压电式偏振控制器系统的控制方法与流程

本发明涉及偏振控制技术领域，尤其涉及一种压电式偏振控制器系统的控制方法。

背景技术：

目前为止，现有的偏振控制器都是使用的闭环控制方法，而且是通过反复比较输出偏振态与目标偏振态的偏差，不断调节控制参数，使之朝偏差减小的方向变化逐渐趋近于期望偏振态，每一次调节参数之前都得测量输出偏振态的值，花费大量时间，极大地限制了偏振控制的速度。

现有的闭环型偏振控制器的设计方案为：基于波片组合的偏振控制器方案

通常认为1/4波片能够把任意状态下的偏振光转变成线偏振光或相反，而半波片则能实现任意两个偏振态间的转换，所以它们之间的组合可以实现偏振控制。

它是一个自由空间三波片偏振控制器的结构图，它由两个1/4波片和一个半波片组成，其中各波片的延迟量固定，相对角度是可变的。控制原理是：任意的输入偏振光经第一个1/4波片变为线偏振光，然后经过半波片此时线偏振光的偏振方向会变为期望得到的偏振方向，最后第二个1/4波片会把该线偏振光变为期望得到的输出偏振光。

这类方法应用比较广泛，但是仍然存在很多缺点。比如要将光从一根光纤中耦合输出，再将其聚焦进入另一根光纤，会使得插入损耗增大，而且光纤的聚焦也要花费很多时间。

技术实现要素：

本发明的实施例提供了一种压电式偏振控制器系统的控制方法，能够提高压电式偏振控制器系统的控制速度。

为了实现上述目的，本发明采取了如下技术方案。

一种压电式偏振控制器系统的控制方法，包括：

建立压电式偏振控制器系统的矩阵模型；

根据所述矩阵模型，对所述压电式偏振控制器系统进行控制。

所述对所述压电式偏振控制器系统进行控制的步骤包括：

获取所述压电式偏振控制器系统的设定输出偏振态；根据所述矩阵模型，计算所述设定输出偏振态对应的第一电压值；给所述压电式偏振控制器系统加上所述第一电压值,以使所述压电式偏振控制器系统输出所述设定输出偏振态；或者

获取所述压电式偏振控制器系统的设定输出电压值；根据所述矩阵模型，计算所述设定输出电压值对应的输出偏振态，以估算所述设定输出电压值对应的输出偏振态。

所述压电式偏振控制器系统包括至少三个压电式偏振控制器单元；

每一个压电式偏振控制器单元包括：狭窄入口和可调式电源驱动的压电微位移器、光纤入口、光纤出口以及电源插口；

所述压电式偏振控制器单元之间依次交错成45。

所述矩阵模型为：

其中，a₁～a₃分别为矢量α的三个坐标分量，θ_1～3分别是第1～3压电式偏振控制器单元的旋转角。

所述对所述矩阵模型进行初始化的步骤包括：

将电压施加于一压电式偏振控制器单元上，获取所述压电式偏振控制器单元输入的电压值以及输入的所述电压值对应的输出偏振态；

通过多重线性回归方法，根据输入的所述电压值和对应的所述输出偏振态，求得广义偏振主态单位矢量；

根据旋转角和电压间的对应关系，求得旋转角与电压之间的函数，得到所述压电式偏振控制器单元的旋转矩阵；所述旋转角为偏振态矢量绕着所述广义偏振主态单位矢量旋转所经过角度；

运用相同方法，求得其他两个压电式偏振控制器单元的旋转矩阵；

根据所述三个压电式偏振控制器单元的旋转矩阵，得到整个压电式偏振控制器系统的矩阵模型。

由上述本发明的实施例提供的技术方案可以看出，本发明实施例中，开环控制方法为：利用输出偏振态函数，只需要测量输出偏振态和电压值对偏振控制器进行初始化，加上电压即可得到所需偏振态，不需要任何反馈，也不需要其他的复杂算法，因此其控制速度会大大提高，达到微秒级。

本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，这些将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例一提供的一种压电式偏振控制器系统的控制方法的处理流程图；

