双波长正交偏振激光器用偏振控制系统

摘要

一种双波长正交偏振激光器用偏振控制系统，包括双波长正交偏振激光器，其创新在于：所述偏振控制系统由偏振控制器、单输入双输出的保偏分路器、起偏器、光电探测器、检波器和信号处理系统组成；双波长正交偏振激光器与偏振控制器连接；偏振控制器与保偏分路器连接；保偏分路器的第一输出端形成偏振控制系统的输出端；保偏分路器的第二输出端与起偏器连接；起偏器与光电探测器连接；光电探测器与检波器连接；检波器与信号处理系统连接；信号处理系统与偏振控制器的控制部电气连接；本发明的有益技术效果是：适用于双波长正交偏振激光器的偏振稳定性控制，控制精度高。

说明书

技术领域

本发明涉及一种激光器偏振控制技术，尤其涉及一种双波长正交偏振激光器用偏振控制系统。

背景技术

光的偏振态是光的四大关键参量之一(频率、相位、幅度以及偏振态)，偏振态是指光在传播过程中其 能量分布的偏向性，在自由传播时，光的偏振态会因环境温度、应力等因素的影响而发生随即改变，这种 偏振态的改变对高速光通信领域、光传感领域以及一些特殊的偏振相关装置都有极大的影响。

在高速光通讯领域，近年来出现的偏振相关调制、偏振相关放大增益以及偏振复用等都要求光信号在 传输过程中具有稳定不变的偏振态，因此偏振控制具有极其重要的作用；另一方面，随着光纤传感技术的 突破性进展，光纤传感系统在国民经济中的各个领域中得到了广泛应用，作为相位、频移等传感信号的重 要解调方法之一，相干探测成为了温度应力分布式传感、角速度传感等领域的核心技术，相干探测要求两 相干光必须具有稳定的偏振关系，才能获得稳定的干涉信号输出，所以光信号的偏振态稳定性控制是相干 探测的关键部分。

近年来双波长正交偏振激光器获得了越来越广泛的应用，该激光器的特点在于其输出的光信号包含两 个波长不同但波长间隔可调、功率基本相等的光信号，同时两波长光的偏振态总保持90度的正交关系。 利用这种激光器可以实现任意微波信号的光产生、光学任意波形产生等多种功能，这些功能对于微波光子 学领域意义重大，不过，完成这些功能的前提仍然是两正交偏振光的偏振态必须保持稳定。在实际应用中， 激光器输出的这两个正交偏振光在单模光纤中传输时，同样受到应力、温度等环境因素的影响，两个光信 号的偏振在保持正交关系的同时，会发生同步的偏振变化，这就影响了该激光器在很多领域中的应用。

现有的偏振控制方法只适用于对单波长单偏振态光进行控制，其根本原因是：现有的偏振控制方法需 要依赖光功率来获取偏振误差量，由于双波长正交偏振光存在正交偏振关系，起偏器输出的光信号的光功 率不会随着正交偏振光的偏振变化而变化，因此无法依靠光功率检测获取到偏振误差量，自然地也就无法 实现对其偏振态的稳定性控制。

发明内容

针对背景技术中的问题，本发明提出了一种双波长正交偏振激光器用偏振控制系统，包括双波长正交 偏振激光器，其结构为：所述偏振控制系统由偏振控制器、单输入双输出的保偏分路器、起偏器、光电探 测器、检波器和信号处理系统组成；所述双波长正交偏振激光器的输出端与偏振控制器的输入端光路连接； 偏振控制器的输出端与保偏分路器的输入端光路连接；保偏分路器的第一输出端形成偏振控制系统的输出 端，向外输出双波长正交偏振光；保偏分路器的第二输出端与起偏器的输入端之间通过保偏光纤光路连接； 起偏器的输出端与光电探测器的输入端之间通过保偏光纤光路连接；光电探测器的输出端与检波器的输入 端连接；检波器的输出端与信号处理系统连接；信号处理系统与偏振控制器的控制部电气连接；

所述双波长正交偏振激光器用于输出待调制的双波长正交偏振光；

所述偏振控制器能根据信号处理系统输出的控制信号对双波长正交偏振激光器输出的双波长正交偏 振光的偏振态进行动态调节；

所述保偏分路器用于将偏振控制器的输出光分为两路，其中一路光向外输出至应用端，另一路光用于 提取双波长正交偏振光的偏振误差；

所述起偏器的固有偏振方向作为0度偏振方向，起偏器的输出光中带有双波长正交偏振光与0度偏振 方向的误差信息；

所述光电探测器用于将光信号转换为电信号，同时，光电探测器还对光信号中的拍频信号进行拾取；

所述检波器用于对输入信号进行检波放大处理；

所述信号处理系统能根据检波器输出信号的变化量，采用负反馈控制原理对偏振控制器的工作参数进 行动态调节，使检波器的输出信号收敛于一设定的恒定值。

本发明的原理是：基于现有理论可知，在相互连接的起偏器和保偏光纤中，起偏器的起偏方向与保偏 光纤的某一个轴一致，假设此轴为保偏光纤的快轴，则偏振方向、起偏方向与保偏光纤快慢轴的位置关系 可由图2示出(图中λ₁和λ₂带表双波长正交偏振光中的两种波长的光，α为双波长正交偏振光的偏振方 向与起偏器固有偏振方向的夹角)，在α角度条件下，两个正交偏振光经投影映射，最终投影到起偏器起偏 方向(也即快轴)上的光将从起偏器中输出，而与起偏器起偏方向垂直(即与慢轴平行)的光将会被截止阻挡 无法输出，从起偏器输出的光经过光电探测器进行光电转换之后，其光学拍频产生的电信号可用下式表示:

