一种基于反馈控制的有源偏振控制系统和方法

1.本发明属于光电子系统领域，更具体地，涉及一种基于反馈控制的有源偏振控制系统和方法。


背景技术：

2.对于片上光子器件而言，大部分器件对于输入光的偏振态十分敏感，在不同偏振态的输入光下其性能或特性完全不同。为了实现片上器件的性能稳定，需要输入光的偏振态保持稳定状态，因此，通常采用偏振控制装置对输入光的偏振态进行控制。目前，商用的偏振控制器通常基于波片型偏振控制器，光纤挤压型偏振控制器，高速linbo3偏振控制器等，这些方案均采用分立的器件，对输入光的偏振态进行控制后，再传输给下一级光子系统。
3.而面对集成度日益提高的集成光子系统而言，分立的偏振控制器增加了系统的体积，功耗以及成本，亟需集成度高，面积小，功耗低的偏振控制方案。为了克服目前商用的偏振控制器的种种缺点，人们对新型偏振控制器进行广泛的探索，目前基于偏振旋转分束器以及马赫曾德尔型干涉仪的有源偏振控制方案逐步受到研究人员的重视。
4.然而，现有基于偏振旋转分束器以及马赫曾德尔型干涉仪的有源偏振反馈控制方案能够对输入光的偏振态进行转换，但往往无法实时调整，同时还存在反馈控制速度较低的问题。


技术实现要素：

5.针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种基于反馈控制的有源偏振控制系统和方法，其目的在于提出一种同时对两级相移器进行调节的有源偏振控制系统，由此解决基于反馈控制的有源偏振控制系统中两级相移器无法同时调节从而限制了锁定速度的技术问题。
6.为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种基于反馈控制的有源偏振控制系统，包括：
7.偏振分束旋转模块，用于将输入偏振光中的两个正交偏振态转换为第一te模光和第二te模光；
8.第一相移器，与所述偏振分束旋转模块连接，用于对第一te模光与第二te模光的相位差进行补偿，其相移量大小由第一反馈信号决定，补偿之后得到第一补偿光与第二补偿光；完成补偿后，所得第一补偿光与所得第二补偿光之间具有固定的相位关系，相位差为0或π；
9.第一3db耦合器，与所述偏振分束旋转模块和第一相移器连接，用于将所述第一补偿光和所述第二补偿光分别进行耦合得到第一调节光和第二调节光；
10.第一耦合器，与所述第一3db耦合器连接，用于耦合所述第一调节光得到第一待测光以及第三调节光；
11.第二耦合器，与所述第一3db耦合器连接，用于耦合所述第二调节光得到第二待测光以及第四调节光；所述第一相移器完成对相位补偿后，所述第一调节光和所述第二调节光的光强相同；所述第一耦合器与所述第二耦合器的耦合系数相同，所述第一相移器完成对相位补偿后，所述第一待测光和所述第二待测光的光强相同，所述第三调节光与第四调节光的光强相同；
12.第二相移器，与所述第二耦合器连接，用于根据第二反馈信号对所述第四调节光进行相移得到第三补偿光，其相移量大小根据第二反馈信号决定，完成调节后，所得第三补偿光与所得第三调节光之间具有固定的相位关系，相位差为π/2；
13.第二3db耦合器，与所述第一耦合器和所述第二相移器连接，用于将所述第三调节光和所述第三补偿光进行耦合，从而输出单一偏振态输出光和最终剩余部分光，当第一相移器与第二相移器均完成调节后，最终剩余部分光的光强为0，任意偏振态的输入偏振光被转换为单一偏振态的输出光；
14.第一光电转换单元，与所述第一耦合器和第一反馈控制模块连接，用于提取第一待测光的光强信息，生成第一电学信号；
