CN101561555A - 精密光栅调整空间光桥接器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种精密光栅调整空间光桥接器，两通道输入－两通道输出的90度和180度空间光桥接器由四块周期相同、结构相同的光栅和一个精密位移控制器构成，两通道输入－四通道输出的90度空间光桥接器由四块周期相同、结构相同的光栅，一个精密位移控制器和两个偏振分束器组成。本空间光桥接器具有体积小，重量轻和相位连续可调的特点。对于2×2的90度空间光桥接器，还有不必浪费50％能量的优点。适用于空间桥接的相干探测和通信系统。

Description

精密光栅调整空间光桥接器

技术领域

本发明涉及相干激光通信，是一种精密光栅调整空间光桥接器，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2×290度，2×2180度，2×490度桥接。

背景技术

光学桥接器在相干光通信系统中，将信号激光和本振激光进行链接并使之产生需要的相移，是重要的关键器件之一，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。在自由空间光桥接中，先技术[1]，[2](参见文献1：WalterR.leeb.Realization o f 90°and 180°Hybrids for Optical Frequencies[C].Band 37[1983]，Heft 5/6：203-206.文献2：R.Garreis，C.Zeiss，″90°optical hybrid 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。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明提供一种精密调整光栅空间光桥接器。本发明具有可进行相位控制，体积小，重量轻和宽光谱使用的优点。它适用于自由空间传播的相干探测和通信系统。

本发明解决上述技术问题的技术方案如下：

一种精密光栅调整空间光桥接器，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2×2的90度和180度空间光桥接器，由四块周期相同，结构相同的光栅01，光栅02，光栅03，光栅04和一个精密位移控制器13构成，上述各元部件的位置关系是：四块光栅组成一个菱形结构，光栅01，光栅02，光栅03，光栅04分别位于菱形的四个角上，光栅01和光栅02以菱形的水平对角线为中心轴相对放置，光栅03和光栅04沿菱形的垂直对角线为中心轴相对放置，精密位移控制器13加于光栅02上，可使光栅02进行高精度的微量位移移动；所述2×4的90度空间光桥接器，由光栅01，光栅02，光栅03，光栅04，精密位移控制器13，偏振分束器14和偏振分束器15构成，上述各元部件的位置关系是：光栅01，光栅02，光栅03，光栅04以及精密位移控制器13的位置和所述2×2的90度空间光桥接器相同，偏振分束器14位于光栅04的正后面，偏振分束器15位于光栅03的正后面。

上述的2×2的90度精密光栅调整空间光桥接器，光栅01光栅03，光栅04固定，光栅02可由精密步进位移控制器13微调产生精密位移偏离，偏离中心轴的位移量Δ满足 $\mathrm{\Δ}=\frac{m}{f_c}+\frac{1}{8f_c},$ m＝±1，±2，......，为整数，f_c为光栅的空间频率。

上述的2×2的180度精密光栅调整空间光桥接器，光栅01光栅03，光栅04固定，光栅02可由精密步进位移控制器13微调产生精密位移偏离，偏离中心轴的位移量Δ满足 $\mathrm{\Δ}=\frac{m}{f_c}+\frac{1}{4f_c},$ m＝±1，±2，......，为整数，f_c为光栅的空间频率。

上述的精密位移控制器13是能产生位移分辨率为≥0.01μm的精密位置调整器。

上述的2×4的90度精密光栅调整空间光桥接器，偏振分束器14和15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05或本振光06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。

上述的2×4的90度精密光栅调整空间光桥接器，偏振分束器14其入射表面和光栅04表面平行，偏振分束器15其入射表面和光栅03表面平行。

本发明与现有技术比较的益效是：本发明利用光栅的基本衍射性质实现两输入光束的分光并合束，进行空间桥接，精密控制光栅的相对位移产生所需相移，进而实现相干探测所需的空间光桥接器。由提供于光栅的体积和重量都可以做的很小，且对任意波长皆可用，因此本发明具有可进行相位控制，体积小，重量轻和宽光谱使用的特点，在本发明中，不管是180度的桥接器还是90度的桥接器，除插入损耗和衍射损耗外，能量全部利用，而先技术[1]中的2×290度空间光桥接器，除插入损耗外要白白浪费50％的能量。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是本发明光栅相移原理图。

图2是本发明2×2的90度和180度精密光栅调整空间光桥接器结构示意图。

图3是本发明2×4的90度和180度精密光栅调整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例对本发明作进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。

本发明的2×2的90度和180度精密光栅调整空间光桥接器结构如图2所示，由01，02，03，04四块光栅和一个精密位移调整器13组成，这四块光栅具有相同的结构和相同的周期。放置的位置特点是：四块光栅组成一个菱形结构，光栅01，02，03，04分别位于菱形的四个角上，光栅01和光栅02以菱形的水平对角线为中心轴正相对放置，光栅03和光栅04以菱形的垂直对角线为中心轴正相对放置，其中光栅02由精密的微量步进位移调整器13控制，其分辨率要求为≥0.01μm，当信号光05本振光06分别从光栅01和光栅02对称入射时，微调光栅02相对中心轴产生一个偏移量，当偏移量满足公式(1)时，为2×2的90°空间光桥接器，当偏移量满足公式(2)时为2×2的180°空间光桥接器。

