CN103023569A - 光纤通信中的偏振反馈控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于光纤通信中的偏振反馈控制系统，包括偏振编码装置、偏振解码装置、参考光产生装置、保偏光纤、偏振调节装置、偏振检测装置和调节控制装置。保偏光纤包括输入端与输出端，输入端接收参考光产生装置产生的参考光或者由偏振编码装置产生的数据光；偏振调节装置设置于保偏光纤的输出端和偏振解码装置或偏振检测装置之间，用于对参考光或数据光进行偏振调节；偏振检测装置对已通过偏振调节装置进行了偏振调节的参考光进行偏振检测，并得到偏振检测结果；调节控制装置根据偏振检测结果控制偏振调节装置的调节参数。偏振检测装置、调制控制装置和偏振调节装置组成一个反馈控制系统。本发明能够对任意偏振的光束实现偏振保持。

Description

光纤通信中的偏振反馈控制系统

技术领域

本发明属于光纤通信技术领域，具体涉及一种用于光纤通信中偏振控制的偏振反馈控制系统。

背景技术

1、光纤

光纤是目前通信(包括经典通信和量子通信)领域的重要信道。由于普通光纤拉制的工艺不完美，拉制的单模光纤不是理想的圆形，光纤中会出现微弱的双折射效应，不能实现光束偏振的保持。

保偏光纤能实现沿光纤轴向偏振的光束的偏振保持，但不能对非轴向偏振的光束实现偏振保持。光束在保偏光纤中传播时，光束可看成是由沿光纤轴向偏振的两个分量相干叠加而成，而由于保偏光纤中强的双折射，光的两个光轴分量传播的条件不一致，因此当光束通过一段光纤之后，光的两个分量之间就会引入一定光程差。当光的线宽比较宽，且光通过的光纤长度比较长时，光的两个光分量之间的光程差可能达到与光束的相干长度相当甚至更长的水平，此时光的偏振特性就会被破坏。因此保偏光纤对于非其轴向偏振的光束不仅不能实现偏振保持，还有可能破坏性地影响入射光束的偏振特性。

同时，光纤在使用中会受到外界环境的影响，此时光纤中的光的偏振态会发生改变，导致通信的误码率增加。其中保偏光纤受环境(外力和温度等)的影响尤为严重。

目前有大量基于光子偏振编码的通信方案，但是由于上述各种光纤的不完美性，远距离的、基于偏振编码或者与偏振相关的通信方案难以在现有的光纤系统中实现。

2、现有偏振控制方案

现有的偏振控制都是基于普通的单模光纤的。目前常用的偏振控制方案主要有以下几种：

(1)三波片旋转方案

该方案的主体由一个普通单模光纤和三个可旋转的波片(两个四分之一波片和一个半波片)构成。光纤会改变光的偏振特性，三个波片将这样的改变补偿回来。

方案主要是利用了普通的单模光纤中双折射效应很微弱，数学上对光的偏振态的改变可以看成是一个幺正变换；而三个可旋转波片(两个四分之一波片和一个半波片)的组合可以实现对光的偏振态的任意幺正变换，因此理论上可以通过三个波片来补偿光纤的影响。

该方案在具体的实施中，通过调节三个波片快轴的偏角来实现光纤的偏振控制。通常采用的方法是先在光纤前端发射一个特定偏振的光，然后在通过光纤或者整个系统后测量通过的光的偏振态并由此来计算需要旋转的波片的角度。

这种方案需要两个参考光(两光偏振非同向非正交)，并且进行两次测量，整个流程比较复杂；要旋转三个波片，需要机械转动，控制速度较慢。

(2)扭动或者挤压光纤方案

这是现在很多的商用产品采用的一种方法。光纤受到挤压或者弯曲，光纤中就会存在一个应力，而应力的存在就会改变光纤中不同方向的光学特性，形成双折射效应，这样就可以调节光的位相和偏振等信息。

对于扭动光纤方案，其是将光纤绕在一个可以翻动的线盘上，通过拨动线盘就可以改变通过线盘的光的偏振态。具体使用中将要用到三个线盘，而且不同的线盘绕的光纤的圈数不一样，这样每个光纤盘在偏振控制中的作用相当于波片，绕不同圈光纤的线盘相当于不同相延的波片，而拨动线盘相当于调整波片的光轴转角，这样，该方案在原理上是与三波片旋转方案完全相同。对于挤压或者拉伸光纤方案，其实通过在光纤中加入一个应力，改变光纤的双折射效应，进而对通过的光的偏振态进行调节。该方法本质上跟三波片方案也是一致的。

扭动或者拉伸光纤方案在进行偏振控制时，同样需要要用两个偏振方向非正交的参考光进行偏振测量，操作复杂，需要机械运动，控制速度较慢。

在数学上，描述光的偏振态的幺正变换需要3个独立的变量，由于光纤对光的偏振态的改变是一个未知的幺正变换，因此如果要实现这样的逆幺正变换，需要实现三个独立可调的参量。上述的两方案均是如此。

