CN112629662A - 一种可重构分时偏振分析***及探测方法 - Google Patents

一种可重构分时偏振分析***及探测方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种可重构分时偏振分析***及探测方法，属于集成光学技术领域。包括光偏振分束转换装置、可调光移相装置、可调光分束装置、第一光探测装置和第二光探测装置，光偏振分束转换装置将待测光按一对正交偏振态分束后转换为同一偏振态并输出第一光束和第二光束；可调光移相装置接收第一光束并进行相位调节；可调光分束装置接收调节后的第一光束与第二光束并对二者进行干涉合束,通过调节分光比，进而改变输入到探测装置的干涉结果；探测装置探测两路光束的光强度,并转化为计算待测光斯托克斯参数的电信号,完成偏振态的测量。本发明相较于传统分立器件构成的偏振分析仪具有小尺寸、低成本、可重构、快速测量和高精度的优势。

Description

一种可重构分时偏振分析***及探测方法
技术领域
本发明属于集成光学技术领域，更具体地，涉及一种可重构分时偏振分析***及探测方法。
背景技术
偏振分析仪是一种重要的测量仪器，用于测量光信号的偏振态，常用于偏振成像，光传感与光通信等应用中是偏振光技术领域的重要器件之一。
现有技术中根据偏振分析原理，目前主要有两类偏振分析仪：一类是分振幅型偏振分析仪，通过对待测光分路，对每一路光进行偏振处理并由光探测器进行探测，通过测得的数据计算带测光的偏振态，这种方法需要对输入光进行分光，输入探测器的信噪比低，且***较为庞大，但是多路探测器可以同时获得测量数据，测量速度快；另一类分时型偏振分析仪，通过可调的偏振器件多次对输入光进行偏振处理和探测，通过多次探测的结果计算待测光的斯托克斯参数。这类偏振分析仪的探测器接收到的信噪比高，但是需要分时间进行至少四次探测，测量速度慢，且精度有限。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种可重构分时偏振分析***及探测方法，由此解决传统偏振分析仪需分时间多次探测、测量速度慢的技术问题。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种可重构分时偏振分析***，该***包括集成于片上的光偏振分束转换装置、可调光移相装置、可调光分束装置、第一光探测装置和第二光探测装置；
所述光偏振分束转换装置的第一输出端连接于所述可调光移相装置的输入端，所述可调光移相装置的输出端连接于所述可调光分束装置的第一输入端，所述光偏振分束转换装置的第二输出端连接于所述可调光分束装置的第二输入端；所述可调光分束装置的第一输出端连接于所述第一光电探测装置的输入端，所述可调光分束装置的第二输出端连接于所述地二光电探测装置的输入端；
所述光偏振分束转换装置用于将任意偏振态的待测光按一对正交偏振态分束后转换为同一偏振态并输出第一光束和第二光束；
所述可调光移相装置用于接收第一光束并对其进行相位调节,以使调节后的所述第一光束与所述第二光束产生可变的相位差；
所述可调光分束装置用于接收调节后的所述第一光束与所述第二光束并对二者进行干涉合束,通过调节其分光比进而改变输入到所述第一光探测装置与所述第二光探测装置的干涉结果；
所述第一光探测装置与所述第二光探测装置分别用于探测经干涉合束分光后的两路光束的光强度,并将其转化为用于计算待测光斯托克斯参数的电信号,从而完成偏振态的测量。
优选地，所述可调光分束装置包括第一光分束器、可调光移相器和第二光分束器；
所述第一光分束器的第一输入端连接所述可调光移相装置的输出端，其第二输入端连接所述光偏振分束转换装置的第二输出端；所述第一光分束器的第一输出端连接所述可调光移相器的输入端，所述可调光移相器的输出端连接所述第二光分束器的第一输入端，所述第一光分束器的第二输出端连接所述第二光分束器的第一输入端；所述第二光分束器的第一输出端连接第一光探测装置的输入端，其第二输出端连接所述第二光探测装置的输入端；
所述第一光分束器和所述第二光分束器用于将第一光束和第二光束进行等功率分束，所述可调光移相器用于通过调节其相移量从而改变所述可调光分束装置的分光比。
优选地，所述第一光分束器、所述可调光移相器和所述第二光分束器构成马赫曾德干涉结构，以实现对所述可调光分束装置的分光比可调。
优选地，所述第一光分束器和所述第二光分束器均为1:1光分束器。
优选地，通过同时对所述可调光移相装置的相移量和所述可调光分束装置的分光比进行多次配置从而改变所述第一光探测装置和所述第二光探测装置所探测到的电信号。
按照本发明的另一方面，提供了一种光偏振态探测方法，该方法包括以下步骤：
通过光偏振分束转换装置将待测光按一对正交偏振态分束并转换为同一偏振态并输出为第一光束和第二光束；
