三晶片型偏振態(tài)編碼器的驅(qū)動控制系統(tǒng)及其實現(xiàn)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及信號生成電路、相干光通信以及量子保密通信領(lǐng)域，特別是一種三晶 片型偏振態(tài)編碼器的驅(qū)動控制系統(tǒng)及其實現(xiàn)方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 偏振編碼，作為一種光信號編碼方式，廣泛用于經(jīng)典的相干光通信和量子保密通 信當(dāng)中。偏振編碼要用偏振控制器來完成，常見的偏振控制器主要有:可旋晶體波片型偏振 控制器、磁光調(diào)制器、液晶型偏振控制器以及電光調(diào)制器等幾種。
[0003] 磁光調(diào)制器利用的Faraday旋光效應(yīng)，其驅(qū)動器需要提供高達幾安培電流，受制于 電磁鐵的磁回滯效應(yīng)，驅(qū)動器速率較慢，導(dǎo)致編碼速率只能達到幾 KHz?？尚w波片型偏 振控制器利用機械旋轉(zhuǎn)波片達到偏振控制的目的，其驅(qū)動器包含機械可移動部件，并需要 反饋信號控制波片的運動，需要的時間較長，編碼速率較慢。液晶型偏振控制器，通過驅(qū)動 器控制電壓改變一定厚度液晶的雙折射，從而引起液晶相位延遲量的改變，響應(yīng)快，但是插 入損耗大，穩(wěn)定性較差，不適合偏振編碼。電光調(diào)制器一般使用LiNb0 3晶體的Pockels效應(yīng) 實現(xiàn)偏振編碼。編碼速度快，可以實現(xiàn)GHz的編碼速率。但是缺點是驅(qū)動器的驅(qū)動電壓非常 高，半波電壓可達幾千伏。這個缺點限制了電光編碼器的應(yīng)用。
[0004] Newport公司生產(chǎn)的電光調(diào)制驅(qū)動器可以電控波片，控制出射光的偏振態(tài)，但是速 率較慢;美國通用光電公司生產(chǎn)的PSG-101，只能產(chǎn)生5-6個特殊偏振態(tài)，而且驅(qū)動器精度 低，切換速度大于250us。
[0005] 三晶片型偏振態(tài)編碼器是一種電光型的調(diào)制器，其驅(qū)動器需要滿足以下幾方面要 求。一是調(diào)制電壓尚，在〇~120V左右;二是調(diào)制的速率的要求;二是對調(diào)制彳目號的噪聲以及 精度的要求。上述的偏振控制器驅(qū)動器以及以上兩家公司的驅(qū)動器均無法勝任，而國內(nèi)尚 無相關(guān)驅(qū)動器的成熟產(chǎn)品。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 有鑒于此，本發(fā)明的目的是提供一種三晶片型偏振態(tài)編碼器的驅(qū)動控制系統(tǒng)及其 實現(xiàn)方法，用于驅(qū)動三晶片型偏振態(tài)編碼器，實現(xiàn)自由空間中單光束相干光的偏振編碼。
[0007] 本發(fā)明采用以下方案實現(xiàn):一種三晶片型偏振態(tài)編碼器的驅(qū)動控制系統(tǒng)，包括相 互相連的一高壓驅(qū)動電路與一控制電路;所述高壓驅(qū)動電路包含一直流穩(wěn)壓單元、一高精 度穩(wěn)壓單元、一 DAC單元以及一高壓放大單元;所述控制電路包括一 ARM主控單元以及一 DPS 運算單元;所述控制電路根據(jù)從輸入偏振態(tài)到目標(biāo)偏振態(tài)的搜索路徑，用以控制所述高壓 驅(qū)動電路的輸出電壓;所述高壓驅(qū)動電路與一自由空間相干光通信的三晶片型偏振態(tài)編碼 器相連，用以為三晶片型偏振態(tài)編碼器提供驅(qū)動偏壓，實現(xiàn)自由空間單光束相干光通信的 偏振態(tài)編碼。
