專利名稱：偏振分析外差光接收器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般地涉及偏振分析外差光接收器，更具體地，本發(fā)明涉及一種通過測量電信號(hào)的幅度而無需進(jìn)行相位測量即可確定輸入光波的偏振特性的偏振分析外差光接收器。
背景技術(shù)：
通過檢測透過特定的偏振濾光器的光功率，可以確定光波的偏振狀態(tài)。常規(guī)的旋光儀一般測定光功率P0-P3來確定Stokes參數(shù)S0-S3。因此，S0-S3通過以下公式給出S0＝P0(1)S1＝2P1-P0(2)S2＝2P2-P0(3)S3＝2P3-P0(4)依據(jù)Stokes參數(shù)，偏振度p可以通過以下公式計(jì)算得到P=(S12+S22+S32)S0--(5)]]>圖1a示出了常規(guī)的空間分割(space-division)旋光儀100，其中輸入端101的光波分為四束分離的光波，并且所獲得的光波被平行處理。輸出端102的光波通過水平線偏振器115，提供P1。輸出端103的光波通過45度線偏振器120，提供P2。輸出端104的光波通過四分之一波片125和45度線偏振器，提供作為圓偏振光的度量的P3。四分之一波片125將輸入光波的圓偏振部分轉(zhuǎn)化為線性45度光波，該光波通過45度線偏振器130。輸出端105的光波直接傳出，提供與總功率成比例的P0。因此，應(yīng)用方程(1)-(5)，從旋光儀100所進(jìn)行的測量中，可以確定偏振度。
有些外差光接收器，譬如安捷倫科技的81910A和83453A，可被配置成用來測量被接收的光場的偏振。在這些偏振分析外差光接收器中，必須測量出來自接收器的兩個(gè)電信號(hào)之間的相位差，以確定被接收的光場的偏振。這種相位測量比較困難，尤其當(dāng)電信號(hào)中含有較大噪聲時(shí)。此外，這些外差光接收器的測量無法確定偏振度。因此，一種能夠克服這些困難并且能提供通常由常規(guī)旋光儀提供的數(shù)據(jù)的外差光接收系統(tǒng)是合乎需要的。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本發(fā)明，通過測量電信號(hào)的幅度，而無需進(jìn)行相位測量，即可確定外差接收器輸入端的光波的偏振。這樣使得有可能在噪聲存在情況下更準(zhǔn)確地測量偏振，并且能確定光波的偏振度。所有這些偏振分析接收器都可以是平衡接收器，以減小強(qiáng)度噪聲。


圖1a示出了現(xiàn)有技術(shù)的旋光儀的簡化圖。
圖1b示出了本發(fā)明的一種偏振分析外差接收器的構(gòu)思。
圖2a和2b示出了本發(fā)明中放置偏振合成器或者波片的可選位置。
圖3示出了本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例。
圖4示出了本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例。
圖5示出了本發(fā)明的一種偏振分析接收器的一個(gè)實(shí)施例。
圖6示出了本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例。
具體實(shí)施例方式
圖1b示出了本發(fā)明的一種偏振分析外差接收器的構(gòu)思。當(dāng)具有未知偏振的輸入信號(hào)與x(t)cosω2t成比例時(shí)，掃頻本地振蕩器參考源175提供具有一定線偏振、與cosω1t成比例的參考信號(hào)。一般，接收器185的無線頻率輸出與2x(t)cosθcos(ω1-ω2)t成比例，其中θ是信號(hào)輸入和參考信號(hào)偏振之間的夾角。接收器185檢測到的信號(hào)幅度與2x(t)cosθ成比例，該值等于通過放置成與輸入信號(hào)的偏振成θ角的偏振器的輸入信號(hào)的輸出值。
