本發(fā)明涉及偏振控制技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種壓電式偏振控制器系統(tǒng)的控制方法。

背景技術(shù)：

目前為止，現(xiàn)有的偏振控制器都是使用的閉環(huán)控制方法，而且是通過反復(fù)比較輸出偏振態(tài)與目標(biāo)偏振態(tài)的偏差，不斷調(diào)節(jié)控制參數(shù)，使之朝偏差減小的方向變化逐漸趨近于期望偏振態(tài)，每一次調(diào)節(jié)參數(shù)之前都得測量輸出偏振態(tài)的值，花費大量時間，極大地限制了偏振控制的速度。

現(xiàn)有的閉環(huán)型偏振控制器的設(shè)計方案為：基于波片組合的偏振控制器方案

通常認為1/4波片能夠把任意狀態(tài)下的偏振光轉(zhuǎn)變成線偏振光或相反，而半波片則能實現(xiàn)任意兩個偏振態(tài)間的轉(zhuǎn)換，所以它們之間的組合可以實現(xiàn)偏振控制。

它是一個自由空間三波片偏振控制器的結(jié)構(gòu)圖，它由兩個1/4波片和一個半波片組成，其中各波片的延遲量固定，相對角度是可變的。控制原理是：任意的輸入偏振光經(jīng)第一個1/4波片變?yōu)榫€偏振光，然后經(jīng)過半波片此時線偏振光的偏振方向會變?yōu)槠谕玫降钠穹较?，最后第二個1/4波片會把該線偏振光變?yōu)槠谕玫降妮敵銎窆狻?/p>

這類方法應(yīng)用比較廣泛，但是仍然存在很多缺點。比如要將光從一根光纖中耦合輸出，再將其聚焦進入另一根光纖，會使得插入損耗增大，而且光纖的聚焦也要花費很多時間。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的實施例提供了一種壓電式偏振控制器系統(tǒng)的控制方法，能夠提高壓電式偏振控制器系統(tǒng)的控制速度。

為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采取了如下技術(shù)方案。

一種壓電式偏振控制器系統(tǒng)的控制方法，包括：

建立壓電式偏振控制器系統(tǒng)的矩陣模型；

根據(jù)所述矩陣模型，對所述壓電式偏振控制器系統(tǒng)進行控制。

所述對所述壓電式偏振控制器系統(tǒng)進行控制的步驟包括：

獲取所述壓電式偏振控制器系統(tǒng)的設(shè)定輸出偏振態(tài)；根據(jù)所述矩陣模型，計算所述設(shè)定輸出偏振態(tài)對應(yīng)的第一電壓值；給所述壓電式偏振控制器系統(tǒng)加上所述第一電壓值,以使所述壓電式偏振控制器系統(tǒng)輸出所述設(shè)定輸出偏振態(tài)；或者

獲取所述壓電式偏振控制器系統(tǒng)的設(shè)定輸出電壓值；根據(jù)所述矩陣模型，計算所述設(shè)定輸出電壓值對應(yīng)的輸出偏振態(tài)，以估算所述設(shè)定輸出電壓值對應(yīng)的輸出偏振態(tài)。

所述壓電式偏振控制器系統(tǒng)包括至少三個壓電式偏振控制器單元；

每一個壓電式偏振控制器單元包括：狹窄入口和可調(diào)式電源驅(qū)動的壓電微位移器、光纖入口、光纖出口以及電源插口；

所述壓電式偏振控制器單元之間依次交錯成45。

所述矩陣模型為：

其中，a₁～a₃分別為矢量α的三個坐標(biāo)分量，θ_1～3分別是第1～3壓電式偏振控制器單元的旋轉(zhuǎn)角。

所述對所述矩陣模型進行初始化的步驟包括：

將電壓施加于一壓電式偏振控制器單元上，獲取所述壓電式偏振控制器單元輸入的電壓值以及輸入的所述電壓值對應(yīng)的輸出偏振態(tài)；

通過多重線性回歸方法，根據(jù)輸入的所述電壓值和對應(yīng)的所述輸出偏振態(tài)，求得廣義偏振主態(tài)單位矢量；

根據(jù)旋轉(zhuǎn)角和電壓間的對應(yīng)關(guān)系，求得旋轉(zhuǎn)角與電壓之間的函數(shù)，得到所述壓電式偏振控制器單元的旋轉(zhuǎn)矩陣；所述旋轉(zhuǎn)角為偏振態(tài)矢量繞著所述廣義偏振主態(tài)單位矢量旋轉(zhuǎn)所經(jīng)過角度；

