張 力，蒲國慶，義理林

(上海交通大學(xué) 區(qū)域光纖通信網(wǎng)與新型光通信系統(tǒng)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200240)

0 引 言

近幾十年來，隨著光纖通信系統(tǒng)傳輸速率的提高，偏振控制技術(shù)得到了廣泛關(guān)注。其中，擾偏和穩(wěn)偏技術(shù)是研究的重點(diǎn)，并且取得了不錯(cuò)的研究成果[1-2]。偏振控制器(Polarization Controller，PC)的響應(yīng)速度對(duì)于擾偏和穩(wěn)偏技術(shù)的性能至關(guān)重要[3]。在過去的相關(guān)研究中，大多數(shù)PC的響應(yīng)速度僅在ms或μs級(jí)別，如基于延遲片、液晶、光纖擠壓器以及波導(dǎo)的PC[4-10]。其中，一個(gè)基于波導(dǎo)的PC在磷化銦(InP)上集成了有源InGaAlAs/InAlAs多量子阱移相器和無源半脊偏振轉(zhuǎn)換器，實(shí)現(xiàn)了低于5 ns的響應(yīng)速度，這是目前所知最快的偏振控制之一[10]。而目前最快的商用PC則是基于鈮酸鋰(LiNbO3)的PC，其響應(yīng)速度在ns級(jí)別。然而，在需要更高速擾偏時(shí)或?yàn)榱藨?yīng)對(duì)更高速的偏振態(tài)(State of Polarization，SOP)變化時(shí)(如閃電引起光纖中SOP的瞬時(shí)變化)，PC的響應(yīng)速度就成了擾偏和穩(wěn)偏性能的瓶頸。為了進(jìn)一步提高響應(yīng)速度，本文提出了一種基于商用低速電控偏振控制器(Electronic Polarization Controller，EPC)和高速LiNbO3相位調(diào)制器(Phase Modulator，PM)的新型光學(xué)結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了超快響應(yīng)速度的偏振控制。

1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 超快偏振控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)介紹

本實(shí)驗(yàn)的主要思想是使用具有μs級(jí)響應(yīng)速度的EPC和具有ps級(jí)響應(yīng)速度的PM來實(shí)現(xiàn)具有ps級(jí)響應(yīng)速度的超快偏振控制。具體來說，任何完全偏振光都可以分解為兩個(gè)相互正交的線偏光，并且這兩個(gè)線偏光的幅度和相位差是確定的。在本實(shí)驗(yàn)結(jié)構(gòu)中，EPC用來改變初始SOP，由于EPC的響應(yīng)速度是μs量級(jí)的，所以兩個(gè)正交線偏光的幅度和相位差會(huì)以μs級(jí)響應(yīng)速度變化。然后PM進(jìn)一步改變兩個(gè)正交線偏光的相位差，其響應(yīng)速度是ps級(jí)的。因此，可以通過慢速偏振控制和快速相位調(diào)制的組合來實(shí)現(xiàn)超快偏振控制，并且所實(shí)現(xiàn)PC的響應(yīng)速度等于PM的響應(yīng)速度，可達(dá)到ps級(jí)。

超快偏振控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，工作波長為1 550 nm的激光器輸出功率為6 dBm的完全偏振光。系統(tǒng)中所用的EPC是美國Lightwave2020公司的商用PC，響應(yīng)速度低于10 μs，插入損耗約為1.2 dB。此EPC可以由4個(gè)0～150 V直流電壓驅(qū)動(dòng)，每個(gè)產(chǎn)生0～π的相位延遲，從而能夠產(chǎn)生龐加萊球上所有可能的SOP?，F(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列(Field Programmable Gate Array, FPGA)用于生成4個(gè)隨機(jī)序列，然后由4個(gè)12位分辨率175 MSa/s更新速率的數(shù)模轉(zhuǎn)換器(Digital Analog Converter, DAC)芯片將其轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)。DAC輸出信號(hào)被電壓放大器放大后,產(chǎn)生4個(gè)0～150 V的隨機(jī)電壓來驅(qū)動(dòng)EPC。保偏的PM用來改變快軸和慢軸上線偏光的相位。

圖1 超快偏振控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

定量來分析，光的電矢量可以在空間直角坐標(biāo)系中表示為分量的形式:

式中：Ex和Ey分別為保偏光纖快軸和慢軸上的電矢量；Ax和Ay分別為電矢量Ex和Ey的初始振幅；ω為光的角頻率；t為光傳播的時(shí)間變量；k為光的傳播常數(shù)；z為光傳播的距離變量；δx和δy分別為電矢量Ex和Ey的初始相位。

