CN101539661A - 差动光栅空间光桥接器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种差动光栅空间光桥接器，利用差动光栅进行信号激光光束和本机振荡激光光束的空间耦合并产生相移输出，实现2×2的90度和180度，2×4的90度空间光桥接器。2×2的90度和180度空间光桥接器仅由一块差动光栅构成，2×4的90度空间光桥接器由差动光栅，准直透镜和偏振分束器组成。本发明除具有体积小，重量轻，结构简单，易于小型化集成，斜光束入射使用的特点外，和传统的2×2的90度空间光桥接器相比，更是具有不必损失50％能量的优点。适用于自由空间桥接的相干探测和通信系统。

Description

差动光栅空间光桥接器

技术领域

本发明涉及相干探测、相干激光通信和激光雷达领域，具体是一种差动光栅空间光桥接器，利用差动光栅进行空间耦合输入光束并产生相移输出实现空间光桥接器的方法，在相干探测的光接收机中用于空间复合激光信号光束和本机振荡激光光束，并根据需要产生90度，180度相移输出，实现空间的2×2 90度，2×2 180度和2×4 90度光桥接器。

背景技术

相干探测技术和目前普遍采用的直接探测技术相比，其接收机的灵敏度高一个量级以上，是实现高灵敏度接收，提高数据传输速率和降低体积、质量和功耗的有效方法，采用相干探测体制的光接收机有零差和外差两种接收方式，但不管是何种方式，在进行探测之前都需要光桥接器将信号激光和本振激光进行链接并产生所需的相移输出，因此，光桥接器是相干光探测系统中的关键器件之一。根据产生相移的类型，光学桥接器分为90°、180°两种，其中180°相移桥接器用于平衡锁相环路接收机，90°相移桥接器用于科斯塔斯锁相环路接收机。根据输入-输出端口的数量分为2×2，2×4等不同的类型。根据信号激光和本振激光的复合方式可分波导、光纤耦合型和自由空间传播型，现有的光桥接器大多都是针对地面光纤通信系统发展的波导和光纤器件，不属于自由空间光学桥接器。在自由空间光桥接中，先技术[1]，[2](参见文献1：Walter R.leeb.Realization o f 90°and180°Hybrids for Optical Frequencies[C].

Band 37[1983]，Heft 5/6：203-206.文献2：R.Garreis，C.Zeiss，″90°opticalhybrid for coherent  receivers，″Proc.SPIE，Vol.1522，pp.210-219，1991.)采用波片结合偏振光干涉原理提出了可实现90度和180度相移的2×2空间光桥接器方案，文献2则在此基础上提出了2×4的90度相移的实现方案，但该方案存在整个光学系统需要保证光束的严格等光程传输，相关元件过多，不易集成以及不能宽光谱使用的缺点。文献[1]中的2×290度空间光桥接器还有须损失50％能量的缺点。先技术[3]，[4](参见文献3：刘立人，刘德安，闫爱民，栾竹，王利娟，孙建锋，钟向红，电控相移空间光桥接器，发明专利，公告号：100383572，同名实用新型专利公告号：200959599；文献4：刘立人，闫爱民，栾竹，刘德安，孙建锋，王利娟，钟向红，双折射自由空间光桥接器，发明专利，公告号：100383571，同名实用新型专利公告号2899300)综合利用晶体的双折射效应和电光效应提出了另外的2×490度空间光桥接器方案，虽然解决了先技术[1]，[2]相关元件过多，不易集成的缺点，但该技术方案对晶体的切割精度要求高，需严格保证晶体光轴、晶体主截面和输入的线偏振光之间的角度关系，否则影响相干接收效率，此外，该技术方案还具有不能使用斜光束入射的缺点。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明提供一种利用差动光栅进行信号光和本振光的耦合并产生所需相移的差动光栅空间光桥接器。

本发明解决上述技术问题的技术方案如下：

一种差动光栅空间光桥接器，它包括2×2的90度和180度空间光桥接器和2×4的90度空间光桥接器；所述的2×2的90度和180度空间光桥接器仅由一块差动光栅(01)构成；所述的2×4的90度空间光桥接器，由差动光栅(01)，准直透镜(06)，偏振分束器(07)和(08)或者一个检偏双折射元件(13)构成，各元部件的位置关系是：沿光线的行进方向依次是差动光栅(01)，准直透镜(06)，偏振分束器(07)和(08)或者一个检偏双折射元件(13)。

