作者：王倩，朱俊，何廣強(qiáng)，曾貴華

1 引 言

偏振是量子光的一個(gè)重要和常用的性質(zhì)。因此，在量子安全通信系統(tǒng)中，經(jīng)常通過(guò)改變偏振態(tài)來(lái)進(jìn)行編解碼，而動(dòng)態(tài)偏振控制器（DPC）作為一種改變輸入光偏振態(tài)的光器件，直接參與傳輸數(shù)據(jù)的編解碼，在量子通信中起著必不可少的作用。而在傳統(tǒng)的光纖通信系統(tǒng)中，如何準(zhǔn)確控制光纖中的偏振態(tài)成為實(shí)驗(yàn)的前提和關(guān)鍵，因?yàn)檫@關(guān)系著系統(tǒng)的穩(wěn)定性和數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼`碼率，采用DPC也是十分有效的辦法。

但是，所有廠家在DPC出廠時(shí)并沒(méi)有給出其重要指標(biāo)半波電壓的具體測(cè)量方法，而在實(shí)際運(yùn)用中，半波電壓又與給出的標(biāo)稱(chēng)值不完全一致，導(dǎo)致了使用的不便。因此，在使用DPC時(shí)，需要有與之配套的驅(qū)動(dòng)電路和性能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。但是，如果成套購(gòu)買(mǎi)的話，價(jià)格昂貴，在實(shí)際的工程開(kāi)發(fā)中，不能達(dá)到最佳的性?xún)r(jià)比，會(huì)阻礙量子通信系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)和推廣。因此，需要我們自主研制和開(kāi)發(fā)DPC的驅(qū)動(dòng)電路和性能監(jiān)控系統(tǒng)。

本文介紹了DPC的工作原理，給出了其驅(qū)動(dòng)模塊和性能監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)結(jié)果和理論結(jié)果的比較分析，展示了DPC在實(shí)際運(yùn)用中的性能表現(xiàn)以及影響其性能的諸多因素。

2 DPC的工作原理

采用美國(guó)General Photonics Co.的PolaRITE.Ⅱ-PCD-002DPC，其由4個(gè)光纖擠壓器構(gòu)成，相互以45°傾斜放置。設(shè)光纖擠壓器X1、X2、X3和X4對(duì)應(yīng)的外部施加的壓力為F1、F2、F3和F4，各擠壓器對(duì)應(yīng)的驅(qū)動(dòng)電壓為V1、V2、V3和V4并由電壓信號(hào)驅(qū)動(dòng)，產(chǎn)生相應(yīng)的壓力擠壓光纖形成線性雙折射，從而改變?nèi)肷涔獾钠駪B(tài)。

單模磁場(chǎng)的偏振態(tài)都可以用邦加球上的點(diǎn)來(lái)表示，如圖1所示。

如果增加X(jué)1或X3的電壓V1或V3，即增加X(jué)1或X3的壓力F1或F3，則偏振態(tài)會(huì)繞著OQ軸順時(shí)針旋轉(zhuǎn);相反，如果減少V1或V3，則偏振態(tài)會(huì)繞著OQ軸逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)。另一方面，如果增加X(jué)2的電壓V2，即增加X(jué)2的壓力F2，則偏振態(tài)會(huì)繞著OH軸順時(shí)針旋轉(zhuǎn);相反，如果降低V2，偏振態(tài)則會(huì)繞著OH軸逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)。由此可知，只要輸入光的偏振態(tài)與Xl和X2的方向都不垂直，那么輸入光的偏振態(tài)都可以通過(guò)操作最少2個(gè)擠壓器改變到任意一個(gè)偏振態(tài)。

這種擠壓光纖型偏振控制代替了傳統(tǒng)的半波片、λ/4波片和半波片的結(jié)構(gòu)，因而具有：1）由于全光纖結(jié)構(gòu)，DPC插入損耗很低，無(wú)反射;2）控制速度快，響應(yīng)時(shí)間