根據(jù)本發(fā)明，如圖2a和2b所示，偏振合成器或者波片可以分別放置在信號(hào)通道或者本地振蕩器通道中。這兩種情況可以使用Jones矩陣分析檢驗(yàn)。圖2a中以簡化形式表示的例1假定偏振合成器201或者波片201位于信號(hào)通道205。圖2b中以簡化形式表示的例2假定偏振合成器201或者波片201位于本地振蕩器通道206。假定Js代表位于信號(hào)通道205的偏振合成器201的Jones矩陣，其中S代表信號(hào)；JL代表位于本地振蕩器通道206的偏振合成器201的Jones矩陣，其中L代表本地振蕩器。耦合器207合并信號(hào)通道205和本地振蕩器通道206。例1中接收器210測到的外差強(qiáng)度信號(hào)R1用Jones矩陣形式可以寫為R1＝LT[JsS]*+[JsS]TL*(6)其中T表示矩陣轉(zhuǎn)置，*表示復(fù)共軛。類似地，例2中接收器210測到的外差強(qiáng)度信號(hào)R2用Jones矩陣形式可以寫為R2[JLL]TS*+ST[JLL]*(7)為使強(qiáng)度相等，設(shè)定R1＝R2，推導(dǎo)出如下結(jié)果JL=Js-1---(8)]]>因此，如果用位于本地振蕩器通道206的偏振合成器構(gòu)成偏振分析外差接收器，只要滿足方程(8)，結(jié)果等價(jià)于信號(hào)通道205里放置有偏振合成器。
圖3示出了本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例。一般地，掃頻窄線寬光源310用來提供外差系統(tǒng)需要的掃頻本地振蕩器參考源。光源310通過單模光纖315連接到偏振器320。偏振器320通過偏振保持光纖325連接到四路分束器335。四路分束器335將參考光波分為四束，進(jìn)入偏振保持光纖345、346、347和348。偏振保持光纖345、346、347和348將四路分束器335分別連接到單偏振接收器360、單偏振接收器365、單偏振接收器370和偏振分集接收器375。一輸入信號(hào)光波進(jìn)入單模光纖330上的四路分束器340，該信號(hào)光波被分為四束進(jìn)入單模光纖351、352、353和354。單模光纖353耦合穿過四分之一波片355。如圖3所示，單模光纖351、352、353和354也被分別連接到單偏振接收器360、單偏振接收器365、單偏振接收器370和偏振分集接收器375。注意，接收器360、365、370和375可以是平衡接收器以減小強(qiáng)度噪聲。
偏振器320接收發(fā)自光源310的參考光波，確保進(jìn)入偏振保持光纖325的參考光波線性偏振并與偏振保持光纖325的偏振方向嚴(yán)格對(duì)齊。參考光波被四路分束器335分束，進(jìn)入偏振保持光纖345、346、347和348后，偏振仍被保持。偏振保持光纖345一般被定向?yàn)槭沟眠M(jìn)入單偏振接收器360的參考光波的線性偏振為0度。偏振保持光纖346一般被定向?yàn)槭沟眠M(jìn)入單偏振接收器365的參考光波的線性偏振為45度。偏振保持光纖347一般被定向?yàn)槭沟眠M(jìn)入單偏振接收器370的參考光波的線性偏振為45度。四分之一波延遲器355將進(jìn)入位于單模光纖353上的單偏振接收器370的信號(hào)光波的圓偏振部分，在單偏振接收器370接收之前，轉(zhuǎn)化為45度線性偏振光。因此，進(jìn)入單偏振接收器370的信號(hào)光波的偏振為45度。單偏振接收器360、365和370起偏振敏感光外差接收器的作用，將輸入光波轉(zhuǎn)化為電信號(hào)。電信號(hào)輸出與在參考光波方向上偏振的輸入信號(hào)光波分量的強(qiáng)度有關(guān)。因此，單偏振接收器360、365和370的電輸出值分別提供了P1、P2和P3的測量值。
偏振分集接收器375起相干接收器的作用，將輸入光波轉(zhuǎn)化為電信號(hào)。該電信號(hào)輸出與輸入信號(hào)光波的總強(qiáng)度有關(guān)。因此，偏振分集接收器375的電輸出值提供了P0的測量值。
