CN102221728B - 一种自由空间的光混合器 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种自由空间的光混合器，其特征在于：包括一偏振相关的分光器将光束S、L分别分离成水平偏振态光束Sx、Lx和垂直偏振态光束Sy、Ly，至少一双折射晶体将上述水平偏振态光束Sx、Lx，垂直偏振态光束Sy、Ly分成光束Sxo、Sxe、Lxo、Lxe、Syo、Sye、Lyo、Lye，后分别借由合光器合成光束Sxo+Lxo、光束Sxo-Lxo、光束Sxe+jLxe、光束Sxe-jLxe、光束Syo+Lyo、光束Syo-Lyo、光束Sye+jLye、光束Sye-jLye借由端口输出。本发明具有的优点为：利用双折射晶体实现自由空间的光混合器，使其不同偏振态的光束在自由空间很好分开，该光混合器的结构更加紧凑、稳定性更好。

Description

一种自由空间的光混合器
技术领域
本发明涉及相干检测装置，特别涉及结构紧凑、分光比高、稳定性更好的光混合器。 
背景技术
光学相干接收机要求该信号的偏振态和参考光束是一样的，而先前技术的光混合器不能灵活控制其偏振态，因此，通过额外增加一干涉控制器来确保该偏振态的。 
现有技术的光混合器一般通过使用两个50/50-beam分光器和两个光束合成器，加上一个90度相位切换器。这些光混合用于实现全光纤或平面波导技术，但两种方法都有各自的缺点。这两种技术需要精密的温度控制电路，以维持精确的光路长度差，以维持在一个准确的输出光的相位。此外，基于光纤设备本身体积庞大，而且对于机械冲击和振动不稳定；而波导为基础的产品遭受来自高插入损耗，高偏振依赖性和制造业产量的问题。波导为基础的产品不仅不灵活且费用高。 
发明内容
本发明为了结构更加紧凑，稳定性更好，利用双折射晶体将同一偏振态的光束在自由空间分离。 
为了实现所述目的，本发明一种自由空间的光混合器，其特征在于：包括一偏振分光器将光束S、L分别分离成水平偏振态光束Sx、Lx和垂直偏振态光束Sy、Ly，至少一双折射晶体将上述水平偏振态光束Sx、Lx，垂直偏振态光束Sy、Ly分成光束Sxo、Sxe、Lxo、Lxe、Syo、Sye、Lyo、Lye，后分别借由合光器合成光束Sxo+Lxo、光束Sxo-Lxo、光束 Sxe+jLxe、光束Sxe-jLxe、光束Syo+Lyo、光束Syo-Lyo、光束Sye+jLye、光束Sye-jLye借由端口输出，其中，光束 Sxo+Lxo，Sxe+jLxe，Sxo-Lxo，Sxe-jLxe是S与L光在X偏振态下的混合光束，四束光的S光与L光的相位关系分别是 pi_0+0，pi_0+pi/2，pi_0+pi，pi_0+pi3/2； 
其中光束Syo+Lyo，Sye+jLye，Syo-Lyo，Sye-jLye是S与L光在Y偏振态下的混合光束，四束光的S光与L光的相位关系分别是 
pi_0+0，pi_0+pi/2，pi_0+pi，pi_0+pi3/2。 
其中，较佳方案为：偏振分光器为PBS或者双折射晶体。 
其中，较佳方案为：所述偏振分光器和双折射晶体之间设有四分之一玻片，将偏振分光器出射的光束转换成圆偏振光。 
其中，较佳方案为：包括若干相位调节器置于双折射晶体和合光器之间，以调节各光路径。所述相位调节器为玻璃平板或硅平板。 
其中，较佳方案为：还包括一第一双折射晶体用以接收分光器分离的光束Sx、光束Lx，通过所述第一双折射晶体分离成光束Sxo、Sxe、Lxo、Lxe。 
其中，较佳方案为：还包括一第二双折射晶体用以接收分光器分离的光束Sy、光束Ly，通过所述第二双折射晶体分离成光束Syo、Sye、Lyo、Lye。 
其中，较佳方案为：所述双折射晶体的右侧设有一第一合光器，将所述通过双折射晶体后的光束Sxo、Sxe、Lxo、Lxe合成光束Sxo+Lxo、光束Sxo-Lxo、光束Sxe+jLxe、光束Sxe-jLxe。 
其中，较佳方案为：所述双折射晶体的右侧设有一第二合光器，将所述通过双折射晶体后的光束Syo、Sye、Lyo、Lye合成光束Syo+Lyo、光束Syo-Lyo、光束Sye+jLye、光束Sye-jLye。 
