一种基于相位控制和偏振控制的混合相干偏振合成方法与流程

本发明涉及一种相干偏振合成方法，尤其是一种基于相位控制和偏振控制的混合相干偏振合成方法，属于光学工程技术领域。在自由空间激光通信、激光大气传输、激光雷达等领域有着重要的应用前景。

背景技术：

相干偏振合成方法可用于将偏振态互相垂直的线偏振光合成为一束。基于光纤和光纤器件的相干偏振合成具有结构紧凑、稳定性高、易于与其他光纤器件相结合的优点，在自由空间激光通信、激光大气传输、激光雷达等领域有着重要的应用前景。然而，受输入光束相位不一致、光强不匹配等因素的影响，合成光束为随机偏振态，高效、高稳定的相干偏振合成难以实现。

目前，基于相位控制的相干偏振合成方法是实现相干偏振合成、提高合成效率、输出偏振方向沿光纤慢轴的线偏振光的主要技术手段之一。中国科学院光电技术研究所开展了基于相位控制的光纤相干偏振合成研究，进行了理论分析，并完成了相应的实验验证(y.yang,c.geng,etal.,“combiningmodulebasedoncoherentpolarizationbeamcombining,”appliedoptics56,2020-2028(2017))。研究结果表明，基于相位控制的相干偏振合成方法能利用光纤和光纤器件实现高效的相干偏振合成。然而，基于相位控制技术的相干偏振合成方法无法补偿输入光束光强不匹配的影响。当输入路数是2ⁿ(n＝1,2,3…)路时，若输入光束的光强不一致，则受输入光强差的影响，相干偏振合成效率降低；当输入路数不是2ⁿ(n＝1,2,3…)路时，额外引入的光强差将进一步降低相干偏振合成效率。因此，如何补偿光强不匹配的影响，以实现高效的相干偏振合成十分重要。近年来，偏振控制技术的出现和发展为补偿输入光束光强差的影响、实现高效相干偏振合成提供了契机，偏振控制技术利用光纤偏振控制器可实现任意偏振态之间的转换，目前被广泛应用于补偿非保偏光纤放大器中的退偏现象。但是，基于偏振控制的相干偏振合成方法未见报道。

本发明结合相干偏振合成技术、相位控制技术以及偏振控制技术，提出了一种基于相位控制和偏振控制的混合相干偏振合成方法。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是：针对现有相干偏振合成方案的不足，提出一种基于相位控制和偏振控制的混合相干偏振合成方法，通过级联的相位控制和偏振控制、利用光纤和光纤器件实现三路输入光束的高效相干偏振合成，输出线偏振光。与基于相位控制的相干偏振合成方法相比，该方法可补偿输入光束光强不匹配的影响，实现高效的相干偏振合成。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种基于相位控制和偏振控制的混合相干偏振合成方法，其特征在于实现该方法所需要的器件包括光纤相位补偿器、光纤偏振合束器、光纤偏振控制器、光纤检偏器、光电探测器和合成控制器。光纤偏振合束器包括第一光纤偏振合束器和第二光纤偏振合束器，该方法通过级联的相位控制和偏振控制、利用光纤和光纤器件实现三路输入光束的高效相干偏振合成，输出线偏振光；包括相位控制模块和偏振控制模块。所述的相位控制模块包括光纤相位补偿器组和第一光纤偏振合束器，两束偏振方向互相垂直的线偏振光由第一光纤偏振合束器合为一束，利用置于第一光纤偏振合束器前端的光纤相位补偿器组补偿输入光束之间的相位差，使合成光束变为偏振方向沿光纤慢轴的线偏振光，以进行下一级合成。所述的偏振控制模块包括第二光纤偏振合束器和光纤偏振控制器，两束偏振方向互相垂直的线偏振光由第二光纤偏振合束器合为一束，利用置于第二光纤偏振合束器后端的光纤偏振控制器对合成光束的偏振态进行控制，使合成光束为偏振方向沿光纤慢轴的线偏振光。合成光束经光纤检偏器后，利用光电探测器探测输出线偏振光的光能量。合成控制器接收光电探测器的电信号，采用优化控制算法产生控制电压，同时作用于光纤相位补偿器组和光纤偏振控制器，使探测光强最大化，从而实现高效的相干偏振合成。以此方法为基础，输入光束的路数可拓展到三路以上，输入光束两两进行相干偏振合成，若输入光束的光强一致，则利用相位控制模块补偿输入光束的相位差，若输入光束的光强不一致，则利用偏振控制模块直接对合成后光束的偏振态进行控制。

所述光纤偏振合束器正向使用时可将两束偏振态互相垂直的线偏振光合束至一根保偏光纤中，反向使用时可实现输入光束的偏振分解，输出两束偏振方向互相垂直的线偏振光。所述光纤偏振合束器的内置晶体可为方解石、偏硼酸钡(α-bbo)、金红石(tio2)或紫外熔融石英等具有双折射特性的晶体。晶体的一侧熔接有两根保偏光纤分支，分别对应1端口和2端口；晶体的另一侧与一根保偏光纤熔接，对应3端口。1端口和2端口的光纤慢轴分别与晶体偏振状态的最大透射方向对准；3端口的光纤慢轴方向相对于1端口的光纤慢轴方向顺时针旋转了45°。

