CN117614552B - 一种偏振不敏感共轭零差探测装置 - Google Patents
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Abstract
本发明属于光通信技术领域，公开了一种偏振不敏感共轭零差探测装置，包括环形器、第一偏振分束器、臂长差可切换不等臂偏振干涉仪及两路光电探测器，干涉仪用于使短臂上光信号中前一个子信号到达时选择较长的路径，使后一个子信号到达时选择较短的路径，以使二者的时间差由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，本发明提出通过臂长差可切换不等臂偏振干涉仪实现在相邻两个时刻对两个共轭分量的测量，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。通过将光信号偏振分束并双向复用干涉仪可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。
Description
技术领域
本发明涉及光通信和量子密钥分发技术领域，特别涉及一种偏振不敏感共轭零差探测装置。
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不敏感共轭零差探测装置。
本发明的技术方案是这样实现的：
一种偏振不敏感共轭零差探测装置，包括环形器CIR、第一偏振分束器PBS1、臂长差可切换不等臂偏振干涉仪、第一光电探测器PD1以及第二光电探测器PD2，
环形器CIR的端口1作为探测装置的输入端口，环形器CIR的端口3连接第一光电探测器PD1；
第一偏振分束器PBS1的两个输入端口分别连接环形器CIR的端口2和第二光电探测器PD2；
第一偏振分束器PBS1的两个输出端口通过保偏光纤连接臂长差可切换不等臂偏振干涉仪的两个端口；
臂长差可切换不等臂偏振干涉仪的两个端口前各设置有一个45°偏振旋转模块；
臂长差可切换不等臂偏振干涉仪包含长短臂，用于使短臂上光信号中前一个子信号到达时选择较长的路径，使后一个子信号到达时选择较短的路径，以使二者的时间差由τ变为-τ；并用于对延时较大的子信号进行移相；
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，臂长差可切换不等臂偏振干涉仪用于将短臂上延时不同的子信号之间的相位差调节为π/2。
优选地，臂长差可切换不等臂偏振干涉仪包括第二偏振分束器PBS2、第三偏振分束器PBS3、第一光开关OS1和第一移相器PS1，
第二偏振分束器PBS2的输入端口和第三偏振分束器PBS3的输出端口分别作为可切换不等臂偏振干涉仪的两个端口；
第二偏振分束器PBS2的一个输出端口与第三偏振分束器PBS3的一个输入端口通过光纤L1相连，作为臂长差可切换不等臂偏振干涉仪的长臂，所述光纤L1为保偏光纤；
第二偏振分束器PBS2的另一个输出端口与第三偏振分束器PBS3的另一个输入端口分别通过一段光纤L2对应连接第一光开关OS1的一个输入端口和一个输出端口；两段光纤L2构成臂长差可切换不等臂偏振干涉仪的短臂，所述光纤L1为保偏光纤；
第一光开关OS1的另一个输出端口和另一个输入端口通过光纤L3相连，构成环形路径，第一移相器PS1设置在环形路径上，光信号在环形路径内的传播时间为2τ。
优选地，臂长差可切换不等臂偏振干涉仪包括第四偏振分束器PBS4、第二光开关OS2、第二移相器PS2、第一法拉第镜FM1、第二法拉第镜FM2和第三法拉第镜FM3，
第四偏振分束器PBS4的两个输入端口分别作为臂长差可切换不等臂偏振干涉仪的两个端口；
第四偏振分束器PBS4的一个输出端口通过光纤L4连接第一法拉第镜FM1，作为臂长差可切换不等臂偏振干涉仪的长臂；
第四偏振分束器PBS4的另一个输出端口通过光纤L5连接第二光开关OS2的输入端口；
第二光开关OS2的两个输出端口分别通过光纤L6和光纤L7连接第二法拉第镜FM2和第三法拉第镜FM3；
光纤L7上设置有第二移相器PS2；
光纤L5和光纤L6之和作为臂长差可切换不等臂偏振干涉仪的短臂；
光纤L7与光纤L6的长度差对应的时间差为τ。
优选地，臂长差可切换不等臂偏振干涉仪包括第四偏振分束器PBS4、第二光开关OS2、第二移相器PS2、第五偏振分束器PBS5和第六偏振分束器PBS6，
第四偏振分束器PBS4的两个输入端口分别作为臂长差可切换不等臂偏振干涉仪的两个端口；
第四偏振分束器PBS4的一个输出端口通过光纤L8连接第五偏振分束器PBS5的输入端口，作为臂长差可切换不等臂偏振干涉仪的长臂；