第一光束经可调光移相装置相位调制后的光束与所述第二光束在可调光分束装置内进行干涉合束，通过可调光移相装置改变调制后的光束与第二光束的分光比后使用第一光探测装置和第二光探测装置探测输出光束的光强度；
通过多次同时配置可调光移相装置的相移量与所述可调光分束装置的分光比，从而使第一光探测装置和第二光探测装置探测多组输出光束的光强度并转化为用于计算待测光斯托克斯参数的电信号，实现对待测光偏振态的探测。
优选地，通过至少三次同时配置可调光移相装置的相移量与所述可调光分束装置的分光比以实现对计算待测光斯托克斯参数的电信号的探测。
优选地，通过三次同时配置可调光移相装置的相移量与所述可调光分束装置的分光比，并利用所述第一光探测装置和所述第二光探测装置分别进行三次探测，从而获得六个电信号以实现待测光偏振态的探测。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：
1、本发明通过同时对可调光移相装置的相移量和可调光分束装置的分光比进行多次配置从而改变第一光探测装置和第二光探测装置所探测到的电信号，可以实现任意偏振态的测量并且提高了测量的效率。
2、本发明通过将光偏振分束转换装置、可调光移相装置、可调光分束装置、第一光探测装置和第二光探测装置集成片上，相较于传统分立器件构成的偏振分析仪具有小尺寸、低成本的优势。
3、本发明所提出的探测方法仅通过三次配置可调光移相装置的相移量与可调光分束装置的分光便可以实现对计算待测光斯托克斯参数的电信号的探测，相比于传统偏振分析仪需要分时间进行至少四次探测，提高了测量的速度。
4、本发明所提出的探测方法通过三次配置可调光移相装置的相移量与可调光分束装置的分光量从第一光探测装置和第二光探测装置获得了六个电流信息，提高了测量精度。
5、本发明通过对可调光移相装置和可调光分束装置进行任意重新配置，构造邦加球上任意位置处的正交偏振态，从而构造出完备偏振分析***的投影矩阵，实现偏振***的可重构功能。
附图说明
图1是本发明实施例提供的一种可重构分时偏振分析***结构示意图；
图2是本发明实施例提供的可调光分束装置的结构示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
如图1所示，本发明提出了一种可重构分时偏振分析***，包括光偏振分束转换装置、可调光移相装置、可调光分束装置、第一光探测装置和第二光探测装置，其中，
光偏振分束转换装置的两个输出端分别连接所述可调光移相装置和所述可调光分束装置，所述光偏振分束转换装置用于将任意偏振态的待测光分束后转换为同一偏振态并输出第一光束和第二光束，其中所述第一光束进入可调光移相装置中，所述第二光束进入所述可调光分束装置。
可调光移相装置的输出端连接所述可调光分束器的输入端，所述可调光移相装置用于接收第一光束并对其进行相位调节,通过改变其相移量以使调节后的所述第一光束与所述第二光束产生可变的相对相位差。
更进一步的说明，调节相位后的第一光束和所述第二光束进入所述可调光分束装置。如图2所示，本发明中，所述可调光分束装置为由第一光分束器、可调光移相器和第二光分束器构成的马赫曾德干涉结构，其中，各器件的具体连接关系为：
第一光分束器的第一输入端连接所述可调光移相装置的输出端，其第二输入端连接所述光偏振分束转换装置的第二输出端；所述第一光分束器的第一输出端连接所述可调光移相器的输入端，所述可调光移相器的输出端连接所述第二光分束器的第一输入端，所述第一光分束器的第二输出端连接所述第二光分束器的第一输入端；所述第二光分束器的第一输出端连接第一光探测装置的输入端，其第二输出端连接所述第二光探测装置的输入端。
优选地，所述第一光分束器和所述第二光分束器均为1:1光分束器。
进一步地，所述第一光分束器将输入的第一光束和第二光束进行等功率分束后的第一光束进入所述可调光移相器，第二光束进入所述第二光分束器，所述可调光移相器通过调节其相移量以对第一光束进行相位调节，调节后的第一光束与第二光束经所述第二光分束器等功率分束后分别输出至所述第一光探测装置和所述第二光探测装置。
第一光探测装置与所述第二光探测装置分别用于探测经干涉合束分光后的两路光束的光强度,本发明的可重构分时偏振分析***通过同时对所述可调光移相装置的相移量和所述可调光分束装置的分光比进行多次配置从而改变所述第一光探测装置和所述第二光探测装置所探测到的电信号，多组电信号用来计算待测光斯托克斯参数,从而完成偏振态的测量。
本发明将光偏振分束转换装置、可调光移相装置、可调光分束装置、第一光探测装置和第二光探测装置等器件集成于一块芯片中，相较于传统分立器件构成的偏振分析仪具有小尺寸、低成本的优势。
本发明的实施例提出了一种光偏振态探测方法，该方法包括以下步骤：
