新稱之為"群體學(xué)習(xí)"。 PSO算法的搜索過程如下-
(1) 在D維空間中隨機(jī)初始化N個(gè)粒子的位置和速度；
(2) 對于每個(gè)粒子，計(jì)算其當(dāng)前位置對應(yīng)的目標(biāo)函數(shù)值；
(3) 每個(gè)粒子當(dāng)前位置對應(yīng)的目標(biāo)函數(shù)值同自己前面幾代找到的最佳目 標(biāo)函數(shù)值比較，如果"更優(yōu)"，則替換該粒子的個(gè)體最優(yōu)值和最優(yōu)位 置，否則不改變其個(gè)體最優(yōu)值和最優(yōu)位置；
(4) 將當(dāng)前一代整個(gè)群體中每個(gè)粒子的個(gè)體最優(yōu)值和歷代以來找到的全 局最優(yōu)目標(biāo)函數(shù)值進(jìn)行比較，如果"更優(yōu)"，則替換群體最優(yōu)值和最 優(yōu)位置，否則不改變?nèi)后w最優(yōu)值和最優(yōu)位置；
(5) 按下面的更新公式更新每個(gè)粒子的速度和位置。vw =術(shù)+ ci * rawd () * to — xw) + 。 * ra"c/ () * (g6e欲"—x") ②
X/rf = u +窗
(6)判斷當(dāng)前群體最優(yōu)值是否滿足終止條件，如果滿足則停止搜索，否則 轉(zhuǎn)到(2)進(jìn)行下一代搜索。 公式②中，mm/()是
之間的隨機(jī)數(shù)。式中，第一項(xiàng)是原有速度，第二項(xiàng)對 應(yīng)"個(gè)體認(rèn)知"，第三項(xiàng)對應(yīng)"群體學(xué)習(xí)"。cl、 c2分別是"個(gè)體認(rèn)知"和 "群體學(xué)習(xí)"的權(quán)重。 ，
除了公式②所示的更新公式，還有以下兩個(gè)速度更新公式 v" = w * vw + ci * () * (p6esta — u) + * raw6/() * (妙esto — u) ③
"-;2 ④
12-c一 Vc -4c I
c = cl + c2(c >4)
其中，公式③可以通過改變w，實(shí)現(xiàn)算法逐漸進(jìn)入局部搜索，有利于提高搜索 精度。公式④通過引入限制因子^控制了搜索速度。上述兩個(gè)更新公式改善了 粒子群優(yōu)化PSO算法的性能。
在該裝置中，數(shù)據(jù)處理單元采用粒子群優(yōu)化(PSO)算法，其流程圖如圖 2所示。
如圖3所示，圖3是以(1， 0， 0)作為目標(biāo)偏振態(tài)搜索的結(jié)果。 如圖4所示，該本發(fā)明可以對輸入光信號的偏振態(tài)進(jìn)行高速的在線跟蹤，
實(shí)現(xiàn)將任意的輸入光信號的偏振態(tài)穩(wěn)定在某一特定偏振態(tài)上。偏振態(tài)的在線
跟蹤仍然采用粒子群優(yōu)化(PSO)算法。此時(shí)，將粒子數(shù)適當(dāng)減少，搜索空間
由整個(gè)斯托克斯空間縮小到原有最優(yōu)位置的附近，迭代的次數(shù)也適當(dāng)減小，
圖4是跟蹤過程的流程圖。
如圖5所示，在本發(fā)明的裝置前加擾偏器。當(dāng)擾偏器的頻率分別為lkHz、 2kHz、 4kHz、 8kHz，相位變化范圍為|時(shí)，在線跟蹤的結(jié)果如圖5所示，其
中左圖為斯托克斯矢量(S1',S2',S3')的跟蹤結(jié)果，右圖為邦加球上的跟蹤結(jié)果。 擾偏頻率分別為lkHz、 2kHz、 4kHz、 8kHz時(shí)以(1， 0， 0)為目標(biāo)偏振態(tài)的跟蹤結(jié)果。(a)lkHz; (b)2kHz; (c)4kHz; (d)8kHz。
如圖6所示，以(1，0，0)作為目標(biāo)偏振態(tài)，當(dāng)擾偏器的頻率為8kHz，相
位變化范圍為；時(shí)，穩(wěn)定后偏振態(tài)的斯托克斯矢量偏離(1， 0， 0)的標(biāo)準(zhǔn)差d小 4
于0.05;當(dāng)頻率仍為8kHz，相位變化范圍為i時(shí)，偏離(1,0,0)的標(biāo)準(zhǔn)差小于
0.1。圖6是擾偏器的頻率為0-8kHz時(shí)，相位變化范圍分別為二 二 ；r時(shí)，穩(wěn)