图2是本发明中压电式偏振控制器系统的装置图。

图3是本发明中单个PPC单元的结构图。

图4是本发明实施例中输出偏振态在邦加球上的变化轨迹示意图(侧视图)。

图5是本发明实施例中输出偏振态在邦加球上的变化轨迹示意图(正视图)。

图6是本发明实施例中旋转角与电压间的线性变化关系图。

图7是本发明实施例中理论输出偏振态与实际输出偏振态的值的分布图。

图8是本发明实施例中PPC的偏振态响应时间示意图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。

如图1所示，为本发明所述的一种压电式偏振控制器系统的控制方法，包括：

步骤11，建立压电式偏振控制器系统的矩阵模型；

其中，所述压电式偏振控制器系统包括至少三个压电式偏振控制器单元；

每一个压电式偏振控制器单元包括：狭窄入口和可调式电源驱动的压电微位移器、光纤入口、光纤出口以及电源插口；

所述压电式偏振控制器单元之间依次交错成45。

所述矩阵模型为：

其中，a₁～a₃分别为矢量α的三个坐标分量，θ_1～3分别是第1～3压电式偏振控制器单元的旋转角。

步骤11，包括：

步骤111，将电压施加于一压电式偏振控制器单元上，获取所述压电式偏振控制器单元输入的电压值以及输入的所述电压值对应的输出偏振态；

步骤112，通过多重线性回归方法，根据输入的所述电压值和对应的所述输出偏振态，求得广义偏振主态单位矢量；

步骤113，根据旋转角和电压间的对应关系，求得旋转角与电压之间的函数，得到所述压电式偏振控制器单元的旋转矩阵；所述旋转角为偏振态矢量绕着所述广义偏振主态单位矢量旋转所经过角度；

步骤114，运用步骤111-113的方法，求得其他两个压电式偏振控制器单元的旋转矩阵；

步骤115，根据所述三个压电式偏振控制器单元的旋转矩阵，得到整个压电式偏振控制器系统的矩阵模型。

步骤12，根据所述矩阵模型，对所述压电式偏振控制器系统进行控制。

步骤12包括：

获取所述压电式偏振控制器系统的设定输出偏振态；根据所述矩阵模型，计算所述设定输出偏振态对应的第一电压值；给所述压电式偏振控制器系统加上所述第一电压值,以使所述压电式偏振控制器系统输出所述设定输出偏振态；或者

获取所述压电式偏振控制器系统的设定输出电压值；根据所述矩阵模型，计算所述设定输出电压值对应的输出偏振态，以估算所述设定输出电压值对应的输出偏振态。

本发明提出一种压电偏振控制器(PPC)的开环偏振控制方法。这种方法相较于传统闭环控制方法,偏振控制速度提高了许多，达到了微秒级。它对于光纤通信、光纤测量、光通信等领域会有很重大的影响。

以下描述本发明的应用场景。

本发明的压电型偏振控制器的开环控制方法,构建了压电型偏振控制器的矩阵模型，分析了广义的偏振主态。另外，本发明介绍了一种偏振主态(psp)的广义概念来分析压电式偏振控制器(PPC)，每一个PPC单元可以通过由PSP确定的旋转矩阵来进行描述。

本文的PPC由三个PPC单元组成，每一个都由一个狭窄入口和一个由可调式电源驱动的PZT(压电微位移器)组成，PZT的挤压方向可以是0°，45°，0°。本发明证实了所有的偏振旋转角度相对于驱动电压是线性变化的，而且PSP的第二单元相对于其他几乎相等的单元是近似正交的。通过采取了一些近似计算，本发明建立了PPC的关于驱动电压的矩阵模型。本发明的理论模型的平均误差大概在1.51°，偏振响应时间<50μs，满足了偏振的开环控制条件。

在斯托克斯空间中，任意的偏振分量，比如PPC单元甚至整个PPC可以由缪勒矩阵来描述。当参数u是关键变量时，分量的PDL(偏振相关损耗)是非常小的(PPC<0.1dB)，本发明可以把这个缪勒矩阵描述成一个3x3的正交或者旋转矩阵Μ(u)。因此输入的斯托克斯参量S_in＝(s_in1,s_in2,s_in3)^T和输出的斯托 克斯参量S_out＝(s₁,s₂,s₃)^T以及矩阵Μ(u)(Μ的行列式不等于0)是满足S_out＝Μ(u)S_in的。当输入的斯托克斯参量不变时，斯托克斯参量与变量u所满足的关系是：