上述的2×2的90度和180度空间光桥接器即差动光栅(01)是在一块光栅上具有两个相互错开的周期相同的周期性空间结构，这种结构有两种：结构一是一块光栅上有一分为二的两个面积相同的区域，其中一个区域刻有空间频率为f_c的周期性结构，另一个区域刻有以第一个区域的刻槽中心线为基线平行移动一微小距离Δ的相同空间周期结构，其中Δ＜1/f_c，对于2×2的90度空间光桥接器，差动量为 $\mathrm{\Δ}=\frac{1}{{8f}_c};$ 对于2×2的180度空间光桥接器，差动量为 $\mathrm{\Δ}=\frac{1}{{4f}_c};$ 结构二是光栅上有两个平行错开的周期性空间结构，相同的刻槽中心线相距一微小距离Δ，Δ＜1/f_c，对于2×2的90度桥接器，相距距离为 $\mathrm{\Δ}=\frac{1}{8f_c},$ 对于2×2的180度桥接器，相距距离为 $\mathrm{\Δ}=\frac{1}{{4f}_c}.$

上述的2×4的90度差动光栅空间光桥接器的差动光栅(01)的结构和2×2的90度桥接器相同，它位于准直透镜(06)的前焦平面。

上述的2×4的90度差动光栅空间光桥接器的偏振分束器(07)和(08)是把入射光分为光矢量振动方向相互垂直的等光强的分束器，其主截面和入射的其中一个线偏振光如信号光(02)或本振光(03)的光矢量振动方向之间的夹角为45度，其入射面垂直入射光线方向；偏振分束器(07)和(08)其两个入射面对齐平行放置。

上述的2×4的90度差动光栅空间光桥接器的的双折射检偏器(13)其主截面和入射的其中一个线偏振光如信号光(02)或本振光(03)的光矢量振动方向之间的夹角为45度，其入射表面垂直入射光线方向。

本发明与现有技术比较的优点是：

本发明差动光栅空间光桥接器采用一块差动光栅即可实现2×2的90和180度空间光桥接器，加上一个准直透镜和两个偏振分束器(或者一个检偏双折射元件)可实现四通道输出的2×490度空间光桥接器。除具有体积小，重量轻，结构简单，可宽光谱使用和斜光束入射使用的特点外，和传统的2×290度空间光桥接器相比，更是具有不必损失50％能量的优点。适用于自由空间传播的相干探测和通信系统。

附图说明

图1是本发明差动光栅结构示意图。

图2是差动光栅相移原理图。

图3是2×2的差动光栅90度和180度空间光桥接器结构示意图

图4是2×4的差动光栅90度空间光桥接器结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施实例对本发明作进一步详细说明，但不应以此限制本发明的保护范围。

本发明原理如下：

当一块光栅上具有如图1所示的两个相互错开的周期相同的周期性空间结构时，周期性结构的相对位移可使衍射光产生波前的相位变化，其相位变化原理如图2所示，设单位振幅的平行光垂直入射于光栅P点，在一个空间周期PD＝1/f_c内，其衍射光主级大满足光栅方程：

sinθ_n＝nλf_c    (1)

其中，λ为光波波长，f_c为光栅的空间频率，θ_n为衍射角，n为衍射级数。当光入射到与原位置沿x方向错开一微小距离Δ(Δ＜1/f_c)时，与P点同相位的点移动到了P′点，此时衍射的同级衍射光的相位随差动量Δ的变化由下面的式子决定：

${\sin \mathrm{\θ}}_n=\frac{\mathrm{n\λ}+\mathrm{\Λ}}{\mathrm{\Δ}+1/f_c}=\mathrm{n\λ}{f}_c---\left(2\right)$

$\mathrm{\φ}=\frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}\mathrm{\Λ}---\left(3\right)$

结合(2)式和(3)，得到

φ＝2πnf_cΔ(4)

这样，当光通过具有错位结构的周期性光栅时，每于任意的衍射级数，其衍射光的波前相位变化为：

φ₁|_-n＝-2πnf_cΔ，φ₂|_n＝2πnf_cΔ(5)