所述光纤相位补偿器可为铌酸锂光纤相位补偿器、压电陶瓷环光纤相位补偿器或其他光纤相位补偿器。

所述光纤偏振控制器可为方位角型偏振控制器、延迟量型偏振控制器、方位角-延迟量型偏振控制器或其他偏振控制器。

所述光电探测器可为光电二极管、光电三极管、雪崩光电二极管、光电倍增管或其他光电探测器，光电探测器的工作波长范围应覆盖激光束的光波长。

所述合成控制器的控制算法可采用随机并行梯度下降算法、遗传算法、模拟退火算法、多抖动法、单频抖动法、外差法或其他优化控制算法。

本发明的原理可表述为：

光纤偏振合束器1端口和2端口的光纤慢轴方向分别沿y轴和x轴，3端口的光纤慢轴方向相对于1端口的光纤慢轴方向顺时针旋转了45°。利用光纤偏振合束器可将两束偏振方向互相垂直的线偏振光合为一束。两束输入光束的琼斯矩阵可分别表示为和其中i1、i2分别为输入光束的光强，分别为输入光束的相位。经过光纤偏振合束器后的合成光束的琼斯矩阵可表示为：

其中ir是输入光束的光强比(ir＝i2/i1)，是输入光束的相位差

由上述分析可知，合成光束的偏振态与参与合成的两束输入光束之间的相位差及光强比有关。当相位差时，合成光束为线偏振光，且偏振方向与光强比ir相关；当相位差时，合成光束为椭圆偏振光。

基于相位控制的相干偏振合成方法可表述为：

基于相位控制的相干偏振合成方法利用光纤相位补偿器补偿输入光束的相位差，使合成光束为线偏振光。

当相位差时，合成光束的琼斯矩阵可表示为：

此时，合成光束为线偏振光，且偏振方向与输入光束的光强比有关。由于光纤偏振合束器的3端口的光纤慢轴方向相对于1端口的光纤慢轴方向顺时针旋转了45°，仅当输入光束的光强一致时，合成光束的偏振方向与光纤慢轴方向一致。当输入光束的光强不一致时，合成光束的偏振方向与光纤慢轴方向有一定的角度偏差，经光纤检偏器后合成光束的光能量会相应地减弱，且影响其下一级合成。

因此，基于相位控制的相干偏振合成方法可实现两束输入光束的相干偏振合成，输出线偏振光。然而，其合成效果与输入光束的光强比有关，输入光束的光强不匹配会对相干偏振合成效果造成影响，且无法补偿。

基于偏振控制的相干偏振合成方法可表述为：

基于偏振控制的相干偏振合成方法利光纤偏振控制器对合成光束的偏振态进行转换，使合成光束为线偏振光。

光纤偏振控制器是一种可以实现任意偏振态之间互相转换的偏振控制器件。与基于相位控制的相干偏振合成方法相比，无论输入光束的光强是否匹配，合成光束均能被转换为沿光纤慢轴的线偏振光。

因此，基于偏振控制的相干偏振合成方法可实现两束输入光束的相干偏振合成，输出线偏振光，且能补偿输入光束的光强不匹配对相干偏振合成效果的影响。然而，利用基于偏振控制的相干偏振合成方法合成m束输入光束时，需要(m-1)个光纤偏振控制器及k×(m-1)路控制信号，其中k为光纤偏振控制器的控制单元数。随着输入光束的增多，系统复杂度随之增加，收敛速率随之变慢。

本发明将相位控制与偏振控制相结合，提出一种基于相位控制和偏振控制的混合相干偏振合成方法。该方法通过级联的相位控制和偏振控制、利用光纤和光纤器件实现三路输入光束的高效相干偏振合成，输出线偏振光。以此方法为基础，输入光束的路数可拓展到三路以上，输入光束两两进行相干偏振合成，若输入光束的光强一致，则利用相位控制模块补偿输入光束的相位差，若输入光束的光强不一致，则利用偏振控制模块直接对合成后光束的偏振态进行控制。

本发明相比于现有技术的优点在于：

(1)本发明中相干偏振合成过程全部基于光纤和光纤器件实现，结构紧凑、稳定性好、易于与其他光纤器件相结合；

(2)本发明将相位控制与偏振控制相结合，与基于相位控制的相干偏振合成方法相比，可补偿输入光束光强不匹配的影响，实现非2ⁿ(n＝1,2,3…)路输入光束的高效相干偏振合成。

