CN101561560A - 偏振分束双折射空间光桥接器 - Google Patents

Abstract

一种偏振分束双折射空间光桥接器，其特点是由第一1/8波片，第二1/8波片、偏振分束器、第一双折射光学平板和第二双折射光学平板构成，沿第一光束前进方向依次是所述的第一1/8波片、所述的偏振分束器的第一入射面、第一出射面、第一双折射光学平板，沿第二光束前进方向依次是所述的第二1/8波片、所述的偏振分束器的第二入射面、第二出射面、第二双折射光学平板，所述的第一双折射光学平板的主截面与第一1/8波片的主截面平行，第二双折射光学平板的主截面与第二1/8波片的主截面平行。本发明具有结构紧凑，性能稳定，相位可调等优点。适用于自由空间传输的相干激光通信系统。

Description

偏振分束双折射空间光桥接器

技术领域

本发明涉及相干激光通信，具体是两路输入四路输出的相位可调节的偏振分束双折射空间光桥接器，偏振分束器将两输入光束进行空间耦合并分成四路合成光束输出，1/8波片产生可调节的相移，在相干激光通信中用于空间复合激光信号光束和本机振荡激光光束，并根据需要产生可进行相位控制的90度2×4空间光桥接器。

背景技术

大容量高码率、小型轻量化和低功耗的星载激光通信终端在军事和民用上都具有重大应用前景。由于相干激光通信的接收机灵敏度比非相干光通信的灵敏度高一个量级以上，并可采取多种调制方式，增加接收机选择性，是实现新一代轻量化、高码率星间激光通信系统的关键技术。在相干激光通信接收机中，需要光桥接器将信号激光和本振激光进行合成并产生相移后才能链接到光电接收机，是相干激光通信系统中的关键器件之一，光桥接器的性能很大程度上影响着相干激光通信系统的接收性能。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。在光纤通信系统中，光学桥接器利用光纤和波导集成的方案进行，但这些适用于光纤通信系统的光学桥接器不能满足空间激光通信的需求，不属于空间光桥接器，因为在自由空间激光通信系统中，所接收的光信号不仅要用于探测通信信息还要进行位置信息提取以进行光学精密跟踪，对于自由空间激光通信终端，光桥接器必须是空间自由传播的。在自由空间光桥接中，在先技术[1]，[2](参见文献1：Walter R.leeb.Realization of90°and 180°Hybrids for Optical Frequencies[C].

，Band 37[1983]，Heft5/6：203-206.文献2：R.Garreis，C.Zeiss，″90°optical hybrid for coherentreceivers，″Proc.SPIE，Vol.1522，pp.210-219，1991.)提出了采用偏振分束器结合1/4波片，非偏振分束器结合1/4波片实现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，不易集成等缺点。在先技术[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2×4的90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，但在先技术【3】具有进行相位控制时需对每块晶片加电压并进行电压调节，工艺复杂，在先技术【4】则具有不能进行相位控制的缺点。

发明内容

本发明的目的在于克服上述在先技术的不足，提供一种偏振分束双折射空间光桥接器，该偏振分束双折射空间光桥接器应具有结构紧凑，性能稳定，相位可调等优点。适用于自由空间传输的相干激光通信系统。

本发明的技术解决方案如下：

一种偏振分束双折射空间光桥接器，其特点是由第一1/8波片，第二1/8波片、偏振分束器、第一双折射光学平板和第二双折射光学平板构成，所述的偏振分束器有两个方向相互垂直的第一入射面和第二入射面，两个方向相互垂直的第一出射面和第二出射面，沿第一光束前进方向依次是所述的第一1/8波片、所述的偏振分束器的第一入射面、第一出射面、第一双折射光学平板，沿第二光束前进方向依次是所述的第二1/8波片、所述的偏振分束器的第二入射面、第二出射面、第二双折射光学平板，所述的第一双折射光学平板的主截面与第一1/8波片的主截面平行，第二双折射光学平板的主截面与第二1/8波片的主截面平行。

