CN209373256U - 偏振无关相位调制装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型提出一种偏振无关相位调制装置。该偏振无关相位调制装置包括偏振分束器和相位调制器，偏振分束器具有输入端口和两个输出端口，偏振分束器的两个输出端口经传输光路彼此光耦合，其中传输光路包括偏振正交旋转装置，相位调制器在偏振分束器前端光耦合至偏振分束器的输入端口或者设置于传输光路上。根据本实用新型的方案，通过偏振分束器将输入光脉冲偏振分束为偏振态相互正交的两路光脉冲，并通过偏振分束器两个输出端口之间的偏振正交旋转装置将输入偏振分束器的每个偏振态转换为其正交偏振态后返回偏振分束器以由偏振分束器输出，由此能够实现偏振无关相位调制。本实用新型可广泛应用于如量子通信、光纤传感和光纤通信等多个领域。

Description

偏振无关相位调制装置

技术领域

本实用新型涉及光传感、光通信和光传输保密通信技术领域，尤其涉及一种偏振无关相位调制装置。

背景技术

量子保密通信技术是量子物理与信息科学相结合的前沿热点领域。基于量子密钥分发技术和一次一密密码原理，量子保密通信可在公开信道实现信息的安全传输。量子密钥分发基于量子力学海森堡不确定关系、量子不可克隆定理等物理原理，能够实现在用户之间安全地共享密钥，并可以检测到潜在的窃听行为，可应用于国防、政务、金融、电力等高安全信息传输需求的领域。

量子密钥分发的一个重要环节是对光量子信号的编码和解码。目前，地面量子密钥分发主要基于光纤信道传输，采用相位编码和解码是光纤信道量子密钥分发的主要方式之一。利用波导相位调制器能够实现高速、低压的光量子信号编码和解码。现有商用波导相位调制器多数是偏振相关的，例如单偏振波导相位调制器只对一个偏振方向进行相位调制，双折射波导相位调制器对两个偏振方向都进行相位调制但调制效率不同。如何有效地实现偏振无关相位调制是量子通信以及光纤传感和光纤通信领域的热点和难题。

实用新型内容

本实用新型的主要目的在于提出一种能够实现偏振无关相位调制的偏振无关相位调制装置，其可应用于如量子通信、光纤传感和光纤通信等领域以实现偏振无关相位调制。

本实用新型提供至少以下技术方案：

1.一种偏振无关相位调制装置，包括偏振分束器和相位调制器，所述偏振分束器具有输入端口和两个输出端口，所述偏振分束器的两个输出端口经传输光路彼此光耦合，其中所述传输光路包括偏振正交旋转装置，所述相位调制器在所述偏振分束器前端光耦合至所述偏振分束器的输入端口，或者所述相位调制器设置于所述传输光路上。

2.根据方案1所述的偏振无关相位调制装置，其特征在于，所述传输光路本身构成偏振正交旋转装置，由扭转90度的保偏光纤形成使得由所述偏振分束器的两个输出端口输出的光脉冲均耦合至所述保偏光纤的慢轴进行传输或均耦合至所述保偏光纤的快轴进行传输。

3.根据方案1所述的偏振无关相位调制装置，其特征在于，所述传输光路由包含奇数个90度熔接点的保偏光纤形成，所述奇数个90度熔接点充当偏振正交旋转装置。

4.根据方案1所述的偏振无关相位调制装置，其特征在于，所述偏振正交旋转装置为设置于所述传输光路上的半波片，输入所述半波片的光脉冲的极化方向与所述半波片的快轴或慢轴的夹角为45度。

5.根据方案4所述的偏振无关相位调制装置，其特征在于，所述传输光路为保偏光纤光路，形成所述传输光路的保偏光纤的慢轴与所述半波片的快轴或慢轴的夹角为45度。

6.根据方案1所述的偏振无关相位调制装置，其特征在于，所述偏振正交旋转装置为设置于所述传输光路上的90度法拉第旋转器。

7.根据方案1所述的偏振无关相位调制装置，其特征在于，所述相位调制器在所述偏振分束器前端光耦合至所述偏振分束器的输入端口，为双折射相位调制器。

8.根据方案1所述的偏振无关相位调制装置，其特征在于，所述相位调制器设置于所述传输光路上，为双折射相位调制器或者单偏振相位调制器。

9.根据方案8所述的偏振无关相位调制装置，其特征在于，所述偏振无关相位调制装置还包括光环形器，所述光环形器被设置于所述偏振分束器的前端，所述光环形器包括第一端口、第二端口和第三端口，其中，从所述光环形器的第一端口输入的光脉冲经由所述光环形器的第二端口输出至所述偏振分束器，从所述偏振分束器输出至所述光环形器的第二端口的光脉冲经由所述光环形器的第三端口输出。

10.根据方案7所述的偏振无关相位调制装置，其特征在于，所述偏振无关相位调制装置还包括光环形器，所述光环形器被设置于所述相位调制器的前端，所述光环形器包括第一端口、第二端口和第三端口，其中，从所述光环形器的第一端口输入的光脉冲经由所述光环形器的第二端口输出至所述相位调制器，从所述相位调制器输出至所述光环形器的第二端口的光脉冲经由所述光环形器的第三端口输出。

