动态偏振控制器驱动与性能监控系统设计

　　1 引 言

　　偏振是量子光的一个重要和常用的性质。因此，在量子安全通信系统中，经常通过改变偏振态来进行编解码，而动态偏振控制器(DPC)作为一种改变输入光偏振态的光器件，直接参与传输数据的编解码，在量子通信中起着必不可少的作用。而在传统的光纤通信系统中，如何准确控制光纤中的偏振态成为实验的前提和关键，因为这关系着系统的稳定性和数据传输的误码率，采用DPC也是十分有效的办法[1，2]。

　　但是，所有厂家在DPC出厂时并没有给出其重要指标半波电压的具体测量方法，而在实际运用中，半波电压又与给出的标称值不完全一致，导致了使用的不便。因此，在使用DPC时，需要有与之配套的驱动电路和性能监测系统。但是，如果成套购买的话，价格昂贵，在实际的工程开发中，不能达到的性价比，会阻碍量子通信系统的开发和推广。因此，需要我们自主研制和开发DPC的驱动电路和性能监控系统。

　　本文介绍了DPC的工作原理，给出了其驱动模块和性能监控系统的设计，进行实验结果和理论结果的比较分析，展示了DPC在实际运用中的性能表现以及影响其性能的诸多因素。

　　2 DPC的工作原理[3]

　　采用美国General Photonics Co.的PolaRITE.Ⅱ-PCD-002DPC，其由4个光纤挤压器构成，相互以45°倾斜放置。设光纤挤压器X1、X2、X3和X4对应的外部施加的压力为F1、F2、F3和F4，各挤压器对应的驱动电压为V1、V2、V3和V4并由电压信号驱动，产生相应的压力挤压光纤形成线性双折射，从而改变入射光的偏振态。

　　单模磁场的偏振态都可以用邦加球上的点来表示，如图1所示。

　　

　　如果增加X1或X3的电压V1或V3，即增加X1或X3的压力F1或F3，则偏振态会绕着OQ轴顺时针旋转;相反，如果减少V1或V3，则偏振态会绕着OQ轴逆时针旋转。另一方面，如果增加X2的电压V2，即增加X2的压力F2，则偏振态会绕着OH轴顺时针旋转;相反，如果降低V2，偏振态则会绕着OH轴逆时针旋转。由此可知，只要输入光的偏振态与Xl和X2的方向都不垂直，那么输入光的偏振态都可以通过操作少2个挤压器改变到任意一个偏振态。

　　这种挤压光纤型偏振控制代替了传统的半波片、λ/4波片和半波片的结构，因而具有：1)由于全光纤结构，DPC插入损耗很低，无反射;2)控制速度快，响应时间<35μs;3)工作范围广，工作波长为1260～1650 rnm，这一特性可以简化系统设计，减小成本，使系统具有扩展性;4)工作在1550nm时，光纤挤压器工作的半波电压<30 V，而不是1550nm波长的半波电压Vπ，可以用

　　

　　轻松换算出来。

　　3 　DPC的驱动模块设计

　　DPC的驱动电路和性能监控系统是通过如图2所示平台研制和开发的。

　　

　　图2所示实验平台，实际上是基于相干光偏振调制的量子安全通信系统，其的特点是采用嵌入式系统ARM控制器来实现DPC的同步驱动和监控。平台使用2个DPC，DPC 1用于相干光偏振态的调制和加密，DPC 2则用于解密。以DPC2为例，在进行DPC 2的性能监控时，DPC 1不工作。ARM 2输出数据，驱动DPC 2改变输入光的偏振态。同时，将AD检测输出的光信号强度转化成数据，由ARM 2接收后传输给计算机，由性能监控软件处理。

　　根据DPC的工作原理，要想将输入光的偏振态改变到任意偏振态，至少需要同时驱动2个光纤挤压器。同时，DPC又自带15倍电压放大模块，而工作在1550 nm波长时半波电压<30 V。因此，所需要提供的电压值为30×2/15=4 V，驱动模块需要提供4路0～4 V的可变电压用来驱动DPC的4个光纤挤压器。

　　如图2所示，DPC的驱动模块将ARM控制器输出的12位数据(0～4095)通过数模器件转换成0～5 V模拟电压。其电路结构如图3所示。

　　

　　其4路电压驱动设计均相同，都采用高的12位DAC(AD7545)的5 V单极性工作模式。AD7545的参考电压由芯片REF02来提供，其电压浮动<5%，基本满足要求。

