CN102866464B - 基于光束偏移器的空间激光通信双折射滤波方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于光束偏移器的空间激光通信双折射滤波方法。该方法利用光束偏移器将光信号分离为偏振方向正交的两束线偏振光，同时利用半波片将其中一束光偏振方向旋转90°，利用延迟器调整另一束光光程，使得两束光偏振方向一致且光程差基本相等；最后同时使两束线偏振光通过双折射滤光器实现光学滤波，分别探测两束光信号并在电域将其相加得到最终的通信信号。本发明在光学滤波过程中不存在偏振消光损耗，并且结构简单，降低了推广难度。

Description

基于光束偏移器的空间激光通信双折射滤波方法

技术领域

本发明属于空间激光通信领域。具体涉及一种激光通信的光学滤波方法。

背景技术

空间激光通信由于具有通信容量大、方向性好、尺寸小、体积和功耗小等优点，目前已成为空间通信领域的重要研究课题。现有的空间激光通信大都采用强度调制、直接探测的方式进行通信，光波在空间中传播时，由于受到日光、月光、星光、大气和海水散射等杂散光的影响，探测信号中夹杂着很强的背景噪声。这将增大通信的误码率，降低通信质量。在通信接收终端中加入窄带光学滤波系统，可以有效的抑制背景噪声的影响，提高通信系统性能。目前，常见的光学滤波器件有干涉滤波器、原子滤波器和双折射滤波器等。

干涉滤波器是利用多光束干涉的原理滤除背景噪声。常用Fabry-Perot干涉仪作为滤波结构，即将两块光学平板平行放置，两板的内表面镀高反射膜，这样光波在干涉仪中传播时，会发生多光束干涉，只有特定波长的光才能透过干涉仪。透射波长由Fabry-Perot干涉仪结构参数决定。将多个Fabry-Perot干涉仪级联使用就构成一个窄带光学滤波器。级联数目越多，滤波器带宽越窄，但峰值功率会降低。干涉滤波器的透射波长可以通过改变Fabry-Perot干涉仪结构参数的方法进行调节，但调节难度相对较大，这对于相对高速运动物体之间的通信，特别是“卫星-卫星”、“卫星-地面”等存在多普勒频移、需要对中心波长进行实时调制的应用场合十分不利。

原子滤波器按照原理的不同可以分为原子共振滤波器(ARF)、法拉第反常色散滤波器(FADOF)、激光感生光学各向异性原子光学滤波器(LIAOF)。ARF是利用原子内部的共振跃迁实现窄线宽滤波，通俗的讲就是原子在很窄的线宽范围内吸收信号光，然后发射受信号光调制的荧光，进而被探测器接收。FADOF是由偏振方向正交的起偏器和检偏器以及夹在其中的原子池构成。当向原子池中加入纵向磁场时，原子池会发生反常色散，偏振光通过时将产生Faraday旋光效应，偏振面发生旋转，不同波长光的旋转角度不同，这样只有特定波长的光才能通过检偏器，达到光学滤波的目的。LIAOF原理与FADOF基本相同，区别在于线偏振光的偏振面旋转是由于外加圆偏振泵浦场选择性激发而导致的。这三种原子滤波器带宽均可达到GHz量级。但由于工艺制作难度大，并且中心波长调谐性差，原子滤波器目前尚处于实验室研究阶段。

双折射滤波器主要是利用偏光干涉原理进行滤波的，按照结构的不同可以分为Lyot-Ohman和Solc滤波器。Lyot-Ohman滤波器是由多个双折射滤波单元级联而成的，每个单元由两个正交的偏振片和夹在其中的双折射晶体组成。级联单元中晶体长度依次增大。Solc滤波器由两个正交的偏振器和夹在其中的相互之间存在一定夹角的双折射晶体组成，每个晶体相对于起偏器的方位角依次递增。目前以Lyot-Ohman滤波器较为常见。光波经过双折射滤波器后，发生偏光干涉，只有特定波长的光才能透过，透射波长由滤波器的结构参数决定。双折射晶体可以采用声光晶体和电光晶体，可调性很强。然而，对于空间通信，当光信号经过大气或者海水时，散射的存在会使得光波偏振态发生变化，由于双折射滤波器中光波必须经过起偏器才能实现有效的滤波，这样将产生偏振消光损耗会，造成信号强度的起伏，甚至完全消光。

发明内容

本发明的目的在于克服上述光学滤波方法的不足，在现有双折射滤波器的基础上，提供一种基于光束偏移器的空间激光通信双折射滤波方法，显著降低了偏振消光损耗。

为实现以上发明目的，本发明提供以下基本解决方案：

一种基于光束偏移器的空间激光通信双折射滤波方法，包括以下步骤：

(1)利用光学天线对空间光信号进行采集和会聚；

(2)对会聚光进行准直，输出平行光至光束偏移器；

(3)光束偏移器将入射的平行光分为两束偏振正交的线偏振平行光，并且光束分离长度大于光斑直径(从而保证了两束平行光的光斑无交叠)；

(4)在其中一束线偏振光的输出光路上设置光学半波片，实现该束线偏振光的偏振面旋转90°，使其偏振方向与另一束线偏振光相同；同时利用光学延迟器对所述另一束线偏振光的光程进行补偿，使得两束线偏振光的光程相等；