此外，光栅除了可根据上述原理使衍射光的波前产生相位改变外，也可使光束分光并合成，光栅的衍射分光合束方法如图3所示，设计合理的相位光栅，使其只有0级和1级，让信号激光02和本振激光03以相同的入射角对称入射，这样经过光栅的衍射后就变成了合成的0级本振光和+1级信号光04，合成的0级信号光和-1级本振光05。因此，利用相位光栅的衍射实现信号光和本振激光的耦合，利用光栅的差动结构产生信号光和本振激光之间的相移，可实现自由空间的光桥接器。由(5)式可算出，对于两通道输出的90度空间光桥接器，差动量为

$\mathrm{\Δ}=\frac{1}{{8f}_c},---\left(6\right)$

对于两通道输出的180度光桥接器，差动量为

$\mathrm{\Δ}=\frac{1}{{4f}_c}---\left(7\right)$

可见，使入射的信号光和本振光为振动方向相同的线偏振光，仅用一个差动光栅即可实现2×2的90和180度空间光桥接器。

使入射的信号激光和本振激光为振动方向互相垂直的线偏振光，在差动光栅的后面放置一准直透镜，差动光栅位于其前焦面上，合成光束04和05变成了平行光，使其分别通过两个偏振分束器07和08，或者一个检偏双折射光学元件13，则可实现四通道输出的2×490度空间光桥接器，如图4(a)，(b)所示。

图1、图3和图4是本发明差动光栅空间光桥接器结构示意图。由图可见，本发明所述的2×2的90度和180度空间光桥接器是一块差动光栅，其结构示意图如图3所示。差动光栅的结构特征为一个光栅上有两个相同周期的周期性空间结构。有两种制作方法，如图1(a)、(b)所示。结构一：把一块光栅分为面积相同的两个区域，先在其中的一个区域上刻上光栅常数为d的光栅，空间频率为f_c＝1/d，然后在另一个区域以第一个刻槽中心线为基线往x方向移动一微小距离Δ(Δ＜1/f_c)再刻一个相同周期的光栅，其中差动量Δ由所需的相移量决定，对于2×2的90度桥接器，差动量由方程 $\mathrm{\Δ}=\frac{1}{{8f}_c}$ 确定，对于2×2的180度桥接器，差动量由方程 $\mathrm{\Δ}=\frac{1}{{4f}_c}$ 确定。结构二：光栅上不分区域，先在光栅上刻一个光栅常数为d的光栅，然后以第一个刻槽中心线为基线往x方向移动一微小距离Δ(Δ＜1/f_c)再刻一个相同周期的光栅。对于2×2的90度桥接器，差动量为 $\mathrm{\Δ}=\frac{1}{8f_c},$ 对于2×2的180度桥接器，差动量为 $\mathrm{\Δ}=\frac{1}{{4f}_c}.$ 合理设计差动光栅的空间周期，使其只有0级和1级两束衍射光，并且0级和1级的衍射光强相同，这样，2×2的90度和180度的光桥接器就仅由一个差动光栅构成。

在2×2的90度差动光栅的后面放置一准直透镜，差动光栅位于准直透镜的焦平面上，光束04，05经过透镜06后成为准直光束，在透镜后再放置两个偏振分束器07和08，得到四通道的光束输出，当偏振分束器主截面方向和合成的线偏振光的光矢量振动方向成45角度时，可以实现2×4的90°空间光桥接器。2×4差动光栅90度空间光桥接器结构示意图如图4(a)、(b)所示。

本发明的核心元件是差动光栅，这里给出差动光栅的两种制作方法，如图1(a)，(b)所示。方法一：把一块光栅分为面积相同的两个区域，先在其中的一个区域上刻上光栅常数为d的光栅，空间频率为f_c＝1/d，然后在另一个区域以第一个刻槽中心线为基线往x方向移动一微小距离Δ(Δ＜1/f_c)再刻一个相同周期的光栅，其中差动量Δ由所需的相移量决定，对于2×2的90度桥接器，差动量由方程(6)确定，对于2×2的180度桥接器，差动量由方程(7)确定。方法二：光栅上不分区域，先在光栅上刻一个光栅常数为d的光栅，然后以第一个刻槽中心线为基线往x方向移动一微小距离Δ(Δ＜1/f_c)再刻一个相同周期的光栅，差动量同样根据相移量的要求分别由方程(6)式和(7)式确定。

