三晶片型偏振态编码器的驱动控制系统及其实现方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及信号生成电路、相干光通信以及量子保密通信领域，特别是一种三晶 片型偏振态编码器的驱动控制系统及其实现方法。
【背景技术】
[0002] 偏振编码，作为一种光信号编码方式，广泛用于经典的相干光通信和量子保密通 信当中。偏振编码要用偏振控制器来完成，常见的偏振控制器主要有:可旋晶体波片型偏振 控制器、磁光调制器、液晶型偏振控制器以及电光调制器等几种。
[0003] 磁光调制器利用的Faraday旋光效应，其驱动器需要提供高达几安培电流，受制于 电磁铁的磁回滞效应，驱动器速率较慢，导致编码速率只能达到几 KHz。可旋晶体波片型偏 振控制器利用机械旋转波片达到偏振控制的目的，其驱动器包含机械可移动部件，并需要 反馈信号控制波片的运动，需要的时间较长，编码速率较慢。液晶型偏振控制器，通过驱动 器控制电压改变一定厚度液晶的双折射，从而引起液晶相位延迟量的改变，响应快，但是插 入损耗大，稳定性较差，不适合偏振编码。电光调制器一般使用LiNb0 3晶体的Pockels效应 实现偏振编码。编码速度快，可以实现GHz的编码速率。但是缺点是驱动器的驱动电压非常 高，半波电压可达几千伏。这个缺点限制了电光编码器的应用。
[0004] Newport公司生产的电光调制驱动器可以电控波片，控制出射光的偏振态，但是速 率较慢;美国通用光电公司生产的PSG-101，只能产生5-6个特殊偏振态，而且驱动器精度 低，切换速度大于250us。
[0005] 三晶片型偏振态编码器是一种电光型的调制器，其驱动器需要满足以下几方面要 求。一是调制电压尚，在〇~120V左右;二是调制的速率的要求;二是对调制彳目号的噪声以及 精度的要求。上述的偏振控制器驱动器以及以上两家公司的驱动器均无法胜任，而国内尚 无相关驱动器的成熟产品。
【发明内容】
[0006] 有鉴于此，本发明的目的是提供一种三晶片型偏振态编码器的驱动控制系统及其 实现方法，用于驱动三晶片型偏振态编码器，实现自由空间中单光束相干光的偏振编码。
[0007] 本发明采用以下方案实现:一种三晶片型偏振态编码器的驱动控制系统，包括相 互相连的一高压驱动电路与一控制电路;所述高压驱动电路包含一直流稳压单元、一高精 度稳压单元、一 DAC单元以及一高压放大单元;所述控制电路包括一 ARM主控单元以及一 DPS 运算单元;所述控制电路根据从输入偏振态到目标偏振态的搜索路径，用以控制所述高压 驱动电路的输出电压;所述高压驱动电路与一自由空间相干光通信的三晶片型偏振态编码 器相连，用以为三晶片型偏振态编码器提供驱动偏压，实现自由空间单光束相干光通信的 偏振态编码。
[0008] 进一步地，所述自由空间相干光通信的三晶片型偏振态编码器包括第一晶片、第 二晶片与第三晶片，编码器输出偏振态与外加偏压和输入偏振态的关系为：
其中，引入Stokes参量描述偏振态，S2和S3为输出偏振态的Stokes参量，Vi、V2和V3分别 为所述高压驱动电路的三组输出偏压，即施加在三块晶片上的偏压。
[0009] 进一步地，所述ARM主控单元与所述DPS运算单元通过一SPI总线相连，所述ARM主 控单元还通过串口或USB总线与一用以显示编码信号的上位机相连;所述ARM主控单元随机 选择编码信号并通过所述SPI总线发送至所述DSP运算单元，所述ARM主控单元还通过串口 或USB总线发送至一上位机显示编码信号，所述DSP运算单元采用偏振搜索算法找到该编码 对应的一组编码电压返回至所述ARM主控单元;所述ARM主控单元将编码电压值转换为电压 控制信号，通过另一 SPI总线发送至所述高压驱动电路中的所述DAC单元。
[0010] 进一步地，所述直流稳压单元的输出端与所述高精度稳压单元的输入端相连;所 述DAC单元包括一第一 DAC模块、一第二DAC模块以及一第三DAC模块，所述高压放大单元包 括一第一 PA模块，一第二PA模块以及一第三PA模块;所述第一 DAC模块、第二DAC模块以及第 三DAC模块的输入端均与所述高精度稳压单元的输出端连接，所述第一 DAC模块、第二DAC模 块以及第三DAC模块的输入端还通过总线与所述ARM主控单元相连;所述第一 DAC模块、第二 DAC模块以及第三DAC模块的输出端分别与所述第一 PA模块，第二PA模块以及第三PA模块的 第一输入端相连;所述直流稳压单元还与所述第一 PA模块，第二PA模块以及第三PA模块的 第二输入端相连;所述第一 PA模块，第二PA模块以及第三PA模块的输出端分别与所述三晶 片型偏振态编码器的第一晶片、第二晶片以及第三晶片的输入端相连。