本实用新型通过创造性的构造，使得能够实现偏振无关相位调制，由此实现了意想不到的有益效果。具体而言，根据本实用新型的方案，通过偏振分束器将输入光脉冲偏振分束为偏振态相互正交的两路光脉冲，并通过偏振分束器两个输出端口之间的偏振正交旋转装置将输入偏振分束器的每个偏振态转换为其正交偏振态后返回偏振分束器以由偏振分束器输出，由此：在相位调制器设置于偏振分束器两个输出端口之间的传输光路上的情况下，偏振分束得到的两路光脉冲以相同的偏振态通过相位调制器、从而经受相同的相位调制，或者在相位调制器设置于偏振分束器前端的情况下，输入光脉冲往返通过相位调制器时均经受相位调制；如此，即能够实现偏振无关相位调制。本实用新型提供了一种易于实现的偏振无关相位调制方案，可广泛应用于如量子通信、光纤传感和光纤通信等多个领域。

附图说明

图1为本实用新型一优选实施例的的偏振无关相位调制装置的组成结构示意图；

图2为本实用新型另一优选实施例的的偏振无关相位调制装置的组成结构示意图；

图3为本实用新型另一优选实施例的的偏振无关相位调制装置的组成结构示意图；

图4为本实用新型另一优选实施例的的偏振无关相位调制装置的组成结构示意图；

图5为本实用新型另一优选实施例的的偏振无关相位调制装置的组成结构示意图；

图6为本实用新型另一优选实施例的的偏振无关相位调制装置的组成结构示意图；

图7为本实用新型另一优选实施例的的偏振无关相位调制装置的组成结构示意图；

图8为本实用新型另一优选实施例的的偏振无关相位调制装置的组成结构示意图；

图9为本实用新型另一优选实施例的的偏振无关相位调制装置的组成结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图来具体描述本实用新型的优选实施例，其中，附图构成本申请一部分，并与本实用新型的实施例一起用于阐释本实用新型的原理。为了清楚和简化目的，当其可能使本实用新型的主题模糊不清时，对本文所描述的器件的已知功能和结构的详细具体说明将省略。

本发明一优选实施例的一种偏振无关相位调制装置如图1所示，包括以下组成部分：相位调制器101；偏振分束器102，偏振分束器102包括输入端口、第一输出端口和第二输出端口；将偏振分束器102的第一输出端口和第二输出端口光耦合的传输光路，该传输光路包括偏振正交旋转装置103。

相位调制器101位于偏振分束器102前端，用于对往返传输通过其的光脉冲进行相位调制。

图中所示的偏振分束器102的端口A、端口B和端口C分别为输入端口、第一输出端口和第二输出端口。偏振分束器102将由端口A入射的一路输入光脉冲偏振分束为偏振态相互正交的第一路光脉冲和第二路光脉冲以分别由两个输出端口B和C输出。这里，如本领域技术人员知晓的，偏振分束器具有两个相互正交的本征偏振态例如x偏振态和y偏振态，将入射的一路输入光脉冲偏振分束为偏振态相互正交的两路光脉冲；这两路光脉冲的偏振态分别为所述偏振分束器的两个本征偏振态即x偏振态和y偏振态。

第一输出端口B通过所述传输光路光耦合至第二输出端口C。

偏振正交旋转装置103被包括于所述传输光路上，用于将经其传输的光脉冲的偏振态(偏振分束器的两个本征偏振态之一)变换为与该偏振态正交的偏振态。这里，偏振正交旋转装置是指一种能够对输入其的一个偏振态的光脉冲的偏振态作偏振正交旋转、即将输入光脉冲的偏振态变换成与其正交的偏振态的装置。举例而言，假设x偏振态和y偏振态为两个正交偏振态，输入到偏振正交旋转装置的x偏振态的光脉冲由该偏振正交旋转装置输出时偏振态变换成与x偏振态正交的偏振态即y偏振态，输入到偏振正交旋转装置的y偏振态的光脉冲由该偏振正交旋转装置输出时偏振态变换成与y偏振态正交的偏振态即x偏振态。

举例而言，假设将输入光脉冲看作由偏振态相互正交的x偏振态的第一路光脉冲和y偏振态的第二路光脉冲构成，输入的x偏振态的第一路光脉冲经相位调制器101调制相位ψ，反射回来后变为y偏振态的第一路光脉冲经相位调制器101调制相位第一路光脉冲由相位调制器调制的总相位为相应地，输入的y偏振态的第二路光脉冲经相位调制器101调制相位反射回来后变为x偏振态的第二路光脉冲经相位调制器调制相位ψ，第二路光脉冲由相位调制器调制的总相位为即，输入光脉冲的两个正交偏振态往返经相位调制器调制的相位相同，实现偏振无关的相位调制。

根据一种可能的配置，所述传输光路由保偏光纤形成，所述保偏光纤的慢轴和快轴分别保持输入该保偏光纤的光脉冲的两个正交偏振态稳定传输——即偏振态不变，且所述偏振分束器的两个输出端口和该保偏光纤构造成使得，由该偏振分束器的两个输出端口输出的光脉冲均耦合至该保偏光纤的慢轴进行传输或均耦合至该保偏光纤的快轴进行传输。这里，由该偏振分束器的两个输出端口输出的光脉冲均耦合至该保偏光纤的慢轴进行传输或均耦合至该保偏光纤的快轴进行传输可通过保偏光纤扭转90度或者扭转(90+n*180)度实现，其中n为整数。无论保偏光纤扭转或者不扭转，从保偏光纤的慢轴输入的光脉冲始终沿着慢轴传输(沿着慢轴稳定传输)，从保偏光纤的快轴输入的光脉冲始终沿着快轴传输(沿着快轴稳定传输)。在这种配置中，所述传输光路本身构成偏振正交旋转装置。