15.第二光电转换单元，与所述第二耦合器和第一反馈控制模块连接，用于提取第二待测光的光强信息，生成第二电学信号；所述第一光电转换单元与所述第二光电转换单元具有相同的光电转换系数，即对于相同的输入光强，两者的输出电信号大小相同；
16.第三光电转换单元，与所述第二3db耦合器和第二反馈控制模块连接，用于提取最终剩余部分光的光强信息，生成所述第二反馈信号；
17.第一反馈控制模块，与所述第一光电转换单元、所述第二光电转换单元和第一相移器连接，用于根据所述第一电学信号和所述第二电学信号的差值生成所述第一反馈信号，并基于第一反馈信号的大小对第二相移器的相移进行调节；
18.第二反馈控制模块，与所述第三光电转换单元和所述第二相移器连接，用于根据所述第二反馈信号的大小对所述第二相移器的相移进行调节。
19.在其中一个实施例中，所述第一反馈控制模块包括依次连接的第一模拟前端器件、第一数字控制器件和第一输出驱动器件。
20.在其中一个实施例中，所述第二反馈控制模块包括：第二模拟控制环路器件。
21.在其中一个实施例中，所述第二反馈控制模块自所述第三光电转换单元侧包括依次连接的第二模拟前端器件、第二数字控制器件和第二输出驱动器件。
22.在其中一个实施例中，所述第二反馈控制模块包括：第二模拟控制环路器件。
23.在其中一个实施例中，所述第一相移器和/或所述第二相移器为：基于热光效应的热调相移器、基于等离子色散效应的反偏pn相移器、基于等离子色散效应的正偏pin相移器、基于mems结构的相移器或基于普克尔斯效应的相移器。
24.在其中一个实施例中，所述第一3db耦合器和/或所述第二3db耦合器包括：互相连接的定向耦合器和多模干涉仪。
25.在其中一个实施例中，所述偏振分束旋转模块包括：偏振旋转分束器以及具有偏振旋转分束功能的二维光栅耦合器。
26.按照本发明的另一方面，提供了一种基于反馈控制的有源偏振控制方法，应用于上述基于反馈控制的有源偏振控制系统，包括：
27.s1：将输入偏振光中的两个正交偏振态转换为第一te模光和第二te模光；基于第一反馈信号的大小对第一te模光与第二te模光之间的相位差进行补偿得到第一补偿光和第二补偿光；当完成对相位差补偿后，所述第一补偿光和所述第二补偿光之间具有固定的相位关系，相位差为0或π；
28.s2：将所述第一补偿光和所述第二补偿光进行耦合得到第一调节光和第二调节光；耦合所述第一调节光得到第一待测光和第三调节光；耦合所述第二调节光得到第二待测光和第四调节光；当第一te模光与第二te模光之间的相位差完成补偿之后，所述第一调节光和所述第二调节光的光强相同，所述第一待测光和所述第二待测光的光强相同，所述第三调节光和第四调节光的光强相同；
29.s3：根据第二反馈信号对所述第四调节光进行相移得到第三补偿光；将所述第三调节光和所述第三补偿光进行耦合，从而输出单一偏振态输出光和最终剩余部分光；
30.其中，第一耦合器与第二耦合器具有相同的耦合系数，所述第一光电转换单元与第二光电转换单元具有相同的光电转换系数，所述第一电学信号和所述第二电学信号用于生成所述第一反馈信号；所述第一反馈信号用于标识所述第一待测光和所述第二待测光光强的差异性；所述最终剩余部分光用于生成所述第二反馈信号。
31.总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：
32.1、本发明通过将输入光中的两个正交的偏振态转换为两束te模光；该两束te光基于第一相移器获得相位差后进入第一3db耦合器、具有相同耦合系数的第一耦合器和第二耦合器，耦合出部分光分别进入第一光电转换单元和第二光电转换单元，其输出用于表征当前第一相移器调节是否达到所需状态。剩余部分光经第二相移器和第二3db耦合器，一路输出作为系统输出的稳定单一偏振态光，另一输出进入第三光电转换单元，其输出用于表征当前第二相移器调节是否达到所需状态，并由第二反馈控制模块完成调节。本发明通过引入额外的反馈信号，将两级相移器的调节过程独立开来，减小了控制算法的复杂度，极大程度地提升了偏振控制的速度。