輕松換算出來(lái)。

3 DPC的驅(qū)動(dòng)模塊設(shè)計(jì)

DPC的驅(qū)動(dòng)電路和性能監(jiān)控系統(tǒng)是通過(guò)如圖2所示平臺(tái)研制和開(kāi)發(fā)的。

圖2所示實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，實(shí)際上是基于相干光偏振調(diào)制的量子安全通信系統(tǒng)，其最大的特點(diǎn)是采用嵌入式系統(tǒng)ARM控制器來(lái)實(shí)現(xiàn)DPC的同步驅(qū)動(dòng)和監(jiān)控。平臺(tái)使用2個(gè)DPC，DPC 1用于相干光偏振態(tài)的調(diào)制和加密，DPC 2則用于解密。以DPC2為例，在進(jìn)行DPC 2的性能監(jiān)控時(shí)，DPC 1不工作。ARM 2輸出數(shù)據(jù)，驅(qū)動(dòng)DPC 2改變輸入光的偏振態(tài)。同時(shí)，將AD檢測(cè)輸出的光信號(hào)強(qiáng)度轉(zhuǎn)化成數(shù)據(jù)，由ARM 2接收后傳輸給計(jì)算機(jī)，由性能監(jiān)控軟件處理。

根據(jù)DPC的工作原理，要想將輸入光的偏振態(tài)改變到任意偏振態(tài)，至少需要同時(shí)驅(qū)動(dòng)2個(gè)光纖擠壓器。同時(shí)，DPC又自帶15倍電壓放大模塊，而工作在1550 nm波長(zhǎng)時(shí)半波電壓如圖2所示，DPC的驅(qū)動(dòng)模塊將ARM控制器輸出的12位數(shù)據(jù)（0～4095）通過(guò)數(shù)模器件轉(zhuǎn)換成0～5 V模擬電壓。其電路結(jié)構(gòu)如圖3所示。

其4路電壓驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)均相同，都采用高精度的12位DAC（AD7545）的5 V單極性工作模式。AD7545的參考電壓由芯片REF02來(lái)提供，其電壓浮動(dòng)

4 性能監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和結(jié)果驗(yàn)證

加在DPC上的工作電壓與偏振態(tài)問(wèn)的對(duì)應(yīng)關(guān)系是DPC的很重要的性能指標(biāo)，反映了整個(gè)通信系統(tǒng)運(yùn)作的性能。因此，在對(duì)DPC進(jìn)行性能監(jiān)控時(shí)，需要實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)反饋的光強(qiáng)信號(hào)隨工作電壓的變化情況。性能監(jiān)控系統(tǒng)除利用上述實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的硬件外，還要在ARM控制器上編寫(xiě)對(duì)應(yīng)的軟件，實(shí)現(xiàn)對(duì)DPC同步的驅(qū)動(dòng)和監(jiān)控，并將光強(qiáng)變化反饋回計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)通過(guò)特寫(xiě)編寫(xiě)的程序，將變化曲線顯示出來(lái)。

4.1 軟件設(shè)計(jì)思想

ARM控制器在整個(gè)性能監(jiān)控系統(tǒng)中起著十分重要的作用。一方面，要向DPC發(fā)送以一定間隔遞增的數(shù)據(jù)信號(hào)（0～4095）;另一方面，又要接收AD檢測(cè)光強(qiáng)后轉(zhuǎn)換出來(lái)的數(shù)據(jù)，并將其傳送給計(jì)算機(jī)，供專(zhuān)門(mén)軟件描繪半波電壓曲線。ARM控制器的軟件流程圖，如圖4所示。

4.2 理論分析

對(duì)于圖2，如果設(shè)定DPC 1的各擠壓器電壓初始值V1=V2=V3=V4=0，則可以作為測(cè)試DPC 2各光纖擠壓器半波電壓的裝置圖。以DPC 2的X2為例，給出半波電壓的計(jì)算方法。已知，如果增加X(jué)2的電壓V2，則偏振態(tài)軌跡繞OH順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)1周的電壓變化對(duì)應(yīng)2倍的半波電壓。入射光的Stokes參量為

由于DPC為無(wú)源器件，能量守恒，理想情況下S0不變。又由于偏振態(tài)運(yùn)動(dòng)軌跡繞軸OH旋轉(zhuǎn)，所以參量S1也不變。S1和S0不變，則表示給定偏振態(tài)下的入射光光波在快軸OX和慢軸OY上的投影EOx和E0y不隨時(shí)間變化。增加V2引起S2和S3變化的本質(zhì)就是E0x和E0y間的相位差δ1=δy-δx隨V2進(jìn)行周期性變化。