4 2
定后偏振態(tài)偏離目標(biāo)偏振態(tài)(1，0,0)的標(biāo)準(zhǔn)差。
總之，本發(fā)明可以將任意的輸入光信號的偏振態(tài)轉(zhuǎn)化成所需的目標(biāo)偏振 態(tài)，也可以實(shí)現(xiàn)在線跟蹤，將輸入光信號的偏振態(tài)穩(wěn)定在目標(biāo)偏振態(tài)上。利 用實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有的硬件設(shè)備，所能穩(wěn)定跟蹤的偏振態(tài)的響應(yīng)速度最高達(dá)
12. 8krad/s (12. 8千弧度/秒)，且應(yīng)用可行，前景廣泛。
權(quán)利要求
1、一種兼有任意偏振態(tài)轉(zhuǎn)化和穩(wěn)定的方法，其特征在于任意偏振態(tài)的入射光經(jīng)過偏振控制器后偏振態(tài)發(fā)生改變，偏振檢測儀監(jiān)測改變后的偏振態(tài)，并將結(jié)果輸出到數(shù)據(jù)處理單元，數(shù)據(jù)處理單元采用PSO算法搜索并跟蹤要輸出的目標(biāo)偏振態(tài)，并將其反饋給偏振控制器以實(shí)現(xiàn)對入射光信號偏振態(tài)的轉(zhuǎn)化或穩(wěn)定控制，包括如下步驟(1)設(shè)定所期望得到轉(zhuǎn)化的，或所期望得到穩(wěn)定的偏振態(tài)S1，S2，S3及目標(biāo)函數(shù)的閾值；目標(biāo)函數(shù)是其中，S1’，S2’，S3’是偏振檢測儀監(jiān)測到的輸入光信號的偏振態(tài)，S1，S2，S3是待輸出的目標(biāo)偏振態(tài)，對于完全偏振光，S12+S22+S32＝S02，用S1，S2，S3即可描述光信號的偏振態(tài)，當(dāng)S1′＝S1，S2′＝S2，S3′＝S3時(shí)，目標(biāo)函數(shù)值最大；(2)在偏振控制電壓所允許的范圍內(nèi)，隨機(jī)設(shè)20個(gè)粒子，即隨機(jī)選取20組電壓V1，V2，V3，得到20個(gè)不同的偏振態(tài)S1’，S2’，S3’；(3)判斷當(dāng)前光信號的偏振態(tài)是否是待輸出的目標(biāo)偏振態(tài)，即目標(biāo)函數(shù)是否達(dá)到閾值，如果目標(biāo)函數(shù)值小于閾值，則按下面的更新公式更新每個(gè)粒子的速度和位置，vid＝vid+c1*rand()*(pbestxid-xid)+c2*rand()*(gbestxd-xid)xid＝xid+vid式中，第一項(xiàng)是原有速度，第二項(xiàng)對應(yīng)“個(gè)體認(rèn)知”，第三項(xiàng)對應(yīng)“群體學(xué)習(xí)”，c1、c2分別是“個(gè)體認(rèn)知”和“群體學(xué)習(xí)”的權(quán)重，rand()是0，1之間的隨機(jī)數(shù)，第i個(gè)粒子的最佳位置記為pbestxl＝(pbestxl1，pbestxl2，...，pbestxld，...pbestlD)，群體的最佳位置記為gbestx＝(gbestx1，gbestx2，...，gbestxd，...gbestxD)，直至達(dá)到閾值，如果目標(biāo)函數(shù)值達(dá)到閾值，則跳出搜索算法，進(jìn)入跟蹤過程，將粒子數(shù)適當(dāng)減少，搜索空間由整個(gè)斯托克斯空間縮小到原有最優(yōu)位置的附近，在小范圍內(nèi)尋找目標(biāo)函數(shù)的最大值；(4)數(shù)據(jù)處理單元將搜索到的反饋控制電壓V1，V2，V3經(jīng)數(shù)模轉(zhuǎn)換后輸出到偏振控制器，改變偏振控制器的狀態(tài)，以獲得所需要的轉(zhuǎn)化偏振態(tài)或所需要的穩(wěn)定偏振態(tài)。
2、按權(quán)利要求l所述的一種兼有任意偏振態(tài)轉(zhuǎn)化和穩(wěn)定的方法，其特征在于所述的更新公式還可用；式屮，第一項(xiàng)是原有速度，第二項(xiàng)對應(yīng)"個(gè)體認(rèn)知"，第三項(xiàng)對應(yīng)"群體學(xué)習(xí)"，cl、 c2分別是"個(gè)體認(rèn)知"和"群體學(xué)習(xí)"的權(quán)重，m^()是0, 1之間的隨機(jī)數(shù)，w是慣性權(quán)重，它表示粒子當(dāng)前速度對上一代速度的依賴程度。
