一种激光偏振态控制稳定装置和控制稳定方法与流程

本发明属于激光技术领域，具体涉及一种激光偏振态控制稳定装置和控制稳定的方法。

背景技术：

偏振态作为光波的一项重要的基本特性，其在高速光通信、相干光通信、光量子通信、光纤传感、高功率激光装置等领域均有重要的影响及应用。若已知输入光的偏振态，通过配置一系列波片，即可获得任意期望偏振态的输出。对于未知的偏振态输入，为获得期望的偏振态输出，控制方法主要有以下四种：

1)基于光功率的偏振态控制方法。

该方法利用偏振分束器获取某一偏振方向的偏振分量，基于该偏振方向的光功率值并配合搜索算法，对偏振控制器进行控制，即可实现输出光偏振态的控制及稳定。该方法提取的信息量有限，主要用于实现任意偏振态输入到线偏振输出的状态转换。

此方法由于其提取的信息量有限，无法给出明确的控制量，为了实现最优的偏振态控制，一般需要采用各种寻优算法(包括模拟退火算法、粒子群算法、遗传算法等)，但无论采用哪种寻优方法，均存在一定的盲目性以及大量的尝试，而寻优过程存在的大量局部最优值，实际偏振控制器件存在的滞回特性也将会对算法的搜索造成影响，因此寻优时间的长短存在不确定性，而寻优结果亦可能陷于局部最优。

2)基于偏振态检测的偏振态控制方法

该方法需要对当前输出光偏振态进行最少一次探测，获取当前输出光的偏振态的描述参数，随后基于该描述参数，快速调整，实现任意偏振态的输出。该方法控制精度高、响应速度快，但需要对偏振态进行检测，装置复杂。

3)基于干涉信号的偏振态控制方法

该方法常见于光纤传感系统中，通过获得包含偏振态信息的干涉信号，并配合搜索算法，调整偏振控制器，实现所需偏振态的控制及稳定。该方法不理会输入输出光的偏振态，其目标是获得期望的干涉信号。

4)基于拍频信号的偏振控制方法

该方法通过探测频率相近的双波长正交偏振光通过起偏器后表现出的拍频信号，提取双波长激光的偏振态信息，然后进行反馈控制，实现双波长正交偏振光的偏振态控制和稳定。该方法可以实现双波长乃至多波长的偏振态控制，具有较高的灵敏度。该方法主要应用于频率相近的双波长系统中。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种激光偏振态控制稳定装置和控制稳定方法。快速实现控制电压的搜索和输出偏振态的稳定，克服现有的偏振态控制稳定方法的不完善性。

本发明提供的一种激光偏振态控制稳定装置，包括偏振控制器、起偏器、分束器和电控组件，偏振控制器、起偏器和分束器依次经光纤连接，激光输入偏振控制器，分束器将光束分为2路，比较大的一束作为输出激光，比较小的一束作为监测光信号连接到电控组件，电控组件输出的控制电压信号接入偏振控制器。起偏器与偏振控制器连接的输入光纤为普通单模光纤，起偏器与分束器连接的输出光纤为保偏光纤。

所述分束器的分束比为(90:10)～(99:1)。

所述的偏振控制器为光纤挤压型偏振控制器，包含4个挤压件，相邻挤压件间成45度夹角。

所述电控组件含有依次连接的光电探测器、AD转换模块、数字信号处理芯片(DSP)、DA转换模块，DA转换模块的输出与偏振控制器相连接，分束器的输出接入光电探测器。光电探测器将由分束器得到的光信号转换为电信号，经AD转换模块转换为数字信号，送入数字信号处理芯片，在此芯片中按控制算法实时快速处理数据，得到控制信号，经DA转换模块转换为模拟信号，接入偏振控制器作为控制电压。