总结上述的现有光纤偏振控制方案，普遍存在以下两个特点：

(1)需要两个参考光来校准系统。该两个参考光的偏振方向不能相同，也不能正交(通常选用水平偏振和45度偏振)。

(2)至少需要三个独立可调的自由度，这三个可以由三个可旋转的波片组成，也可以由挤压或者旋转光纤的装置来提供。

3、光偏振态斯托克斯(Stocks)描述和邦加(Poincare)球描述

描述光的偏振态的方式有很多，斯托克斯参量描述是其中一种比较常见的描述方式。该描述方式能够方便描述光的偏振态和光学器件对光的偏振态的影响。对于一个平面单色光，其偏振态描述为：

$\left[\begin{array}{c}{S}_0\\ S_1\\ S_2\\ S_3\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}I\\ I\cos \left(2\mathrm{\θ}\right)\\ I\sin \left(2\mathrm{\θ}\right)\cos \left(\mathrm{\δ}\right)\\ I\sin \left(2\mathrm{\θ}\right)\sin \left(\mathrm{\δ}\right)\end{array}\right]$

其中I表示光强，θ表示偏光方位角，δ表示两电矢量分量相位差。这四个Stocks参量是光强的时间平均值，其物理含义分别为：S0-总光强；S1-X轴方向线偏振光分量；S2-45°方向线偏振光分量；S3-右旋圆偏振光分量。

做一个归一化假定，设定I＝1，有：

$S_1^2+S_2^2+S_3^2=1$

由此可看出以S₁、S₂、S₃为坐标可以对应到单位球面上的一个点，而这就构成了光的偏振态的一种几何化描述—邦加球描述。

邦加球描述是针对多光子系综的偏振态的一种几何化描述。该描述是将光的偏振态和一个半径为1的球体中的点一一对应起来。对于光子全部处于同一偏振态的情况，对应邦加球球表面上的点；对于多个光子处于不同的偏振态的情况，对应邦加球球体内的点。

从变量的角度，考虑到任一椭圆偏振光只需要两个方位角就可完全决定其偏振态，而球面上的点刚好可以用两个方位角来确定，因此可以将平面单色光的偏振态与邦加球球面上的点一一对应。

图1是邦加球的示意图。如图所示，邦加球描述借助了椭圆偏振光的椭圆率角χ和椭圆取向角ψ两个参数。球上任一点的纬度表示椭圆率角χ的两倍，经度表示椭圆率长轴方位角ψ的两倍。于是，线偏振光的Stocks参量描述可以写成如下形式(单位光强I＝1)：

$\left[\begin{array}{c}{S}_0\\ S_1\\ S_2\\ S_3\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}1\\ \cos \left(2\mathrm{\ψ}\right)\cos \left(2\mathrm{\χ}\right)\\ \cos \left(2\mathrm{\ψ}\right)\sin \left(2\mathrm{\χ}\right)\\ \sin \left(2\mathrm{\ψ}\right)\end{array}\right]$

其中ψ、χ与θ、δ之间在单一偏振的情况下存在一一对应的关系。

从上面的描述来看，邦加球面上的上下两极分别对应右旋圆偏振光与左旋圆偏振光，赤道上各点为线偏振光，x轴与球面的交点为水平偏振光，而y轴与球面的交点为45度偏振光。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明的目的在于提供一种能够快速有效实现对任意偏振的光束实现偏振保持的光纤偏振控制系统及其控制方法。

(二)技术方案

为解决上述技术问题，我们提出了一种用于光纤通信中的偏振反馈控制系统，包括偏振编码装置、偏振解码装置，还包括：参考光产生装置，用于产生光纤偏振调节的参考光；保偏光纤，包括输入端与输出端，所述输入端用于接收所述参考光或者由所述偏振编码装置产生的数据光；偏振调节装置，设置于所述保偏光纤的输出端与所述偏振解码装置之间，用于对所述参考光或数据光进行偏振调节；偏振检测装置，用于对已通过所述偏振调节装置进行了偏振调节的参考光进行偏振检测，并得到偏振检测结果；调节控制装置，用于根据所述偏振检测结果控制偏振调节装置的调节参数。

根据本发明的一种具体实施方式，所述保偏光纤包括多个垂直于光纤长度方向的转换面，位于所述转换面的一边的光纤部分的快轴与位于该转换面的另一边的光纤部分的慢轴进行0度对接。

根据本发明的一种具体实施方式，所述保偏光纤由所述多个转换面分隔的多个光纤段组成，其中，当给所述多个光纤段依次从1开始编号时，编号为奇数的光纤段的长度总和与编号为偶数的光纤段的长度总和的差δL_sum满足

