Способ управления волоконно-оптическим контроллером поляризации

Изобретение относится к волоконно-оптической технике и предназначено для управления состоянием поляризации оптического излучения на выходе волоконно-оптического контроллера поляризации. Согласно способу управления волоконно-оптическим контроллером поляризации оптическое излучение подают на вход оптического волокна, в которое последовательно включены три двулучепреломляющих элемента волоконно-оптического контроллера поляризации, к каждому из которых прикладывают механическую нагрузку, которую регулируют сигналами, поступающими от блока управления, на вход блока управления подают сигнал обратной связи, который формируют, выделяя часть оптического излучения, проходящего через волоконно-оптический контроллер поляризации, для чего с выхода волоконно-оптического контроллера поляризации с помощью оптического ответвителя выделяют часть оптического излучения, эту выделенную часть оптического излучения подают на линейный оптический поляризатор, с выхода которого оптическое излучение подают на вход фотоприемника, в котором формируют сигнал обратной связи, который и подают на вход блока управления, где контролируют изменения состояния поляризации оптического излучения на выходе волоконно-оптического контроллера поляризации, и по результатам обработки сигналов, поступивших из цепи обратной связи, формируют сигналы, регулирующие механическую нагрузку, прикладываемую к двулучепреломляющим элементам волоконно-оптического контроллера поляризации так, чтобы обеспечить заданное состояние поляризации оптического излучения на выходе волоконно-оптического контроллера поляризации, при этом предварительно калибруют двулучепреломляющие элементы волоконно-оптического контроллера поляризации. 1 ил.

 

Изобретение относится к волоконно-оптической технике и предназначено для управления состоянием поляризации оптического излучения на выходе волоконно-оптического контроллера поляризации и может быть использовано для определения состояния поляризации оптического излучения на его входе.

Известен способ управления волоконно-оптическим контроллером поляризации [1], заключающийся в том, что оптическое излучение подают на вход оптического волокна, к трем участкам которого прикладывают радиальные нагрузки от блока формирования и контроля прикладываемой к оптическому волокну нагрузки, контролируют эти радиальные нагрузки, контролируют состояние поляризации на выходе волоконно-оптического контроллера поляризации и изменяют прикладываемые к оптическому волокну радиальные нагрузки по результатам контроля состояния поляризации на выходе волоконно-оптического контроллера поляризации. Данный способ не позволяет определять состояние поляризации на входе волоконно-оптического контроллера поляризации, а также влияние напряжения, прикладываемого к отдельному участку на состояние поляризации оптического излучения на выходе волоконно-оптического контроллера поляризации от радиальной нагрузки, прикладываемую к одному из трех участков оптического волокна. Как следствие, заданное состояние поляризации оптического излучения на выходе волоконно-оптического контроллера поляризации получают за счет перебора комбинаций радиальных нагрузок, прикладываемым к трем вышеуказанным участкам оптического волокна волоконно-оптического контроллера.

Известен способ управления волоконно-оптическим контроллером поляризации [2], заключающийся в том, что оптическое излучение подают на вход оптического волокна, в которое последовательно включены три двулучепреломляющих элемента волоконно-оптического контроллера поляризации, к каждому из которых прикладывают механическую нагрузку, которую регулируют сигналами, поступающими от блока управления, а на входы блока управления подают сигналы обратной связи, которые формируют, выделяя часть оптического излучения, проходящего через волоконно-оптический контроллер поляризации. Для этого с выхода каждого из двулучепреломляющих элементов волоконно-оптического контроллера поляризации с помощью оптического ответвителя выделяют часть оптического излучения, эту выделенную часть оптического излучения подают на линейный оптический поляризатор, с выхода которого оптическое излучение подают на вход фотоприемника, в котором формируют сигнал обратной связи, который и подают на соответствующий вход блока управления, где контролируют изменения состояния поляризации оптического излучения на выходе каждого из двулучепреломляющих элементов волоконно-оптического контроллера поляризации и по результатам обработки данных этих изменений формируют сигналы, регулирующие механическую нагрузку, прикладываемую к двулучепреломляющим элементам волоконно-оптического контроллера поляризации, так, чтобы обеспечить заданное состояние поляризации оптического излучения на выходе волоконно-оптического контроллера поляризации. Для реализации данного способа необходимо три цепи обратной связи, и, соответственно, оптических ответвителя, три линейных оптических поляризатора и три фотоприемника, что существенно усложняет реализацию способа, увеличивает его стоимость, и, как следствие, ограничивает область его применения.