设计合适的光栅使其只有0级和1级两束衍射光，并且0级和1级的衍射光强相同。在对称入射的情况下，sinθ_±1＝±λf_c/2。这样，2×2的90度和180度的桥接器就可以仅由一个差动光栅构成，具体原理说明如下。

设信号光02和本振光03的光场复振幅分布为：

式中，A_s，A_l分别为信号光、本振光的振幅；ω_s，ω_l分别为信号光，本振光的频率；

为信号光相位调制函数；分别为光桥接器输入端信号光，本振光的初始相位。在2×2的桥接器中，使入射的信号光和本振光都是线偏振光，且光矢量的振动方向相同，分别沿差动光栅01对称入射，其合成的衍射光可写成：

式中，η₀，η₊₁，η_-1分别是差动光栅01的0级，+1级和-1级衍射效率，φ₊₁，φ_-1分别是应光栅周期的差动引起的相移量。令差动量为 $\mathrm{\Δ}=\frac{1}{{8f}_c},$ 则：

${\mathrm{\φ}}_{+1}=\frac{\mathrm{\π}}{4},$ ${\mathrm{\φ}}_{-1}=-\frac{\mathrm{\π}}{4},$

得到两输出光束04和05的光强为：

$I_{04}={\left({\mathrm{\η}}_{+1}{A}_s\right)}^2+{\left({\mathrm{\η}}_0{A}_l\right)}^2$

$I_{05}={\left({\mathrm{\η}}_0{A}_s\right)}^2+{\left({\mathrm{\η}}_{-1}{A}_l\right)}^2$

所以，2×2的90°空间光桥接器得以实现。

同理，令差动量

有： ${\mathrm{\φ}}_{+1}=\frac{\mathrm{\π}}{2},$ ${\mathrm{\φ}}_{-1}=-\frac{\mathrm{\π}}{2},$ 则输出光束04和05的光强为：

$I_{04}={\left({\mathrm{\η}}_{+1}{A}_s\right)}^2+{\left({\mathrm{\η}}_0{A}_l\right)}^2$

$I_{05}={\left({\mathrm{\η}}_0{A}_s\right)}^2+{\left({\mathrm{\η}}_{-1}{A}_l\right)}^2$

因而，2×2的180°空间光桥接器得以实现。

在差动光栅的后面放置一准直透镜，差动光栅位于准直透镜的焦平面上，光束04，05经过透镜06后成为准直光束，在透镜后再放置两个偏振分束器07和08，得到四通道的光束输出，当偏振分束器主截面方向和合成的线偏振光的光矢量振动方向成一定角度时，可以实现2×4的90°空间光桥接器。2×4差动光栅90度空间光桥接器结构示意图如图4所示。

在图4(a)中，使入射的信号光和本振光是振动方向相互垂直的线偏振光，假设透镜无吸收，准直光束经过偏振分束器07和08变成四光束09，10，11，12输出，将偏振分束器的主截面与信号光02的光矢量振动方向成45度角放置，得到输出的四束光的光强为：

$I_{09}=\frac{1}{2}{\left({\mathrm{\η}}_{+1}{A}_s\right)}^2+\frac{1}{2}{\left({\mathrm{\η}}_0{A}_l\right)}^2$

$I_{10}=\frac{1}{2}{\left({\mathrm{\η}}_{+1}{A}_s\right)}^2+\frac{1}{2}{\left({\mathrm{\η}}_0{A}_l\right)}^2$

$I_{11}=\frac{1}{2}{\left({\mathrm{\η}}_0{A}_s\right)}^2+\frac{1}{2}{\left({\mathrm{\η}}_{-1}{A}_l\right)}^2$

$I_{12}=\frac{1}{2}{\left({\mathrm{\η}}_0{A}_s\right)}^2+\frac{1}{2}{\left({\mathrm{\η}}_{-1}{A}_l\right)}^2$