根据另一种可能的配置，所述传输光路由包含奇数个90度熔接点的保偏光纤形成，每个90度熔接点由保偏光纤慢轴与保偏光纤快轴对准熔接而成。所述奇数个90度熔接点包括1个90度熔接点或更多奇数个90度熔接点。在这种配置中，这奇数个90度熔接点充当偏振正交旋转装置103。

根据又一种可能的配置，偏振正交旋转装置103可以为半波片，所述第一路光脉冲的极化方向或所述第二路光脉冲的极化方向与所述半波片的快轴或慢轴的夹角为45度。在这种配置下，所述传输光路可以为保偏光纤光路，形成所述传输光路的保偏光纤的慢轴与所述半波片的快轴或慢轴的夹角为45度。

根据还一种可能的配置，所述偏振正交旋转装置103可以为90度法拉第旋转器。

相位调制器101可以是双折射相位调制器。

本发明另一优选实施例的一种偏振无关相位调制装置如图2所示，包括以下组成部分：偏振分束器201，偏振分束器201包括输入端口、第一输出端口和第二输出端口；将偏振分束器201的第一输出端口和第二输出端口光耦合的传输光路，该传输光路包括偏振正交旋转装置202；相位调制器203，设置于该传输光路上。

相位调制器203用于对通过其传输的光脉冲进行相位调制。

图中所示的偏振分束器201的端口A、端口B和端口C分别为输入端口、第一输出端口和第二输出端口。偏振分束器201将由端口A入射的一路输入光脉冲偏振分束为偏振态相互正交的第一路光脉冲和第二路光脉冲以分别由两个输出端口B和C输出。

第一输出端口B通过所述传输光路光耦合至第二输出端口C。

偏振正交旋转装置202被包括于所述传输光路上，用于将经其传输的光脉冲的偏振态变换为与该偏振态正交的偏振态。

举例而言，假设将输入光脉冲看作由偏振态相互正交的x偏振态的第一路光脉冲和y偏振态的第二路光脉冲构成，经偏振分束器201偏振分束产生的x偏振态的第一路光脉冲经相位调制器203调制相位χ，并经偏振正交旋转后变换为y偏振态的第一路光脉冲，y偏振态的第一路光脉冲输入偏振分束器201后由偏振分束器的输入端口输出；经偏振分束器201偏振分束产生的y偏振态的第二路光脉冲经偏振正交旋转后变换为x偏振态的第二路光脉冲，x偏振态的第二路光脉冲经相位调制器203调制相位χ后输入至偏振分束器201由偏振分束器的输入端口输出。即，输入光脉冲的两个正交偏振态经受相同的相位调制，实现偏振无关的相位调制。

根据一种可能的配置，所述传输光路由保偏光纤形成，所述保偏光纤的慢轴和快轴分别保持输入该保偏光纤的光脉冲的两个正交偏振态稳定传输——即偏振态不变，且所述偏振分束器的两个输出端口和该保偏光纤构造成使得，由该偏振分束器的两个输出端口输出的光脉冲均耦合至该保偏光纤的慢轴进行传输或均耦合至该保偏光纤的快轴进行传输。这里，由该偏振分束器的两个输出端口输出的光脉冲均耦合至该保偏光纤的慢轴进行传输或均耦合至该保偏光纤的快轴进行传输可通过保偏光纤扭转90度或者扭转(90+n*180)度实现，其中n为整数。无论保偏光纤扭转或者不扭转，从保偏光纤的慢轴输入的光脉冲始终沿着慢轴传输(沿着慢轴稳定传输)，从保偏光纤的快轴输入的光脉冲始终沿着快轴传输(沿着快轴稳定传输)。在这种配置中，所述传输光路本身构成偏振正交旋转装置。

根据另一种可能的配置，所述传输光路由包含奇数个90度熔接点的保偏光纤形成，每个90度熔接点由保偏光纤慢轴与保偏光纤快轴对准熔接而成。所述奇数个90度熔接点包括1个90度熔接点或更多奇数个90度熔接点。在这种配置中，这奇数个90度熔接点充当偏振正交旋转装置203。

根据又一种可能的配置，偏振正交旋转装置203可以为半波片，所述第一路光脉冲的极化方向或所述第二路光脉冲的极化方向与所述半波片的快轴或慢轴的夹角为45度。在这种配置下，所述传输光路可以为保偏光纤光路，形成所述传输光路的保偏光纤的慢轴与所述半波片的快轴或慢轴的夹角为45度。

根据还一种可能的配置，所述偏振正交旋转装置203可以为90度法拉第旋转器。

相位调制器203可以是单偏振相位调制器或双折射相位调制器。单偏振相位调制器对一个偏振态施加相位调制、对另一个偏振态截止。双折射相位调制器适于对通过其的两个正交偏振态施加不同的可调的相位调制。例如，双折射相位调制器可以为铌酸锂相位调制器，通过控制施加至铌酸锂晶体的电压，可以对通过该铌酸锂相位调制器的两个正交偏振态各自所经受的相位调制进行控制和调整。

有利地，由偏振分束器201偏振分束得到的第一路光脉冲从偏振分束器201传输至相位调制器203的时间与由偏振分束器201偏振分束得到的第二路脉冲从偏振分束器201传输至相位调制器203的时间相同，即由偏振分束器201偏振分束得到的第一路光脉冲和第二路光脉冲同时到达相位调制器203——在这种情况下，相位调制器203调制一次就能够对第一路光脉冲和第二路光脉冲完成相同的相位调制。由偏振分束器201偏振分束得到的第一路光脉冲和第二路光脉冲不同时到达相位调制器203也是可能的，只是在这种情况下，相位调制器203需要分别对第一路光脉冲和第二路光脉冲进行调制且对它们调制的相位需保持相同。

