引言：
電光調制器是一種重要的光器件,與傳統的直接調制相比,可大幅度提高調制速率,現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)電光調制器,它的特點是對輸入光的偏振態很敏感,要使調制器獲得調制效果,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中,由于環境溫度的變化及振動的影響,光纖中傳輸光的偏振態會發生隨機漂移,從而導致調制效果的下降。為了能獲得的調制效果,必須對電光調制器輸入光的偏振態進行閉環控制,使其保持在鈮酸鋰晶體內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中。
原理：
2.1鈮酸鋰電光調制器的工作原理
目前的電光調制器是利用具有強電光效應的鈮酸鋰晶體制成的。在鈮酸鋰電光調制器的平面波導中,可傳輸正交的TE模或TM模,但由于電場一般只對其中一個模式有較好的調制作用,所以一般鈮酸鋰晶體內部設計成只傳輸TE模或TM模。而單模光纖中傳輸的是兩個正交的H1模(x方向和y方向)。所以當輸入光進入鈮酸鋰晶體后,光纖傳輸的兩個正交HE1模會耦合為波導的TE模或TM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模或TM偏振方向一致時損耗最小調制。因此對于電光調制器的使用,需要偏振制器控制入纖的HE1模偏振狀態
2.2光纖圈型偏振控制器的工作原理
一般光學系統采用波片來改變光波的偏振態。在光纖系統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,即光纖圈型偏振控制器。光纖圈型偏振控制器一般有雙環和3環兩種。對兩個時變偏振態間的控制,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之間的轉換(如本文討論的一般DFB-D和電光調制器之間)采用光纖圈組合形式為λ4、M4的雙片型偏振控制器。因為電光調制器要求輸入光的偏振態固定,而DFB-LD輸出的單模光纖HE模的偏振狀態是慢時變的,所以采用雙環光纖圈型偏振控制器將HE1模時變的偏振態轉換為電光調制器要求的固定輸入偏振態。
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°,轉動總步長數為1000,即步進為0.25°。帶有數據控制接口,可進行遠程RS232控制。由于最終要設計的電光調制器的偏振控制系統需要時變偏振態到非時變偏振態間的轉換,因此先驗證偏振控制器將固定的輸入偏振態轉化為多種輸出偏振態。
偏振控制器驗證系統如圖1所示,從激光器輸出的非時變偏振光通過保偏光纖輸出,再經偏振控制器后送入偏振分束器(PBX)檢測偏振狀態。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,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。
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的實驗數據表明,單獨改變任意一個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更豐富,可以滿足為電光調制器提供特定的輸入偏振態的要求。
實驗數據表明,單獨改變任意一個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更豐富,可以滿足為電光調制器提供特定的輸入偏振態的要求。
4.電光調制器的偏振控制系統設計
在上述驗證系統中,由于激光器輸出的偏振光的偏振態隨時間變化緩慢,所以我們假設它非時變。然而在實際的應用系統中,考慮到激光器要長時間工作,再加上周圍環境的影響,它輸出的偏振態是時變的。結合前面分析的可知,電光調制器的偏振控制系統設計的關鍵就是如何實現從時變的偏振態到非時變的偏振態的轉變。解決的方法就是在上述的驗證系統中加入對偏振控制器的閉環控制,根據監控光路中光功率的變化而采用適當的控制策略去控制偏振控制器,使其輸出偏振態始終與鈮酸鋰晶體內部可傳插模式的方向一致我們設計的電光調制器的偏振控制系統如圖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機進行數據通信;F℃機負資控制整個系統的運行狀態,讀取單片譏的數據并進行顯示、保存等操作。閉環控制流程如下,單片機控制AD不斷采集監控光路的光功率值,對采集的數值進行分析,再根據分析結果控制偏振控制器對其輸出偏振態進行相應的改變。
圖3給出了系統在調整過程中,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°),先調整QP1使電光調制器輸出光功率達到值,此時QP1,QP2)為(26.1°,1125)。然后在保持QP1不變的基礎上調整QP2使電光調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的調整過程中,偏振控制器的輸出偏振態逐漸趨于鈮酸鋰品體內部可傳插模式的方向,從而使電光調制器的輸出光功率趨于并最終達到值。在系統運行過程中繼續保持對偏振控制器的閉環控制,便可使電光調制器始終處于調制狀態。