S100，通过光偏振分束转换装置将待测光按一对正交偏振态分束并转换为同一偏振态并输出为第一光束和第二光束。
S200，第一光束经可调光移相装置相位调制后的光束与所述第二光束在可调光分束装置内进行干涉合束，通过可调光移相装置改变调制后的光束与第二光束的分光比后使用第一光探测装置和第二光探测装置探测输出光束的光强度；
S300，通过多次同时配置可调光移相装置的相移量与所述可调光分束装置的分光比，从而使第一光探测装置和第二光探测装置探测多组输出光束的光强度并转化为用于计算待测光斯托克斯参数的电信号，实现对待测光偏振态的探测。
具体的，通过至少三次同时配置可调光移相装置的相移量与所述可调光分束装置的分光比以实现对计算待测光斯托克斯参数的电信号的探测。
为了便于理解本发明，以下说明中的光偏振态分束转换装置将待测光按0°线偏振光和90°线偏振光进行分束，并转换为同一偏振态。
如图1所示，本发明的***包括光偏振分束转换装置，可调光移相装置，可调光分束装置，第一光探测装置和第二光探测装置。
所述光偏振分束转换装置将输入的待测光按一对正交偏振态分束并转化为同一偏振态，假定待测光的琼斯矢量为
Figure BDA0002858239280000071
Ex，Ey分别为待测光的0°线偏振光分量和90°线偏振光分量的电场强度，则光偏振分束装置第一输出端与第二输出端的光的电场强度也分别为Ex，Ey，并且两者的相位差表示为
Figure BDA0002858239280000072
所述可调光相移装置对偏振分束转换装置输出的两束光产生
Figure BDA0002858239280000076
的相对相移，其传输矩阵M1可以写成如下形式
Figure BDA0002858239280000073
可调光分束装置的结构如图2所示，由1:1光分束器，可调光移相器，1:1光分束器构成，通过调节其内部的可调光移相器的相移量
Figure BDA0002858239280000077
改变可调光分束器的分光比，控制两束光的干涉合束，其传输矩阵M2可以写成如下形式
Figure BDA0002858239280000074
第一光探测装置接收到的光的电场强度和第二光探测装置接收到的电场强度，其构成的矢量
Figure BDA0002858239280000075
可以写成如下形式
Figure BDA0002858239280000081
其中
Figure BDA0002858239280000082
琼斯矢量J1和J2对应的偏振态构成一组正交偏振态。
因此，两探测装置分别探测待测光按正交偏振态J1和J2投影的功率，通过改变
Figure BDA0002858239280000083
和
Figure BDA0002858239280000084
就可以改变两探测装置探测的投影正交偏振态J1和J2。
本发明通过对可调光移相装置和可调光分束装置进行多次的配置
Figure BDA0002858239280000085
Figure BDA0002858239280000086
构造一系列正交偏振态J1，i，J2，i，从而构造出完备偏振分析***的投影矩阵表达式如下：
Figure BDA0002858239280000087
Mproject的每一行代表对入射光向一个偏振分量投影，第一光探测装置与第二光探测装置所接收到的光场分别为：
Figure BDA0002858239280000091
产生的电流为
Figure BDA0002858239280000092
其中R为第一光探测装置和第二光探测装置的响应度。
更进一步的说明，本发明最少通过三次配置可以实现对待测光的斯托克斯参数的探测，其具有多种配置方式，只要满足测量的三组正交偏振态在邦加球上不共面即可。
本发明的优选实施例提供了三次配置的噪声最优模式。
实施例一
快速测量模式通过三次同时配置可调光移相装置的相移量与所述可调光分束装置的分光比，并利用所述第一光探测装置和所述第二光探测装置分别进行三次探测，从而获得六个电信号以实现待测光偏振态的探测。
在实施三次探测时，快速测量模式可设定为测量琼斯矢量J为((1 0)T,(0 1)T),
Figure BDA0002858239280000101
这三组正交偏振态，此时对应的
Figure BDA0002858239280000102
和
Figure BDA0002858239280000103
的配置表如表一所示
Figure BDA0002858239280000104
表一一种三次测量
Figure BDA0002858239280000105
和
Figure BDA0002858239280000106
的配置表
分别在状态1-3下读取第一光探测装置和第二光探测装置电流I1和I2，得到入射光中对应的琼斯矢量J为((10)T,(01)T),