所述的光电探测器为PIN型光电二极管。

为了避免光电探测器饱和，让装置具有更宽广的适用范围，在分束器和电控组件之间接入可调衰减器。

本发明的一种激光偏振态控制稳定装置的控制稳定方法，包含以下步骤：

步骤Ⅰ、搜索最优控制电压

Ⅰ-1、预置电压

电控组件对偏振控制器中各个挤压件预置电压，保证各挤压件引入的快慢轴间的相位差处于0.5π±0.2π范围内或者1.5π±0.2π范围内；

Ⅰ-2、控制电压扫描

沿着光传输方向，依次扫描各个挤压件的控制电压，扫描某个挤压件的控制电压时，其他挤压件的控制电压保持不变，对某个挤压件扫描完毕后，将该挤压件的控制电压设置为本次扫描过程中本装置线偏振态激光输出最大时对应的该挤压件控制电压；然后再对下一个挤压件进行控制电压扫描。所有挤压件的控制电压扫描完毕后，得到各挤压件的控制电压即是偏振控制器的最优控制电压。

扫描过程设置的步长d为扫描范围的1/300～1/500，扫描范围为挤压件的控制电压范围。

对偏振控制器中的各挤压件预置电压或进行控制电压的扫描之前，先将该挤压件的电压设置为该挤压件无挤压状态的电压，再逐渐增加至预置电压或开始控制电压的扫描。

在步骤Ⅰ-2的控制电压扫描过程中，保证各挤压件引入的快慢轴间的相位差大于等于2π。

所述步骤Ⅰ-1中，当偏振控制器中各挤压件的顺序不可知时，按挤压件的控制电压范围与相位延迟范围，选择各挤压件的预置电压，保证各挤压件引入的快慢轴间的相位差处于0.5π±0.2π范围内或1.5π±0.2π范围内。

所述步骤Ⅰ-2中采用不同的扫描顺序，扫描各挤压件的控制电压N次，N≥3。扫描某个挤压件的控制电压时，其他挤压件的控制电压保持不变，某个挤压件扫描完毕后，将该挤压件的控制电压设置为本次扫描过程中本装置线偏振态输出最大时对应的该挤压件控制电压，然后开始下一个挤压件控制电压的扫描。完成了4个挤压件的控制电压一次扫描后。再开始下一次不同顺序的的各挤压件的控制电压扫描。取N次扫描过程中，本装置线偏振态输出最大时对应的各挤压件的控制电压为最优控制电压。

优选地，偏振控制器的4个挤压件分别编号0、1、2、3，取扫描次数N＝4，4次的扫描顺序分别为：：0123，0132，0213，0231。

步骤Ⅱ、稳定控制

采用步骤Ⅰ所得的本装置实现线偏振态最大输出的各挤压件控制电压，即本装置线偏振态输出最大，将此时经分束器输出的监测值，即经过光电探测器的光电转换和AD模块转换后的监测模拟量标记为I_max。实时比较当前监测模拟量I_k与本装置线偏振态输出最大时I_max的差异，两者差的绝对值Δ＝|I_max-I_k|，设定阈值δ，0.5％≤δ≤2％，当Δ/I_max＞δ，依次对各挤压件的控制电压步进加或减，步长设置为d/2；若调整后的I′_k大于I_k，则接受该控制电压，若调整后的I′_k小于或等于I_k，则返回调整前的该挤压件控制电压设置值，装置继续保持最大的线偏振输出状态。

持续重复执行步骤Ⅱ；

当某个挤压件的控制电压到达控制边缘时，执行步骤Ⅲ。偏振控制器挤压件控制电压范围的上、下限为控制边缘。

步骤Ⅲ、复位控制

Ⅲ-1、将控制电压到达控制边缘的挤压件的控制电压步进加或减，调离控制边缘，步长为d/2；

Ⅲ-2、依次对其他挤压件控制电压进行步进加或减，步长为d/2，若某个挤压件的控制电压调整后I′_k大于I_k，则接受该挤压件调整后的控制电压，若该挤压件的控制电压调整后I′_k小于或等于I_k，则该挤压件的控制电压返回调整前的控制电压设置值；

