CN115102626A - 一种实现空间多偏振编码的装置及方法 - Google Patents

一种实现空间多偏振编码的装置及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种实现空间多偏振编码的装置和方法，装置包括单个可调光源、光纤分束器、任意波形发生器、相位调制器、第一掺饵光纤放大器、第二掺饵光纤放大器、第一空间链路模块、第二空间链路模块和合光模块，可调光源连接光纤分束器，光纤分束器连接相位调制器和第二掺饵光纤放大器，任意波形发生器连接相位调制器，第一掺饵光纤放大器连接第一空间链路模块，第二掺饵光纤放大器连接第二空间链路模块，第一空间链路模块和第二空间链路模块连接合光模块。使用单个光源、单个相位调制器，降低了系统成本和复杂度，以及方案实现难度，可实现空间360度偏振旋转，极大增加了偏振编码维度。

Description

一种实现空间多偏振编码的装置及方法
技术领域
本发明属于光通信技术领域，特别是涉及一种实现空间多偏振编码的装置及方法。
背景技术
随着科技的进步和社会的发展，信息时代已经到来，这不仅对通信容量提出了新的挑战，对通信安全也提出了更高的要求。偏振作为光的一个属性，也被广泛用于复用通信和编码通信。虽然偏振可以进行复用通信来提升通信容量，但是不像波分复用、时分复用等复用方式可以进行多个通道的复用，偏分复用一般只能实现两个正交通道的复用，这样大大降低了偏振维度的利用率。而偏振编码既可以实现信息的传递，也是一种加密通信，因此偏振编码也称为光通信领域的重要编码方式之一。
目前，有利用相位调制器与干涉仪结合实现偏振调制的偏振编码方案，其偏振调制效果较好，系统稳定性较好，但是该方案对偏振角度的精度要求较高，且系统调制速率不高，因此大大限制了其在高速大容量通信中的应用。还有利用独立光源或多光源与手动偏振控制器联合的偏振编码方案，但是多光源调制需要保持除偏振方向外其他特性的高度一致性，且不论是多光源调制还单光源调制，都对链路中的分束器等器件要求较高。
发明内容
针对以上技术问题，本发明提供一种实现空间多偏振编码的装置及方法。
本发明解决其技术问题采用的技术方案是：
一种实现空间多偏振编码的装置，装置包括单个可调光源、光纤分束器、任意波形发生器、相位调制器、第一掺饵光纤放大器、第二掺饵光纤放大器(6)、第一空间链路模块、第二空间链路模块和合光模块，可调光源连接光纤分束器，光纤分束器连接相位调制器和第二掺饵光纤放大器，任意波形发生器连接相位调制器，第一掺饵光纤放大器连接第一空间链路模块，第二掺饵光纤放大器连接第二空间链路模块，第一空间链路模块和第二空间链路模块连接合光模块，
可调光源用于产生高斯光束，光纤分束器用于将高斯光束分成第一高斯光束和第二高斯光束，任意波形发生器用于产生调制信号，相位调制器用于对第一高斯光束进行相位调制，第一掺饵光纤放大器用于对相位调制后的第一高斯光束进行功率放大得到信号光，第二掺饵光纤放大器用于对第二高斯光束进行功率放大得到参考光，第一空间链路模块用于对信号光进行第一偏振旋转处理得到第一涡旋光束，第二空间链路模块用于对参考光进行第二偏振旋转处理得到第二涡旋光束并反射至合光模块，合光模块用于将第一涡旋光束和第二涡旋光束合成一束光束，从而实现偏振编码通信。
优选地，第一空间链路模块包括第一光纤耦合器、第一格兰棱镜、第一四分之一波片和第一超表面，第一光纤耦合器连接第一格兰棱镜，第一格兰棱镜连接第一四分之一波片，第一四分之一波片连接第一超表面，
第一光纤耦合器用于将信号光准直到空间，第一格兰棱镜用于接收经过第一光纤耦合器发出的准直后的信号光，并将准直后的信号光的偏振方向调整为水平方向，第一四分之一波片用于接收经过第一格兰棱镜发出的水平的信号光，并转换为左旋圆偏振光束，第一超表面用于将左旋圆偏振光束变为携带右旋圆偏振的模式数为2的涡旋光束，得到第一涡旋光束。
优选地，第二空间链路模块包括第二光纤耦合器、第二格兰棱镜、第二四分之一波片、第二超表面和反射镜，第二光纤耦合器连接第二格兰棱镜，第二格兰棱镜连接第二四分之一波片，第二四分之一波片连接第二超表面，第二超表面连接反射镜，
