CN103986522B - 一种偏振恢复方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种偏振恢复方法，该方法主要由加扰、优化和约束三部分组成，在优化部分设置优化量绝对值上限，防止由于出现过大优化造成振荡而影响偏振恢复速度；约束部分保证反馈信号在尽量接近最优值的前提下，约束控制变量向可调范围中心移动，避免控制变量触碰到边界。本发明提出的偏振恢复方法不仅在优化部分提升了偏振恢复的速度，而且由于约束控制变量不触碰边界，省去复杂的解绑策略，在简化偏振恢复方法的同时也进一步提升了速度。

Description

一种偏振恢复方法

技术领域

本发明属于光通信领域，具体涉及一种光信号偏振态的偏振恢复方法。

背景技术

对于将信息编码在光信号偏振态或者偏振相关的光通信系统，其发送端发出的光信号是特定的偏振态，但是由于信道会受到外界干扰，使得通信系统的接收端收到的光信号偏振态随时间随机变化，影响正常光通信过程。因此，需要在接收端加入偏振恢复系统，使进入接收端的光信号偏振态恢复到发送端的状态，保障光通信系统的正常运行。

偏振恢复系统的结构如图1所示，主要由偏振控制器、偏振测量和反馈控制组成。偏振控制器能将任意输入光偏振态转变为任意特定输出的偏振态，改变偏振控制器的控制电信号，即可达到改变偏振态的目的；偏振测量部分则对偏振控制器输出的偏振态进行测量，输出反馈信号；反馈控制部分则根据接收的偏振测量反馈信号，通过判断与目标偏振态的距离，输出控制变量(常为电压信号)给偏振控制器。

这里用斯托克斯(Stokes)矢量表示光信号的偏振态，光通信系统发送光的特定偏振态为S，经信道传输后的偏振态为随时间变化的矢量S(t)，该时变偏振态是偏振控制器的输入态，偏振控制器的输出偏振态记为Sout，整个偏振恢复的目的就是为了使偏振态S(t)恢复为S，即Sout＝S，因此S也称为整个偏振恢复系统的目标偏振态。

目前已知的偏振恢复方法主要由加扰、调节和解绑三部分组成，其中加扰和调节利用常规的反馈控制算法，但是由于调节偏振控制器的电压信号常会碰到调节范围的边界，此时需要退出正常的加扰、调节过程，调节电压信号远离边界，此过程即称为解绑。偏振控制器有多个控制输入电压信号，在对一个电压信号进行解绑时，需同时避免其他电压离边界过近，因此解绑部分需要设计得非常复杂，增加了实现难度。此外，如果偏振控制器的大部分电压信号碰到边界，会直接导致解绑失败，偏振恢复系统失效，需要进行系统重置。总之，常规的偏振恢复方法由于需要解绑，而解绑过程又过于复杂，且存在失败的可能性，使得整个偏振恢复系统的速度大打折扣，无法正常应对较为快速的信道扰动。

发明内容

本发明针对现有偏振恢复方法复杂、低速的不足之处，提出一种快速简单的偏振恢复方法，该方法通过设定优化量绝对值的上限，防止过大优化造成振荡，同时增加约束部分保证反馈信号在尽量接近最优值的前提下，约束控制变量向可调范围中心移动，避免控制变量触碰到边界，省去复杂的解绑策略，从而实现快速的偏振态恢复。

为此，本发明提出了一种偏振恢复方法，其包括：

步骤1、初始化得到要加载到偏振控制器每个控制输入端的初始控制变量；

步骤2、将当前控制输入端的初始控制变量增加预设的扰动量，得到扰动控制变量，并加载至当前控制输入端；

步骤3、根据所述扰动控制变量加载前后，所述偏振控制器输出的扰动前偏振态和扰动偏振态的反馈值对所述扰动控制变量进行优化，并得到优化后的控制变量；

步骤4、根据所述偏振控制器输出的扰动偏振态的反馈值、预设反馈临界值和最优反馈值之间的相近程度，确定约束值，并根据所述约束值调整所述优化后的控制变量，将其加载至当前控制输入端；其中，所述预设反馈临界值为一接近所述最优反馈值的值，所述最优反馈值为所述偏振控制器输出目标偏振态时的反馈值；

