本發(fā)明屬于激光技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種激光偏振態(tài)控制穩(wěn)定裝置和控制穩(wěn)定的方法。

背景技術(shù)：

偏振態(tài)作為光波的一項重要的基本特性，其在高速光通信、相干光通信、光量子通信、光纖傳感、高功率激光裝置等領(lǐng)域均有重要的影響及應(yīng)用。若已知輸入光的偏振態(tài)，通過配置一系列波片，即可獲得任意期望偏振態(tài)的輸出。對于未知的偏振態(tài)輸入，為獲得期望的偏振態(tài)輸出，控制方法主要有以下四種：

1)基于光功率的偏振態(tài)控制方法。

該方法利用偏振分束器獲取某一偏振方向的偏振分量，基于該偏振方向的光功率值并配合搜索算法，對偏振控制器進行控制，即可實現(xiàn)輸出光偏振態(tài)的控制及穩(wěn)定。該方法提取的信息量有限，主要用于實現(xiàn)任意偏振態(tài)輸入到線偏振輸出的狀態(tài)轉(zhuǎn)換。

此方法由于其提取的信息量有限，無法給出明確的控制量，為了實現(xiàn)最優(yōu)的偏振態(tài)控制，一般需要采用各種尋優(yōu)算法(包括模擬退火算法、粒子群算法、遺傳算法等)，但無論采用哪種尋優(yōu)方法，均存在一定的盲目性以及大量的嘗試，而尋優(yōu)過程存在的大量局部最優(yōu)值，實際偏振控制器件存在的滯回特性也將會對算法的搜索造成影響，因此尋優(yōu)時間的長短存在不確定性，而尋優(yōu)結(jié)果亦可能陷于局部最優(yōu)。

2)基于偏振態(tài)檢測的偏振態(tài)控制方法

該方法需要對當前輸出光偏振態(tài)進行最少一次探測，獲取當前輸出光的偏振態(tài)的描述參數(shù)，隨后基于該描述參數(shù)，快速調(diào)整，實現(xiàn)任意偏振態(tài)的輸出。該方法控制精度高、響應(yīng)速度快，但需要對偏振態(tài)進行檢測，裝置復(fù)雜。

3)基于干涉信號的偏振態(tài)控制方法

該方法常見于光纖傳感系統(tǒng)中，通過獲得包含偏振態(tài)信息的干涉信號，并配合搜索算法，調(diào)整偏振控制器，實現(xiàn)所需偏振態(tài)的控制及穩(wěn)定。該方法不理會輸入輸出光的偏振態(tài)，其目標是獲得期望的干涉信號。

4)基于拍頻信號的偏振控制方法

該方法通過探測頻率相近的雙波長正交偏振光通過起偏器后表現(xiàn)出的拍頻信號，提取雙波長激光的偏振態(tài)信息，然后進行反饋控制，實現(xiàn)雙波長正交偏振光的偏振態(tài)控制和穩(wěn)定。該方法可以實現(xiàn)雙波長乃至多波長的偏振態(tài)控制，具有較高的靈敏度。該方法主要應(yīng)用于頻率相近的雙波長系統(tǒng)中。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種激光偏振態(tài)控制穩(wěn)定裝置和控制穩(wěn)定方法?？焖賹崿F(xiàn)控制電壓的搜索和輸出偏振態(tài)的穩(wěn)定，克服現(xiàn)有的偏振態(tài)控制穩(wěn)定方法的不完善性。

本發(fā)明提供的一種激光偏振態(tài)控制穩(wěn)定裝置，包括偏振控制器、起偏器、分束器和電控組件，偏振控制器、起偏器和分束器依次經(jīng)光纖連接，激光輸入偏振控制器，分束器將光束分為2路，比較大的一束作為輸出激光，比較小的一束作為監(jiān)測光信號連接到電控組件，電控組件輸出的控制電壓信號接入偏振控制器。起偏器與偏振控制器連接的輸入光纖為普通單模光纖，起偏器與分束器連接的輸出光纖為保偏光纖。