其中d为光纤的拍长，λ为入射到光纤的激光的波长。l为入射光束的相干长度，n为光纤芯材的折射率。

根据本发明的一种具体实施方式，所述δL_sum满足

根据本发明的一种具体实施方式，所述光纤由偶数个光纤段组成，每个光纤段的长度相等。

根据本发明的一种具体实施方式，所述参考光装置由参考光激光器和偏振片组成，所述参考光激光器发射的参考激光经所述偏振片后进入所述保偏光纤。

根据本发明的一种具体实施方式，还包括第一光路转换装置，其用于根据控制信号选择使所述数据光或参考光进入保偏光纤。

根据本发明的一种具体实施方式，所述第一光转换装置为分束器或者可移动或翻转的反射镜。

根据本发明的一种具体实施方式，还包括第二光路转换装置，其用于接收由所述偏振调节装置输出的光，将其输出到所述偏振检测装置或偏振解码装置。

根据本发明的一种具体实施方式，所述第二光路转换装置为分束器或者可移动或可翻转的反射镜。

根据本发明的一种具体实施方式，还包括时序控制装置，其产生分别用于控制所述偏振编码装置、偏振解码装置、第一光路转换装置和第二光路转换装置的控制信号，以使所述的偏振反馈控制系统在时序上包括偏振调节和信号传输两个阶段：在所述偏振调节阶段，所述偏振编码装置停止编码及信号发射，所述参考光装置发射参考光；所述时序控制装置控制所述第一光路转换装置，使之将所述参考光引入到所述保偏光纤的输入端；时序控制装置控制所述第二光路转换装置，使之将从偏振调节装置出射的光引导至所述偏振检测装置；在信号传输阶段，第一和第二光路转换装置使信号光进入光纤，然后进入到偏振解码装置中。

(三)有益效果

本发明设计新颖、结构简单，调制速度快，适用于未来基于偏振编码的高速经典或者量子通信。

附图说明

图1是现有的邦加球描述的示意图；

图2是本发明的偏振反馈控制系统的整体架构图；

图3是本发明采用的保偏光纤中光纤段的连接示意图；

图4是本发明的保偏光纤中一个周期的光纤结构示意图；

图5是本发明的偏振控制系统工作原理图，其中(a)图展现的是光纤系统对45度偏振光的偏振态改变，而(b)图显示了所述改变由EOM调节回来；

图6是本发明的偏振控制系统的操作流程图；

图7是变换实施例的一个偏振检测装置方案示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。

系统整体架构

下面先对本发明的偏振反馈控制系统及其各个部件做一个整体介绍。图2是本发明的偏振反馈控制系统的整体架构图。如图所示，整个系统包括一个偏振编码装置、一个偏振解码装置、一个参考光产生装置、保偏光纤、一个偏振调节装置(例如EOM)、一个调节控制装置(如电压控制装置)、一个偏振检测装置、一个时序控制装置和两个光路转换装置。在此，将两个光路转换装置分别称为第一光路转换装置和第二光路转换装置。

图2中的带箭头的线段表示电学连接，无箭头的实线或虚线表示光路或光学连接，其中实线表示光纤系统，虚线表示自由空间光路。图2中的虚线框表示整个控制系统的核心部分，其包括保偏光纤、EOM、偏振检测装置和两个光路转换装置。

如图2所示，在本发明的偏振反馈控制系统是应用于光偏振通信系统之上的。作为光偏振信号传输系统，一个偏振编码装置基于光脉冲或者光子偏振态编码，将所要传输的信息编码为一串数据光；该数据光入射到一个保偏光纤的输入端；所述保偏光纤的输出端将所述数据光输出通过一个EOM后输出到到一个偏振解码装置；该偏振解码装置对所述编码的数据光进行解码，再现所述编码的信息。

本发明不同于传统的基于偏振的信号传输系统。在本发明系统中，采用了我们提出的新型保偏光纤作为信道，该保编光纤的结构的特点是在光纤中存在光纤快轴--慢轴0度对接的转换面。所谓0度对接就是指位于转换面的一边的光纤部分的快轴方向与转换面的另一边的光纤部分的慢轴方向之间的夹角为0度。这样的光纤设置，使得只需要一个参考光，也只需要一个独立可调的变量就可以实现光纤偏振控制。

所述参考光装置用于产生一个光纤偏振调节用的参考光。

为了将所述数据光和该参考光均引入到所述保偏光纤的输入端，本发明的系统在所述保偏光纤的光路前方设置一个光路转换装置(第一光路转换装置)，其用于接收所述数据光和参考光，并将他们在不同的时刻引入到所述保偏光纤的输入端。

所述电光调制晶体(EOM)设置于所述保偏光纤的输出端与所述偏振解码装置或偏振检测装置之间。由保偏光纤输出的数据光或参考光通过该部分时，对该光进行偏振调节。具体通过其调节光在EOM的两个轴向分量之间的相位差而实现。在机械安装时，EOM的光轴与前面光纤的端面处的光轴重合。

所述偏振检测装置用于检测经过偏振调节装置调制后的光的偏振态。

所述调节控制装置根据所述偏振检测结果调节输入到所述偏振调节装置的调节信号。

为了将所述经过调节的光在不同的时刻分别输出到所述偏振检测装置和偏振解码装置，本发明的系统还包括一个第二光路转换装置，其用于接收由所述偏振调节装置输出的光，并根据控制信号将其分别输出到所述偏振检测装置和偏振解码装置。

