CN117614551A - 一种偏振无关的时分复用共轭零差探测装置 - Google Patents
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Abstract
本发明属于光通信技术领域，公开了一种偏振无关的时分复用共轭零差探测装置，包括环形器、第一偏振分束器、第二偏振分束器、第一分束器、第二分束器、路径切换移相模块、第一光电探测器以及第二光电探测器，路径切换移相模块用于通过路径切换使光信号中前后两个子信号的时间差由τ变为‑τ；并用于对延时较大的子信号进行移相。与现有技术相比，本发明通过偏振延时移相模块将具有时间差的本振光和信号光进行不同的时间延迟和移相，实现在相邻两个时刻对两个共轭分量的测量，得到时分复用的共轭零差探测结果；可以消除信道的偏振扰动导致偏振态随机变化对系统造成的影响，无需主动偏振补偿模块即可实现偏振无关的相干探测，提高了系统的稳定性。
Description
技术领域
本发明涉及光通信技术领域，特别涉及一种偏振无关的时分复用共轭零差探测装置。
背景技术
在相干光通信和连续变量量子密钥分发系统中，相干探测扮演了非常重要的角色。通过相干探测同时测量光信号的I分量和Q分量，或者X分量和P分量来进行解码，通常称为共轭零差探测。常规的共轭零差探测装置需要两套干涉仪（或一个90°混频器）和两套零差探测器，以及相应的电子学处理模块，具有较高的复杂度和成本。
另外，相干光通信和连续变量量子密钥分发系统一般采用单模光纤作为传输信道，但由于光纤信道存在固有双折射效应，使得光子在传输过程中偏振态会发生变化，且会随着外界环境的变化而改变。如果在接收端通过反馈控制进行偏振跟踪与补偿，会增加系统复杂度，耗时耗资源，且误码率偏高。采用偏振分集技术则会使零差探测系统的数量成倍增加，同样增大系统的复杂度。
发明内容
针对现有技术存在以上缺陷，本发明提出一种偏振无关的时分复用共轭零差探测装置。
本发明的技术方案是这样实现的：
一种偏振无关的时分复用共轭零差探测装置，包括环形器 CIR、第一偏振分束器PBS1、第二偏振分束器 PBS2、第一分束器BS1、第二分束器BS2、路径切换移相模块、第一光电探测器 PD1以及第二光电探测器PD2，
第一偏振分束器PBS1的两个输出端口分别连接第一分束器BS1的一个输入端口和第二分束器BS2的一个输入端口；
第二偏振分束器PBS2的两个输入端口分别连接第一分束器BS1的另一个输入端口和第二分束器BS2的另一个输入端口；
第一分束器BS1的两个输出端口和第二分束器BS2的两个输入端口分别连接，构成不等臂干涉仪，所述路径切换移相模块设置在不等臂干涉仪的短臂上；
路径切换移相模块用于通过路径切换使光信号中前后两个子信号的时间差由τ变为-τ；并用于对延时较大的子信号进行移相；
环形器CIR的其中两个端口分别连接第一偏振分束器PBS1的输入端口、第一光电探测器PD1；
第二偏振分束器PBS2的输出端口连接第二光电探测器PD2；
第一光电探测器PD1和第二光电探测器PD2分别用于探测所连接端口出射的光信号，并通过减法器产生差分电流信号；
所述差分电流信号为时分复用的X分量和P分量的测量结果，使X分量和P分量的测量结果交替出现。
优选地，路径选择移相模块包括第一光开关OS1、第二光开关OS2和第一移相器PS1，第一光开关OS1的两个输出端口和第二光开关OS2的两个输入端口相连，构成两条时间差为2τ的路径，其中光程较长的路径上设置第一移相器PS1。
优选地，路径选择移相模块包括第三偏振分束器PBS3、偏振调制器PM和第二移相器PS2，
