專利名稱：可定量調(diào)節(jié)光偏振態(tài)的裝置及其方法
技術領域：
本發(fā)明屬于光學測量技術領域，特別涉及使用在線偏振態(tài)測量器、動態(tài)偏振控制器和電子電路運算，通過設定將輸入光調(diào)節(jié)成任意用戶需要的偏振態(tài)的裝置及方法。
背景技術：
光偏振相關參數(shù)對光束或光信號的影響非常重大，光偏振態(tài)是光束狀態(tài)描述的一種重要數(shù)據(jù)，在光纖系統(tǒng)和光信息處理和傳輸技術上，光的偏振態(tài)的不同，會給相關系統(tǒng)性能帶來重要影響。因此，在光信息處理和傳輸技術領域非常需要能夠產(chǎn)生任意需要的偏振態(tài)，同時也非常需要很快地測量光的偏振態(tài)。
光的偏振態(tài)是定量描述光所處于的偏振形態(tài)，是光的四大基本特征之一(其他三項為光強、波長、相位)。準確測量和準確提供光的偏振態(tài)，對于光信息技術領域至關重要。
光的偏振態(tài)有多種形式，其中包括線偏振光、圓偏振光、橢圓偏振光、部分偏振光和非偏振光。
光的偏振態(tài)有多種數(shù)學描述方法，可以使用三角函數(shù)表示法、瓊斯矢量法、斯托克斯矢量法和邦加球圖示法。
一種目前常用的獲得一個任意選定的偏振態(tài)的方法是通過搭建一個臨時系統(tǒng)來進行，該系統(tǒng)的結構如圖1所示，包括一個偏振控制器15，一個在線偏振態(tài)測量器12，一個毫伏表14；各部件的連接關系為在線偏振態(tài)測量器12的光輸入、電輸出端分別與偏振控制器15的光輸出端和毫伏表14的輸入端相連。
其方法的主要步驟如下1、入射光11穿過偏振控制器15，到達在線偏振態(tài)測量器12，在線偏振態(tài)測量器12在信號輸出端將會產(chǎn)生數(shù)個代表偏振態(tài)的電信號13輸出。
2、使用毫伏表14依次測量在線偏振態(tài)測量器12的數(shù)個信號值13，并進行記錄。將這數(shù)個信號數(shù)值按照相應的公式進行計算，從而得到光束的偏振態(tài)數(shù)值。
3、將得到的偏振態(tài)數(shù)值與預想的偏振態(tài)數(shù)值進行比較，得到差值；4、調(diào)節(jié)偏振控制器15，使得通過的光的偏振態(tài)發(fā)生變化；5、再次使用毫伏表依次測量在線偏振態(tài)測量器的幾個信號值，并進行記錄；6、再次將得到的偏振態(tài)數(shù)值與預想的偏振態(tài)數(shù)值進行比較，如果達到了預想指標，則獲得了預想的偏振態(tài)；如果還有差值，則繼續(xù)重復步驟5～7，直到得到預想偏振態(tài)；這種獲得一個任意選定偏振態(tài)的方法有如下缺點1、要臨時搭建一個測量系統(tǒng)且要靠人工進行記錄和計算，測量時間長，往往需要反復操作，操作過程復雜；
2、測量精度低，實時性差因為系統(tǒng)偏振光的偏振態(tài)往往會隨時發(fā)生變化，長時間測量和依次測量得到的數(shù)值會有誤差；3、系統(tǒng)不易移動由于是搭建的系統(tǒng)，通常集成性很差，無法整體搬動，不利于隨時隨地的測量要求；發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的是為克服已有技術的不足之處，提出一種可定量調(diào)節(jié)光偏振態(tài)的裝置，該裝置既可以準確、方便、快捷地測量光束的偏振態(tài)；還可以根據(jù)使用者的設定，將通過該裝置的光準確、方便、快捷調(diào)節(jié)成任意需要的偏振態(tài)。