運用相同方法，求得其他兩個壓電式偏振控制器單元的旋轉(zhuǎn)矩陣；

根據(jù)所述三個壓電式偏振控制器單元的旋轉(zhuǎn)矩陣，得到整個壓電式偏振控制器系統(tǒng)的矩陣模型。

由上述本發(fā)明的實施例提供的技術(shù)方案可以看出，本發(fā)明實施例中，開環(huán)控制方法為：利用輸出偏振態(tài)函數(shù)，只需要測量輸出偏振態(tài)和電壓值對偏振控制器進行初始化，加上電壓即可得到所需偏振態(tài)，不需要任何反饋，也不需要其他的復(fù)雜算法，因此其控制速度會大大提高，達到微秒級。

本發(fā)明附加的方面和優(yōu)點將在下面的描述中部分給出，這些將從下面的描述中變得明顯，或通過本發(fā)明的實踐了解到。

附圖說明

為了更清楚地說明本發(fā)明實施例的技術(shù)方案，下面將對實施例描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明的一些實施例，對于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動性的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。

圖1為本發(fā)明實施例一提供的一種壓電式偏振控制器系統(tǒng)的控制方法的處理流程圖；

圖2是本發(fā)明中壓電式偏振控制器系統(tǒng)的裝置圖。

圖3是本發(fā)明中單個PPC單元的結(jié)構(gòu)圖。

圖4是本發(fā)明實施例中輸出偏振態(tài)在邦加球上的變化軌跡示意圖(側(cè)視圖)。

圖5是本發(fā)明實施例中輸出偏振態(tài)在邦加球上的變化軌跡示意圖(正視圖)。

圖6是本發(fā)明實施例中旋轉(zhuǎn)角與電壓間的線性變化關(guān)系圖。

圖7是本發(fā)明實施例中理論輸出偏振態(tài)與實際輸出偏振態(tài)的值的分布圖。

圖8是本發(fā)明實施例中PPC的偏振態(tài)響應(yīng)時間示意圖。

具體實施方式

下面詳細描述本發(fā)明的實施方式，所述實施方式的示例在附圖中示出，其中自始至終相同或類似的標(biāo)號表示相同或類似的元件或具有相同或類似功能的元件。下面通過參考附圖描述的實施方式是示例性的，僅用于解釋本發(fā)明，而不能解釋為對本發(fā)明的限制。

