CN1519604A - 偏振分析外差光接收器 - Google Patents

Abstract

通过测量电信号的幅度，而无需进行相位测量，可以确定外差接收器输入端的光波偏振。这样允许在噪声存在情况下进行更精确的测量，并且可以确定光波的偏振度。

Description

偏振分析外差光接收器

技术领域

本发明一般地涉及偏振分析外差光接收器，更具体地，本发明涉及一种通过测量电信号的幅度而无需进行相位测量即可确定输入光波的偏振特性的偏振分析外差光接收器。

背景技术

通过检测透过特定的偏振滤光器的光功率，可以确定光波的偏振状态。常规的旋光仪一般测定光功率P₀-P₃来确定Stokes参数S₀-S₃。因此，S₀-S₃通过以下公式给出：

                        S₀＝P₀                            (1)

                        S₁＝2P₁-P₀                      (2)

                        S₂＝2P₂-P₀                      (3)

                        S₃＝2P₃-P₀                      (4)

依据Stokes参数，偏振度p可以通过以下公式计算得到：

$P=\frac{\sqrt{(S_1^2+S_2^2+S_3^2)}}{S_0}--\left(5\right)$

图1a示出了常规的空间分割(space-division)旋光仪100，其中输入端101的光波分为四束分离的光波，并且所获得的光波被平行处理。输出端102的光波通过水平线偏振器115，提供P₁。输出端103的光波通过45度线偏振器120，提供P₂。输出端104的光波通过四分之一波片125和45度线偏振器，提供作为圆偏振光的度量的P₃。四分之一波片125将输入光波的圆偏振部分转化为线性45度光波，该光波通过45度线偏振器130。输出端105的光波直接传出，提供与总功率成比例的P₀。因此，应用方程(1)-(5)，从旋光仪100所进行的测量中，可以确定偏振度。

有些外差光接收器，譬如安捷伦科技的81910A和83453A，可被配置成用来测量被接收的光场的偏振。在这些偏振分析外差光接收器中，必须测量出来自接收器的两个电信号之间的相位差，以确定被接收的光场的偏振。这种相位测量比较困难，尤其当电信号中含有较大噪声时。此外，这些外差光接收器的测量无法确定偏振度。因此，一种能够克服这些困难并且能提供通常由常规旋光仪提供的数据的外差光接收系统是合乎需要的。

发明内容

根据本发明，通过测量电信号的幅度，而无需进行相位测量，即可确定外差接收器输入端的光波的偏振。这样使得有可能在噪声存在情况下更准确地测量偏振，并且能确定光波的偏振度。所有这些偏振分析接收器都可以是平衡接收器，以减小强度噪声。

附图说明

图1a示出了现有技术的旋光仪的简化图。

图1b示出了本发明的一种偏振分析外差接收器的构思。

图2a和2b示出了本发明中放置偏振合成器或者波片的可选位置。

图3示出了本发明的一个实施例。

图4示出了本发明的一个实施例。

图5示出了本发明的一种偏振分析接收器的一个实施例。

图6示出了本发明的一个实施例。

具体实施方式

图1b示出了本发明的一种偏振分析外差接收器的构思。当具有未知偏振的输入信号与x(t)cosω₂t成比例时，扫频本地振荡器参考源175提供具有一定线偏振、与cosω₁t成比例的参考信号。一般，接收器185的无线频率输出与2x(t)cosθcos(ω₁-ω₂)t成比例，其中θ是信号输入和参考信号偏振之间的夹角。接收器185检测到的信号幅度与2x(t)cosθ成比例，该值等于通过放置成与输入信号的偏振成θ角的偏振器的输入信号的输出值。

根据本发明，如图2a和2b所示，偏振合成器或者波片可以分别放置在信号通道或者本地振荡器通道中。这两种情况可以使用Jones矩阵分析检验。图2a中以简化形式表示的例1假定偏振合成器201或者波片201位于信号通道205。图2b中以简化形式表示的例2假定偏振合成器201或者波片201位于本地振荡器通道206。假定J_s代表位于信号通道205的偏振合成器201的Jones矩阵，其中S代表信号；J_L代表位于本地振荡器通道206的偏振合成器201的Jones矩阵，其中L代表本地振荡器。耦合器207合并信号通道205和本地振荡器通道206。例1中接收器210测到的外差强度信号R₁用Jones矩阵形式可以写为：

          R₁＝L^T[J_sS]^*+[J_sS]^TL^*                       (6)

其中T表示矩阵转置，^*表示复共轭。类似地，例2中接收器210测到的外差强度信号R₂用Jones矩阵形式可以写为：

          R₂[J_LL]^TS^*+S^T[J_LL]^*                         (7)

