相位-偏振組合控制的相干偏振合成設計研究

陳 紅，秦會斌

（杭州電子科技大學 新型電子器件與應用研究所，浙江 杭州310018）

0 引言

近年來，多束激光束之間的相干光束組合（CBC）[1][2]由于可以獲得良好光束質量的輸出而一直受人們關注。該技術被廣泛應用于激光傳輸領域，而在自由空間激光通信領域中的應用研究卻較少。在空間激光通信系統中，受抖動誤差和大氣湍流[3]的影響，多路激光束耦合至單根光纖中效率低，而基于CBC的多孔徑接收方案[4]可以減小抖動誤差，降低大氣湍流影響，提高自由空間激光通信系統中的耦合效率。相干偏振合束（CPBC）[5][6]是CBC中最常用的一種結構。

CPBC中最常用的方法分為2種：基于相位控制的CPBC和基于偏振控制的CPBC。兩者雖然可以獲得較高的合成效率，但都存在不足之處?；谙辔豢刂频腃PBC受輸入光功率不一致的影響，合成效率會降低；而基于偏振控制的CPBC隨著合成路數的增加，復雜度會增大，隨之收斂的速度就會變慢。

在此基礎上，本文提出了一種基于相位-偏振組合控制的CPBC設計方法，通過相位和偏振組合控制，可以將多路數的激光束進行組合合成，獲得高效的組合效率，解決將多路激光耦合至一根光纖時效率低的問題。

1 相干偏振合成

1.1 相干偏振合成原理

相干偏振合成的核心器件為偏振光合束器（PBC）[7]，其作用是將兩束偏振方向相互正交的線偏振光耦合進一根光纖中。一般情況下，受輸入激光功率比和相位差的影響，合成后的光束偏振方向不確定，不是線偏振光，無法進行下一級合成，即無法進行有效擴展。因此，需要對其進行有效控制，使合成后的光束仍為線偏振光，便于擴展。

常用的控制方法有2種：基于相位控制的相干偏振合成和基于偏振控制的相干偏振合成。

1.2 基于相位控制與基于偏振控制的相干偏振合成

基于相位控制的相干偏振合成[8]原理圖如圖1所示。輸入為兩束偏振方向正交的光束，通過光纖相位補償器（PC）對光束的相位差進行補償，當相位差固定為Δφ=kπ時，通過PBC合成后的光束為線偏振光，可進行下一級的合成。

圖1 基于相位控制的相干偏振合成原理圖

基于偏振控制的相干偏振合成[9]原理圖如圖2所示。輸入為兩束偏振方向正交的光束，通過PBC合成后的光束為非線偏振光，通過動態偏振控制器（DPC）對該光束偏振態進行轉換，不管輸入光束功率比和相位差如何改變，合成光束都為線偏振光，即可進行下一級合成。

根據上述兩種控制方法的原理，分別搭建了基于2種控制的2路相干偏振合成方案分別如圖3、圖4所示。激光源被光纖分束器分成2路，其中一路通過半波片（HWP）改變其偏振態，另一路通過可調節衰減器（VOA）改變其光功率，然后分別通過相位控制模塊或偏振控制模塊進行合成。合成的光束經偏振光分束器（PBS）分成兩束，其中一束經光電探測器（PD）傳遞到控制器，控制器采用隨機并行梯度下降法（SPGD）[10]控制算法產生控制信號，將該信號分別送至相位控制模塊和偏振控制模塊分別對PC和DPC進行驅動，使得性能指標最大化，從而獲得高效的相干偏振合成。其合成效率定義為：

圖2 基于偏振控制的相干偏振合成原理圖

其中P1為PD1探測到的功率值，P2為PD2探測到的功率值。

圖3 基于相位控制的二路相干偏振合成方案圖

圖4 基于偏振控制的二路相干偏振合成方案圖

合成效率與輸入光束光功率比的關系曲線如圖5所示。圓形代表的基于相位控制的理論曲線，由公式（2）計算得出。

其中：p為輸入光功率比。

以該曲線作為參考曲線。三角形和星號分別代表基于相位控制和基于偏振控制的實際曲線。和參考曲線對比，基于相位控制的實際曲線與理論曲線幾乎重合，驗證了基于相位控制的相干偏振合成效率隨著輸入光功率比的變大而降低，只有在功率比為1的時候效率達到最大。而基于偏振控制的實際曲線縱坐標幾乎不變，驗證了基于偏振控制的相干偏振合成效率不受輸入光功率比的影響。

