相位-偏振组合控制的相干偏振合成设计研究

陈 红，秦会斌

（杭州电子科技大学 新型电子器件与应用研究所，浙江 杭州310018）

0 引言

近年来，多束激光束之间的相干光束组合（CBC）[1][2]由于可以获得良好光束质量的输出而一直受人们关注。该技术被广泛应用于激光传输领域，而在自由空间激光通信领域中的应用研究却较少。在空间激光通信系统中，受抖动误差和大气湍流[3]的影响，多路激光束耦合至单根光纤中效率低，而基于CBC的多孔径接收方案[4]可以减小抖动误差，降低大气湍流影响，提高自由空间激光通信系统中的耦合效率。相干偏振合束（CPBC）[5][6]是CBC中最常用的一种结构。

CPBC中最常用的方法分为2种：基于相位控制的CPBC和基于偏振控制的CPBC。两者虽然可以获得较高的合成效率，但都存在不足之处。基于相位控制的CPBC受输入光功率不一致的影响，合成效率会降低；而基于偏振控制的CPBC随着合成路数的增加，复杂度会增大，随之收敛的速度就会变慢。

在此基础上，本文提出了一种基于相位-偏振组合控制的CPBC设计方法，通过相位和偏振组合控制，可以将多路数的激光束进行组合合成，获得高效的组合效率，解决将多路激光耦合至一根光纤时效率低的问题。

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为偏振光合束器（PBC）[7]，其作用是将两束偏振方向相互正交的线偏振光耦合进一根光纤中。一般情况下，受输入激光功率比和相位差的影响，合成后的光束偏振方向不确定，不是线偏振光，无法进行下一级合成，即无法进行有效扩展。因此，需要对其进行有效控制，使合成后的光束仍为线偏振光，便于扩展。

常用的控制方法有2种：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 基于相位控制与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]原理图如图1所示。输入为两束偏振方向正交的光束，通过光纤相位补偿器（PC）对光束的相位差进行补偿，当相位差固定为Δφ=kπ时，通过PBC合成后的光束为线偏振光，可进行下一级的合成。

图1 基于相位控制的相干偏振合成原理图

基于偏振控制的相干偏振合成[9]原理图如图2所示。输入为两束偏振方向正交的光束，通过PBC合成后的光束为非线偏振光，通过动态偏振控制器（DPC）对该光束偏振态进行转换，不管输入光束功率比和相位差如何改变，合成光束都为线偏振光，即可进行下一级合成。

根据上述两种控制方法的原理，分别搭建了基于2种控制的2路相干偏振合成方案分别如图3、图4所示。激光源被光纤分束器分成2路，其中一路通过半波片（HWP）改变其偏振态，另一路通过可调节衰减器（VOA）改变其光功率，然后分别通过相位控制模块或偏振控制模块进行合成。合成的光束经偏振光分束器（PBS）分成两束，其中一束经光电探测器（PD）传递到控制器，控制器采用随机并行梯度下降法（SPGD）[10]控制算法产生控制信号，将该信号分别送至相位控制模块和偏振控制模块分别对PC和DPC进行驱动，使得性能指标最大化，从而获得高效的相干偏振合成。其合成效率定义为：

图2 基于偏振控制的相干偏振合成原理图

其中P1为PD1探测到的功率值，P2为PD2探测到的功率值。

图3 基于相位控制的二路相干偏振合成方案图

图4 基于偏振控制的二路相干偏振合成方案图

合成效率与输入光束光功率比的关系曲线如图5所示。圆形代表的基于相位控制的理论曲线，由公式（2）计算得出。

其中：p为输入光功率比。

以该曲线作为参考曲线。三角形和星号分别代表基于相位控制和基于偏振控制的实际曲线。和参考曲线对比，基于相位控制的实际曲线与理论曲线几乎重合，验证了基于相位控制的相干偏振合成效率随着输入光功率比的变大而降低，只有在功率比为1的时候效率达到最大。而基于偏振控制的实际曲线纵坐标几乎不变，验证了基于偏振控制的相干偏振合成效率不受输入光功率比的影响。

