CN118502140B - 一种偏振无关的自稳定光强调制装置 - Google Patents
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Abstract
本发明属于光保密通信技术领域，公开了一种偏振无关的自稳定光强调制装置，非偏振分束镜用于对光信号进行分束产生第一分量和第二分量；波片模组用于使第一分量和经三个反射模块反射的第二分量垂直透过；三个反射模块用于依次对经过波片模组作用后的第一分量进行反射，使第一分量垂直进入非偏振分束镜的光束透射界面；以及用于反向依次对第二分量进行反射，使第二分量经过波片模组作用后垂直进入非偏振分束镜的光束反射界面；并且使第一分量和第二分量在非偏振分束镜的分束界面上相交。与现有技术相比，本发明可以实现偏振无关的强度调制，并且无相位漂移，结构简单，具有较高的稳定性。且本发明装置可用于双向强度调制，具有更广泛的应用范围。
Description
技术领域
本发明涉及光保密通信技术领域，特别涉及一种偏振无关的自稳定光强调制装置。
背景技术
光强调制器在光通信、测量、传感等领域具有广泛的应用。常用的光强调制器为电光调制器，利用电光效应，即在外加电场的作用下，某些晶体的折射率发生变化，从而影响光波的传输特性，实现光强的调制。当前最成熟的光强调制器采用等臂-马赫曾德尔干涉仪结构，通过调节两臂相位差来实现输出光强的调制。但是干涉仪两臂的臂长差会随温度、振动等外界因素影响而发生变化，导致输出光强随时间漂移，需要时常进行工作点标定。并且，等臂-马赫曾德尔干涉仪进行干涉时需要两臂偏振相同，因此一般的光强调制器都是单偏振工作。专利CN103424894B提出一种基于Sagnac环结构的光强调制方案，不仅可以实现偏振无关的光强调制，而且比较稳定，无需进行工作点标定。但是，由于该方案中的一路输出信号会从其输入端口出射，如果在应用中需要利用该路输出信号时，则需要加入偏振无关的环形器来将其与输入信号分开；而当在有些应用中，该路输出信号则会成为有害信号，需要加入隔离器。另外，该方案无法用于双向强度调制，使得应用场景进一步受限。
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自稳定光强调制装置。
本发明的技术方案是这样实现的：
一种偏振无关的自稳定光强调制装置，包括非偏振分束镜NPBS、波片模组、电光相位调制器PM、第一反射模块、第二反射模块和第三反射模块，
所述非偏振分束镜NPBS的分束界面与第一反射模块和第三反射模块的反射界面平行，并与第二反射模块的反射界面垂直；
所述非偏振分束镜NPBS用于对输入至其光束入射界面的光信号进行分束，产生分别从其光束反射界面和透射界面出射的第一分量和第二分量；
波片模组位于非偏振分束镜NPBS光束反射的路径上，用于使第一分量和经三个反射模块反射的第二分量垂直透过，且传输矩阵为；
第一反射模块、第二反射模块和第三反射模块用于依次对经过波片模组作用后的第一分量进行反射，使第一分量垂直进入非偏振分束镜NPBS的光束透射界面；以及用于反向依次对第二分量进行反射，使第二分量经过波片模组作用后垂直进入非偏振分束镜NPBS的光束反射界面；并且使经过反射后的第一分量和第二分量在非偏振分束镜NPBS的分束界面上相交，交点与输入光信号在非偏振分束镜NPBS分束界面的入射点不同；
电光相位调制器PM用于对正向经过的第一分量和反向经过的第二分量进行相位调制。
优选地，所述波片模组为半波片HWP，其主轴方向与水平方向夹角为45°。
优选地，所述波片模组包括第一四分之一波片QWP1和第二四分之一波片QWP2，二者的主轴方向与水平方向夹角均为45°。
优选地，所述第一反射模块、第二反射模块和第三反射模块分别为第一直角棱镜RP1、第二直角棱镜RP2和第三直角棱镜RP3，其斜面作为反射面。
优选地，所述第一反射模块、第二反射模块和第三反射模块分别为第一反射镜M1、第二反射镜M2和第三反射镜M3。