第五偏振分束器PBS5的两个输出端口通过保偏光纤连接，构成第一萨格纳克环；
第四偏振分束器PBS4的另一个输出端口通过光纤L9连接第二光开关OS2的输入端口；
第二光开关OS2的两个输出端口分别通过光纤L10和光纤L11连接第六偏振分束器PBS6的两个输入端口；
第六偏振分束器PBS6的两个输出端口通过保偏光纤连接，构成第二萨格纳克环；
光纤L11上设置有第二移相器PS2；
光纤L9和光纤L10之和作为臂长差可切换不等臂偏振干涉仪的短臂；
光纤L11与光纤L10的长度差对应的时间差为τ。
优选地，臂长差可切换不等臂偏振干涉仪包括第四偏振分束器PBS4、第三光开关OS3、第四光开关OS4、第三移相器PS3、第一四分之一波片反射镜QM1和第二四分之一波片反射镜QM2，
第四偏振分束器PBS4的两个输入端口分别作为臂长差可切换不等臂偏振干涉仪的两个端口；
第四偏振分束器PBS4的一个输出端口通过光纤L12连接第三光开关OS3的一个输出端口；
第三光开关OS3的输入端口通过光纤L13连接第一四分之一波片反射镜QM1；光纤L12与光纤L13之和作为臂长差可切换不等臂偏振干涉仪的长臂；
第四偏振分束器PBS4的另一个输出端口通过光纤L14连接第四光开关OS4的输入端口；
第四光开关OS4的一个输出端口通过光纤L16连接第二四分之一波片反射镜QM2；光纤L14和光纤L16之和作为臂长差可切换不等臂偏振干涉仪的短臂；
第三光开关OS3的另一个输出端口与第四光开关OS4的另一个输出端口通过光纤L15连接；
光纤L15上设置有第三移相器PS3；
光纤L15、光纤L13之和与光纤L16的长度差对应的时间差为τ；
光纤L14、光纤L15之和与光纤L12的长度差对应的时间差为τ/2；
光纤L13的长度对应的时间小于τ/8。
优选地，所述臂长差可切换不等臂偏振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。
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不敏感共轭零差探测装置，通过臂长差可切换不等臂偏振干涉仪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，通过将光信号偏振分束并双向复用臂长差可切换不等臂偏振干涉仪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为本发明偏振不敏感共轭零差探测装置结构原理框图；
图2为本发明臂长差可切换不等臂偏振干涉仪长短臂光信号水平偏振分量时序示意图；
图3为本发明偏振不敏感共轭零差探测装置实施例一的原理框图；
图4为本发明实施例一短臂光信号水平偏振分量时序示意图；
图5为本发明偏振不敏感共轭零差探测装置实施例二的原理框图；
图6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7为本发明偏振不敏感共轭零差探测装置实施例三的原理框图；
图8为本发明偏振不敏感共轭零差探测装置实施例四的原理框图。
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，一种偏振不敏感共轭零差探测装置，包括环形器CIR、第一偏振分束器PBS1、臂长差可切换不等臂偏振干涉仪、第一光电探测器PD1以及第二光电探测器PD2，
环形器CIR的端口1作为探测装置的输入端口，环形器CIR的端口3连接第一光电探测器PD1；
第一偏振分束器PBS1的两个输入端口分别连接环形器CIR的端口2和第二光电探测器PD2；
第一偏振分束器PBS1的两个输出端口通过保偏光纤连接臂长差可切换不等臂偏振干涉仪的两个端口；
臂长差可切换不等臂偏振干涉仪的两个端口前各设置有一个45°偏振旋转模块；
臂长差可切换不等臂偏振干涉仪包含长短臂，用于使短臂上光信号中前一个子信号到达时选择较长的路径，使后一个子信号到达时选择较短的路径，以使二者的时间差由τ变为-τ；并用于对延时较大的子信号进行移相；
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。