为使强度相等，设定R₁＝R₂，推导出如下结果：

$J_L=J_s^{-1}---\left(8\right)$

因此，如果用位于本地振荡器通道206的偏振合成器构成偏振分析外差接收器，只要满足方程(8)，结果等价于信号通道205里放置有偏振合成器。

图3示出了本发明的一个实施例。一般地，扫频窄线宽光源310用来提供外差系统需要的扫频本地振荡器参考源。光源310通过单模光纤315连接到偏振器320。偏振器320通过偏振保持光纤325连接到四路分束器335。四路分束器335将参考光波分为四束，进入偏振保持光纤345、346、347和348。偏振保持光纤345、346、347和348将四路分束器335分别连接到单偏振接收器360、单偏振接收器365、单偏振接收器370和偏振分集接收器375。一输入信号光波进入单模光纤330上的四路分束器340，该信号光波被分为四束进入单模光纤351、352、353和354。单模光纤353耦合穿过四分之一波片355。如图3所示，单模光纤351、352、353和354也被分别连接到单偏振接收器360、单偏振接收器365、单偏振接收器370和偏振分集接收器375。注意，接收器360、365、370和375可以是平衡接收器以减小强度噪声。

偏振器320接收发自光源310的参考光波，确保进入偏振保持光纤325的参考光波线性偏振并与偏振保持光纤325的偏振方向严格对齐。参考光波被四路分束器335分束，进入偏振保持光纤345、346、347和348后，偏振仍被保持。偏振保持光纤345一般被定向为使得进入单偏振接收器360的参考光波的线性偏振为0度。偏振保持光纤346一般被定向为使得进入单偏振接收器365的参考光波的线性偏振为45度。偏振保持光纤347一般被定向为使得进入单偏振接收器370的参考光波的线性偏振为45度。四分之一波延迟器355将进入位于单模光纤353上的单偏振接收器370的信号光波的圆偏振部分，在单偏振接收器370接收之前，转化为45度线性偏振光。因此，进入单偏振接收器370的信号光波的偏振为45度。单偏振接收器360、365和370起偏振敏感光外差接收器的作用，将输入光波转化为电信号。电信号输出与在参考光波方向上偏振的输入信号光波分量的强度有关。因此，单偏振接收器360、365和370的电输出值分别提供了P₁、P₂和P₃的测量值。

偏振分集接收器375起相干接收器的作用，将输入光波转化为电信号。该电信号输出与输入信号光波的总强度有关。因此，偏振分集接收器375的电输出值提供了P₀的测量值。

图4示出了本发明的一个实施例。扫频窄线宽光源410提供外差系统需要的扫频本地振荡器参考源。光源410通过单模光纤415连接到偏振器420。偏振器420通过偏振保持光纤425连接到三路分束器435。三路分束器435将参考信号光波分为三束进入偏振保持光纤445、446和448。偏振保持光纤445和446将三路分束器435分别连接到偏振分析接收器480、单偏振接收465和单偏振接收器470。偏振保持光纤448通过四分之一波延迟器455连接到单模光纤449。单模光纤449连接四分之一波延迟器455到单偏振接收器470。或者，四分之一波延迟器455可以放置在位于单模光纤453和接收器470之间的输入信号通道里。输入信号光波进入单模光纤430上的三路分束器440，该信号光波被分为三束进入单模光纤451、452和453。单模光纤451、452和453也连接到偏振分析接收器480、单偏振接收465和单偏振接收器470。注意，接收480、465和470可以是平衡接收器，以减小强度噪声。

偏振器420接收发自光源410的参考光波，确保进入偏振保持光纤425的参考光波线性偏振并与偏振保持光纤425的偏振方向严格对齐。参考光波被三路分束器435分束进入偏振保持光纤445、446和448后，偏振仍被保持。偏振保持光纤445被定向为使得进入偏振分析接收器480的参考光波的线性偏振为45度。偏振保持光纤446被定向为使得进入单偏振接收器465的参考光波的线性偏振为45度。偏振保持光纤448被连接到四分之一波延迟器455。四分之一波延迟器455将来自偏振保持光纤448的线性偏振参考光波转化为圆偏振光，该圆偏振光通过单模光纤449上的单偏振接收器470的。单偏振接收器465和470起偏振敏感光外差接收器的作用，将输入光波转化为电信号。电信号输出与在参考光波方向上偏振的输入信号光波分量的强度有关。单偏振接收器465和470的电输出值分别对应P₂和P₃，可得到P₂和P₃的测量值。

偏振分析接收器480提供两个输出x和y，其中x与在x方向上偏振的输入光波成比例，y与在y方向上偏振的输入光波成比例。图5示出了图4中本发明的偏振分析接收器480的一个实施例。偏振分束器530将来自扫频窄线宽光源410、45度偏振的入射光波分为两个相等的分量，这两个分量再与来自单模光纤451的输入光波混合。该输入信号相对于偏振分束器530以未知角度θ偏振，并按照cosθ(x方向)和sinθ(y方向)被分束。因为来自扫频窄线宽光源410的参考光波以45度角偏振，所以参考光波在光电检测器545和550之间被等分。在数字处理器499中将来自光电检测器545和550的电输出先平方，再求和，得到一与未知角θ无关的信号；再将该信号值开平方根，得到总功率P₀。x方向上的信号与0度偏振方向上的功率成比例，其被换算器490换算为P₁。确定了P₀、P₁、P₂和P₃，即可计算Stokes参数以及描述输入信号的偏振度的特性。