其中，较佳方案为：所述光束Sxo+Lxo、光束Sxe+jLxe、光束Sxo-Lxo、光束Sxe-jLxe、光束Syo+Lyo、光束Sye+jLye、光束Syo-Lyo、光束Sye-jLye经过反射镜、透镜汇聚于相应的探测PD接收。 
其中，较佳方案为：所述双折射晶体为金红石、蓝宝石、钒酸钇晶体YV04、氟化镁晶体MgF2、偏硼酸钡a--BaB204晶体、铌酸锂和石英晶体中的一种。 
这样本发明具有的优点为：利用双折射晶体实现自由空间的光混合器，使其不同偏振态的光束在自由空间很好分开，该光混器的结构更加紧凑、稳定性更好。 
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明一种自由空间的光混合器的光路结构进一步说明。 
图1为本发明一种自由空间的光混合器的第一实施例的光路结构图。 
图2为本发明一种自由空间的光混合器的第二实施例的光路结构图。 
图3为本发明一种自由空间的光混合器的第三实施例的光路结构图。 
具体实施方式
下面结合附图对本发明自由空间的光混合器的工作原理做进一步说明。 
如图1所示：该光混合器10包括一偏振分光器11，一三角形棱镜12，一双折射晶体13以及第一合光器14，以及第二合光器15，所述偏振分光器11的底部设置有三角形棱镜12，所述三角形棱镜12的斜边121内部镀有反射膜122，两直角边123、124镀有增透膜，其中，所述三角形棱镜12和偏振分光器11合为一体，所述偏振分光器的右手边依次设置有双折射晶体13以及合光器14、15。 
其中，所述双折射晶体13和第一、二合光器14、15之间在八路光路径上设置有第一相位调节器161、第二相位调节器162、第三相位调节器163、第四相位调节器164、第五相位调节器165、第六相位调节器166、第七相位调节器167以及第八相位调节器168。所述相位调节器由典型的玻璃平板组成，通过调节该玻璃平板和光束的入射角度，从而调节各光路的光程。 
其中，所述偏振分光器11和双折射晶体13之间设有四分之一玻片71，将 偏振分光器11出射的光束转换成圆偏振光。 
其中，所述双折射晶体13为金红石、蓝宝石、钒酸钇晶体YV04、氟化镁晶体MgF2、偏硼酸钡a--BaB204晶体、铌酸锂和石英晶体中的一种。第一、二入射光束S、L通过上述光混合器10后，借由第一端口1、第二端口2、第三端口3、第四端口4、第五端口5、第六端口6、第七端口7以及第八端口8分别输出第一干涉光束Sxo+Lxo、第二干涉光束Sxo-Lxo、第三干涉光束Sxe+jLxe、第四干涉光束Sxe-jLxe、第五干涉光束Syo+Lyo、第六干涉光束Syo-Lyo、第七干涉光束Sye+jLye和第八干涉光束Sye-jLye。其中，所述第一入射光束S借由所述偏振分光器11的分光膜111反射50％第一水平偏振态光束Sx，透射50％第一垂直偏振态光束Sy；所述第二入射光束L同样借由所述偏振分光器11的分光膜111反射50％第二水平偏振态光束Lx，透射50％第二垂直偏振态光束Ly，所述第一水平偏振态光束Sx经由所述双折射晶体13分离成相互垂直的光束Sxo和光束Sxe；所述第二水平偏振态光束Lx经由所述双折射晶体13分离成相互垂直的光束Lxo和光束Lxe；所述第一垂直偏振态光束Sy经由所述双折射晶体13分离成相互垂直的光束Syo和光束Sye；所述第二垂直偏振态光束Ly经由所述双折射晶体13分离成相互垂直的光束Lyo和光束Lye，上述光束Sxo和光束Lxo经由第一合光器14干涉为两路第一干涉光束Sxo+Lxo、第二干涉光束Sxo-Lxo借由第一、二端口1、2输出，上述光束Sxe和光束Lxe经由第一合光器14干涉为两路第三干涉光束Sxe+jLxe、第四干涉光束Sxe-jLxe借由第三端口3、第四端口4输出，第三上述光束Syo和光束Lyo经由第二合光器15干涉为两路第五干涉光束Syo+Lyo以及第六干涉光束Syo-Lyo借由第五、六端口5、6输出，上述光束Sye和光束Lye经由第二合光器15干涉为两路第七干涉光束Sye+jLye和第八干涉光束Sye-jLye借由第七端口7、第八端口8输出。 
这样，其中Sxo+Lxo，Sxe+jLxe，Sxo-Lxo，Sxe-jLxe是S与L光在X偏振态下的混合光束，四束光的S光与L光的相位关系分别是 