如圖1所示，為本發(fā)明所述的一種壓電式偏振控制器系統(tǒng)的控制方法，包括：

步驟11，建立壓電式偏振控制器系統(tǒng)的矩陣模型；

其中，所述壓電式偏振控制器系統(tǒng)包括至少三個壓電式偏振控制器單元；

每一個壓電式偏振控制器單元包括：狹窄入口和可調(diào)式電源驅(qū)動的壓電微位移器、光纖入口、光纖出口以及電源插口；

所述壓電式偏振控制器單元之間依次交錯成45。

所述矩陣模型為：

其中，a₁～a₃分別為矢量α的三個坐標(biāo)分量，θ_1～3分別是第1～3壓電式偏振控制器單元的旋轉(zhuǎn)角。

步驟11，包括：

步驟111，將電壓施加于一壓電式偏振控制器單元上，獲取所述壓電式偏振控制器單元輸入的電壓值以及輸入的所述電壓值對應(yīng)的輸出偏振態(tài)；

步驟112，通過多重線性回歸方法，根據(jù)輸入的所述電壓值和對應(yīng)的所述輸出偏振態(tài)，求得廣義偏振主態(tài)單位矢量；

步驟113，根據(jù)旋轉(zhuǎn)角和電壓間的對應(yīng)關(guān)系，求得旋轉(zhuǎn)角與電壓之間的函數(shù)，得到所述壓電式偏振控制器單元的旋轉(zhuǎn)矩陣；所述旋轉(zhuǎn)角為偏振態(tài)矢量繞著所述廣義偏振主態(tài)單位矢量旋轉(zhuǎn)所經(jīng)過角度；

步驟114，運用步驟111-113的方法，求得其他兩個壓電式偏振控制器單元的旋轉(zhuǎn)矩陣；

步驟115，根據(jù)所述三個壓電式偏振控制器單元的旋轉(zhuǎn)矩陣，得到整個壓電式偏振控制器系統(tǒng)的矩陣模型。

步驟12，根據(jù)所述矩陣模型，對所述壓電式偏振控制器系統(tǒng)進行控制。

步驟12包括：

獲取所述壓電式偏振控制器系統(tǒng)的設(shè)定輸出偏振態(tài)；根據(jù)所述矩陣模型，計算所述設(shè)定輸出偏振態(tài)對應(yīng)的第一電壓值；給所述壓電式偏振控制器系統(tǒng)加上所述第一電壓值,以使所述壓電式偏振控制器系統(tǒng)輸出所述設(shè)定輸出偏振態(tài)；或者

獲取所述壓電式偏振控制器系統(tǒng)的設(shè)定輸出電壓值；根據(jù)所述矩陣模型，計算所述設(shè)定輸出電壓值對應(yīng)的輸出偏振態(tài)，以估算所述設(shè)定輸出電壓值對應(yīng)的輸出偏振態(tài)。

本發(fā)明提出一種壓電偏振控制器(PPC)的開環(huán)偏振控制方法。這種方法相較于傳統(tǒng)閉環(huán)控制方法,偏振控制速度提高了許多，達到了微秒級。它對于光纖通信、光纖測量、光通信等領(lǐng)域會有很重大的影響。

以下描述本發(fā)明的應(yīng)用場景。

本發(fā)明的壓電型偏振控制器的開環(huán)控制方法,構(gòu)建了壓電型偏振控制器的矩陣模型，分析了廣義的偏振主態(tài)。另外，本發(fā)明介紹了一種偏振主態(tài)(psp)的廣義概念來分析壓電式偏振控制器(PPC)，每一個PPC單元可以通過由PSP確定的旋轉(zhuǎn)矩陣來進行描述。

本文的PPC由三個PPC單元組成，每一個都由一個狹窄入口和一個由可調(diào)式電源驅(qū)動的PZT(壓電微位移器)組成，PZT的擠壓方向可以是0°，45°，0°。本發(fā)明證實了所有的偏振旋轉(zhuǎn)角度相對于驅(qū)動電壓是線性變化的，而且PSP的第二單元相對于其他幾乎相等的單元是近似正交的。通過采取了一些近似計算，本發(fā)明建立了PPC的關(guān)于驅(qū)動電壓的矩陣模型。本發(fā)明的理論模型的平均誤差大概在1.51°，偏振響應(yīng)時間<50μs，滿足了偏振的開環(huán)控制條件。

在斯托克斯空間中，任意的偏振分量，比如PPC單元甚至整個PPC可以由繆勒矩陣來描述。當(dāng)參數(shù)u是關(guān)鍵變量時，分量的PDL(偏振相關(guān)損耗)是非常小的(PPC<0.1dB)，本發(fā)明可以把這個繆勒矩陣描述成一個3x3的正交或者旋轉(zhuǎn)矩陣Μ(u)。因此輸入的斯托克斯參量S_in＝(s_in1,s_in2,s_in3)^T和輸出的斯托 克斯參量S_out＝(s₁,s₂,s₃)^T以及矩陣Μ(u)(Μ的行列式不等于0)是滿足S_out＝Μ(u)S_in的。當(dāng)輸入的斯托克斯參量不變時，斯托克斯參量與變量u所滿足的關(guān)系是：