第三偏振分束器PBS3的一个输出端口与另一个输出端口通过偏振调制器PM和第二移相器PS2相连，构成萨格纳克环；偏振调制器PM用于使前一个子信号两次经过其时偏振旋转90°，使后一个子信号偏振保持不变。
优选地，路径选择移相模块包括第三光开关OS3和第三移相器PS3，第三光开关OS3的一个输出端口和一个输入端口通过第三移相器PS3相连，构成环形路径，光信号在环形路径内传输的时间为2τ。
优选地，路径切换移相模块用于将延时不同的子信号之间的相位差调节为π/2。
优选地，所述不等臂干涉仪的长臂上还设置有移相器，用于调节长短臂的相位差为π/4；路径切换移相模块用于对延时较大的子信号进行2nπ的相移。
优选地，光信号在萨格纳克环内传输的时间为2τ，偏振调制器PM位于萨格纳克环的中间。
优选地，所述探测装置内各部件之间连接光纤均为保偏光纤。
与现有技术相比，本发明有以下有益效果：
本发明提出一种偏振无关的时分复用共轭零差探测装置，通过偏振延时移相模块将具有时间差的本振光和信号光进行不同的时间延迟和移相，可以使本振光和信号光之间的位置交换，实现在相邻两个时刻对两个共轭分量的测量，得到时分复用的共轭零差探测结果。只需要一套干涉仪和一套零差探测器，降低了探测装置的复杂度和成本。另外，可以消除信道的偏振扰动导致偏振态随机变化对系统造成的影响，无需主动偏振补偿模块即可实现偏振无关的相干探测，提高了系统的稳定性。
附图说明
图1为本发明偏振无关的时分复用共轭零差探测装置结构原理框图；
图2为本发明不等臂干涉仪长短臂光信号水平偏振分量时序示意图；
图3为本发明偏振无关的时分复用共轭零差探测装置实施例一的原理框图；
图4为本发明偏振无关的时分复用共轭零差探测装置实施例二的原理框图；
图5为本发明实施例二短臂光信号水平偏振分量时序示意图；
图6为本发明偏振无关的时分复用共轭零差探测装置实施例三的原理框图；
图7为本发明实施例三短臂光信号水平偏振分量时序示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明进行清楚、完整地描述。
如图1所示，一种偏振无关的时分复用共轭零差探测装置，包括环形器 CIR、第一偏振分束器 PBS1、第二偏振分束器 PBS2、第一分束器BS1、第二分束器BS2、路径切换移相模块、第一光电探测器 PD1以及第二光电探测器PD2，
第一偏振分束器PBS1的两个输出端口分别连接第一分束器BS1的一个输入端口和第二分束器BS2的一个输入端口；
第二偏振分束器PBS2的两个输入端口分别连接第一分束器BS1的另一个输入端口和第二分束器BS2的另一个输入端口；
第一分束器BS1的两个输出端口和第二分束器BS2的两个输入端口分别连接，构成不等臂干涉仪，所述路径切换移相模块设置在不等臂干涉仪的短臂上；
路径切换移相模块用于通过路径切换使光信号中前后两个子信号的时间差由τ变为-τ；并用于对延时较大的子信号进行移相；
环形器CIR的其中两个端口分别连接第一偏振分束器PBS1的输入端口、第一光电探测器PD1；
第二偏振分束器PBS2的输出端口连接第二光电探测器PD2；
第一光电探测器PD1和第二光电探测器PD2分别用于探测所连接端口出射的光信号，并通过减法器产生差分电流信号；
所述差分电流信号为时分复用的X分量和P分量的测量结果，使X分量和P分量的测量结果交替出现。
路径切换移相模块用于将延时不同的子信号之间的相位差调节为π/2。
具体工作过程如下：
包含信号光S和本振光LO的光信号入射到第一分束器BS1的输入端口，S和LO的电场可分别写为
，
