CN110361876A - 一种双波导结构相位调制器及偏振编码装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种双波导结构相位调制器，本发明的相位调制器采用双波导结构，每个分支波导分别对进入的偏振光进行相位调制，使二者产生等量反向的相移，在相同的驱动电压下，水平偏振光和垂直偏振光的相对相移为采用单波导相位调制器的二倍，也就是说，产生等量相位差，本发明所述相位调制器需要的驱动电压更低。本发明还公开了一种采用所述双波导结构相位调制器的偏振编码装置，由于采用的双波导结构相位调制器产生等量相位差所需的驱动电压仅为单波导相位调制器的一半，相当于相位调制器的半波电压下降一半，因此可以在高调制速率下通过较低电压驱动，更加适用于速率更高的偏振编码系统。

Description

一种双波导结构相位调制器及偏振编码装置
技术领域
本发明涉及量子通信技术领域，更具体涉及一种双波导结构相位调制器及基于双波导结构相位调制器的偏振编码装置。
背景技术
量子通信是迄今唯一被理论证明无条件安全的通信方式，通过量子密钥分发(QKD)为通信双方提供无条件安全的共享密钥。第一个QKD协议是1984年由CharlesH.Bennett和Gilles Brassard共同提出的BB84协议。BB84协议的核心思想是量子不确定性原理，通过随机发送2组非正交基矢下的量子态，能保证窃听者在量子力学的理论范围内不能对这个量子态进行有效窃听。
现有技术可在偏振维度实施BB84协议，也就是说，发送端随机制备4种偏振态来编码随机密钥信息。现有技术通常基于相位调制的方法实现偏振编码，方案原理简述如下：
常见的相位调制偏振编码方案首先利用偏振分束器将45°线偏光分为水平偏振光和垂直偏振光两路，相位调制器对其中一路光的相位进行调制，使其发生相移，因此，水平偏振光和垂直偏振光之间产生相位差，再通过偏振分束器使两路光重新合束。由于两路光存在相位差，合束后输出的光偏振态发生变化，且不同的相位差对应输出不同的光偏振态，即通过相位调制的方法实现了偏振编码。上述方法可在Sagnac环结构和MZ干涉仪结构中实现。
Sagnac环结构一般由偏振分束器、相位调制器、光延迟线组成，分束器将入射光分为两路进入Sagnac环，一路在环内沿顺时针方向传播，另一路沿逆时针方向传播。光延迟线用于调整相位调制器在环内的位置，使其位于偏离环中点△t处。假设顺时针光在t0时刻先到达相位调制器，此时驱动相位调制器工作，则顺时针光产生了△φ的相移。逆时针光在t0+2△t时刻到达相位调制器，此时不驱动相位调制器工作，逆时针光不发生相移。当顺时针光和逆时针光返回环起点时，存在相位差△φ，两路光合束输出，可实现光偏振态的调制。
公开号为CN103969841A的中国专利公开了一种基于Sagnac环的偏振控制系统，偏振分束器将45°偏振方向的激光脉冲分为两束强度相等、偏振方向正交的激光脉冲，分别沿Sagnac环顺时针、逆时针传播相等光程后，在偏振分束器处发生叠加输出某一特定偏振态的光。光传播过程中，相位调制器会对顺时针或逆时针激光脉冲进行相位调制，在偏振分束器处两束光叠加后生成的光偏振态取决于两束光的相位差，即相位调制器的调制相位。
公开号为CN1477413的中国专利以及博士学位论文《基于相位调制的光量子偏振态的制备与检测及其在量子密钥分发中的应用》公开了一种基于MZ干涉仪结构的相位调制偏振编码方案，是利用两个偏振分束器构成等臂MZ干涉仪，相位调制器位于其中一臂上。偏振分束器将45°线偏光分为水平偏振光和垂直偏振光，分别在干涉仪上臂和下臂中传播，相位调制器对其中一路光进行相位调制。两路光同时到达干涉仪另一端的偏振分束器时，存在相位差，合束输出后偏振态发生变化，即可以通过加载不同的驱动电压实现偏振编码。
现有技术利用相位调制器调节水平偏振光或垂直偏振光中的一路，相位调制器半波电压为Vπ时，要产生相移量0、π/2、π、3π/2时，所需驱动电压分别为0、1/2Vπ、Vπ、3/2Vπ。随着调制速率的增大，相位调制器的半波电压Vπ逐渐增大。然而，受电子学方面的限制，相位调制器的驱动电路难以在高速状态下稳定的输出较大的驱动电压，因此很难实现编码速率的进一步提高。即使采用多个分立的相位调制器多次调制的方法，来实现降低单个相位调制器驱动电压的效果，仍存在驱动方式复杂、控制难度较大、增加信号插损、不利于集成等弊端。
发明内容