[0008] 進一步地，所述自由空間相干光通信的三晶片型偏振態(tài)編碼器包括第一晶片、第 二晶片與第三晶片，編碼器輸出偏振態(tài)與外加偏壓和輸入偏振態(tài)的關(guān)系為：
其中，引入Stokes參量描述偏振態(tài)，S2和S3為輸出偏振態(tài)的Stokes參量，Vi、V2和V3分別 為所述高壓驅(qū)動電路的三組輸出偏壓，即施加在三塊晶片上的偏壓。
[0009] 進一步地，所述ARM主控單元與所述DPS運算單元通過一SPI總線相連，所述ARM主 控單元還通過串口或USB總線與一用以顯示編碼信號的上位機相連;所述ARM主控單元隨機 選擇編碼信號并通過所述SPI總線發(fā)送至所述DSP運算單元，所述ARM主控單元還通過串口 或USB總線發(fā)送至一上位機顯示編碼信號，所述DSP運算單元采用偏振搜索算法找到該編碼 對應(yīng)的一組編碼電壓返回至所述ARM主控單元;所述ARM主控單元將編碼電壓值轉(zhuǎn)換為電壓 控制信號，通過另一 SPI總線發(fā)送至所述高壓驅(qū)動電路中的所述DAC單元。
[0010] 進一步地，所述直流穩(wěn)壓單元的輸出端與所述高精度穩(wěn)壓單元的輸入端相連;所 述DAC單元包括一第一 DAC模塊、一第二DAC模塊以及一第三DAC模塊，所述高壓放大單元包 括一第一 PA模塊，一第二PA模塊以及一第三PA模塊;所述第一 DAC模塊、第二DAC模塊以及第 三DAC模塊的輸入端均與所述高精度穩(wěn)壓單元的輸出端連接，所述第一 DAC模塊、第二DAC模 塊以及第三DAC模塊的輸入端還通過總線與所述ARM主控單元相連;所述第一 DAC模塊、第二 DAC模塊以及第三DAC模塊的輸出端分別與所述第一 PA模塊，第二PA模塊以及第三PA模塊的 第一輸入端相連;所述直流穩(wěn)壓單元還與所述第一 PA模塊，第二PA模塊以及第三PA模塊的 第二輸入端相連;所述第一 PA模塊，第二PA模塊以及第三PA模塊的輸出端分別與所述三晶 片型偏振態(tài)編碼器的第一晶片、第二晶片以及第三晶片的輸入端相連。
[0011] 進一步地，所述直流穩(wěn)壓單元包含一個輸入與輸出抽頭為1:5的變壓器以及整流 橋，三端穩(wěn)壓器以及電容的組合，將220V交流市電變?yōu)?5V直流電壓。高精度穩(wěn)壓單元高精 度穩(wěn)壓單元包含LM317、7915以及REF5050等穩(wěn)壓芯片，能有效抑制電壓紋波。所述DAC單元 包含3組的DAC模塊，用SPI總線或者I 2C總線或者并行總線接收來自ARM主控單元的電壓控 制信號，通過DAC電路將數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為模擬信號。所述高壓放大單元采用PA84運放，可以 將輸入電壓放大30倍，分辨率為0.146V。
[0012] 進一步地，所述高壓驅(qū)動電路與所述三晶片型偏振態(tài)編碼器的三晶片兩側(cè)采用 SMA-n跳線相連，所述SMA-n跳線共六根，所述SMA-n跳線的一頭為SMA公頭，與所述三晶片型 偏振態(tài)編碼器的SMA母頭相連，所述SMA-n跳線的一頭為跳線帽，與所述PA模塊的引腳連接。
[0013] 進一步地，所述DSP運算單元采用禁忌搜索方法實現(xiàn)偏振路徑搜索，能快速搜索到 目標(biāo)偏振態(tài)路徑，確定優(yōu)化的控制電壓值，控制高壓電路的輸出電壓值，并在搜索算法中加 入超過120V的復(fù)位處理功能。
[0014] 進一步地，所述高壓驅(qū)動電路的輸出電壓范圍為0V~150V，驅(qū)動的上升時間為2us， 下降時間為2.5us，最大編碼速率為119kHz，輸出電壓的紋波不大于118mV，最低分辨率為 0.146V，線性度誤差小于1%。
