一种全光纤高速偏振控制系统和方法
【专利摘要】本发明涉及一种全光纤高速偏振控制系统及方法，所述系统包含：脉冲激光器，用于产生一恒定偏振态的激光脉冲；偏振控制器，用于将脉冲激光器产生的激光脉冲转为45°的偏振方向；环形器，用于输入45°偏振方向的激光脉冲和输出合成的偏振光；偏振分光束，用于将经过环形器的45°偏振光分成两束强度相等的偏振方向正交的激光脉冲Λ1和Λ2；并利用偏振分束器和相位调制器搭建了一个双向Sagnac环结构，使得激光脉冲Λ1和Λ2经过传播方向相反但距离相等的光程后,在偏振分束器处发生叠加输出某一特定偏振态的光；和电光相位调制器，用于对激光脉冲Λ1和Λ2中的其中一个进行相位调制，从而控制激光脉冲Λ1和Λ2的相位差最终控制光的偏振态。
【专利说明】一种全光纤高速偏振控制系统和方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及偏振控制的【技术领域】,特别涉及一种基于双向Sagnac环工作方式的全光纤高速偏振控制方案，可以高精度，高稳定性，高速地实现对光场偏振方向的控制，具体涉及一种全光纤高速偏振控制系统和方法。
【背景技术】
[0002]量子保密通信作为一个新兴的领域是目前国际研究的热点之一，通信双方将一个真随机数比特序列加载在一串单光子上，通过量子信道最终建立相同的密钥，从而实现量子密钥分发。通常的实验系统分为相位编码和偏振编码两种，而无论采用哪种编码方案，精确控制偏振态直接关系着系统的稳定性和误码率。在自由空间的量子保密通信系统中，已有很高速的电光相位调制器可用来实现偏振控制。1992Bennett等人在自由空间的量子保密通信演示系统中，就利用泡克耳斯盒实现了光四种偏振态的随机输出。但在较为成熟的全光纤量子密钥分发系统中，通常采用光纤偏振控制器来实现对偏振态的调节与纠正。而传统的光纤偏振控制器件是一种无源器件，通过对光纤的挤压来控制输出光的偏振方向。这种机械式的控制方法只可用于一般的静态偏振态的调节，通常可用于相位编码的全光纤量子密钥分发系统中，但对于偏振编码的全光纤量子密钥分发系统，则需要对光子偏振态进行高速的调制，这种机械式的无源光纤偏振控制器很难达到精确与高效的控制。其实，偏振控制的研究几乎是与单模光纤的出现同时开始的；随着光纤通信的迅速发展，偏振控制技术一直在不断地更新。1979年，Johnson首先提出了基于电磁挤压的光纤型偏振控制器.此后相继出现了电光晶体型、法拉第旋转型、以及延迟耦合型等各种各样的偏振控制器。1989年Aarts与Khoe研制了一种新型无端偏振控制器，解决了偏振控制的复位问题，为其实用化奠定了基础。2002年Hirabayashi与Amano研制成功了低压液晶偏振控制器。2003年Yoshino等提出了高速全光纤偏振控制器。2011年范飞等人提出了多功能磁光子晶体太赫兹可调偏振控制器件。尽管如此，对于偏振编码的量子密钥分发系统，仍旧需要高速精准的偏振控制器来实现高效的信息加载。所以高速、精确、低成本的偏振控制器仍然是偏振控制的主要研究方向。在量子密钥分发实验系统中，为了获得高速的信息加载，通常采用多台激光器产生各种偏振光然后再利用偏振分束器将这些不同偏振态的光耦合进同一信道中的方法来替代偏振控制器。此方法虽然解决了偏振控制的精准与高效的问题。但它的最大缺点是实现成本非常大，而且控制系统十分复杂，对控制电路的精确度以及同步性要求十分的高。
[0003]因此，目前尚没有一种结构简单，成本低廉，稳定性高可以解决光纤中偏振高速、精确控制的方案。
【发明内容】
[0004]本发明的目的在于，为克服上述问题，本发明提供了一种全光纤高速偏振控制系统及方法。[0005]为实现上述目的，本发明提供了一种全光纤高速偏振控制系统，其特征在于，所述系统包含:
[0006]脉冲激光器，用于产生一恒定偏振态的激光脉冲；
[0007]偏振控制器，用于将脉冲激光器产生的激光脉冲转为45°的偏振方向；
[0008]偏振分光束器，用于将45°偏振方向的激光脉冲分成两束强度相等的偏振方向正交的激光脉冲Λ I和Λ 2 ;并利用偏振分束器和相位调制器搭建一个双向Sagnac环结构，所述激光脉冲Λ I和Λ 2沿所述双向Sagnac环即传播方向相反且光程相等传输后，在偏振分束器处发生叠加输出某一特定偏振态的光；
[0009]其中，所述偏振控制器和偏振分束器通过一环形器相连。
[0010]上述偏振控制器采用PC器件。