本發(fā)明提出的可定量調(diào)節(jié)光偏振態(tài)的裝置，它包括一個光輸入端口，用來將被調(diào)節(jié)光輸入到裝置當中；一個光輸出端口，用來將被調(diào)節(jié)后的光的輸出；一個動態(tài)偏振控制器，其光輸入端通過光纖接在所述光輸入端口后面，用來調(diào)節(jié)通過光的偏振態(tài)；一個在線偏振態(tài)測量器，用來測量通過光的偏振態(tài)參量，并將各個參量轉換成電信號；其輸入端通過光纖接在所述動態(tài)偏振控制器光輸出端口，光輸出端口接在所述光輸出端口上；一個控制電路，與所述在線偏振態(tài)測量器的電信號輸出端相連，用于對接收的電信號進行處理；與動態(tài)偏振控制器電輸入端相連，用來驅(qū)動動態(tài)偏振控制器。
本發(fā)明提出的采用上述裝置產(chǎn)生任意需要偏振態(tài)的方法，其特征在于，包括以下步驟1)將需要的偏振態(tài)數(shù)值作為設定值輸入控制電路；2)輸入光通過動態(tài)偏振控制器到達在線偏振態(tài)測量器；3)在線偏振態(tài)測量器產(chǎn)生一組與當前輸入光偏振態(tài)相對應的電信號；4)控制電路提取在線偏振態(tài)測量器的電信號，經(jīng)過處理和與設定值進行比較后，產(chǎn)生驅(qū)動動態(tài)偏振控制器的信號；5)控制電路按照上述信號調(diào)整偏振控制器的控制狀態(tài)，使得輸出光的偏振態(tài)，成為所需要的偏振態(tài)。
本發(fā)明的主要特點及產(chǎn)生的效果1、結構緊湊，可獨立工作，操作簡便，便于移動。
2、可直接將輸入光調(diào)節(jié)成所需要的任意偏振態(tài)；同時顯示偏振態(tài)調(diào)節(jié)結果；這就充分解決了目前光電子領域所采用的方法存在的精度低、重復精度低、測量速度慢、使用不方便等問題。
3、本發(fā)明可以在不切斷光路的情況下實現(xiàn)在線測量偏振態(tài)，從而為用戶實時測量和監(jiān)測提供了重要手段。
4、測量精度高由于采用了電路直接運算和動態(tài)偏振控制器與在線偏振態(tài)測量器的組合，可以獲得很高的測量精度和產(chǎn)生準確的偏振態(tài)。
5、本裝置通過控制電路運算，可以將被測光偏振態(tài)記錄下來，然后與使用者設置的所需偏振態(tài)進行比較，經(jīng)過運算，驅(qū)動偏振控制器調(diào)節(jié)輸入光的偏振態(tài)達到使用者的要求。
6、一體裝置多種功能的組合，除了將測量偏振態(tài)和產(chǎn)生需要的偏振態(tài)在一套裝置上實現(xiàn)，還可以用來測量偏振度(DOP)和產(chǎn)生擾偏光。


圖1為目前常用的獲得一個任意選定偏振態(tài)的光學系統(tǒng)示意圖；圖2為本發(fā)明的實施例外形結構布置示意圖；圖3為本發(fā)明的實施例組成及工作原理圖；圖4為本發(fā)明的控制面板實施例布局示意圖；圖5為本系統(tǒng)用于產(chǎn)生擾偏光用途的工作原理圖，其中5A為自然光示意圖；5B為擾偏光示意圖；5C為產(chǎn)生擾偏光工作原理圖；具體實施方式