圖5 相干偏振合成效率與輸入光束功率比的關系曲線

1.3 基于相位-偏振組合控制的相干偏振合成

由上述可知，基于相位控制的相干偏振合成和基于偏振控制的相干偏振合成兩種方法都存在缺陷?；谙辔豢刂频南喔善窈铣芍?，如果輸入光功率不一致，合成效率會降低；而基于偏振控制的相干偏振合成中，雖然不受輸入光功率的影響，但是如果合成路數增加，所需的偏振控制模塊數量就會增加，則復雜度會隨之增大。為了解決上述缺陷，本文提出了基于相位-偏振組合控制的相干偏振合成的設計方法。先調節輸入光功率一致后由相位控制模塊進行合成，降低下一級合成的路數，此時所需的偏振控制模塊數量減少，然后再由偏振控制模塊進行合成，系統的復雜度會有所降低。

1.3.1 方案設計

基于相位-偏振組合控制的4路相干偏振合成方案圖如圖6所示。

圖6 基于相位-偏振組合控制的四路相干偏振合成方案圖

激光源產生的光束被光纖分束器分為4路，其中2路經HWP改變偏振態，然后分別用可變光衰減器（VOA）調節4路光束的光功率，使其光功率兩兩一致。將功率一致的2路通過相位控制模塊合成一束，該光束仍為線偏振光，可以進行下一級合成。合成后的2束光功率不一致，先將其中一束經HWP改變偏振態，然后通過偏振控制模塊對這2束再進行合成，合成后的光束經光纖檢偏器輸出為線偏振光。最后利用PD探測最終合成的光束的光功率大小，將該值作為性能指標傳遞到控制器中進行數據采集，控制器采用SPGD算法產生控制信號，將該信號送至相位控制模塊和偏振控制模塊分別對PC和DPC進行驅動，讓系統處于閉環狀態，使得性能指標最大化，從而獲得高效的相干偏振合成。

1.3.2 組合效率

設 4 路激光的輸入功率值分別為 Pi1、Pi2、Pi3、Pi，則前2路經PC后輸出功率為：

其中ILpc1為PC1的插入損耗，ILpc2為PC2的插入損耗。則前兩路通過PBC1合成后的輸出功率為：

其中ILpbc1為PBC1的插入損耗，η12為相位控制的合成效率由公式（2）計算可得，此時

后兩路經PC后輸出功率為：

其中IL3為PC3的插入損耗，IL4為PC4的插入損耗。則后兩路通過PBC2合成后的輸出功率為：

其中ILpbc2為PBC2的插入損耗；η34為相位控制的合成效率。由公式（2）計算可得，此時：

下一級經偏振控制合成的光束輸出功率為

其中 ILpbc3為 PBC3的插入損耗，ILdpc為 DPC的插入損耗。

最終通過光纖檢偏器后的輸出光束功率為：

其中ILp為光纖檢偏器的插入損耗。

則組合效率為：

其中Ppd為PD探測得到的功率值。

2 實驗結果

在基于相位-偏振組合控制的4路相干偏振合成實驗中，經VOA調節后的4路輸入光束的功率分 別 為 Pi1=0.5mW、Pi2=0.5mW、Pi3=0.4mW、Pi4=0.4mW，4個 PC的損耗分別為 ILpc1=0.4dB、ILpc2=0.4dB、ILpc3=0.6dB、ILpc4=0.6dB，3 個 PBC 的損耗分別為 ILpcb1=0.89dB、ILpcb2=0.81dB、ILpcb3=0.93dB，DPC的損耗為ILdpc=0.55dB，光纖檢偏器的損耗為ILp=0.63dB。由公式（3）～（10）可以計算出最終理論輸出功率Po=0.81mW，再由由公式（11）可得出組合效率，通過PD探測的值Ppd來測量組合效率的變化曲線。

將SPGD迭代速率設置為6kHz，開環和閉環各持續10s，組合效率的變化曲線如圖7所示。系統處于開環狀態時，組合效率的平均值大約為31.47%，系統處于閉環時，經過大約迭代16次后，組合效率基本保持不變，其平均值達到97.61%，因此，驗證了該方案的可行性。

圖7 基于相位-偏振組合控制的4路相干偏振合成組合效率的變化曲線

3 結語

本文在基于相位控制和基于偏振控制的相干偏振合成的基礎上，結合兩者的優缺點，提出了基于相位-偏振組合控制的相干偏振合成方法。輸入光功率一致時，先由相位控制模塊進行合成，合成子光束功率不一致則通過偏振控制模塊進行合成，最終達到高效的相干偏振合成，并通過相位-偏振組合控制的四路相干偏振合成實驗對其可行性進行了驗證。結果表明：在閉環的情況下，整個系統的組合效率達到97.61%，驗證了該方案的可行性。該設計方法有效解決了空間激光通信系統中將多路激光耦合至一根光纖中耦合效率低的問題。