(3)本发明将相位控制与偏振控制相结合，与基于偏振控制的相干偏振合成方法相比，在相同的输入光束路数下，所需的控制信号通道数较少、结构较简单、收敛速率较快。

附图说明

图1为一种基于相位控制和偏振控制的混合相干偏振合成方法的组织结构示意图。

图2为光纤偏振合束器的原理图。

图3(a)、图3(b)、图3(c)分别为开环、相位控制闭环、偏振控制闭环时对应的合成光束偏振状态。

图4为本发明一种基于相位控制和偏振控制的混合相干偏振合成方法实施例中，三路混合相干偏振合成实验结果图。

图中附图标记含义为：1为光纤相位补偿器，2为光纤偏振合束器，2-1为第一光纤偏振合束器，2-2为第二光纤偏振合束器，3为光纤偏振控制器，4为光纤检偏器，5为光电探测器，6为合成控制器。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步的说明。

如图1所示，为一种基于相位控制和偏振控制的混合相干偏振合成方法的组织结构示意图。实现该方法所需要的器件包括光纤相位补偿器1、光纤偏振合束器2、光纤偏振控制器3、光纤检偏器4、光电探测器5和合成控制器6。光纤偏振合束器2包括第一光纤偏振合束器2-1和第二光纤偏振合束器2-2，该方法通过级联的相位控制和偏振控制、利用光纤和光纤器件实现三路输入光束的高效相干偏振合成，输出线偏振光；包括相位控制模块和偏振控制模块。所述的相位控制模块包括光纤相位补偿器1组和第一光纤偏振合束器2-1，两束偏振方向互相垂直的线偏振光由第一光纤偏振合束器2-1合为一束，利用置于第一光纤偏振合束器2-1前端的光纤相位补偿器1组补偿输入光束之间的相位差，使合成光束为偏振方向沿光纤慢轴的线偏振光，以进行下一级合成。所述的偏振控制模块包括第二光纤偏振合束器2-2和光纤偏振控制器3，两束偏振方向互相垂直的线偏振光由第二光纤偏振合束器2-2合为一束，利用置于第二光纤偏振合束器2-2后端的光纤偏振控制器3对合成光束的偏振态进行控制，使合成光束为偏振方向沿光纤慢轴的线偏振光。合成光束经光纤检偏器4后，利用光电探测器5探测输出线偏振光的光能量。合成控制器6接收光电探测器5的电信号，采用优化控制算法产生控制电压，同时作用于光纤相位补偿器1组和光纤偏振控制器3，使探测光强最大化，从而实现高效的相干偏振合成。以此方法为基础，输入光束的路数可拓展到三路以上，输入光束两两进行相干偏振合成，若输入光束的光强一致，则利用相位控制模块补偿输入光束的相位差，若输入光束的光强不一致，则利用偏振控制模块直接对合成后光束的偏振态进行控制。

如图2所示，为光纤偏振合束器的原理图。光纤偏振合束器的内置晶体的一侧熔接有两根保偏光纤分支，分别对应1端口和2端口；晶体的另一侧与一根保偏光纤熔接，对应3端口。1端口和2端口的光纤慢轴分别与晶体偏振状态的最大透射方向对准；3端口的光纤慢轴方向相对于1端口的光纤慢轴方向顺时针旋转了45°。

如图3(a)、图3(b)、图3(c)所示，分别为开环、相位控制闭环、偏振控制闭环时对应的合成光束偏振状态。两偏振方向互相垂直的线偏振光经由光纤偏振合束器进行合成，合成光束偏振态受输入光束的相位差和光强比影响。开环时，合成光束为任意偏振态。相位控制闭环时，合成光束为线偏振光，且偏振方向与输入光束的光强比有关，仅当输入光束的光强一致时，合成光束的偏振方向与光纤慢轴方向一致。偏振控制闭环时，无论输入光束的相位差和光强比为多少，合成光束均为沿光纤慢轴方向的线偏振光。

如图4所示，为本发明一种基于相位控制和偏振控制的混合相干偏振合成方法实施例中，三路混合相干偏振合成实验结果图。该实施例中，共有三路输入，其输入光强值分别为1mw、1mw和0.25mw，实验中以探测到的输出线偏振光的光能量为性能指标，采用随机并行梯度下降算法，同时产生两路相位控制信号及四路偏振控制信号，分别作用于光纤相位补偿器组和光纤偏振控制器，以实现性能指标的最大化控制。由于器件损耗的存在，经过相应的链路预算，可得理论上输出光强值应为1.31mw。此处定义合成效率为实际输出光强值与理论输出光强值的比值。由图4所示，控制算法的迭代速率为6khz，开环闭环采样各10s。开环时，合成效率的平均值为51.60％，均方误差为0.2368。经过大约20次迭代，约3.3ms，系统达到闭环。闭环时，合成效率的平均值为96.77％，均方误差为0.0044，即输出光强的平均值被稳定地提高至1.26mw。假设基于相位控制和偏振控制的混合相干偏振合成方法中的偏振控制模块无法补偿输入光束光强失配的影响，则经过相应的链路预算，可得理论上输出光强值应为1.19mw。实验结果表明，与基于相位控制的相干偏振合成方法相比，基于相位控制和偏振控制的混合相干偏振合成方法可补偿输入光束光强不匹配的影响，实现三路输入光束的高效相干偏振合成。

至此，本发明完成了对一种基于相位控制和偏振控制的混合相干偏振合成方法的详细描述。

本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。