图6示出了本发明使用偏振合成器630的一个实施例。通过引入偏振合成器630，图6中示出的实施例中将需要的接收器的个数减少到一个。扫频窄线宽光源610通过单模光纤615耦合到偏振器620。偏振器620通过偏振保持光纤605耦合到偏振合成器630。一般，为了分辨和明确定义偏振合成器的输出，明确定义的输入偏振是必要的；这一点可以通过用偏振保持光纤605将偏振器620耦合到偏振合成器630实现。偏振合成器630通过单模光纤640耦合到偏振分析接收器660。偏振分析接收器660类似于图5中示出的偏振分析接收器480，具有x和y两个分量输出。偏振分析接收器660一般是平衡接收器。偏振分析接收器660还被耦合以接收输入信号651。偏振分析接收器660起相干接收器的作用，将输入光波转化为电信号。本实施例中，对每一光频都进行了四次独立的测量；在偏振合成器的四种设置的每一种情况下测量一次，其中偏振合成器设置成0度用于测量P₁，45度用于测量P₂，圆偏振用于测量P₃，以及90度用于测量 $\sqrt{(P_0^2-P_1^2)};$ 并且每一次测量都产生x和y分量。这样，一般通过数字处理器(未示出)，就可以确定输入信号651的偏振度和Stokes参数S₀-S₃。

虽然本发明是结合特定的实施例描述的，但显然，对本领域的技术人员而言，根据前面的描述，许多替换、变更和变化都是明显的。因此，本发明旨在涵盖所有其它这种落在所附的权利要求的精神和范围内的替换、变更和变化。

Claims (20)

1.一种偏振分析外差接收器装置，包括：

光源；

耦合到所述光源的偏振合成器；和

耦合到所述偏振合成器和输入信号线上的偏振分析接收器，其中所述的偏振分析接收器能够输出与在所述的偏振合成器所选择的偏振方向上的功率相关的信号。

2.如权利要求1所述的装置，其中所述的光源是扫频窄线宽光源。

3.如权利要求1所述的装置，其中利用偏振保持光纤所述的光源被耦合到所述的偏振合成器。

4.如权利要求1所述的装置，其中利用单模光纤所述的偏振合成器被耦合到所述的偏振分析接收器。

5.如权利要求1所述的装置，其中所述的偏振方向是圆形的。

6.如权利要求1所述的装置，其中所述的偏振分析接收器能够输出第一和第二输出信号。

7.如权利要求1所述的装置，其中所述的光源和所述的偏振合成器之间插入了偏振器。

8.一种偏振分析外差接收器装置，包括：

光源；

耦合到所述光源的第一分束器；

耦合到所述的第一分束器的多个偏振接收器；和

耦合到所述的多个偏振接收器和输入信号线上的第二分束器，以使所述的多个偏振接收器中的每一个偏振接收器能够输出与光功率成比例的电信号。

9.如权利要求8所述的装置，其中利用偏振保持光纤所述的第一分束器被耦合到所述的多个偏振接收器中的至少一个偏振接收器。

10.如权利要求8所述的装置，其中所述的光源是扫频窄线宽光源。

11.如权利要求8所述的装置，其中所述的光源和所述的第一分束器之间插入了偏振器。

12.如权利要求8所述的装置，其中所述的第二分束器和所述的多个偏振接收器中的一个偏振接收器之间插入了波片。

13.如权利要求8所述的装置，其中所述的多个偏振接收器中的一个偏振接收器被耦合到换算器。

14.如权利要求8所述的装置，其中所述的多个偏振接收器中的一个偏振接收器能够输出第一和第二输出信号，所述的第一输出信号与在x方向上偏振的输入光波成比例并且所述的第二输出信号与在y方向上偏振的输入光波成比例。

15.如权利要求8所述的装置，其中所述的多个偏振接收器中的一个偏振接收器是偏振分集接收器。

16.如权利要求8所述的装置，其中所述的第一分束器和所述的多个偏振接收器中的一个偏振接收器之间插入了波片。

17.一种制作偏振分析外差接收器的方法，包括：

提供光源；

提供耦合到所述光源上的偏振合成器；和

提供耦合到所述偏振合成器和输入信号线上的偏振分析接收器，其中所述的偏振分析接收器能够输出与在所述的偏振合成器所选择的偏振方向上的功率相关的信号。

18.如权利要求17所述的方法，其中所述的光源是扫频窄线宽光源。

19.如权利要求17所述的方法，其中利用偏振保持光纤所述的光源被耦合到所述的偏振合成器。

20.如权利要求17所述的方法，其中利用单模光纤所述的偏振合成器被耦合到所述的偏振分析接收器。

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