所述分束器的分束比為(90:10)～(99:1)。

所述的偏振控制器為光纖擠壓型偏振控制器，包含4個擠壓件，相鄰擠壓件間成45度夾角。

所述電控組件含有依次連接的光電探測器、AD轉(zhuǎn)換模塊、數(shù)字信號處理芯片(DSP)、DA轉(zhuǎn)換模塊，DA轉(zhuǎn)換模塊的輸出與偏振控制器相連接，分束器的輸出接入光電探測器。光電探測器將由分束器得到的光信號轉(zhuǎn)換為電信號，經(jīng)AD轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，送入數(shù)字信號處理芯片，在此芯片中按控制算法實時快速處理數(shù)據(jù)，得到控制信號，經(jīng)DA轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)換為模擬信號，接入偏振控制器作為控制電壓。

所述的光電探測器為PIN型光電二極管。

為了避免光電探測器飽和，讓裝置具有更寬廣的適用范圍，在分束器和電控組件之間接入可調(diào)衰減器。

本發(fā)明的一種激光偏振態(tài)控制穩(wěn)定裝置的控制穩(wěn)定方法，包含以下步驟：

步驟Ⅰ、搜索最優(yōu)控制電壓

Ⅰ-1、預(yù)置電壓

電控組件對偏振控制器中各個擠壓件預(yù)置電壓，保證各擠壓件引入的快慢軸間的相位差處于0.5π±0.2π范圍內(nèi)或者1.5π±0.2π范圍內(nèi)；

Ⅰ-2、控制電壓掃描

沿著光傳輸方向，依次掃描各個擠壓件的控制電壓，掃描某個擠壓件的控制電壓時，其他擠壓件的控制電壓保持不變，對某個擠壓件掃描完畢后，將該擠壓件的控制電壓設(shè)置為本次掃描過程中本裝置線偏振態(tài)激光輸出最大時對應(yīng)的該擠壓件控制電壓；然后再對下一個擠壓件進行控制電壓掃描。所有擠壓件的控制電壓掃描完畢后，得到各擠壓件的控制電壓即是偏振控制器的最優(yōu)控制電壓。

掃描過程設(shè)置的步長d為掃描范圍的1/300～1/500，掃描范圍為擠壓件的控制電壓范圍。

對偏振控制器中的各擠壓件預(yù)置電壓或進行控制電壓的掃描之前，先將該擠壓件的電壓設(shè)置為該擠壓件無擠壓狀態(tài)的電壓，再逐漸增加至預(yù)置電壓或開始控制電壓的掃描。

在步驟Ⅰ-2的控制電壓掃描過程中，保證各擠壓件引入的快慢軸間的相位差大于等于2π。

所述步驟Ⅰ-1中，當偏振控制器中各擠壓件的順序不可知時，按擠壓件的控制電壓范圍與相位延遲范圍，選擇各擠壓件的預(yù)置電壓，保證各擠壓件引入的快慢軸間的相位差處于0.5π±0.2π范圍內(nèi)或1.5π±0.2π范圍內(nèi)。

所述步驟Ⅰ-2中采用不同的掃描順序，掃描各擠壓件的控制電壓N次，N≥3。掃描某個擠壓件的控制電壓時，其他擠壓件的控制電壓保持不變，某個擠壓件掃描完畢后，將該擠壓件的控制電壓設(shè)置為本次掃描過程中本裝置線偏振態(tài)輸出最大時對應(yīng)的該擠壓件控制電壓，然后開始下一個擠壓件控制電壓的掃描。完成了4個擠壓件的控制電壓一次掃描后。再開始下一次不同順序的的各擠壓件的控制電壓掃描。取N次掃描過程中，本裝置線偏振態(tài)輸出最大時對應(yīng)的各擠壓件的控制電壓為最優(yōu)控制電壓。