第二光纤耦合器用于将参考光准直到空间，第二格兰棱镜用于接收经过第二光纤耦合器发出的准直后的参考光，并将准直后的参考光的偏振方向调整为水平方向，第二四分之一波片用于接收经过第二格兰棱镜发出的水平的参考光，并转换为右旋圆偏振光束，第二超表面用于将右旋圆偏振光束变为携带左旋圆偏振的模式数为-2的涡旋光束，得到第二涡旋光束，反射镜用于将第二涡旋光束反射至合光模块。
优选地，合光模块为合光镜。
优选地，第一光纤耦合器、第一格兰棱镜、第一四分之一波片、第一超表面以及合光镜依次设置在同一光轴上；第二光纤耦合器、第二格兰棱镜、第二四分之一波片、第二超表面、以及反射镜依次设置在同一光轴上；反射镜设置在合光镜的正下方。
优选地，第一超表面和第二超表面的光轴空间旋转比的q值相同。
一种基于一种实现空间多偏振编码的装置的实现空间多偏振编码的方法，方法包括以下步骤：
步骤S100：可调光源发出的光束经过光纤分束器后，被分成第一高斯光束和第二高斯光束；
步骤S200：第一高斯光束进入相位调制器进行相位调制，调制信号由任意波形发生器产生，随后经过相位调制后的第一高斯光束进入第一掺饵光纤放大器进行功率放大得到信号光，第二高斯光束直接进入第二掺饵光纤放大器进行功率放大得到参考光；
步骤S300：信号光通过第一空间链路模块进行第一偏振旋转处理得到第一涡旋光束，参考光通过第二空间链路模块进行第二偏振旋转处理得到第二涡旋光束并反射至合光模块；
步骤S400：合光模块用于将第一涡旋光束和第二涡旋光束合成一束光束，从而实现偏振编码通信。
优选地，步骤S300包括：信号光和参考光分别通过第一光纤耦合器和第二光纤耦合器准直到空间；准直后的信号光依次经过第一格兰棱镜、快轴与x轴成-45°的第一四分之一波片、q值为1的第一超表面，变为携带右旋圆偏振的模式数为2的涡旋光束；准直后的参考光依次经过第二格兰棱镜、快轴与x轴成45°的第二四分之一波片、q值为1的第二超表面，变为携带左旋圆偏振的模式数为-2的涡旋光束并经过反射镜到达合光模块。
上述一种实现空间多偏振编码的装置及方法，使用单个光源、单个相位调制器，在涡旋光复用通信的基础上，实现空间多偏振编码，本方案使用单光源，相比于多光源调制，降低了系统成本和复杂度，免去了多光源方案中要求的高度一致性要求，降低了方案实现难度；且本方案理论上可实现空间360度偏振旋转，极大增加了偏振编码维度。
附图说明
图1为本发明一实施例中一种实现空间多偏振编码的装置的结构示意图；
图2为本发明另一实施例中一种实现空间多偏振编码的装置的结构示意图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图对本发明作进一步的详细说明。
在一个实施例中，如图1所示，一种实现空间多偏振编码的装置，装置包括单个可调光源1、光纤分束器2、任意波形发生器3、相位调制器4、第一掺饵光纤放大器5、第二掺饵光纤放大器6、第一空间链路模块、第二空间链路模块和合光模块，可调光源连接光纤分束器，光纤分束器2连接相位调制器4和第二掺饵光纤放大器6，任意波形发生器3连接相位调制器4，第一掺饵光纤放大器5连接第一空间链路模块，第二掺饵光纤放大器6连接第二空间链路模块，第一空间链路模块和第二空间链路模块连接合光模块，
可调光源1用于产生高斯光束，光纤分束器2用于将高斯光束分成第一高斯光束和第二高斯光束，任意波形发生器3用于产生调制信号，相位调制器4用于对第一高斯光束进行相位调制，第一掺饵光纤放大器5用于对相位调制后的第一高斯光束进行功率放大得到信号光，第二掺饵光纤放大器6用于对第二高斯光束进行功率放大得到参考光，第一空间链路模块用于对信号光进行第一偏振旋转处理得到第一涡旋光束，第二空间链路模块用于对参考光进行第二偏振旋转处理得到第二涡旋光束并反射至合光模块，合光模块用于将第一涡旋光束和第二涡旋光束合成一束光束，从而实现偏振编码通信。