(5)将两束线偏振光入射至同一双折射滤波器(滤波器入射面足够大，可以让两束光同时通过)，双折射滤波器起偏方向与入射光偏振方向一致，以滤除两束光中的背景噪声；

(6)采用两个相同的光电检测装置对两束线偏振光分别进行探测，将光信号转化为电信号；

(7)调整两个电信号的传输时延，使之在时间上同步，然后将两个电信号相加，合成最终的通信信号，实现无偏振消光损耗的双折射滤波。

基于上述基本技术方案，本发明还进行了以下优化限定和改进：

上述步骤(2)是通过对准直透镜和光学天线的设置，使准直透镜焦距与光学天线焦距的比值满足准直后光斑的尺寸要求。(因为通常需要降低准直后光斑的直径d，使其能够在光束偏移器和双折射滤波器中传输。)

上述步骤(3)中所述的光束分离长度大于光斑直径，是通过增大光束偏移器长度和光束偏移器中平常光与异常光的折射率差(比如选择平常光和异常光折射率差较大的双折射材料制作光束偏移器，使得两束折射光夹角θ足够大)来实现。

本发明具有以下优点：

1.不存在偏振消光损耗。由于采用光束偏移器将入射光分离为两个偏振方向正交的光束，并对其分别进行光学滤波和探测，因此不论入射光处于何种偏振状态下，总可以被探测到；

2.结构简单。在本发明中利用一个双折射滤波器同时对两束线偏振光进行滤波处理，简化了系统的结构。

附图说明

图1是本发明的原理示意图；

图2是光信号扩束(准直)原理示意图；

图3是光束偏移器原理示意图。

具体实施方式

偏振分束器可以将入射光分束为两束偏振正交的线偏振光。其基本原理是晶体的双折射效应，即入射光从空间传输介质斜入射到双折射晶体时，会即发生双折射现象：

n_isinθ_i＝n_osinθ_to

n_isinθ_i＝n_esinθ_te

其中n_i是入射介质的折射率，n_o、n_e分别对应双折射晶体寻常光和异常光的折射率，θ_i为光波入射角，θ_to、θ_te分别为寻常光和异常光的折射角。

寻常光偏振方向垂直于双折射晶体的光轴，异常光偏振方向平行于晶体光轴。由于两束光的折射率不同，因此对应的折射角也不同，从而产生夹角θ，可表示为：

$\mathrm{\θ}=|\arcsin \left(\frac{n_i\sin {\mathrm{\θ}}_i}{n_o}\right)-\arcsin \left(\frac{n_i\sin {\mathrm{\θ}}_i}{n_e}\right)|$

可以看到，入射角越大，两光束夹角θ越大；寻常光和异常光折射率θ_to和θ_te差别越大，两光束夹角θ越大。这样，当两束折射光在晶体中传输一段距离后，相对位置将发生偏移。并且随着折射光夹角的增大和传输距离的增长，偏移距离变大。因此可以通过增大入射角、提高寻常光和异常光折射率差、加长传输距离的办法增大两束折射光的偏移距离。但由于增大入射角会加大入射面的反射，因此一般采用后两种方法。

由于偏振分束器的入射面与出射面平行，因此两束光从晶体中出射后传播方向一致。这时，利用半波片使其中一束光的偏振方向旋转90°，就可以使得两束光偏振方向一致。

将这两束光入射到同一个双折射滤波器中，只要滤波器入射面足够大，就可以同时对这两束光进行滤波处理。然后用两个光电检测装置在滤波器出射端分别对光信号进行探测，将其转换为电信号；最后在电域将探测到的两个信号相加，就可以得到最终的通信信号。

参照图1所示，基于光束偏移器的空间激光通信双折射滤波方法包括如下步骤：

(1)空间信号光的采集和会聚。参照图2，利用光学天线将到达其表面的光信号采集并会聚在光学天线的焦点处，光学天线等效焦距为f₁，口径为D。该步骤为常规技术手段。

(2)光束的准直。参照图2，在光学天线后面接入一个焦距为f₂的光学透镜，透镜的物方焦点和光学天线的像方焦点重合，使得信号光经过透镜后成为平行光，并且光斑直径d≈(D×f₂/f₁)，通过减小光学透镜和光学天线焦距的比值f₂/f₁，可以降低扩束光斑直径d。

(3)信号光的偏振分束。参照图3，平行光进入光束偏移器后分离为两束偏振方向正交的线偏振光，然后从光束偏移器平行出射。选择平常光和异常光折射率差较大的双折射材料制作光束偏移器，使得两束折射光夹角θ足够大，同时加长光束偏移器长度，使得光束分离长度d₀大于扩束光斑直径d，即两束线偏振光完全分开。

(4)偏振方向的调整。使其中一束光经过半波片，半波片主轴方向与光束偏振方向夹角为45°，这样光束经过半波片后偏振方向旋转了90°，与另一束光偏振方向一致；同时使另一束偏振光经过补偿器，使得两束光光程基本相等。