不等臂偏振干涉仪用于将短臂上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首先经过45°偏振旋转结构后变为45°偏振，然后进入臂长差可切换不等臂偏振干涉仪，被其偏振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传播；SH2和LOH2沿不等臂干涉仪的短臂传播，通过切换短臂的长度使其对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进行偏振合束，合成的偏振态在另一个45°偏振旋转结构处进行干涉，并通过第一偏振分束器PBS1进行偏振解析，产生第一水平干涉结果和第二水平干涉结果。SH2延时2τ后变为SH2’，在t+τ时刻，LOH1和SH2’也进行偏振合束，合成的偏振态也在另一个45°偏振旋转结构处进行干涉，并在时间τ后通过第一偏振分束器PBS1进行偏振解析，产生第三水平干涉结果和第四水平干涉结果。
SV和LOV经过另一个45°偏振旋转结构后变为45°偏振，然后从相反的方向进入臂长差可切换不等臂偏振干涉仪，被其偏振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传播；SV2和LOV2沿不等臂干涉仪的短臂传播，通过切换短臂的长度使其对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进行偏振合束，合成的偏振态在45°偏振旋转结构处进行干涉，并通过第一偏振分束器PBS1进行偏振解析，产生第一竖直干涉结果和第二竖直干涉结果；SV2延时2τ后变为SV2’，在t+τ时刻，LOV1和SV2’也进行偏振合束，合成的偏振态也在45°偏振旋转结构处进行干涉，并在时间τ后通过第一偏振分束器PBS1进行偏振解析，产生第三竖直干涉结果和第四竖直干涉结果。
在t时刻，第一水平干涉结果和第一竖直干涉结果经第一偏振分束器PBS1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经第一偏振分束器PBS1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经第一偏振分束器PBS1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经第一偏振分束器PBS1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：
不等臂偏振干涉仪包括第二偏振分束器PBS2、第三偏振分束器PBS3、第一光开关和 第一移相器PS1，
第二偏振分束器PBS2的输入端口和第三偏振分束器PBS3的输出端口分别作为不等臂干涉仪的两个端口；
第二偏振分束器PBS2的一个输出端口与第三偏振分束器PBS3的一个输入端口通过光纤L1相连，作为不等臂干涉仪的长臂，所述光纤L1为保偏光纤；
第二偏振分束器PBS2的另一个输出端口与PBS的另一个输入端口分别通过一段光纤L2连接第一光开关OS1的一个输入端口和一个输出端口；所述两段光纤L2构成不等臂干涉仪的短臂，所述光纤L2为保偏光纤；
第一光开关OS1的另一个输出端口和另一个输入端口通过光纤L3相连，构成环形路径，其上设置有第一移相器PS1，光信号在环形路径内的传播时间为2τ。
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首先经过45°偏振旋转结构后变为45°偏振，然后被第二偏振分束器PBS2偏振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传播；SH2和LOH2沿不等臂干涉仪的短臂传播，如图4所示，当SH2到达第一光开关OS1时，切换第一光开关OS1为状态“0”，使SH2进入光纤L3，即环形路径；当LOH2到达第一光开关OS1时，切换第一光开关OS1为状态“1”，LOH2不通过环形路径，因此SH2比LOH2的延时多2τ。
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同时到达第三偏振分束器PBS3进行偏振合束，合成的偏振态在另一个45°偏振旋转结构处进行干涉，并通过第一偏振分束器PBS1进行偏振解析，产生第一水平干涉结果和第二水平干涉结果。SH2延时2τ后变为SH2’，在t+τ时刻，LOH1和SH2’也同时到达第三偏振分束器PBS3进行偏振合束，合成的偏振态也在另一个45°偏振旋转结构处进行干涉，并在时间τ后通过第一偏振分束器PBS1进行偏振解析，产生第三水平干涉结果和第四水平干涉结果。