假设信号光S比本振光LO超前时间τ，且二者的偏振态相同。光信号首先经环形器CIR进入第一偏振分束器PBS1，被其偏振分束成水平偏振光信号分量和竖直偏振光信号分量，其中前者包含水平偏振的信号光SH和本振光LOH，后者包括竖直偏振的信号光SV和本振光LOV，均沿保偏光纤的慢轴传播。SH和LOH被第一分束器BS1分束后分别产生第一水平信号光分量SH1、第二水平信号光分量SH2和第一水平本振光分量LOH1、第二水平本振光分量LOH2，其中SH1和LOH1沿不等臂干涉仪的长臂L1传播；SH2和LOH2沿不等臂干涉仪的短臂L2传播，依次进入路径切换移相模块，通过切换路径对SH2的延时比对LOH2的延时多2τ，并且对SH2进行π/2的相移。
如图2所示，由于不等臂干涉仪的长短臂时间差为τ，在t时刻SH1和LOH2分别同时到达第二分束器BS2的两个输入端口；SH2延时2τ后变为SH2’，在t+τ时刻，LOH1和SH2’也分别同时到达第二分束器BS2的两个输入端口。由于SH1和LOH2均为水平偏振，二者可以进行干涉，产生的干涉结果分别从第二分束器BS2的两个输入端口出射，其中第一水平干涉结果进入第一偏振分束器PBS1，第二水平干涉结果进入第二偏振分束器PBS2。
LOH1和SH2’同样均为水平偏振，二者可以进行干涉，产生的干涉结果分别从第二分束器BS2的两个输入端口出射，其中第三水平干涉结果进入第一偏振分束器PBS1，第四水平干涉结果进入第二偏振分束器PBS2。
SV和本振光LOV被第二分束器BS2分束后分别产生第一竖直信号光分量SV1、第二竖直信号光分量SV2和第一竖直本振光分量LOV1、第二竖直本振光分量LOV2，其中SV1和LOV1沿不等臂干涉仪的长臂L1传播；SV2和LOV2沿不等臂干涉仪的短臂L2传播，依次进入路径切换移相模块，通过切换路径对SV2的延时比对LOV2的延时多2τ，并且对SV2进行π/2的相移。
由于不等臂干涉仪的长短臂时间差为τ，在t时刻SV1和LOV2分别同时到达第二分束器BS2的两个输入端口；SV2延时2τ后变为SV2’，在t+τ时刻，LOV1和SV2’也分别同时到达第二分束器BS2的两个输入端口。由于SV1和LOV2偏振相同，二者可以进行干涉，产生的干涉结果分别从第一分束器BS1的两个输入端口出射，其中第一竖直干涉结果进入第一偏振分束器PBS1，第二竖直干涉结果进入第二偏振分束器PBS2。
LOV1和SV2’ 偏振相同，二者可以进行干涉，产生的干涉结果分别从第一分束器BS1的两个输入端口出射，其中第三竖直干涉结果进入第一偏振分束器PBS1，第四竖直干涉结果进入第二偏振分束器PBS2。
在t时刻，第一水平干涉结果和第一竖直干涉结果同时到达第一偏振分束器PBS1进行偏振合束后经环形器CIR进入第一光电探测器PD1；同时第二水平干涉结果和第二竖直干涉结果同时到达第二偏振分束器PBS2进行偏振合束后进入第二光电探测器PD2；第一光电探测器PD1和第二光电探测器PD2的探测结果进行差分后得到的差分电流信号可写为
，
其中，为信号光和本振光所携带相位之间的差，/>为长短臂的相位差。此时的测量结果为光信号竖直偏振分量的X分量（或I分量）。
在t+τ时刻，第三水平干涉结果和第三竖直干涉结果同时到达第一偏振分束器PBS1进行偏振合束后经环形器CIR进入第一光电探测器PD1；同时第四水平干涉结果和第四竖直干涉结果同时到达第二偏振分束器PBS2进行偏振合束后进入第二光电探测器PD2；第一光电探测器PD1和第二光电探测器PD2的探测结果进行差分后得到的差分电流信号可写为
，
此时的测量结果为光信号竖直偏振分量的P分量（或Q分量）。