優(yōu)選地，偏振控制器的4個擠壓件分別編號0、1、2、3，取掃描次數(shù)N＝4，4次的掃描順序分別為：：0123，0132，0213，0231。

步驟Ⅱ、穩(wěn)定控制

采用步驟Ⅰ所得的本裝置實現(xiàn)線偏振態(tài)最大輸出的各擠壓件控制電壓，即本裝置線偏振態(tài)輸出最大，將此時經(jīng)分束器輸出的監(jiān)測值，即經(jīng)過光電探測器的光電轉(zhuǎn)換和AD模塊轉(zhuǎn)換后的監(jiān)測模擬量標記為I_max。實時比較當前監(jiān)測模擬量I_k與本裝置線偏振態(tài)輸出最大時I_max的差異，兩者差的絕對值Δ＝|I_max-I_k|，設(shè)定閾值δ，0.5％≤δ≤2％，當Δ/I_max＞δ，依次對各擠壓件的控制電壓步進加或減，步長設(shè)置為d/2；若調(diào)整后的I′_k大于I_k，則接受該控制電壓，若調(diào)整后的I′_k小于或等于I_k，則返回調(diào)整前的該擠壓件控制電壓設(shè)置值，裝置繼續(xù)保持最大的線偏振輸出狀態(tài)。

持續(xù)重復(fù)執(zhí)行步驟Ⅱ；

當某個擠壓件的控制電壓到達控制邊緣時，執(zhí)行步驟Ⅲ。偏振控制器擠壓件控制電壓范圍的上、下限為控制邊緣。

步驟Ⅲ、復(fù)位控制

Ⅲ-1、將控制電壓到達控制邊緣的擠壓件的控制電壓步進加或減，調(diào)離控制邊緣，步長為d/2；

Ⅲ-2、依次對其他擠壓件控制電壓進行步進加或減，步長為d/2，若某個擠壓件的控制電壓調(diào)整后I′_k大于I_k，則接受該擠壓件調(diào)整后的控制電壓，若該擠壓件的控制電壓調(diào)整后I′_k小于或等于I_k，則該擠壓件的控制電壓返回調(diào)整前的控制電壓設(shè)置值；

Ⅲ-3、步驟Ⅲ-1和Ⅲ-2重復(fù)M次，將到達控制邊緣的擠壓件的控制電壓調(diào)離控制邊緣Md/2，M為10～20。

步驟Ⅲ執(zhí)行完畢，返回步驟Ⅱ。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的一種激光偏振態(tài)控制穩(wěn)定裝置和控制穩(wěn)定方法的優(yōu)點是：1)采用預(yù)置控制電壓，以及各擠壓件按不同順序的錯位掃描方式，能快速有效地尋找到偏振控制器的最優(yōu)控制電壓；2)本方法不引入隨機量，不會陷于局部最優(yōu)，搜索時間短且確定，任意偏振態(tài)輸入均能經(jīng)本裝置轉(zhuǎn)換為最大線偏振輸出；3)本方法包含穩(wěn)定控制和復(fù)位控制，有效應(yīng)對控制電壓到達邊緣的情況，可長時間保證輸出光處于線偏振最大輸出狀態(tài)。

附圖說明

圖1為本激光偏振態(tài)控制穩(wěn)定裝置實施例的結(jié)構(gòu)框圖；

圖2為本激光偏振態(tài)的控制穩(wěn)定方法實施例1的流程圖；

圖3為本激光偏振態(tài)的控制穩(wěn)定方法實施例2步驟Ⅰ搜索最優(yōu)控制電壓的流程圖；

圖4為本激光偏振態(tài)的控制穩(wěn)定方法實施例1的最優(yōu)控制電壓搜索結(jié)果；

圖5為本激光偏振態(tài)的控制穩(wěn)定方法實施例1的偏振態(tài)穩(wěn)定控制的邦加球示意圖。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖和具體實施方式對本發(fā)明進行詳細說明。

激光偏振態(tài)穩(wěn)定控制裝置實施例

本激光偏振態(tài)控制穩(wěn)定裝置的結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示，圖中的虛線連接符號表示光路，實線連接符號表示電路。本實施例包括偏振控制器、起偏器、分束器、可調(diào)衰減器和電控組件，其中偏振控制器、起偏器、分束器依次經(jīng)光纖連接，激光輸入偏振控制器，本例分束器的分束比為90:10，分束器將光束分為2路，90％的光束作為輸出，10％的光束作為監(jiān)測信號經(jīng)可調(diào)衰減器連接到電控組件。