設(shè)定入射光相位初始值δx=a，δy=a+δ1，X2電壓引起的相位差變化為φ，又因?yàn)楣饫w的快慢軸和PBS的快慢軸一般情況下不重合，為求得普遍情況，可以假設(shè)二者問(wèn)的夾角為θ，則從PBS 2個(gè)出口出來(lái)的光波模分別為

因?yàn)橹挥^察PBS 1個(gè)出口的光強(qiáng)變化可以確定DPC的半波電壓，取T1為研究對(duì)象，強(qiáng)度為

，設(shè)E0x的初始相位a=0，E0x=E0y=1，θ=π/4，在DPC1的X2上應(yīng)用的相位為δ1=0、π/6、π/3和π/2時(shí)，繪制PBS 1個(gè)出口的光強(qiáng)P隨相位差φ的變化曲線如圖5所示。

4.3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

采用圖2所示的系統(tǒng)可以測(cè)定DPC的各光纖擠壓器的半波電壓?？梢栽O(shè)定DPC 1和DPC 2的X1、X3和X4的電壓V1、V3和V4均為0，即可以采用不同的相位δ1，然后讓DPC 2的V2在0～5 V變化，可測(cè)得DPC 2和X2的半波電壓，如圖6所示。

4.4 理論和實(shí)驗(yàn)結(jié)果的比較

1）通過(guò)比較圖6和圖5發(fā)現(xiàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論分析基本一致，即檢測(cè)出的光強(qiáng)與施加在DPC上的應(yīng)用電壓服從正弦變化規(guī)律。而且，圖6中，以脈沖數(shù)表示的電壓周期T與理論分析的半波電壓關(guān)系為

其中：C表示DA轉(zhuǎn)換的精度;因子15表示驅(qū)動(dòng)模塊輸出電壓后DPC自帶電壓放大器將其放大的倍數(shù)。由此，又可以驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)和理論的一致性。

2）觀察圖6可以發(fā)現(xiàn)，曲線有突變的現(xiàn)象。這是由于驅(qū)動(dòng)模塊提供0～5 V電壓，而光強(qiáng)變化1個(gè)周期對(duì)應(yīng)的電壓是0～4 V。所以，光強(qiáng)變化1個(gè)多周期、DA輸出5 V后，突變輸出0 V，光強(qiáng)也隨之突變。

3）圖6顯示，在初始相位差δ1不同時(shí)，測(cè)量曲線的峰值并不和理論分析完全一致，而且曲線有抖動(dòng)，不平滑。主要原因是橢圓偏振態(tài)不能在光纖中很好的保持。假設(shè)2種情況：第1種情況，DPC 1加δ1、DPC 2加φ;第2種情況，DPC1加0、DPC2加δ1+φ。理論上，這2種情況結(jié)果應(yīng)該相同。但是，實(shí)際情況有差異，這種差異就是橢圓偏振態(tài)不能在光纖中很好保持造成的。

5 結(jié)論

研究了針對(duì)DPC設(shè)計(jì)的驅(qū)動(dòng)模塊和性能監(jiān)控系統(tǒng)。驅(qū)動(dòng)模塊采用12位高精度DA芯片，設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，轉(zhuǎn)換精度高，穩(wěn)定可靠。而性能監(jiān)控系統(tǒng)則利用了嵌入式系統(tǒng)控制功能強(qiáng)大，并與計(jì)算機(jī)通信接口簡(jiǎn)單且速度快的特點(diǎn)，使用ARM控制器同步驅(qū)動(dòng)并且監(jiān)控，再在Windows下編寫(xiě)應(yīng)用程序，顯示其監(jiān)控下的光強(qiáng)隨工作電壓的變化曲線，直觀地反映了偏振態(tài)隨DPC工作電壓的變化情況。實(shí)驗(yàn)的結(jié)果與理論分析的結(jié)果基本一致，更表明了方案的可行性。這套性能監(jiān)測(cè)的方法將成為DPC應(yīng)用時(shí)有力的輔助工具。

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