羅國勇,章雙佑,任全勝,趙建業(yè)
(北京大學 電路與系統(tǒng)實驗室,北京100871)
近年來,隨著眾多科學技術對時間頻率基準越來越高的要求,高精度、長距離的時間頻率傳輸已經(jīng)成為了一個新的研究熱點,它在許多科學研究領域都有著重要作用,如引力波探測、時間頻率測量、天文學等[1-4]。傳統(tǒng)的同軸線頻率傳輸技術受限于其傳輸損耗,能夠支持的距離有限。相比之下,光纖因為其損耗小、帶寬大、抗干擾能力強等優(yōu)點而成為了當下研究的熱點。
在頻率傳輸過程中,環(huán)境溫度的變化、機械震動都會在傳輸過程中引入相位噪聲??茖W家一般采用共軛補償?shù)姆绞絹硐祟愒肼暋H欢?,在光纖傳輸過程中,光信號的偏振態(tài)漂移同樣會影響頻率傳輸?shù)姆€(wěn)定度。而現(xiàn)有的共軛補償方法并不能很好地抑制偏振態(tài)漂移引入的這部分相位噪聲,因此,如何穩(wěn)定偏振態(tài)成了一個必須解決的問題。另一方面,隨著對傳輸穩(wěn)定度要求的提高,一些科學家發(fā)明了高精度鑒相器,如光與微波鑒相器(OM-PD)、平衡光學互相關器(balanced optical cross-correlator,BOC)等[5-6],能極大地提高鑒相靈敏度。但是,這些高精度鑒相器大多具有偏振敏感效應,隨著傳輸距離、溫度等因素的影響,偏振態(tài)的漂移會引入新的鑒相誤差,進而破壞整個系統(tǒng)的穩(wěn)定度。
為了穩(wěn)定偏振態(tài),世界上很多科學家在這方面進行了大量研究,如保偏光纖技術等。然而,保偏光纖成本較高,不適合長距離傳輸,且現(xiàn)有的通信系統(tǒng)一般采用的都是單模光纖。文中提出了一種結構簡單、快速補償偏振變化的頻率傳輸系統(tǒng),整個系統(tǒng)主要由單模光纖、起偏器、光功率放大器(EDFA)、可變光功率衰減器(VOA)等基本光學器件組成,利用了PID控制器反饋調(diào)節(jié)的原理,最終實現(xiàn)了偏振態(tài)穩(wěn)定,將整個系統(tǒng)應用在光梳頻率傳輸系統(tǒng)中,可以提高系統(tǒng)的鑒相精度,有效減小偏振態(tài)變化引入的誤差,提高傳輸系統(tǒng)的頻率傳輸穩(wěn)定度。
所謂的單模光纖,實際上并非真正意義上的單模,因為它能支持具有相同空間分布的2個正交偏振模。在理想的光纖中,2個模式是相互簡并的,實際上,由于存在纖芯形狀的意外改變和各向異性應力,所有的光纖都表現(xiàn)出一定程度的模式雙折射。
假定非線性效應對光纖無顯著影響,Ex和Ey的橫向依賴關系可以通過分離變量看出,把電場寫成:
Ej(r,t)=F(x,y)Aj(z,t)exp(iβojz) (1)式中:F(x,y)是光纖所支持的單模的空間分布;Aj是慢變振幅;β0j(j=x,y)是響應的傳輸常數(shù)。
定義圓偏振分量A+和A-:
在準連續(xù)的情況下,忽略光纖損耗,則A+和A-滿足下面的耦合模方程:
在低功耗的條件下,如果忽略非線性效應(γ=0),假定輸入光功率為P0,并且都是δ+偏振的,則其解為
式中拍長LB=2π/(Δβ),偏振態(tài)一般是橢圓偏振的,并且以拍長為周期做周期性演化。
即使在非線性效應不可忽略時,方程依然可以解析求解,求解過程較為復雜,這兒僅僅給出結論:
式中P+和P-表示歸一化的功率。
結果表明,在低功率的情況下,偏振態(tài)按振蕩方式演化;在P>1的功率下,在光靠近慢軸方向偏振時,偏振演化的定性行為與低功耗類似,在靠近快軸偏振時,由于快軸對應不穩(wěn)定的鞍點,偏振橢圓的非線性旋轉(zhuǎn)導致了性質(zhì)不同的行為,此時沿快軸的線偏振態(tài)變得不穩(wěn)定,新的偏振本征態(tài)可以用邦加球表示法討論[7]。
偏振光的最基本表達方式為橢圓偏振光。不失一般性,我們假設平面光沿z方向傳播,則橢圓偏振光可以分解為沿x方向的線偏振光和沿y方向的線偏振光:
