CN102236232B - 波面差动干涉空间光解调器 - Google Patents

Abstract

一种波面差动干涉空间光解调器，是一种差分相移键控(以下简称为DPSK)信号自由空间光解调器，由块状偏振分束器件、合束器件、反射镜、两组光瞳成像透镜组成光瞳匹配式时间差分干涉仪。用于空间激光通信接收机中的光信号解调，输出的数据光信号用于平衡探测，输出的位置光信号可用于精跟踪。

Description

波面差动干涉空间光解调器

技术领域

本发明涉及空间激光通信，特别是一种波面差动干涉空间光解调器，是一种差分相移键控(以下简称为DPSK)信号自由空间光解调器，由块状偏振分束器件、合束器件、反射镜、两组光瞳成像透镜组成光瞳匹配式时间差分干涉仪。用于空间激光通信接收机中的光信号解调，输出的数据光信号用于平衡探测，输出的位置光信号用于精跟踪。

背景技术

空间激光通信中，通过大气信道时，激光传输受到湍流等因素的影响，波面质量下降。克服大气湍流等因素的影响，主要有减小接收口径，自适应光学波前校正，DPSK调制信号自差动接收等方法。其中DPSK调制自差动接收不需要本振信号，结构简单，是未来重要发展方向。

在先技术[1](参见High-data-rate systems for space applications，Proc.SPIE，Vol.2381，38，1995)中所描述的星地激光通信中采用DPSK调制，接收机采用光纤放大和光纤型马赫曾德尔干涉仪解调，平衡接收，灵敏度比开关键控(OOK)调制直接探测方法高3dB。但是大气扰动下的波面质量下降，光纤耦合效率降低，严重影响灵敏度，使DPSK这种调制方式抗扰动的能力得不到充分利用。

同时在空间激光通信系统中，需要探测对方终端的空间位置，利用光电位置探测器测量光信号与接收望远镜的离轴量，用来进行光学精跟踪，光纤耦合的方式，使信号位置信息无法探测。因此自由空间结构的光解调器是解决以上问题的有效方法，信号波面质量对其影响小，同时保留信号的位置信息。在先技术[1]中输出信号无位置信息，不能用于精跟踪。在先技术[2](参见Adaptive optics and ESA’soptical ground station，Proc.SPIE，Vol.7464，746406，2009)中所描述的DPSK解调采用自由空间结构的马赫曾德尔干涉仪或迈克尔逊干涉仪，但是没有提供信号位置探测，不能利用它进行精跟踪。

发明内容

本发明要解决的技术问题是克服上述已有技术困难，提供一种波面差动干涉空间光解调器，该空间光解调器可用于空间激光通信DPSK信号解调和提供精跟踪用的信号位置信息。

本发明的技术解决方案如下。

一种波面差动干涉空间光解调器，特点在于其构成包括第一偏振分束器，该第一偏振分束器的偏振分束面与入射的圆偏振光的前进方向呈45°，该第一偏振分束器将所述的入射的圆偏振光分为偏振面相互垂直的反射光和透射光，在该第一偏振分束器的透射光方向依次是位相精密控制器、光瞳成像短焦透镜组、第一二分之一波片、第二偏振分束器构成第一光路，所述的第二偏振分束器的偏振分束面与所述的第一偏振分束器的偏振分束面相互垂直，所述的第一偏振分束器输出的反射光依次经第一反射镜、光瞳成像长焦透镜组、第二反射镜、第二二分之一波片进入所述的第二偏振分束器构成第二光路，所述的第一二分之一波片和第二二分之一波片的光轴方向与入射光偏振方向成22.5度，在第一光路的透射方向设置第二非偏振分束器，所述的第二非偏振分束器的分束面与所述的第二偏振分束器的偏振分束面平行；在该第二光路的透射光方向设置第一非偏振分束器，该第一非偏振分束器的分束面与所述的第二偏振分束器的偏振分束面平行；在所述的第一非偏振分束器的透射光方向和反射光方向分别设置第一光电探测器和第二位置探测器，在所述的第二非偏振分束器的反射光方向和透射光方向分别设置第二光电转换器和第一位置探测器；所述的光瞳成像长焦透镜组为共焦透镜组，由两块相同焦距为f₁的透镜组成，间距为2倍焦距2f₁，所述的光瞳成像短焦透镜组为共焦透镜组，由两块相同焦距为f2的透镜组成，间距为2倍焦距2f₂，两组透镜组的入瞳位置与第一偏振分束器的偏振分束面重合，两组透镜组的出瞳位置与第二偏振分束器的分束面重合，入瞳的物距和出瞳的像距均为1倍焦距，