所述的1/8波片的快轴或者慢轴具有以入射光线为中心轴的转动机构。

所述的偏振分束器是把输入光束分成两个振动方向相互垂直的线偏振光的分束器。

所述的第一双折射光学平板、第二双折射光学平板是单轴双折射晶体平板构成的，第一双折射光学平板和第二双折射光学平板的入射面和出射面为光学抛光面。

所述的单轴双折射晶体为方解石、钒酸钇、α-BBO或铌酸锂晶体。

本发明偏振分束双折射空间光桥接器采用偏振分束器实现两输入光束的分光合成，两个1/8波片分别产生45度的相移，双折射光学平板将相同偏振态的光进行分束产生四路具有相对相位差为90度合成光束输出，2×4的90度空间光桥接器。通过旋转1/8波片的光轴方向可对输出的合成光束之间的相位差进行调节，进而补偿由于加工和装配误差造成的相位误差。因此本发明具有结构紧凑，性能稳定，可进行相位校准的优点。适用于自由空间传播的相干激光通信系统。

附图说明

图1是本发明偏振分束双折射空间光桥接器实施例结构的示意图。

图2是双折射光学平板主截面内晶体光轴取向和光束偏离的示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例进一步详细说明本发明，但不应以此限制本发明的保护范围。

本发明偏振分束双折射空间光桥接器的结构如图1所示，包括第一1/8波片3、第二1/8波片4、偏振分束器5、第一双折射光学平板6和第二双折射光学平板7。其中：输入光为第一光束1和第二光束2，输出光为四光束：光束12，光束13，光束14和光束15。偏振分束器5具有第一入射面8和第二入射面9，第一出射面10和第二出射面11。第一1/8波片3放在偏振分束器5的第一入射面8的前面，第二1/8波片4放在偏振分束器5的第二入射面9的前面，它们的快轴或慢轴能以入射光线为轴进行转动。第一双折射光学平板6位于偏振分束器的第一出射面10的后面，第二双折射光学平板7位于偏振分束器的第二出射面11的后面。

第一双折射光学平板6和第二双折射光学平板7为单轴晶体光学平板，其垂直于光线行进方向的入射面和出射面为光学抛光面，其晶体光轴取向为θ，定义为o光波法线方向与光轴的夹角。双折射光学平板的主截面为晶体光轴、o光和e光所处的公共平面。第一1/8波片3的快轴或慢轴和第一双折射光学平板6的主截面平行，第二1/8波片4的快轴或慢轴和第二双折射光学平板7的主截面平行。

本实施例中，信号激光1和本振激光2分别为信号光1和本振光2，沿垂直于偏振分束器5的两个入射面的方向入射，分别依次通过1/8波片，偏振分束器和双折射光学平板。使第一1/8波片3的快轴或慢轴和入射的信号光1的光矢量振动方向成45度角，第二1/8波片4的快轴或慢轴和入射的本振光2的光矢量振动方向成45度角，设入射的信号光1和本振光2的光矢量分别为：

${\stackrel{\→}{E}}_{S0}=A_s\left(\begin{array}{c}1\\ 1\end{array}\right),---\left(1\right)$

其中：A_s，A_l分别为信号光、本振光的复振幅，

为光桥接器输入端信号光和本振光的初始相位差。分别经第一1/8波片3和第二1/8波片4后，变为：

${\stackrel{\→}{E}}_{S1}=\frac{A_s}{\sqrt{2}}\left(\begin{array}{c}1\\ e^{i\frac{\mathrm{\π}}{4}}\end{array}\right),---\left(3\right)$

经偏振分束器5后从第一出射面10和第二出射面11出来的光场变为：

其中：k_t、k_r为偏振分束器的透射和反射系数，

为透射和反射时的相位变化。使第一双折射光学平板6的主截面和第一1/8波片3的快轴或慢轴平行放置，第二双折射光学平板7的主截面和第二1/8波片4的快轴或慢轴平行放置，这样，从第一双折射光学平板6和第二双折射光学平板7输出的四束光束12，13，14，15的光强表达式分别为：