起偏器前后分別為普通單模光纖和保偏光纖。

本例的偏振控制器為光纖擠壓型偏振控制器，包含四個擠壓件，相鄰擠壓件間成45度夾角。

本例電控組件含有依次連接的光電探測器、AD轉(zhuǎn)換模塊、數(shù)字信號處理芯片(DSP)和DA轉(zhuǎn)換模塊，DA轉(zhuǎn)換模塊的輸出與偏振控制器相連接，分束器的輸出接入光電探測器。光電探測器將由分束器得到的光信號轉(zhuǎn)換為電信號，經(jīng)AD轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，送入數(shù)字信號處理芯片，在此芯片中按控制算法實時快速處理數(shù)據(jù)，得到控制信號，經(jīng)DA轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)換為模擬信號，接入偏振控制器作為控制電壓。

本例光電探測器為PIN型光電二極管。

激光偏振態(tài)的穩(wěn)定控制方法實施例1

本激光偏振態(tài)的穩(wěn)定控制方法實施例1采用上述激光偏振態(tài)穩(wěn)定控制裝置實施例，其流程圖如圖2所示，包含以下步驟：

步驟Ⅰ、搜索最優(yōu)控制電壓

Ⅰ-1、預(yù)置電壓

本例已知偏振控制器的4個擠壓件的順序，電控組件對偏振控制器中沿光傳輸方向末兩級的擠壓件預(yù)置電壓-3V，末兩級擠壓件引入的快慢軸間的相位差分別為0.45π和0.55π；

Ⅰ-2、控制電壓掃描

本例沿著光傳輸方向，依次掃描各個擠壓件的控制電壓，掃描某個擠壓件的控制電壓時，其他擠壓件的控制電壓保持不變，對某個擠壓件掃描完畢后，將該擠壓件的控制電壓設(shè)置為本次掃描過程中本裝置線偏振態(tài)激光輸出最大時對應(yīng)的該擠壓件控制電壓；然后再對下一個擠壓件進行控制電壓掃描。所有擠壓件的控制電壓掃描完畢后，得到各擠壓件的控制電壓即是偏振控制器的最優(yōu)控制電壓。

對偏振控制器中的各擠壓件預(yù)置電壓或進行控制電壓的掃描之前，先將該擠壓件的電壓設(shè)置為該擠壓件無擠壓狀態(tài)的電壓，再逐漸增加至預(yù)置電壓或開始控制電壓的掃描。

本例控制電壓掃描范圍為-5V～+5V，設(shè)置掃描步長為0.02V。

在控制電壓掃描過程中，保證各擠壓件引入的快慢軸間的相位差大于等于2π。

步驟Ⅱ、穩(wěn)定控制

采用步驟Ⅰ所得的本裝置實現(xiàn)線偏振態(tài)最大輸出的各擠壓件控制電壓，即本裝置線偏振態(tài)輸出最大，將此時經(jīng)分束器輸出的監(jiān)測值經(jīng)過光電探測器的光電轉(zhuǎn)換和AD模塊轉(zhuǎn)換后的監(jiān)測模擬量標記為I_max。實時比較當前監(jiān)測模擬量I_k與本裝置線偏振態(tài)輸出最大時I_max的差異，兩者差的絕對值Δ＝|I_max-I_k|，本例設(shè)定閾值δ，δ＝1％，當Δ/I_max＞δ，依次對各擠壓件的控制電壓步進加或減，步長設(shè)置為步驟Ⅰ步長的一半即0.01V；若調(diào)整后的I′_k大于I_k，則接受該控制電壓，若調(diào)整后的I_k′小于或等于I_k，則返回調(diào)整前的該擠壓件控制電壓設(shè)置值，裝置繼續(xù)保持最大的線偏振輸出狀態(tài)。

重復(fù)執(zhí)行步驟Ⅱ；

當某個擠壓件的控制電壓到達控制邊緣時，執(zhí)行步驟Ⅲ。偏振控制器擠壓件控制電壓范圍的上、下限為控制邊緣。

步驟Ⅲ、復(fù)位控制

Ⅲ-1、將控制電壓到達控制邊緣的擠壓件的控制電壓步進加或減，調(diào)離控制邊緣，步長為0.01V；

Ⅲ-2、依次對其他擠壓件控制電壓進行步進加或減，步長為0.01V，若某個擠壓件的控制電壓調(diào)整后I′_k大于I_k，則接受該擠壓件調(diào)整后的控制電壓，若該擠壓件的控制電壓調(diào)整后I′_k小于或等于I_k，則該擠壓件的控制電壓返回調(diào)整前的控制電壓設(shè)置值；