本发明所要解决的技术问题之一在于在产生等量相移的情况下如何降低相位调制器的驱动电压；
本发明所要解决的技术问题之二在于如何降低相位调制偏振编码方案中系统的驱动电压，实现高速编码。
本发明是通过以下技术方案解决上述技术问题之一的：
一种双波导结构相位调制器，包括衬底、光波导、对光波导施加电场的调制电极以及传输光纤，所述调制电极包括信号电极和接地电极，所述光波导包括第一分支波导和第二分支波导，所述传输光纤分别设置在第一分支波导和第二分支波导的两端，所述第一分支波导和第二分支波导内侧之间设置有信号电极或接地电极，对应的，所述第一分支波导和第二分支波导外侧均设置有接地电极或信号电极，所述信号电极连接驱动电压，所述信号电极与接地电极协作同时对第一分支波导和第二分支波导施加电场。
进一步地，所述第一分支波导和第二分支波导为条形波导。
进一步地，所述第一分支波导和第二分支波导平行设置。
进一步地，所述信号电极和接地电极施加给第一分支波导和第二分支波导的电场强度相等，方向相反，所述第一分支波导和第二分支波导中传输的光分别产生等量反向的相移。
本发明是通过以下技术方案解决上述技术问题之二的：
一种基于双波导结构相位调制器的偏振编码装置，所述偏振编码装置为Sagnac环结构干涉仪，包括偏振分束器、所述的双波导结构相位调制器，所述双波导结构相位调制器中的第一分支波导、第二分支波导分别通过其两端的传输光纤顺序连接，形成Sagnac环，所述偏振分束器设置在Sagnac环的输入端口，用于将入射偏振光分为水平偏振光和垂直偏振光，所述水平偏振光和垂直偏振光分别沿第一分支波导和第二分支波导相向传输，最后经偏振分束器合束输出。
进一步地，所述偏振分束器到第一分支波导的光程与偏振分束器到第二分支波导的光程相等。
进一步地，所述水平偏振光和垂直偏振光分别同时到达第一分支波导和第二分支波导，此时驱动双波导结构相位调制器，对水平偏振光和垂直偏振光进行一次相位调制，相位调制后的水平偏振光和垂直偏振光分别沿第二分支波导和第一分支波导返回偏振分束器输出。
进一步地，所述水平偏振光和垂直偏振光分别经过第一分支波导和第二分支波导时驱动双波导结构相位调制器对水平偏振光和垂直偏振光进行一次相位调制，相位调制后的水平偏振光和垂直偏振光分别经过第二分支波导和第一分支波导时再次驱动双波导结构相位调制器进行二次相位调制，相位调制后的水平偏振光和垂直偏振光返回偏振分束器输出。
进一步地，所述双波导结构相位调制器的驱动电压分别为0、1/4Vπ、1/2Vπ、3/4Vπ时，第一分支波导输出的偏振光和第二分支波导输出的偏振光分别存在0、1/2π、π、3/2π的相位差，偏振分束器对应输出45°偏振光、右旋偏振光、135°偏振光、左旋偏振光，其中Vπ为第一分支波导或第二分支波导内的光产生π相移时所需的驱动电压。
进一步地，所述双波导结构相位调制器的驱动电压分别为0、±1/8Vπ、±1/4Vπ、±3/8Vπ时，第一分支波导最终输出的偏振光和第二分支波导最终输出的偏振光分别存在0、1/2π、π、3/2π的相位差，偏振分束器对应输出45°偏振光、右旋偏振光、135°偏振光、左旋偏振光，其中Vπ为第一分支波导或第二分支波导内的光产生π相移时所需的驱动电压。
本发明还保护一种基于双波导结构相位调制器的偏振编码装置，所述偏振编码装置为MZ干涉仪结构，包括第一偏振分束器、所述的双波导结构相位调制器以及第二偏振分束器；所述双波导结构相位调制器中的第一分支波导及其两端的传输光纤构成MZ干涉仪上臂，所述双波导结构相位调制器中的第二分支波导及其两端的传输光纤构成MZ干涉仪下臂，所述第一偏振分束器设置在MZ干涉仪的输入端，将入射偏振光分为水平偏振光和垂直偏振光，所述水平偏振光和垂直偏振光分别沿MZ干涉仪上臂和MZ干涉仪下臂传输，所述第二偏振分束器设置在MZ干涉仪的输出端，将经MZ干涉仪上臂和MZ干涉仪下臂传输的偏振光合束输出。
进一步地，所述第一分支波导到第一偏振分束器的光程与第二分支波导到第一偏振分束器的光程相等，所述第一分支波导到第二偏振分束器的光程与第二分支波导到第二偏振分束器的光程相等。
进一步地，所述双波导结构相位调制器的驱动电压分别为0、1/4Vπ、1/2Vπ、3/4Vπ时，第一分支波导输出的偏振光和第二分支波导输出的偏振光分别存在0、1/2π、π、3/2π的相位差，第二偏振分束器对应输出45°偏振光、右旋偏振光、135°偏振光、左旋偏振光，其中Vπ为第一分支波导或第二分支波导内的光产生π相移时所需的驱动电压。