圖4示出了本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例。掃頻窄線寬光源410提供外差系統(tǒng)需要的掃頻本地振蕩器參考源。光源410通過單模光纖415連接到偏振器420。偏振器420通過偏振保持光纖425連接到三路分束器435。三路分束器435將參考信號(hào)光波分為三束進(jìn)入偏振保持光纖445、446和448。偏振保持光纖445和446將三路分束器435分別連接到偏振分析接收器480、單偏振接收465和單偏振接收器470。偏振保持光纖448通過四分之一波延遲器455連接到單模光纖449。單模光纖449連接四分之一波延遲器455到單偏振接收器470?；蛘?，四分之一波延遲器455可以放置在位于單模光纖453和接收器470之間的輸入信號(hào)通道里。輸入信號(hào)光波進(jìn)入單模光纖430上的三路分束器440，該信號(hào)光波被分為三束進(jìn)入單模光纖451、452和453。單模光纖451、452和453也連接到偏振分析接收器480、單偏振接收465和單偏振接收器470。注意，接收480、465和470可以是平衡接收器，以減小強(qiáng)度噪聲。
偏振器420接收發(fā)自光源410的參考光波，確保進(jìn)入偏振保持光纖425的參考光波線性偏振并與偏振保持光纖425的偏振方向嚴(yán)格對(duì)齊。參考光波被三路分束器435分束進(jìn)入偏振保持光纖445、446和448后，偏振仍被保持。偏振保持光纖445被定向?yàn)槭沟眠M(jìn)入偏振分析接收器480的參考光波的線性偏振為45度。偏振保持光纖446被定向?yàn)槭沟眠M(jìn)入單偏振接收器465的參考光波的線性偏振為45度。偏振保持光纖448被連接到四分之一波延遲器455。四分之一波延遲器455將來自偏振保持光纖448的線性偏振參考光波轉(zhuǎn)化為圓偏振光，該圓偏振光通過單模光纖449上的單偏振接收器470的。單偏振接收器465和470起偏振敏感光外差接收器的作用，將輸入光波轉(zhuǎn)化為電信號(hào)。電信號(hào)輸出與在參考光波方向上偏振的輸入信號(hào)光波分量的強(qiáng)度有關(guān)。單偏振接收器465和470的電輸出值分別對(duì)應(yīng)P2和P3，可得到P2和P3的測量值。
偏振分析接收器480提供兩個(gè)輸出x和y，其中x與在x方向上偏振的輸入光波成比例，y與在y方向上偏振的輸入光波成比例。圖5示出了圖4中本發(fā)明的偏振分析接收器480的一個(gè)實(shí)施例。偏振分束器530將來自掃頻窄線寬光源410、45度偏振的入射光波分為兩個(gè)相等的分量，這兩個(gè)分量再與來自單模光纖451的輸入光波混合。該輸入信號(hào)相對(duì)于偏振分束器530以未知角度θ偏振，并按照cosθ(x方向)和sinθ(y方向)被分束。因?yàn)閬碜話哳l窄線寬光源410的參考光波以45度角偏振，所以參考光波在光電檢測器545和550之間被等分。在數(shù)字處理器499中將來自光電檢測器545和550的電輸出先平方，再求和，得到一與未知角θ無關(guān)的信號(hào)；再將該信號(hào)值開平方根，得到總功率P0。x方向上的信號(hào)與0度偏振方向上的功率成比例，其被換算器490換算為P1。確定了P0、P1、P2和P3，即可計(jì)算Stokes參數(shù)以及描述輸入信號(hào)的偏振度的特性。
圖6示出了本發(fā)明使用偏振合成器630的一個(gè)實(shí)施例。通過引入偏振合成器630，圖6中示出的實(shí)施例中將需要的接收器的個(gè)數(shù)減少到一個(gè)。掃頻窄線寬光源610通過單模光纖615耦合到偏振器620。偏振器620通過偏振保持光纖605耦合到偏振合成器630。一般，為了分辨和明確定義偏振合成器的輸出，明確定義的輸入偏振是必要的；這一點(diǎn)可以通過用偏振保持光纖605將偏振器620耦合到偏振合成器630實(shí)現(xiàn)。偏振合成器630通過單模光纖640耦合到偏振分析接收器660。偏振分析接收器660類似于圖5中示出的偏振分析接收器480，具有x和y兩個(gè)分量輸出。偏振分析接收器660一般是平衡接收器。偏振分析接收器660還被耦合以接收輸入信號(hào)651。偏振分析接收器660起相干接收器的作用，將輸入光波轉(zhuǎn)化為電信號(hào)。本實(shí)施例中，對(duì)每一光頻都進(jìn)行了四次獨(dú)立的測量；在偏振合成器的四種設(shè)置的每一種情況下測量一次，其中偏振合成器設(shè)置成0度用于測量P1，45度用于測量P2，圓偏振用于測量P3，以及90度用于測量(P02-P12);]]>并且每一次測量都產(chǎn)生x和y分量。這樣，一般通過數(shù)字處理器(未示出)，就可以確定輸入信號(hào)651的偏振度和Stokes參數(shù)S0-S3。
