相位-偏振組合控制的相干偏振合成設(shè)計(jì)研究

陳 紅，秦會(huì)斌

（杭州電子科技大學(xué) 新型電子器件與應(yīng)用研究所，浙江 杭州310018）

0 引言

近年來(lái)，多束激光束之間的相干光束組合（CBC）[1][2]由于可以獲得良好光束質(zhì)量的輸出而一直受人們關(guān)注。該技術(shù)被廣泛應(yīng)用于激光傳輸領(lǐng)域，而在自由空間激光通信領(lǐng)域中的應(yīng)用研究卻較少。在空間激光通信系統(tǒng)中，受抖動(dòng)誤差和大氣湍流[3]的影響，多路激光束耦合至單根光纖中效率低，而基于CBC的多孔徑接收方案[4]可以減小抖動(dòng)誤差，降低大氣湍流影響，提高自由空間激光通信系統(tǒng)中的耦合效率。相干偏振合束（CPBC）[5][6]是CBC中最常用的一種結(jié)構(gòu)。

CPBC中最常用的方法分為2種：基于相位控制的CPBC和基于偏振控制的CPBC。兩者雖然可以獲得較高的合成效率，但都存在不足之處。基于相位控制的CPBC受輸入光功率不一致的影響，合成效率會(huì)降低；而基于偏振控制的CPBC隨著合成路數(shù)的增加，復(fù)雜度會(huì)增大，隨之收斂的速度就會(huì)變慢。

在此基礎(chǔ)上，本文提出了一種基于相位-偏振組合控制的CPBC設(shè)計(jì)方法，通過(guò)相位和偏振組合控制，可以將多路數(shù)的激光束進(jìn)行組合合成，獲得高效的組合效率，解決將多路激光耦合至一根光纖時(shí)效率低的問(wèn)題。

1 相干偏振合成

1.1 相干偏振合成原理

相干偏振合成的核心器件為偏振光合束器（PBC）[7]，其作用是將兩束偏振方向相互正交的線偏振光耦合進(jìn)一根光纖中。一般情況下，受輸入激光功率比和相位差的影響，合成后的光束偏振方向不確定，不是線偏振光，無(wú)法進(jìn)行下一級(jí)合成，即無(wú)法進(jìn)行有效擴(kuò)展。因此，需要對(duì)其進(jìn)行有效控制，使合成后的光束仍為線偏振光，便于擴(kuò)展。

常用的控制方法有2種：基于相位控制的相干偏振合成和基于偏振控制的相干偏振合成。

1.2 基于相位控制與基于偏振控制的相干偏振合成

基于相位控制的相干偏振合成[8]原理圖如圖1所示。輸入為兩束偏振方向正交的光束，通過(guò)光纖相位補(bǔ)償器（PC）對(duì)光束的相位差進(jìn)行補(bǔ)償，當(dāng)相位差固定為Δφ=kπ時(shí)，通過(guò)PBC合成后的光束為線偏振光，可進(jìn)行下一級(jí)的合成。

圖1 基于相位控制的相干偏振合成原理圖

基于偏振控制的相干偏振合成[9]原理圖如圖2所示。輸入為兩束偏振方向正交的光束，通過(guò)PBC合成后的光束為非線偏振光，通過(guò)動(dòng)態(tài)偏振控制器（DPC）對(duì)該光束偏振態(tài)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，不管輸入光束功率比和相位差如何改變，合成光束都為線偏振光，即可進(jìn)行下一級(jí)合成。

根據(jù)上述兩種控制方法的原理，分別搭建了基于2種控制的2路相干偏振合成方案分別如圖3、圖4所示。激光源被光纖分束器分成2路，其中一路通過(guò)半波片（HWP）改變其偏振態(tài)，另一路通過(guò)可調(diào)節(jié)衰減器（VOA）改變其光功率，然后分別通過(guò)相位控制模塊或偏振控制模塊進(jìn)行合成。合成的光束經(jīng)偏振光分束器（PBS）分成兩束，其中一束經(jīng)光電探測(cè)器（PD）傳遞到控制器，控制器采用隨機(jī)并行梯度下降法（SPGD）[10]控制算法產(chǎn)生控制信號(hào)，將該信號(hào)分別送至相位控制模塊和偏振控制模塊分別對(duì)PC和DPC進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，使得性能指標(biāo)最大化，從而獲得高效的相干偏振合成。其合成效率定義為：

圖2 基于偏振控制的相干偏振合成原理圖

其中P1為PD1探測(cè)到的功率值，P2為PD2探測(cè)到的功率值。

圖3 基于相位控制的二路相干偏振合成方案圖

圖4 基于偏振控制的二路相干偏振合成方案圖

合成效率與輸入光束光功率比的關(guān)系曲線如圖5所示。圓形代表的基于相位控制的理論曲線，由公式（2）計(jì)算得出。

其中：p為輸入光功率比。

以該曲線作為參考曲線。三角形和星號(hào)分別代表基于相位控制和基于偏振控制的實(shí)際曲線。和參考曲線對(duì)比，基于相位控制的實(shí)際曲線與理論曲線幾乎重合，驗(yàn)證了基于相位控制的相干偏振合成效率隨著輸入光功率比的變大而降低，只有在功率比為1的時(shí)候效率達(dá)到最大。而基于偏振控制的實(shí)際曲線縱坐標(biāo)幾乎不變，驗(yàn)證了基于偏振控制的相干偏振合成效率不受輸入光功率比的影響。