Figure BDA0002858239280000107
Figure BDA0002858239280000108
这三组正交偏振态分量的光功率，即可计算出入射光偏振态，用斯托克斯参数表示为(S0，S1，S2，S3)，入射光偏振态斯托克斯参数与第一光探测装置和第二光探测装置电流I1和I2由测量矩阵联系起来，测量矩阵为所投影偏振态的斯托克斯参数所构成的矩阵的左逆，电流到斯托克斯参数计算公式如下，其中A为常系数，
Figure BDA0002858239280000111
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种可重构分时偏振分析***，其特征在于：该***包括集成于片上的光偏振分束转换装置、可调光移相装置、可调光分束装置、第一光探测装置和第二光探测装置；
所述光偏振分束转换装置的第一输出端连接于所述可调光移相装置的输入端，所述可调光移相装置的输出端连接于所述可调光分束装置的第一输入端，所述光偏振分束转换装置的第二输出端连接于所述可调光分束装置的第二输入端；所述可调光分束装置的第一输出端连接于所述第一光电探测装置的输入端，所述可调光分束装置的第二输出端连接于所述地二光电探测装置的输入端；
所述光偏振分束转换装置用于将任意偏振态的待测光按一对正交偏振态分束后转换为同一偏振态并输出第一光束和第二光束；
所述可调光移相装置用于接收第一光束并对其进行相位调节,以使调节后的所述第一光束与所述第二光束产生可变的相位差；
所述可调光分束装置用于接收调节后的所述第一光束与所述第二光束并对二者进行干涉合束,通过调节其分光比进而改变输入到所述第一光探测装置与所述第二光探测装置的干涉结果；
所述第一光探测装置与所述第二光探测装置分别用于探测经干涉合束分光后的两路光束的光强度,并将其转化为用于计算待测光斯托克斯参数的电信号,从而完成偏振态的测量。
2.根据权利要求1所述的一种可重构分时偏振分析***，其特征在于，所述可调光分束装置包括第一光分束器、可调光移相器和第二光分束器；
所述第一光分束器的第一输入端连接所述可调光移相装置的输出端，其第二输入端连接所述光偏振分束转换装置的第二输出端；所述第一光分束器的第一输出端连接所述可调光移相器的输入端，所述可调光移相器的输出端连接所述第二光分束器的第一输入端，所述第一光分束器的第二输出端连接所述第二光分束器的第一输入端；所述第二光分束器的第一输出端连接第一光探测装置的输入端，其第二输出端连接所述第二光探测装置的输入端；
所述第一光分束器和所述第二光分束器用于将第一光束和第二光束进行等功率分束，所述可调光移相器用于通过调节其相移量从而改变所述可调光分束装置的分光比。
3.根据权利要求2所述的一种可重构分时偏振分析***，其特征在于，所述第一光分束器、所述可调光移相器和所述第二光分束器构成马赫曾德干涉结构，以实现对所述可调光分束装置的分光比可调。
4.根据权利要求3所述的一种可重构分时偏振分析***，其特征在于，所述第一光分束器和所述第二光分束器均为1:1光分束器。
5.根据权利要求1-4任一项所述的一种可重构分时偏振分析***，其特征在于，通过同时对所述可调光移相装置的相移量和所述可调光分束装置的分光比进行多次配置从而改变所述第一光探测装置和所述第二光探测装置所探测到的电信号。
6.一种基于权利要求1-5任一项所述的可重构分时偏振分析***的光偏振态探测方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
通过光偏振分束转换装置将待测光按一对正交偏振态分束并转换为同一偏振态并输出为第一光束和第二光束；
第一光束经可调光移相装置相位调制后的光束与所述第二光束在可调光分束装置内进行干涉合束，通过可调光移相装置改变调相后的光束与第二光束的分光比后使用第一光探测装置和第二光探测装置探测输出光束的光强度；
通过多次同时配置可调光移相装置的相移量与所述可调光分束装置的分光比，从而使第一光探测装置和第二光探测装置探测多组输出光束的光强度并转化为用于计算待测光斯托克斯参数的电信号，实现对待测光偏振态的探测。
7.根据权利要求6所述的一种光偏振态探测方法，其特征在于，通过至少三次同时配置可调光移相装置的相移量与所述可调光分束装置的分光比以实现对计算待测光斯托克斯参数的电信号的探测。
8.根据权利要求7所述的一种光偏振态探测方法，其特征在于，通过三次同时配置可调光移相装置的相移量与所述可调光分束装置的分光比，并利用所述第一光探测装置和所述第二光探测装置分别进行三次探测，从而获得六个电信号以实现待测光偏振态的探测。
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