可以看出，只需要一套干涉仪和一套零差探测器进行时分复用，可以实现对待测信号X分量和P分量的测量。
如图3所示，本发明解码装置实施例一：
路径选择移相模块包括第一光开关OS1、第二光开关OS2和第一移相器PS1，第一光开关OS1的两个输出端口和第二光开关OS2的两个输入端口相连，构成两条时间差为2τ的路径，其中光程较长的路径上设置第一移相器PS1。
实施例一具体工作过程包括为：
包含信号光S和本振光LO的光信号入射到第一分束器BS1的输入端口，S和LO的电场可分别写为
，
假设信号光S比本振光LO超前时间τ，且二者的偏振态相同。光信号首先经环形器CIR进入第一偏振分束器PBS1，被其偏振分束成水平偏振光信号分量和竖直偏振光信号分量，其中前者包含水平偏振的信号光SH和本振光LOH，后者包括竖直偏振的信号光SV和本振光LOV，均沿保偏光纤的慢轴传播。SH和LOH被第一分束器BS1分束后分别产生第一水平信号光分量SH1、第二水平信号光分量SH2和第一水平本振光分量LOH1、第二水平本振光分量LOH2，其中SH1和LOH1沿不等臂干涉仪的长臂L1传播；SH2和LOH2沿不等臂干涉仪的短臂L2传播，当SH2到达第一光开关OS1时，切换第一光开关OS1使光程较长的路径导通；在SH2通过后，LOH2到达前，切换第一光开关OS1使光程较短的路径导通。紧接着LOH2到达第二光开关OS2时直接通过，随后切换第二光开关OS2使光程较长的路径导通，使SH2通过第二光开关OS2。因此在到达第二分束器BS2时，SH2的延时比对LOH2的延时多了2τ，即SH2和LOH2在时间上进行了交换。另外，第一移相器PS1对SH2进行π/2的相移。
如图2所示，由于不等臂干涉仪的长短臂时间差为τ，在t时刻SH1和LOH2分别同时到达第二分束器BS2的两个输入端口；SH2延时2τ后变为SH2’，在t+τ时刻，LOH1和SH2’也分别同时到达第二分束器BS2的两个输入端口。由于SH1和LOH2均为水平偏振，二者可以进行干涉，产生的干涉结果分别从第二分束器BS2的两个输入端口出射，其中第一水平干涉结果进入第一偏振分束器PBS1，第二水平干涉结果进入第二偏振分束器PBS2。
LOH1和SH2’同样均为水平偏振，二者可以进行干涉，产生的干涉结果分别从第二分束器BS2的两个输入端口出射，其中第三水平干涉结果进入第一偏振分束器PBS1，第四水平干涉结果进入第二偏振分束器PBS2。
SV和本振光LOV被第二分束器BS2分束后分别产生第一竖直信号光分量SV1、第二竖直信号光分量SV2和第一竖直本振光分量LOV1、第二竖直本振光分量LOV2，其中SV1和LOV1沿不等臂干涉仪的长臂L1传播；SV2和LOV2沿不等臂干涉仪的短臂L2传播，通过切换路径对SV2的延时比对LOV2的延时多2τ，并且对SV2进行π/2的相移。
由于不等臂干涉仪的长短臂时间差为τ，在t时刻SV1和LOV2分别同时到达第二分束器BS2的两个输入端口；SV2延时2τ后变为SV2’，在t+τ时刻，LOV1和SV2’也分别同时到达第二分束器BS2的两个输入端口。由于SV1和LOV2偏振相同，二者可以进行干涉，产生的干涉结果分别从第一分束器BS1的两个输入端口出射，其中第一竖直干涉结果进入第一偏振分束器PBS1，第二竖直干涉结果进入第二偏振分束器PBS2。
LOV1和SV2’ 偏振相同，二者可以进行干涉，产生的干涉结果分别从第一分束器BS1的两个输入端口出射，其中第三竖直干涉结果进入第一偏振分束器PBS1，第四竖直干涉结果进入第二偏振分束器PBS2。
