引言：
電光調(diào)制器是一種重要的光器件,與傳統(tǒng)的直接調(diào)制相比,可大幅度提高調(diào)制速率,現(xiàn)廣泛應用于高速光通信和傳感系。目前使用較廣的是鈮酸鋰( LINBO3)電光調(diào)制器,它的特點是對輸入光的偏振態(tài)很敏感,要使調(diào)制器獲得調(diào)制效果,就必須使得輸人光是線偏振光,且偏振方向與鈮酸鋰品體內(nèi)部可傳播模式的方向一致。但在實際的光纖通信和光纖傳感系統(tǒng)中,由于環(huán)境溫度的變化及振動的影響,光纖中傳輸光的偏振態(tài)會發(fā)生隨機漂移,從而導致調(diào)制效果的下降。為了能獲得的調(diào)制效果,必須對電光調(diào)制器輸入光的偏振態(tài)進行閉環(huán)控制,使其保持在鈮酸鋰晶體內(nèi)部可傳播模式的方向上。
偏振控制器是一種重要的光器件,在光纖通信和傳感領域都有著廣泛的應用。隨著光纖技術的發(fā)展,偏振控制器的種類也越來越多,有波片型、光纖圈(壞)型、可旋波片型、電光晶體型等等。其中光纖圈型的偏振控制器直接由光纖構成,插人損耗小,很適合應用于對光功率敏感的光纖通信和光纖傳感系統(tǒng)中。
原理：
2.1鈮酸鋰電光調(diào)制器的工作原理
目前的電光調(diào)制器是利用具有強電光效應的鈮酸鋰晶體制成的。在鈮酸鋰電光調(diào)制器的平面波導中,可傳輸正交的TE?；騎M模,但由于電場一般只對其中一個模式有較好的調(diào)制作用,所以一般鈮酸鋰晶體內(nèi)部設計成只傳輸TE?；騎M模。而單模光纖中傳輸?shù)氖莾蓚€正交的H1模(x方向和y方向)。所以當輸入光進入鈮酸鋰晶體后,光纖傳輸?shù)膬蓚€正交HE1模會耦合為波導的TE?；騎M模。這耦合過程存在損耗,只有當輔入光的偏振方向與鈮酸鋰晶體的E?；騎M偏振方向一致時損耗最小調(diào)制。因此對于電光調(diào)制器的使用,需要偏振制器控制入纖的HE1模偏振狀態(tài)
2.2光纖圈型偏振控制器的工作原理
一般光學系統(tǒng)采用波片來改變光波的偏振態(tài)。在光纖系統(tǒng)中可采用更簡單的方法,利用彈光效應改變光纖中的雙折射,來控制光纖中光波的偏振態(tài),即光纖圈型偏振控制器。光纖圈型偏振控制器一般有雙環(huán)和3環(huán)兩種。對兩個時變偏振態(tài)間的控制,可以采用光纖圈組合形式為λ4、λ2、λ4的3片型偏振控制器。而對于一個非時變、一個時變或兩個非時變偏振態(tài)之間的轉換(如本文討論的一般DFB-D和電光調(diào)制器之間)采用光纖圈組合形式為λ4、M4的雙片型偏振控制器。因為電光調(diào)制器要求輸入光的偏振態(tài)固定,而DFB-LD輸出的單模光纖HE模的偏振狀態(tài)是慢時變的,所以采用雙環(huán)光纖圈型偏振控制器將HE1模時變的偏振態(tài)轉換為電光調(diào)制器要求的固定輸入偏振態(tài)。
3.偏振控制器的實驗驗證：
我們采用的偏振控制器由兩個M4的光纖圈所組成,每個光纖圈均可獨立地由步進電機轉動,角度范圍為0~225°,轉動總步長數(shù)為1000,即步進為0.25°。帶有數(shù)據(jù)控制接口,可進行遠程RS232控制。由于最終要設計的電光調(diào)制器的偏振控制系統(tǒng)需要時變偏振態(tài)到非時變偏振態(tài)間的轉換,因此先驗證偏振控制器將固定的輸入偏振態(tài)轉化為多種輸出偏振態(tài)。
偏振控制器驗證系統(tǒng)如圖1所示,從激光器輸出的非時變偏振光通過保偏光纖輸出,再經(jīng)偏振控制器后送入偏振分束器(PBX)檢測偏振狀態(tài)。由偏振分束器 將偏振控制器的輸出光分成偏振方向沿X軸和Y軸的兩路光,最后將這兩路光分別送入功率計檢測,得到當前偏振控制器輸出光在X軸和Y軸方向的功率。因為偏振光的偏振態(tài)總可以沿X軸和Y軸方向分解,所以我們只要控制偏振控制器不斷改變其輸出光的偏振態(tài),若能觀察到X軸和Y軸方向上的功率存在相互耦合并且總功率保持不變,則可以說明輸出光具有多種偏振態(tài)。