步骤5、若当前控制输入端为所述偏振控制器的最后一个控制输入端，则将所述偏振控制器的第一个控制输入端作为当前控制输入端，否则将下一控制输入端作为当前控制输入端，并转步骤2。

本发明通过在优化部分设置优化量绝对值上限，防止出现过大优化，从而提升偏振恢复系统的速度。

本发明提出在偏振恢复过程中加入约束部分，在保证反馈信号接近最优值的前提下，约束控制变量向可调范围中心移动，从而有效避免控制变量触碰到边界，使得偏振恢复方法省去复杂的解绑策略。

本发明提出的偏振恢复方法主要由加扰、优化和约束三部分组成，其优点是快速和简单：在优化部分设置优化量绝对值上限，防止由于出现过大优化造成振荡而影响偏振恢复速度；约束部分保证反馈信号在尽量接近最优值的前提下，约束控制变量向可调范围中心移动，避免控制变量触碰到边界。本发明提出的偏振恢复方法不仅在优化部分提升了偏振恢复的速度，而且由于约束控制变量不触碰边界，省去复杂的解绑策略，在简化偏振恢复方法的同时也进一步提升了速度。

附图说明

图1是常见的偏振恢复系统的结构示意图；

图2是本发明中偏振恢复方法的流程简图；

图3是基于挤压光纤型偏振控制器的水平偏振态偏振恢复系统装置示意图；

图4是基于挤压光纤型偏振控制器的偏振恢复系统控制流程图。

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。

本发明提出了一种偏振恢复方法，其在偏振恢复系统上实现。图1示出了偏振恢复系统的结构示意图。如图1所示，所述偏振恢复系统包括偏振控制器、偏振测量装置和反馈控制电路。

所述偏振控制器具有多个控制电压输入端，记为控制变量V_i(i＝1，2，...，I)，i表示的是控制偏振控制器的输入端序号，I是总的输入端数目，控制变量V_i的范围是[C_i-Δ_i，C_i+Δ_i]，C_i是偏振控制器控制变量的可调范围的中心值，Δ_i为所述可调范围中最大值与中心值之差。所述偏振控制器根据所述多个控制电压输入端输入的控制变量对应的电信号，调节输入光的偏振态，以将其输出光偏振态Sout调节成目标偏振态S；

所述偏振测量装置用于测量所述偏振控制器输出光的偏振态，并输出的反馈信号，记为F，其是K个反馈信号f_k的集合{f₁，f₂，...，f_K}，F的取值与偏振控制器的输出Sout和目标偏振态S相关，K为偏振测量装置需要测量的偏振态数目。当偏振控制器的输出Sout和目标偏振态S相同时，反馈信号达到最优值，记为M，它是偏振测量装置输出的K个反馈信号f_k最优值m_k的集合{m₁，m₂，...，m_K}，其中f_k的最优值记为m_k，对于不同的偏振测量，最优值M的取值不同，需根据具体的偏振测量与目标偏振态计算。为了约束输出给偏振控制器的控制变量，定义反馈信号F的临界值T和临界系数β，二者的计算关系为β＝|T-M|/E，E为输入偏振测量部分的总光强直接被探测引发的反馈信号大小，所述临界值T为一个非常接近反馈信号最优值的设定值；临界值T和临界系数β与具体实施器件的物理参数相关，一般而言临界系数β需小于4％，常取1％。

图2示出了本发明提出的偏振恢复方法流程图。如图2所示，其包括加扰、优化和约束三部分组成。具体包括如下步骤：

步骤201：偏振恢复系统的初始化，对偏振控制器的每个控制输入端加载初始控制变量，该初始控制变量是控制变量可调范围的中心值，即V_i＝C_i，然后轮流对偏振控制器的各个输入端依次进行加扰、优化和约束操作，使得偏振控制器输出偏振态稳定恢复在目标偏振态附近。