在t时刻，第一水平干涉结果和第一竖直干涉结果同时到达第一偏振分束器PBS1进行偏振合束后经环形器CIR进入第一光电探测器PD1；同时第二水平干涉结果和第二竖直干涉结果同时到达第二偏振分束器PBS2进行偏振合束后进入第二光电探测器PD2；第一光电探测器PD1和第二光电探测器PD2的探测结果进行差分后得到的差分电流信号可写为
，
其中，为信号光和本振光所携带相位之间的差，/>为长短臂的相位差。此时的测量结果为光信号竖直偏振分量的X分量（或I分量）。
在t+τ时刻，第三水平干涉结果和第三竖直干涉结果同时到达第一偏振分束器PBS1进行偏振合束后经环形器CIR进入第一光电探测器PD1；同时第四水平干涉结果和第四竖直干涉结果同时到达第二偏振分束器PBS2进行偏振合束后进入第二光电探测器PD2；第一光电探测器PD1和第二光电探测器PD2的探测结果进行差分后得到的差分电流信号可写为
，
此时的测量结果为光信号竖直偏振分量的P分量（或Q分量）。
可以看出，只需要一套干涉仪和一套零差探测器进行时分复用，可以实现对待测信号X分量和P分量的测量。
如图4所示，本发明解码装置实施例二：
路径选择移相模块包括第三偏振分束器PBS3、偏振调制器PM和第二移相器PS2，
第三偏振分束器PBS3的一个输出端口与另一个输出端口通过偏振调制器PM和第二移相器PS2相连，构成萨格纳克环；偏振调制器PM用于使前一个子信号两次经过其时偏振旋转90°，使后一个子信号偏振保持不变。
光信号在萨格纳克环内传输的时间为2τ，偏振调制器PM位于萨格纳克环的中间。
实施例二具体工作过程包括为：
包含信号光S和本振光LO的光信号入射到第一分束器BS1的输入端口，S和LO的电场可分别写为
，
假设信号光S比本振光LO超前时间τ，且二者的偏振态相同。光信号首先经环形器CIR进入第一偏振分束器PBS1，被其偏振分束成水平偏振光信号分量和竖直偏振光信号分量，其中前者包含水平偏振的信号光SH和本振光LOH，后者包括竖直偏振的信号光SV和本振光LOV，均沿保偏光纤的慢轴传播。SH和LOH被第一分束器BS1分束后分别产生第一水平信号光分量SH1、第二水平信号光分量SH2和第一水平本振光分量LOH1、第二水平本振光分量LOH2，其中SH1和LOH1沿不等臂干涉仪的长臂L1传播。
SH2和LOH2沿不等臂干涉仪的短臂L2传播，到达第三偏振分束器PBS3被反射进入萨格纳克环，沿保偏光纤快轴传播。如图5所示，当SH2第一次经过偏振调制器PM时， 偏振调制器PM加载电压为“1”，使SH2偏振旋转90°，沿保偏光纤慢轴传播；随后SH2到达第三偏振分束器PBS3时直接透射，同时LOH2经过偏振调制器PM，由于偏振调制器PM加载电压变为“0”，LOH2偏振不变，仍沿保偏光纤快轴传播。LOH2到达第三偏振分束器PBS3时被反射后从萨格纳克环出射，此时SH2第二次到达偏振调制器PM，偏振调制器PM加载电压再次变为“1”，使SH2偏振旋转90°，沿保偏光纤快轴传播。最后到达第三偏振分束器PBS3后被反射出萨格纳克环。因此SH2在萨格纳克环内传播2圈，LOH2则只传播1圈，即SH2的延时比LOH2的延时多了2τ，相当于SH2和LOH2在时间上进行了交换。另外，第二移相器PS2对SH2进行π/2的相移。
由于不等臂干涉仪的长短臂时间差为τ，在t时刻SH1和LOH2分别同时到达第二分束器BS2的两个输入端口；SH2延时2τ后变为SH2’，在t+τ时刻，LOH1和SH2’也分别同时到达第二分束器BS2的两个输入端口。由于SH1和LOH2均为水平偏振，二者可以进行干涉，产生的干涉结果分别从第二分束器BS2的两个输入端口出射，其中第一水平干涉结果进入第一偏振分束器PBS1，第二水平干涉结果进入第二偏振分束器PBS2。