所述的第一位置探测器和第二位置探测器为象限型探测器或像元型探测器。

所述的第一光电转换器和第二光电转换器为高灵敏度光电管。

所述的光瞳成像长焦透镜组为共焦变焦透镜组，所述的第一反射镜、光瞳成像长焦透镜组和第二反射镜置于一块平台上，该平台下设导轨，以供该平台沿垂直于所述的第一光路方向精密移动，精度微米量级。

本发明的工作原理如下：

假定接收的入射光为圆偏振光(如果为其它偏振状态，需要转换为圆偏振光)，经过第一偏振分束器的反射光为垂直偏振光，透射光为水平偏振光。第一二分之一波片和第二二分之一波片的光轴方向与入射光偏振方向成22.5度。偏振光经过第一二分之一波片和第二二分之一波片后，偏振方向旋转45度。然后经过第二偏振分束器，垂直偏振光反射，水平偏振光透射。两束光分成四束，其中两两干涉，一路两两相加，另一路两两相减，两路位相差为180度。50∶50非偏振分束器将干涉光从强度上一分为二成为相同的两部分，一部分四束光被光电转换器平衡接收为数据信号，另一部分四束光经位置探测器探测得到位置信息，用来精跟踪。当光束经过长臂与短臂的时间差等于调制数据1比特的时间，平衡接收信号即为解调信号。

显然，本发明该空间光解调器可用于空间激光通信DPSK信号解调和提供精跟踪用的信号位置信息。

附图说明

图1为本发明波面差动干涉空间光解调器的主结构示意图

具体实施方式

下面结合实施例和附图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。

如图1所示，图1为本发明波面差动干涉空间光解调器的主结构示意图，也是本发明实施例的主结构示意图，由图可见，本发明波面差动干涉空间光解调器，构成包括第一偏振分束器1，该第一偏振分束器1的偏振分束面1a与输入的圆偏振光的前进方向呈45°，该第一偏振分束器1将所述的输入的圆偏振光分为偏振面相互垂直的反射光和透射光，在该第一偏振分束器1的透射光方向依次是位相精密控制器2、光瞳成像短焦透镜组3、第一二分之一波片4、第二偏振分束器5构成第一光路，所述的第二偏振分束器5的偏振分束面5a与所述的第一偏振分束器1的偏振分束面1a相互垂直，所述的第一偏振分束器1输出的反射光依次经第一反射镜7、光瞳成像长焦透镜组8、第二反射镜9、第二二分之一波片10进入所述的第二偏振分束器5构成第二光路，所述的第一二分之一波片4和第二二分之一波片10的光轴方向与入射光偏振方向成22.5度，在第一光路的透射方向设置第二非偏振分束器11，所述的第二非偏振分束器11的分束面与所述的第二偏振分束器5的偏振分束面5a平行；在该第二光路的透射光方向设置第一非偏振分束器6，该第一非偏振分束器6的分束面与所述的第二偏振分束器5的偏振分束面5a平行；在所述的第一非偏振分束器6的透射光方向和反射光方向分别设置第一光电探测器12和第二位置探测器15，在所述的第二非偏振分束器11的反射光方向和透射光方向分别设置第二光电转换器13和第一位置探测器14；所述的光瞳成像长焦透镜组8为共焦透镜组，由两块相同焦距为f₁的透镜8a和8b组成，间距为2倍焦距2f₁，所述的光瞳成像短焦透镜组3为共焦透镜组，由两块相同焦距为f2的透镜3a和3b组成，间距为2倍焦距2f₂，两组透镜组的入瞳位置与第一偏振分束器1的偏振分束面1a重合，两组透镜组的出瞳位置与第二偏振分束器5的分束面5a重合，入瞳的物距和出瞳的像距均为1倍焦距。

本实施例中所述的光瞳成像长焦透镜组8为共焦变焦透镜组，所述的第一反射镜7、光瞳成像长焦透镜组8和第二反射镜9置于一块平台16上，该平台16下设导轨，以供该平台16沿垂直于所述的第一光路方向精密移动，精度微米量级。

所述的第一位置探测器14和第二位置探测器15为象限型探测器或像元型探测器。可以探测得到光信号偏离中心的相对距离，作为误差信号，提供精跟踪信息。

所述的第一光电转换器12和第二光电转换器13为高灵敏度光电管。将光强转换为电流，通过第一光电转换器12和第二光电转换器13的电流相减平衡接收，得到通信传输数据信息；