兩個(gè)正交向量的幅度和相位差就決定了一個(gè)確定的SOP。如果我們可以任意改變兩個(gè)正交矢量之間的幅度和相位差，則可以實(shí)現(xiàn)任意SOP，并且幅度或相位的變化速度與偏振控制的速度相對(duì)應(yīng)。由于保偏光纖快軸和慢軸之間調(diào)制效率的差異，PM的驅(qū)動(dòng)電壓會(huì)在快軸和慢軸上引起不同的相位變化，從而在兩個(gè)正交矢量之間引入相對(duì)相位差。如圖1所示，在快軸上引入的相移Фfast2-Фfast1小于慢軸上的相移Фslow2-Фslow1，從而產(chǎn)生了兩個(gè)軸的相位差。需要指出的是，通常需要較高的電壓(大約為PM半波電壓的4倍)才能在正交矢量之間產(chǎn)生相對(duì)2π的相移。實(shí)驗(yàn)中利用AWG生成隨機(jī)序列,然后信號(hào)再通過電壓放大器來驅(qū)動(dòng)PM，從而在兩個(gè)正交矢量之間生成隨機(jī)0～2π相位差。EPC可以將特定的輸入SOP轉(zhuǎn)換為任意輸出SOP，也就是能夠任意的改變兩個(gè)正交矢量之間的幅度和相位差，因此EPC和PM的組合也可以生成任意SOP。最后，SOP通過圖1中的分支1顯示在PA中。

總的來說，如果沒有PM，則SOP切換的響應(yīng)速度完全由EPC決定，響應(yīng)速度大約為10 μs，但加上PM之后，EPC和PM可以協(xié)同工作，在EPC切換的每兩個(gè)不同SOP之間生成許多其他由PM帶來的新SOP。因此，SOP切換速度取決于PM的響應(yīng)速度，約為50 ps。

1.2 偏振控制響應(yīng)速度的測(cè)量方案

由于實(shí)驗(yàn)中使用PA的輸入帶寬只有1 MHz，無法通過PA直觀顯示超快SOP的切換過程，所以SOP在高速切換時(shí)需要用其他方法來測(cè)量，即把圖1中PM的輸出連接到分支2。實(shí)驗(yàn)中，通過控制EPC的輸入電壓或PM的調(diào)制電壓可以實(shí)現(xiàn)兩個(gè)特定SOP之間的切換。在PM之后使用起偏器來區(qū)分兩個(gè)SOP，因?yàn)椴煌腟OP在通過起偏器后得到的光功率不一樣。PD用于將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，然后發(fā)送到實(shí)時(shí)示波器中。FPGA生成矩形波以確保SOP在測(cè)量EPC的響應(yīng)速度時(shí)保持在兩個(gè)特定SOP之間切換。同樣，AWG產(chǎn)生矩形波，確保SOP在測(cè)量PM響應(yīng)速度時(shí)保持在兩個(gè)特定SOP之間切換。

2 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證及結(jié)果分析

2.1 超快偏振控制的龐加萊球軌跡

首先，測(cè)量PM快軸和慢軸之間不同的調(diào)制效率，相應(yīng)的光譜如圖2所示。在PM上調(diào)制10 GHz的正弦信號(hào)，然后通過調(diào)整手控PC，讓PM僅在快軸或慢軸上傳播光。根據(jù)圖中一階邊帶的相對(duì)功率，慢軸的調(diào)制效率明顯高于快軸。

圖2 PM慢軸和快軸調(diào)制信號(hào)的光譜

為了研究由EPC引起的每兩個(gè)SOP之間SOP的變化過程，通過FPGA設(shè)置了加到EPC的兩個(gè)特定電壓組合，這兩個(gè)電壓組合對(duì)應(yīng)了兩個(gè)特定SOP。圖3(a)所示為僅使用EPC時(shí)，這兩個(gè)SOP之間的動(dòng)態(tài)軌跡。可以看到，SOP直接從一個(gè)點(diǎn)切換到另一個(gè)點(diǎn)。當(dāng)同時(shí)使用EPC和PM時(shí)，如圖3(b)所示，SOP不是直接從一個(gè)點(diǎn)切換到另一個(gè)點(diǎn)，而是呈螺旋形軌跡。一旦確定了加在EPC上的電壓，加在PM上的快速變化電壓將導(dǎo)致SOP在龐加萊球上形成一個(gè)圓。需要解釋的一點(diǎn)是，圖3(b)中是兩個(gè)圓圈而不是兩個(gè)點(diǎn)，由于在開始和結(jié)束捕獲數(shù)據(jù)時(shí)SOP一直在高速變化，因此在開始和結(jié)束時(shí)肯定會(huì)留下一個(gè)圓的軌跡。本實(shí)驗(yàn)中，在PM上需要加20 V電壓才能在兩個(gè)正交矢量之間引入相對(duì)2π的偏移，從而可以在龐加萊球上形成一個(gè)完整的圓。由于本實(shí)驗(yàn)中加在PM上的信號(hào)變化速率比加在EPC上的信號(hào)快100倍，因此它將產(chǎn)生100個(gè)新的SOP形成圖中的螺旋形軌跡。

