CN100389340C - 可定量调节光偏振态的装置及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及可定量调节光偏振态的装置及其方法，属于光学测量技术领域。该装置包括：一个光输入端口，一个光输出端口，一个动态偏振控制器，其光输入端接在光输入端口后面，一个在线偏振态测量器，其光输入端接在动态偏振控制器的光输出端口，光输出端口接在光输出端口上；一个控制电路，与所述在线偏振态测量器的电信号输出端和动态偏振控制器电信号输入端相连。该装置可以将通过光调节成任意所需的偏振态，并可测量光的偏振态、偏振度(DOP)和产生扰偏光，且具有结构紧凑，可独立工作，操作简便，便于移动的特点。

Description

可定量调节光偏振态的装置及其方法

技术领域

本发明属于光学测量技术领域，特别涉及使用在线偏振态测量器、动态偏振控制器和电子电路运算，通过设定将输入光调节成任意用户需要的偏振态的装置及方法。

背景技术

光偏振相关参数对光束或光信号的影响非常重大，光偏振态是光束状态描述的一种重要数据，在光纤系统和光信息处理和传输技术上，光的偏振态的不同，会给相关系统性能带来重要影响。因此，在光信息处理和传输技术领域非常需要能够产生任意需要的偏振态，同时也非常需要很快地测量光的偏振态。

光的偏振态是定量描述光所处于的偏振形态，是光的四大基本特征之一(其他三项为光强、波长、相位)。准确测量和准确提供光的偏振态，对于光信息技术领域至关重要。

光的偏振态有多种形式，其中包括线偏振光、圆偏振光、椭圆偏振光、部分偏振光和非偏振光。

光的偏振态有多种数学描述方法，可以使用三角函数表示法、琼斯矢量法、斯托克斯矢量法和邦加球图示法。

一种目前常用的获得一个任意选定的偏振态的方法是通过搭建一个临时系统来进行，该系统的结构如图1所示，包括：一个偏振控制器15，一个在线偏振态测量器12，一个毫伏表14；各部件的连接关系为：在线偏振态测量器12的光输入、电输出端分别与偏振控制器15的光输出端和毫伏表14的输入端相连。

其方法的主要步骤如下：

1、入射光11穿过偏振控制器15，到达在线偏振态测量器12，在线偏振态测量器12在信号输出端将会产生数个代表偏振态的电信号13输出。

2、使用毫伏表14依次测量在线偏振态测量器12的数个信号值13，并进行记录。将这数个信号数值按照相应的公式进行计算，从而得到光束的偏振态数值。

3、将得到的偏振态数值与预想的偏振态数值进行比较，得到差值；

4、调节偏振控制器15，使得通过的光的偏振态发生变化；

5、再次使用毫伏表依次测量在线偏振态测量器的几个信号值，并进行记录；

6、再次将得到的偏振态数值与预想的偏振态数值进行比较，如果达到了预想指标，则获得了预想的偏振态；如果还有差值，则继续重复步骤5～7，直到得到预想偏振态；

这种获得一个任意选定偏振态的方法有如下缺点：

1、要临时搭建一个测量系统且要靠人工进行记录和计算，测量时间长，往往需要反复操作，操作过程复杂；

2、测量精度低，实时性差：因为系统偏振光的偏振态往往会随时发生变化，长时间测量和依次测量得到的数值会有误差；

3、系统不易移动：由于是搭建的系统，通常集成性很差，无法整体搬动，不利于随时随地的测量要求；

发明内容

本发明的目的是为克服已有技术的不足之处，提出一种可定量调节光偏振态的装置，该装置既可以准确、方便、快捷地测量光束的偏振态；还可以根据使用者的设定，将通过该装置的光准确、方便、快捷调节成任意需要的偏振态。

本发明提出的可定量调节光偏振态的装置，它包括：

一个光输入端口，用来将被调节光输入到装置当中；

一个光输出端口，用来将被调节后的光的输出；

一个动态偏振控制器，其光输入端通过光纤接在所述光输入端口后面，用来调节通过光的偏振态；

一个在线偏振态测量器，用来测量通过光的偏振态参量，并将各个参量转换成电信号；其输入端通过光纤接在所述动态偏振控制器光输出端口，光输出端口接在所述光输出端口上；

一个控制电路，与所述在线偏振态测量器的电信号输出端相连，用于对接收的电信号进行处理；与动态偏振控制器电输入端相连，用来驱动动态偏振控制器。

本发明提出的采用上述装置产生任意需要偏振态的方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)将需要的偏振态数值作为设定值输入控制电路；