具体地，可调光源1发出的光束经过光纤分束器2后，被分成第一高斯光束和第二高斯光束；第一高斯光束进入相位调制器4进行相位调制，调制信号由任意波形发生器3产生，随后经过相位调制后的第一高斯光束进入第一掺饵光纤放大器5进行功率放大得到信号光，第二高斯光束直接进入第二掺饵光纤放大器6进行功率放大得到参考光；信号光通过第一空间链路模块进行第一偏振旋转处理得到第一涡旋光束，参考光通过第二空间链路模块进行第二偏振旋转处理得到第二涡旋光束并反射至合光模块；合光模块用于将第一涡旋光束和第二涡旋光束合成一束光束，从而实现偏振编码通信。
进一步地，第一高斯光束进入相位调制器4进行相位调制，调制信号由任意波形发生器3产生，通过控制调制信号的幅值，来控制相位调制的深度，进而控制第一高斯光束的相位变化Δφ，将使经过相位调制器的光束改变π相位的调制信号幅度定为Vπ，那么使光束发生Δφ的相位变化的调制信号幅度则为
Figure BDA0003747364160000041
即通过调节相位调制器调制信号的幅度改变相位调制器的调制深度相位变化，随后经过相位调制后的第一高斯光束进入第一掺饵光纤放大器5进行功率放大，第二高斯光束直接进入第二掺饵光纤放大器6进行功率放大。
在一个实施例中，第一空间链路模块包括第一光纤耦合器7、第一格兰棱镜9、第一四分之一波片11和第一超表面13，第一光纤耦合器7连接第一格兰棱镜9，第一格兰棱镜9连接第一四分之一波片11，第一四分之一波片11连接第一超表面13，
第一光纤耦合器7用于将信号光准直到空间，第一格兰棱镜9用于接收经过第一光纤耦合器7发出的准直后的信号光，并将准直后的信信号光的偏振方向调整为水平方向，第一四分之一波片11用于接收经过第一格兰棱镜9发出的水平的信号光，并转换为左旋圆偏振光束，第一超表面13用于将左旋圆偏振光束变为携带右旋圆偏振的模式数为2的涡旋光束，得到第一涡旋光束。
在一个实施例中，第二空间链路模块包括第二光纤耦合器8、第二格兰棱镜10、第二四分之一波片12、第二超表面14和反射镜16，第二光纤耦合器8连接第二格兰棱镜10，第二格兰棱镜10连接第二四分之一波片12，第二四分之一波片12连接第二超表面14，第二超表面14连接反射镜16，
第二光纤耦合器8用于将参考光准直到空间，第二格兰棱镜10用于接收经过第二光纤耦合器8发出的准直后的参考光，并将准直后的参考光的偏振方向调整为水平方向，第二四分之一波片12用于接收经过第二格兰棱镜10发出的水平的参考光，并转换为右旋圆偏振光束，第二超表面14用于将右旋圆偏振光束变为携带左旋圆偏振的模式数为-2的涡旋光束，得到第二涡旋光束，反射镜16用于将第二涡旋光束反射至合光模块。
在一个实施例中，合光模块为合光镜15。
具体地，具有相同功率的信号光和参考光分别通过第一光纤耦合器7和第二光纤耦合器8准直到空间；准直后的信号光依次经过第一格兰棱镜9、快轴与x轴成-45°的第一四分之一波片11、q值为1的第一超表面13，变为携带右旋圆偏振的模式数为2的涡旋光束；准直后的参考光依次经过第二格兰棱镜10、快轴与x轴成45°的第二四分之一波片12、q值为1的第二超表面14，变为携带左旋圆偏振的模式数为-2的涡旋光束并经过反射镜16到达合光镜15。
在一个实施例中，第一光纤耦合器7、第一格兰棱镜9、第一四分之一波片11、第一超表面13以及合光镜15依次设置在同一光轴上；第二光纤耦合器8、第二格兰棱镜10、第二四分之一波片12、第二超表面14、以及反射镜16依次设置在同一光轴上；反射镜16设置在合光镜15的正下方。
在一个实施例中，第一超表面13和第二超表面14的光轴空间旋转比的q值相同。
具体地，第一超表面13和第二超表面14的q值为1；第一超表面13和第二超表面14可分别用任意q值相同的两个超表面替代。
在一个实施例中，第一四分之一波片11的快轴与x轴成-45°，第二四分之一波片12的快轴与x轴成45°。
一种实现空间多偏振编码的方法，方法包括以下步骤：
步骤S100：可调光源1发出的光束经过光纤分束器2后，被分成第一高斯光束和第二高斯光束；