步骤202：将当前控制输入端的控制变量增加一扰动量，得到扰动控制变量，并输出给当前控制输入端；

所述的加扰部分包含如下三步：

步骤2021：采集反馈信号F₁；

步骤2022：在当前控制变量的基础上增加扰动量，得到扰动控制变量，即V_i1＝V_i+d_i；

步骤2023：将扰动控制变量输出给偏振控制器的第i个控制输入端。

这里d_i称为扰动量，若其取值过小，则扰动造成的反馈信号变化将湮没于噪声中，若取值过大，则扰动造成的反馈信号过大，形成振荡，不利于偏振快速恢复，因此扰动量d_i的绝对值|d_i|取值范围为[2Δ_i/1000，2Δ_i/100]。

步骤203：根据加载扰动控制变量前后得到扰动前反馈信号和扰动后反馈信号对所述扰动控制变量进行初步优化，并将初步优化后的优化量的值与预设上界进行比较，若大于所述上界，则对初步优化后的控制变量进行限制处理，最终得到优化后的控制变量；所述反馈信号为所述偏振测量装置测量偏振控制器输出的偏振态而获得的值；所述优化方法采用通用的梯度优化方法即可；

所述的优化部分包含以下四个步骤：

步骤2031：采集扰动后的反馈信号F₂；

步骤2032：计算优化量O_i＝a_i(F₂-F₁)/d_i；

步骤2033：判断优化量绝对值|O_i|是否小于其预设上界U_i，若是则直接进入步骤2034，若否则对所述优化量进行限制处理，以防止优化量过大造成振荡，从而影响速度。所述限制处理采用以下公式进行：

O_i＝sign(a_i(F₂-F₁)/d_i)·U_i；

步骤2034：计算优化后的控制变量V_i2＝V_i1+O_i-d_i。

这里，a_i是优化系数，与信道扰动的频率、偏振恢复系统控制参数相关，其取值范围是[0.2，0.8]。优化量绝对值的上界U_i与偏振控制器的响应时间、偏振测量部分的响应时间和反馈信号采样率有关，其取值需使偏振控制器对加载优化量的响应时间小于偏振测量部分的响应时间和反馈信号采样时间间隔，sign(x)为符号函数。

步骤204：根据扰动后的反馈信号、预设临界值与反馈信号的最优值之间的相近程度，确定约束值，根据所述约束值调整所述优化后的控制变量，得到约束控制变量，并将约束控制变量提供给偏振控制器的当前控制输入端；若当前控制输入端为所述偏振控制器的最后一个控制输入端，则将第一个控制输入端作为当前控制输入端，否则将下一控制输入端作为当前控制输入端，并转步骤202；

所述的约束部分包含如下三个步骤：

步骤2041：判断扰动后的反馈信号F₂是否比设定的临界值T更接近最优值M，即判断|F₂-M|是否小于βE，若是，则令控制变量向其可调范围中心移动，移动量δ_i正相关于此时控制变量与其可调范围中心的距离，移动量的大小定义为δ_i＝α_i·sign(V_i2-C_i)·|V_i2-C_i|，若否，则移动量δ_i＝0；

步骤2042：计算约束后的控制变量V_i3＝V_i2-δ_i；

步骤2043：将新的控制变量输出给偏振控制器的第i个控制输入端。

这里α_i是约束系数，若其取值过小，起不到约束作用，若取值过大，会造成约束作用过强，影响偏振恢复的速度，因此其取值与前述扰动量类似，范围为[0.01，0.03]。

