CN115993721A - 实现偏振跟踪与稳定的控制方法 - Google Patents

Abstract

一种实现偏振跟踪与稳定的控制方法，通过采样起偏器后的输出光功率，建立偏振相位延迟与起偏器后的输出光功率之间的关系，确保起偏器后的输出光功率始终稳定在最大值（或最小值），从而使偏振态与起偏器的主轴对准（或正交），以实现从任意偏振态到任意目标偏振态的跟踪和稳定。

Description

实现偏振跟踪与稳定的控制方法

技术领域

本发明涉及光纤信息技术领域，特别是一种实现偏振跟踪与稳定的控制方法。

背景技术

光纤，由于其自身制造材料或工艺等的缺陷，或受应力、震动、温度变化、湿度变化等的影响，导致光在光纤中传输时，光偏振态发生快速随机变化而不能稳定。

因此，对于相干接收、光束合成等需要稳定偏振态的系统，需要偏振控制技术来实现稳定的偏振态。偏振控制是一种获得特定的稳定偏振态的光的主要技术手段，偏振控制技术原理示意图如图1所示，通过调节偏振控制器来实现偏振稳定或偏振跟踪。

现在使用偏振控制实现偏振稳定或偏振跟踪的方案，主要包括两类：其一是测量光的偏振态，如图2，其中，EPC指电偏振控制器件，可以改变光偏振态，Polarimeter指偏振分析仪，可以测量光的Stockes向量，DAC指数字-模拟转换器，DSP(Digital SignalProcessor)数字信号处理器，ADC指模拟-数字转换器。其二是测量偏振分束后的光强，如图3，其中，PBS指偏振分光器，可以将光分束为两个正交偏振态的光，其中，PD (Photo-Detector) 光电转换模块用于采用测量光强。两类方案均利用反馈算法，设定目标函数，优化目标函数来控制对应的偏振控制器的控制量，实现光偏振态稳定。其中，各方案中的算法，主要包括各种随机算法和启发式算法，如随机梯度算法（Hidayat, A, et al.“Optical 5 Krad/s Endless Polarisation Tracking.” Electronics Letters, vol.44, no. 8, 2008, p. 1.）、粒子群优化算法（Hou, Qingxiang, et al. “EndlessPolarizationStabilization Control for Optical Communication Systems.” ChineseOptics Letters, vol. 12, no. 11, 2014, pp. 110603–110606.）、遗传算法（Mamdoohi,Ghazaleh, et al. “Implementation of GeneticAlgorithm in an EmbeddedMicrocontroller-Based Polarization Control System.” Engineering Applicationsof Artificial Intelligence, vol. 25, no. 4, 2012, pp. 869–873.）等。

偏振跟踪的现有技术应用的算法均为各种随机算法或启发式算法，缺少一种确定性的模型，并且算法运行过程中，每次调节偏振控制器后都需要重新采样，需要采样的次数多，达到光偏振态稳定的时间长，效率低、稳定性差，算法的可解释性差。

发明内容

本发明的目的在与克服上述现有方法的不足，提供一种实现快速偏振跟踪的方法，以光学模型为基础，通过采样输出光功率，建立可控波片的相位延迟与起偏器后的光功率之间的数学模型，确保经起偏器后的光功率始终稳定在最大值（或最小值），从而使偏振态与起偏器的主轴对准（或正交），以实现从任意偏振态到任意目标偏振态的跟踪和稳定。