式中，为光电探测器的响应度；P₁和P₂为双波长正交偏振光中两种波长的光的光功率；ω₁和ω₂为 两种波长的光对应的频率；

由于两波长的光的光功率几乎相等(即P₁＝P₂)，所以上式中的项为常数，其 值不会随着α的变化而变化，所以依靠光功率检测偏振误差信号是不可行的。但从上式中的 项可以明显看出，圆频率为ω₁-ω₂的交流电信号(也可以称为射频信号) 的幅度(即)会随着α的变化而改变，由此我们可以通过检测电信号的幅度变化量来间接 反映偏振方向的变化趋势，从而进行对应的负反馈调节。具体来说，本发明的方案是通过如下方式实现的：

双波长正交偏振激光器作为光源，用于输出待调制的双波长正交偏振光；偏振控制器是调节动作执行 装置，它根据信号处理系统的命令对自身的工作参数进行动态调节，最终起到动态调节双波长正交偏振光 的偏振态的作用；保偏分路器用于将参考信号从双波长正交偏振光中分离出来，参考信号被送至起偏器处 理，其余信号向应用端输出；起偏器的常规用途是起偏功能，但在本发明中，采用起偏器的根本目的不是 为了让其对光进行起偏处理，而是利用起偏器的起偏方向恒定的特性，以其起偏方向作为0度角度方向， 从而便于对α角度的数值变化方向进行标定；光电探测器起光电转换作用的同时，也获取到了后续处理需 要的拍频信号；检波器作为常规装置对光电探测器的输出信号进行检波放大；本发明的控制核心即为信号 处理系统，虽然本发明中没有阐述信号处理系统的具体处理流程，但其控制原理与现有技术中常见的负反 馈控制完全相同，为了便于本领域技术人员实施，发明人对其赘述如下：基于现有技术可知，光电探测器 输出的射频信号幅度与检波器的输出电压具有稳定的对应关系，基于前文中的分析可知，双波长正交偏振 光的偏振方向又与射频信号具有稳定的对应关系，因此，实际控制时，只需根据检波器输出电压的实时变 化情况来调节偏振控制器的工作参数，进而使双波长正交偏振光的偏振态和检波器输出电压发生改变并最 终收敛到一预设的恒定值，那么我们就获得了偏振态相对稳定的双波长正交偏振光；如果更为形象地阐释 前述控制过程，即让α角度的数值收敛至0度，这与电机领域中的负反馈控制原理完全相同；偏振控制器 工作参数的具体调节手段要视具体的偏振控制器类型而定。

较之传统的基于光功率检测的单波长偏振控制系统，本发明具有如下突出优点：首先，基于光功率检 测的偏振控制只适用于单波长的偏振控制，无法应用于正交偏振双波长的情形以及多波长偏振控制的情 况，而本发明的偏振控制系统所实现的控制方案理论上能够推广至对多波长、多偏振态的偏振控制，对双 波长正交偏振激光器的偏振控制只是该方案应用的一个典型范例。第二，本发明中采用光学拍频、射频检 波的手段进行偏振误差信号检测较之传统的光功率法，在同样的处理电路水平下，具有更高的检测灵敏度 (这得益于检波器具有很大的动态范围的缘故，而现有技术进行单波长偏振控制时是不需要检波器的)， 因此本发明的偏振控制精度相当高。

优选地，所述保偏分路器的第一输出端和第二输出端的分光比为95：5。

本发明的有益技术效果是：适用于双波长正交偏振激光器的偏振稳定性控制，控制精度高。

附图说明

图1、本发明的结构示意图；

图2、双波长正交偏振光的偏振方向与起偏器起偏方向的关系图；

图中各个标记所对应的名称分别为：双波长正交偏振激光器1、偏振控制器2、保偏分路器3、起偏器 4、光电探测器5、检波器6、信号处理系统7。

具体实施方式

一种双波长正交偏振激光器用偏振控制系统，包括双波长正交偏振激光器1，其创新在于：所述偏振 控制系统由偏振控制器2、单输入双输出的保偏分路器3、起偏器4、光电探测器5、检波器6和信号处理 系统7组成；

所述双波长正交偏振激光器1的输出端与偏振控制器2的输入端光路连接；偏振控制器2的输出端与 保偏分路器3的输入端光路连接；保偏分路器3的第一输出端形成偏振控制系统的输出端，向外输出正交 偏振光；保偏分路器3的第二输出端与起偏器4的输入端之间通过保偏光纤光路连接，保偏分路器3的第 一输出端和第二输出端的分光比为95：5；起偏器4的输出端与光电探测器5的输入端之间通过保偏光纤 光路连接；光电探测器5的输出端与检波器6的输入端连接；检波器6的输出端与信号处理系统7连接； 信号处理系统7与偏振控制器2的控制部电气连接；

所述双波长正交偏振激光器1用于输出待调制的双波长正交偏振光；

所述偏振控制器2能根据信号处理系统7输出的控制信号对双波长正交偏振激光器1输出的双波长正 交偏振光的偏振态进行动态调节；

所述保偏分路器3用于将偏振控制器2的输出光分为两路，其中一路光用于向外输出至应用端，另一 路光用于提取双波长正交偏振光的偏振误差；

所述起偏器4的固有偏振方向作为0度偏振方向，起偏器4的输出光中带有双波长正交偏振光与0度 偏振方向的误差信息；

所述光电探测器5用于将光信号转换为电信号，同时，光电探测器5还对光信号中的拍频信号进行拾 取；

所述检波器6用于对输入信号进行检波放大处理；

所述信号处理系统7能根据检波器6输出信号的变化量，采用负反馈控制原理对偏振控制器2的工作 参数进行动态调节，使检波器6的输出信号收敛于一设定的恒定值。

进一步地，所述保偏分路器3的第一输出端和第二输出端的分光比为95：5。