本發(fā)明提出的光偏振態(tài)可調(diào)節(jié)的測量裝置及其工作過程結合附圖及實施例詳細說明如下本發(fā)明設計的具有調(diào)節(jié)偏振態(tài)功能的偏振態(tài)測量裝置，組成結構實施例如圖2、3所示，本裝置包括一個整體機箱21構成的整體結構，在機箱的前面板安裝有由顯示屏構成的顯示裝置22，控制機構23和光輸入端口24，光輸出端口25構成的用戶界面，如圖2所示。在機箱內(nèi)安裝一動態(tài)偏振控制器32，一在線偏振態(tài)測量器33和一控制電路板。光的輸入端31連接在動態(tài)偏振控制器32一端，光的輸出端34連接在在線偏振態(tài)測量器33的輸出端，動態(tài)偏振控制器32的另外一端和在線偏振態(tài)測量器33的另外一端通過光纖進行光路連接。動態(tài)偏振控制器32和在線偏振態(tài)測量器33均分別與控制電路板進行電路連接?？刂齐娐钒迳习惭b偏振控制器驅(qū)動電路，信號放大電路、模數(shù)轉換電路，數(shù)模轉換電路，以及基于微處理器的中央控制電路35；機箱內(nèi)部還裝有電源電路38和外圍接口電路37，中央控制電路35分別與這些電路進行電路連接，該控制電路還和用戶界面上的控制機構23和顯示裝置22電路連接。如圖3所示。
本實施例使用了一個基于微處理器的獨立運算電路36，來單獨執(zhí)行中央控制電路的運算功能，用以提高電路的運轉性能。
本裝置的用戶界面的實施例為一控制面板40，如圖4所示，整個面板40包括1個顯示屏22用來顯示測量和設置數(shù)據(jù)；1個電源開關42和一個電源指示燈43，用來開關裝置的供電系統(tǒng)；1個光輸入端口24，用來插入光纖接頭將被測光或者被調(diào)節(jié)光輸入；1個光輸出端口25，用來插入光纖接頭將被測光或者被調(diào)節(jié)光輸出；15個按鍵構成的控制機構用來對整個裝置進行設置，其中11個控制按鍵組成的控制裝置47，用來選擇整個裝置的設置和工作模式，以及所需要產(chǎn)生的偏振態(tài)參數(shù)；四個調(diào)節(jié)按鍵組成的調(diào)節(jié)裝置46，用來與控制按鍵配合調(diào)整設置的具體數(shù)值。
上述顯示裝置、控制裝置、動態(tài)偏振控制器、在線偏振態(tài)測量器、供電電源電路均可制成獨立模塊，通過線纜從機箱外部連接。
本裝置的各部分器件的功能及實施例分別說明如下在線偏振態(tài)測量器用來對通過光進行取樣，測量通過光的偏振態(tài)，向電路板輸出與偏振態(tài)相對應的電信號；在線偏振態(tài)測量器33的實施例采用General Photonics公司POD-15型號產(chǎn)品。它放置在光路中，對被測光進行偏振態(tài)光學取樣，并將光信號轉換成電信號。
動態(tài)偏振控制器32用來接收電路板發(fā)來的驅(qū)動信號，對光路中的通過光進行偏振態(tài)調(diào)整；動態(tài)偏振控制器32實施例采用General Photonics公司MPC-4X型號產(chǎn)品。
電路板上的電路用來接收探測信號，并將數(shù)據(jù)存儲和運算，同時可以接受控制信號的設置，并控制動態(tài)偏振控制器的運行；其中信號放大電路的實施例采用常規(guī)的線性放大電路或?qū)?shù)放大電路，模數(shù)轉換電路的實施例以普通商用模數(shù)轉換芯片為核心按常規(guī)設計的電路，用于將在線偏振態(tài)測量器輸出的模擬電信號轉換成數(shù)字信號；中央控制電路35實施例采用普通商用FPGA芯片為核心的按常規(guī)設計電路，運算電路36的實施例采用普通商用DSP芯片為核心的按常規(guī)設計電路；數(shù