Сущностью предполагаемого изобретения является расширение области применения.

Эта сущность достигается тем, что, согласно способу управления волоконно-оптическим контроллером поляризации, заключающемуся в том, что оптическое излучение подают на вход оптического волокна, в которое последовательно включены три двулучепреломляющих элемента волоконно-оптического контроллера поляризации, к каждому из которых прикладывают механическую нагрузку, которую регулируют сигналами, поступающими от блока управления, на вход блока управления подают сигнал обратной связи, которые формируют выделяя часть оптического излучения, проходящего через волоконно-оптический контроллер поляризации, для чего с выхода волоконно-оптического контроллера поляризации с помощью оптического ответвителя выделяют часть оптического излучения, эту выделенную часть оптического излучения подают на линейный оптический поляризатор, с выхода которого оптическое излучение подают на вход фотоприемника, в котором формируют сигнал обратной связи, который и подают на вход блока управления, где контролируют изменения состояния поляризации оптического излучения на выходе волоконно-оптического контроллера поляризации и по результатам обработки сигналов, поступивших из цепи обратной связи, формируют сигналы, регулирующие механическую нагрузку, прикладываемую к двулучепреломляющим элементам волоконно-оптического контроллера поляризации так, чтобы обеспечить заданное состояние поляризации оптического излучения на выходе волоконно-оптического контроллера поляризации, при этом предварительно калибруют двулучепреломляющие элементы волоконно-оптического контроллера поляризации, для чего последовательно для каждого двулучепреломляющего элемента волоконно-оптического контроллера поляризации при фиксированных уровнях сигналов блока управления, регулирующих механическую нагрузку, прикладываемую к двум другим двулучепреломляющим элементам, снимают зависимость оптической мощности, поступающей на фотоприемник от уровня сигнала блока управления, регулирующего механическую нагрузку, прикладываемую к этому двулучепреломляющему элементу, по которой строят зависимости изменения фазового сдвига оптического излучения на каждом из двулучепреломляющих элементов от уровня сигнала блока управления, регулирующего механическую нагрузку, прикладываемую к этому двулучепреломляющему элементу, и запоминают их, затем последовательно устанавливают следующие восемь комбинаций значений фазовых сдвигов оптического излучения на двулучепреломляющих элементах – (0, 0, 0), (0, π, 0), (0, π/2, π/2), (0, π/2, 3π/2), (π/2, π/2,0), (π/2, 3π/2, 0), (0, 3π/2, 0), (0, π/2, 0), определяют и запоминают значения оптической мощности, поступающей на фотоприемник для каждой из указанных комбинаций, после чего определяют состояние поляризации оптического излучения на входе волоконно-оптического контроллера поляризации, вычисляя ориентацию оси линейного поляризатора и параметры вектора стокса по формулам:

$$2\varphi =\arctan \left(\frac{P\left\{\mathrm{0,}\pi /2,\pi /2\right\}-P\left\{\mathrm{0,}\pi /2,3\pi /2\right\}}{P\left\{\mathrm{0,0,0}\right\}-P\left\{\mathrm{0,}\pi \mathrm{,0}\right\}}\right)$$ ,

$$s_1=\frac{P\left\{\mathrm{0,0,0}\right\}-P\left\{\mathrm{0,}\pi \mathrm{,0}\right\}}{\cos \left(2\varphi \right)}$$ ,

$$s_2=\frac{P\left\{\pi /2,\pi /2\mathrm{,0}\right\}-P\left\{\pi /2,3\pi /2\mathrm{,0}\right\}}{\cos \left(2\varphi \right)}$$ ,

$$s_3=\frac{P\left\{\mathrm{0,}3\pi /2\mathrm{,0}\right\}-P\left\{\mathrm{0,}\pi /2\mathrm{,0}\right\}}{\cos \left(2\varphi \right)}$$ ,