[0011] 进一步地，所述直流稳压单元包含一个输入与输出抽头为1:5的变压器以及整流 桥，三端稳压器以及电容的组合，将220V交流市电变为35V直流电压。高精度稳压单元高精 度稳压单元包含LM317、7915以及REF5050等稳压芯片，能有效抑制电压纹波。所述DAC单元 包含3组的DAC模块，用SPI总线或者I 2C总线或者并行总线接收来自ARM主控单元的电压控 制信号，通过DAC电路将数字信号转换为模拟信号。所述高压放大单元采用PA84运放，可以 将输入电压放大30倍，分辨率为0.146V。
[0012] 进一步地，所述高压驱动电路与所述三晶片型偏振态编码器的三晶片两侧采用 SMA-n跳线相连，所述SMA-n跳线共六根，所述SMA-n跳线的一头为SMA公头，与所述三晶片型 偏振态编码器的SMA母头相连，所述SMA-n跳线的一头为跳线帽，与所述PA模块的引脚连接。
[0013] 进一步地，所述DSP运算单元采用禁忌搜索方法实现偏振路径搜索，能快速搜索到 目标偏振态路径，确定优化的控制电压值，控制高压电路的输出电压值，并在搜索算法中加 入超过120V的复位处理功能。
[0014] 进一步地，所述高压驱动电路的输出电压范围为0V~150V，驱动的上升时间为2us， 下降时间为2.5us，最大编码速率为119kHz，输出电压的纹波不大于118mV，最低分辨率为 0.146V，线性度误差小于1%。
[0015] 进一步地，所述的ARM控制单元包括一 ARM芯片，型号为STM32F103RFT6，所述DSP运 算模块包括一数字信号处理器，型号为TMS320F2812。
[0016] 本发明还采用以下方法实现:一种三晶片型偏振态编码器的驱动控制系统的实现 方法，包括以下步骤： 步骤S1:对电路进行初始化设置，所述初始化设置包括系统时钟设置、延时初始化、SPI 口初始化、USB初始化、模数转换ADC初始化以及串口 USART初始化； 步骤S2:所述ARM主控单元产生随机调制信号，通过所述SPI总线发送至所述DSP运算单 元，并接受所述DSP运算模块返回的前一次计算好的一组电压值，存入所述ARM主控单元中 的环形队列的队尾，同时将调制信号通过串口或USB总线发送至所述上位机； 步骤S3:所述DSP运算模块开启中断，若接收到所述ARM主控单元发送的数据，则中断响 应，接受所述ARM主控单元发送的调制信号，存入环形队列的队尾;提取队首的调制信号，通 过偏振搜索算法快速搜索目标偏振态路径，确定优化的控制电压值，通过所述SPI总线将该 组编码电压值发送至所述ARM控制单元;否则由偏振搜索算法继续计算电压值，并将计算结 果存入缓存中； 步骤S4:所述ARM主控单元将环形队列队首的一组电压值转换为电压控制信号，通过总 线发送至所述DAC单元，所述DAC单元将所述电压控制信号发送至所述高压放大单元得到一 组驱动电压，施加在所述三晶片型偏振态编码器的三晶片上，则入射偏振光经过偏振态编 码器时其偏振方向随着施加电压所改变，完成了相干光通信的偏振态编码过程； 其中，所述步骤S2、步骤S3、步骤S4为并行执行的任务。
[0017] 与现有技术相比，本发明的优点是：输出电压范围为0V~150V，高压驱动的上升时 间为2us，下降时间为2.5us，最大可以实现119KHZ的编码速率；输出电压的纹波不超过 118mV;最低的分辨率为0.146V;线性度误差小于1%。相比市面上主流的偏振态控制器的驱 动器，本发明在精度略优于其他产品的情况下，调制速率为常见驱动器的18倍左右。
【附图说明】
[0018] 图1是本发明的原理框图。
[0019] 图2是本发明控制电路的框图。
[0020]图3(a)是本发明控制系统软件的时序流程图。
[0021]图3(b)是本发明控制系统软件的环形队列图。
[0022] 图4是本发明直流稳压单元的原理图。
[0023] 图5是本发明高精度稳压单元的原理图 图6是本发明DAC单元的原理图。
[0024] 图7是本发明高压放大单元的原理图。
[0025] 图8是本发明产生的高斯调制信号波形图。
[0026] 图9是本发明的输出电压误差图。
[0027] 图10(a)是本发明的高压电源输出值。
[0028] 图10(b)是本发明的高压电源纹波值。
【具体实施方