2)输入光通过动态偏振控制器到达在线偏振态测量器；

3)在线偏振态测量器产生一组与当前输入光偏振态相对应的电信号；

4)控制电路提取在线偏振态测量器的电信号，经过处理和与设定值进行比较后，产生驱动动态偏振控制器的信号；

5)控制电路按照上述信号调整偏振控制器的控制状态，使得输出光的偏振态，成

为所需要的偏振态。

本发明的主要特点及产生的效果：

1、结构紧凑，可独立工作，操作简便，便于移动。

2、可直接将输入光调节成所需要的任意偏振态；同时显示偏振态调节结果；这就充分解决了目前光电子领域所采用的方法存在的精度低、重复精度低、测量速度慢、使用不方便等问题。

3、本发明可以在不切断光路的情况下实现在线测量偏振态，从而为用户实时测量和监测提供了重要手段。

4、测量精度高：由于采用了电路直接运算和动态偏振控制器与在线偏振态测量器的组合，可以获得很高的测量精度和产生准确的偏振态。

5、本装置通过控制电路运算，可以将被测光偏振态记录下来，然后与便用者设置的所需偏振态进行比较，经过运算，驱动偏振控制器调节输入光的偏振态达到使用者的要求。

6、一体装置多种功能的组合，除了将测量偏振态和产生需要的偏振态在一套装置上实现，还可以用来测量偏振度(DOP)和产生扰偏光。

附图说明

图1为目前常用的获得一个任意选定偏振态的光学系统示意图；

图2为本发明的实施例外形结构布置示意图；

图3为本发明的实施例组成及工作原理图；

图4为本发明的控制面板实施例布局示意图；

图5为本系统用于产生扰偏光用途的工作原理图，其中5A为自然光示意图；5B为扰偏光示意图；5C为产生扰偏光工作原理图；

具体实施方式

本发明提出的光偏振态可调节的测量装置及其工作过程结合附图及实施例详细说明如下：

本发明设计的具有调节偏振态功能的偏振态测量装置，组成结构实施例如图2、3所示，本装置包括：一个整体机箱21构成的整体结构，在机箱的前面板安装有由显示屏构成的显示装置22，控制机构23和光输入端口24，光输出端口25构成的用户界面，如图2所示。在机箱内安装一动态偏振控制器32，一在线偏振态测量器33和一控制电路板。光的输入端31连接在动态偏振控制器32一端，光的输出端34连接在在线偏振态测量器33的输出端，动态偏振控制器32的另外一端和在线偏振态测量器33的另外一端通过光纤进行光路连接。动态偏振控制器32和在线偏振态测量器33均分别与控制电路板进行电路连接。控制电路板上安装偏振控制器驱动电路，信号放大电路、模数转换电路，数模转换电路，以及基于微处理器的中央控制电路35；机箱内部还装有电源电路38和外围接口电路37，中央控制电路35分别与这些电路进行电路连接，该控制电路还和用户界面上的控制机构23和显示装置22电路连接。如图3所示。

本实施例使用了一个基于微处理器的独立运算电路36，来单独执行中央控制电路的运算功能，用以提高电路的运转性能。

本装置的用户界面的实施例为一控制面板40，如图4所示，整个面板40包括：

1个显示屏22用来显示测量和设置数据；

1个电源开关42和一个电源指示灯43，用来开关装置的供电系统；

1个光输入端口24，用来插入光纤接头将被测光或者被调节光输入；

1个光输出端口25，用来插入光纤接头将被测光或者被调节光输出；

15个按键构成的控制机构用来对整个装置进行设置，其中11个控制按键组成的控制装置47，用来选择整个装置的设置和工作模式，以及所需要产生的偏振态参数；四个调节按键组成的调节装置46，用来与控制按键配合调整设置的具体数值。

上述显示装置、控制装置、动态偏振控制器、在线偏振态测量器、供电电源电路均可制成独立模块，通过线缆从机箱外部连接。

本装置的各部分器件的功能及实施例分别说明如下：

在线偏振态测量器用来对通过光进行取样，测量通过光的偏振态，向电路板输出与偏振态相对应的电信号；在线偏振态测量器33的实施例采用General Photonics公司POD-15型号产品。它放置在光路中，对被测光进行偏振态光学取样，并将光信号转换成电信号。