为了将通信以及对光纤偏振调节两个阶段在时序上进行控制，本发明的系统还包括有一个时序控制装置，该时序控制装置产生分别用于控制所述偏振编码装置、偏振解码装置、第一光路转换装置和第二光路转换装置的控制信号，以使本发明的系统在时序上包括偏振调节阶段和信号传输阶段。

系统各部件的功能

下面详细描述本发明的偏振控制系统包括的各个部件的功能。

(1)偏振编码装置

编码装置主要用于将需要传输的信息通过一定的方式编码到数据光上。本发明是考虑到用于基于光脉冲或者光子偏振态编码的经典或者量子通信系统上的，所以本发明的编码装置是偏振编码装置，即将信息编码到光脉冲或者光子的偏振态上。具体的编码方案和方式将由具体的通信方案来决定。

(2)参考光系统

参考光系统主要用于偏振调节阶段作为调节用的光源。

根据本发明一种实施方式，参考光系统可由一个参考光激光器和一个偏振片(Pol)组成。参考光激光器发射与最终通信光相同波长和线宽的激光(波长和线宽可以有稍微差别，视最终需要达到的效果来定)。参考光从激光器出射后，通过一个偏振片，然后通过第一光路转换装置将参考光耦合到所述保偏光纤中。对于该激光器，必须做到输出功率稳定，输出的激光的偏振态稳定，以使得在固定的设置下进入光纤中的参考光能量稳定。

偏振片(Pol)是一种光学镜片，该镜片中存在一个光轴，其只能让入射光在该偏振片的光轴方向的偏振分量通过，而其他方向偏振的光则不能通过。该偏振片主要作用是取参考光激光器出射的激光中的一部分线偏振光用于偏振检测和反馈控制。

目前大多数的半导体激光器加上控温措施都能满足这样的需求。

(3)新型保偏光纤

这是本发明的偏振控制系统中进行光通信的信道，也是本发明提出的偏振控制系统的基础。本发明采用的光纤不是普通的单模光纤或者保偏光纤，而是基于传统的保偏光纤制作的一种新型保偏光纤。

在传统的保偏光纤中，光纤中存在快轴和慢轴，两者相互垂直，且光轴在光纤中连续。如前所述，本发明的光纤包括多个垂直于光纤的长度方向的转换面，位于所述转换面的一边的光纤部分的快轴与位于该转换面的另一边的光纤部分的慢轴进行0度对接。所谓0度对接就是指位于转换面的一边的光纤部分的快轴方向与转换面的另一边的光纤部分的慢轴方向之间的夹角为0度。由此，转换面将光纤分成多个光纤段。

图3是本发明采用的保偏光纤中光纤段的连接示意图，该图以熊猫型保偏光纤为例进行说明。熊猫型保偏光纤是当前最为常用的保偏光纤，光纤中存在两个应力棒(图中端面上两个较大圆形区域)，会给中间的纤芯施加一个压力。两个应力棒的连接方向是光纤的慢轴，而与之垂直的方向则是光纤的快轴。从图3中可以形象看，本发明的相邻光纤段的快轴--慢轴0度对接起来。光纤整体由多个光纤段如图连接而成。

由于光纤中分布着一系列这样的一些转换面，这样从光纤整体来看，光纤就像被这样的节点分割成光纤段。光轴在光纤段内部连续，在转换面跳跃，相邻的两个光纤段之间快轴—慢轴重合。

该光纤设计的原理是通过改造保偏光纤本身，让其自身相互补偿而使得光纤对光的偏振态改变尽量小，至少不破坏性地影响光的偏振态。光纤的工作的原理如下：

图4是本发明的保偏光纤的一个简化示意图，也是针对上述讲述的一个具体分析。该图同样以熊猫型保偏光纤为例进行说明，该示意图只给出了一个转换面和两个光纤段的结构。图示以偏振光以45度角入射的情况为例展现整个光纤偏振保持的原理。从图4中可以看出，对于本发明的光纤，入射光束在光纤内传播时，前一个光纤段会改变光的偏振态，但是后一个光纤段会将这样的改变补偿。由于光纤最终会是由图4所述的结构重复排布而构成，因此光的两个轴向分量在光纤中经过同样的长度的快轴和慢轴，入射光的快、慢轴分量在光纤出射处没有光程差，光束以入射光纤时的原有的偏振输出。

本发明提出的光纤中，各个光纤段的长度可以相等，也可以不等。为了提高制作工艺的效率，优选为每个光纤段长度都相等。但是，即使在制作过程中设定了要求达到长度相等的光纤段，但由于实际制作过程中必然会出现一定的偏差，而这样的一些偏差结合入射光纤的激光的一些特性以及环境的一些因素，最终会影响到光纤对光的偏振保持度，因此依据光束特性和实际使用环境中可能遇到的一些因素，本发明对光纤和光纤段的长度具有一定的要求。