pi_0+0，pi_0+pi/2，pi_0+pi，pi_0+pi 3/2。 
其中Syo+Lyo，Sye+jLye，Syo-Lyo，Sye-jLye是S与L光在Y偏振态下的混合光 束，四束光的S光与L光的相位关系分别是 
pi_0+0，pi_0+pi/2，pi_0+pi，pi_0+pi 3/2。 
图1为本发明自由空间的光混合器的第二实施例光路结构图，如图2所示：该光混合器20包括一偏振分光器21、第一双折射晶体22、第二双折射晶体23以及第一合光器24，以及第二合光器25，所述偏振分光器21的底部设置有第一双折射晶体22以及第一合光器24；所述偏振分光器的右手边依次设置有第二双折射晶体23以及第二合光器25。 
所述第一双折射晶体22和第一合光器24之间的四路光路径上设置有第一相位调节器261、第二相位调节器262、第三相位调节器263、第四相位调节器264，所述第二双折射晶体和第二合光器25之间四路光路径上设有第五相位调节器265、第六相位调节器266、第七相位调节器267以及第八相位调节器268。所述相位调节器可以以典型的玻璃平板组成，通过调节该玻璃平板和光束的入射角度，从而调节各光路的光程。 
其中，所述双折射晶体为金红石、蓝宝石、钒酸钇晶体YV04、氟化镁晶体MgF2、偏硼酸钡a--BaB204晶体、铌酸锂和石英晶体中的一种。 
第一、二入射光束S、L通过上述光混合器20后，借由第一端口1、第二端口2、第三端口3、第四端口4、第五端口5、第六端口6、第七端口7以及第八端口8分别输出第一干涉光束Sxo+Lxo、第二干涉光束Sxo-Lxo、第三干涉光束Sxe+jLxe、第四干涉光束JSxe-jLxe、第五干涉光束Syo+Lyo、第六干涉光束Syo-Lyo、第七干涉光束Sye+jLye和第八干涉光束Sye-jLye。其中，所述第一入射光束S借由所述偏振分光器21的分光膜211反射50％第一水平偏振态光束Sx，透射50％第一垂直偏振态光束Sy；所述第二入射光束L同样借由所述偏振分光器21的分光膜211反射50％第二水平偏振态光束Lx，透射50％第二垂直偏振态光束Ly，所述第一水平偏振态光束Sx经由所述第一双折射晶体22分离成相互垂直的光束Sxo和光束Sxe；所述第二水平偏振态光束Lx经由所述第第一双折射晶体22分离成相互垂直的光束Lxo和光束Lxe；所述第一垂直偏振态光束Sy经由所述第二双折射晶体23分离成相互垂直的光束Syo和光束Sye；所述第二垂直偏振态光束Ly经由所 述第二双折射晶体23分离成相互垂直的光束Lyo和光束Lye，上述光束Sxo和光束Lxo经由第一合光器24干涉为两路第一干涉光束Sxo+Lxo、第二干涉光束Sxo-Lxo借由第一、二端口1、2输出，上述光束Sxe和光束Lxe经由第一合光器24干涉为两路第三干涉光束Sxe+jLxe、第四干涉光束Sxe-jLxe借由第三端口3、第四端口4输出，第三上述光束Syo和光束Lyo经由第二合光器2干涉为两路第五干涉光束Syo+Lyo以及第六干涉光束Syo-Lyo借由第五、六端口5、6输出，上述光束Sye和光束Lye经由第二合光器25干涉为两路第七干涉光束Sye+jLye和第八干涉光束Sye-jLye借由第七端口7、第八端口8输出。 
其中，所述光束Sxo+Lxo，Sxe+jLxe，Sxo-Lxo，Sxe-jLxe是S与L光在X偏振态下的混合光束，四束光的S光与L光的相位关系分别是pi_0+0，pi_0+pi/2，pi_0+pi，pi_0+pi3/2。 
其中，所述光束Syo+Lyo，Sye+jLye，Syo-Lyo，Sye-jLye是S与L光在Y偏振态下的混合光束，四束光的S光与L光的相位关系分别是pi_0+0，pi_0+pi/2，pi_0+pi，pi_0+pi3/2。 