[0011]上述电光相位调制器工作于单线偏振状态，且该器件的输入和输出口均用保偏光纤。
[0012]基于上述系统本发明还提供了一种全光纤高速偏振控制方法,所述方法包含:
[0013]步骤101)由脉冲激光器产生一恒定偏振态的激光脉冲，所述恒定偏振态为45°线偏振光； [0014]步骤102)利用偏振分束器将激光脉冲分成两束强度相等的偏振方向正交的激光脉冲ΛI和Λ 2 ;
[0015]步骤103)将激光脉冲Λ I和Λ 2经过Sagnac环传输至偏振分束器，且在传输过程中通过相位调制器对激光脉冲Al或者Λ2进行相位调制；
[0016]步骤104)传输至偏振分束器的激光脉冲Λ I和Λ 2会叠加产生并输出某一特定偏振态的光；
[0017]其中，所述的Sagnac环利用偏振分束器和相位调制器搭建而成。
[0018]上述步骤104)之后还包含:
[0019]步骤105)通过电光相位调制器的调制从而改变两束激光脉冲Λ I和Λ 2之间的相位差，进而改变叠加后的输出光的偏振态。
[0020]本发明提出的一种基于双向Sagnac环工作方式的全光纤高速偏振控制方案,可以在一个端口直接输出各种偏振态的光，无需再进行后续耦合操作。具有结构简单，成本低廉，控制精度高，控制速度快，稳定性高等特点，由于本方案中采用了电控制，避免了机械控制带来的各种弊端。
[0021]本发明全光纤高速偏振控制方案，其特征在于由脉冲激光器产生一;〖亘定偏振态(45°线偏振光)的激光脉冲，利用偏振分束器分成两束强度相等的偏振方向正交的激光脉冲Al和Λ 2.并利用偏振分束器和相位调制器搭建一个双向Sagnac环结构,所述激光脉冲Al和Λ2沿所述双向Sagnac环即传播方向相反且光程相等传输后，在偏振分束器处发生叠加输出某一特定偏振态的光。在这个过程中，相位调制器会对激光脉冲ΛI或者Λ2进行相位调制。在偏振分束器处两束光叠加后生成的光的偏振态取决于两束光Al和Λ2的相位差，即相位调制器的调制相位。若相位调制器分别加载O、π /2、π和3 π /2这四种相位所对应的电压时，即可分别产生45°线偏振光，右旋圆偏振光，135°线偏振光和左旋圆偏振光。这四种偏振态正是在量子密钥分发的ΒΒ84协议中所需要高速产生的偏振态，它们是分别属于两组共轭基的偏振光。[0022]本发明的优点在于，本发明的一种基于双向Sagnac环工作方式的全光纤高速偏振控制方案，可以高速地精确地实现对光偏振态的控制，由于采用了双向Sagnac的结构，所以稳定性好，抗干扰能力强，器件简单便于集成化，且制造成本低廉。总之，本发明提供的方案实现单个端口输出各种偏振态，无需后续耦合操作，相位控制精度为10_3rad，工作速率可达2GHz。消光比可以达到30dB。由于本方案的精度、调制速度和稳定性都很高，并采用了器件简单、成本低廉的全光纤光路，易于集成，有望在量子保密通信等光通信领域中有很好的应用前景。
【专利附图】
【附图说明】
[0023]图Ι-a为本发明的提供的偏振光生成的光路图；
[0024]图Ι-b为本发明提供的包含偏振光生成和检测的总光路图；
[0025]图2为本发明生成偏振光的检测结果图。
[0026]附图标识:
[0027]LD::脉冲激光器；PC::偏振控制器；
[0028]Cir::环形器；PBS-A，PBS-B:偏振分束器；
[0029]PM:相位调制器；λ /2::半波片；
[0030]Dl, D2:光功率计
【具体实施方式】
[0031]下面结合附图和实施例对本发明进行详细说明。
[0032]本发明提供了一种全光纤的高速偏振控制方案，该方案具体由脉冲激光器产生一恒定偏振态(45°线偏振光)的激光脉冲，利用偏振分束器分成两束强度相等的偏振方向正交的激光脉冲Al和Λ 2.并利用偏振分束器和相位调制器搭建一个双向Sagnac环结构，所述激光脉冲Al和Λ2沿所述双向Sagnac环即传播方向相反且光程相等传输后，在偏振分束器处发生叠加输出某一特定偏振态的光。在这个过程中，相位调制器会对激光脉冲ΛI或者Λ2进行相位调制。在偏振分束器处两束光叠加后生成的光的偏振态取决于两束光Λ I和Λ2的相位差，即相位调制器的调制相位。
[0033]上述方案利用偏振分束器将一 45°线偏振光分成两束强度相等、偏振方向正交的激光脉冲Al和Λ2。
[0034]上述利用偏振分束器和相位调制器搭建一个双向Sagnac环结构，所述激光脉冲Λ I和Λ 2沿所述双向Sagnac环传输，传播方向相反但光程相等，从而保证了系统的稳定性和抗干扰能力。