本发明还保护一种基于双波导结构相位调制器的偏振编码装置，所述偏振编码装置为FM结构干涉仪，所述FM结构干涉仪包括偏振分束器、所述双波导结构相位调制器以及第一反射型光旋转器件和第二反射型光旋转器件，所述双波导结构相位调制器中的第一分支波导及其两端的传输光纤构成FM结构干涉仪上臂，所述双波导结构相位调制器中的第二分支波导及其两端的传输光纤构成FM结构干涉仪下臂，所述偏振分束器设置在FM结构干涉仪的输入端，将入射偏振光分为水平偏振光和垂直偏振光，所述水平偏振光和垂直偏振光分别沿FM结构干涉仪上臂和FM结构干涉仪下臂传输，所述第一反射型光旋转器件和第二反射型光旋转器件分别设置在FM结构干涉仪上臂和FM结构干涉仪下臂的输出端。
进一步地，所述第一分支波导到偏振分束器的光程与第二分支波导到偏振分束器的光程相等，所述第一分支波导到第一反射型光旋转器件的光程与第二分支波导到第二反射型光旋转器件的光程相等。
进一步地，所述水平偏振光和垂直偏振光分别同时到达第一分支波导和第二分支波导，此时驱动双波导结构相位调制器，同时对水平偏振光和垂直偏振光进行一次相位调制，相位调制后的水平偏振光和垂直偏振光分别经第一反射型光旋转器件和第二反射型光旋转器件反射，再次沿FM结构干涉仪上臂和FM结构干涉仪下臂分别经过第一分支波导和第二分支波导后经偏振分束器输出。
进一步地，所述水平偏振光和垂直偏振光分别同时到达第一分支波导和第二分支波导，此时驱动双波导结构相位调制器，对水平偏振光和垂直偏振光进行一次相位调制，相位调制后的水平偏振光和垂直偏振光分别经第一反射型光旋转器件和第二反射型光旋转器件反射，再次沿FM结构干涉仪上臂和FM结构干涉仪下臂同时到达第一分支波导和第二分支波导，此时再次驱动双波导结构相位调制器进行二次相位调制，相位调制后的水平偏振光和垂直偏振光经偏振分束器输出。
进一步地，所述第一反射型光旋转器件和第二反射型光旋转器件均为法拉第旋转镜。
进一步地，所述双波导结构相位调制器的驱动电压分别为0、1/4Vπ、1/2Vπ、3/4Vπ时，第一分支波导输出的偏振光和第二分支波导输出的偏振光分别存在0、1/2π、π、3/2π的相位差，偏振分束器对应输出45°偏振光、右旋偏振光、135°偏振光、左旋偏振光，其中Vπ为第一分支波导或第二分支波导内的光产生π相移时所需的驱动电压。
进一步地，所述双波导结构相位调制器的驱动电压分别为0、±1/8Vπ、±1/4Vπ、±3/8Vπ时，第一分支波导最终输出的偏振光和第二分支波导最终输出的偏振光分别存在0、1/2π、π、3/2π的相位差，偏振分束器对应输出45°偏振光、右旋偏振光、135°偏振光、左旋偏振光，其中Vπ为第一分支波导或第二分支波导内的光产生π相移时所需的驱动电压。
本发明相比现有技术具有以下优点：
(1)本发明的相位调制器采用双波导结构，每个分支波导分别调节水平偏振光和垂直偏振光，使二者产生等量反向的相移，在相同的驱动电压下，水平偏振光和垂直偏振光的相对相移为采用单波导相位调制器的二倍，也就是说，产生等量相位差，本发明所述相位调制器需要的驱动电压更低；此外，本发明的双波导结构相位调制器的调制过程均在其该相位调制器中完成，较之采用多个分立相位调制器进行相位调制的驱动方式更为简单，且易于控制，降低了信号插损，利于集成。
(2)由于本发明所述双波导结构相位调制器产生等量相位差所需的驱动电压仅为单波导相位调制器的一半，相当于相位调制器的半波电压下降一半，可以在高调制速率下通过较低电压驱动，因此采用本发明所述双波导结构相位调制器的偏振编码装置编码速率更高。
附图说明
图1为本发明实施例1的双波导结构相位调制器结构示意图；
图2为本发明实施例2的双波导结构相位调制器结构示意图；
图3为本发明实施例3的偏振编码装置结构示意图；
图4为本发明实施例4的偏振编码装置结构示意图；
图5为本发明实施例5的偏振编码装置结构示意图。
其中：101、衬底；102、第一分支波导；103、第二分支波导；104、第一分支波导传输光纤；105、第二分支波导传输光纤；106、第一信号电极；107、第一接地电极；108、第二接地电极；109、第三接地电极；110、第二信号电极；111、第三信号电极；21、第一偏振分束器；22、第二偏振分束器；23、第三偏振分束器；24、第四偏振分束器；4、第一法拉第旋转镜；5、第二法拉第旋转镜。
具体实施方式