圖5 相干偏振合成效率與輸入光束功率比的關(guān)系曲線

1.3 基于相位-偏振組合控制的相干偏振合成

由上述可知，基于相位控制的相干偏振合成和基于偏振控制的相干偏振合成兩種方法都存在缺陷。基于相位控制的相干偏振合成中，如果輸入光功率不一致，合成效率會(huì)降低；而基于偏振控制的相干偏振合成中，雖然不受輸入光功率的影響，但是如果合成路數(shù)增加，所需的偏振控制模塊數(shù)量就會(huì)增加，則復(fù)雜度會(huì)隨之增大。為了解決上述缺陷，本文提出了基于相位-偏振組合控制的相干偏振合成的設(shè)計(jì)方法。先調(diào)節(jié)輸入光功率一致后由相位控制模塊進(jìn)行合成，降低下一級(jí)合成的路數(shù)，此時(shí)所需的偏振控制模塊數(shù)量減少，然后再由偏振控制模塊進(jìn)行合成，系統(tǒng)的復(fù)雜度會(huì)有所降低。

1.3.1 方案設(shè)計(jì)

基于相位-偏振組合控制的4路相干偏振合成方案圖如圖6所示。

圖6 基于相位-偏振組合控制的四路相干偏振合成方案圖

激光源產(chǎn)生的光束被光纖分束器分為4路，其中2路經(jīng)HWP改變偏振態(tài)，然后分別用可變光衰減器（VOA）調(diào)節(jié)4路光束的光功率，使其光功率兩兩一致。將功率一致的2路通過(guò)相位控制模塊合成一束，該光束仍為線偏振光，可以進(jìn)行下一級(jí)合成。合成后的2束光功率不一致，先將其中一束經(jīng)HWP改變偏振態(tài)，然后通過(guò)偏振控制模塊對(duì)這2束再進(jìn)行合成，合成后的光束經(jīng)光纖檢偏器輸出為線偏振光。最后利用PD探測(cè)最終合成的光束的光功率大小，將該值作為性能指標(biāo)傳遞到控制器中進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，控制器采用SPGD算法產(chǎn)生控制信號(hào)，將該信號(hào)送至相位控制模塊和偏振控制模塊分別對(duì)PC和DPC進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，讓系統(tǒng)處于閉環(huán)狀態(tài)，使得性能指標(biāo)最大化，從而獲得高效的相干偏振合成。

1.3.2 組合效率

設(shè) 4 路激光的輸入功率值分別為 Pi1、Pi2、Pi3、Pi，則前2路經(jīng)PC后輸出功率為：

其中ILpc1為PC1的插入損耗，ILpc2為PC2的插入損耗。則前兩路通過(guò)PBC1合成后的輸出功率為：

其中ILpbc1為PBC1的插入損耗，η12為相位控制的合成效率由公式（2）計(jì)算可得，此時(shí)

后兩路經(jīng)PC后輸出功率為：

其中IL3為PC3的插入損耗，IL4為PC4的插入損耗。則后兩路通過(guò)PBC2合成后的輸出功率為：

其中ILpbc2為PBC2的插入損耗；η34為相位控制的合成效率。由公式（2）計(jì)算可得，此時(shí)：

下一級(jí)經(jīng)偏振控制合成的光束輸出功率為

其中 ILpbc3為 PBC3的插入損耗，ILdpc為 DPC的插入損耗。

最終通過(guò)光纖檢偏器后的輸出光束功率為：

其中ILp為光纖檢偏器的插入損耗。

則組合效率為：

其中Ppd為PD探測(cè)得到的功率值。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

在基于相位-偏振組合控制的4路相干偏振合成實(shí)驗(yàn)中，經(jīng)VOA調(diào)節(jié)后的4路輸入光束的功率分 別 為 Pi1=0.5mW、Pi2=0.5mW、Pi3=0.4mW、Pi4=0.4mW，4個(gè) PC的損耗分別為 ILpc1=0.4dB、ILpc2=0.4dB、ILpc3=0.6dB、ILpc4=0.6dB，3 個(gè) PBC 的損耗分別為 ILpcb1=0.89dB、ILpcb2=0.81dB、ILpcb3=0.93dB，DPC的損耗為ILdpc=0.55dB，光纖檢偏器的損耗為ILp=0.63dB。由公式（3）～（10）可以計(jì)算出最終理論輸出功率Po=0.81mW，再由由公式（11）可得出組合效率，通過(guò)PD探測(cè)的值Ppd來(lái)測(cè)量組合效率的變化曲線。

將SPGD迭代速率設(shè)置為6kHz，開環(huán)和閉環(huán)各持續(xù)10s，組合效率的變化曲線如圖7所示。系統(tǒng)處于開環(huán)狀態(tài)時(shí)，組合效率的平均值大約為31.47%，系統(tǒng)處于閉環(huán)時(shí)，經(jīng)過(guò)大約迭代16次后，組合效率基本保持不變，其平均值達(dá)到97.61%，因此，驗(yàn)證了該方案的可行性。

圖7 基于相位-偏振組合控制的4路相干偏振合成組合效率的變化曲線

3 結(jié)語(yǔ)

本文在基于相位控制和基于偏振控制的相干偏振合成的基礎(chǔ)上，結(jié)合兩者的優(yōu)缺點(diǎn)，提出了基于相位-偏振組合控制的相干偏振合成方法。輸入光功率一致時(shí)，先由相位控制模塊進(jìn)行合成，合成子光束功率不一致則通過(guò)偏振控制模塊進(jìn)行合成，最終達(dá)到高效的相干偏振合成，并通過(guò)相位-偏振組合控制的四路相干偏振合成實(shí)驗(yàn)對(duì)其可行性進(jìn)行了驗(yàn)證。結(jié)果表明：在閉環(huán)的情況下，整個(gè)系統(tǒng)的組合效率達(dá)到97.61%，驗(yàn)證了該方案的可行性。該設(shè)計(jì)方法有效解決了空間激光通信系統(tǒng)中將多路激光耦合至一根光纖中耦合效率低的問(wèn)題。