　　4 性能监控系统的设计和结果验证

　　加在DPC上的工作电压与偏振态问的对应关系是DPC的很重要的性能指标，反映了整个通信系统运作的性能。因此，在对DPC进行性能监控时，需要实时监测反馈的光强信号随工作电压的变化情况。性能监控系统除利用上述实验平台的硬件外，还要在ARM控制器上编写对应的软件，实现对DPC同步的驱动和监控，并将光强变化反馈回计算机，计算机通过特写编写的程序，将变化曲线显示出来。

    4.1 软件设计思想

　　ARM控制器在整个性能监控系统中起着十分重要的作用。一方面，要向DPC发送以一定间隔递增的数据信号(0～4095);另一方面，又要接收AD检测光强后转换出来的数据，并将其传送给计算机，供专门软件描绘半波电压曲线。ARM控制器的软件流程图，如图4所示。

　　4.2 理论分析

　　对于图2，如果设定DPC 1的各挤压器电压初始值V1=V2=V3=V4=0,则可以作为测试DPC 2各光纤挤压器半波电压的装置图。以DPC 2的X2为例，给出半波电压的计算方法。已知，如果增加X2的电压V2，则偏振态轨迹绕OH顺时针旋转，旋转1周的电压变化对应2倍的半波电压。入射光的Stokes参量[4]为

　　

　　

　　由于DPC为无源器件，能量守恒，理想情况下S0不变。又由于偏振态运动轨迹绕轴OH旋转，所以参量S1也不变。S1和S0不变，则表示给定偏振态下的入射光光波在快轴OX和慢轴OY上的投影EOx和E0y不随时间变化。增加V2引起S2和S3变化的本质就是E0x和E0y间的相位差δ1=δy-δx随V2进行周期性变化[5]。

　　设定入射光相位初始值δx=a，δy=a+δ1，X2电压引起的相位差变化为φ，又因为光纤的快慢轴和PBS的快慢轴一般情况下不重合，为求得普遍情况，可以假设二者问的夹角为θ，则从PBS 2个出口出来的光波模[6]分别为

　　

　　因为只观察PBS 1个出口的光强变化可以确定DPC的半波电压，取T1为研究对象，强度为

，设E0x的初始相位a=0，E0x=E0y=1，θ=π/4，在DPC1的X2上应用的相位为δ1=0、π/6、π/3和π/2时，绘制PBS 1个出口的光强P随相位差φ的变化曲线如图5所示[7]。

　　4.3 实验验证

　　采用图2所示的系统可以测定DPC的各光纤挤压器的半波电压。可以设定DPC 1和DPC 2的X1、X3和X4的电压V1、V3和V4均为0，即可以采用不同的相位δ1,然后让DPC 2的V2在0～5 V变化，可测得DPC 2和X2的半波电压，如图6所示。

　　

　　4.4 理论和实验结果的比较

　　1)通过比较图6和图5发现，实验结果与理论分析基本一致，即检测出的光强与施加在DPC上的应用电压服从正弦变化规律。而且，图6中，以脉冲数表示的电压周期T与理论分析的半波电压关系为

　　

　　其中：C表示DA转换的;因子15表示驱动模块输出电压后DPC自带电压放大器将其放大的倍数。由此，又可以验证实验和理论的一致性。

　　2)观察图6可以发现，曲线有突变的现象。这是由于驱动模块提供0～5 V电压，而光强变化1个周期对应的电压是0～4 V。所以，光强变化1个多周期、DA输出5 V后，突变输出0 V，光强也随之突变。

　　3)图6显示，在初始相位差δ1不同时，测量曲线的峰值并不和理论分析完全一致，而且曲线有抖动，不平滑。主要原因是椭圆偏振态不能在光纤中很好的保持。假设2种情况：第1种情况，DPC 1加δ1、DPC 2加φ;第2种情况，DPC1加0、DPC2加δ1+φ。理论上，这2种情况结果应该相同。但是，实际情况有差异，这种差异就是椭圆偏振态不能在光纤中很好保持造成的。

　　5 结论

　　研究了针对DPC设计的驱动模块和性能监控系统。驱动模块采用12位高DA芯片，设计结构简单，转换高，稳定可靠。而性能监控系统则利用了嵌入式系统控制功能强大，并与计算机通信接口简单且速度快的特点，使用ARM控制器同步驱动并且监控，再在Windows下编写应用程序，显示其监控下的光强随工作电压的变化曲线，直观地反映了偏振态随DPC工作电压的变化情况。实验的结果与理论分析的结果基本一致，更表明了方案的可行性。这套性能监测的方法将成为DPC应用时有力的辅助工具。