光纤通信中差频偏振调制全Stokes参量测量研究(2)
当略去系数ej(wt-kz) ，将光的振幅比归一化后，一个偏振光的琼斯矢量表示为：
.....................................
3 弹光调制器的结构和驱动电路设计
3.1 弹光调制器的工作原理........................................................19
3.2 弹光调制器的选材...................................................20
3.3 弹光调制器的结构设计................................21
3.3.1 硒化锌晶体尺寸的选择........................................21
3.3.2 压电驱动晶体参数的选择...............................................22
3.3.3 弹光调制器的外形.................................25
3.4 驱动电路的设计..................................................25
3.5 本章总结..............................................27
4 斯托克斯参量测量的光路设计及理论推导
4.1 斯托克斯参量测量光路设计........................................28
4.1.1 偏振形态形成部分...............................28
4.1.2 偏振态测量部分.............................................29
4.2 仿真分析............................................32
4.2.1 相位延迟幅值的选择.............................32
4.2.2 驱动频率的选择............................................33
4.2.3 利用 MATLAB 模拟仿真...............................33
4.3 本章小结...................................35
5 测量系统的实验验证及误差分析
为了对本论文所设计的差频偏振调制 Stokes 参量测量系统的性能进行测试，将根据第四章设计的搭建实际光路平台，验证测量结果并进行误差分析。光学平台的硬件部分由光源、三个 PEM 及其驱动电路、1/2 波片、1/4 波片、探测器、示波器、测振仪及NIPXI-5122 数据采集卡组成，软件部分由基于 Lab VIEW 的低通滤波器组成，用于显示Stokes 参量的强度随频率的变化。首先对硬件组成器件进行合理的选择，其次设计基于Lab VIEW 的低通滤波器，最后调整光路，加入被测信号，对测量结果进行分析，并对可能造成测量误差的因素进行分析。
5.1 原理验证系统器件的选取
5.1.1 原理验证系统光源和偏振器的选取测量系统中选用半导体激光器，因为半导体激光器输出功率稳定，输出为线偏振光，而且偏振面不随时间发生旋转。波长是 632.8nm,输出功率稳定度 1%/h，发散度是1.5mrad，光束直径是 1.5mm。
一般而言，对于不同的工作波段，分别有不同的偏振器与之相对应。可见到红外波段可以选取方解石格兰—泰勒偏光镜，可保证 90%的透过率，它能够实现 10000:1 消光比；在中远红外波段中，可以选取硒化锌偏振器，其具有线栅结构，该延迟器的刻槽和线栅的制作都有非常严格的要求，刻槽是线性的，使用全息的方法，线栅是采用包裹金属埋线。达到线栅的方向平行于其吸取和反射之后的光束偏振方向，正交于透射光的偏振方向，实现500:1 的消光比。硒化锌延迟器的缺点是硒化锌材料自身的反射率高达30%，使通光量在一定程度上有所减少。
5.1.2 原理验证系统光电探测器的选择
选择光电探测器需要考虑的参数有，截止频率、适用的波长范围、量子效率、响应时间、归一化探测率 D*、倍增系数和信噪比。
(1) 量子效率：它是探测器物理性质的函数，表示为探测器单位时间内激发的电子数和吸收的光子数之比值。
(2) 响应时间：当光辐射入射到光电探测器后或辐射入射遮断后，光电探测器的输出增长到不变值或降落到照射前的值所需要的时间。
(3) 归一化探测率 D*：为了达到人们对习惯表示方法要求的不断提高，我们提出衡量探测器最小可探测能力的参数用 NEP 的倒数表示，即为探测率，用 D 来表示：
显而易见，D 的值大小与器件的探测性能好坏成正比。但是，因为用 D 所表示的探测率中，包含器件的面积和工作带宽两个因素，对于具有不同面积和不同工作带宽的器件而言很难进行比较，因此引入归一化探测率 D*，其值表示为:
上式中，A 表示器件的接收面积，△f 表示工作带宽。
采用 D*的优点在于它把探测器的有效面积归一化为 1cm2，把工作频带宽度归一化为1Hz，因此不同探测器特性的好坏都可以由它来衡量。
在选取探测器时我们对其采集速度有很高的要求，必须保证避免光谱混叠现象的发生，由前面讨论可知，弹光调制器的工作频率在 50kHz 左右，即其相应的光强周期就是20μs，依据乃奎斯特采样定理，选取探测器的相应速度必须达到 ns 级才能达到要求。所以我们选用点探测器。
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6 总结与展望
6.1 本论文的主要研究工作
针对目前高速光纤通信中普通编码方式面临的难以克服的问题，开始重视偏振编码技术，要实现偏振编码首先必须获得光信号的偏振态。通过对国内外研究现状的分析，我们发现目前对偏振态的测量还停留在高频锁相，对探测器的要求很高。即使使用低频锁相也仅限于测量 Stokes 的前三个参量，无法实现第四个参量的测量。针对目前的现状，本文开展了以下工作：
1、提出了差频偏振调制全 Stokes 参量测量方法，以期实现通过对探测信号的低频锁相放大，可以在一次测量中实现对 Stokes 参量 S0、S1、S2和 S3的测量，并且此方法测偏振只需知道探测的低频信号，这个频率比驱动的频率小 2~3 个数量级，降低了对探测器的要求。此方法既不需要多次测量和对光学器件的转动，也不需要多组设备，硬件实现容易；
2、从偏振测量系统的核心器件弹光调制器出发，分析了弹光调制器的工作原理，确定了弹光晶体结构为正八角形；根据弹光调制器工作频率的需要及晶体材料自身的性能，为了使弹光调制器具有较好的频率振动特性，弹光调制器的材料使用硒化锌和压电石英；由谐振频率公式和晶体本身的特性得到所设计出得正八角形结构的尺寸，精确到0.01mm；设计的驱动电路能为弹光调制器提供高压、小电流双向正弦电源，能够满足其工作的要求。
3、对所提出的差频偏振调制全 Stokes 参量测量方法进行了理论分析、数值推导，确定了其模型和参数，选出了弹光调制器的最佳工作频率及相位延迟幅值的大小，通过低频锁相推导出了四个 Stokes 参量的测量公式，并对此方法使用 MATLAB 进行模拟仿真，结果表明，所设计的差频偏振调制全 Stokes 参量测量方法理论推导是正确的。
4、搭建了差频偏振调制全 Stokes 参量测量系统，通过分析确定了其光源、偏振器及探测器的参数，并进行了 Stokes 参量测量原理验证性实验；实验所得低通滤波总的光强与仿真图基本吻合，所得各个频率分量的强度与仿真结果误差在 1%之内，能够用满足测量要求，证明了该方法的可行性，对今后的偏振测量研究工作的开展奠定了基本的条件。
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本文编号：8775
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