本发明的技术解决方案如下：

一种实现偏振跟踪与稳定的控制方法，其特点在于，该方法包括如下步骤：

S1.任意选取所述偏振控制器波片组中的任意两个波片，作为可控波片；

S2.对可控波片设置N（N≥9）组不同的相位延迟，获得各组相应的起偏器后的输出光功率（称为采样），并记录相位延迟大小和对应的光功率大小；

S3. 对起偏器后的输出光功率y和两个可控波片的相位延迟，根据记录的相位延迟大小和对应的光功率大小的数据，构建数学模型如下：

其中，为9个待求解常数；

S4.利用最优化算法，求解当起偏器后的输出光功率取最大（或最小）值时，对应的相位延迟；

S5.根据求解出的相位延迟设置可控波片的延迟相位，则起偏器后的输出光功率有最大（或最小）值，不断重复这些步骤从而实现偏振跟踪与稳定输出。

与现有技术相比，本发明的有益效果如下：

（1）本发明基于光学理论，通过在实际系统中采样建立偏振控制器引入的相位延迟和经过起偏器后功率的精准数学模型；

（2）本发明利用最优化算法求解数学模型的极值点，根据求解结果调节偏振控制器，一次达到任意目标偏振状态；

（3）本发明将改变目前随机算法或启发式算法调节来实现偏振状态稳定的局面，提供了偏振跟踪的具体确定性模型，避免了算法中每步设置偏振控制器后的重新采样，减少了采样次数，极大地提升效率、可靠性和可解释性。

附图说明

图1是偏振控制技术的原理示意；

图2是偏振控制测量光偏振态的原理示意图；

图3是偏振控制测量光强的原理示意图；

图4是本发明实现偏振跟踪与稳定的控制方法实施例流程示意图；

图5是实施例实验结果图，其中，a为实际扫描结果图，b为拟合模型结果图，c为扫描与拟合误差结果图。

具体实施方式

以下结合附图和实施例进一步说明本发明，应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

本实施例的实现偏振跟踪与稳定的控制系统包括：偏振控制器1、起偏器2、偏振分束器3、光电检测模块4和处理模块5。 所述偏振控制器1与所述起偏器2、处理模块5分别连接，所述偏振分束器3与所述光电检测模块4连接，如图4所示。以单波长偏振光源作为输入光，EPC作为偏振控制器，采样输出光功率。输入光依次通过偏振控制器、起偏器及各种光学器件（各类光器件可以任意类型光器件），在所述的起偏器的输出光路上设置光强采样的PD，用于测量光强。偏振控制器可以改变光偏振态，起偏器可以改变光偏振态至线偏振态。

图4是本发明实现偏振跟踪与稳定的控制方法实施例流程示意图，如图所示，本实施例实现偏振跟踪与稳定的控制方法，具体包括如下步骤：

S1.对偏振控制器任意选取所述偏振控制器波片组中的任意两个波片，仅控制偏振控制器的所述两个可控波片；

S2.控制偏振控制器的所述两个可控波片，设置N（N≥9）组不同的控制量，分别控制第一可控波片的相位延迟和第二可控波片的相位延迟；

设置第一可控波片和第二可控波片的相位延迟N次，获取N次起偏器后的输出光功率，分别记录相位延迟大小和对应的光功率大小。

S3. 根据Stockes向量（用于表示偏振态）和Muller矩阵（用于表示器件对入射光Stockes向量的变换作用）推导，起偏器后的输出光功率可表示为，其中有9个待定常数；

所述9个待求解构成的常数构成行向量。对于第n（0≤n≤N）次采样，有对应偏振控制器设置的两个可控波片的相位延迟、和采样起偏器后的输出光功率，进而得到列向量。

共采样N次则得到矩阵和行向量。采用最小二乘法，求解方程，则列向量，其中inv(·)表示逆矩阵，即得到行向量。

S4.利用最优化算法，求解当起偏器后的输出光功率取最大（或最小）值时，对应的相位延迟；

S5. 根据求解出的相位延迟设置可控波片的延迟相位，则起偏器后的输出光功率有最大（或最小）值，不断重复这些步骤从而实现偏振跟踪与稳定输出。

实验结构如图5所示，表明实际的扫描结果误差很小，通过采样建模的正确性和有效性。

Claims (1)

1.一种实现偏振跟踪与稳定的控制方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：

S1.任意选取所述偏振控制器波片组中的任意两个波片，作为可控波片；

S2.对可控波片设置N（N≥9）组不同的相位延迟，获得各组相应的起偏器后的输出光功率（称为采样），并记录相位延迟大小和对应的光功率大小；

S3. 对起偏器后的输出光功率y和两个可控波片的相位延迟 ，根据记录的相位延迟大小和对应的光功率大小的数据，构建数学模型如下：

其中， 为9个待求解常数；

S4.利用最优化算法，求解当起偏器后的输出光功率取最大（或最小）值时，对应的相位延迟；

S5.根据求解出的相位延迟设置可控波片的延迟相位，则起偏器后的输出光功率有最大（或最小）值，不断重复这些步骤从而实现偏振跟踪与稳定输出。

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