首先，要保证光纤本身不会对光的偏振态造成破坏性的影响。这本质上要求光沿光纤轴向分解的两个分量在通过光纤后光程差要小于光的相干长度。具体在整个光纤中，要求由转换面连接的两个光纤段之间的长度差引起的光程差要远小于光的相干长度。

数学分析如下：设入射的激光的波长为λ，线宽为δλ，则该激光的相干长度为：

设光纤段长度误差为δL，光纤的拍长为d，光纤介质的折射率为n，则上述的参量需要满足如下的关系：

除此之外，考虑到光纤最终是一个整体在某一个环境中应用，因此需要确保光纤整体不会对光的偏振态产生破坏性影响。因为在最终使用时光纤中光纤段的数目是偶数，如果从光纤一端给每一个光纤段编号(从1开始)，记编号为偶数的光纤段的总长度与编号为奇数的光纤段的总长度之差为δL_sum，则在满足上述的条件的基础上，需要满足

一个比较合理的选择是

其次，环境温度梯度是影响光纤稳定的一个重要因素，这将对光纤中每一个单个光纤段的长度提出了要求。需要确保单段光纤的长度以保证温度的影响通过光纤的结构来充分的补偿，即光纤段的长度将要小于该处温度梯度的倒数值。

我们假设沿着光纤方向的空间温度梯度为

则针对每一段小光纤的长度为L，则有如下的一些要求：

当然要想达到比较好的效果，建议取值是

同时，设定在特定空间处长度为

的范围内，编号为奇数的光纤段长度总和与编号为偶数的光纤段的长度的总和的差值为δL_Γ，则同样需要由δL_Γ引起的光的两个轴向分量之间的光程差小于相干长度，即满足下式：

$\frac{\ln d}{{\mathrm{\δL}}_{\mathrm{\Γ}}\mathrm{\λ}}>1,$ 建议 $\frac{\ln d}{{\mathrm{\δL}}_{\mathrm{\Γ}}\mathrm{\λ}}>100.$

最后就是环境温度的变化速率。这个就决定了进行偏振控制周期的频率。当然这个频率值也决定了将如何决定EOM的选取和其他的一些因素。

还有，我们必须考虑到加载在光纤上的环境应力的改变，这需要我们在光纤外层加上保护层以减少应力的影响。

根据本发明的一种优选实施方式，各个光纤段长度相等；而为了让整个光纤最终能够实现本发明提出的对所有基矢实现偏振保持，在此实施方式中，光纤在最终使用前包含的光纤段数目应为偶数。

光纤由于本身的强的双折射，非光纤轴向偏振的光通过光纤后，光的两个光轴方向分量之间会引入一个相位差。但是在本发明采用的光纤中，光经过由一个转换面连接的两个光纤段时，前一个光纤段会使光的两个光轴分量之间引入一个相位差，但是由于由该转换面连接的两个光纤段的长度相同，前一段光纤引入的相位差会被后一个光纤段补偿，两个光纤段合在一起不改变光的偏振态。在该实施方式中，由于光纤中总共有偶数个光纤段，因此，光纤本身对光的偏振态的改变很微弱，甚至有可能光纤不对光的偏振态造成影响。

最后，即使我们对上面的各种因素得到考虑，光纤还是会轻微地受环境的影响以至于在其中传播的光的偏振态会有所改变，因此需要本发明的偏振调节系统来补偿这样的一些改变。

从这里也可以看出，环境和光纤的参数将是一个相互制约的关系。针对特定的光纤，我们需要控制环境的因素来使得其满足光纤的工作条件；如果环境已经确定，则需要选用合适的光纤。

(4)偏振调节装置

可使用EOM(电光调节晶体)作为偏振调节装置，EOM的主要作用是调节光在光纤的两个轴向分量之间的相位，从而实现对光的偏振态的调节。EOM中通常也和保偏光纤一样存在两个光轴。在具体系统中，EOM的光轴与光纤出口端面上光纤的光轴方向一致。

放置好EOM后，通过调节加载在晶体上的电压可以改变晶体中不同轴向的折射率，从而实现对非晶体轴向偏振的光束的偏振态改变(对沿着晶体轴向偏振的光束，调节晶体电压不能改变光的偏振态)。

目前能够实现该功能的EOM的种类非常多，各有不同类型的，可以根据具体的情况来选定。

在具体使用中，EOM的一个光轴将需要和光纤输出端面的光轴在方向上重合(重合精度由机械装载精度来确定)。

(5)调节控制装置

当采用EOM作为偏振调节装置时，可使用一电压控制装置作为调节控制装置，调节控制装置的主要功能是给偏振调节装置提供一个调节控制信号，例如给EOM提供一个可调整的电压，即控制电压(通常在0V和EOM的半波电压V_π之间取值，V_π由选取的EOM来决定)，这个电压控制信号由偏振检测装置的检测结果决定，依据偏振检测的结果，不断调整加载在EOM上的电压，最终使得偏振检测能够得到一个符合预期的结果。