LOH1和SH2’同样均为水平偏振，二者可以进行干涉，产生的干涉结果分别从第二分束器BS2的两个输入端口出射，其中第三水平干涉结果进入第一偏振分束器PBS1，第四水平干涉结果进入第二偏振分束器PBS2。
SV和本振光LOV被第二分束器BS2分束后分别产生第一竖直信号光分量SV1、第二竖直信号光分量SV2和第一竖直本振光分量LOV1、第二竖直本振光分量LOV2，其中SV1和LOV1沿不等臂干涉仪的长臂L1传播；SV2和LOV2沿不等臂干涉仪的短臂L2传播，通过切换路径对SV2的延时比对LOV2的延时多2τ，并且对SV2进行π/2的相移。
由于不等臂干涉仪的长短臂时间差为τ，在t时刻SV1和LOV2分别同时到达第二分束器BS2的两个输入端口；SV2延时2τ后变为SV2’，在t+τ时刻，LOV1和SV2’也分别同时到达第二分束器BS2的两个输入端口。由于SV1和LOV2偏振相同，二者可以进行干涉，产生的干涉结果分别从第一分束器BS1的两个输入端口出射，其中第一竖直干涉结果进入第一偏振分束器PBS1，第二竖直干涉结果进入第二偏振分束器PBS2。
LOV1和SV2’ 偏振相同，二者可以进行干涉，产生的干涉结果分别从第一分束器BS1的两个输入端口出射，其中第三竖直干涉结果进入第一偏振分束器PBS1，第四竖直干涉结果进入第二偏振分束器PBS2。
在t时刻，第一水平干涉结果和第一竖直干涉结果同时到达第一偏振分束器PBS1进行偏振合束后经环形器CIR进入第一光电探测器PD1；同时第二水平干涉结果和第二竖直干涉结果同时到达第二偏振分束器PBS2进行偏振合束后进入第二光电探测器PD2；第一光电探测器PD1和第二光电探测器PD2的探测结果进行差分后得到的差分电流信号可写为
，
其中，为信号光和本振光所携带相位之间的差，/>为长短臂的相位差。此时的测量结果为光信号竖直偏振分量的X分量（或I分量）。
在t+τ时刻，第三水平干涉结果和第三竖直干涉结果同时到达第一偏振分束器PBS1进行偏振合束后经环形器CIR进入第一光电探测器PD1；同时第四水平干涉结果和第四竖直干涉结果同时到达第二偏振分束器PBS2进行偏振合束后进入第二光电探测器PD2；第一光电探测器PD1和第二光电探测器PD2的探测结果进行差分后得到的差分电流信号可写为
，
此时的测量结果为光信号竖直偏振分量的P分量（或Q分量）。
可以看出，只需要一套干涉仪和一套零差探测器进行时分复用，可以实现对待测信号X分量和P分量的测量。
如图6所示，本发明解码装置实施例三：
路径选择移相模块包括第三光开关OS3和第三移相器PS3，第三光开关OS3的一个输出端口和一个输入端口通过第三移相器PS3相连，构成环形路径，光信号在环形路径内传输的时间为2τ。
实施例三具体工作过程包括为：
包含信号光S和本振光LO的光信号入射到第一分束器BS1的输入端口，S和LO的电场可分别写为
，
假设信号光S比本振光LO超前时间τ，且二者的偏振态相同。光信号首先经环形器CIR进入第一偏振分束器PBS1，被其偏振分束成水平偏振光信号分量和竖直偏振光信号分量，其中前者包含水平偏振的信号光SH和本振光LOH，后者包括竖直偏振的信号光SV和本振光LOV，均沿保偏光纤的慢轴传播。SH和LOH被第一分束器BS1分束后分别产生第一水平信号光分量SH1、第二水平信号光分量SH2和第一水平本振光分量LOH1、第二水平本振光分量LOH2，其中SH1和LOH1沿不等臂干涉仪的长臂L1传播。
