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动态偏振控制器驱动与性能监控系统设计

发布时间:2008/5/28 0:00:00 访问次数:623

电子产品世界

  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,不能达到最佳的性价比,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最少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,其最大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,所需要提供的电压最大值为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,都采用高精度的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%,基本满足精度要求。

  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

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  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,不能达到最佳的性价比,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最少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,其最大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,所需要提供的电压最大值为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,都采用高精度的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%,基本满足精度要求。

  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

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