而晶体侧移装置是改变晶体与入射光的夹角，这对于入射光而言，相当于改变了晶体的长度。具体的侧移量由偏振检测装置的检测结果来决定。

具体的反馈控制方式在后面将会有所讲述。

(6)光路转换装置

光路转换装置的主要功能是对光进行分束和合束，或者在特定的时刻改变光路结构。根据本发明的具体实施方式，光路转换装置可以是分束器或者可移动或翻转的反射镜。

本发明的系统中有两处用到了光路转换装置，一处是在参考光引入的部分(第一光路转换装置)，另外一处是在偏振检测装置的前端(第二光路转换装置)。

如果采用分束器作为光路转换装置，则其始终在光路上，由此将给光路造成一定额外效率损耗。

如果采用可移动或翻转的光反射镜作为光路转换装置，则需要在偏振调节阶段开始之前预先在光反射镜设置于工作位置，以便将参考光引入系统并使由电光调制装置输出的光反射到偏振检测装置中；在信息传输阶段开始之前将该反射镜移开以使通信信道畅通。可移动反射镜系统需要有较高的机械重复精度，以确保将反射镜反复移动不会影响到系统的测量精度。

本发明的分束器或者反射镜应当有这样的要求：分束器或者光反射镜能够对入射的偏振光能够实现偏振保持，或者对入射的偏振光偏振态的改变已知并且可逆。

根据本发明，优选为第一光转换装置为分束器，因为此处需要将参考光引入到光纤中，这时对光束的角度的控制精度要求高；第二光转换装置可以采用可移动或翻转的反射镜，因为此时对光束方向的控制要求较低。具体的设置需要根据要求来定。

(7)偏振检测装置

偏振检测装置可以由一个偏振片和一个探测器组成。改变该偏振片的光轴的方向可以检测入射到该偏振片上面的光的不同方向偏振的分量的大小。探测器可以是一个功率计，也可以是单光子类探测器。其测量透过偏振片的光功率，然后来反馈调节加载在偏振控制装置上的调节控制信号。

在开始搭建系统时，偏振片的光轴方向需要根据需要来确定。一旦确定好后将不需要对其进行改变。

(8)时序控制装置

从上面的光偏振控制系统的整体结构可以看出，因为参考光的波长原则上应该与通信光的波长一致，同时考虑到系统中可能需要用到的光反射镜等元件，系统在进行偏振调节时并不能用作通信，因此需要一套时序控制系统来控制系统在偏振调节和信息传输两种状态中间切换。在偏振调节阶段，系统通过参考光来进行偏振校准，而在信息传输阶段，参考光激光器关闭，整个系统用于信息传输。

具体的时间如何分配，需要根据系统的运行状态和环境，以及具体的编码方案，经过严格的测试来确定。

偏振调节操作

本发明的偏振控制系统与传统的偏振控制所采用的原理有较大差别，因此偏振调节方法也有不一样。下面具体说明在偏振调节阶段各装置的操作，即偏振控制方法，其包括有如下步骤：

S1、所述偏振编码装置停止编码及信号的发射；所述参考光引入装置开启参考光源，发射特定偏振的参考光；

S2、所述时序控制装置控制所述第一光路转换装置，使之将所述参考光引入到所述保偏光纤的输入端；具体的控制方式是：

S2.1、如果采用BS作为转换装置，那么将不做任何操作；

S2.2、如果采用反射镜作为光路转换装置，那么将需要将反射镜放入光路中，将参考光反射进入光纤中。

S3、偏振调节装置对所述保偏光纤出射的光的偏振态进行调节，并出射调节后的光，调节的强度依据其所接到的调节控制信号而改变；

S4、时序控制装置控制所述第二光路转换装置，使之将从电光调制晶体出射的光引导至偏振检测装置。

同样，其具体控制方式是：

S4.1如果采用BS作为转换装置，那么将不做任何操作；

S4.2如果采用反射镜作为光路转换装置，那么将需要将反射镜放入光路中，将参考光反射进入光纤中。

S5、偏振检则装置连接调节控制装置，调节控制装置和偏振检测装置组成一个反馈系统。偏振检测装置根据检测结果控制调节控制装置输出的调节控制信号。调节控制信号连接偏振调节装置，将该调节控制信号输入到该偏振调节装置。具体的工作过程如下：

S5.1先朝一个方向调节加载在偏振调节装置的调节控制信号，观察偏振检测装置所检测到的光功率是否变小；如果变小，则继续朝该方向改变调节控制信号的幅度；如果增大，则朝相反方向改变调节控制信号的幅度。

S5.2如果监测到的光功率达到一个指定的阈值，则等待时序控制装置开启通信过程，或者直接开启通信过程，具体依据控制程序来决定，开启通信之前要将两个光路转换装置移开(如果是BS，则不需要进行处理；如果是反射镜，则需要移开)；如果还没有达到指定的阈值，则继续调节调节控制信号，直到达到确定的数值。