SV和LOV经过另一个45°偏振旋转结构后变为45°偏振，然后到达第三偏振分束器PBS3被其偏振分束，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传播；SV2和LOV2沿不等臂干涉仪的短臂传播，当SV2到达第一光开关OS1时，切换第一光开关OS1为状态“0”，使SH2进入光纤L3，即环形路径；当LOV2到达第一光开关OS1时，切换第一光开关OS1为状态“1”，LOV2不通过环形路径，因此SV2比LOV2的延时多2τ。并且第一移相器PS1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同时到达第二偏振分束器PBS2进行偏振合束，合成的偏振态在45°偏振旋转结构处进行干涉，并通过第一偏振分束器PBS1进行偏振解析，产生第一竖直干涉结果和第二竖直干涉结果；SV2延时2τ后变为SV2’，在t+τ时刻，LOV1和SV2’也同时到达第二偏振分束器PBS2进行偏振合束，合成的偏振态也在45°偏振旋转结构处进行干涉，并在时间τ后通过第一偏振分束器PBS1进行偏振解析，产生第三竖直干涉结果和第四竖直干涉结果。
在t时刻，第一水平干涉结果和第一竖直干涉结果经第一偏振分束器PBS1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经第一偏振分束器PBS1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经第一偏振分束器PBS1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经第一偏振分束器PBS1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5所示，本发明解码装置实施例二：
不等臂偏振干涉仪包括第四偏振分束器PBS4、第二光开关OS2、第二移相器PS2、第一法拉第镜FM1、第二法拉第镜FM2和第三法拉第镜FM3，
第四偏振分束器PBS4的两个输入端口分别作为不等臂干涉仪的两个端口；
第四偏振分束器PBS4的一个输出端口通过光纤L4连接第一法拉第镜FM1，作为不等臂干涉仪的长臂；
第四偏振分束器PBS4的另一个输出端口通过光纤L5连接第二光开关OS2的输入端口；
第二光开关OS2的两个输出端口分别通过光纤L6和光纤L7连接第二法拉第镜FM2和第三法拉第镜FM3；
光纤L7上设置有第二移相器PS2；
光纤L5和光纤L6之和作为不等臂干涉仪的短臂；
光纤L7与光纤L6的长度差对应的时间差为τ。
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首先经过45°偏振旋转结构后变为45°偏振，然后被第四偏振分束器PBS4偏振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传播，到达第一法拉第镜FM1后被反射回到第四偏振分束器PBS4，偏振得到自动补偿；SH2和LOH2沿不等臂干涉仪的光纤L5传播，如图6所示，当SH2到达第二光开关OS2时，切换第二光开关OS2使其连接光纤L7的路径导通，使SH2进入光纤L7；当LOH2到达第二光开关OS2时，切换第二光开关OS2使其连接光纤L6的路径导通，使LOH2进入光纤L6，到达第二法拉第镜FM2后被反射回第二光开关OS2，此时光纤L5和光纤L6仍导通，可以通过第二光开关OS2到达第四偏振分束器PBS4； SH2经第二移相器PS2移相后到达第三法拉第镜FM3，随后被反射回到第二光开关OS2，此时切换第二光开关OS2使光纤L7和光纤L5导通，SH2通过第二光开关OS2到达第四偏振分束器PBS4。由于光纤L7与光纤L6的长度差对应的时间差为τ，因此SH2比LOH2的延时多2τ。
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同时到达第四偏振分束器PBS4进行偏振合束，合成的偏振态在另一个45°偏振旋转结构处进行干涉，并通过第一偏振分束器PBS1进行偏振解析，产生第一水平干涉结果和第二水平干涉结果。SH2延时2τ后变为SH2’，在t+τ时刻，LOH1和SH2’也同时到达第四偏振分束器PBS4进行偏振合束，合成的偏振态也在另一个45°偏振旋转结构处进行干涉，并在时间τ后通过第一偏振分束器PBS1进行偏振解析，产生第三水平干涉结果和第四水平干涉结果。
SV和LOV经过另一个45°偏振旋转结构后变为45°偏振，然后到达第四偏振分束器PBS4被其偏振分束，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LOV2，四者与相应的水平偏振分量传输路径相同，只是偏振为竖直偏振，因此不会相互影响。
