動態偏振控制器的工作原理、系統設計及應用

動態偏振控制器的工作原理、系統設計及應用

王倩,朱俊,何廣強 發表於 2020-12-03 10:29:49

1 引 言

偏振是量子光的一個重要和常用的性質。因此，在量子安全通信系統中，經常通過改變偏振態來進行編解碼，而動態偏振控制器（DPC）作為一種改變輸入光偏振態的光器件，直接參與傳輸數據的編解碼，在量子通信中起著必不可少的作用。而在傳統的光纖通信系統中，如何準確控制光纖中的偏振態成為實驗的前提和關鍵，因為這關係著系統的穩定性和數據傳輸的誤碼率，採用DPC也是十分有效的辦法。

但是，所有廠家在DPC出廠時並沒有給出其重要指標半波電壓的具體測量方法，而在實際運用中，半波電壓又與給出的標稱值不完全一致，導致了使用的不便。因此，在使用DPC時，需要有與之配套的驅動電路和性能監測系統。但是，如果成套購買的話，價格昂貴，在實際的工程開發中，不能達到最佳的性價比，會阻礙量子通信系統的開發和推廣。因此，需要我們自主研製和開發DPC的驅動電路和性能監控系統。

本文介紹了DPC的工作原理，給出了其驅動模塊和性能監控系統的設計，進行實驗結果和理論結果的比較分析，展示了DPC在實際運用中的性能表現以及影響其性能的諸多因素。

2 DPC的工作原理

採用美國General Photonics Co.的PolaRITE.Ⅱ-PCD-002DPC，其由4個光纖擠壓器構成，相互以45°傾斜放置。設光纖擠壓器X1、X2、X3和X4對應的外部施加的壓力為F1、F2、F3和F4，各擠壓器對應的驅動電壓為V1、V2、V3和V4並由電壓信號驅動，產生相應的壓力擠壓光纖形成線性雙折射，從而改變入射光的偏振態。

單模磁場的偏振態都可以用邦加球上的點來表示，如圖1所示。

如果增加X1或X3的電壓V1或V3，即增加X1或X3的壓力F1或F3，則偏振態會繞著OQ軸順時針旋轉;相反，如果減少V1或V3，則偏振態會繞著OQ軸逆時針旋轉。另一方面，如果增加X2的電壓V2，即增加X2的壓力F2，則偏振態會繞著OH軸順時針旋轉;相反，如果降低V2，偏振態則會繞著OH軸逆時針旋轉。由此可知，只要輸入光的偏振態與Xl和X2的方向都不垂直，那麼輸入光的偏振態都可以通過操作最少2個擠壓器改變到任意一個偏振態。

這種擠壓光纖型偏振控制代替了傳統的半波片、λ/4波片和半波片的結構，因而具有：1）由於全光纖結構，DPC插入損耗很低，無反射;2）控制速度快，響應時間

輕鬆換算出來。

3 DPC的驅動模塊設計

DPC的驅動電路和性能監控系統是通過如圖2所示平臺研製和開發的。

圖2所示實驗平臺，實際上是基於相干光偏振調製的量子安全通信系統，其最大的特點是採用嵌入式系統ARM控制器來實現DPC的同步驅動和監控。平臺使用2個DPC，DPC 1用於相干光偏振態的調製和加密，DPC 2則用於解密。以DPC2為例，在進行DPC 2的性能監控時，DPC 1不工作。ARM 2輸出數據，驅動DPC 2改變輸入光的偏振態。同時，將AD檢測輸出的光信號強度轉化成數據，由ARM 2接收後傳輸給計算機，由性能監控軟體處理。

根據DPC的工作原理，要想將輸入光的偏振態改變到任意偏振態，至少需要同時驅動2個光纖擠壓器。同時，DPC又自帶15倍電壓放大模塊，而工作在1550 nm波長時半波電壓如圖2所示，DPC的驅動模塊將ARM控制器輸出的12位數據（0～4095）通過數模器件轉換成0～5 V模擬電壓。其電路結構如圖3所示。

其4路電壓驅動設計均相同，都採用高精度的12位DAC（AD7545）的5 V單極性工作模式。AD7545的參考電壓由晶片REF02來提供，其電壓浮動

4 性能監控系統的設計和結果驗證

加在DPC上的工作電壓與偏振態問的對應關係是DPC的很重要的性能指標，反映了整個通信系統運作的性能。因此，在對DPC進行性能監控時，需要實時監測反饋的光強信號隨工作電壓的變化情況。性能監控系統除利用上述實驗平臺的硬體外，還要在ARM控制器上編寫對應的軟體，實現對DPC同步的驅動和監控，並將光強變化反饋回計算機，計算機通過特寫編寫的程序，將變化曲線顯示出來。