$\frac{\&part;S_{ouh}}{\&part;u}=\frac{\&part;M\left(u\right)}{\&part;u}{S}_{in}---\left(1\right)$

由此可以得到：

$\frac{\&part;S_{out}}{\&part;u}=\frac{\&part;M\left(u\right)}{\&part;u}M{\left(u\right)}^{-1}{S}_{out}---\left(2\right)$

因為總是與S_out滿足正交關(guān)系，這就意味著矩陣可以等價為一個矢量算符α，故等式(2)可以改寫為

$\frac{\&part;S_{out}}{\&part;u}=\mathrm{\&alpha;}\&times;S_{out}---\left(3\right)$

在上式中，是一個連續(xù)函數(shù)，所以至少存在一個S_out，對于任意輸入的偏振態(tài)(SOP)，使得即輸出偏振態(tài)不變，這個特殊的S_out又被成為廣義偏振主態(tài)。很顯然，矢量α是廣義PSP之一。給定一個與u無關(guān)的單位矢量(其中，a₁～a₃分別為矢量α的三個坐標(biāo)分量)當(dāng)u變化時，所有輸出的偏振態(tài)將會以作為旋轉(zhuǎn)軸進行旋轉(zhuǎn)。所以這個繆勒矩陣模型可以用一個旋轉(zhuǎn)矩陣來表示，

其中θ是關(guān)于電壓u的旋轉(zhuǎn)角。

正如等式(4)所表示的內(nèi)容，此時PPC的每一個單元都對應(yīng)于一個旋轉(zhuǎn)矩陣這個矩陣模型就變?yōu)?/p>

其中，i是控制單元的序號，n是控制單元的總個數(shù)。

圖2是本發(fā)明的壓電偏振控制器系統(tǒng)的示意圖。本發(fā)明的壓電偏振控制器系統(tǒng)由三個PPC單元組成，PZT的擠壓方向相對于垂直方向分別是0°，45°，0°；它是由可調(diào)電源控制的。每一個PPC單元都由一個入口和一個PZT(如圖3所示)組成。由圖可知，此壓電型偏振控制模型結(jié)構(gòu)圖比較簡單。當(dāng)PPC的驅(qū)動電壓增大時，輸出的斯托克斯矢量都會被電腦記錄下來。

首先，本發(fā)明只把電壓施加于一個任意的PPC單元比如單元1上，隨著電壓增大，四個不同的輸入偏振態(tài)會引起輸出偏振態(tài)的改變，然后測量下來。所有的數(shù)據(jù)被繪制到圖4(側(cè)視圖)和圖5(正視圖)上面。

從這兩幅圖本發(fā)明可以得到：

(1)在同一輸入偏振態(tài)下，隨著電壓變化，輸出的偏振態(tài)繞著同一個圓旋轉(zhuǎn)；

(2)在不同輸入偏振態(tài)下，輸出偏振態(tài)隨著電壓改變繞一組同心圓旋轉(zhuǎn)；

(3)特別地，當(dāng)輸出偏振態(tài)沿旋轉(zhuǎn)軸方向時，它不再隨著電壓而變化。

因此本發(fā)明可以得到一個結(jié)論：當(dāng)PPC單元確實存在著廣義PSP，它的矢量所在方向和同心圓的旋轉(zhuǎn)軸一致，而且它與電壓和輸入偏振態(tài)都無關(guān)。

因為廣義PSP方向是輸出偏振態(tài)的旋轉(zhuǎn)軸，因此，它是所有圓平面的共有法線。選擇一套數(shù)據(jù)(一個圓平面上的數(shù)據(jù))來計算。通過使用多重線性回歸方法，假設(shè)本發(fā)明求得平面方程為-0.8448x+02121y-0.4913z+0.5576＝0，所以PSP單位矢量方向即該平面法線，即