下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
实施例1双波导结构相位调制器
一种双波导结构相位调制器，结构见图1，包括衬底101、两个上下平行设置的第一分支波导102和第二分支波导103以及分别设置在第一分支波导102和第二分支波导103两端的第一分支波导传输光纤104和第二分支波导传输光纤105，所述的第一分支波导102和第二分支波导103均为条形波导，所述第一分支波导102两端的第一分支波导传输光纤104和第二分支波导103两端的第二分支波导传输光纤105长度相等，所述第一分支波导102和第二分支波导103内侧之间设置有第一信号电极106，所述第一分支波导102和第二分支波导103外侧分别设置有第一接地电极107和第二接地电极108，所述第一信号电极106连接驱动电压，所述第一信号电极106分别与第一接地电极107和第二接地电极108协作同时对第一分支波导102和第二分支波导103施加强度相等、方向相反的电场。
本实施例的双波导结构相位调制器中的第一信号电极106加载驱动电压Vcc时，第一分支波导102中的电场方向由第一信号电极106指向第一接地电极107，第二分支波导103中的电场方向由第一信号电极106指向第二接地电极108，也就是说，第一分支波导102和第二分支波导103中的电场强度相等、方向相反，因此第一分支波导102和第二分支波导103中传输的光分别产生等量反向的相移△φ和-△φ，即存在相对相移2△φ。由此可见，使用本实施例的相位调制器在相同的驱动电压下，光的相对相移为采用单波导相位调制器的二倍，也就是说，产生等量相位差，本实施例所述相位调制器需要的驱动电压更低。
实施例2双波导结构相位调制器
一种双波导结构相位调制器，结构见图2，包括衬底101、两个上下平行设置的第一分支波导102和第二分支波导103以及分别设置在第一分支波导102和第二分支波导103两端的第一分支波导传输光纤104和第二分支波导传输光纤105，所述的第一分支波导102和第二分支波导103均为条形波导，所述第一分支波导102两端的第一分支波导传输光纤104和第二分支波导103两端的第二分支波导传输光纤105长度相等，所述第一分支波导102和第二分支波导103内侧之间设置有第三接地电极109，所述第一分支波导102和第二分支波导103外侧分别设置有第二信号电极110和第三信号电极111，所述第二信号电极110和第三信号电极111连接驱动电压，所述第二信号电极110和第三信号电极111分别与第三接地电极109协作同时对第一分支波导102和第二分支波导103施加强度相等、方向相反的电场。
本实施例的双波导结构相位调制器中的第二信号电极110和第三信号电极111同时加载驱动电压Vcc时，第一分支波导102中的电场方向由第二信号电极110指向第三接地电极109，第二分支波导103中的电场方向由第三信号电极111指向第三接地电极109，也就是说，第一分支波导102和第二分支波导103中的电场强度相等、方向相反，因此第一分支波导102和第二分支波导103中传输的光分别产生等量反向的相移△φ和-△φ，即存在相对相移2△φ。由此可见，使用本实施例的相位调制器在相同的驱动电压下，光的相对相移为采用单波导相位调制器的二倍，也就是说，产生等量相位差，本实施例所述相位调制器需要的驱动电压更低。
实施例3一种基于双波导结构相位调制器的偏振编码装置
本实施例的偏振编码系统为Sagnac环结构干涉仪，如图3所示，包括实施例1所述的双波导结构相位调制器、第三偏振分束器23，所述双波导结构相位调制器中第一分支波导102和第二分支波导103分别通过其两端的第一分支波导传输光纤104和第二分支波导传输光纤105顺序连接，构成Sagnac环，所述第三偏振分束器23设置在Sagnac环的输入端口，用于将入射偏振光分为水平偏振光和垂直偏振光，所述水平偏振光沿第一分支波导102、第二分支波导103在Sagnac环上顺时针传输，所述垂直偏振光沿第二分支波导103、第一分支波导102在Sagnac环上逆时针传输，所述双波导结构相位调制器分别对顺时针传输和逆时针传输的偏振光进行相位调制，顺时针传输的偏振光与逆时针传输的偏振光在Sagnac环内传播等光程后同时回到第三偏振分束器23合束输出，其中：第三偏振分束器23发出的水平偏振光到第一分支波导102的光程与第三偏振分束器23发出的垂直偏振光到第二分支波导103的光程相等，即第三偏振分束器23出射的水平偏振光和垂直偏振光同时到达第一分支波导102和第二分支波导103。