由于兩個M4光纖圈角度組合很多,我們不可能也沒必要一一驗證,故實驗中只取(QP1,QP2)為(0225°,0)和(0.0-225°)的兩組組合,并測得對應X軸和Y軸方向上的功率Px)和Py)。其中QP1和QP2分別代表一個M4光纖圈的角度,0~225°表示光纖圈的角度從0°變到225°,步進為1125°。QP1和QP2的設置是PC機通過RS232接口對偏振控制器進行控制來實現(xiàn)的實驗數(shù)據(jù)表明,單獨改變?nèi)我庖粋€M4光纖圈時,X軸和Y軸方向上的功率存在相互耦合并且總功率保持不變,這驗證了偏振控制器輸出的偏振態(tài)具有多樣性。而同時控制兩個M4光纖圈可以獲得更多的角度組合,使得偏振控制器輸出的偏振態(tài)更豐富,可以滿足為電光調(diào)制器提供特定的輸入偏振態(tài)的要求。
實驗數(shù)據(jù)表明,單獨改變?nèi)我庖粋€M4光纖圈時,X軸和Y軸方向上的功率存在相互耦合并且總功率保持不變,這驗證了偏振控制器輸出的偏振態(tài)具有多樣性。而同時控制兩個M4光纖圓可以獲得更多的角度組合,使得偏振控制器輸出的偏振態(tài)更豐富,可以滿足為電光調(diào)制器提供特定的輸入偏振態(tài)的要求。
4.電光調(diào)制器的偏振控制系統(tǒng)設計
在上述驗證系統(tǒng)中,由于激光器輸出的偏振光的偏振態(tài)隨時間變化緩慢,所以我們假設它非時變。然而在實際的應用系統(tǒng)中,考慮到激光器要長時間工作,再加上周圍環(huán)境的影響,它輸出的偏振態(tài)是時變的。結合前面分析的可知,電光調(diào)制器的偏振控制系統(tǒng)設計的關鍵就是如何實現(xiàn)從時變的偏振態(tài)到非時變的偏振態(tài)的轉變。解決的方法就是在上述的驗證系統(tǒng)中加入對偏振控制器的閉環(huán)控制,根據(jù)監(jiān)控光路中光功率的變化而采用適當?shù)目刂撇呗匀タ刂破窨刂破?使其輸出偏振態(tài)始終與鈮酸鋰晶體內(nèi)部可傳插模式的方向一致我們設計的電光調(diào)制器的偏振控制系統(tǒng)如圖2所示。8051單片機負責控制AD讀取光功率、控制策略的實施、通過RS232接口控制偏振控制器以及通過USB20接口跟PC機進行數(shù)據(jù)通信;F℃機負資控制整個系統(tǒng)的運行狀態(tài),讀取單片譏的數(shù)據(jù)并進行顯示、保存等操作。閉環(huán)控制流程如下,單片機控制AD不斷采集監(jiān)控光路的光功率值,對采集的數(shù)值進行分析,再根據(jù)分析結果控制偏振控制器對其輸出偏振態(tài)進行相應的改變。
圖3給出了系統(tǒng)在調(diào)整過程中,偏振控制器兩個λ4光纖圈的角度(QPI,QP2)與相應的電光調(diào)制器輸出光功率值(PQPI,PQP2)之間的關系。(QP1QP2)的初始位置為(1125°,1125°),先調(diào)整QP1使電光調(diào)制器輸出光功率達到值,此時QP1,QP2)為(26.1°,1125)。然后在保持QP1不變的基礎上調(diào)整QP2使電光調(diào)制器輸出光功率再次達到值,此時QP1QP2)為(26.1°,103.95°)
從圖3可以看出,在對QPI和QP2的調(diào)整過程中,偏振控制器的輸出偏振態(tài)逐漸趨于鈮酸鋰品體內(nèi)部可傳插模式的方向,從而使電光調(diào)制器的輸出光功率趨于并最終達到值。在系統(tǒng)運行過程中繼續(xù)保持對偏振控制器的閉環(huán)控制,便可使電光調(diào)制器始終處于調(diào)制狀態(tài)。