隨后，找到PSP矢量與平面的交叉點，然后得到旋轉(zhuǎn)角(如圖6中的夾角)與電壓之間的關(guān)系。結(jié)果繪制成圖7，表明了旋轉(zhuǎn)角相對于電壓是線性變化的。通過線性擬合，得到了當(dāng)決定系數(shù)R₂＝0.9995時， θ₁＝0.04814u₁+0.03912。(其中，θ₁、u₁分別是第一個控制單元的旋轉(zhuǎn)角及施加的電壓)。

運用同樣的方法，可以得到其他PPC單元的廣義PSP單位矢量和旋轉(zhuǎn)角度，結(jié)果如下：

(其中，θ_1～3、u_1～3分別是1～3控制單元的旋轉(zhuǎn)角及施加的電壓)

三個PSP之間的夾角分別為θ₁₂＝90.12°，θ₂₃＝90.05°，θ₁₃＝0.41°，這表明單元1與單元3的PSP近似重合，單元2與他們都接近垂直。由于擠壓單元之間的光纖距離非常短，可以忽略單元之間的傳輸繆勒矩陣，由等式(5)和(6)可知，整個PPC的繆勒矩陣可以表示為

為了減少計算量，采取近似計算，認為以(x-軸)，(y-軸)，(z-軸)建立新的坐標(biāo)系Ω來觀測偏振態(tài)變化。對任一輸入偏振態(tài)，PPC的作用是使輸出偏振態(tài)先繞z-軸旋轉(zhuǎn)角度θ₁，然后繞x-軸旋轉(zhuǎn)角度θ₂，最后繞z軸旋轉(zhuǎn)角度得到θ₃。故PPC模型為：

其中θ_i(i＝1-3)是關(guān)于電壓的一個系數(shù)。把上式放到直角坐標(biāo)系中可以得到：

為了驗證矩陣模型的有效性，采用隨機控制方法來對比理論輸出偏振態(tài)與實際的輸出偏振態(tài)(由偏振分析儀測得)之間的差異。圖8展示了部分結(jié)果。通過數(shù)據(jù)分析得到了平均誤差為0.0264，即在邦加球上1.51°的誤差。

此外，通過偏振分析儀(Thorlabs IPM5300)，觀測了PPC的偏振響應(yīng)時間，圖8即為所得到的結(jié)果。圖中表明了當(dāng)電壓發(fā)生突變時輸出斯托克斯矢量各分量s₁,s₂,s₃的響應(yīng)。從圖8不難發(fā)現(xiàn)，PPC的偏振態(tài)響應(yīng)時間小于50μs，而且偏振態(tài)非常穩(wěn)定，比基于法拉第旋轉(zhuǎn)器研制的偏振控制器要快20倍。

由此可見，本文的開環(huán)控制方法為：利用輸出偏振態(tài)函數(shù)，只需要測量輸出偏振態(tài)和電壓值對偏振控制器進行初始化，加上電壓即可得到所需偏振態(tài)，不需要任何反饋，也不需要其他的復(fù)雜算法，因此其控制速度會大大提高，達到微秒級。同時，對于所需的任意偏振態(tài)，通過逆運算得到相應(yīng)的電壓值，分別加到對應(yīng)的PPC控制單元即可得到。因此，相比于閉環(huán)控制方法，本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡單且控制速度快。

以下描述本發(fā)明的實施例。

首先，只把電壓施加于一個任意的PPC單元上，隨著調(diào)節(jié)電壓的變化，四個不同的輸入偏振態(tài)會引起輸出偏振態(tài)的改變，然后測量下來。通過多重線性回歸方法，求得廣義PSP單位矢量。

接下來，根據(jù)圖6中旋轉(zhuǎn)角和電壓間的對應(yīng)關(guān)系，求得旋轉(zhuǎn)角與電壓之間的函數(shù)。這樣就可以得到一個PPC單元的旋轉(zhuǎn)矩陣。