本实施例的偏振编码装置通过以下两种方法实现45°偏振、右旋偏振、135°偏振以及左旋偏振四种偏振态的偏振编码：
方法一：45°线偏振光经第三偏振分束器23后分为水平偏振光和垂直偏振光，水平偏振光在Sagnac环内顺时针传播，依次经过第一分支波导102、第二分支波导103后回到第三偏振分束器23，垂直偏振光在Sagnac环内逆时针传播，依次经过第二分支波导103、第一分支波导102后回到第三偏振分束器23。定义通过第一分支波导102或第二分支波导103的光产生π相移时所需驱动电压为Vπ。第一分支波导102和第二分支波导103与第三偏振分束器23光程相等，即水平偏振光到达第一分支波导102的同时，垂直偏振光到达第二分支波导103，此时以1/2Vπ的驱动电压驱动双波导结构相位调制器对水平偏振光和垂直偏振光进行一次相位调制，此时，第一分支波导102中的电场方向由第一信号电极106指向第一接地电极107，水平偏振光产生π/2的相移量；而第二分支波导103中的电场方向由第一信号电极106指向第二接地电极108，垂直偏振光产生-π/2的相移量，然后顺时针光、逆时针光继续在Sagnac环内传播等光程后在同一时刻分别到达第二分支波导103、第一分支波导102，此时双波导结构相位调制器不进行相位调制，随后，两路光同时返回第三偏振分束器23，在此方法中顺时针光总相移量为π/2，逆时针光总相移量为-π/2，即两路光存在相位差π，输出光偏振态变为135°。
同理，双波导结构相位调制器的驱动电压为0、1/4Vπ、3/4Vπ时，对应输出光偏振态分别为45°偏振、右旋偏振、左旋偏振。采用本实施例的双波导结构相位调制器的偏振编码装置进行偏振编码时，所需相位调制器驱动电压为现有技术的1/2。
方法二、45°线偏光经第三偏振分束器23后分为水平偏振光、垂直偏振光，分别在Sagnac环中沿顺时针、逆时针方向传播，顺时针光、逆时针光在同一时刻分别到达第一分支波导102、第二分支波导103时，以电压1/4Vπ驱动相位调制器工作，则顺时针光、逆时针光相移量分别为π/4、-π/4。顺时针光、逆时针光继续在Sagnac环内传播等光程后在同一时刻分别到达第二分支波导103、第一分支波导102，此时以电压-1/4Vπ再次驱动双波导结构相位调制器工作，顺时针光和逆时针光分别产生π/4、-π/4的相移。随后，两路光同时返回第三偏振分束器23，在此方法中顺时针光总相移量为π/2，逆时针光总相移量为-π/2，即相对相移量为π，合束后输出135°线偏振光。
同理，双波导结构相位调制器驱动电压为0、±1/8Vπ、±3/8Vπ时，对应输出光偏振态分别为45°偏振、右旋偏振、左旋偏振。这样通过两次驱动双波导结构相位调制器实现了四种偏振态的偏振编码方案，而所需驱动电压幅度仅为现有技术的1/4。
实施例4一种基于双波导结构相位调制器的偏振编码装置
本实施例的偏振编码装置为MZ干涉仪结构，具体结构见图4，所述的MZ干涉仪结构包括第一偏振分束器21、实施例1所述的双波导结构相位调制器以及第二偏振分束器22；所述双波导结构相位调制器中的第一分支波导102及其两端的第一分支波导传输光纤104构成MZ干涉仪上臂，所述第二分支波导103及其两端的第二分支波导传输光纤105构成MZ干涉仪下臂，第一偏振分束器21设置在MZ干涉仪的输入端，将入射偏振光分为水平偏振光和垂直偏振光，所述第二偏振分束器22设置在MZ干涉仪的输出端，用于将经第一分支波导102和第二分支波导103调制后的偏振光合束输出。其中第一分支波导102到第一偏振分束器21的光程与第二分支波导103到第一偏振分束器21的光程相等，第一分支波导102到第二偏振分束器22的光程与第二分支波导103到第二偏振分束器22的光程相等。
使用本实施例偏振编码装置进行偏振编码的过程如下：