$\frac{\&part;S_{ouh}}{\&part;u}=\frac{\&part;M\left(u\right)}{\&part;u}{S}_{in}---\left(1\right)$

由此可以得到：

$\frac{\&part;S_{out}}{\&part;u}=\frac{\&part;M\left(u\right)}{\&part;u}M{\left(u\right)}^{-1}{S}_{out}---\left(2\right)$

因为总是与S_out满足正交关系，这就意味着矩阵可以等价为一个矢量算符α，故等式(2)可以改写为

$\frac{\&part;S_{out}}{\&part;u}=\mathrm{\&alpha;}\&times;S_{out}---\left(3\right)$

在上式中，是一个连续函数，所以至少存在一个S_out，对于任意输入的偏振态(SOP)，使得即输出偏振态不变，这个特殊的S_out又被成为广义偏振主态。很显然，矢量α是广义PSP之一。给定一个与u无关的单位矢量(其中，a₁～a₃分别为矢量α的三个坐标分量)当u变化时，所有输出的偏振态将会以作为旋转轴进行旋转。所以这个缪勒矩阵模型可以用一个旋转矩阵来表示，

其中θ是关于电压u的旋转角。

正如等式(4)所表示的内容，此时PPC的每一个单元都对应于一个旋转矩阵这个矩阵模型就变为

其中，i是控制单元的序号，n是控制单元的总个数。

图2是本发明的压电偏振控制器系统的示意图。本发明的压电偏振控制器系统由三个PPC单元组成，PZT的挤压方向相对于垂直方向分别是0°，45°，0°；它是由可调电源控制的。每一个PPC单元都由一个入口和一个PZT(如图3所示)组成。由图可知，此压电型偏振控制模型结构图比较简单。当PPC的驱动电压增大时，输出的斯托克斯矢量都会被电脑记录下来。

首先，本发明只把电压施加于一个任意的PPC单元比如单元1上，随着电压增大，四个不同的输入偏振态会引起输出偏振态的改变，然后测量下来。所有的数据被绘制到图4(侧视图)和图5(正视图)上面。

从这两幅图本发明可以得到：

(1)在同一输入偏振态下，随着电压变化，输出的偏振态绕着同一个圆旋转；

(2)在不同输入偏振态下，输出偏振态随着电压改变绕一组同心圆旋转；

(3)特别地，当输出偏振态沿旋转轴方向时，它不再随着电压而变化。

因此本发明可以得到一个结论：当PPC单元确实存在着广义PSP，它的矢量所在方向和同心圆的旋转轴一致，而且它与电压和输入偏振态都无关。

因为广义PSP方向是输出偏振态的旋转轴，因此，它是所有圆平面的共有法线。选择一套数据(一个圆平面上的数据)来计算。通过使用多重线性回归方法，假设本发明求得平面方程为-0.8448x+02121y-0.4913z+0.5576＝0，所以PSP单位矢量方向即该平面法线，即

随后，找到PSP矢量与平面的交叉点，然后得到旋转角(如图6中的夹角)与电压之间的关系。结果绘制成图7，表明了旋转角相对于电压是线性变化的。通过线性拟合，得到了当决定系数R₂＝0.9995时， θ₁＝0.04814u₁+0.03912。(其中，θ₁、u₁分别是第一个控制单元的旋转角及施加的电压)。

运用同样的方法，可以得到其他PPC单元的广义PSP单位矢量和旋转角度，结果如下：

(其中，θ_1～3、u_1～3分别是1～3控制单元的旋转角及施加的电压)

三个PSP之间的夹角分别为θ₁₂＝90.12°，θ₂₃＝90.05°，θ₁₃＝0.41°，这表明单元1与单元3的PSP近似重合，单元2与他们都接近垂直。由于挤压单元之间的光纤距离非常短，可以忽略单元之间的传输缪勒矩阵，由等式(5)和(6)可知，整个PPC的缪勒矩阵可以表示为

为了减少计算量，采取近似计算，认为以(x-轴)，(y-轴)，(z-轴)建立新的坐标系Ω来观测偏振态变化。对任一输入偏振态，PPC的作用是使输出偏振态先绕z-轴旋转角度θ₁，然后绕x-轴旋转角度θ₂，最后绕z轴旋转角度得到θ₃。故PPC模型为：