式中:Ax和Ay分別表示線偏振光沿x、y方向的振幅;ω為光的圓頻率;φx和φy分別為水平和垂直偏振光相位。提取出公共因子并化簡,橢圓偏振光矢量可以用矩陣表示為
式中,φ=φy-φx表示相位差。
當光矢量沿光纖傳播一定距離之后,由于外界環(huán)境的影響,其相位差φ可能發(fā)生了不確定變化,從而表現(xiàn)為偏振態(tài)發(fā)生了改變。偏振態(tài)的漂移,會影響傳輸系統(tǒng)中很多偏振敏感器件的工作狀態(tài),進而降低傳輸穩(wěn)定度。這時候,如果用起偏器限制單一偏振方向的光通過,則由于兩者之間夾角的變化,體現(xiàn)為透射光功率的改變。因此,只需要在后級對透射光功率進行補償,就可以實現(xiàn)偏振態(tài)的穩(wěn)定了。
近年來,鎖模光因為其頻譜寬、相干性好等優(yōu)點,成為光纖頻率傳輸領域的一大研究熱點[8-10]。與RF傳輸、光頻率傳輸技術相比,鎖模光主要具有以下優(yōu)點:
圖1 實驗結構圖Fig.1 Experimental setup
1)省去RF系統(tǒng)的頻率調(diào)制,結構簡單;
2)在遠端頻率提取結構簡單,便于低噪信號合成;
3)重復頻率高并且易于控制,可以產(chǎn)生高頻的光脈沖;
4)輸出脈沖峰值功率高,并且具有很高的信噪比,能夠極大地提高傳輸穩(wěn)定度。
此外,鎖模激光器所產(chǎn)生的超短脈沖對未來光纖通信系統(tǒng)也具有重要的意義,在光傳感、非線性光學、生物醫(yī)學、探測診斷、軍事等眾多領域有著廣闊的應用前景。
因此,實驗中采用鎖模激光器作為發(fā)射光源,實驗光路如圖1所示:
在實驗系統(tǒng)中,鎖模激光器產(chǎn)生一線偏光,其波長為1 550nm,經(jīng)過一段10km的單模光纖傳輸之后,在遠端進行接收色散補償。當光信號到達遠端的時候,先對信號進行放大,使得輸出功率為10dBm,然后再經(jīng)過一個起偏器,使得輸出光為一恒定偏振方向的線偏振光。此時,在起偏器之后用光電探測器(PD)將光信號轉(zhuǎn)換為電信號,經(jīng)過數(shù)字萬用表記錄之后傳輸給PC進行分析繪圖,得到自由漂的數(shù)據(jù)。
由結果可以看出,接收到的光信號功率一直在漂移,說明經(jīng)過一段距離傳輸之后,光信號的偏振態(tài)隨著時間發(fā)生了改變。因此,在實驗系統(tǒng)中加入了控制模塊,控制模塊主要由4個部分組成,包括可變光功率衰減器(VOA)、AD采樣模塊、msp430單片機控制模塊和DA輸出模塊。
其中,VOA作為主要的調(diào)節(jié)器件,它包含一個控制電壓端、一個輸入和一個輸出。根據(jù)控制端電壓的不同,輸入輸出之間的衰減倍數(shù)發(fā)生相應改變。可以通過時刻調(diào)節(jié)控制端的電壓,保證經(jīng)過VOA之后的光信號的功率穩(wěn)定。VOA結構及控制曲線如圖2所示。
圖2 VOA及其控制曲線Fig.2 VOA and its control curve
AD采樣模塊主要完成了信號放大。因為PD探測回來的光信號一般較小,只有幾百mA,而單片機的采樣范圍是0V到2.5V,為了保證更高的采樣精度,系統(tǒng)對接收信號進行了6倍左右的放大。
DA輸出模塊主要是對單片機輸出的控制電壓進行了分壓和加偏置。因為VOA的控制曲線并不是標準的線性,但是在2.5V附近具有較好的線性度。因此將輸出的控制電壓疊加到恒定的2.5V偏置電壓上,保證VOA的控制曲線具有較好的線性度。同時對輸出電壓進行分壓,進一步保證了調(diào)節(jié)靈敏度。
單片機msp430作為主要的控制芯片,它將采集回來的信號進行處理判斷,根據(jù)判斷的結果產(chǎn)生對應的控制電壓,經(jīng)DA模塊之后作用在VOA上進行實時調(diào)節(jié)。處理過程中,使用PID算法,其模型如圖3所示。
圖3 PID原理圖Fig.3 Schematic of PID