偏振控制系统的物理原理

下面来说明本发明的偏振控制系统在工作时的物理原理。

由于本发明对光纤的各种参数提出了相应的限制，因此光纤对于光的偏振态的改变可以近似看成是幺正变换，对应到邦加球上则是光的偏振态对应的点只是会在邦加球表面移动。而由于我们的光纤是基于保偏光纤的，因此如假定光纤的光轴是在水平方向，则沿着水平和竖直偏振的光进入系统后系统对其偏振态不会有改变，而对于其他偏振态的光，系统对其偏振态的改变可以对应与在邦加球上绕着X轴(事前定义X轴为水平和竖直偏振光对应邦加球上点之间的连线方向)的一个转动。而当光通过EOM后，由于EOM的光轴与光纤是相同的，因此EOM对光的偏振态的影响对应到邦加球上也是绕着X轴的一个转动，而这个转动角度是可以通过调节加载在晶体上的电压来实现，因此可以将入射的偏振态调整回到原有的偏振态。而在任意的一个系统，如果系统对邦加球没有操作，则系统对任意的偏振态都能实现偏振保持。

整个过程可以用图5来形象说明，该图以45度偏振态为例进行说明。在图5中，(a)图展现的是光纤系统对+光的偏振态改变，而如(b)图所示，这样的改变可以由EOM来调节回来。从整个邦加球图像上来看，如果我们能够使得45度偏振的光经过整个系统后回到原来的位置，则可以确定系统对邦加球无操作，系统对任意偏振态偏振保持。

具体实施例

在具体实施本发明的偏振控制系统时，依赖于具体的通信方案和具体的环境特点，但是实施本发明的系统的流程大致如图6所示。在实施该流程之前，确保系统的各项指标满足设计要求。该实施例中采用EOM作为偏振调节装置，使用电压调节装置作为调节控制装置。

(a)统一系统的光轴设置

这步操作主要是在搭建系统的时候需要着重考虑。

在这个步骤，首先是要排布好保偏光纤的两个端面上的光轴方向。确保前面光纤段的端面的快轴方向和后面光纤段的端面上的慢轴方向在同一个方向上。

调节参考光引入装置中的偏振片，同时计算或者测量通过分束器或者反射镜之后的光的偏振态(记为偏振态A)，确保该偏振态不是与光轴方向重合的线偏振态。

确保该保偏光纤后端面的电光调制晶体(EOM)的光轴和该保偏光纤后端面上的光轴方向一致(原则上是要使得两个光轴方向完全一致，具体精度由安装精度决定)。

计算入射的光纤中参考光偏振态A经过后面的分束器或者反射镜之后的偏振态(记为B)。如果该态是线偏振态，则直接将偏振片光轴方向调整到与该方向垂直的方向；如果该偏振态不是线偏振态，则需要在图中的偏振检测装置之前加上四分之一波片和半波片使得出射的光为线偏振光(图中没有给出)，然后再调节偏振检测装置的偏振片的角度，使得该偏振片的光轴方向与出射的线偏振光的线偏振态方向垂直。

当系统搭建好之后，该所有的偏振片和波片(如果需要用到的话)的角度都将固定而不做改变。

系统典型的角度设置如下：参考光引入装置的偏振片的快轴方向沿者45度方向放置；而参考光引入装置处采用对该偏振保持的分束器或者光反射镜；保偏光纤的前端面上的快轴方向为水平方向。

EOM后方的分束器或者光反射镜也是能够实现偏振保持或者其对本身的p光和s光的相延为0度或者180度。如果该相延为0度，则偏振检测装置的偏振片角度设定为-45度；如果相延为180度，则设定偏振检测装置中的偏振片角度为45度。

(b)在保偏光纤前端发射满足系统偏振角度的固定功率激光。

(c)偏振检测装置检测满足系统角度设定的偏振光的光功率，并将此结果及其变化趋势反馈给调节控制装置，作为EOM的电压信号。通过电压控制装置调节电压信号，使得偏振检测装置的功率计探测到的光的功率降至最小；

(d)判断检测到的光功率是否已经达到了预定的功率值。如果达到，则表明一次偏振反馈控制过程完成，将调节电压信号固定在这个电压值，然后进行偏振编码通信；

(e)如果没达到预定的功率值，则重复步骤(c)和(d)。

本发明描述的偏振控制系统的实施例能够实现一套鲁棒的偏振保持的通信信道，且能忍受光纤制作工艺和环境的影响，能够实现对任意偏振的偏振保持。

变化实施例

针对整个系统而言，系统基于本发明特殊的保偏光纤，通过一个偏振调节装置去补偿该保偏光纤在制作上的缺陷以及环境的影响。这是本发明的核心思想。至于其他的方面，则是可以做一些变化。

可以考虑到的变体例如为：依据特定的通信方案，可以不使用专用的参考光引入装置，而直接由偏振编码装置的激光器直接分时复用，在偏振调节阶段发射特定偏振的激光，而在偏振调节完成之后进入信息传输阶段，整个时序由时序控制装置来控制。

而光纤和EOM也可以有多种变化形式，比如在光纤的最后附加一段光纤，然后利用保偏光纤双折射效应对温度的敏感性，给这段光纤加上温度控制的装置，用以代替EOM，这样电压控制装置就可以替换为温度控制装置。EOM也可以替换成其他双折射晶体，而电压调节装置也可以替换成能够改变双折射晶体与光束之间夹角的旋转系统。