SH2和LOH2沿不等臂干涉仪的短臂L2传播，先后到达第三光开关OS3。如图7所示，当SH2到达第三光开关OS3时其为状态“0”，进入环形路径传播；当SH2到达环形路径的中点时，LOH2到达第三光开关OS3，此时其为状态“1”，LOH2不经过环形路径直接从第三光开关OS3出射。随后SH2沿环形路径传播时间τ后到达第三光开关OS3，此时其为状态“0”，因此从第三光开关OS3出射，相比于LOH2滞后了时间τ，相当于SH2和LOH2在时间上进行了交换。另外，第二移相器PS2对SH2进行π/2的相移。
由于不等臂干涉仪的长短臂时间差为τ，在t时刻SH1和LOH2分别同时到达第二分束器BS2的两个输入端口；SH2延时2τ后变为SH2’，在t+τ时刻，LOH1和SH2’也分别同时到达第二分束器BS2的两个输入端口。由于SH1和LOH2均为水平偏振，二者可以进行干涉，产生的干涉结果分别从第二分束器BS2的两个输入端口出射，其中第一水平干涉结果进入第一偏振分束器PBS1，第二水平干涉结果进入第二偏振分束器PBS2。
LOH1和SH2’同样均为水平偏振，二者可以进行干涉，产生的干涉结果分别从第二分束器BS2的两个输入端口出射，其中第三水平干涉结果进入第一偏振分束器PBS1，第四水平干涉结果进入第二偏振分束器PBS2。
SV和本振光LOV被第二分束器BS2分束后分别产生第一竖直信号光分量SV1、第二竖直信号光分量SV2和第一竖直本振光分量LOV1、第二竖直本振光分量LOV2，其中SV1和LOV1沿不等臂干涉仪的长臂L1传播；SV2和LOV2沿不等臂干涉仪的短臂L2传播，通过切换路径对SV2的延时比对LOV2的延时多2τ，并且对SV2进行π/2的相移。
由于不等臂干涉仪的长短臂时间差为τ，在t时刻SV1和LOV2分别同时到达第二分束器BS2的两个输入端口；SV2延时2τ后变为SV2’，在t+τ时刻，LOV1和SV2’也分别同时到达第二分束器BS2的两个输入端口。由于SV1和LOV2偏振相同，二者可以进行干涉，产生的干涉结果分别从第一分束器BS1的两个输入端口出射，其中第一竖直干涉结果进入第一偏振分束器PBS1，第二竖直干涉结果进入第二偏振分束器PBS2。
LOV1和SV2’ 偏振相同，二者可以进行干涉，产生的干涉结果分别从第一分束器BS1的两个输入端口出射，其中第三竖直干涉结果进入第一偏振分束器PBS1，第四竖直干涉结果进入第二偏振分束器PBS2。
在t时刻，第一水平干涉结果和第一竖直干涉结果同时到达第一偏振分束器PBS1进行偏振合束后经环形器CIR进入第一光电探测器PD1；同时第二水平干涉结果和第二竖直干涉结果同时到达第二偏振分束器PBS2进行偏振合束后进入第二光电探测器PD2；第一光电探测器PD1和第二光电探测器PD2的探测结果进行差分后得到的差分电流信号可写为
，
其中，为信号光和本振光所携带相位之间的差，/>为长短臂的相位差。此时的测量结果为光信号竖直偏振分量的X分量（或I分量）。
在t+τ时刻，第三水平干涉结果和第三竖直干涉结果同时到达第一偏振分束器PBS1进行偏振合束后经环形器CIR进入第一光电探测器PD1；同时第四水平干涉结果和第四竖直干涉结果同时到达第二偏振分束器PBS2进行偏振合束后进入第二光电探测器PD2；第一光电探测器PD1和第二光电探测器PD2的探测结果进行差分后得到的差分电流信号可写为
，
此时的测量结果为光信号竖直偏振分量的P分量（或Q分量）。
可以看出，只需要一套干涉仪和一套零差探测器进行时分复用，可以实现对待测信号X分量和P分量的测量。