其中θ_i(i＝1-3)是关于电压的一个系数。把上式放到直角坐标系中可以得到：

为了验证矩阵模型的有效性，采用随机控制方法来对比理论输出偏振态与实际的输出偏振态(由偏振分析仪测得)之间的差异。图8展示了部分结果。通过数据分析得到了平均误差为0.0264，即在邦加球上1.51°的误差。

此外，通过偏振分析仪(Thorlabs IPM5300)，观测了PPC的偏振响应时间，图8即为所得到的结果。图中表明了当电压发生突变时输出斯托克斯矢量各分量s₁,s₂,s₃的响应。从图8不难发现，PPC的偏振态响应时间小于50μs，而且偏振态非常稳定，比基于法拉第旋转器研制的偏振控制器要快20倍。

由此可见，本文的开环控制方法为：利用输出偏振态函数，只需要测量输出偏振态和电压值对偏振控制器进行初始化，加上电压即可得到所需偏振态，不需要任何反馈，也不需要其他的复杂算法，因此其控制速度会大大提高，达到微秒级。同时，对于所需的任意偏振态，通过逆运算得到相应的电压值，分别加到对应的PPC控制单元即可得到。因此，相比于闭环控制方法，本发明结构简单且控制速度快。

以下描述本发明的实施例。

首先，只把电压施加于一个任意的PPC单元上，随着调节电压的变化，四个不同的输入偏振态会引起输出偏振态的改变，然后测量下来。通过多重线性回归方法，求得广义PSP单位矢量。

接下来，根据图6中旋转角和电压间的对应关系，求得旋转角与电压之间的函数。这样就可以得到一个PPC单元的旋转矩阵。

运用同样的方法，求得其他两个PPC单元的旋转矩阵。

有了这三个单元的旋转矩阵，就可以得到整个PPC系统的矩阵模型。

从偏振分析仪可以验证模型的正确性。因为此方法属于开环偏振控制，所以只需要知道电压值和输出偏振态，然后对偏振控制器进行初始化，加上电压即可获得所需偏振态。同时，也可通过其逆过程算出所需偏振态的电压 值，然后对控制器加上电压即可。

本发明的压电偏振控制器，由三个压电式偏振控制器单元组成，且能受可控电压源调节的压电偏振控制器。每一个压电式偏振控制器单元由一个入口、一个压电微位移器、光纤入口、光纤出口以及电源插口组成。压电偏振控制器三个单元之间依次交错成45°，即0°，45°，0°。压电式偏振控制器单元由直流电压源控制，控制范围为0～200V。压电微位移器型号为PSt150/7×7/20,外形尺寸为7×7×18(mm)；标称位移20μm；最大位移30μm；最大推力3500N；刚度120N/μm；工作电压0—150V。输出结果可以由偏振分析仪得到，所用型号为Thorlabs公司的IPM5300。

本发明的开环控制的基于挤压光纤式的压电偏振控制器，随着电压的改变压电微位移器挤压光纤，使光纤产生应力双折射，进而引起光纤偏振态的改变。首先，本发明把电压加在一个任意的压电式偏振控制器单元上，改变电压来求出这个单元的广义PSP矢量以及旋转角，从而得到其旋转矩阵。然后运用同样方法得到其他两个单元的旋转矩阵，就可以得到整个压电偏振控制器的矩阵模型，从而求出输出偏振态。运用了偏振分析仪来检验结果，证明误差是在允许范围内的。其开环控制体现在不需要添加复杂的反馈，只需要加上特定的电压即可得到所需的偏振态，因此偏振控制速度相比闭环控制要快得多。本发明的压电偏振控制器，它可以根据输入的偏振态来输出在任意电压驱动下的偏振态。它是开环控制的，加上所需电压值即可得到期望的偏振态。

本发明具有以下有益效果：

本发明的压电式偏振控制器结构也是比较简单的。它可以输出在任意电压驱动下的偏振态，而且其逆过程也是非常有用的，意味着一旦提供了由简单矩阵模型所得到的驱动电压，就可以得到理想的输出偏振态。因此在现如今的偏振控制中所用到的复杂反馈将会显著减少，控制速度将会明显改善。 本发明为偏振开环控制铺平了道路，在现代光通信和光传感领域也将会带来偏振控制速度上的突破。

本发明的压电式偏振控制器的插入损耗低而且偏振相关损耗也较低，而这两个条件正好满足了骨干传输网的特殊要求。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。