由于不等臂干涉仪的长短臂时间差为τ，在t时刻SV1和LOV2同时到达第四偏振分束器PBS4进行偏振合束，合成的偏振态在45°偏振旋转结构处进行干涉，并通过第一偏振分束器PBS1进行偏振解析，产生第一竖直干涉结果和第二竖直干涉结果；SV2延时2τ后变为SV2’，在t+τ时刻，LOV1和SV2’也同时到达第四偏振分束器PBS4进行偏振合束，合成的偏振态也在45°偏振旋转结构处进行干涉，并在时间τ后通过第一偏振分束器PBS1进行偏振解析，产生第三竖直干涉结果和第四竖直干涉结果。
在t时刻，第一水平干涉结果和第一竖直干涉结果经第一偏振分束器PBS1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经第一偏振分束器PBS1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经第一偏振分束器PBS1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经第一偏振分束器PBS1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7所示，本发明解码装置实施例三：
不等臂偏振干涉仪包括第四偏振分束器PBS4、第二光开关OS2、第二移相器PS2、第五偏振分束器PBS5和第六偏振分束器PBS6，
第四偏振分束器PBS4的两个输入端口分别作为不等臂干涉仪的两个端口；
第四偏振分束器PBS4的一个输出端口通过光纤L8连接第五偏振分束器PBS5的输入端口，作为不等臂干涉仪的长臂；
第五偏振分束器PBS5的两个输出端口通过保偏光纤连接，构成第一萨格纳克环；
第四偏振分束器PBS4的另一个输出端口通过光纤L9连接第二光开关OS2的输入端口；
第二光开关OS2的两个输出端口分别通过光纤L10和光纤L11连接第六偏振分束器PBS6的两个输入端口；
第六偏振分束器PBS6的两个输出端口通过保偏光纤连接，构成第二萨格纳克环；
光纤L11上设置有第二移相器PS2；
光纤L9和光纤L10之和作为不等臂干涉仪的短臂；
光纤L11与光纤L10的长度差对应的时间差为τ。
实施例三具体工作过程与实施例二相同，区别在于使用第一萨格纳克环结构代替第一法拉第镜FM1的反射偏振自补偿作用，以及使用第二萨格纳克环结构代替第二法拉第镜FM2和第三法拉第镜FM3的反射偏振自补偿作用。
如图8所示，本发明解码装置实施例四：
不等臂偏振干涉仪包括第四偏振分束器PBS4、第三光开关OS3、第四光开关OS4、第三移相器PS3、第一四分之一波片反射镜QM1和第二四分之一波片反射镜QM2，
第四偏振分束器PBS4的两个输入端口分别作为不等臂干涉仪的两个端口；
第四偏振分束器PBS4的一个输出端口通过光纤L12连接第三光开关OS3的一个输出端口；
第三光开关OS3的输入端口通过光纤L13连接第一四分之一波片反射镜QM1；光纤L12与光纤L13之和作为不等臂干涉仪的长臂；
第四偏振分束器PBS4的另一个输出端口通过光纤L14连接第四光开关OS4的输入端口；
第四光开关OS4的一个输出端口通过光纤L16连接第二四分之一波片反射镜QM2；光纤L14和光纤L16之和作为不等臂干涉仪的短臂；
第三光开关OS3的另一个输出端口与第四光开关OS4的另一个输出端口通过光纤L15连接；
光纤L15上设置有第三移相器PS3；
光纤L15、光纤L13之和与光纤L16的长度差对应的时间差为τ；
光纤L14、光纤L15之和与光纤L12的长度差对应的时间差为τ/2；
光纤L13的长度对应的时间小于τ/8。
实施例四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首先经过45°偏振旋转结构后变为45°偏振，然后被第四偏振分束器PBS4偏振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进入光纤L12，二者经过第三光开关OS3时，光纤L12到光纤L13的路径导通，随后到达第一四分之一波片反射镜QM1后被反射回到第三光开关OS3，由于光纤L13长度较短，光信号在光纤L13中传输时间小于τ/8，上述路径仍导通，因此可以回到第四偏振分束器PBS4，第一四分之一波片反射镜QM1的作用与第一萨格纳克环相同，偏振得到自动补偿；SH2和LOH2进入光纤L14，当SH2到达第四光开关OS4时，光纤L14到光纤L15的路径导通，SH2进入光纤L15；当LOH2到达第四光开关OS4时，切换第四光开关OS4使光纤L14到光纤L16的路径导通，LOH2进入光纤L16，到达第二四分之一波片反射镜QM2后被反射回第四光开关OS4，此时光纤L14和光纤L16仍导通，可以通过第四光开关OS4到达第四偏振分束器PBS4；SH2经第三移相器PS3移相后到达第三光开关OS3，切换第三光开关OS3使光纤L15到光纤L13的路径导通，SH2到达光纤L13，随后被第一四分之一波片反射镜QM1反射回到第三光开关OS3，此时第三光开关OS3状态不变，SH2通过第三光开关OS3经光纤L15回到第四光开关OS4，切换第四光开关OS4使光纤L15到光纤L14的路径导通，使SH2回到第四偏振分束器PBS4。