Ⅲ-3、步骤Ⅲ-1和Ⅲ-2重复M次，将到达控制边缘的挤压件的控制电压调离控制边缘Md/2，M为10～20。

步骤Ⅲ执行完毕，返回步骤Ⅱ。

与现有技术相比，本发明的一种激光偏振态控制稳定装置和控制稳定方法的优点是：1)采用预置控制电压，以及各挤压件按不同顺序的错位扫描方式，能快速有效地寻找到偏振控制器的最优控制电压；2)本方法不引入随机量，不会陷于局部最优，搜索时间短且确定，任意偏振态输入均能经本装置转换为最大线偏振输出；3)本方法包含稳定控制和复位控制，有效应对控制电压到达边缘的情况，可长时间保证输出光处于线偏振最大输出状态。

附图说明

图1为本激光偏振态控制稳定装置实施例的结构框图；

图2为本激光偏振态的控制稳定方法实施例1的流程图；

图3为本激光偏振态的控制稳定方法实施例2步骤Ⅰ搜索最优控制电压的流程图；

图4为本激光偏振态的控制稳定方法实施例1的最优控制电压搜索结果；

图5为本激光偏振态的控制稳定方法实施例1的偏振态稳定控制的邦加球示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

激光偏振态稳定控制装置实施例

本激光偏振态控制稳定装置的结构框图如图1所示，图中的虚线连接符号表示光路，实线连接符号表示电路。本实施例包括偏振控制器、起偏器、分束器、可调衰减器和电控组件，其中偏振控制器、起偏器、分束器依次经光纤连接，激光输入偏振控制器，本例分束器的分束比为90:10，分束器将光束分为2路，90％的光束作为输出，10％的光束作为监测信号经可调衰减器连接到电控组件。

起偏器前后分别为普通单模光纤和保偏光纤。

本例的偏振控制器为光纤挤压型偏振控制器，包含四个挤压件，相邻挤压件间成45度夹角。

本例电控组件含有依次连接的光电探测器、AD转换模块、数字信号处理芯片(DSP)和DA转换模块，DA转换模块的输出与偏振控制器相连接，分束器的输出接入光电探测器。光电探测器将由分束器得到的光信号转换为电信号，经AD转换模块转换为数字信号，送入数字信号处理芯片，在此芯片中按控制算法实时快速处理数据，得到控制信号，经DA转换模块转换为模拟信号，接入偏振控制器作为控制电压。

本例光电探测器为PIN型光电二极管。

激光偏振态的稳定控制方法实施例1

本激光偏振态的稳定控制方法实施例1采用上述激光偏振态稳定控制装置实施例，其流程图如图2所示，包含以下步骤：

步骤Ⅰ、搜索最优控制电压

Ⅰ-1、预置电压

本例已知偏振控制器的4个挤压件的顺序，电控组件对偏振控制器中沿光传输方向末两级的挤压件预置电压-3V，末两级挤压件引入的快慢轴间的相位差分别为0.45π和0.55π；

Ⅰ-2、控制电压扫描

本例沿着光传输方向，依次扫描各个挤压件的控制电压，扫描某个挤压件的控制电压时，其他挤压件的控制电压保持不变，对某个挤压件扫描完毕后，将该挤压件的控制电压设置为本次扫描过程中本装置线偏振态激光输出最大时对应的该挤压件控制电压；然后再对下一个挤压件进行控制电压扫描。所有挤压件的控制电压扫描完毕后，得到各挤压件的控制电压即是偏振控制器的最优控制电压。

对偏振控制器中的各挤压件预置电压或进行控制电压的扫描之前，先将该挤压件的电压设置为该挤压件无挤压状态的电压，再逐渐增加至预置电压或开始控制电压的扫描。

本例控制电压扫描范围为-5V～+5V，设置扫描步长为0.02V。

在控制电压扫描过程中，保证各挤压件引入的快慢轴间的相位差大于等于2π。

步骤Ⅱ、稳定控制

采用步骤Ⅰ所得的本装置实现线偏振态最大输出的各挤压件控制电压，即本装置线偏振态输出最大，将此时经分束器输出的监测值经过光电探测器的光电转换和AD模块转换后的监测模拟量标记为I_max。实时比较当前监测模拟量I_k与本装置线偏振态输出最大时I_max的差异，两者差的绝对值Δ＝|I_max-I_k|，本例设定阈值δ，δ＝1％，当Δ/I_max＞δ，依次对各挤压件的控制电压步进加或减，步长设置为步骤Ⅰ步长的一半即0.01V；若调整后的I′_k大于I_k，则接受该控制电压，若调整后的I_k′小于或等于I_k，则返回调整前的该挤压件控制电压设置值，装置继续保持最大的线偏振输出状态。