)模轉換電路的實施例以普通商用數(shù)模轉換芯片為核心按常規(guī)設計的電路；偏振控制器驅(qū)動電路采用按常規(guī)設計電壓輸出電路；電源電路的實施例采用常規(guī)開關電源或線性電源電路，用于為整個裝置供電；外圍接口電路37的實施例采用基于RS232、USB和以太網(wǎng)接口的常規(guī)電路，可以將有關測量數(shù)據(jù)輸出到其他顯示設備或者提供給其他控制機構利用這些數(shù)據(jù)進行其他有用的控制；控制裝置和調(diào)節(jié)裝置的實施例采用控制信號輸入按鍵(采用常規(guī)產(chǎn)品)構成，通過按鍵對整個裝置進行設置，并控制工作過程；顯示裝置實施例采用常規(guī)的數(shù)碼或液晶顯示屏顯示。
本發(fā)明的可定量調(diào)節(jié)光偏振態(tài)的裝置的用戶界面布局實施例如圖4所示的控制面板40，在其上面設置有一個采用光纖實現(xiàn)的光輸入端口24，用來將被測光輸入到裝置當中。一個顯示屏，該實施例為一個條形商用LCD顯示屏22(YUSUNG HY系列82.8mm×18.4mm)，用來顯示測量和設置數(shù)據(jù)；采用控制信號輸入按鍵23(采用常規(guī)產(chǎn)品)構成的控制裝置47和調(diào)節(jié)裝置46，通過按鍵對整個裝置進行設置，并控制工作過程。一個采用光纖實現(xiàn)的光輸出端口25，用來輸出調(diào)節(jié)為任意所需偏振態(tài)的光。采用通用器件實現(xiàn)的一個電源開關42，用來接通電源；一個電源指示燈43，用來顯示整個裝置是否處于通電狀態(tài)。
本實施例獲得一個任意所需偏振態(tài)的工作過程結合圖3說明如下1、使用者通過按鍵構成的控制機構將所需要的偏振態(tài)參數(shù)輸入到中央控制電路35當中；2、被調(diào)節(jié)光31通過動態(tài)偏振控制器32，進入到偏振態(tài)測量器33；3、在線偏振態(tài)測量器33對通過的光進行取樣，產(chǎn)生一組與目前光偏振態(tài)相對應的模擬電信號；此信號經(jīng)放大電路放大后，通過模數(shù)轉換電路轉換成數(shù)字電信號輸入到基于微處理器的中央控制電路35；
4、基于微處理器的中央控制電路將信號保存，運算電路36從中央控制電路保存單元中讀取信號進行運算；計算出這組數(shù)據(jù)相對應的偏振態(tài)值；5、中央控制電路讀取偏振態(tài)值，并將其與在步驟1中輸入的參數(shù)進行比較；6、運算電路計算出與輸入?yún)?shù)的差值，并將此差值轉換成控制信號，通過數(shù)模轉換電路和驅(qū)動電路輸出到動態(tài)偏振控制器32上；7、動態(tài)偏振控制器32接收控制信號對通過的光進行相應調(diào)整；8、重復步驟3～5，如果比較差值為0，說明輸出光34的偏振態(tài)為使用者所設置的偏振態(tài)，整個過程完成；如果還存在差值，則繼續(xù)進行步驟6～7，直至差值為0；上述裝置還可實現(xiàn)以下功能其一，能夠測量光的偏振態(tài)，其工作過程如下1、被測光31通過動態(tài)偏振控制器，進入到偏振態(tài)測量器(此時動態(tài)偏振控制器32以及偏振控制器驅(qū)動電路、數(shù)模轉換電路處于不工作狀態(tài))；2、在線偏振態(tài)測量器33對通過的光進行取樣，產(chǎn)生一組與光目前偏振態(tài)相對應的電模擬信號；此信號通過放大電路放大后，進入模數(shù)