由此可见，2×4的90°空间光桥接器得以实现。在图4(b)中，偏振分束器07和08被一个检偏双折射元件13所替代，其原理相同。

在本实施实例中，设信号光和本振光的光束直径为φ3mm，光栅尺寸为长度×宽度＝10mm×10mm，光栅常数d＝1550nm，对应的90和180度相移，差动量分别为： $\mathrm{\Δ}=\frac{1}{{8f}_c}=193.75\mathrm{nm},$ $\mathrm{\Δ}=\frac{1}{{4f}_c}=387.5\mathrm{nm}.$ 设使用波长为1064nm，两通道输出光束的偏离角约为20度，在2×4的四通道输出的90°空间光桥接器中，设计透镜06的焦距为50mm，采用图4(a)的结构时，两个偏振分束器采用方解石双折射光学平板构成，结构完全相同，尺寸为长度×宽度×高度＝40mm×12mm×10mm，采用最大化分离设计时，光轴取向为48度，最大光束偏离度为 $\frac{\mathrm{\ΔL}}{D}=0.11,$ 其中ΔL为输出光束的分离距离，D为双折射光学平板的长度，使光束沿水平方向分开，输出光束9和10，11和12之间的相邻距离为4.4mm，输出光束9，10和输出光束11，12之间的垂直距离为18mm。在2×4的四通道输出的90°空间光桥接器中，采用图4(b)的结构时，设计透镜06的焦距为20mm，采用方解石的检偏器，在最大化分离设计下，光轴取向为48度，尺寸为长度×宽度×高度＝40mm×40mm×40mm，输出光束9和10，11和12之间的相邻距离为4.4mm，输出光束9，10和输出光束11，12之间的垂直距离为7.28mm。

Claims (5)

1.一种差动光栅空间光桥接器，其特征在于，它包括2×2的90度和180度空间光桥接器和2×4的90度空间光桥接器；所述的2×2的90度和180度空间光桥接器仅由一块差动光栅(01)构成；所述的2×4的90度空间光桥接器，由差动光栅(01)，准直透镜(06)，偏振分束器(07)和(08)或者一个检偏双折射元件(13)构成，各元部件的位置关系是：沿光线的行进方向依次是差动光栅(01)，准直透镜(06)，偏振分束器(07)和(08)或者一个检偏双折射元件(13)。

2.根据权利要求1所述的差动光栅空间光桥接器，其特征在于，所述的2×2的90度和180度空间光桥接器即差动光栅(01)是在一块光栅上具有两个相互错开的周期相同的周期性空间结构，这种结构有两种：结构一是一块光栅上有一分为二的两个面积相同的区域，其中一个区域刻有空间频率为f_c的周期性结构，另一个区域刻有以第一个区域的刻槽中心线为基线平行移动一微小距离Δ的相同空间周期结构，其Δ＜1/f_c，对于2×2的90度空间光桥接器，差动量为 $\mathrm{\Δ}=\frac{1}{8f_c};$ 对于2×2的180度空间光桥接器，差动量为 $\mathrm{\Δ}=\frac{1}{4f_c};$ 结构二是光栅上有两个平行错开的周期性空间结构，相同的刻槽中心线相距一微小距离Δ，Δ＜1/f_c，对于2×2的90度桥接器，相距距离为 $\mathrm{\Δ}=\frac{1}{8f_c},$ 对于2×2的180度桥接器，相距距离为 $\mathrm{\Δ}=\frac{1}{4f_c}.$

3.根据权利要求1所述的差动光栅空间光桥接器，其特征在于，所述的2×4的90度差动光栅空间光桥接器的差动光栅(01)的结构和2×2的90度桥接器相同，它位于准直透镜(06)的前焦平面。

4.根据权利要求1所述的差动光栅空间光桥接器，其特征在于，所述的2×4的90度差动光栅空间光桥接器的偏振分束器(07)和(08)是把入射光分为光矢量振动方向相互垂直的等光强的分束器，其主截面和入射的其中一个线偏振光如信号光(02)或本振光(03)的光矢量振动方向之间的夹角为45度，其入射面垂直入射光线方向；偏振分束器(07)和(08)其两个入射面对齐平行放置。

5..根据权利要求1所述的差动光栅空间光桥接器，其特征在于，所述的2×4的90度差动光栅空间光桥接器的的双折射检偏器(13)其主截面和入射的其中一个线偏振光如信号光(02)或本振光(03)的光矢量振动方向之间的夹角为45度，其入射表面垂直入射光线方向。

Images