3、按權(quán)利要求l所述的一種兼有任意偏振態(tài)轉(zhuǎn)化和穩(wěn)定方法，其特征在 于所述的更新公式還可用；w = A: * [w * + ci * raw/() * — ;w) + c2 * ram/()'卞(g6e to - xw)]I 2 - c _ Vc2 — 4c I c = cl + c2(c > 4)式中，第一項(xiàng)是原有速度，第二項(xiàng)對應(yīng)"個(gè)體認(rèn)知"，第三項(xiàng)對應(yīng)"群體 學(xué)習(xí)"，cl、 c2分別是"個(gè)體認(rèn)知"和"群體學(xué)習(xí)"的權(quán)重，m^()是0， 1之 間的隨機(jī)數(shù)，A是限制因子，隨著C的增大，A會變小，這樣就防止了c過于 大而造成當(dāng)前粒子速度過大。
4、 一種實(shí)現(xiàn)權(quán)利要求1所述方法的裝置，由偏振控制器、偏振檢測儀、模擬數(shù)字變換器、數(shù)據(jù)處理單元和數(shù)字模擬變換器組成，其特征在于所述的穩(wěn) 定裝置具有偏振控制器，由四個(gè)波片組成，是一種角度固定，相差可變的偏振控制 器，其四個(gè)波片的角度分別是45° 、 0° 、 45° 、 0° ，可變相差由施加在波 片上的電壓控制，控制電壓的范圍是0—10V，可實(shí)現(xiàn)0 5;r的相位變化；偏振檢測儀，用于檢測偏振控制器輸出信號的偏振態(tài)，它輸出四路電壓 VO、 VI、 V2、 V3，經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換和矩陣運(yùn)算后得到斯托克斯矢量的四個(gè)分量； 數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器，用于連接數(shù)據(jù)處理單元和偏振控制器； 模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器，用于連接數(shù)據(jù)處理單元和偏振檢測儀； 數(shù)據(jù)處理單元，數(shù)據(jù)處理單元的硬件部分為高速數(shù)字信號處理器DSP或 計(jì)算機(jī)，控制算法采用粒子群優(yōu)化PSO算法搜索并跟蹤要輸出的目標(biāo)偏振態(tài)， 并將其反饋給偏振控制器以實(shí)現(xiàn)對入射光信號偏振態(tài)的穩(wěn)定控制。
5、 按權(quán)利要求4所述的裝置，其特征在于所述的偏振控制器連接偏振 檢測儀，偏振檢測儀通過模擬數(shù)字變換器連接數(shù)據(jù)處理單元，數(shù)據(jù)處理單元通 過數(shù)字模擬變換器連接偏振控制器。
全文摘要
本發(fā)明屬于一種兼有任意偏振態(tài)轉(zhuǎn)化和穩(wěn)定的方法及其裝置，該方法和裝置采用任意偏振態(tài)的入射光經(jīng)過偏振控制器后偏振態(tài)發(fā)生改變，偏振檢測儀監(jiān)測改變后的偏振態(tài)，并將結(jié)果輸出到數(shù)據(jù)處理單元，數(shù)據(jù)處理單元采用PSO算法搜索并跟蹤要輸出的目標(biāo)偏振態(tài)，并將其反饋給偏振控制器以實(shí)現(xiàn)對入射光信號偏振態(tài)的轉(zhuǎn)化或穩(wěn)定控制。本發(fā)明既可以將任意的輸入光信號的偏振態(tài)轉(zhuǎn)化成所需的目標(biāo)偏振態(tài)，也可以實(shí)現(xiàn)在線跟蹤，將輸入光信號的偏振態(tài)穩(wěn)定在目標(biāo)偏振態(tài)上，且應(yīng)用可行，前景廣泛。
文檔編號G02F1/00GK101477254SQ20091007721
公開日2009年7月8日 申請日期2009年1月20日 優(yōu)先權(quán)日2009年1月20日
發(fā)明者余和軍, 席麗霞, 張文博, 張曉光, 方光青, 趙鑫媛 申請人:北京郵電大學(xué)