33.2、本发明所提供的基于反馈控制的有源偏振控制系统可实现快速，高效的偏振态控制，与现有方案相比，极大程度地提升了偏振控制的速度，具有较高的商业价值与竞争力。可广泛应用于各种光电系统中，用于实现稳定的偏振态输入。
附图说明
34.图1是本发明一实施例中基于反馈控制的有源偏振控制系统的结构示意图；
35.图2是本发明另一实施例中基于反馈控制的有源偏振控制系统的结构示意图；
36.图3是本发明又一实施例中基于反馈控制的有源偏振控制系统的结构示意图；
37.图4是本发明一实施例中基于反馈控制的有源偏振控制方法的原理示意图。
具体实施方式
38.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要
彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
39.如图1所示，本发明提供了一种基于反馈控制的有源偏振控制系统，包括：
40.偏振分束旋转模块，用于将输入偏振光中的两个正交偏振态转换为第一te模光和第二te模光；
41.第一相移器，与所述偏振分束旋转模块连接，用于对第一te模光与第二te模光的相位差进行补偿，其相移量大小由第一反馈信号决定，补偿之后得到第一补偿光与第二补偿光；完成补偿后，所得第一补偿光与所得第二补偿光之间具有固定的相位关系，相位差为0或π；
42.第一3db耦合器，与所述偏振分束旋转模块和第一相移器连接，用于将所述第一补偿光和所述第二补偿光分别进行耦合得到第一调节光和第二调节光；
43.第一耦合器，与所述第一3db耦合器连接，用于耦合所述第一调节光得到第一待测光以及第三调节光；
44.第二耦合器，与所述第一3db耦合器连接，用于耦合所述第二调节光得到第二待测光以及第四调节光；所述第一相移器完成对相位补偿后，所述第一调节光和所述第二调节光的光强相同；所述第一耦合器与所述第二耦合器的耦合系数相同，所述第一相移器完成对相位补偿后，所述第一待测光和所述第二待测光的光强相同，所述第三调节光与第四调节光的光强相同；
45.第二相移器，与所述第二耦合器连接，用于根据第二反馈信号对所述第四调节光进行相移得到第三补偿光，其相移量大小根据第二反馈信号决定，完成调节后，所得第三补偿光与所得第三调节光之间具有固定的相位关系，相位差为π/2；
46.第二3db耦合器，与所述第一耦合器和所述第二相移器连接，用于将所述第三调节光和所述第三补偿光进行耦合，从而输出单一偏振态输出光和最终剩余部分光，当第一相移器与第二相移器均完成调节后，最终剩余部分光的光强为0，任意偏振态的输入偏振光被转换为单一偏振态的输出光；
47.第一光电转换单元，与所述第一耦合器和第一反馈控制模块连接，用于提取第一待测光的光强信息，生成第一电学信号；
48.第二光电转换单元，与所述第二耦合器和第一反馈控制模块连接，用于提取第二待测光的光强信息，生成第二电学信号；所述第一光电转换单元与所述第二光电转换单元具有相同的光电转换系数，即对于相同的输入光强，两者的输出电信号大小相同；
49.第三光电转换单元，与所述第二3db耦合器和第二反馈控制模块连接，用于提取最终剩余部分光的光强信息，生成所述第二反馈信号；
50.第一反馈控制模块，与所述第一光电转换单元、所述第二光电转换单元和第一相移器连接，用于根据所述第一电学信号和所述第二电学信号的差值生成所述第一反馈信号，并基于第一反馈信号的大小对第二相移器的相移进行调节；