4.1 軟體設計思想

ARM控制器在整個性能監控系統中起著十分重要的作用。一方面，要向DPC發送以一定間隔遞增的數據信號（0～4095）;另一方面，又要接收AD檢測光強後轉換出來的數據，並將其傳送給計算機，供專門軟體描繪半波電壓曲線。ARM控制器的軟體流程圖，如圖4所示。

4.2 理論分析

對於圖2，如果設定DPC 1的各擠壓器電壓初始值V1=V2=V3=V4=0，則可以作為測試DPC 2各光纖擠壓器半波電壓的裝置圖。以DPC 2的X2為例，給出半波電壓的計算方法。已知，如果增加X2的電壓V2，則偏振態軌跡繞OH順時針旋轉，旋轉1周的電壓變化對應2倍的半波電壓。入射光的Stokes參量為

由於DPC為無源器件，能量守恆，理想情況下S0不變。又由於偏振態運動軌跡繞軸OH旋轉，所以參量S1也不變。S1和S0不變，則表示給定偏振態下的入射光光波在快軸OX和慢軸OY上的投影EOx和E0y不隨時間變化。增加V2引起S2和S3變化的本質就是E0x和E0y間的相位差δ1=δy-δx隨V2進行周期性變化。

設定入射光相位初始值δx=a，δy=a+δ1，X2電壓引起的相位差變化為φ，又因為光纖的快慢軸和PBS的快慢軸一般情況下不重合，為求得普遍情況，可以假設二者問的夾角為θ，則從PBS 2個出口出來的光波模分別為

因為只觀察PBS 1個出口的光強變化可以確定DPC的半波電壓，取T1為研究對象，強度為

，設E0x的初始相位a=0，E0x=E0y=1，θ=π/4，在DPC1的X2上應用的相位為δ1=0、π/6、π/3和π/2時，繪製PBS 1個出口的光強P隨相位差φ的變化曲線如圖5所示。

4.3 實驗驗證

採用圖2所示的系統可以測定DPC的各光纖擠壓器的半波電壓。可以設定DPC 1和DPC 2的X1、X3和X4的電壓V1、V3和V4均為0，即可以採用不同的相位δ1，然後讓DPC 2的V2在0～5 V變化，可測得DPC 2和X2的半波電壓，如圖6所示。

4.4 理論和實驗結果的比較

1）通過比較圖6和圖5發現，實驗結果與理論分析基本一致，即檢測出的光強與施加在DPC上的應用電壓服從正弦變化規律。而且，圖6中，以脈衝數表示的電壓周期T與理論分析的半波電壓關係為

其中：C表示DA轉換的精度;因子15表示驅動模塊輸出電壓後DPC自帶電壓放大器將其放大的倍數。由此，又可以驗證實驗和理論的一致性。

2）觀察圖6可以發現，曲線有突變的現象。這是由於驅動模塊提供0～5 V電壓，而光強變化1個周期對應的電壓是0～4 V。所以，光強變化1個多周期、DA輸出5 V後，突變輸出0 V，光強也隨之突變。

3）圖6顯示，在初始相位差δ1不同時，測量曲線的峰值並不和理論分析完全一致，而且曲線有抖動，不平滑。主要原因是橢圓偏振態不能在光纖中很好的保持。假設2種情況：第1種情況，DPC 1加δ1、DPC 2加φ;第2種情況，DPC1加0、DPC2加δ1+φ。理論上，這2種情況結果應該相同。但是，實際情況有差異，這種差異就是橢圓偏振態不能在光纖中很好保持造成的。

5 結論

研究了針對DPC設計的驅動模塊和性能監控系統。驅動模塊採用12位高精度DA晶片，設計結構簡單，轉換精度高，穩定可靠。而性能監控系統則利用了嵌入式系統控制功能強大，並與計算機通信接口簡單且速度快的特點，使用ARM控制器同步驅動並且監控，再在Windows下編寫應用程式，顯示其監控下的光強隨工作電壓的變化曲線，直觀地反映了偏振態隨DPC工作電壓的變化情況。實驗的結果與理論分析的結果基本一致，更表明了方案的可行性。這套性能監測的方法將成為DPC應用時有力的輔助工具。

責任編輯：gt

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