運用同樣的方法，求得其他兩個PPC單元的旋轉(zhuǎn)矩陣。

有了這三個單元的旋轉(zhuǎn)矩陣，就可以得到整個PPC系統(tǒng)的矩陣模型。

從偏振分析儀可以驗證模型的正確性。因為此方法屬于開環(huán)偏振控制，所以只需要知道電壓值和輸出偏振態(tài)，然后對偏振控制器進行初始化，加上電壓即可獲得所需偏振態(tài)。同時，也可通過其逆過程算出所需偏振態(tài)的電壓 值，然后對控制器加上電壓即可。

本發(fā)明的壓電偏振控制器，由三個壓電式偏振控制器單元組成，且能受可控電壓源調(diào)節(jié)的壓電偏振控制器。每一個壓電式偏振控制器單元由一個入口、一個壓電微位移器、光纖入口、光纖出口以及電源插口組成。壓電偏振控制器三個單元之間依次交錯成45°，即0°，45°，0°。壓電式偏振控制器單元由直流電壓源控制，控制范圍為0～200V。壓電微位移器型號為PSt150/7×7/20,外形尺寸為7×7×18(mm)；標(biāo)稱位移20μm；最大位移30μm；最大推力3500N；剛度120N/μm；工作電壓0—150V。輸出結(jié)果可以由偏振分析儀得到，所用型號為Thorlabs公司的IPM5300。

本發(fā)明的開環(huán)控制的基于擠壓光纖式的壓電偏振控制器，隨著電壓的改變壓電微位移器擠壓光纖，使光纖產(chǎn)生應(yīng)力雙折射，進而引起光纖偏振態(tài)的改變。首先，本發(fā)明把電壓加在一個任意的壓電式偏振控制器單元上，改變電壓來求出這個單元的廣義PSP矢量以及旋轉(zhuǎn)角，從而得到其旋轉(zhuǎn)矩陣。然后運用同樣方法得到其他兩個單元的旋轉(zhuǎn)矩陣，就可以得到整個壓電偏振控制器的矩陣模型，從而求出輸出偏振態(tài)。運用了偏振分析儀來檢驗結(jié)果，證明誤差是在允許范圍內(nèi)的。其開環(huán)控制體現(xiàn)在不需要添加復(fù)雜的反饋，只需要加上特定的電壓即可得到所需的偏振態(tài)，因此偏振控制速度相比閉環(huán)控制要快得多。本發(fā)明的壓電偏振控制器，它可以根據(jù)輸入的偏振態(tài)來輸出在任意電壓驅(qū)動下的偏振態(tài)。它是開環(huán)控制的，加上所需電壓值即可得到期望的偏振態(tài)。

本發(fā)明具有以下有益效果：

本發(fā)明的壓電式偏振控制器結(jié)構(gòu)也是比較簡單的。它可以輸出在任意電壓驅(qū)動下的偏振態(tài)，而且其逆過程也是非常有用的，意味著一旦提供了由簡單矩陣模型所得到的驅(qū)動電壓，就可以得到理想的輸出偏振態(tài)。因此在現(xiàn)如今的偏振控制中所用到的復(fù)雜反饋將會顯著減少，控制速度將會明顯改善。 本發(fā)明為偏振開環(huán)控制鋪平了道路，在現(xiàn)代光通信和光傳感領(lǐng)域也將會帶來偏振控制速度上的突破。

本發(fā)明的壓電式偏振控制器的插入損耗低而且偏振相關(guān)損耗也較低，而這兩個條件正好滿足了骨干傳輸網(wǎng)的特殊要求。

以上所述，僅為本發(fā)明較佳的具體實施方式，但本發(fā)明的保護范圍并不局限于此，任何熟悉本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員在本發(fā)明揭露的技術(shù)范圍內(nèi)，可輕易想到的變化或替換，都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。因此，本發(fā)明的保護范圍應(yīng)該以權(quán)利要求的保護范圍為準(zhǔn)。