51.第二反馈控制模块，与所述第三光电转换单元和所述第二相移器连接，用于根据所述第二反馈信号的大小对所述第二相移器的相移进行调节。
52.具体的，该方案与现有的有源控制方案的区别在于，其在第一3db耦合器之后引入了两个具有相同分光比的耦合器(第一耦合器和第二耦合器)从第一3db耦合器的两路输出中耦合出部分光用于额外的监测。其具体的工作原理如下：任意偏振态的输入光输入至基
于反馈控制的有源偏振控制系统之后，通过偏振分束旋转模块将输入光中的两个正交的偏振态分别转换为两束硅基波导存在的te模光。通常而言，该两束te模光具有不同的幅值和相位，因此需要采用两级马赫曾德尔干涉仪结构对其相位以及幅度进行补偿，将两束光合束为一束光。采用琼斯矩阵表示输入光的偏振态，有：θθ和φ用于表征任意的输入偏振态。设第一相移器所引入的相移为第二相移器所引入的相移为第一耦合器，第二耦合器耦合至3db耦合器的比例为k(0《k《1)。
53.经过第一相移器之后，输出信号的表达式为：
54.经过第一3db耦合器之后，输出信号的表达式为：
[0055][0056]
经过第二相移器之后，输出信号的表达式为：
[0057][0058]
经过第二3db耦合器之后，输出信号的表达式为：
[0059][0060]
如果使光全部从一处端口输出(上端口)，则有：
[0061][0062]
故有：
[0063]
和或，
[0064]
和
[0065]
由以上分析可知，当且仅当第一相移器和第二相移器的相移大小与输入光的偏振态满足上述关系时，才能实现完整的偏振控制功能。因此需采用反馈控制系统对第一相移器和第二相移器的大小进行实时调节。
[0066]
具体的，当第一相移器调整至所需的值时，第一3db耦合器的两路输出光光强相等。因此，在第一3db耦合器的两路输出处引入额外的耦合器，对两路的输出光强进行监测，并以其差值作为额外的反馈信号，即可用于判定第一相移器的相移量大小是否锁定到所需的值处，而当第一相移器的相移量大小稳定在所需值处附近时，整体输出端口处的反馈信号即可用来判断第二相移器的相移量大小是否锁定至所需的值处。在该方案中，两路反馈信号分别对应两个相移器的相移量调节，因此两者可看做独立进行的两个过程，进而可以同时进行反馈调节，有效地提升了反馈控制的速度。
[0067]
在其中一个实施例中，第一反馈控制模块自第一耦合器侧包括依次连接的第一模拟前端器件、第一数字控制器件和第一输出驱动器件。
[0068]
在其中一个实施例中，第一反馈控制模块包括第一模拟控制环路器件。
[0069]
具体的，如图2所示，任意偏振态的输入光输入至基于反馈控制的有源偏振控制系统之后，通过偏振分束旋转模块将输入光中的两个正交的偏振态分别转换为两束片上的te模光；该两束光基于第一相移器获得相位差后进入第一3db耦合器。第一3db耦合器的两路输出分别经过具有相同耦合系数的第一耦合器和第二耦合器耦合出部分光分别进入第一光电转换单元和第二光电转换单元，作为反馈信号之一传输给第二模拟前端器件，由其将第一光电转换单元和第二光电转换单元产生的信号转化为数字信号传输给第一数字控制器件，第一数字控制器件用于判别两者信号大小是否相等，并以此为依据调整第一输出驱动器件的输出用于调节第一相移器的相移。
[0070]
剩余部分光基于第二相移器获得相位差之后进入第二3db耦合器，第二3db耦合器的上方输出作为整体系统的输出，产生稳定的单一偏振态输出光，下方输出传输给第三光电转换单元，作为另一反馈信号传输给第一模拟前端器件，由其将第三光电转换单元产生的信号转化为数字信号传输给第二数字控制器件，第二数字控制器件用于判定当前输出是否处于最小值，并以此为依据调整第二输出驱动器件的输出用于调节第二相移器的相移。