相位调制器203可位于所述传输光路的中点处。

本发明另一优选实施例的一种偏振无关相位调制装置如图3所示，包括以下组成部分：双折射相位调制器302、偏振分束器303、保偏光纤304。

双折射相位调制器302一侧的端口301作为装置的输入端口和输出端口。偏振分束器303包括端口A、端口B、端口C三个端口。端口A、端口B、端口C可分别称为输入端口、第一输出端口、第二输出端口。偏振分束器303的端口B和端口C通过保偏光纤304连接。由偏振分束器303的端口B和端口C输出的光脉冲均耦合至保偏光纤304的慢轴传输或均耦合至该保偏光纤的快轴传输。

工作时，输入光脉冲经双折射相位调制器302的端口301输入双折射相位调制器302。输入光脉冲可以看作由两个正交偏振态构成，所述两个正交偏振态可分别记为x偏振态和y偏振态。双折射相位调制器302对输入光脉冲的两个正交偏振态即x偏振态和y偏振态进行相位调制后由偏振分束器303的端口A输入偏振分束器303。偏振分束器303将输入光脉冲偏振分束为x偏振态的第一路光脉冲和y偏振态的第二路光脉冲，以分别由偏振分束器303的端口B和端口C输出。由偏振分束器303的端口B输出的x偏振态的第一路光脉冲耦合至保偏光纤304的慢轴传输，并沿保偏光纤304的慢轴传输至偏振分束器303的端口C，在端口C处第一路光脉冲由保偏光纤304的慢轴耦合至偏振分束器303，耦合至偏振分束器303的端口C的第一路光脉冲的偏振态为y偏振态；y偏振态的第一路光脉冲由偏振分束器303的端口A输出。也即实现由端口A输入的输入光脉冲的x偏振态分量在由装置反射后由端口A输出时变换为y偏振态。由偏振分束器303的端口C输出的y偏振态的第二路光脉冲耦合至保偏光纤304的慢轴传输，并沿保偏光纤304的慢轴传输至偏振分束器303的端口B，在端口B处第二路光脉冲由保偏光纤304的慢轴耦合至偏振分束器303，耦合至偏振分束器303的端口B的第二路光脉冲的偏振态为x偏振态；x偏振态的第二路光脉冲由偏振分束器303的端口A输出。也即实现由端口A输入的输入光脉冲的y偏振态分量在由装置反射后由端口A输出时变换为x偏振态。利用上述的保偏光纤304对两个正交偏振态作偏振正交旋转，使得输入光脉冲的x偏振态和y偏振态之间的相位与输出光脉冲的y偏振态和x偏振态之间的相位保持相同。反射回来的光脉冲再次经双折射相位调制器302进行相位调制。因输入光脉冲的两个正交偏振态由装置反射回来时每个正交偏振态均变换为与其正交的偏振态，从而输入光脉冲的两个正交偏振态往返两次经双折射相位调制器进行调制的总的相位相同，即实现偏振无关相位调制。

偏振分束器303的端口B和端口C可均耦合至保偏光纤304的快轴，上述结果不受影响。

本发明另一优选实施例的一种偏振无关相位调制装置如图4所示，包括以下组成部分：双折射相位调制器402、偏振分束器403、保偏光纤404，以及90度熔接点405。

双折射相位调制器402一侧的端口401作为装置的输入端口和输出端口。偏振分束器403包括端口A、端口B、端口C三个端口。端口A、端口B、端口C可分别称为输入端口、第一输出端口、第二输出端口。偏振分束器403的端口B和端口C通过保偏光纤404连接。由偏振分束器403的端口B输出的光脉冲耦合至保偏光纤404的慢轴且由偏振分束器403的端口C输出的光脉冲耦合至保偏光纤404的快轴，或者由偏振分束器403的端口B输出的光脉冲耦合至保偏光纤404的快轴且由偏振分束器403的端口C输出的光脉冲耦合至保偏光纤404的慢轴。保偏光纤404包含90度熔接点405，90度熔接点405由保偏光纤慢轴与保偏光纤快轴对准熔接而成。

工作时，输入光脉冲经双折射相位调制器402的端口401输入双折射相位调制器402。输入光脉冲可以看作由两个正交偏振态构成，所述两个正交偏振态可分别记为x偏振态和y偏振态。双折射相位调制器402对输入光脉冲的两个正交偏振态即x偏振态和y偏振态进行相位调制后由偏振分束器403的端口A输入偏振分束器403。偏振分束器403将输入光脉冲偏振分束为x偏振态的第一路光脉冲和y偏振态的第二路光脉冲，以分别由偏振分束器403的端口B和端口C输出。由偏振分束器403的端口B输出的x偏振态的第一路光脉冲耦合至保偏光纤404的慢轴并被传输至90度熔接点405，经过90度熔接点405后沿保偏光纤404的快轴传输至偏振分束器403的端口C，在端口C处第一路光脉冲由保偏光纤404的快轴耦合至偏振分束器403；耦合至偏振分束器403的端口C的第一路光脉冲的偏振态为y偏振态，y偏振态的第一路光脉冲由偏振分束器403的端口A输出。也即实现由端口A输入的输入光脉冲的x偏振态分量在由装置反射后由端口A输出时变换为y偏振态。由偏振分束器403的端口C输出的y偏振态的第二路光脉冲耦合至保偏光纤404的快轴并被传输至90度熔接点405，经过90度熔接点405后沿保偏光纤404的慢轴传输至偏振分束器403的端口B，在端口B处第二路光脉冲由保偏光纤404的慢轴耦合至偏振分束器403；耦合至偏振分束器403的端口B的第二路光脉冲的偏振态为x偏振态，x偏振态的第二路光脉冲由偏振分束器403的端口A输出。也即实现由端口A输入的输入光脉冲的y偏振态分量在由装置反射后由端口A输出时变换为x偏振态。反射回来的光脉冲再次经双折射相位调制器402进行相位调制。因输入光脉冲的两个正交偏振态由装置反射回来时每个正交偏振态均变换为与其正交的偏振态，从而输入光脉冲的两个正交偏振态往返两次经双折射相位调制器进行调制的总的相位相同，即实现偏振无关相位调制。