[0035]上述通过调制两束光强相等、偏振方向正交的线偏振光之间的相位，来改变叠加后的输出光的偏振态。相位调制器仅需对激光脉冲Λ I或者Λ 2中任何一个进行相位调制。
[0036]如图Ι-a所示为本发明中偏振光生成的光路图。图Ι-b中包含偏振光生成和检测两部分。 [0037]偏振光生成部分:
[0038]由脉冲激光器(AdvancedLaser Diode Systems, PIL131DFB-SM)产生一恒定偏振态的激光脉冲,其波长为1310nm，脉宽20ps，重复频率1MHz。利用传统的光纤线圈式结构偏振控制器PC将激光脉冲转为45°的偏振方向。光通过环形器Cir以后，由第一偏振分束器PBS-A分成两束强度相等的偏振方向正交的激光脉冲Al和Λ2。为方便起见，我们定义前者为垂直偏振方向，后者为平行偏振方向。这两束光经过传播方向相反但距离相等的光程后,在PBS-A处叠加,形成一个双向Sagnac环。在这个过程中，相位调制器PM会对垂直偏振方向的激光脉冲ΛI进行相位调制。所采用的电光相位调制器为重庆中国电子科技集团公司第四十四研究所生产，工作于单线偏振状态，器件的输入、输出口均用保偏光纤。其半波电压约为4.2V，选择0、2.1 ,4.2,6.3V电压可分别实现O、π/2、n ,3 Ji/2的相位调制，SP可分别产生45°线偏振光，右旋圆偏振光，135°线偏振光和左旋圆偏振光。这四种偏振态正是在量子密钥分发的ΒΒ84协议中所需要高速产生的偏振态，它们是分别属于两组共轭基的偏振光。调制频率为IMHz，最高调制速率可达2GHz，精度为10_3rad。在PBS-A处两束光叠加后的结果取决于两束光的相位差，即PM的调制相位。叠加产生的光脉冲经过环形器Cir输出。
[0039]生成偏振光的检测部分:
[0040]产生的偏振光用半波片、第二偏振分束器PBS-B和光功率计Dl和D2进行测量。半波片的作用是将光的偏振方向旋转45°。如表1所不，不同相位差产生的不同方向的偏振光，经过半波片后，偏振方向的变化导致通过偏振分束器PBS-B后，在光功率计测量的结果不同。光功率计Dl和D2两行表示所测得的光强的百分比。
[0041]表1不同偏振光的测量结果
[0042]
[0043]
【权利要求】
1.一种全光纤高速偏振控制系统，其特征在于，所述系统包含: 脉冲激光器，用于产生一恒定偏振态的激光脉冲； 偏振控制器，用于将脉冲激光器产生的激光脉冲转为45°的偏振方向； 偏振分束器，用于将45°偏振方向的激光脉冲分成两束强度相等的偏振方向正交的激光脉冲Al和Λ 2 ;并利用偏振分束器和相位调制器搭建一个双向Sagnac环结构,所述激光脉冲Λ I和Λ2沿所述双向Sagnac环即传播方向相反且光程相等传输后，在偏振分束器处发生叠加输出某一特定偏振态的光； 其中，所述偏振控制器和偏振分束器通过一环形器相连。
2.根据权利要求1所述的全光纤高速偏振控制系统，其特征在于，所述偏振控制器采用PC器件。
3.根据权利要求1所述的全光纤高速偏振控制系统，其特征在于，所述电光相位调制器工作于单线偏振状态，且该器件的输入和输出口均用保偏光纤。
4.一种全光纤高速偏振控制方法，该方法基于权利要求1的系统，所述方法包含: 步骤101)由脉冲激光器产生一恒定偏振态的激光脉冲，所述恒定偏振态为45°线偏振光; 步骤102)利用偏振分束器将激光脉冲分成两束强度相等的偏振方向正交的激光脉冲Λ I 和 Λ 2 ; 步骤103)将激光脉冲Λ I和Λ 2经过Sagnac环传输至偏振分束器，且在传输过程中通过相位调制器对激光脉冲ΛI或者Λ2进行相位调制； 步骤104)传输至偏振分束器的激光脉冲Λ I和Λ 2会叠加产生并输出某一特定偏振态的光； 其中，所述的Sagnac环利用偏振分束器和相位调制器搭建而成。
5.根据权利要求4所述的全光纤高速偏振控制方法，其特征在于，所述步骤104)之后还包含: 步骤105)通过电光相位调制器的调制从而改变两束激光脉冲Al和Λ2之间的相位差，进而改变叠加后的输出光的偏振态。
【文档编号】G02B27/28GK103969841SQ201310035337
【公开日】2014年8月6日 申请日期:2013年1月30日 优先权日:2013年1月30日
【发明者】李申, 翟光杰, 吴令安, 王超 申请人:中国科学院空间科学与应用研究中心