步骤S200：第一高斯光束进入相位调制器4进行相位调制，调制信号由任意波形发生器3产生，随后经过相位调制后的第一高斯光束进入第一掺饵光纤放大器5进行功率放大得到信号光，第二高斯光束直接进入第二掺饵光纤放大器6进行功率放大得到参考光；
步骤S300：信号光通过第一空间链路模块进行第一偏振旋转处理得到第一涡旋光束，参考光通过第二空间链路模块进行第二偏振旋转处理得到第二涡旋光束并反射至合光模块；
步骤S400：合光模块用于将第一涡旋光束和第二涡旋光束合成一束光束，从而实现偏振编码通信。
在一个实施例中，步骤S300包括：信号光和参考光分别通过第一光纤耦合器7和第二光纤耦合器8准直到空间；准直后的信号光依次经过第一格兰棱镜9、快轴与x轴成-45°的第一四分之一波片11、q值为1的第一超表面13，变为携带右旋圆偏振的模式数为2的涡旋光束；准直后的参考光依次经过第二格兰棱镜10、快轴与x轴成45°的第二四分之一波片12、q值为1的第二超表面14，变为携带左旋圆偏振的模式数为-2的涡旋光束并经过反射镜16到达合光模块。
具体地，信号光和参考光分别为经过放大后的具有相同功率的第一高斯光束和第二高斯光束。
进一步地，携带左旋圆偏振的模式数为-2的涡旋光束经过反射镜16到达合光镜15，与携带右旋圆偏振的模式数为2的涡旋光束在合光镜15中发生干涉，使从合光镜15出射的光束的偏振发生旋转，其旋转角度与第一高斯光束的在相位调制器4中的相位变化Δφ相关。因此，通过控制调制信号，实现对光束偏振的控制，从而实现偏振编码通信。
本发明提出一种实现空间多偏振编码的装置及方法，使用单个光源、单个相位调制器，在涡旋光复用通信的基础上，实现空间多偏振编码。本方案使用单光源，相比于多光源调制，降低了系统成本和复杂度，免去了多光源方案中要求的高度一致性要求，降低了方案实现难度。且本方案理论上可实现空间360度偏振旋转，极大增加了偏振编码维度。
以上对本发明所提供的一种实现空间多偏振编码的装置和方法进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

Claims (8)

1.一种实现空间多偏振编码的装置，其特征在于，所述装置包括单个可调光源(1)、光纤分束器(2)、任意波形发生器(3)、相位调制器(4)、第一掺饵光纤放大器(5)、第二掺饵光纤放大器(6)、第一空间链路模块、第二空间链路模块和合光模块，所述可调光源连接所述光纤分束器，所述光纤分束器(2)连接所述相位调制器(4)和所述第二掺饵光纤放大器(6)，所述任意波形发生器(3)连接所述相位调制器(4)，所述第一掺饵光纤放大器(5)连接所述第一空间链路模块，所述第二掺饵光纤放大器(6)连接所述第二空间链路模块，所述第一空间链路模块和所述第二空间链路模块连接所述合光模块，
所述可调光源(1)用于产生高斯光束，所述光纤分束器(2)用于将所述高斯光束分成第一高斯光束和第二高斯光束，所述任意波形发生器(3)用于产生调制信号，所述相位调制器(4)用于对所述第一高斯光束进行相位调制，所述第一掺饵光纤放大器(5)用于对相位调制后的第一高斯光束进行功率放大得到信号光，所述第二掺饵光纤放大器(6)用于对所述第二高斯光束进行功率放大得到参考光，所述第一空间链路模块用于对所述信号光进行第一偏振旋转处理得到第一涡旋光束，所述第二空间链路模块用于对所述参考光进行第二偏振旋转处理得到第二涡旋光束并反射至所述合光模块，所述合光模块用于将所述第一涡旋光束和所述第二涡旋光束合成一束光束，从而实现偏振编码通信。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述第一空间链路模块包括第一光纤耦合器(7)、第一格兰棱镜(9)、第一四分之一波片(11)和第一超表面(13)，所述第一光纤耦合器(7)连接所述第一格兰棱镜(9)，所述第一格兰棱镜(9)连接所述第一四分之一波片(11)，所述第一四分之一波片(11)连接所述第一超表面(13)，