图5 相干偏振合成效率与输入光束功率比的关系曲线

1.3 基于相位-偏振组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两种方法都存在缺陷。基于相位控制的相干偏振合成中，如果输入光功率不一致，合成效率会降低；而基于偏振控制的相干偏振合成中，虽然不受输入光功率的影响，但是如果合成路数增加，所需的偏振控制模块数量就会增加，则复杂度会随之增大。为了解决上述缺陷，本文提出了基于相位-偏振组合控制的相干偏振合成的设计方法。先调节输入光功率一致后由相位控制模块进行合成，降低下一级合成的路数，此时所需的偏振控制模块数量减少，然后再由偏振控制模块进行合成，系统的复杂度会有所降低。

1.3.1 方案设计

基于相位-偏振组合控制的4路相干偏振合成方案图如图6所示。

图6 基于相位-偏振组合控制的四路相干偏振合成方案图

激光源产生的光束被光纤分束器分为4路，其中2路经HWP改变偏振态，然后分别用可变光衰减器（VOA）调节4路光束的光功率，使其光功率两两一致。将功率一致的2路通过相位控制模块合成一束，该光束仍为线偏振光，可以进行下一级合成。合成后的2束光功率不一致，先将其中一束经HWP改变偏振态，然后通过偏振控制模块对这2束再进行合成，合成后的光束经光纤检偏器输出为线偏振光。最后利用PD探测最终合成的光束的光功率大小，将该值作为性能指标传递到控制器中进行数据采集，控制器采用SPGD算法产生控制信号，将该信号送至相位控制模块和偏振控制模块分别对PC和DPC进行驱动，让系统处于闭环状态，使得性能指标最大化，从而获得高效的相干偏振合成。

1.3.2 组合效率

设 4 路激光的输入功率值分别为 Pi1、Pi2、Pi3、Pi，则前2路经PC后输出功率为：

其中ILpc1为PC1的插入损耗，ILpc2为PC2的插入损耗。则前两路通过PBC1合成后的输出功率为：

其中ILpbc1为PBC1的插入损耗，η12为相位控制的合成效率由公式（2）计算可得，此时

后两路经PC后输出功率为：

其中IL3为PC3的插入损耗，IL4为PC4的插入损耗。则后两路通过PBC2合成后的输出功率为：

其中ILpbc2为PBC2的插入损耗；η34为相位控制的合成效率。由公式（2）计算可得，此时：

下一级经偏振控制合成的光束输出功率为

其中 ILpbc3为 PBC3的插入损耗，ILdpc为 DPC的插入损耗。

最终通过光纤检偏器后的输出光束功率为：

其中ILp为光纤检偏器的插入损耗。

则组合效率为：

其中Ppd为PD探测得到的功率值。

2 实验结果

在基于相位-偏振组合控制的4路相干偏振合成实验中，经VOA调节后的4路输入光束的功率分 别 为 Pi1=0.5mW、Pi2=0.5mW、Pi3=0.4mW、Pi4=0.4mW，4个 PC的损耗分别为 ILpc1=0.4dB、ILpc2=0.4dB、ILpc3=0.6dB、ILpc4=0.6dB，3 个 PBC 的损耗分别为 ILpcb1=0.89dB、ILpcb2=0.81dB、ILpcb3=0.93dB，DPC的损耗为ILdpc=0.55dB，光纤检偏器的损耗为ILp=0.63dB。由公式（3）～（10）可以计算出最终理论输出功率Po=0.81mW，再由由公式（11）可得出组合效率，通过PD探测的值Ppd来测量组合效率的变化曲线。

将SPGD迭代速率设置为6kHz，开环和闭环各持续10s，组合效率的变化曲线如图7所示。系统处于开环状态时，组合效率的平均值大约为31.47%，系统处于闭环时，经过大约迭代16次后，组合效率基本保持不变，其平均值达到97.61%，因此，验证了该方案的可行性。

图7 基于相位-偏振组合控制的4路相干偏振合成组合效率的变化曲线

3 结语

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础上，结合两者的优缺点，提出了基于相位-偏振组合控制的相干偏振合成方法。输入光功率一致时，先由相位控制模块进行合成，合成子光束功率不一致则通过偏振控制模块进行合成，最终达到高效的相干偏振合成，并通过相位-偏振组合控制的四路相干偏振合成实验对其可行性进行了验证。结果表明：在闭环的情况下，整个系统的组合效率达到97.61%，验证了该方案的可行性。该设计方法有效解决了空间激光通信系统中将多路激光耦合至一根光纤中耦合效率低的问题。