45°线偏光经第一偏振分束器21后分为水平偏振光和垂直偏振光，水平偏振光和垂直偏振光分别沿第一分支波导102及其两端的第一分支波导传输光纤104构成的MZ干涉仪上臂和第二分支波导103及其两端的第二分支波导传输光纤105构成的MZ干涉仪下臂传输，经过第一分支波导102、第二分支波导103时驱动双波导相位调制器工作，水平偏振光和垂直偏振光产生相移，然后同时到达第二偏振分束器22，合束后输出。定义通过第一分支波导102或第二分支波导103的光产生π相移时所需驱动电压为Vπ。第一分支波导102和第二分支波导103到第一偏振分束器21的光程相等，即水平偏振光到达第一分支波导102的同时，垂直偏振光到达第二分支波导103，此时驱动双波导结构相位调制器，当双波导结构相位调制器的驱动电压为1/2Vπ时，第一分支波导102中的电场方向由第一信号电极106指向第一接地电极107，水平偏振光相移量为π/2；而第二分支波导103中的电场方向由第一信号电极106指向第二接地电极108，垂直偏振光相移量为-π/2，两路光同时到达第二偏振分束器22时存在相位差π。经第二偏振分束器22合束后，输出光偏振态变为135°。
同理，双波导结构相位调制器的驱动电压为0、1/4Vπ、3/4Vπ时，对应输出光偏振态分别为45°偏振、右旋偏振、左旋偏振。
实施例5一种基于双波导结构相位调制器的偏振编码装置
本实施例的偏振编码装置为FM结构干涉仪，具体结构见图5，包括第四偏振分束器24、实施例1所述的双波导结构相位调制器以及第一法拉第旋转镜4和第二法拉第旋转镜5，所述双波导结构相位调制器中的第一分支波导102及其两端的第一分支波导传输光纤104构成FM结构干涉仪上臂，所述双波导结构相位调制器中的第二分支波导103及其两端的第二分支波导传输光纤105构成FM结构干涉仪下臂，所述第四偏振分束器24设置在FM结构干涉仪的输入端，用于将入射偏振光分为水平偏振光和垂直偏振光，所述水平偏振光和垂直偏振光分别沿FM结构干涉仪上臂和FM结构干涉仪下臂传输，所述第一法拉第旋转镜4和第二法拉第旋转镜5分别设置在FM结构干涉仪上臂和FM结构干涉仪下臂的输出光路上，水平偏振光经第一分支波导102后到达第一法拉第旋转镜4，反射后变为垂直偏振光，再次经过第一分支波导102，垂直偏振光经第二分支波导103后到达第二法拉第旋转镜5，反射后变为水平偏振光，再次经过第二分支波导103，从第一分支波导102和第二分支波导103出射的两路光经第四偏振分束器24合束输出，其中，第一分支波导102和第二分支波导103到第四偏振分束器24的光程相等，第一法拉第旋转镜4和第二法拉第旋转镜5到第四偏振分束器24的光程相等。
本实施例的偏振编码装置通过以下两种方法实现45°偏振、右旋偏振、135°偏振以及左旋偏振四种偏振态的偏振编码：
方法一：使用时，45°线偏光经第四偏振分束器24后分为水平偏振光和垂直偏振光，水平偏振光经过第一分支波导102时产生相移，到达第一法拉第旋转镜4发生反射，变成垂直偏振光，再经过第一分支波导102后返回第四偏振分束器24。垂直偏振光经过第二分支波导103时产生相移，到达第二法拉第旋转镜5发生反射，变成水平偏振光，再经过第二分支波导103后返回第四偏振分束器24。第一法拉第旋转镜4和第二法拉第旋转镜5与第四偏振分束器24的光程相等，水平偏振光和垂直偏振光同时返回第四偏振分束器24后合束输出。水平偏振光和垂直偏振光同时到达第一分支波导102和第二分支波导103时，驱动双波导结构相位调制器工作。定义通过第一分支波导102或第二分支波导103的光产生π相移时所需驱动电压为Vπ。当驱动电压为1/2Vπ时，第一分支波导102中的电场方向由第一信号电极106指向第一接地电极107，水平偏振光相移量为π/2；而第二分支波导103中的电场方向由第一信号电极106指向第二接地电极108，垂直偏振光相移量为-π/2。两路光分别经第一法拉第旋转镜4和第二法拉第旋转镜5反射后重新返回第四偏振分束器24时存在相位差π，经第四偏振分束器24合束后，输出光偏振态变为135°。同理，双波导结构相位调制器的驱动电压为0、1/4Vπ、3/4Vπ时，对应输出光偏振态分别为45°偏振、右旋偏振、左旋偏振。
方法二、使用时，当两路光分别经第一法拉第旋转镜4和第二法拉第旋转镜5反射后第二次经过第一分支波导102和第二分支波导103时，驱动双波导结构相位调制器工作，可进一步降低驱动电压。具体如下：水平偏振光经过第一分支波导102时，以电压1/4Vπ驱动双波导结构相位调制器工作，则水平偏振光产生相移量为π/4。经第一法拉第旋转镜4反射后，水平偏振光变为垂直偏振光，第二次到达第一分支波导102，此时以电压-1/4Vπ驱动双波导结构相位调制器工作，该垂直偏振光产生相移量为π/4。也就是说，重新回到第四偏振分束器24时，总相移量为π/2。同理，FM结构干涉仪下臂的垂直偏振光重新回到第四偏振分束器24时变为水平偏振光，相移量为-π/2。两路光同时返回第四偏振分束器24，存在相位差π，经第四偏振分束器24合束后，输出135°线偏光。这种两次驱动双波导结构相位调制器工作的方案，可以进一步降低驱动电压幅度，仅需现有技术驱动电压的1/4即可实现相同的偏振编码。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (20)