轉換電路轉換成數(shù)字電信號輸入到基于微處理器的中央控制電路；3、基于微處理器的中央控制電路將信號保存，運算電路36從控制電路保存單元中讀取信號進行運算；計算出這組數(shù)據(jù)相對應的偏振態(tài)值；4、基于微處理器的中央控制電路讀取偏振態(tài)值，并將其顯示在顯示屏上；其二，是能夠測量通過光的偏振度(DOP)，其工作過程如下1、使用者通過按鍵，將本裝置調(diào)整到測量偏振度(DOP)工作狀態(tài)2、輸入光通過動態(tài)偏振控制器后，進入“偏振態(tài)測量器”時，偏振態(tài)測量器會將輸入光進行偏振態(tài)取樣，并將取得的偏振信號轉變成模擬電信號，傳輸?shù)健靶盘柗糯箅娐贰保?、“信號放大電路”將模擬電信號放大，將此電信號傳輸?shù)健澳?shù)轉換電路”；4、“模數(shù)轉換電路”將模擬信號轉換成數(shù)字信號；傳輸?shù)娇刂齐娐罚?、控制電路將數(shù)字信號進行存儲、整理和分配；6、運算電路從控制電路提取信號進行偏振度運算，計算出反映當前偏振度的數(shù)值，輸出到控制電路；7、控制電路將數(shù)字信號進行存儲、整理，輸出到顯示電路，顯示電路在顯示屏上進行偏振度數(shù)值顯示；其三，是能夠用做擾偏器，實現(xiàn)產(chǎn)生模擬自然光的擾偏光的擾偏功能。
在光信息傳輸和處理技術領域中，為了消除偏振光對光信息系統(tǒng)的影響，常常使用擾偏光來代替不具有偏振特性的自然光51。自然光的特點是在每時每刻，光的都具有所有方向上的偏振特性(如圖5A所示)。擾偏光則是偏振態(tài)隨機不斷地發(fā)生變化(如圖5B所示)，這種變化可以在很短的時間間隔內(nèi)發(fā)生，以至于光信息系統(tǒng)感受不到這種時間間隔，從而達到非偏振光的特性。
其工作過程如下(如圖5C所示)
1、使用者通過按鍵，將本裝置調(diào)整到擾偏工作狀態(tài)；2、控制電路從運算電路中提取一個隨機算法，輸出指令到偏振控制器；3、偏振控制器根據(jù)指令，在很短的時間內(nèi)，不斷隨機發(fā)出多種控制信號58，實現(xiàn)不斷變換偏振控制，從而使得通過偏振控制器的光的偏振態(tài)飛快的不斷發(fā)生變化，得到擾偏光輸出54。
權利要求
1.一種可定量調(diào)節(jié)光偏振態(tài)的裝置，其特征在于，該裝置包括一個光輸入端口，用來將被調(diào)節(jié)光輸入到裝置當中；一個光輸出端口，用來輸出被調(diào)節(jié)后的光；一個動態(tài)偏振控制器，其光輸入端接在所述光輸入端口后面，用來調(diào)節(jié)通過光的偏振態(tài)；一個在線偏振態(tài)測量器，用來測量通過光的偏振態(tài)參量，并將各個參量轉換成電信號；其光輸入端接在所述動態(tài)偏振控制器的光輸出端口，光輸出端口接在所述光輸出端口上；一個控制電路，與所述在線偏振態(tài)測量器的電信號輸出端和動態(tài)偏振控制器電信號輸入端相連，用于對接收自在線偏振態(tài)測量器的電信號進行處理；并產(chǎn)生控制信號給動態(tài)偏振控制器。