优选地，所述非偏振分束镜NPBS的分束比为1：1。
优选地，所述电光相位调制器PM为双折射电光陶瓷。
优选地，所述电光相位调制器PM为铌酸锂电光调制器。
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自稳定光强调制装置，通过将输入信号光分成两路，使二者经历相同的光程，并将二者的水平偏振分量和竖直偏振分量分别各自进行交换，可以实现偏振无关的强度调制，并且无相位漂移，结构简单，具有较高的稳定性。另外，本发明装置可用于双向强度调制，具有更广泛的应用范围。
附图说明
图1为本发明偏振无关的自稳定光强调制装置的结构原理示意图；
图2为本发明实施例一的结构原理示意图；
图3为本发明实施例二的结构原理示意图。
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，一种偏振无关的自稳定光强调制装置，包括非偏振分束镜NPBS、波片模组、电光相位调制器PM、第一反射模块、第二反射模块和第三反射模块，
所述非偏振分束镜NPBS的分束界面与第一反射模块和第三反射模块的反射界面平行，并与第二反射模块的反射界面垂直；
所述非偏振分束镜NPBS用于对输入至其光束入射界面的光信号进行分束，产生分别从其光束反射界面和透射界面出射的第一分量和第二分量；
波片模组位于非偏振分束镜NPBS光束反射的路径上，用于使第一分量和经三个反射模块反射的第二分量垂直透过，且传输矩阵为；
第一反射模块、第二反射模块和第三反射模块用于依次对经过波片模组作用后的第一分量进行反射，使第一分量垂直进入非偏振分束镜NPBS的光束透射界面；以及用于反向依次对第二分量进行反射，使第二分量经过波片模组作用后垂直进入非偏振分束镜NPBS的光束反射界面；并且使经过反射后的第一分量和第二分量在非偏振分束镜NPBS的分束界面上相交，交点与输入光信号在非偏振分束镜NPBS分束界面的入射点不同；
电光相位调制器PM用于对正向经过的第一分量和反向经过的第二分量进行相位调制。
所述非偏振分束镜NPBS的分束比为1：1。
具体工作原理如下：
任意偏振态的入射光信号可写为
，
其中，分别为光信号正交偏振分量之间的相位差。
入射光信号首先垂直入射到非偏振分束镜NPBS的光束入射界面，在其分束界面被分束成第一分量和第二分量。分束镜的琼斯矩阵可写为
，
第一分量和第二分量与入射光信号的关系为
，
则第一分量和第二分量的偏振态分别为
，
反射模块、电光相位调制器PM和波片模组的琼斯矩阵分别为
，
第一分量依次经波片模组旋转偏振、第一反射模块反射、第二反射模块反射、电光相位调制器PM调相、第三反射模块反射后到达非偏振分束镜NPBS的光束透射界面，偏振态变为
，
第二分量依次经第三反射模块反射、电光相位调制器PM调相、第二反射模块反射、第一反射模块反射、波片模组旋转偏振后到达非偏振分束镜NPBS的光束透射界面，偏振态变为
，
可以看出，第一分量和第二分量经过的光程完全相等，二者同时回到非偏振分束镜NPBS，在其分束界面上相交，交点与输入光信号在分束界面的入射点不同；二者进行干涉，从NPBS的两个输出端口分别出射的第一干涉结果和第二干涉结果分别为
，
即为
，，
相应的光强分别为
，，
其中，为入射光信号的光强。
可以看出，从NPBS的两个输出端口出射的光强不会随入射光信号偏振态的变化而变化，可以实现光信号偏振无关的光强调制。另外，由于第一分量和第二分量经过的光路和器件完全相同，因此二者所经历的光程完全相等，二者所经受的光程变化也相同，二者之间不存在相位漂移，输出的光强大小仅与输入光强和调制的相位有关，无需进行工作点标定，具有较高的稳定性。
如果仅使用输入端口和其中一个输出端口，则可作为双向光强调制器。其中一个方向的光信号从输入端口进入，从一个输出端口出射经光强调制后的光信号。另一个方向的光信号从一个输出端口入射，则从输入端口出射经光强调制后的光信号，光强调制过程与前述过程类似，并且两个方向的光信号在光路中传播方向相反，互不影响。