1.一种双波导结构相位调制器，包括衬底、光波导、对光波导施加电场的调制电极以及传输光纤，所述调制电极包括信号电极和接地电极，其特征在于，所述光波导包括第一分支波导和第二分支波导，所述传输光纤分别设置在第一分支波导和第二分支波导的两端，所述第一分支波导和第二分支波导内侧之间设置有信号电极或接地电极，对应的，所述第一分支波导和第二分支波导外侧均设置有接地电极或信号电极，所述信号电极连接驱动电压，所述信号电极与接地电极协作同时对第一分支波导和第二分支波导施加电场。
2.根据权利要求1所述的一种双波导结构相位调制器，其特征在于，所述第一分支波导和第二分支波导为条形波导。
3.根据权利要求1或2所述的一种双波导结构相位调制器，其特征在于，所述第一分支波导和第二分支波导平行设置。
4.根据权利要求3所述的一种双波导结构相位调制器，其特征在于，所述信号电极和接地电极施加给第一分支波导和第二分支波导的电场强度相等，方向相反，所述第一分支波导和第二分支波导中传输的光分别产生等量反向的相移。
5.一种基于双波导结构相位调制器的偏振编码装置，其特征在于，所述偏振编码装置为Sagnac环结构干涉仪，包括偏振分束器、权利要求1至4任一所述的双波导结构相位调制器，所述双波导结构相位调制器中的第一分支波导、第二分支波导分别通过其两端的传输光纤顺序连接，形成Sagnac环，所述偏振分束器设置在Sagnac环的输入端口，用于将入射偏振光分为水平偏振光和垂直偏振光，所述水平偏振光和垂直偏振光分别沿第一分支波导和第二分支波导相向传输，最后经偏振分束器合束输出。
6.根据权利要求5所述的一种基于双波导结构相位调制器的偏振编码装置，其特征在于，所述偏振分束器到第一分支波导的光程与偏振分束器到第二分支波导的光程相等。
7.根据权利要求6所述的一种基于双波导结构相位调制器的偏振编码装置，其特征在于，所述水平偏振光和垂直偏振光分别同时到达第一分支波导和第二分支波导，此时驱动双波导结构相位调制器，对水平偏振光和垂直偏振光进行一次相位调制，相位调制后的水平偏振光和垂直偏振光分别沿第二分支波导和第一分支波导返回偏振分束器输出。
8.根据权利要求6所述的一种基于双波导结构相位调制器的偏振编码装置，其特征在于，所述水平偏振光和垂直偏振光分别经过第一分支波导和第二分支波导时驱动双波导结构相位调制器对水平偏振光和垂直偏振光进行一次相位调制，相位调制后的水平偏振光和垂直偏振光分别经过第二分支波导和第一分支波导时再次驱动双波导结构相位调制器进行二次相位调制，相位调制后的水平偏振光和垂直偏振光返回偏振分束器输出。
9.根据权利要求7所述的一种基于双波导结构相位调制器的偏振编码装置，其特征在于，所述双波导结构相位调制器的驱动电压分别为0、1/4Vπ、1/2Vπ、3/4Vπ时，第一分支波导输出的偏振光和第二分支波导输出的偏振光分别存在0、1/2π、π、3/2π的相位差，偏振分束器对应输出45°偏振光、右旋偏振光、135°偏振光、左旋偏振光，其中Vπ为第一分支波导或第二分支波导内的光产生π相移时所需的驱动电压。
10.根据权利要求8所述的一种基于双波导结构相位调制器的偏振编码装置，其特征在于，所述双波导结构相位调制器的驱动电压分别为0、±1/8Vπ、±1/4Vπ、±3/8Vπ时，第一分支波导最终输出的偏振光和第二分支波导最终输出的偏振光分别存在0、1/2π、π、3/2π的相位差，偏振分束器对应输出45°偏振光、右旋偏振光、135°偏振光、左旋偏振光，其中Vπ为第一分支波导或第二分支波导内的光产生π相移时所需的驱动电压。
11.一种基于双波导结构相位调制器的偏振编码装置，其特征在于，所述偏振编码装置为MZ干涉仪结构，包括第一偏振分束器、权利要求1至4任一所述的双波导结构相位调制器以及第二偏振分束器；所述双波导结构相位调制器中的第一分支波导及其两端的传输光纤构成MZ干涉仪上臂，所述双波导结构相位调制器中的第二分支波导及其两端的传输光纤构成MZ干涉仪下臂，所述第一偏振分束器设置在MZ干涉仪的输入端，将入射偏振光分为水平偏振光和垂直偏振光，所述水平偏振光和垂直偏振光分别沿MZ干涉仪上臂和MZ干涉仪下臂传输，所述第二偏振分束器设置在MZ干涉仪的输出端，将经MZ干涉仪上臂和MZ干涉仪下臂传输的偏振光合束输出。