重复执行步骤Ⅱ；

当某个挤压件的控制电压到达控制边缘时，执行步骤Ⅲ。偏振控制器挤压件控制电压范围的上、下限为控制边缘。

步骤Ⅲ、复位控制

Ⅲ-1、将控制电压到达控制边缘的挤压件的控制电压步进加或减，调离控制边缘，步长为0.01V；

Ⅲ-2、依次对其他挤压件控制电压进行步进加或减，步长为0.01V，若某个挤压件的控制电压调整后I′_k大于I_k，则接受该挤压件调整后的控制电压，若该挤压件的控制电压调整后I′_k小于或等于I_k，则该挤压件的控制电压返回调整前的控制电压设置值；

Ⅲ-3、本例步骤Ⅲ-1和Ⅲ-2重复15次，将到达控制边缘的挤压件的控制电压调离控制边缘15X0.01V＝0.15V。

步骤Ⅲ执行完毕，返回步骤Ⅱ。

激光偏振态的稳定控制方法实施例2

本激光偏振态的稳定控制方法实施例2采用上述激光偏振态稳定控制装置实施例，包含以下步骤：

步骤Ⅰ、搜索最优控制电压

本步骤流程图如图3所示。

Ⅰ-1、预置电压

本例未知偏振控制器的4个挤压件的顺序，对偏振控制器的各挤压件预置电压-3V，使各挤压件引入的快慢轴间的相位差处于0.5π±0.2π范围内。

Ⅰ-2、控制电压扫描

将偏振控制器的4个挤压件分别编号0、1、2、3，取扫描次数N＝4，4次的扫描顺序分别为：0123，0132，0213，0231。按上述顺序，依次扫描各个挤压件的控制电压。

本例控制电压扫描范围为-5V～+5V，扫描时设置步长为0.02V。

扫描各个挤压件的控制电压方式与激光偏振态稳定控制方法实施例1相同。

完成了4个挤压件的控制电压一次扫描后，记录本次扫描中本装置线偏振态输出最大时对应的各挤压件的控制电压为本次扫描的最优控制电压。再开始下一次不同顺序的的各挤压件的控制电压扫描。4次扫描完成后，取4次扫描中本装置线偏振态输出最大时对应的各挤压件的控制电压为最优控制电压。

步骤Ⅱ和步骤Ⅲ与激光偏振态稳定控制方法实施例1相同。

仿真实验中取1000个不同的偏振态激光输入本装置进行实验，按上述本方法实施例1得到本装置最大的线偏振输出对应的最优控制电压，进行控制稳定的仿真测试1000次，测定并计算本装置起偏器后输出的线偏振态激光强度与输入激光强度之比。在本仿真实验中不考虑器件带来的固有损耗，实验结果如图4所示，图4横轴表示起偏器后输出的线偏振态激光强度与输入激光强度之比，纵轴表示仿真次数。由图4可见，基于本发明的搜索方法，可以实现任意偏振态输入转换到最大偏振态输出，即偏振态输出值近似于输入值。

最优控制电压搜索完毕后，进入稳定控制过程，给出输入偏振态激光持续变化，起偏器前偏振控制器输出的偏振态激光的的变化，偏振态使用邦加球表示，如图5所示。图5中，雪花点表示持续变化的输入光偏振态，圆圈点表示起偏器前偏振控制器输出的激光偏振态。可见，在输入偏振态持续变化的情况下，偏振控制器输出的线偏振态激光仍可保持稳定。

上述实施例，仅为对本发明的目的、技术方案和有益效果进一步详细说明的具体个例，本发明并非限定于此。凡在本发明的公开的范围之内所做的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本发明的保护范围之内。