所述的位相精密控制器2为电光调制晶体，通过改变偏置电压，通过晶体的光程变化，精度高于四分之一波长。

光学元件的通光口径为D，根据接收光的口径而定，一般相等。

假定接收光为圆偏振光(如果为其它偏振状态，需要转换为圆偏振光)，经过第一偏振分束器的反射光为垂直偏振光，透射光为水平偏振光。第一二分之一波片4和第二二分之一波片10的光轴方向与入射光偏振方向成22.5度。偏振光经过第一二分之一波片4和第二二分之一波片10后，偏振方向旋转45度。然后经过第二偏振分束器5，垂直偏振光反射，水平偏振光透射。两束光分成四束，其中两两干涉，一路两两相加，另一路两两相减，两路位相差为180度。50∶50分束器将干涉光从强度上一分为二成为相同的两部分，一部分四束光平衡接收为数据信号，另一部分四束光经光电探测得到位置信息，用来精跟踪。当光束经过长臂与短臂的时间差等于调制数据1比特的时间，平衡接收信号即为解调信号。

下面给出本发明一个实施例的具体结构参数供参考：波面差动干涉空间光解调器，为400mm*200mm。设计通光口径为10mm，各元件尺寸如下：第一偏振分束器1和第二偏振分束器5为10mm*10mm，第一反射镜7和第二反射镜9为Φ10mm，第一二分之一波片4和第二二分之一波片10为Φ10mm，电光调制晶体2为Φ10mm，厚度1mm，用来精密调整光程，精度λ/10。光瞳成像短臂端共焦透镜组3，焦距f₂为90mm，长臂端共焦透镜组8为变焦距系统焦距f₁为97.5mm～165mm。水平方向输出两路分别入射到第一位置探测器14和第二位置探测器15为二象限APD光电探测器得到接收光的位置，用来精跟踪。垂直方向输出两路分别入射到第一光电探测器12和第二光电探测器13是PIN光电探测器12，电信号经过平衡接收，作为数据信号。

Claims (4)

1.一种波面差动干涉空间光解调器，特征在于其构成包括第一偏振分束器(1)，该第一偏振分束器(1)的偏振分束面(1a)与输入的圆偏振光的前进方向呈45°，该第一偏振分束器(1)将所述的输入的圆偏振光分为偏振面相互垂直的反射光和透射光，在该第一偏振分束器(1)的透射光方向依次是位相精密控制器(2)、光瞳成像短焦透镜组(3)、第一二分之一波片(4)、第二偏振分束器(5)构成第一光路，所述的第二偏振分束器(5)的偏振分束面(5a)与所述的第一偏振分束器(1)的偏振分束面相互垂直，所述的第一偏振分束器(1)输出的反射光依次经第一反射镜(7)、光瞳成像长焦透镜组(8)、第二反射镜(9)、第二二分之一波片(10)进入所述的第二偏振分束器(5)构成第二光路，所述的第一二分之一波片(4)和第二二分之一波片(10)的光轴方向分别与射入各自波片的入射光偏振方向成22.5度，在第一光路的透射方向设置第二非偏振分束器(11)，所述的第二非偏振分束器(11)的分束面与所述的第二偏振分束器(5)的偏振分束面(5a)平行；在该第二光路的透射光方向设置第一非偏振分束器(6)，该第一非偏振分束器(6)的分束面与所述的第二偏振分束器(5)的偏振分束面(5a)平行；在所述的第一非偏振分束器(6)的透射光方向和反射光方向分别设置第一光电转换器(12)和第二位置探测器(15)，在所述的第二非偏振分束器(11)的反射光方向和透射光方向分别设置第二光电转换器(13)和第一位置探测器(14)；所述的光瞳成像长焦透镜组(8)为共焦透镜组，由两块相同焦距为f₁的透镜(8a和8b)组成，间距为2倍焦距2f₁，所述的光瞳成像短焦透镜组(3)为共焦透镜组，由两块相同焦距为f₂的透镜(3a和3b)组成，间距为2倍焦距2f₂，两组透镜组的入瞳位置与第一偏振分束器(1)的偏振分束面(1a)重合，两组透镜组的出瞳位置与第二偏振分束器(5)的分束面(5a)重合，入瞳的物距和出瞳的像距均为1倍焦距。

2.根据权利要求1所述的波面差动干涉空间光解调器，其特征在于所述的第一位置探测器(14)和第二位置探测器(15)为象限型探测器或像元型探测器。

3.根据权利要求1所述的波面差动干涉空间光解调器，其特征在于所述的第一光电转换器(12)和第二光电转换器(13)为高灵敏度光电管。

4.根据权利要求1至3任一项所述的波面差动干涉空间光解调器，其特征在于所述的光瞳成像长焦透镜组(8)为共焦变焦透镜组，所述的第一反射镜(7)、光瞳成像长焦透镜组(8)和第二反射镜(9)置于一块平台(16)上，该平台(16)下设导轨，以供该平台(16)沿垂直于所述的第一光路方向精密移动。 

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