Ⅲ-3、本例步驟Ⅲ-1和Ⅲ-2重復(fù)15次，將到達控制邊緣的擠壓件的控制電壓調(diào)離控制邊緣15X0.01V＝0.15V。

步驟Ⅲ執(zhí)行完畢，返回步驟Ⅱ。

激光偏振態(tài)的穩(wěn)定控制方法實施例2

本激光偏振態(tài)的穩(wěn)定控制方法實施例2采用上述激光偏振態(tài)穩(wěn)定控制裝置實施例，包含以下步驟：

步驟Ⅰ、搜索最優(yōu)控制電壓

本步驟流程圖如圖3所示。

Ⅰ-1、預(yù)置電壓

本例未知偏振控制器的4個擠壓件的順序，對偏振控制器的各擠壓件預(yù)置電壓-3V，使各擠壓件引入的快慢軸間的相位差處于0.5π±0.2π范圍內(nèi)。

Ⅰ-2、控制電壓掃描

將偏振控制器的4個擠壓件分別編號0、1、2、3，取掃描次數(shù)N＝4，4次的掃描順序分別為：0123，0132，0213，0231。按上述順序，依次掃描各個擠壓件的控制電壓。

本例控制電壓掃描范圍為-5V～+5V，掃描時設(shè)置步長為0.02V。

掃描各個擠壓件的控制電壓方式與激光偏振態(tài)穩(wěn)定控制方法實施例1相同。

完成了4個擠壓件的控制電壓一次掃描后，記錄本次掃描中本裝置線偏振態(tài)輸出最大時對應(yīng)的各擠壓件的控制電壓為本次掃描的最優(yōu)控制電壓。再開始下一次不同順序的的各擠壓件的控制電壓掃描。4次掃描完成后，取4次掃描中本裝置線偏振態(tài)輸出最大時對應(yīng)的各擠壓件的控制電壓為最優(yōu)控制電壓。

步驟Ⅱ和步驟Ⅲ與激光偏振態(tài)穩(wěn)定控制方法實施例1相同。

仿真實驗中取1000個不同的偏振態(tài)激光輸入本裝置進行實驗，按上述本方法實施例1得到本裝置最大的線偏振輸出對應(yīng)的最優(yōu)控制電壓，進行控制穩(wěn)定的仿真測試1000次，測定并計算本裝置起偏器后輸出的線偏振態(tài)激光強度與輸入激光強度之比。在本仿真實驗中不考慮器件帶來的固有損耗，實驗結(jié)果如圖4所示，圖4橫軸表示起偏器后輸出的線偏振態(tài)激光強度與輸入激光強度之比，縱軸表示仿真次數(shù)。由圖4可見，基于本發(fā)明的搜索方法，可以實現(xiàn)任意偏振態(tài)輸入轉(zhuǎn)換到最大偏振態(tài)輸出，即偏振態(tài)輸出值近似于輸入值。

最優(yōu)控制電壓搜索完畢后，進入穩(wěn)定控制過程，給出輸入偏振態(tài)激光持續(xù)變化，起偏器前偏振控制器輸出的偏振態(tài)激光的的變化，偏振態(tài)使用邦加球表示，如圖5所示。圖5中，雪花點表示持續(xù)變化的輸入光偏振態(tài)，圓圈點表示起偏器前偏振控制器輸出的激光偏振態(tài)?？梢?，在輸入偏振態(tài)持續(xù)變化的情況下，偏振控制器輸出的線偏振態(tài)激光仍可保持穩(wěn)定。

上述實施例，僅為對本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和有益效果進一步詳細說明的具體個例，本發(fā)明并非限定于此。凡在本發(fā)明的公開的范圍之內(nèi)所做的任何修改、等同替換、改進等，均包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。