对于系统的通信信道—光纤，只要是采用在本发明提到的光纤的思想和原则范围内光纤，能够满足我们提出的光纤的基本限定条件，都可以作为本发明的技术方案的变换实施例，并涵盖在本发明的保护范围内。

偏振检测装置也可以变换成其他的方式，比如如图7所示的系统。该系统有一个半波片(HWP)，一个极化分束器(PBS)，两个探测器(Det)组成。调节好系统的光轴系统之后，通过检测两个探测器探测到的光信号强度的比值来作为调节调节控制装置的控制信号。该检测装置的测量结果用于反馈调节时更加准确。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (15)

1.一种用于光纤通信中的偏振反馈控制系统，包括偏振编码装置、偏振解码装置，其特征在于，还包括：

参考光产生装置，用于产生光纤偏振调节的参考光；

保偏光纤，包括输入端与输出端，所述输入端用于接收所述参考光或者由所述偏振编码装置产生的数据光；

偏振调节装置，设置于所述保偏光纤的输出端与所述偏振解码装置之间，用于对所述参考光或数据光进行偏振调节；

偏振检测装置，用于对已通过所述偏振调节装置进行了偏振调节的参考光进行偏振检测，并得到偏振检测结果；

调节控制装置，用于根据所述偏振检测结果控制偏振调节装置的调节参数。

2.如权利要求1所述的偏振反馈控制系统，其特征在于，所述保偏光纤包括多个垂直于光纤长度方向的转换面，位于所述转换面的一边的光纤部分的快轴与位于该转换面的另一边的光纤部分的慢轴进行0度对接。

3.如权利要求2所述的偏振反馈控制系统，其特征在于，所述保偏光纤由所述多个转换面分隔的多个光纤段组成，其中，当给所述多个光纤段依次从1开始编号时，编号为奇数的光纤段的长度总和与编号为偶数的光纤段的长度总和的差δL_sum满足其中d为光纤的拍长，λ为入射到光纤的激光的波长。l为入射光束的相干长度，n为光纤芯材的折射率。

4.如权利要求3所述的偏振反馈控制系统，其特征在于，所述δL_sum满足 $\frac{\ln d}{\mathrm{\δ}{L}_{\mathrm{sum}}\mathrm{\λ}}>100.$

5.如权利要求3所述的偏振反馈控制系统，其特征在于，所述光纤由偶数个光纤段组成，每个光纤段的长度相等。

6.如权利要求3所述的偏振反馈控制系统，其特征在于，所述每个光纤段的长度L满足

其中Γ为所述光纤的光传播方向的空间温度梯度。

7.如权利要求6所述的偏振反馈控制系统，其特征在于，所述每个光纤段的长度L满足

8.如权利要求3所述的偏振反馈控制系统，其特征在于，所述光纤在长度为的范围内，编号为奇数的光纤段长度总和与编号为偶数的光纤段的长度的总和的差值为满足下式：

其中Γ为所述光纤的光传播方向的空间温度梯度。

9.如权利要求8所述的偏振反馈控制系统，其特征在于，所述满足 $\frac{\ln d}{\mathrm{\δ}{L}_{\mathrm{\Γ}}\mathrm{\λ}}>100.$

10.如权利要求1-9中任一项所述的偏振反馈控制系统，其特征在于，所述参考光装置由参考光激光器和偏振片组成，所述参考光激光器发射的参考激光经所述偏振片后进入所述保偏光纤。

11.如权利要求10所述的偏振反馈控制系统，其特征在于，还包括第一光路转换装置，其用于根据控制信号选择使所述数据光或参考光进入保偏光纤。

12.如权利要求11所述的偏振反馈控制系统，其特征在于，所述第一光转换装置为分束器或者可移动或翻转的反射镜。

13.如权利要求1-9中任一项所述的偏振反馈控制系统，其特征在于，还包括第二光路转换装置，其用于接收由所述偏振调节装置输出的光，将其输出到所述偏振检测装置或偏振解码装置。

14.如权利要求13所述的偏振反馈控制系统，其特征在于，所述第二光路转换装置为分束器或者可移动或可翻转的反射镜。

15.如权利要求13所述的偏振反馈控制系统，其特征还在于，还包括时序控制装置，其产生分别用于控制所述偏振编码装置、偏振解码装置、第一光路转换装置和第二光路转换装置的控制信号，以使所述的偏振反馈控制系统在时序上包括偏振调节和信号传输两个阶段：

在所述偏振调节阶段，所述偏振编码装置停止编码及信号发射，所述参考光装置发射参考光；所述时序控制装置控制所述第一光路转换装置，使之将所述参考光引入到所述保偏光纤的输入端；时序控制装置控制所述第二光路转换装置，使之将从偏振调节装置出射的光引导至所述偏振检测装置；

在信号传输阶段，第一和第二光路转换装置使信号光进入光纤，然后进入到偏振解码装置中。

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