基于高速相位調制器的超快偏振控制

張 力，蒲國慶，義理林

(上海交通大學 區域光纖通信網與新型光通信系統國家重點實驗室，上海 200240)

0 引 言

近幾十年來，隨著光纖通信系統傳輸速率的提高，偏振控制技術得到了廣泛關注。其中，擾偏和穩偏技術是研究的重點，并且取得了不錯的研究成果[1-2]。偏振控制器(Polarization Controller，PC)的響應速度對于擾偏和穩偏技術的性能至關重要[3]。在過去的相關研究中，大多數PC的響應速度僅在ms或μs級別，如基于延遲片、液晶、光纖擠壓器以及波導的PC[4-10]。其中，一個基于波導的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換器，實現了低于5 ns的響應速度，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，其響應速度在ns級別。然而，在需要更高速擾偏時或為了應對更高速的偏振態(State of Polarization，SOP)變化時(如閃電引起光纖中SOP的瞬時變化)，PC的響應速度就成了擾偏和穩偏性能的瓶頸。為了進一步提高響應速度，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相位調制器(Phase Modulator，PM)的新型光學結構，實現了超快響應速度的偏振控制。

1 實驗設計

1.1 超快偏振控制系統結構介紹

本實驗的主要思想是使用具有μs級響應速度的EPC和具有ps級響應速度的PM來實現具有ps級響應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相互正交的線偏光，并且這兩個線偏光的幅度和相位差是確定的。在本實驗結構中，EPC用來改變初始SOP，由于EPC的響應速度是μs量級的，所以兩個正交線偏光的幅度和相位差會以μs級響應速度變化。然后PM進一步改變兩個正交線偏光的相位差，其響應速度是ps級的。因此，可以通過慢速偏振控制和快速相位調制的組合來實現超快偏振控制，并且所實現PC的響應速度等于PM的響應速度，可達到ps級。

超快偏振控制系統結構如圖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。系統中所用的EPC是美國Lightwave2020公司的商用PC，響應速度低于10 μs，插入損耗約為1.2 dB。此EPC可以由4個0～150 V直流電壓驅動，每個產生0～π的相位延遲，從而能夠產生龐加萊球上所有可能的SOP。現場可編程門陣列(Field Programmable Gate Array, FPGA)用于生成4個隨機序列，然后由4個12位分辨率175 MSa/s更新速率的數模轉換器(Digital Analog Converter, DAC)芯片將其轉換為模擬信號。DAC輸出信號被電壓放大器放大后,產生4個0～150 V的隨機電壓來驅動EPC。保偏的PM用來改變快軸和慢軸上線偏光的相位。

圖1 超快偏振控制系統結構圖

定量來分析，光的電矢量可以在空間直角坐標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為光傳播的時間變量；k為光的傳播常數；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。

兩個正交向量的幅度和相位差就決定了一個確定的SOP。如果我們可以任意改變兩個正交矢量之間的幅度和相位差，則可以實現任意SOP，并且幅度或相位的變化速度與偏振控制的速度相對應。由于保偏光纖快軸和慢軸之間調制效率的差異，PM的驅動電壓會在快軸和慢軸上引起不同的相位變化，從而在兩個正交矢量之間引入相對相位差。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，從而產生了兩個軸的相位差。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生相對2π的相移。實驗中利用AWG生成隨機序列,然后信號再通過電壓放大器來驅動PM，從而在兩個正交矢量之間生成隨機0～2π相位差。EPC可以將特定的輸入SOP轉換為任意輸出SOP，也就是能夠任意的改變兩個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切換的響應速度完全由EPC決定，響應速度大約為10 μs，但加上PM之后，EPC和PM可以協同工作，在EPC切換的每兩個不同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的響應速度，約為50 ps。