2.如權利要求1所述的可定量調(diào)節(jié)光偏振態(tài)的裝置，其特征在于，所述的控制電路包括一個信號放大電路，其輸入端與所述在線偏振態(tài)測量器的輸出端相連，用于對接收的電信號進行放大；一個模數(shù)轉換電路，用于將放大的電信號轉換成數(shù)字信號，其輸入端與所述信號放大電路的輸出端相連；一個基于微處理器的中央控制電路，其輸入端與所述模數(shù)轉換電路輸出端相連，用于對接收的數(shù)字信號進行處理及控制。一個偏振控制器驅(qū)動電路，用于對所述動態(tài)偏振控制器進行驅(qū)動；一個數(shù)模轉換電路，用于將接收的數(shù)字信號轉換成模擬電信號；其中，所述動態(tài)偏振控制器的電輸入端口與偏振控制器驅(qū)動電路的輸出端相連，所述數(shù)模轉換電路的輸入端及輸出端分別與所述偏振控制器驅(qū)動電路的輸入端和基于微處理器的中央控制電路的輸出端相連。
3.如權利要求2所述的可定量調(diào)節(jié)光偏振態(tài)的裝置，其特征在于，所述的放大電路為線性放大電路或?qū)?shù)放大電路。
4.如權利要求1所述的可定量調(diào)節(jié)光偏振態(tài)的裝置，其特征在于，所述的控制電路還包括一個邏輯電路，用來接收在線偏振態(tài)測量器的電信號，經(jīng)過處理后產(chǎn)生一個控制信號，驅(qū)動動態(tài)偏振控制器；其電輸入端與偏振態(tài)測量器電輸出端相連，電輸出端與動態(tài)偏振控制器電輸入端相連。
5.如權利要求1所述的可定量調(diào)節(jié)光偏振態(tài)的裝置，其特征在于，該裝置還包括一套控制機構，用來對整個裝置進行工作模式和參數(shù)的設置。
6.如權利要求5所述的可定量調(diào)節(jié)光偏振態(tài)的裝置，其特征在于，所述控制機構包括用來設置工作模式的控制裝置和用來與控制裝置配合調(diào)整設置的具體數(shù)值的調(diào)節(jié)裝置。
7.如權利要求1所述的可定量調(diào)節(jié)光偏振態(tài)的裝置，其特征在于，該裝置還包括一套顯示裝置，其輸入端連接在所述控制電路上，用來顯示測量信息和設置信息。
8.采用如權利要求1所述裝置的產(chǎn)生任意需要偏振態(tài)的方法，其特征在于，包括以下步驟1)將需要的偏振態(tài)數(shù)值作為設定值輸入控制電路；2)輸入光通過動態(tài)偏振控制器到達在線偏振態(tài)測量器；3)在線偏振態(tài)測量器產(chǎn)生一組與當前輸入光偏振態(tài)相對應的電信號；4)控制電路提取在線偏振態(tài)測量器的電信號，經(jīng)過處理和與設定值進行比較后，產(chǎn)生驅(qū)動動態(tài)偏振控制器的信號；5)控制電路按照上述信號調(diào)整偏振控制器的控制狀態(tài)，使得輸出光的偏振態(tài)，成為所需要的偏振態(tài)。
全文摘要
本發(fā)明涉及可定量調(diào)節(jié)光偏振態(tài)的裝置及其方法，屬于光學測量技術領域。該裝置包括一個光輸入端口，一個光輸出端口，一個動態(tài)偏振控制器，其光輸入端接在光輸入端口后面，一個在線偏振態(tài)測量器，其光輸入端接在動態(tài)偏振控制器的光輸出端口，光輸出端口接在光輸出端口上；一個控制電路，與所述在線偏振態(tài)測量器的電信號輸出端和動態(tài)偏振控制器電信號輸入端相連。該裝置可以將通過光調(diào)節(jié)成任意所需的偏振態(tài)，并可測量光的偏振態(tài)、偏振度(DOP)和產(chǎn)生擾偏光，且具有結構緊湊，可獨立工作，操作簡便，便于移動的特點。
文檔編號G01J4/00GK1828371SQ20061007287
公開日2006年9月6日 申請日期2006年4月14日 優(yōu)先權日2006年4月14日
發(fā)明者姚曉天 申請人:北京高光科技有限公司