PID控制就是根據(jù)系統(tǒng)的誤差,利用比例、積分、微分計算出控制量進行控制。比例控制是一種最簡單的控制方式,其控制器的輸出與輸入誤差信號成正比例關系,當僅有比例控制時,系統(tǒng)的輸出存在穩(wěn)態(tài)誤差。為了消除穩(wěn)態(tài)誤差,在控制器中可以引入積分項。積分項會隨著時間地增加而增加,進而使得控制器的輸出呈現(xiàn)震蕩,直至等于零。在微分控制中,控制器的輸出與輸入誤差信號的微分成正比,微分項能反應輸入信號的變化速度,在輸入信號的偏差較大時,產(chǎn)生控制作用,具有超前控制的特性。
連續(xù)PID控制器的一般表達式為
通過合理的調(diào)節(jié)比例、微分、積分3個參數(shù),然后根據(jù)反饋信號計算得到誤差信號來實現(xiàn)對整個系統(tǒng)的控制,使得采樣信號保持穩(wěn)定,從而實現(xiàn)了對整個系統(tǒng)偏振態(tài)的穩(wěn)定。
實驗中,首先通過PD,將光信號轉(zhuǎn)化為電信號,經(jīng)過AD采樣模塊進行放大之后,由單片機對此時的信號進行采樣,得到當前的輸出光功率。單片機內(nèi)部通過PID運算,將采樣得到的輸出功率和預設的值進行比較,根據(jù)計算結果得到一個新的誤差信號,同時將新的誤差信號疊加到控制信號上,得到新的控制電壓??刂齐妷航?jīng)過DA輸出模塊進行偏置分壓,作用在VOA的控制端,根據(jù)VOA的電壓衰減曲線,可以改變VOA的衰減倍數(shù),進而改變輸出光的功率。整個系統(tǒng)形成一個鎖定的環(huán)路,任何實時擾動都將體現(xiàn)在輸出光功率的變化上,從而影響單片機給出的控制信號。整個系統(tǒng)通過這么一個閉合的鎖定環(huán)路,實現(xiàn)了對光信號偏振態(tài)的穩(wěn)定。
將整個系統(tǒng)在同樣的環(huán)境下分別進行了7h的測試,得到了自由漂和穩(wěn)定控制的曲線,結果如圖4所示。
圖4 控制前后輸出光強Fig.4 Output light intensity before and after control
從整個數(shù)據(jù)來看,因為外界溫度等因素的改變,自由飄的數(shù)據(jù)表現(xiàn)出較大的波動,最大范圍達到了45mV,折算成功率接近0.8dBm,而控制之后的數(shù)據(jù)則幾乎體現(xiàn)不出變化,幾處擾動是由于外界突然干擾使得偏振態(tài)發(fā)生了變化,但也很快通過控制回到了原來的狀態(tài)。
將控制前后的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換到光強上,可以得到光強的穩(wěn)定度曲線如圖5所示。
圖5 控制前后穩(wěn)定度Fig.5 Stability before and after control
從穩(wěn)定度曲線可以看出,整個系統(tǒng)經(jīng)過控制之后,系統(tǒng)的偏振態(tài)漂移得到了有效控制,長時穩(wěn)定度得到明顯提高,這表明傳輸信號的偏振態(tài)并沒有隨著時間發(fā)生漂移。整個設計達到了預期目標,實現(xiàn)了對信號偏振態(tài)的穩(wěn)定。將整個偏振態(tài)控制系統(tǒng)應用到光梳傳輸中[11],在5GHz的傳輸頻率上,可以有效消除偏振態(tài)變化引入的~50fs的相位抖動。
提出一種結構簡單、易于實現(xiàn)的偏振態(tài)穩(wěn)定方案,主要采用了PID控制方法進行反饋調(diào)節(jié),利用起偏器和VOA保證了輸出光信號偏振態(tài)的穩(wěn)定。由于整個系統(tǒng)采用的是全電的控制方法,并且單片機的采樣率較高,因而整個系統(tǒng)可以工作在較高的頻率下,無論是從偏振控制的精確度還是控制速率上均能滿足系統(tǒng)的要求。
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