圖3 SOP變化軌跡比較

2.2 超快擾偏的測(cè)量結(jié)果

基于上述現(xiàn)象，如果將完全隨機(jī)的信號(hào)分別施加在EPC和PM上，則可以實(shí)現(xiàn)超快擾偏。圖4(a)和(b)顯示了兩種情況下3 s內(nèi)偏振遍歷結(jié)果的比較，其中，圖4(a)為僅使用EPC，而圖4(b)使用的是本文所提方案。FPGA輸出隨機(jī)序列的變化率設(shè)為3.3 kHz，AWG輸出隨機(jī)序列的變化率設(shè)為330 kHz。在這兩種情況下，SOP都可以遍歷整個(gè)龐加萊球，但在PM工作的情況下，遍歷速度快了100倍，因此在同一時(shí)間段內(nèi)圖4(b)可以觀察到更多的SOP，所以擾偏速度也更快。目前最快的商用EPC來自EOSPACE公司，其響應(yīng)速度約為10 ns[3]。當(dāng)將20 GHz隨機(jī)信號(hào)加到PM上時(shí)，本文所提方案的擾偏速度比利用最快商用EPC所實(shí)現(xiàn)的擾偏速度快數(shù)百倍。

圖4 擾偏速度比較

2.3 響應(yīng)速度的測(cè)量結(jié)果

測(cè)量響應(yīng)速度時(shí)，PM的輸出連接到圖1中的分支2。EPC的響應(yīng)速度測(cè)量結(jié)果如圖5所示。

圖5 EPC的響應(yīng)速度測(cè)量結(jié)果

選定兩種不同的電壓在EPC上不停地切換，此時(shí)EPC的輸出SOP從一個(gè)SOP切換到另一個(gè)SOP的時(shí)間是2 μs，反向切換是10 μs。

圖6(a)和(b)所示為在PM上調(diào)制1和5 GHz矩形波信號(hào)時(shí)輸出SOP的變化。80 GSa/s的實(shí)時(shí)示波器用于測(cè)量分支2中起偏器之后的光功率變化。所以SOP切換的頻率分別為2和10 GHz(上升沿和下降沿)，證明SOP確實(shí)是在以這么高的頻率不斷切換。為了精確測(cè)量響應(yīng)速度，實(shí)驗(yàn)中在PM上調(diào)制了100 kHz矩形波信號(hào)，此時(shí)SOP切換的響應(yīng)速度即是功率變化的上升沿時(shí)間，如圖6(c)和(d)所示。實(shí)驗(yàn)結(jié)果由80 GSa/s實(shí)時(shí)示波器采樣得到，其中上升沿占據(jù)4個(gè)間隔，相當(dāng)于50 ps。此結(jié)果相較于本實(shí)驗(yàn)中所使用的EPC(來自Lightwave2020公司，響應(yīng)速度約為2～10 μs)快了4萬到20萬倍，相較于目前最快的商用EPC(來自EOSPACE公司，響應(yīng)速度約為10 ns)也快了200倍。實(shí)際上，該方案SOP切換的響應(yīng)速度完全取決于PM的響應(yīng)速度，因此響應(yīng)速度更快的PM可以實(shí)現(xiàn)更快的偏振控制。

圖6 超快偏振控制的響應(yīng)速度測(cè)量結(jié)果

除了快速擾偏的應(yīng)用之外，該技術(shù)還適用于其他需要超快偏振控制的應(yīng)用，例如快速穩(wěn)偏。對(duì)于此類應(yīng)用，主要任務(wù)是盡快找到目標(biāo)SOP。傳統(tǒng)方法的迭代時(shí)間受到EPC響應(yīng)速度的限制，然而使用本文所提方法，目標(biāo)SOP搜索過程可以使用如下步驟：在龐加萊球上找到隨機(jī)的SOP，如果不是目標(biāo)SOP，則通過相位調(diào)制在龐加萊球上的一個(gè)圓中快速地搜索下一個(gè)SOP。因此，得益于高速相位調(diào)制，迭代時(shí)間可以大大縮短。目前基于所提方案的快速穩(wěn)偏正在研究中。

3 結(jié)束語

本文實(shí)驗(yàn)證明了基于低速PC和高速PM組合的超快偏振控制方案。該方案響應(yīng)速度可達(dá)到50 ps，相當(dāng)于所用PM的響應(yīng)速度，這比該實(shí)驗(yàn)中使用的商用EPC快了4萬到20萬倍，比目前最快的商用EPC也要快約200倍。由于EPC和PM都可以用任意的電壓序列進(jìn)行調(diào)制，所以SOP軌跡可以通過仔細(xì)設(shè)計(jì)所施加的電壓序列來定制。而且，我們認(rèn)為這種超快偏振控制方案將大大有利于擾偏和穩(wěn)偏技術(shù)以及相關(guān)的研究。