尽管图4中示出了仅一个90度熔接点405，但这只是示例性的，保偏光纤404可以包含任意的奇数个90度熔接点。每个90度熔接点由保偏光纤慢轴与保偏光纤快轴对准熔接而成。在保偏光纤404包含多于1个的奇数个90度熔接点的情况下，上述结果不受影响，只是由偏振分束器403的端口B和端口C输出的第一路光脉冲和第二路光脉冲各自沿保偏光纤404传输时更多次在沿保偏光纤慢轴传输与沿保偏光纤快轴传输之间变换，变换的次数等于90度熔接点的数目。

采用上述的包含奇数个90度熔接点的保偏光纤404对两个正交偏振态作偏振正交旋转，使得输入光脉冲的x偏振态和y偏振态之间的相位与输出光脉冲的y偏振态和x偏振态之间的相位保持相同。

偏振分束器403的端口B耦合至保偏光纤404的快轴且偏振分束器403的端口C耦合至保偏光纤404的慢轴时，上述结果不受影响。

本发明另一优选实施例的一种偏振无关相位调制装置如图5所示，包括以下组成部分：双折射相位调制器502、偏振分束器503、半波片504。

双折射相位调制器502一侧的端口501作为装置的输入端口和输出端口。偏振分束器503包括端口A、端口B、端口C三个端口。端口A、端口B、端口C可分别称为输入端口、第一输出端口、第二输出端口。偏振分束器503的端口B通过传输光路与半波片504的端口D连接，偏振分束器503的端口C通过传输光路与半波片504的端口E连接。将偏振分束器503的端口B与半波片504的端口D连接的传输光路以及将偏振分束器503的端口C与半波片504的端口E连接的传输光路均为偏振保持光路，例如保偏光纤光路。由半波片504的端口D和端口E输入半波片504的光脉冲的偏振态的极化方向与半波片504的慢轴或快轴的夹角为45度。

工作时，输入光脉冲经双折射相位调制器502的端口501输入双折射相位调制器502。输入光脉冲可以看作由两个正交偏振态构成，所述两个正交偏振态可分别记为x偏振态和y偏振态。双折射相位调制器502对输入光脉冲的两个正交偏振态即x偏振态和y偏振态进行相位调制后由偏振分束器503的端口A输入偏振分束器503。偏振分束器503将输入光脉冲偏振分束为x偏振态的第一路光脉冲和y偏振态的第二路光脉冲，以分别由偏振分束器503的端口B和端口C输出。由偏振分束器503的端口B输出的x偏振态的第一路光脉冲传输至半波片504，经半波片504作偏振正交旋转后的第一路光脉冲偏振态变换为y偏振态。由半波片504的端口E输出的y偏振态的第一路光脉冲传输至偏振分束器的端口C并被输入偏振分束器503，并由偏振分束器503的端口A输出。如此，实现由端口A输入的输入光脉冲的x偏振态分量在由装置反射后由端口A输出时变换为y偏振态。由偏振分束器503的端口C输出的y偏振态的第二路光脉冲传输至半波片504，经半波片504作偏振正交旋转后的第二路光脉冲偏振态变换为x偏振态。由半波片504的端口D输出的x偏振态的第二路光脉冲传输至偏振分束器的端口B并被输入偏振分束器503，并由偏振分束器503的端口A输出。如此，实现由端口A输入的输入光脉冲的y偏振态分量在由装置反射后由端口A输出时变换为x偏振态。采用半波片504对两个正交偏振态作偏振正交旋转，使得输入光脉冲的x偏振态和y偏振态之间的相位与输出光脉冲的y偏振态和x偏振态之间的相位保持相同。反射回来的光脉冲再次经双折射相位调制器502进行相位调制。因输入光脉冲的两个正交偏振态由装置反射回来时每个正交偏振态均变换为与其正交的偏振态，从而输入光脉冲的两个正交偏振态往返两次经双折射相位调制器进行调制的总的相位相同，即实现偏振无关相位调制。

本发明另一优选实施例的一种偏振无关相位调制装置如图6所示，包括以下组成部分：双折射相位调制器602、偏振分束器603、90度法拉第旋转器604。

双折射相位调制器602一侧的端口601作为装置的输入端口和输出端口。偏振分束器603包括端口A、端口B、端口C三个端口。端口A、端口B、端口C可分别称为输入端口、第一输出端口、第二输出端口。偏振分束器603的端口B通过传输光路与90度法拉第旋转器604的端口D连接，偏振分束器603的端口C通过传输光路与90度法拉第旋转器604的端口E连接。将偏振分束器603的端口B与90度法拉第旋转器604的端口D连接的传输光路以及将偏振分束器603的端口C与90度法拉第旋转器604的端口E连接的传输光路均为偏振保持光路，例如保偏光纤光路。