动态偏振控制器32用来接收电路板发来的驱动信号，对光路中的通过光进行偏振态调整；动态偏振控制器32实施例采用General Photonics公司MPC-4X型号产品。

电路板上的电路用来接收探测信号，并将数据存储和运算，同时可以接受控制信号的设置，并控制动态偏振控制器的运行；其中：信号放大电路的实施例采用常规的线性放大电路或对数放大电路，模数转换电路的实施例以普通商用模数转换芯片为核心按常规设计的电路，用于将在线偏振态测量器输出的模拟电信号转换成数字信号；中央控制电路35实施例采用普通商用FPGA芯片为核心的按常规设计电路，运算电路36的实施例采用普通商用DSP芯片为核心的按常规设计电路；数模转换电路的实施例以普通商用数模转换芯片为核心按常规设计的电路；偏振控制器驱动电路采用按常规设计电压输出电路；电源电路的实施例采用常规开关电源或线性电源电路，用于为整个装置供电；外围接口电路37的实施例采用基于RS232、USB和以太网接口的常规电路，可以将有关测量数据输出到其他显示设备或者提供给其他控制机构利用这些数据进行其他有用的控制：控制装置和调节装置的实施例采用控制信号输入按键(采用常规产品)构成，通过按键对整个装置进行设置，并控制工作过程；显示装置实施例采用常规的数码或液晶显示屏显示。

本发明的可定量调节光偏振态的装置的用户界面布局实施例如图4所示的控制面板40，在其上面设置有：一个采用光纤实现的光输入端口24，用来将被测光输入到装置当中。一个显示屏，该实施例为一个条形商用LCD显示屏22(YUSUNG HY系列82.8mm×18.4mm)，用来显示测量和设置数据；采用控制信号输入按键23(采用常规产品)构成的控制装置47和调节装置46，通过按键对整个装置进行设置，并控制工作过程。一个采用光纤实现的光输出端口25，用来输出调节为任意所需偏振态的光。采用通用器件实现的一个电源开关42，用来接通电源；一个电源指示灯43，用来显示整个装置是否处于通电状态。

本实施例获得一个任意所需偏振态的工作过程结合图3说明如下：

1、使用者通过按键构成的控制机构将所需要的偏振态参数输入到中央控制电路35当中；

2、被调节光31通过动态偏振控制器32，进入到偏振态测量器33；

3、在线偏振态测量器33对通过的光进行取样，产生一组与目前光偏振态相对应的模拟电信号；此信号经放大电路放大后，通过模数转换电路转换成数字电信号输入到基于微处理器的中央控制电路35；

4、基于微处理器的中央控制电路将信号保存，运算电路36从中央控制电路保存单元中读取信号进行运算；计算出这组数据相对应的偏振态值；

5、中央控制电路读取偏振态值，并将其与在步骤1中输入的参数进行比较；

6、运算电路计算出与输入参数的差值，并将此差值转换成控制信号，通过数模转换电路和驱动电路输出到动态偏振控制器32上；

7、动态偏振控制器32接收控制信号对通过的光进行相应调整；

8、重复步骤3～5，如果比较差值为0，说明输出光34的偏振态为使用者所设置的偏振态，整个过程完成；如果还存在差值，则继续进行步骤6～7，直至差值为0；

上述装置还可实现以下功能：

其一，能够测量光的偏振态，其工作过程如下：

1、被测光31通过动态偏振控制器，进入到偏振态测量器(此时动态偏振控制器32以及偏振控制器驱动电路、数模转换电路处于不工作状态)；

2、在线偏振态测量器33对通过的光进行取样，产生一组与光目前偏振态相对应的电模拟信号；此信号通过放大电路放大后，进入模数转换电路转换成数字电信号输入到基于微处理器的中央控制电路；