1.2 偏振控制響應速度的測量方案

由于實驗中使用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在高速切換時需要用其他方法來測量，即把圖1中PM的輸出連接到分支2。實驗中，通過控制EPC的輸入電壓或PM的調制電壓可以實現兩個特定SOP之間的切換。在PM之后使用起偏器來區分兩個SOP，因為不同的SOP在通過起偏器后得到的光功率不一樣。PD用于將光信號轉換為電信號，然后發送到實時示波器中。FPGA生成矩形波以確保SOP在測量EPC的響應速度時保持在兩個特定SOP之間切換。同樣，AWG產生矩形波，確保SOP在測量PM響應速度時保持在兩個特定SOP之間切換。

2 實驗驗證及結果分析

2.1 超快偏振控制的龐加萊球軌跡

首先，測量PM快軸和慢軸之間不同的調制效率，相應的光譜如圖2所示。在PM上調制10 GHz的正弦信號，然后通過調整手控PC，讓PM僅在快軸或慢軸上傳播光。根據圖中一階邊帶的相對功率，慢軸的調制效率明顯高于快軸。

圖2 PM慢軸和快軸調制信號的光譜

為了研究由EPC引起的每兩個SOP之間SOP的變化過程，通過FPGA設置了加到EPC的兩個特定電壓組合，這兩個電壓組合對應了兩個特定SOP。圖3(a)所示為僅使用EPC時，這兩個SOP之間的動態軌跡。可以看到，SOP直接從一個點切換到另一個點。當同時使用EPC和PM時，如圖3(b)所示，SOP不是直接從一個點切換到另一個點，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致SOP在龐加萊球上形成一個圓。需要解釋的一點是，圖3(b)中是兩個圓圈而不是兩個點，由于在開始和結束捕獲數據時SOP一直在高速變化，因此在開始和結束時肯定會留下一個圓的軌跡。本實驗中，在PM上需要加20 V電壓才能在兩個正交矢量之間引入相對2π的偏移，從而可以在龐加萊球上形成一個完整的圓。由于本實驗中加在PM上的信號變化速率比加在EPC上的信號快100倍，因此它將產生100個新的SOP形成圖中的螺旋形軌跡。

圖3 SOP變化軌跡比較

2.2 超快擾偏的測量結果

基于上述現象，如果將完全隨機的信號分別施加在EPC和PM上，則可以實現超快擾偏。圖4(a)和(b)顯示了兩種情況下3 s內偏振遍歷結果的比較，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輸出隨機序列的變化率設為3.3 kHz，AWG輸出隨機序列的變化率設為330 kHz。在這兩種情況下，SOP都可以遍歷整個龐加萊球，但在PM工作的情況下，遍歷速度快了100倍，因此在同一時間段內圖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，其響應速度約為10 ns[3]。當將20 GHz隨機信號加到PM上時，本文所提方案的擾偏速度比利用最快商用EPC所實現的擾偏速度快數百倍。

圖4 擾偏速度比較

2.3 響應速度的測量結果

測量響應速度時，PM的輸出連接到圖1中的分支2。EPC的響應速度測量結果如圖5所示。

圖5 EPC的響應速度測量結果

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

圖6(a)和(b)所示為在PM上調制1和5 GHz矩形波信號時輸出SOP的變化。80 GSa/s的實時示波器用于測量分支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確實是在以這么高的頻率不斷切換。為了精確測量響應速度，實驗中在PM上調制了100 kHz矩形波信號，此時SOP切換的響應速度即是功率變化的上升沿時間，如圖6(c)和(d)所示。實驗結果由80 GSa/s實時示波器采樣得到，其中上升沿占據4個間隔，相當于50 ps。此結果相較于本實驗中所使用的EPC(來自Lightwave2020公司，響應速度約為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，響應速度約為10 ns)也快了200倍。實際上，該方案SOP切換的響應速度完全取決于PM的響應速度，因此響應速度更快的PM可以實現更快的偏振控制。

圖6 超快偏振控制的響應速度測量結果

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

3 結束語

本文實驗證明了基于低速PC和高速PM組合的超快偏振控制方案。該方案響應速度可達到50 ps，相當于所用PM的響應速度，這比該實驗中使用的商用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行調制，所以SOP軌跡可以通過仔細設計所施加的電壓序列來定制。而且，我們認為這種超快偏振控制方案將大大有利于擾偏和穩偏技術以及相關的研究。