工作时，输入光脉冲经双折射相位调制器602的端口601输入双折射相位调制器602。输入光脉冲可以看作由两个正交偏振态构成，所述两个正交偏振态可分别记为x偏振态和y偏振态。双折射相位调制器602对输入光脉冲的两个正交偏振态即x偏振态和y偏振态进行相位调制后由偏振分束器603的端口A输入偏振分束器603。偏振分束器603将输入光脉冲偏振分束为x偏振态的第一路光脉冲和y偏振态的第二路光脉冲，以分别由偏振分束器603的端口B和端口C输出。由偏振分束器603的端口B输出的x偏振态的第一路光脉冲传输至90度法拉第旋转器604，经90度法拉第旋转器604作偏振正交旋转后的第一路光脉冲偏振态变换为y偏振态。由90度法拉第旋转器604的端口E输出的y偏振态的第一路光脉冲传输至偏振分束器的端口C并被输入偏振分束器603，并由偏振分束器603的端口A输出。如此，实现由端口A输入的输入光脉冲的x偏振态分量在由装置反射后由端口A输出时变换为y偏振态。由偏振分束器603的端口C输出的y偏振态的第二路光脉冲传输至90度法拉第旋转器604，经90度法拉第旋转器604作偏振正交旋转后的第二路光脉冲偏振态变换为x偏振态。由90度法拉第旋转器604的端口D输出的x偏振态的第二路光脉冲传输至偏振分束器的端口B并被输入偏振分束器603，并由偏振分束器603的端口A输出。如此，实现由端口A输入的输入光脉冲的y偏振态分量在由装置反射后由端口A输出时变换为x偏振态。反射回来的光脉冲再次经双折射相位调制器602进行相位调制。因输入光脉冲的两个正交偏振态由装置反射回来时每个正交偏振态均变换为与其正交的偏振态，从而输入光脉冲的两个正交偏振态往返两次经双折射相位调制器进行调制的总的相位相同，即实现偏振无关相位调制。

本发明另一优选实施例的一种偏振无关相位调制装置如图7所示，包括以下组成部分：偏振分束器702、保偏光纤703、相位调制器704。

偏振分束器702包括端口A、端口B、端口C三个端口。端口A、端口B、端口C可分别称为输入端口、第一输出端口、第二输出端口。偏振分束器702的一个端口701，也即端口A，作为装置的输入端口和输出端口。偏振分束器702的端口B和端口C通过保偏光纤703连接。由偏振分束器702的端口B和端口C输出的光脉冲均耦合至保偏光纤703的慢轴传输或均耦合至该保偏光纤的快轴传输。相位调制器704插入连接偏振分束器702的端口B和端口C的保偏光纤703的光路上。

工作时，输入光脉冲经端口701也即偏振分束器702的端口A输入偏振分束器702。输入光脉冲可以看作由两个正交偏振态构成，所述两个正交偏振态可分别记为x偏振态和y偏振态。偏振分束器702将输入光脉冲偏振分束为x偏振态的第一路光脉冲和y偏振态的第二路光脉冲，以分别由偏振分束器702的端口B和端口C输出。由偏振分束器702的端口B输出的x偏振态的第一路光脉冲耦合至保偏光纤703的慢轴传输，并由相位调制器704的端口D输入相位调制器704进行相位调制。经相位调制后的第一路光脉冲由相位调制器704的端口E输出并沿保偏光纤703的慢轴传输至偏振分束器702的端口C，在端口C处第一路光脉冲由保偏光纤703的慢轴耦合至偏振分束器702，耦合至偏振分束器702的端口C的第一路光脉冲的偏振态为y偏振态；y偏振态的第一路光脉冲由偏振分束器702的端口A输出。也即实现由端口A输入的输入光脉冲的x偏振态分量在由反射装置反射后由端口A输出时变换为y偏振态。由偏振分束器702的端口C输出的y偏振态的第二路光脉冲耦合至保偏光纤703的慢轴传输，并由相位调制器704的端口E输入相位调制器704进行相位调制。经相位调制后的第二路光脉冲由相位调制器704的端口D输出并沿保偏光纤703的慢轴传输至偏振分束器702的端口B，在端口B处第二路光脉冲由保偏光纤703的慢轴耦合至偏振分束器702，耦合至偏振分束器702的端口B的第二路光脉冲的偏振态为x偏振态；x偏振态的第二路光脉冲由偏振分束器702的端口A输出。也即实现由端口A输入的输入光脉冲的y偏振态分量在由反射装置反射后由端口A输出时变换为x偏振态。由端口D输入相位调制器704的第一路光脉冲和由端口E输入相位调制器704的第二路光脉冲以相同的偏振态输入相位调制器704并经受相同的相位调制，实现偏振无关相位调制。利用上述的保偏光纤703对两个正交偏振态作偏振正交旋转，使得输入光脉冲的x偏振态和y偏振态之间的相位与输出光脉冲的y偏振态和x偏振态之间的相位保持相同。