图3为本发明自由空间的光混合器包括监测PD的光路结构图，如图3所示：所述光束Sxo+Lxo、光束Sxe+jLxe、光束Sxo-Lxo、光束Sxe-jLxe、光束Syo+Lyo、光束Sye+jLye、光束Syo-Lyo、光束Sye-jLye经过出射端口出射，光束Sxo+Lxo、光束Sxo-Lxo分别经过反射镜81、82反射后借由一个光监测基板91上的PD90接收监测；所述光束Sxe+jLxe、光束Sxe-jLxe经过出射端口出射，光束Sxo+Lxo、光束Sxo-Lxo分别经过反射镜83、84反射后借由一个光监测基板92上的PD90接收监测；所述光束Syo+Lyo、光束Syo-Lyo经过出射端口出射，光束Sxo+Lxo、光束Sxo-Lxo分别经过反射镜85、86反射后借由一个光监测基板93上的PD90接收监测；所述光束Sye+jLye、光束Sye-jLye经过出射端口出射，光束Sxo+Lxo、光束Sxo-Lxo分别经过反射镜87、88反射后借由一个光监测基板94上的PD90接收监测。 
这样本发明具有的优点为：利用双折射晶体实现自由空间的光混合器，使其不同偏振态的光束在自由空间很好分开，该光混器的结构更加紧凑、稳 定性更好。 
以上所述者，仅为本发明最佳实施例而已，并非用于限制本发明的范围，凡依本发明申请专利范围所作的等效变化或修饰，皆为本发明所涵盖。 

Claims (11)

1.一种自由空间的光混合器，其特征在于：包括一偏振分光器将光束S、L分别分离成水平偏振态光束Sx、Lx和垂直偏振态光束Sy、Ly，至少一双折射晶体将上述水平偏振态光束Sx、Lx，垂直偏振态光束Sy、Ly分成光束Sxo、Sxe、Lxo、Lxe、Syo、Sye、Lyo、Lye，后分别借由合光器合成光束Sxo+Lxo、光束Sxo-Lxo、光束Sxe+jLxe、光束Sxe-jLxe、光束Syo+Lyo、光束Syo-Lyo、光束Sye+jLye、光束Sye-jLye借由端口输出，其中，光束Sxo+Lxo，Sxe+jLxe，Sxo-Lxo，Sxe-jLxe是S与L光在X偏振态下的混合光束，四束光的S光与L光的相位关系分别是pi_0+0，pi_0+pi/2，pi_0+pi，pi_0+pi3/2；
其中光束Syo+Lyo，Sye+jLye，Syo-Lyo，Sye-jLye是S与L光在Y偏振态下的混合光束，四束光的S光与L光的相位关系分别是pi_0+0，pi_0+pi/2，pi_0+pi，pi_0+pi3/2。
2.根据权利要求1所述的自由空间的光混合器，其特征在于：偏振分光器为PBS或者双折射晶体。
3.根据权利要求1所述的自由空间的光混合器，其特征在于：所述偏振分光器和双折射晶体之间设有四分之一波片，将偏振分光器出射的光束转换成圆偏振光。
4.根据权利要求1所述的自由空间的光混合器，其特征在于：包括若干相位调节器置于双折射晶体和合光器之间，以调节各光束的相位。
5.根据权利要求4所述的自由空间的光混合器，其特征在于：所述相位调节器为玻璃平板或硅平板。
6.根据权利要求1所述的自由空间的光混合器，其特征在于：包括一第一双折射晶体用以接收分光器分离的光束Sx、光束Lx，通过所述第一 双折射晶体分离成光束Sxo、Sxe、Lxo、Lxe。
7.根据权利要求1所述的自由空间的光混合器，其特征在于：包括一第二双折射晶体用以接收分光器分离的光束Sy、光束Ly，通过所述第二双折射晶体分离成光束Syo、Sye、Lyo、Lye。
8.根据权利要求1所述的自由空间的光混合器，其特征在于：所述双折射晶体的右侧设有一第一合光器，将所述通过双折射晶体后的光束Sxo、Sxe、Lxo、Lxe合成光束Sxo+Lxo、光束Sxo-Lxo、光束Sxe+jLxe、光束Sxe-jLxe。
9.根据权利要求1所述的自由空间的光混合器，其特征在于：所述双折射晶体的右侧设有一第二合光器，将所述通过双折射晶体后的光束Syo、Sye、Lyo、Lye合成光束Syo+Lyo、光束Syo-Lyo、光束Sye+jLye、光束Sye-jLye。
10.根据权利要求1至7任一所述的自由空间的光混合器，其特征在于：所述光束Sxo+Lxo、光束Sxe+jLxe、光束Sxo-Lxo、光束Sxe-jLxe、光束Syo+Lyo、光束Sye+jLye、光束Syo-Lyo、光束Sye-jLye经过反射镜、透镜汇聚于相应的探测PD接收。
11.根据权利要求1至7任一所述的自由空间的光混合器，其特征在于：双折射晶体包括金红石、蓝宝石、钒酸钇晶体、氟化镁晶体、偏硼酸钡晶体、铌酸锂和石英晶体中的一种。 
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