其中：

公式(1)是 $\mathrm{\Δ}=\frac{m}{f_c}+\frac{1}{8f_c}$

式(1)中，m＝±1，±2，......，为整数，f_c为光栅的空间频率。

公式(2)是 $\mathrm{\Δ}=\frac{m}{f_c}+\frac{1}{4f_c}$

式(2)中，m＝±1，±2，......，为整数，f_c为光栅的空间频率。

在本实施实例中，桥接器采用正菱形结构，信号光和本振光垂直光栅01和02对称入射，以入射光方向为中心轴，信号光和本振光分别被衍射成与入射方向成±45度角的光束07、08、09和10，组成一个正菱形，光栅01、02、03和04分别位于正菱形的四个角上。设入射光束的尺寸都为3mm，光栅尺寸为长度×宽度＝10mm×10mm，光栅的空间周期为f_c＝500/1mm，当光栅02相对中心轴的位移偏差量为Δ＝(2m+0.25)μm，m＝±1，±2，......为整数时，输出光束11、12的相对相位差为90度，为2×2的90°空间光桥接器。当光栅02相对中心轴的位移偏差量为Δ＝(2m+0.5)μm，m＝±1，±2，......为整数时，输出光束11、12的相对相位差为180度，为2×2的180°空间光桥接器。光栅02由压电陶瓷的微量步进装置控制，可进行精密位移调节，精度为0.01μm。

本发明的2×4的90°空间光桥接器其结构如图3所示。在2×2的90°空间光桥接器中，分别于光栅03和光栅04的后边放置一个偏振分束器14和15，偏振分束器的主截面和入射的本振光06的光矢量振动方向之间的夹角为45度，入射表面垂直光线入射方向。当光栅02相对中心轴的位移偏差量为Δ＝(2m+0.25)μm，m＝±1，±2，......为整数时，从偏振分束器14和15输出的四束光16、17、18、19可产生相对相移为90度的信号/本振合成光束，即实现2×4的90°空间光桥接器。本实施实例中，光栅尺寸和光栅周期，精密位移调整器都和上述2×2的90°空间光桥接器的实施实例相同，偏振分束器采用方解石双折射光学平板构成，两个偏振分束器结构相同，尺寸为长度×宽度×高度＝40mm×20mm×10mm，采用最大化分离设计，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16和17，18和19之间的分离距离为4.4mm。

Claims (6)

1.一种精密光栅调整空间光桥接器，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2×2的90度和180度空间光桥接器，由四块周期相同，结构相同的光栅(01)，光栅(02)，光栅(03)，光栅(04)和一个精密位移控制器(13)构成，上述各元部件的位置关系是：四块光栅组成一个菱形结构，光栅(01)，光栅(02)，光栅(03)，光栅(04)分别位于菱形的四个角上，光栅(01)和光栅(02)以菱形的水平对角线为中心轴相对放置，光(03)和光栅(04)沿菱形的垂直对角线为中心轴相对放置，精密位移控制器(13)加于光栅(02)上，可使光栅(02)进行高精度的微量位移移动；所述2×4的90度空间光桥接器，由光栅(01)，光栅(02)，光栅(03)，光栅(04)，精密位移控制器(13)，偏振分束器(14)和偏振分束器(15)构成，上述各元部件的位置关系是：光栅(01)，光栅(02)，光栅(03)，光栅(04)以及精密位移控制器(13)的位置和所述2×2的90度空间光桥接器相同，偏振分束器(14)位于光栅(04)的正后面，偏振分束器(15)位于光栅(03)的正后面。

2.根据权利要求1所述的一种精密光栅调整空间光桥接器，其特征在于，所述的2×2的90度精密光栅调整空间光桥接器，光栅(01)光栅(03)，光栅(04)固定，光栅(02)可由精密步进位移控制器(13)微调产生精密位移偏离，偏离中心轴的位移量Δ满足 $\mathrm{\Δ}=\frac{m}{f_c}+\frac{1}{8f_c},$ m＝±1，±2，......，为整数，f_c为光栅的空间频率。

3.根据权利要求1所述的一种精密光栅调整空间光桥接器，其特征在于，所述的2×2的180度精密光栅调整空间光桥接器，光栅(01)光栅(03)，光栅(04)固定，光栅(02)可由精密步进位移控制器(13)微调产生精密位移偏离，偏离中心轴的位移量Δ满足 $\mathrm{\Δ}=\frac{m}{f_c}+\frac{1}{4f_c},$ m＝±1，±2，......，为整数，f_c为光栅的空间频率。

4.根据权利要求1所述的2×2的90度和180度精密光栅调整空间光桥接器，其特征在于所述的精密位移控制器(13)是能产生位移分辨率为≥0.01μm的精密位置调整器。

5.根据权利要求1所述的一种精密光栅调整空间光桥接器，其特征在于，所述的2×4的90度精密光栅调整空间光桥接器，偏振分束器(14)和(15)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(05)或本振光(06)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。

6.根据权利要求1所述的一种精密光栅调整空间光桥接器，其特征在于，所述的2×4的90度精密光栅调整空间光桥接器，偏振分束器(14)其入射表面和光栅(04)表面平行，偏振分束器(15)其入射表面和光栅(03)表面平行。

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