由于光纤L15、光纤L13之和与光纤L16的长度差对应的时间差为τ，因此SH2比LOH2的延时多2τ。
如图2所示，由于光纤L14、光纤L15之和与光纤L12的长度差对应的时间差为τ/2，在t时刻SH1和LOH2同时到达第四偏振分束器PBS4进行偏振合束，合成的偏振态在另一个45°偏振旋转结构处进行干涉，并通过第一偏振分束器PBS1进行偏振解析，产生第一水平干涉结果和第二水平干涉结果。SH2延时2τ后变为SH2’，在t+τ时刻，LOH1和SH2’也同时到达第四偏振分束器PBS4进行偏振合束，合成的偏振态也在另一个45°偏振旋转结构处进行干涉，并在时间τ后通过第一偏振分束器PBS1进行偏振解析，产生第三水平干涉结果和第四水平干涉结果。
SV和LOV经过另一个45°偏振旋转结构后变为45°偏振，然后到达第四偏振分束器PBS4被其偏振分束，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LOV2，四者与相应的水平偏振分量传输路径相同，只是偏振为竖直偏振，因此不会相互影响。
由于光纤L14、光纤L15之和与光纤L12的长度差对应的时间差为τ/2，在t时刻SV1和LOV2同时到达第四偏振分束器PBS4进行偏振合束，合成的偏振态在45°偏振旋转结构处进行干涉，并通过第一偏振分束器PBS1进行偏振解析，产生第一竖直干涉结果和第二竖直干涉结果；SV2延时2τ后变为SV2’，在t+τ时刻，LOV1和SV2’也同时到达第四偏振分束器PBS4进行偏振合束，合成的偏振态也在45°偏振旋转结构处进行干涉，并在时间τ后通过第一偏振分束器PBS1进行偏振解析，产生第三竖直干涉结果和第四竖直干涉结果。
在t时刻，第一水平干涉结果和第一竖直干涉结果经第一偏振分束器PBS1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经第一偏振分束器PBS1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经第一偏振分束器PBS1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经第一偏振分束器PBS1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不敏感共轭零差探测装置，通过臂长差可切换不等臂偏振干涉仪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，通过将光信号偏振分束并双向复用臂长差可切换不等臂偏振干涉仪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 (7)
1.一种偏振不敏感共轭零差探测装置，其特征在于，包括环形器CIR、第一偏振分束器PBS1、臂长差可切换不等臂偏振干涉仪、第一光电探测器PD1以及第二光电探测器PD2，
环形器CIR的端口1作为探测装置的输入端口，环形器CIR的端口3连接第一光电探测器PD1；
第一偏振分束器PBS1的两个输入端口分别连接环形器CIR的端口2和第二光电探测器PD2；
第一偏振分束器PBS1的两个输出端口通过保偏光纤连接臂长差可切换不等臂偏振干涉仪的两个端口；
臂长差可切换不等臂偏振干涉仪的两个端口前各设置有一个45°偏振旋转模块；
臂长差可切换不等臂偏振干涉仪包含长短臂，用于使短臂上光信号中前一个子信号到达时选择较长的路径，使后一个子信号到达时选择较短的路径，以使二者的时间差由τ变为-τ；并用于对延时较大的子信号进行移相；
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所述的偏振不敏感共轭零差探测装置，其特征在于，臂长差可切换不等臂偏振干涉仪用于将短臂上延时不同的子信号之间的相位差调节为π/2。