相位调制器704可以为双折射相位调制器或单偏振相位调制器。

偏振分束器702的端口B和端口C可均耦合至保偏光纤703的快轴，此时上述结果不受影响。

本发明另一优选实施例的一种偏振无关相位调制装置如图8所示，包括以下组成部分：偏振分束器802、保偏光纤803、相位调制器804，以及90度熔接点805。

偏振分束器802包括端口A、端口B、端口C三个端口。端口A、端口B、端口C可分别称为输入端口、第一输出端口、第二输出端口。偏振分束器802的一个端口801，也即端口A，作为装置的输入端口和输出端口。偏振分束器802的端口B和端口C通过保偏光纤803连接。由偏振分束器802的端口B输出的光脉冲耦合至保偏光纤803的慢轴且由偏振分束器802的端口C输出的光脉冲耦合至保偏光纤803的快轴，或者由偏振分束器802的端口B输出的光脉冲耦合至保偏光纤803的快轴且由偏振分束器802的端口C输出的光脉冲耦合至保偏光纤803的慢轴。保偏光纤803包含90度熔接点805，90度熔接点805由保偏光纤慢轴与保偏光纤快轴对准熔接而成。相位调制器804插入连接偏振分束器802的端口B和端口C的保偏光纤803的光路上。

工作时，输入光脉冲经端口801也即偏振分束器802的端口A输入偏振分束器802。输入光脉冲可以看作由两个正交偏振态构成，所述两个正交偏振态可分别记为x偏振态和y偏振态。偏振分束器802将输入光脉冲偏振分束为x偏振态的第一路光脉冲和y偏振态的第二路光脉冲，以分别由偏振分束器802的端口B和端口C输出。由偏振分束器802的端口B输出的x偏振态的第一路光脉冲耦合至保偏光纤803的慢轴传输，并由相位调制器804的端口D输入相位调制器804进行相位调制。经相位调制后的第一路光脉冲由相位调制器804的端口E输出并沿保偏光纤803的慢轴传输至90度熔接点805，经90度熔接点805后沿保偏光纤803的快轴传输至偏振分束器802的端口C，在端口C处第一路光脉冲由保偏光纤803的快轴耦合至偏振分束器802；耦合至偏振分束器802的端口C的第一路光脉冲的偏振态为y偏振态，y偏振态的第一路光脉冲由偏振分束器802的端口A输出。也即实现由端口A输入的输入光脉冲的x偏振态分量在由装置反射后由端口A输出时变换为y偏振态。由偏振分束器802的端口C输出的y偏振态的第二路光脉冲耦合至保偏光纤803的快轴传输，并沿保偏光纤803的快轴传输至90度熔接点805，经90度熔接点805后沿保偏光纤803的慢轴传输至相位调制器804的端口E，并由相位调制器804的端口E输入相位调制器804进行相位调制。经相位调制后的第二路光脉冲由相位调制器804的端口D输出并沿保偏光纤803的慢轴传输至偏振分束器802的端口B，在端口B处第二路光脉冲由保偏光纤803的慢轴耦合至偏振分束器802；耦合至偏振分束器802的端口B的第二路光脉冲的偏振态为x偏振态，x偏振态的第二路光脉冲由偏振分束器802的端口A输出。也即实现由端口A输入的输入光脉冲的y偏振态分量在由装置反射后由端口A输出时变换为x偏振态。

由端口D输入相位调制器804的第一路光脉冲和由端口E输入相位调制器804的第二路光脉冲以相同的偏振态输入相位调制器804并经受相同的相位调制，实现偏振无关相位调制。

尽管图8中示出了仅一个90度熔接点805，但这只是示例性的，保偏光纤803可以包含任意的奇数个90度熔接点。每个90度熔接点由保偏光纤慢轴与保偏光纤快轴对准熔接而成。在保偏光纤803包含多于1个的奇数个90度熔接点的情况下，上述结果不受影响，只是由偏振分束器802的端口B和端口C输出的第一路光脉冲和第二路光脉冲各自沿保偏光纤803传输时更多次在沿保偏光纤慢轴传输与沿保偏光纤快轴传输之间变换，变换的次数等于90度熔接点的数目。

采用上述的包含奇数个90度熔接点的保偏光纤803对两个正交偏振态作偏振正交旋转，使得输入光脉冲的x偏振态和y偏振态之间的相位与输出光脉冲的y偏振态和x偏振态之间的相位保持相同。

相位调制器804可以为双折射相位调制器或单偏振相位调制器。

偏振分束器802的端口B耦合至保偏光纤803的快轴且偏振分束器802的端口C耦合至保偏光纤803的慢轴时，上述结果不受影响。

相位调制器804和90度熔接点805的位置和连接顺序改变，上述结果不受影响。

本发明另一优选实施例的一种偏振无关相位调制装置如图9所示，包括以下组成部分：偏振分束器902、相位调制器903、半波片904。

偏振分束器902包括端口A、端口B、端口C三个端口。端口A、端口B、端口C可分别称为输入端口、第一输出端口、第二输出端口。偏振分束器902的一个端口901，也即端口A，作为装置的输入端口和输出端口。偏振分束器902的端口B和端口C通过传输光路连接；更具体地，偏振分束器902的端口B通过传输光路与相位调制器903的端口D连接，相位调制器903的端口E通过传输光路与半波片904连接，半波片904通过传输光路与偏振分束器902的端口C连接。偏振分束器902的端口B与相位调制器903的端口D之间的传输光路、相位调制器903的端口E与半波片904之间的传输光路、半波片904与偏振分束器902的端口C之间的传输光路均为偏振保持光路，例如保偏光纤光路。由半波片904两侧的端口输入半波片904的光脉冲的偏振态的极化方向与半波片904的慢轴或快轴的夹角为45度。