如图2所示，本发明实施例一：
所述波片模组为半波片HWP，其主轴方向与水平方向夹角为45°。
所述第一反射模块、第二反射模块和第三反射模块分别为第一直角棱镜RP1、第二直角棱镜RP2和第三直角棱镜RP3，其斜面作为反射面。
所述非偏振分束镜NPBS的分束比为1：1。
所述电光相位调制器PM为双折射电光陶瓷。
实施例一具体工作原理如下：
任意偏振态的入射光信号可写为
，
其中，分别为光信号正交偏振分量之间的相位差。
入射光信号首先垂直入射到非偏振分束镜NPBS的光束入射界面，在其分束界面被分束成第一分量和第二分量。分束镜的琼斯矩阵可写为
，
第一分量和第二分量与入射光信号的关系为
，
则第一分量和第二分量的偏振态分别为
，
反射模块和电光相位调制器PM的琼斯矩阵分别为
，
半波片HWP的主轴方向与水平偏振方向夹角为45°，则其琼斯矩阵为
，
第一分量依次经半波片HWP旋转偏振、第一直角棱镜RP1反射、第二直角棱镜RP2反射、电光相位调制器PM调相、第三直角棱镜RP3反射后到达非偏振分束镜NPBS的光束透射界面，偏振态变为
，
第二分量依次经第三直角棱镜RP3反射、电光相位调制器PM调相、第二直角棱镜RP2反射、第一直角棱镜RP1反射、半波片HWP旋转偏振后到达非偏振分束镜NPBS的光束透射界面，偏振态变为
，
可以看出，第一分量和第二分量经过的光程完全相等，二者同时回到非偏振分束镜NPBS，在其分束界面上相交，交点与输入光信号在分束界面的入射点不同；二者进行干涉，从NPBS的两个输出端口分别出射的第一干涉结果和第二干涉结果分别为
，
即为
，，
相应的光强分别为
，，
其中，为入射光信号的光强。
可以看出，从NPBS的两个输出端口出射的光强不会随入射光信号偏振态的变化而变化，可以实现光信号偏振无关的光强调制。另外，由于第一分量和第二分量经过的光路和器件完全相同，因此二者所经历的光程完全相等，二者所经受的光程变化也相同，二者之间不存在相位漂移，输出的光强大小仅与输入光强和调制的相位有关，无需进行工作点标定，具有较高的稳定性。
如果仅使用输入端口和其中一个输出端口，则可作为双向光强调制器。其中一个方向的光信号从输入端口进入，从一个输出端口出射经光强调制后的光信号。另一个方向的光信号从一个输出端口入射，则从输入端口出射经光强调制后的光信号，光强调制过程与前述过程类似，并且两个方向的光信号在光路中传播方向相反，互不影响。
如图3所示，本发明实施例二：
所述波片模组包括第一四分之一波片QWP1和第二四分之一波片QWP2，二者的主轴方向与水平方向夹角均为45°。
所述第一反射模块、第二反射模块和第三反射模块分别为第一反射镜M1、第二反射镜M2和第三反射镜M3。
所述非偏振分束镜NPBS的分束比为1：1。
所述电光相位调制器PM为铌酸锂电光调制器。
实施例二具体工作原理如下：
任意偏振态的入射光信号可写为
，
其中，分别为光信号正交偏振分量之间的相位差。
入射光信号首先垂直入射到非偏振分束镜NPBS的光束入射界面，在其分束界面被分束成第一分量和第二分量。分束镜的琼斯矩阵可写为
，
第一分量和第二分量与入射光信号的关系为
，
则第一分量和第二分量的偏振态分别为
，
反射模块和电光相位调制器PM的琼斯矩阵分别为
，
第一四分之一波片QWP1和第二四分之一波片QWP2的主轴方向与水平方向夹角均为45°，则二者的琼斯矩阵为
，
第一四分之一波片QWP1和第二四分之一波片QWP2的共同作用为
，
第一分量依次经第一四分之一波片QWP1和第二四分之一波片QWP2旋转偏振、第一反射镜M1反射、第二反射镜M2反射、电光相位调制器PM调相、第三反射镜M3反射后到达非偏振分束镜NPBS的光束透射界面，偏振态变为
，
第二分量依次经第三反射镜M3反射、电光相位调制器PM调相、第二反射镜M2反射、第一反射镜M1反射、半波片HWP旋转偏振后到达非偏振分束镜NPBS的光束透射界面，偏振态变为