3.根据权利要求1或2所述的偏振不敏感共轭零差探测装置，其特征在于，臂长差可切换不等臂偏振干涉仪包括第二偏振分束器PBS2、第三偏振分束器PBS3、第一光开关OS1和第一移相器PS1，
第二偏振分束器PBS2的输入端口和第三偏振分束器PBS3的输出端口分别作为臂长差可切换不等臂偏振干涉仪的两个端口；
第二偏振分束器PBS2的一个输出端口与第三偏振分束器PBS3的一个输入端口通过光纤L1相连，作为臂长差可切换不等臂偏振干涉仪的长臂，所述光纤L1为保偏光纤；
第二偏振分束器PBS2的另一个输出端口与第三偏振分束器PBS3的另一个输入端口分别通过一段光纤L2对应连接第一光开关OS1的一个输入端口和一个输出端口；两段光纤L2构成臂长差可切换不等臂偏振干涉仪的短臂，所述光纤L2为保偏光纤；
第一光开关OS1的另一个输出端口和另一个输入端口通过光纤L3相连，构成环形路径，第一移相器PS1设置在环形路径上，光信号在环形路径内的传播时间为2τ。
4.根据权利要求1或2所述的偏振不敏感共轭零差探测装置，其特征在于，臂长差可切换不等臂偏振干涉仪包括第四偏振分束器PBS4、第二光开关OS2、第二移相器PS2、第一法拉第镜FM1、第二法拉第镜FM2和第三法拉第镜FM3，
第四偏振分束器PBS4的两个输入端口分别作为臂长差可切换不等臂偏振干涉仪的两个端口；
第四偏振分束器PBS4的一个输出端口通过光纤L4连接第一法拉第镜FM1，作为臂长差可切换不等臂偏振干涉仪的长臂；
第四偏振分束器PBS4的另一个输出端口通过光纤L5连接第二光开关OS2的输入端口；
第二光开关OS2的两个输出端口分别通过光纤L6和光纤L7连接第二法拉第镜FM2和第三法拉第镜FM3；
光纤L7上设置有第二移相器PS2；
光纤L5和光纤L6之和作为臂长差可切换不等臂偏振干涉仪的短臂；
光纤L7与光纤L6的长度差对应的时间差为τ。
5.根据权利要求1或2所述的偏振不敏感共轭零差探测装置，其特征在于，臂长差可切换不等臂偏振干涉仪包括第四偏振分束器PBS4、第二光开关OS2、第二移相器PS2、第五偏振分束器PBS5和第六偏振分束器PBS6，
第四偏振分束器PBS4的两个输入端口分别作为臂长差可切换不等臂偏振干涉仪的两个端口；
第四偏振分束器PBS4的一个输出端口通过光纤L8连接第五偏振分束器PBS5的输入端口，作为臂长差可切换不等臂偏振干涉仪的长臂；
第五偏振分束器PBS5的两个输出端口通过保偏光纤连接，构成第一萨格纳克环；
第四偏振分束器PBS4的另一个输出端口通过光纤L9连接第二光开关OS2的输入端口；
第二光开关OS2的两个输出端口分别通过光纤L10和光纤L11连接第六偏振分束器PBS6的两个输入端口；
第六偏振分束器PBS6的两个输出端口通过保偏光纤连接，构成第二萨格纳克环；
光纤L11上设置有第二移相器PS2；
光纤L9和光纤L10之和作为臂长差可切换不等臂偏振干涉仪的短臂；
光纤L11与光纤L10的长度差对应的时间差为τ。
6.根据权利要求1或2所述的偏振不敏感共轭零差探测装置，其特征在于，臂长差可切换不等臂偏振干涉仪包括第四偏振分束器PBS4、第三光开关OS3、第四光开关OS4、第三移相器PS3、第一四分之一波片反射镜QM1和第二四分之一波片反射镜QM2，
第四偏振分束器PBS4的两个输入端口分别作为臂长差可切换不等臂偏振干涉仪的两个端口；
第四偏振分束器PBS4的一个输出端口通过光纤L12连接第三光开关OS3的一个输出端口；
第三光开关OS3的输入端口通过光纤L13连接第一四分之一波片反射镜QM1；光纤L12与光纤L13之和作为臂长差可切换不等臂偏振干涉仪的长臂；
第四偏振分束器PBS4的另一个输出端口通过光纤L14连接第四光开关OS4的输入端口；
第四光开关OS4的一个输出端口通过光纤L16连接第二四分之一波片反射镜QM2；光纤L14和光纤L16之和作为臂长差可切换不等臂偏振干涉仪的短臂；
第三光开关OS3的另一个输出端口与第四光开关OS4的另一个输出端口通过光纤L15连接；
光纤L15上设置有第三移相器PS3；
光纤L15、光纤L13之和与光纤L16的长度差对应的时间差为τ；
光纤L14、光纤L15之和与光纤L12的长度差对应的时间差为τ/2；
光纤L13的长度对应的时间小于τ/8。
7.根据权利要求1所述的偏振不敏感共轭零差探测装置，其特征在于，所述臂长差可切换不等臂偏振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。
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