综合本发明各个实施例可知，本发明提出一种偏振无关的时分复用共轭零差探测装置，通过偏振延时移相模块将具有时间差的本振光和信号光进行不同的时间延迟和移相，可以使本振光和信号光之间的位置交换，实现在相邻两个时刻对两个共轭分量的测量，得到时分复用的共轭零差探测结果。只需要一套干涉仪和一套零差探测器，降低了探测装置的复杂度和成本。另外，可以消除信道的偏振扰动导致偏振态随机变化对系统造成的影响，无需主动偏振补偿模块即可实现偏振无关的相干探测，提高了系统的稳定性。
Claims (8)
1.一种偏振无关的时分复用共轭零差探测装置，其特征在于，包括环形器 CIR、第一偏振分束器 PBS1、第二偏振分束器 PBS2、第一分束器BS1、第二分束器BS2、路径切换移相模块、第一光电探测器PD1以及第二光电探测器PD2，
第一偏振分束器PBS1的两个输出端口分别连接第一分束器BS1的一个输入端口和第二分束器BS2的一个输入端口；
第二偏振分束器PBS2的两个输入端口分别连接第一分束器BS1的另一个输入端口和第二分束器BS2的另一个输入端口；
第一分束器BS1的两个输出端口和第二分束器BS2的两个输入端口分别连接，构成不等臂干涉仪，所述路径切换移相模块设置在不等臂干涉仪的短臂上；
路径切换移相模块用于通过路径切换使光信号中前后两个子信号的时间差由τ变为-τ；并用于对延时较大的子信号进行移相；
环形器CIR的其中两个端口分别连接第一偏振分束器PBS1的输入端口、第一光电探测器PD1；
第二偏振分束器PBS2的输出端口连接第二光电探测器PD2；
第一光电探测器PD1和第二光电探测器PD2分别用于探测所连接端口出射的光信号，并通过减法器产生差分电流信号；
所述差分电流信号为时分复用的X分量和P分量的测量结果，使X分量和P分量的测量结果交替出现。
2.根据权利要求1所述的偏振无关的时分复用共轭零差探测装置，其特征在于，路径选择移相模块包括第一光开关OS1、第二光开关OS2和第一移相器 PS1，第一光开关OS1的两个输出端口和第二光开关OS2的两个输入端口相连，构成两条时间差为2τ的路径，其中光程较长的路径上设置第一移相器PS1。
3.根据权利要求1所述的偏振无关的时分复用共轭零差探测装置，其特征在于，路径选择移相模块包括第三偏振分束器PBS3、偏振调制器PM和第二移相器PS2，
第三偏振分束器PBS3的一个输出端口与另一个输出端口通过偏振调制器PM和第二移相器PS2相连，构成萨格纳克环；偏振调制器PM用于使前一个子信号两次经过其时偏振旋转90°，使后一个子信号偏振保持不变。
4.根据权利要求1所述的偏振无关的时分复用共轭零差探测装置，其特征在于，路径选择移相模块包括第三光开关OS3和第三移相器PS3，第三光开关OS3的一个输出端口和一个输入端口通过第三移相器PS3相连，构成环形路径，光信号在环形路径内传输的时间为2τ。
5.根据权利要求1或2或3或4所述的偏振无关的时分复用共轭零差探测装置，其特征在于，路径切换移相模块用于将延时不同的子信号之间的相位差调节为π/2。
6.根据权利要求1或2或3或4所述的偏振无关的时分复用共轭零差探测装置，其特征在于，所述不等臂干涉仪的长臂上还设置有移相器，用于调节长短臂的相位差为π/4；路径切换移相模块用于对延时较大的子信号进行2nπ的相移。
7.根据权利要求3所述的偏振无关的时分复用共轭零差探测装置，其特征在于，光信号在萨格纳克环内传输的时间为2τ，偏振调制器PM位于萨格纳克环的中间。
8.根据权利要求1所述的偏振无关的时分复用共轭零差探测装置，其特征在于，所述探测装置内各部件之间连接光纤均为保偏光纤。
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