工作时，输入光脉冲经端口901也即偏振分束器902的端口A输入偏振分束器902。输入光脉冲可以看作由两个正交偏振态构成，所述两个正交偏振态可分别记为x偏振态和y偏振态。偏振分束器902将输入光脉冲偏振分束为x偏振态的第一路光脉冲和y偏振态的第二路光脉冲，以分别由偏振分束器902的端口B和端口C输出。由偏振分束器902的端口B输出的x偏振态的第一路光脉冲传输至相位调制器903，由相位调制器903的端口D输入相位调制器903并经受相位调制。经相位调制后的第一路光脉冲由相位调制器903的端口E输出至半波片904。第一路光脉冲经半波片904进行偏振正交旋转后，其偏振态由x偏振态变换为y偏振态。由半波片904输出的y偏振态的第一路光脉冲传输至偏振分束器902的端口C，由偏振分束器902的端口C输入偏振分束器902，并由偏振分束器902的端口A输出。如此，实现由端口A输入的输入光脉冲的x偏振态分量在由装置反射后由端口A输出时变换为y偏振态。由偏振分束器902的端口C输出的y偏振态的第二路光脉冲传输至半波片904，经半波片904作偏振正交旋转后的第二路光脉冲偏振态变换为x偏振态。由半波片904输出的x偏振态的第二路光脉冲传输至相位调制器903的端口E，由相位调制器903的端口E输入相位调制器903并经受相位调制。经相位调制后的第二路光脉冲由相位调制器903的端口D输出至偏振分束器902的端口B，由偏振分束器902的端口B输入偏振分束器902，并由偏振分束器902的端口A输出。如此，实现由端口A输入的输入光脉冲的y偏振态分量在由装置反射后由端口A输出时变换为x偏振态。采用半波片904对两个正交偏振态作偏振正交旋转，使得输入光脉冲的x偏振态和y偏振态之间的相位与输出光脉冲的y偏振态和x偏振态之间的相位保持相同。

由端口D输入相位调制器903的第一路光脉冲和由端口E输入相位调制器903的第二路光脉冲以相同的偏振态输入相位调制器903并经受相同的相位调制，实现偏振无关相位调制。

相位调制器903可以为双折射相位调制器或单偏振相位调制器。

相位调制器903和半波片904的位置和连接顺序改变，上述结果不受影响。

本实用新型的方案可广泛应用于如量子通信、光纤传感和光纤通信等多个领域。

本文中，术语“偏振分束器”和“偏振合束器”可互换使用，偏振分束器亦可称为和用作偏振合束器。本文中，“保偏光纤光路”是指采用保偏光纤传输光脉冲的光路或保偏光纤连接形成的光路。

通过具体实施方式的说明，应当可对本实用新型为达成预定目的所采取的技术手段及功效有更加深入且具体的了解，然而所附图示仅是提供参考与说明之用，并非用来对本实用新型加以限制。

Claims (10)

1.一种偏振无关相位调制装置，包括偏振分束器和相位调制器，所述偏振分束器具有输入端口和两个输出端口，所述偏振分束器的两个输出端口经传输光路彼此光耦合，其中所述传输光路包括偏振正交旋转装置，所述相位调制器在所述偏振分束器前端光耦合至所述偏振分束器的输入端口，或者所述相位调制器设置于所述传输光路上。

2.根据权利要求1所述的偏振无关相位调制装置，其特征在于，所述传输光路本身构成偏振正交旋转装置，由扭转90度的保偏光纤形成使得由所述偏振分束器的两个输出端口输出的光脉冲均耦合至所述保偏光纤的慢轴进行传输或均耦合至所述保偏光纤的快轴进行传输。

3.根据权利要求1所述的偏振无关相位调制装置，其特征在于，所述传输光路由包含奇数个90度熔接点的保偏光纤形成，所述奇数个90度熔接点充当偏振正交旋转装置。

4.根据权利要求1所述的偏振无关相位调制装置，其特征在于，所述偏振正交旋转装置为设置于所述传输光路上的半波片，输入所述半波片的光脉冲的极化方向与所述半波片的快轴或慢轴的夹角为45度。

5.根据权利要求4所述的偏振无关相位调制装置，其特征在于，所述传输光路为保偏光纤光路，形成所述传输光路的保偏光纤的慢轴与所述半波片的快轴或慢轴的夹角为45度。

6.根据权利要求1所述的偏振无关相位调制装置，其特征在于，所述偏振正交旋转装置为设置于所述传输光路上的90度法拉第旋转器。

7.根据权利要求1所述的偏振无关相位调制装置，其特征在于，所述相位调制器在所述偏振分束器前端光耦合至所述偏振分束器的输入端口，为双折射相位调制器。

8.根据权利要求1所述的偏振无关相位调制装置，其特征在于，所述相位调制器设置于所述传输光路上，为双折射相位调制器或者单偏振相位调制器。

9.根据权利要求8所述的偏振无关相位调制装置，其特征在于，所述偏振无关相位调制装置还包括光环形器，所述光环形器被设置于所述偏振分束器的前端，所述光环形器包括第一端口、第二端口和第三端口，其中，从所述光环形器的第一端口输入的光脉冲经由所述光环形器的第二端口输出至所述偏振分束器，从所述偏振分束器输出至所述光环形器的第二端口的光脉冲经由所述光环形器的第三端口输出。

10.根据权利要求7所述的偏振无关相位调制装置，其特征在于，所述偏振无关相位调制装置还包括光环形器，所述光环形器被设置于所述相位调制器的前端，所述光环形器包括第一端口、第二端口和第三端口，其中，从所述光环形器的第一端口输入的光脉冲经由所述光环形器的第二端口输出至所述相位调制器，从所述相位调制器输出至所述光环形器的第二端口的光脉冲经由所述光环形器的第三端口输出。