где $$P\left\{{\theta }_1,{\theta }_2,{\theta }_3\right\}$$ - мощность на входе фотоприемника для соответствующей комбинации фазовых задержек на элементах двулучепреломления , - затем, решая систему уравнений:

$$\{\begin{array}{l}{s}_1^{вых}=s_1^{вх}\cos \left({\theta }_2\right)+s_2^{вх}\sin \left({\theta }_1\right)\sin \left({\theta }_2\right)-s_3^{вх}\cos \left({\theta }_1\right)\sin \left({\theta }_2\right)\\ s_2^{вых}=s_1^{вх}\sin \left({\theta }_2\right)\sin \left({\theta }_3\right)+s_2^{вх}\left[\cos \left({\theta }_1\right)\cos \left({\theta }_3\right)-\sin \left({\theta }_1\right)\cos \left({\theta }_2\right)\sin \left({\theta }_3\right)\right]+\\ +s_3^{вх}\left[\sin \left({\theta }_1\right)\cos \left({\theta }_3\right)+\cos \left({\theta }_1\right)\cos \left({\theta }_2\right)\sin \left({\theta }_3\right)\right]\\ s_3^{вых}=s_1^{вх}\sin \left({\theta }_2\right)\cos \left({\theta }_3\right)-s_2^{вх}\left[\cos \left({\theta }_1\right)\sin \left({\theta }_3\right)+\sin \left({\theta }_1\right)\cos \left({\theta }_2\right)\cos \left({\theta }_3\right)\right]+\\ +s_3^{вх}\left[\cos \left({\theta }_1\right)\cos \left({\theta }_2\right)\cos \left({\theta }_3\right)-\sin \left({\theta }_1\right)\sin \left({\theta }_3\right)\right]\end{array}$$, определяют значения фазовой задержки двулучепреломляющих элементов контроллера поляризации, при которых исходное состояние поляризации оптического излучения $$S_{}^{вх}=\left[s_0^{вх},s_1^{вх},s_2^{вх},s_3^{вх}\right]$$ преобразуется в требуемое $$S_{}^{вых}=\left[s_0^{вых},s_1^{вых},s_2^{вых},s_3^{вых}\right]$$, по результатам калибровки определяют уровни сигнала блока управления, которые соответствуют этим значениям фазовой задержки двулучепреломляющих элементов контроллера поляризации, и устанавливают их.

На чертеже представлена структурная схема устройства для реализации заявляемого способа.

Устройство содержит волоконно-оптический контроллер поляризации 1, оптическое волокно 2 которого последовательно включены первый 3, второй 4 и третий 5 двулучепреломляющие элементы, соединенные, соответственно, с первым 6, вторым 7 и третьим 8 элементами, преобразующими электрические сигналы в механическую нагрузку, блок управления 9, оптический ответвитель 10, линейный поляризатор 11 и фотоприемник 12. Причем, первый двулучепреломляющий элемент 3 соединен с первым элементом 6, преобразующим электрические сигналы в механическую нагрузку, второй двулучепреломляющий элемент 4 соединен со вторым элементом 7, преобразующим электрические сигналы в механическую нагрузку, а третий двулучепреломляющий элемент 5 соединен с третьим элементом 8, преобразующим электрические сигналы в механическую нагрузку. При этом, оптическое волокно 2 волоконно-оптического контроллера поляризации 1 на выходе волоконно-оптического контроллера поляризации 1 соединено со входом оптического ответвителя 10, второй выход которого соединен со входом линейного поляризатора 11, а выход линейного поляризатора 11 соединен со входом фотоприемника 12. Выход фотоприемника 12 подключен ко входу блока управления 9, первый, второй и третий выходы которого подключены, соответственно, ко входам первого 6, второго 7 и третьего 8 элементов, преобразующих электрические сигналы в механическую нагрузку.