设计偏振分束器5使其具有如下的性质：

其中：n＝1，2，3，......，为整数。

这样，2×4的90°空间光桥接器得以实现。

如果把第一1/8波片3的光轴以第一光束1为轴旋转一个小角度δ，第一光束1通过它后，两个相互垂直的偏振分量的相位差不再是45度，而变为：因此，最后的四束输出光束12，13，14和15的光强分别变为：

可见：旋转1/8波片的光轴可调整各输出光束的相对相位差，以补偿由于加工和装配过程中的误差造成的输出光束的相位偏差。因此，本发明2×4的90°空间光桥接器具有相位校准的功能。

本发明中，第一双折射光学平板6和第二双折射光学平板7可由一整块双折射光学平板按厚度切割分成，其中双折射光学平板主截面内晶体光轴取向和光束偏离的示意图见图2。一般情况下为获得较大的光束偏离，采用光束偏离最大化设计。在最大偏离角条件下，对于负轴晶体，光轴取向为：

${\mathrm{\θ}}_m=\arctan \frac{n_o}{n_e}---\left(12\right)$

而双折射光学平板晶体的光轴取向θ和光束的偏离角α之间的关系为：

$\mathrm{tg\α}=(1-\frac{n_o^2}{n_e^2})\frac{\mathrm{tg\θ}}{1+\frac{n_o^2}{n_e^2}{\mathrm{tg}}^2\mathrm{\θ}}---\left(13\right)$

相应的光束分离距离为：

ΔL＝Dtanα_m    (14)

其中D为双折射平板的沿o光传播的长度。

本实施例中，第一双折射光学平板6和第二双折射光学平板7采用方解石晶体，并采取最大化光束偏离设计。

本实施例中，第一光束1和第二光束2的直径取为φ2mm。所述的第一1/8波片3和第二1/8波片4的入射面尺寸为：长×宽＝10mm×10mm，偏振分束器5为镀干涉膜的偏振分束镜，尺寸为：，长×宽×高＝20mm×20mm×20mm，第一双折射光学平板6、第二双折射光学平板7的结构尺寸完全相同，为一整块方解石双折射光学平板按厚度切割而成。设使用波长为1064nm，由方解石的色散方程算出在此波长上的主折射率为n_o＝1.6423，n_e＝1.4797，设计方解石平板6和方解石平板7的尺寸为长×宽×高＝40mm×20mm×10mm，光轴取向为θ_m＝48°，最后输出光束12和13，14和15的分离距离约为4.4mm。

Claims (5)

1、一种偏振分束双折射空间光桥接器，其特征在于由第一1/8波片(3)，第二1/8波片(4)、偏振分束器(5)、第一双折射光学平板(6)和第二双折射光学平板(7)构成，所述的偏振分束器(5)有两个方向相互垂直的第一入射面(8)和第二入射面(9)，两个方向相互垂直的第一出射面(10)和第二出射面(11)，沿第一光束(1)前进方向依次是所述的第一1/8波片(3)、所述的偏振分束器(5)的第一入射面(8)、第一出射面(10)、第一双折射光学平板(6)，沿第二光束(2)前进方向依次是所述的第二1/8波片(4)、所述的偏振分束器(5)的第二入射面(9)、第二出射面(11)、第二双折射光学平板(7)，所述的第一双折射光学平板(6)的主截面与第一1/8波片(3)的主截面平行，第二双折射光学平板(7)的主截面与第二1/8波片(4)的主截面平行。

2、根据权利要求1所述的偏振分束双折射空间光桥接器，其特征在于所述的1/8波片的快轴或者慢轴具有以入射光线为中心轴的转动机构。

3、根据权利要求1所述的偏振分束双折射空间光桥接器，其特征在于所述的偏振分束器(5)是把输入光束分成两个振动方向相互垂直的线偏振光的分束器。

4、根据权利要求1所述的偏振分束双折射空间光桥接器，其特征在于所述的第一双折射光学平板(6)、第二双折射光学平板(7)是单轴双折射晶体平板构成的，第一双折射光学平板(6)和第二双折射光学平板(7)的入射面和出射面为光学抛光面。

5、根据权利要求1所述的偏振分束双折射空间光桥接器，其特征在于所述的单轴双折射晶体为方解石、钒酸钇、α-BBO或铌酸锂晶体。

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