(5)光学滤波。将两束线偏振光入射到双折射滤波器，滤波器入射面足够大，可以让两束光同时通过，并且起偏方向与入射光偏振方向一致，以滤除两束光中的背景噪声。

(6)光电探测。利用两个相同的光电检测装置PD1和PD2对两束光的分别进行探测，将光信号转化为电信号。

(7)调整两个电信号的传输时延，使之在时间上同步，然后将两个电信号相加，得到最终的通信信号。

本发明的可行性可以通过以下实施例进行说明：

实施例：信号光为任意偏振态

参照图1。按照如下步骤完成任意偏振态空间信号光的双折射滤波。

(1)空间信号光的采集和会聚。参照图2，利用光学天线将到达其表面的光信号采集并会聚在光学天线的焦点处，光学天线等效焦距为f₁，口径为D。

(2)光束的准直。参照图2，在光学天线后面接入一个焦距为f₂的光学透镜，透镜的物方焦点和光学天线的像方焦点重合，使得信号光经过透镜后成为平行光，并且光斑直径d≈(D×f₂/f₁)，通过减小光学透镜和光学天线焦距的比值f₂/f₁，可以降低扩束光斑直径d。

(3)信号光的偏振分束。参照图3，平行光进入光束偏移器后分离为两束偏振方向正交的线偏振光，然后从光束偏移器平行出射。选择平常光和异常光折射率差较大的双折射材料制作光束偏移器，使得两束折射光夹角θ足够大，同时加长光束偏移器长度，使得光束分离长度d₀大于扩束光斑直径d，即两束线偏振光完全分开。假设入射光光强为I(λ)，不论其为偏振光、部分偏振光还是完全非偏振光，以光束偏移器的本征轴为坐标，分束后两束线偏振光的光强分别表示为：

其中I_A(λ)和I_B(λ)分别为线偏振光A和线偏振光B的光强，并且I_A(λ)+I_B(λ)＝I(λ)。

(4)偏振方向的调整。使线偏振光A经过半波片，并且半波片主轴方向与光束偏振方向夹角为45°，这样光束经过半波片后偏振方向旋转了90°，与线偏振光B偏振方向一致；同时使线偏振光B经过补偿器，使得两束光光程基本相等，此时两束光在光束偏移器本征轴方向的光强分量分别为：

(5)光学滤波。将两束线偏振光入射到双折射滤波器，滤波器入射面足够大，可以让两束光同时通过，并且起偏方向与入射光偏振方向一致，这样，可以同时滤除掉两束光中的背景噪声。线偏振光A和线偏振光B经过双折射滤波器后的光强I_A和I_B分别为：

I_A＝I_A(λ)×T(λ)

I_B＝I_B(λ)×T(λ)

其中T(λ)为双折射滤波器的透射光谱。

(6)光电探测。利用两个相同的光电检测装置PD1和PD2对两束光的分别进行探测，将光信号转化为电信号，线偏振光A和线偏振光B对应的电压信号u_A和u_B分别为

u_A＝R(λ)×I_A(λ)×T(λ)

u_B＝R(λ)×I_B(λ)×T(λ)

其中R(λ)为光电检测装置的光谱响应度。

(7)通信信号的输出。调整两个电信号的传输时延，使之在时间上同步，然后将两个电信号相加，得到最终的通信信号u为：

u＝u_A+u_B＝R(λ)×T(λ)×[I_A(λ)+I_B(λ)]

＝R(λ)×T(λ)×I(λ)

上述实施例表明，无论进入光学天线的信号光处于何种偏振态下，本发明所提供的基于光束偏移器的空间光通信双折射滤波器可以在没有偏振消光损耗的情况下，对信号光进行光学滤波。

Claims (3)

1.一种基于光束偏移器的空间激光通信双折射滤波方法，包括以下步骤：

（1）利用光学天线对空间光信号进行采集和会聚；

（2）对会聚光进行准直，输出平行光至光束偏移器；

（3）光束偏移器将入射的平行光分为两束偏振正交的线偏振平行光，并且光束分离长度大于光斑直径；

（4）在其中一束线偏振光的输出光路上设置光学半波片，实现该束线偏振光的偏振面旋转90°，使其偏振方向与另一束线偏振光相同；同时利用光学延迟器对所述另一束线偏振光的光程进行补偿，使得两束线偏振光的光程相等；

（5）将两束线偏振光入射至同一双折射滤波器，双折射滤波器起偏方向与入射光偏振方向一致，以滤除两束光中的背景噪声；

（6）采用两个相同的光电检测装置对两束线偏振光分别进行探测，将光信号转化为电信号；

（7）调整两个电信号的传输时延，使之在时间上同步，然后将两个电信号相加，合成最终的通信信号，实现无偏振消光损耗的双折射滤波。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，步骤（2）是通过对准直透镜和光学天线的设置，使准直透镜焦距与光学天线焦距的比值满足准直后光斑的尺寸要求。

3.根据权利要求1所述的方法，其中，步骤（3）中所述的光束分离长度大于光斑直径，是通过增大光束偏移器长度和光束偏移器中平常光与异常光的折射率差来实现。

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