12.根据权利要求11所述的一种基于双波导结构相位调制器的偏振编码装置，其特征在于，所述第一分支波导到第一偏振分束器的光程与第二分支波导到第一偏振分束器的光程相等，所述第一分支波导到第二偏振分束器的光程与第二分支波导到第二偏振分束器的光程相等。
13.根据权利要求12所述的一种基于双波导结构相位调制器的偏振编码装置，其特征在于，所述双波导结构相位调制器的驱动电压分别为0、1/4Vπ、1/2Vπ、3/4Vπ时，第一分支波导输出的偏振光和第二分支波导输出的偏振光分别存在0、1/2π、π、3/2π的相位差，第二偏振分束器对应输出45°偏振光、右旋偏振光、135°偏振光、左旋偏振光，其中Vπ为第一分支波导或第二分支波导内的光产生π相移时所需的驱动电压。
14.一种基于双波导结构相位调制器的偏振编码装置，其特征在于，所述偏振编码装置为FM结构干涉仪，所述FM结构干涉仪包括偏振分束器、权利要求1至4任一所述的双波导结构相位调制器以及第一反射型光旋转器件和第二反射型光旋转器件，所述双波导结构相位调制器中的第一分支波导及其两端的传输光纤构成FM结构干涉仪上臂，所述双波导结构相位调制器中的第二分支波导及其两端的传输光纤构成FM结构干涉仪下臂，所述偏振分束器设置在FM结构干涉仪的输入端，将入射偏振光分为水平偏振光和垂直偏振光，所述水平偏振光和垂直偏振光分别沿FM结构干涉仪上臂和FM结构干涉仪下臂传输，所述第一反射型光旋转器件和第二反射型光旋转器件分别设置在FM结构干涉仪上臂和FM结构干涉仪下臂的输出端。
15.根据权利要求14所述的一种基于双波导结构相位调制器的偏振编码装置，其特征在于，所述第一分支波导到偏振分束器的光程与第二分支波导到偏振分束器的光程相等，所述第一分支波导到第一反射型光旋转器件的光程与第二分支波导到第二反射型光旋转器件的光程相等。
16.根据权利要求15所述的一种基于双波导结构相位调制器的偏振编码装置，其特征在于，所述水平偏振光和垂直偏振光分别同时到达第一分支波导和第二分支波导，此时驱动双波导结构相位调制器，同时对水平偏振光和垂直偏振光进行一次相位调制，相位调制后的水平偏振光和垂直偏振光分别经第一反射型光旋转器件和第二反射型光旋转器件反射，再次沿FM结构干涉仪上臂和FM结构干涉仪下臂分别经过第一分支波导和第二分支波导后经偏振分束器输出。
17.根据权利要求15所述的一种基于双波导结构相位调制器的偏振编码装置，其特征在于，所述水平偏振光和垂直偏振光分别同时到达第一分支波导和第二分支波导，此时驱动双波导结构相位调制器，对水平偏振光和垂直偏振光进行一次相位调制，相位调制后的水平偏振光和垂直偏振光分别经第一反射型光旋转器件和第二反射型光旋转器件反射，再次沿FM结构干涉仪上臂和FM结构干涉仪下臂同时到达第一分支波导和第二分支波导，此时再次驱动双波导结构相位调制器进行二次相位调制，相位调制后的水平偏振光和垂直偏振光经偏振分束器输出。
18.根据权利要求14至17任一所述的一种基于双波导结构相位调制器的偏振编码装置，其特征在于，所述第一反射型光旋转器件和第二反射型光旋转器件均为法拉第旋转镜。
19.根据权利要求16所述的一种基于双波导结构相位调制器的偏振编码装置，其特征在于，所述双波导结构相位调制器的驱动电压分别为0、1/4Vπ、1/2Vπ、3/4Vπ时，第一分支波导输出的偏振光和第二分支波导输出的偏振光分别存在0、1/2π、π、3/2π的相位差，偏振分束器对应输出45°偏振光、右旋偏振光、135°偏振光、左旋偏振光，其中Vπ为第一分支波导或第二分支波导内的光产生π相移时所需的驱动电压。
20.根据权利要求17所述的一种基于双波导结构相位调制器的偏振编码装置，其特征在于，所述双波导结构相位调制器的驱动电压分别为0、±1/8Vπ、±1/4Vπ、±3/8Vπ时，第一分支波导最终输出的偏振光和第二分支波导最终输出的偏振光分别存在0、1/2π、π、3/2π的相位差，偏振分束器对应输出45°偏振光、右旋偏振光、135°偏振光、左旋偏振光，其中Vπ为第一分支波导或第二分支波导内的光产生π相移时所需的驱动电压。
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