图3是基于挤压光纤型偏振控制器的水平偏振态偏振恢复系统装置示意图。图中挤压光纤型偏振控制器是美国通用光电公司生产的PolaRITE型MPC-4X偏振控制器，它是一种典型的可延迟波片型偏振控制器，由4个光纤挤压器构成，相互成π/4的倾斜排列，4个控制输入端分别对应4个控制变量V₁、V₂、V₃和V₄。偏振控制器的光学输入态用时变斯托克斯矢量S(t)，经其调节的光学输出态表示为Sout。图中偏振分束器和光电探测器组成偏振测量部分，偏振分束器将偏振控制器调节后的光Sout投影到两个相互垂直的偏振态上(记为水平偏振态和竖直偏振态)，并分别输出，光电探测器则将偏振分束器竖直偏振输出端的光强正比转化成电信号输出。光电探测器输出的电信号即为反馈信号f。偏振分束器水平输出端的光学输出S即为该水平偏振态偏振恢复系统的光学输出。反馈控制电路先对反馈信号进行采样，然后经过FPGA电路的控制程序输出控制变量V₁、V₂、V₃和V₄给偏振控制器对偏振态进行恢复。这里偏振控制器的控制信号输入和反馈控制电路的输出均为电压信号，为方便理解，这里用偏振控制器对应的延迟角(单位：rad)来表述。

该偏振恢复系统装置的典型参数如下：挤压光纤型偏振控制器的控制输入端对应的控制变量分别为V₁、V₂、V₃和V₄，其变化范围均为[0，4π]，控制变量可调范围的中心值C₁、C₂、C₃和C₄均为2π，响应时间优于30us。反馈控制电路中反馈信号采集和控制变量输出频率为40kHz。偏振分束器的消光比约22dB。

在本发明提出偏振恢复方法执行过程中，相关参数取值如下：加扰部分对应于4个控制变量V₁、V₂、V₃和V₄的扰动量d₁、d₂、d₃和d₄均取为0.08rad；优化部分中，控制变量V₁、V₂、V₃和V₄对应的优化系数a₁、a₂、a₃和a₄均取为0.6，控制变量V₁、V₂、V₃和V₄的优化量绝对值上限U₁、U₂、U₃和U₄均取为π/4rad；约束部分中，若将输入偏振测量部分的总光强直接输入至光电探测器，得到的反馈信号为E，那么该水平偏振态偏振恢复系统的反馈信号f最优值m为6E/1000，反馈信号f的临界系数β取为1％，临界值t取为16E/1000，控制变量V₁、V₂、V₃和V₄对应的约束系数α₁、α₂、α₃和α₄均取为0.016。

图4示出了对于该水平偏振态偏振恢复系统，本发明提出的偏振恢复方法流程图。如图4所示，该方法具体步骤如下：

步骤301：偏振恢复系统初始化：反馈控制电路对挤压光纤型偏振控制器的四个控制输入端加载初始控制变量V₁＝C₁＝2π、V₂＝C₂＝2π、V₃＝C₃＝2π和V₄＝C₄＝2π，同时令挤压光纤型偏振控制器的输入端口序号i＝1；

步骤302：反馈控制电路采集光电探测器输出的反馈信号f₁；

步骤303：对挤压光纤型偏振控制器的第i个控制输入端在上次控制变量的基础增加扰动量，即V_i1＝V_i+0.08；

步骤304：将步骤303中控制变量V_i1输出给挤压光纤型偏振控制器的第i个控制输入端；

步骤305：反馈控制电路再次采集光电探测器输出的反馈信号f₂；

步骤306：对挤压光纤型偏振控制器的第i个控制输入端计算优化量O_i＝7.5·(f₂-f₁)；

步骤307：判断步骤306中得到的优化量绝对值|O_i|是否小于其上界π/4，若是则直接进入步骤308，若否则令优化量的值变为O_i＝π·sign(7.5·(f₂-f₁))/4，并进入步骤308；