所述第一光纤耦合器(7)用于将所述信号光准直到空间，所述第一格兰棱镜(9)用于接收经过所述第一光纤耦合器(7)发出的准直后的信号光，并将所述准直后的信号光的偏振方向调整为水平方向，所述第一四分之一波片(11)用于接收经过所述第一格兰棱镜(9)发出的水平的信号光，并转换为左旋圆偏振光束，所述第一超表面(13)用于将所述左旋圆偏振光束变为携带右旋圆偏振的模式数为2的涡旋光束，得到第一涡旋光束。
3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述第二空间链路模块包括第二光纤耦合器(8)、第二格兰棱镜(10)、第二四分之一波片(12)、第二超表面(14)和反射镜(16)，所述第二光纤耦合器(8)连接所述第二格兰棱镜(10)，所述第二格兰棱镜(10)连接所述第二四分之一波片(12)，所述第二四分之一波片(12)连接所述第二超表面(14)，所述第二超表面(14)连接所述反射镜(16)，
所述第二光纤耦合器(8)用于将参考光准直到空间，所述第二格兰棱镜(10)用于接收经过所述第二光纤耦合器(8)发出的准直后的参考光，并将所述准直后的参考光的偏振方向调整为水平方向，所述第二四分之一波片(12)用于接收经过所述第二格兰棱镜(10)发出的水平的参考光，并转换为右旋圆偏振光束，所述第二超表面(14)用于将所述右旋圆偏振光束变为携带左旋圆偏振的模式数为-2的涡旋光束，得到第二涡旋光束，所述反射镜(16)用于将所述第二涡旋光束反射至所述合光模块。
4.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，所述合光模块为合光镜(15)。
5.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，所述第一光纤耦合器(7)、所述第一格兰棱镜(9)、所述第一四分之一波片(11)、所述第一超表面(13)以及合光镜(15)依次设置在同一光轴上；所述第二光纤耦合器(8)、所述第二格兰棱镜(10)、所述第二四分之一波片(12)、所述第二超表面(14)、以及所述反射镜(16)依次设置在同一光轴上；所述反射镜(16)设置在所述合光镜(15)的正下方。
6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述第一超表面(13)和所述第二超表面(14)的光轴空间旋转比的q值相同。
7.一种基于权利要求1至6中任一项所述的一种实现空间多偏振编码的装置的一种实现空间多偏振编码的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
步骤S100：可调光源(1)发出的光束经过光纤分束器(2)后，被分成第一高斯光束和第二高斯光束；
步骤S200：所述第一高斯光束进入相位调制器(4)进行相位调制，调制信号由任意波形发生器(3)产生，随后经过相位调制后的第一高斯光束进入第一掺饵光纤放大器(5)进行功率放大得到信号光，所述第二高斯光束直接进入第二掺饵光纤放大器(6)进行功率放大得到参考光；
步骤S300：所述信号光通过第一空间链路模块进行第一偏振旋转处理得到第一涡旋光束，所述参考光通过第二空间链路模块进行第二偏振旋转处理得到第二涡旋光束并反射至合光模块；
步骤S400：所述合光模块用于将所述第一涡旋光束和所述第二涡旋光束合成一束光束，从而实现偏振编码通信。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，步骤S300包括：所述信号光和所述参考光分别通过第一光纤耦合器(7)和第二光纤耦合器(8)准直到空间；准直后的信号光依次经过第一格兰棱镜(9)、快轴与x轴成-45°的第一四分之一波片(11)、q值为1的第一超表面(13)，变为携带右旋圆偏振的模式数为2的涡旋光束；准直后的参考光依次经过第二格兰棱镜(10)、快轴与x轴成45°的第二四分之一波片(12)、q值为1的第二超表面(14)，变为携带左旋圆偏振的模式数为-2的涡旋光束并经过反射镜(16)到达合光模块。
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