3、基于微处理器的中央控制电路将信号保存，运算电路36从控制电路保存单元中读取信号进行运算；计算出这组数据相对应的偏振态值；

4、基于微处理器的中央控制电路读取偏振态值，并将其显示在显示屏上；

其二，是能够测量通过光的偏振度(DOP)，其工作过程如下：

1、使用者通过按键，将本装置调整到测量偏振度(DOP)工作状态：

2、输入光通过动态偏振控制器后，进入“偏振态测量器”时，偏振态测量器会将输入光进行偏振态取样，并将取得的偏振信号转变成模拟电信号，传输到“信号放大电路”；

3、“信号放大电路”将模拟电信号放大，将此电信号传输到“模数转换电路”；

4、“模数转换电路”将模拟信号转换成数字信号；传输到控制电路；

5、控制电路将数字信号进行存储、整理和分配；

6、运算电路从控制电路提取信号进行偏振度运算，计算出反映当前偏振度的数值，输出到控制电路；

7、控制电路将数字信号进行存储、整理，输出到显示电路，显示电路在显示屏上进行偏振度数值显示；

其三，是能够用做扰偏器，实现产生模拟自然光的扰偏光的扰偏功能。

在光信息传输和处理技术领域中，为了消除偏振光对光信息系统的影响，常常使用扰偏光来代替不具有偏振特性的自然光51。自然光的特点是在每时每刻，光的都具有所有方向上的偏振特性(如图5A所示)。扰偏光则是偏振态随机不断地发生变化(如图5B所示)，这种变化可以在很短的时间间隔内发生，以至于光信息系统感受不到这种时间间隔，从而达到非偏振光的特性。

其工作过程如下(如图5C所示)：

1、使用者通过按键，将本装置调整到扰偏工作状态；

2、控制电路从运算电路中提取一个随机算法，输出指令到偏振控制器；

3、偏振控制器根据指令，在很短的时间内，不断随机发出多种控制信号58，实现不断变换偏振控制，从而使得通过偏振控制器的光的偏振态飞快的不断发生变化，得到扰偏光输出54。

Claims (7)

1.一种可定量调节光偏振态的装置，其特征在于，该装置包括：

一个光输入端口，用来将被调节光输入到装置当中；

一个光输出端口，用来输出被调节后的光；

一个动态偏振控制器，其光输入端接在所述光输入端口后面，用来调节通过光的偏振态；

一个在线偏振态测量器，用来测量通过光的偏振态参量，并将各个参量转换成电信号；其光输入端接在所述动态偏振控制器的光输出端口，光输出端口接在所述光输出端口上；

一个基于微处理器的控制电路，与所述在线偏振态测量器的电信号输出端和动态偏振控制器电信号输入端相连，用于对接收自在线偏振态测量器的电信号进行处理；并产生控制信号给动态偏振控制器。

2.如权利要求1所述的可定量调节光偏振态的装置，其特征在于，所述的控制电路包括：

一个信号放大电路，其输入端与所述在线偏振态测量器的输出端相连，用于对接收的电信号进行放大；

一个模数转换电路，用于将放大的电信号转换成数字信号，其输入端与所述信号放大电路的输出端相连；

一个基于微处理器的中央控制电路，其输入端与所述模数转换电路输出端相连，用于对接收的数字信号进行处理及控制。

一个偏振控制器驱动电路，用于对所述动态偏振控制器进行驱动；

一个数模转换电路，用于将接收的数字信号转换成模拟电信号；

其中，所述动态偏振控制器的电输入端口与偏振控制器驱动电路的输出端相连，所述数模转换电路的输入端和基于微处理器的中央控制电路的输出端相连；数模转换电路的输出端与所述偏振控制器驱动电路的输入端相连。

3.如权利要求2所述的可定量调节光偏振态的装置，其特征在于，所述的放大电路为线性放大电路或对数放大电路。

4.如权利要求1所述的可定量调节光偏振态的装置，其特征在于，所述的控制电路还包括：

一个逻辑电路，用来接收在线偏振态测量器的电信号，经过处理后产生一个控制信号，驱动动态偏振控制器；其电输入端与偏振态测量器电输出端相连，电输出端与动态偏振控制器电输入端相连。

5.如权利要求1所述的可定量调节光偏振态的装置，其特征在于，该装置还包括一套由用来设置工作模式的控制装置和用来与控制装置配合调整设置的具体数值的调节装置组成的控制机构，该控制机构与所述控制电路相连接，用来对整个装置进行工作模式和参数的设置。

6.如权利要求1所述的可定量调节光偏振态的装置，其特征在于，该装置还包括一套显示装置，其输入端连接在所述控制电路上，用来显示测量信息和设置信息。

7.采用如权利要求1所述装置的产生任意需要偏振态的方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)将需要的偏振态数值作为设定值输入基于微处理器的控制电路；

2)输入光通过动态偏振控制器到达在线偏振态测量器；

3)在线偏振态测量器产生一组与当前输入光偏振态相对应的电信号；

4)控制电路提取在线偏振态测量器的电信号，经过处理和与设定值进行比较后，产生驱动动态偏振控制器的信号；

5)控制电路按照上述信号调整偏振控制器的控制状态，使得输出光的偏振态，成为所需要的偏振态。

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