步骤308：对挤压光纤型偏振控制器的第i个控制输入端计算优化后的控制变量V_i2＝V_i1+O_i-0.08；

步骤309：判断步骤305中采集到的反馈信号f₂是否比设定的临界值16E/1000更接近最优值6E/1000，即判断|f₂-6E/1000|是否小于E/100，若是，则令移动量δ_i＝0.016·sign(V_i2-2π)·|V_i2-2π|，若否，则令移动量δ_i＝0；

步骤310：对挤压光纤型偏振控制器的第i个控制输入端计算约束后的控制变量V_i3＝V_i2-δ_i；

步骤311：将步骤310中控制变量输出给挤压光纤型偏振控制器的第i个控制输入端；

步骤312：偏振恢复系统循环标志，将i(mod4)+1赋值给i，跳入步骤302。

基于本发明提出的上述偏振恢复方法，该实施例取得了很好的纠偏效果，已经超过目前基于挤压光纤型偏振控制器的偏振恢复系统最好水平。

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 (9)

1.一种偏振恢复方法，其包括：

步骤1、初始化得到要加载到偏振控制器每个控制输入端的初始控制变量；

步骤2、将当前控制输入端的初始控制变量增加预设的扰动量，得到扰动控制变量，并加载至当前控制输入端；

步骤3、根据所述扰动控制变量加载前后，所述偏振控制器输出的扰动前偏振态和扰动偏振态的反馈值对所述扰动控制变量进行优化，并得到优化后的控制变量；

步骤4、根据所述偏振控制器输出的扰动偏振态的反馈值、预设反馈临界值和最优反馈值之间的相近程度，确定约束值，并根据所述约束值调整所述优化后的控制变量，将其加载至当前控制输入端；其中，所述预设反馈临界值为一接近所述最优反馈值的值，所述最优反馈值为所述偏振控制器输出目标偏振态时的反馈值；

步骤5、若当前控制输入端为所述偏振控制器的最后一个控制输入端，则将所述偏振控制器的第一个控制输入端作为当前控制输入端，否则将下一控制输入端作为当前控制输入端，并转步骤2。

2.如权利要求1所述的方法，其中，步骤3中如果对所述扰动控制变量进行优化得到的优化量的值不小于预设上界，则对其进行限制处理，得到优化后的控制变量。

3.如权利要求1所述的方法，其中，步骤1中所述初始控制变量为所述偏振控制器的控制变量可调范围的中心值。

4.如权利要求1所述的方法，其中，步骤2中所述扰动量绝对值的取值范围是[2Δ_i/1000，2Δ_i/100]，所述Δ_i为所述偏振控制器的控制变量可调范围的最大值与中心值之差。

5.如权利要求2所述的方法，其中，步骤3中通过下式对所述当前控制变量进行优化：

V_i2＝V_i1+O_i-d_i；

O_i＝a_i(F₂-F₁)/d_i

其中，V_i1、V_i2为优化前和优化后的控制变量值，O_i为初始优化量，a_i为预设的优化系数，F₁、F₂分别为所述偏振控制器输出的扰动前偏振态和扰动偏振态的反馈值。

6.如权利要求5所述的方法，其中，步骤3中通过下式进行限制处理，得到更新优化量

${\tilde{O}}_i=sign\left(a_i\right(F_2-F_1)/d_i)\·U_i$

其中，U_i为权利要求2所述的预设上界。

7.如权利要求1所述的方法，其中，步骤4具体包括：

判断所述扰动偏振态的反馈值是否比所述预设反馈临界值更接近于所述最优反馈值，若是则将所述优化后的控制变量减去所述约束值得到约束后的控制变量，所述约束值如下计算：

δ_i＝α_i·sign(V_i2-C_i)·|V_i2-C_i|

其中，δ_i为约束值，α_i为约束系数，V_i2为优化后的控制变量，C_i为所述控制变量可调范围的中心值。

8.如权利要求5所述的方法，其中，所述优化系数a_i的取值范围是[0.2，0.8]。

9.如权利要求7所述的方法，其中，所述约束系数α_i的取值范围是[0.01，0.03]。