[0071]
在其中一个实施例中，第二反馈控制模块自第三光电转换单元侧包括依次连接的第二模拟前端器件、第二数字控制器件和第二输出驱动器件。
[0072]
在其中一个实施例中，第二反馈控制模块包括第二模拟控制环路器件。
[0073]
具体的，如图3所示，任意偏振态的输入光输入至基于反馈控制的有源偏振控制系统之后，通过偏振分束旋转模块将输入光中的两个正交的偏振态分别转换为两束片上的te模光，该两束光基于第一相移器获得相位差后进入第一3db耦合器。第一3db耦合器的两路输出分别经过具有相同耦合系数的第一耦合器和第二耦合器耦合出部分光分别进入第一光电转换单元和第二光电转换单元，作为反馈信号之一传输给第一模拟控制环路器件，在第一模拟控制环路器件的控制下调节第一相移器的相移，使得第一光电转换单元和第二光电转换单元输出信号相等。剩余部分光基于第二相移器获得相位差之后进入第二3db耦合器，第二3db耦合器的上方输出作为整体系统的输出，产生稳定的单一偏振态输出光，下方输出传输给第三光电转换单元，作为另一反馈信号传输给第二模拟控制环路器件，在第二模拟控制环路器件的控制下调节第二相移器的相移，使得第三光电转换单元的输出信号处于最小值处。
[0074]
在其中一个实施例中，第一相移器和/或第二相移器为：基于热光效应的热调相移器、基于等离子色散效应的反偏pn相移器、基于等离子色散效应的正偏pin相移器、基于mems结构的相移器或基于普克尔斯效应的相移器。
[0075]
在其中一个实施例中，第一3db耦合器和/或第一3db耦合器包括：互相连接的定向耦合器和多模干涉仪。其中，第一耦合器、第二耦合器均可由任意具有分光功能的光学结构组成。
[0076]
按照本发明的另一方面，提供了一种基于反馈控制的有源偏振控制方法，应用于上述基于反馈控制的有源偏振控制系统，包括：
[0077]
s1：将输入偏振光中的两个正交偏振态转换为第一te模光和第二te模光；基于第一反馈信号的大小对第一te模光与第二te模光之间的相位差进行补偿得到第一补偿光和第二补偿光；当完成对相位差补偿后，第一补偿光和第二补偿光之间具有固定的相位关系，
相位差为0或π；
[0078]
s2：将第一补偿光和第二补偿光进行耦合得到第一调节光和第二调节光；耦合第一调节光得到第一待测光和第三调节光；耦合第二调节光得到第二待测光和第四调节光；当第一te模光与第二te模光之间的相位差完成补偿之后，第一调节光和第二调节光的光强相同，第一待测光和第二待测光的光强相同，第三调节光和第四调节光的光强相同；
[0079]
s3：根据第二反馈信号对第四调节光进行相移得到第三补偿光；将第三调节光和第三补偿光进行耦合，从而输出单一偏振态输出光和最终剩余部分光；
[0080]
其中，第一耦合器与第二耦合器具有相同的耦合系数，第一光电转换单元与第二光电转换单元具有相同的光电转换系数，第一电学信号和第二电学信号用于生成第一反馈信号；第一反馈信号用于标识第一待测光和第二待测光光强的差异性；最终剩余部分光用于生成第二反馈信号。
[0081]
具体的，如图4所示，首先对第一相移器的相移量大小进行反馈调节，使第一光电转换单元和第二光电转换单元产生的信号相等，此后第一相移器和第二相移器的调节可视为是相互独立的过程，随后两个反馈控制环路可以同时独立地进行。通过同时调节两个相移器的相移，可以有效地提高整体偏振控制环路的速度，使本方案更具竞争力。
[0082]
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。