雖然本發(fā)明是結(jié)合特定的實(shí)施例描述的，但顯然，對(duì)本領(lǐng)域的技術(shù)人員而言，根據(jù)前面的描述，許多替換、變更和變化都是明顯的。因此，本發(fā)明旨在涵蓋所有其它這種落在所附的權(quán)利要求的精神和范圍內(nèi)的替換、變更和變化。
權(quán)利要求
1.一種偏振分析外差接收器裝置，包括光源；耦合到所述光源的偏振合成器；和耦合到所述偏振合成器和輸入信號(hào)線上的偏振分析接收器，其中所述的偏振分析接收器能夠輸出與在所述的偏振合成器所選擇的偏振方向上的功率相關(guān)的信號(hào)。
2.如權(quán)利要求1所述的裝置，其中所述的光源是掃頻窄線寬光源。
3.如權(quán)利要求1所述的裝置，其中利用偏振保持光纖所述的光源被耦合到所述的偏振合成器。
4.如權(quán)利要求1所述的裝置，其中利用單模光纖所述的偏振合成器被耦合到所述的偏振分析接收器。
5.如權(quán)利要求1所述的裝置，其中所述的偏振方向是圓形的。
6.如權(quán)利要求1所述的裝置，其中所述的偏振分析接收器能夠輸出第一和第二輸出信號(hào)。
7.如權(quán)利要求1所述的裝置，其中所述的光源和所述的偏振合成器之間插入了偏振器。
8.一種偏振分析外差接收器裝置，包括光源；耦合到所述光源的第一分束器；耦合到所述的第一分束器的多個(gè)偏振接收器；和耦合到所述的多個(gè)偏振接收器和輸入信號(hào)線上的第二分束器，以使所述的多個(gè)偏振接收器中的每一個(gè)偏振接收器能夠輸出與光功率成比例的電信號(hào)。
9.如權(quán)利要求8所述的裝置，其中利用偏振保持光纖所述的第一分束器被耦合到所述的多個(gè)偏振接收器中的至少一個(gè)偏振接收器。
10.如權(quán)利要求8所述的裝置，其中所述的光源是掃頻窄線寬光源。
11.如權(quán)利要求8所述的裝置，其中所述的光源和所述的第一分束器之間插入了偏振器。
12.如權(quán)利要求8所述的裝置，其中所述的第二分束器和所述的多個(gè)偏振接收器中的一個(gè)偏振接收器之間插入了波片。
13.如權(quán)利要求8所述的裝置，其中所述的多個(gè)偏振接收器中的一個(gè)偏振接收器被耦合到換算器。
14.如權(quán)利要求8所述的裝置，其中所述的多個(gè)偏振接收器中的一個(gè)偏振接收器能夠輸出第一和第二輸出信號(hào)，所述的第一輸出信號(hào)與在x方向上偏振的輸入光波成比例并且所述的第二輸出信號(hào)與在y方向上偏振的輸入光波成比例。
15.如權(quán)利要求8所述的裝置，其中所述的多個(gè)偏振接收器中的一個(gè)偏振接收器是偏振分集接收器。
16.如權(quán)利要求8所述的裝置，其中所述的第一分束器和所述的多個(gè)偏振接收器中的一個(gè)偏振接收器之間插入了波片。
17.一種制作偏振分析外差接收器的方法，包括提供光源；提供耦合到所述光源上的偏振合成器；和提供耦合到所述偏振合成器和輸入信號(hào)線上的偏振分析接收器，其中所述的偏振分析接收器能夠輸出與在所述的偏振合成器所選擇的偏振方向上的功率相關(guān)的信號(hào)。
18.如權(quán)利要求17所述的方法，其中所述的光源是掃頻窄線寬光源。
19.如權(quán)利要求17所述的方法，其中利用偏振保持光纖所述的光源被耦合到所述的偏振合成器。
20.如權(quán)利要求17所述的方法，其中利用單模光纖所述的偏振合成器被耦合到所述的偏振分析接收器。
全文摘要
通過測量電信號(hào)的幅度，而無需進(jìn)行相位測量，可以確定外差接收器輸入端的光波偏振。這樣允許在噪聲存在情況下進(jìn)行更精確的測量，并且可以確定光波的偏振度。
文檔編號(hào)H04B10/148GK1519604SQ20031010307
公開日2004年8月11日 申請(qǐng)日期2003年10月30日 優(yōu)先權(quán)日2003年1月31日
發(fā)明者羅德尼·S·塔克, 道格拉斯·M·巴內(nèi), 斯 M 巴內(nèi), 羅德尼 S 塔克 申請(qǐng)人:安捷倫科技有限公司