[0015] 進一步地，所述的ARM控制單元包括一 ARM芯片，型號為STM32F103RFT6，所述DSP運 算模塊包括一數(shù)字信號處理器，型號為TMS320F2812。
[0016] 本發(fā)明還采用以下方法實現(xiàn):一種三晶片型偏振態(tài)編碼器的驅(qū)動控制系統(tǒng)的實現(xiàn) 方法，包括以下步驟： 步驟S1:對電路進行初始化設(shè)置，所述初始化設(shè)置包括系統(tǒng)時鐘設(shè)置、延時初始化、SPI 口初始化、USB初始化、模數(shù)轉(zhuǎn)換ADC初始化以及串口 USART初始化； 步驟S2:所述ARM主控單元產(chǎn)生隨機調(diào)制信號，通過所述SPI總線發(fā)送至所述DSP運算單 元，并接受所述DSP運算模塊返回的前一次計算好的一組電壓值，存入所述ARM主控單元中 的環(huán)形隊列的隊尾，同時將調(diào)制信號通過串口或USB總線發(fā)送至所述上位機； 步驟S3:所述DSP運算模塊開啟中斷，若接收到所述ARM主控單元發(fā)送的數(shù)據(jù)，則中斷響 應(yīng)，接受所述ARM主控單元發(fā)送的調(diào)制信號，存入環(huán)形隊列的隊尾;提取隊首的調(diào)制信號，通 過偏振搜索算法快速搜索目標(biāo)偏振態(tài)路徑，確定優(yōu)化的控制電壓值，通過所述SPI總線將該 組編碼電壓值發(fā)送至所述ARM控制單元;否則由偏振搜索算法繼續(xù)計算電壓值，并將計算結(jié) 果存入緩存中； 步驟S4:所述ARM主控單元將環(huán)形隊列隊首的一組電壓值轉(zhuǎn)換為電壓控制信號，通過總 線發(fā)送至所述DAC單元，所述DAC單元將所述電壓控制信號發(fā)送至所述高壓放大單元得到一 組驅(qū)動電壓，施加在所述三晶片型偏振態(tài)編碼器的三晶片上，則入射偏振光經(jīng)過偏振態(tài)編 碼器時其偏振方向隨著施加電壓所改變，完成了相干光通信的偏振態(tài)編碼過程； 其中，所述步驟S2、步驟S3、步驟S4為并行執(zhí)行的任務(wù)。
[0017] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點是：輸出電壓范圍為0V~150V，高壓驅(qū)動的上升時 間為2us，下降時間為2.5us，最大可以實現(xiàn)119KHZ的編碼速率；輸出電壓的紋波不超過 118mV;最低的分辨率為0.146V;線性度誤差小于1%。相比市面上主流的偏振態(tài)控制器的驅(qū) 動器，本發(fā)明在精度略優(yōu)于其他產(chǎn)品的情況下，調(diào)制速率為常見驅(qū)動器的18倍左右。
【附圖說明】
[0018] 圖1是本發(fā)明的原理框圖。
[0019] 圖2是本發(fā)明控制電路的框圖。
[0020]圖3(a)是本發(fā)明控制系統(tǒng)軟件的時序流程圖。
[0021]圖3(b)是本發(fā)明控制系統(tǒng)軟件的環(huán)形隊列圖。
[0022] 圖4是本發(fā)明直流穩(wěn)壓單元的原理圖。
[0023] 圖5是本發(fā)明高精度穩(wěn)壓單元的原理圖 圖6是本發(fā)明DAC單元的原理圖。
[0024] 圖7是本發(fā)明高壓放大單元的原理圖。
[0025] 圖8是本發(fā)明產(chǎn)生的高斯調(diào)制信號波形圖。
[0026] 圖9是本發(fā)明的輸出電壓誤差圖。
[0027] 圖10(a)是本發(fā)明的高壓電源輸出值。
[0028] 圖10(b)是本發(fā)明的高壓電源紋波值。
【具體實施方