Способ осуществляется следующим образом. Оптическое излучение через оптическое волокно 2 волоконно-оптического контроллера поляризации 1 поступает последовательно через первый 3, второй 4 и третий 5 двулучепреломляющие элементы, а затем через оптическое волокно 2 волоконно-оптического контроллера поляризации 1 и оптический ответвитель 10 на первый выход оптического ответвителя 10, который является выходом волоконно-оптического контроллера поляризации 1. Часть оптического излучения (до 5% от общей мощности) в оптическом ответвителе 10 ответвляется на второй выход оптического ответвителя 10 и через линейный поляризатор 11 на вход фотоприемника 12, преобразующего оптический сигнал в электрический. Электрический сигнал с выхода фотоприемника поступает на входа фотоприемника 12 поступает на вход блока управления 9, в котором в результате обработки этого сигнала определяется и запоминается значение уровня мощности оптического излучения на входе фотоприемника 12. Предварительно по программе блока управления калибруются волоконно-оптические двулучепреломляющие элементы волоконно-оптического контроллера поляризации. При этом последовательно для каждого двулучепреломляющего элемента волоконно-оптического контроллера поляризации при фиксированных уровнях сигналов блока управления, регулирующих механическую нагрузку, прикладываемую к двум другим двулучепреломляющим элементам, снимается зависимость оптической мощности, поступающей на фотоприемник от уровня сигнала блока управления, регулирующего механическую нагрузку, прикладываемую к этому двулучепреломляющему элементу, по которой строятся и запоминаются зависимости изменения фазового сдвига оптического излучения θ_i на каждом из двулучепреломляющих элементов от уровня сигнала блока управления, регулирующего механическую нагрузку, прикладываемую к этому двулучепреломляющему элементу. Затем последовательно устанавливаются следующие восемь комбинаций значений фазовых сдвигов оптического излучения на двулучепреломляющих элементах – (0, 0, 0), (0, π, 0), (0, π/2, π/2), (0, π/2, 3π/2), (π/2, π/2,0), (π/2, 3π/2, 0), (0, 3π/2, 0), (0, π/2, 0), при этом определяются и запоминаются значения оптической мощности, поступающей на фотоприемник для каждой из указанных комбинаций, после чего определяется состояние поляризации оптического излучения на входе волоконно-оптического контроллера поляризации в результате вычислений в блоке управления 9 ориентации оси линейного поляризатора и параметров вектора Стокса по формулам:

$$2\varphi =\arctan \left(\frac{P\left\{\mathrm{0,}\pi /2,\pi /2\right\}-P\left\{\mathrm{0,}\pi /2,3\pi /2\right\}}{P\left\{\mathrm{0,0,0}\right\}-P\left\{\mathrm{0,}\pi \mathrm{,0}\right\}}\right)$$ ,

$$s_1=\frac{P\left\{\mathrm{0,0,0}\right\}-P\left\{\mathrm{0,}\pi \mathrm{,0}\right\}}{\cos \left(2\varphi \right)}$$ ,

$$s_2=\frac{P\left\{\pi /2,\pi /2\mathrm{,0}\right\}-P\left\{\pi /2,3\pi /2\mathrm{,0}\right\}}{\cos \left(2\varphi \right)}$$ ,

$$s_3=\frac{P\left\{\mathrm{0,}3\pi /2\mathrm{,0}\right\}-P\left\{\mathrm{0,}\pi /2\mathrm{,0}\right\}}{\cos \left(2\varphi \right)}$$ ,

где $$P\left\{{\theta }_1,{\theta }_2,{\theta }_3\right\}$$ - мощность на входе фотоприемника для соответствующей комбинации фазовых задержек на элементах двулучепреломления , затем, путем решения системы уравнений:

$$\{\begin{array}{l}{s}_1^{вых}=s_1^{вх}\cos \left({\theta }_2\right)+s_2^{вх}\sin \left({\theta }_1\right)\sin \left({\theta }_2\right)-s_3^{вх}\cos \left({\theta }_1\right)\sin \left({\theta }_2\right)\\ s_2^{вых}=s_1^{вх}\sin \left({\theta }_2\right)\sin \left({\theta }_3\right)+s_2^{вх}\left[\cos \left({\theta }_1\right)\cos \left({\theta }_3\right)-\sin \left({\theta }_1\right)\cos \left({\theta }_2\right)\sin \left({\theta }_3\right)\right]+\\ +s_3^{вх}\left[\sin \left({\theta }_1\right)\cos \left({\theta }_3\right)+\cos \left({\theta }_1\right)\cos \left({\theta }_2\right)\sin \left({\theta }_3\right)\right]\\ s_3^{вых}=s_1^{вх}\sin \left({\theta }_2\right)\cos \left({\theta }_3\right)-s_2^{вх}\left[\cos \left({\theta }_1\right)\sin \left({\theta }_3\right)+\sin \left({\theta }_1\right)\cos \left({\theta }_2\right)\cos \left({\theta }_3\right)\right]+\\ +s_3^{вх}\left[\cos \left({\theta }_1\right)\cos \left({\theta }_2\right)\cos \left({\theta }_3\right)-\sin \left({\theta }_1\right)\sin \left({\theta }_3\right)\right]\end{array}$$, определяются значения фазовой задержки двулучепреломляющих элементов контроллера поляризации, при которых исходное состояние поляризации оптического излучения $$S_{}^{вх}=\left[s_0^{вх},s_1^{вх},s_2^{вх},s_3^{вх}\right]$$ преобразуется в требуемое $$S_{}^{вых}=\left[s_0^{вых},s_1^{вых},s_2^{вых},s_3^{вых}\right]$$, по результатам калибровки определяются уровни сигнала блока управления, которые соответствуют этим значениям фазовой задержки двулучепреломляющих элементов контроллера поляризации, после чего устанавливаются эти уровни сигналов блока управления.

В отличие от известного способа, которым является прототип, для реализации способа требуется в три раза меньше таких элементов, как оптические ответвители, линейные поляризаторы и фотоприемники, и используется менее сложная схема. Это упрощает реализацию способа и снижает ее стоимость по сравнению с прототипом, что, как следствие, расширяет область применения способа.

ЛИТЕРАТУРА

1. US 6885782 B2.

2US 6552836 B2.

Способ управления волоконно-оптическим контроллером поляризации, заключающийся в том, что оптическое излучение подают на вход оптического волокна, в которое последовательно включены три двулучепреломляющих элемента волоконно-оптического контроллера поляризации, к каждому из которых прикладывают механическую нагрузку, которую регулируют сигналами, поступающими от блока управления, на вход блока управления подают сигнал обратной связи, который формируют, выделяя часть оптического излучения, проходящего через волоконно-оптический контроллер поляризации, для чего с выхода волоконно-оптического контроллера поляризации с помощью оптического ответвителя выделяют часть оптического излучения, эту выделенную часть оптического излучения подают на линейный оптический поляризатор, с выхода которого оптическое излучение подают на вход фотоприемника, в котором формируют сигнал обратной связи, который и подают на вход блока управления, где контролируют изменения состояния поляризации оптического излучения на выходе волоконно-оптического контроллера поляризации и по результатам обработки сигналов, поступивших из цепи обратной связи, формируют сигналы, регулирующие механическую нагрузку, прикладываемую к двулучепреломляющим элементам волоконно-оптического контроллера поляризации так, чтобы обеспечить заданное состояние поляризации оптического излучения на выходе волоконно-оптического контроллера поляризации, отличающийся тем, что предварительно калибруют двулучепреломляющие элементы волоконно-оптического контроллера поляризации, для чего последовательно для каждого двулучепреломляющего элемента волоконно-оптического контроллера поляризации при фиксированных уровнях сигналов блока управления, регулирующих механическую нагрузку, прикладываемую к двум другим двулучепреломляющим элементам, снимают зависимость оптической мощности, поступающей на фотоприемник от уровня сигнала блока управления, регулирующего механическую нагрузку, прикладываемую к этому двулучепреломляющему элементу, по которой строят зависимости изменения фазового сдвига оптического излучения на каждом из двулучепреломляющих элементов от уровня сигнала блока управления, регулирующего механическую нагрузку, прикладываемую к этому двулучепреломляющему элементу, и запоминают их, затем последовательно устанавливают следующие восемь комбинаций значений фазовых сдвигов оптического излучения на двулучепреломляющих элементах – (0,0,0), (0,$$\pi$$,0), (0, $$\pi$$/2, $$\pi$$/2), (0, $$\pi$$/2, 3$$\pi$$/2), ($$\pi$$/2, $$\pi$$/2, 0), ($$\pi$$/2, 3$$\pi$$/2, 0), (0, 3$$\pi$$/2, 0), (0, $$\pi$$/2, 0), определяют и запоминают значения оптической мощности, поступающей на фотоприемник для каждой из указанных комбинаций, после чего определяют состояние поляризации оптического излучения на входе волоконно-оптического контроллера поляризации, вычисляя ориентацию оси линейного поляризатора и параметры вектора стокса по формулам:

$$2\varphi =\arctan \left(\frac{P\left\{\mathrm{0,}\pi /2,\pi /2\right\}-P\left\{\mathrm{0,}\pi /2,3\pi /2\right\}}{P\left\{\mathrm{0,0,0}\right\}-P\left\{\mathrm{0,}\pi \mathrm{,0}\right\}}\right)$$ ,

$$s_1=\frac{P\left\{\mathrm{0,0,0}\right\}-P\left\{\mathrm{0,}\pi \mathrm{,0}\right\}}{\cos \left(2\varphi \right)}$$ ,

$$s_2=\frac{P\left\{\pi /2,\pi /2\mathrm{,0}\right\}-P\left\{\pi /2,3\pi /2\mathrm{,0}\right\}}{\cos \left(2\varphi \right)}$$ ,

$$s_3=\frac{P\left\{\mathrm{0,}3\pi /2\mathrm{,0}\right\}-P\left\{\mathrm{0,}\pi /2\mathrm{,0}\right\}}{\cos \left(2\varphi \right)}$$ ,

где $$P\left\{{\theta }_1,{\theta }_2,{\theta }_3\right\}$$ - мощность на входе фотоприемника для соответствующей комбинации фазовых задержек на элементах двулучепреломления , затем, решая систему уравнений:

$$\{\begin{array}{l}{s}_1^{вых}=s_1^{вх}\cos \left({\theta }_2\right)+s_2^{вх}\sin \left({\theta }_1\right)\sin \left({\theta }_2\right)-s_3^{вх}\cos \left({\theta }_1\right)\sin \left({\theta }_2\right)\\ s_2^{вых}=s_1^{вх}\sin \left({\theta }_2\right)\sin \left({\theta }_3\right)+s_2^{вх}\left[\cos \left({\theta }_1\right)\cos \left({\theta }_3\right)-\sin \left({\theta }_1\right)\cos \left({\theta }_2\right)\sin \left({\theta }_3\right)\right]+\\ +s_3^{вх}\left[\sin \left({\theta }_1\right)\cos \left({\theta }_3\right)+\cos \left({\theta }_1\right)\cos \left({\theta }_2\right)\sin \left({\theta }_3\right)\right]\\ s_3^{вых}=s_1^{вх}\sin \left({\theta }_2\right)\cos \left({\theta }_3\right)-s_2^{вх}\left[\cos \left({\theta }_1\right)\sin \left({\theta }_3\right)+\sin \left({\theta }_1\right)\cos \left({\theta }_2\right)\cos \left({\theta }_3\right)\right]+\\ +s_3^{вх}\left[\cos \left({\theta }_1\right)\cos \left({\theta }_2\right)\cos \left({\theta }_3\right)-\sin \left({\theta }_1\right)\sin \left({\theta }_3\right)\right]\end{array}$$, определяют значения фазовой задержки двулучепреломляющих элементов контроллера поляризации, при которых исходное состояние поляризации оптического излучения $$S_{}^{вх}=\left[s_0^{вх},s_1^{вх},s_2^{вх},s_3^{вх}\right]$$ преобразуется в требуемое $$S_{}^{вых}=\left[s_0^{вых},s_1^{вых},s_2^{вых},s_3^{вых}\right]$$, по результатам калибровки определяют уровни сигнала блока управления, которые соответствуют этим значениям фазовой задержки двулучепреломляющих элементов контроллера поляризации, и устанавливают их.