，
可以看出，第一分量和第二分量经过的光程完全相等，二者同时回到非偏振分束镜NPBS，在其分束界面上相交，交点与输入光信号在分束界面的入射点不同；二者进行干涉，从NPBS的两个输出端口分别出射的第一干涉结果和第二干涉结果分别为
，
即为
，，
相应的光强分别为
，，
其中，为入射光信号的光强。
可以看出，从NPBS的两个输出端口出射的光强不会随入射光信号偏振态的变化而变化，可以实现光信号偏振无关的光强调制。另外，由于第一分量和第二分量经过的光路和器件完全相同，因此二者所经历的光程完全相等，二者所经受的光程变化也相同，二者之间不存在相位漂移，输出的光强大小仅与输入光强和调制的相位有关，无需进行工作点标定，具有较高的稳定性。
如果仅使用输入端口和其中一个输出端口，则可作为双向光强调制器。其中一个方向的光信号从输入端口进入，从一个输出端口出射经光强调制后的光信号。另一个方向的光信号从一个输出端口入射，则从输入端口出射经光强调制后的光信号，光强调制过程与前述过程类似，并且两个方向的光信号在光路中传播方向相反，互不影响。
综合本发明各个实施例可知，本发明提出一种偏振无关的自稳定光强调制装置，通过将输入信号光分成两路，使二者经历相同的光程，并将二者的水平偏振分量和竖直偏振分量分别各自进行交换，可以实现偏振无关的强度调制，并且无相位漂移，结构简单，具有较高的稳定性。另外，本发明装置可用于双向强度调制，具有更广泛的应用范围。
Claims (8)
1.一种偏振无关的自稳定光强调制装置，其特征在于，包括非偏振分束镜NPBS、波片模组、电光相位调制器PM、第一反射模块、第二反射模块和第三反射模块，
所述非偏振分束镜NPBS的分束界面与第一反射模块和第三反射模块的反射界面平行，并与第二反射模块的反射界面垂直；
所述非偏振分束镜NPBS用于对输入至其光束入射界面的光信号进行分束，产生分别从其光束反射界面和透射界面出射的第一分量和第二分量；
波片模组位于非偏振分束镜NPBS光束反射的路径上，用于使第一分量和经三个反射模块反射的第二分量垂直透过，且传输矩阵为；
第一反射模块、第二反射模块和第三反射模块用于依次对经过波片模组作用后的第一分量进行反射，使第一分量垂直进入非偏振分束镜NPBS的光束透射界面；以及用于反向依次对第二分量进行反射，使第二分量经过波片模组作用后垂直进入非偏振分束镜NPBS的光束反射界面；并且使经过反射后的第一分量和第二分量在非偏振分束镜NPBS的分束界面上相交，交点与输入光信号在非偏振分束镜NPBS分束界面的入射点不同；
电光相位调制器PM用于对正向经过的第一分量和反向经过的第二分量进行相位调制。
2.根据权利要求1所述的偏振无关的自稳定光强调制装置，其特征在于，所述波片模组为半波片HWP，其主轴方向与水平方向夹角为45°。
3.根据权利要求1所述的偏振无关的自稳定光强调制装置，其特征在于，所述波片模组包括第一四分之一波片QWP1和第二四分之一波片QWP2，二者的主轴方向与水平方向夹角均为45°。
4.根据权利要求1或2或3所述的偏振无关的自稳定光强调制装置，其特征在于，所述第一反射模块、第二反射模块和第三反射模块分别为第一直角棱镜RP1、第二直角棱镜RP2和第三直角棱镜RP3，其斜面作为反射面。
5.根据权利要求1或2或3所述的偏振无关的自稳定光强调制装置，其特征在于，所述第一反射模块、第二反射模块和第三反射模块分别为第一反射镜M1、第二反射镜M2和第三反射镜M3。
6.根据权利要求1所述的偏振无关的自稳定光强调制装置，其特征在于，所述非偏振分束镜NPBS的分束比为1：1。
7.根据权利要求1所述的偏振无关的自稳定光强调制装置，其特征在于，所述电光相位调制器PM为双折射电光陶瓷。
8.根据权利要求1所述的偏振无关的自稳定光强调制装置，其特征在于，所述电光相位调制器PM为铌酸锂电光调制器。
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