CN104811248A - 一种自由空间激光通信光隔离装置 - Google Patents

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周向东
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Abstract

本发明公开了一种自由空间激光通信光隔离装置，包该装置包括：1/4波片、格兰-激光棱镜、第一线偏振片和第二线偏振片，其中：1/4波片垂直于水平面放置，用于改变入射激光束的偏振状态；格兰-激光棱镜水平方向放置于1/4波片的一侧，用于对于发射信号光与接收信号光进行分光和光隔离；第一线偏振片沿水平方向放置于格兰-激光棱镜远离1/4波片的一侧，用于对于入射信号光进行检偏，以隔离杂散光；第二线偏振片平行于格兰-激光棱镜的下端面放置，用于对激光器输出的激光束进行起偏。本发明提出的光隔离装置体积小，重量轻，便于封装且光隔离度高，在自由空间光通信领域具有光阔的应用前景。

Description

一种自由空间激光通信光隔离装置
技术领域
本发明属于自由空间激光通信领域，尤其是一种偏振相关型光隔离装置。
背景技术
在激光通信系统中，由一个终端发射的激光束在终端内部经过不同的光学界面时，会在界面处会发生反射和散射，伴随着这些光学现象会不同程度的在接收光敏面上引入干扰光。这些干扰光会对系统产生不良的影响，降低整个系统的信噪比，限制系统的通信距离，甚至影响整个系统的正常运转。因此，必须对发射激光进行高度隔离，降低其对接收器件的干扰。
在远距离自由空间激光通信中，尤其是卫星间激光通信，系统作用距离远，接收机接收到的信号光功率十分微弱，为了有效的提取出光信号，要求系统具有很强的干扰光抑制能力。系统必须有效抑制自身发射光束的后向反射杂散光对自身接收系统的干扰，尤其是对于远距离的收发同频激光通信系统，对系统的光隔离提出了苛刻的要求(应大于80dB)。
传统的光隔离器如法拉第隔离器、偏振分光棱镜隔离器等，其隔离度一般为30-40dB，无法满足系统对隔离度的要求。
发明内容
本发明提出了一种应用于远距离自由空间激光通信的光隔离装置，该光隔离装置使激光束通过一个线偏振片，以提高光束的偏振度；把格兰-激光棱镜的逃逸窗作为激光光束入射窗口，利用格兰-激光棱镜的高偏振消光特性和1/4波片的相位改变特性进行光隔离，具体地，激光通信中作为发射端时，发射端的信号光束经过第二线偏振片后，光矢量振动方向垂直于纸面，其以一定入射角入射到格兰-激光棱镜的下端面，折射入格兰-激光棱镜中的信号光束在格兰-激光棱镜的空气隙界面处发生全反射，经1/4波片后变成椭圆偏振光出射到自由空间；作为接收端时，接收端入射的椭圆偏振信号光束经1/4波片后变成线偏振光，其光矢量振动方向与发射端信号光矢量振动方向垂直，即平行于格兰-激光棱镜的光轴方向。此时，透射入格兰-激光棱镜的信号光束在格兰-激光棱镜空气隙界面处不发生全反射并以高的透射率透过格兰-激光棱镜，最后经第一线偏振片入射到探测器上。整个装置巧妙的运用1/4波片、线偏振片对光束偏振态进行的改变和格兰-激光棱镜对不同偏振态光束的折反射效应，实现对发射和接收信号光的分路和隔离。本发明光隔离装置体积小、重量轻；具有一定的抗辐射能力；具有很高的发射接收隔离度(大于80dB)。
本发明提出的一种自由空间激光通信光隔离装置，包括：1/4波片、格兰-激光棱镜、第一线偏振片和第二线偏振片，其中：
所述1/4波片垂直于水平面放置，用于改变入射激光束的偏振状态；
所述格兰-激光棱镜水平方向放置于所述1/4波片的一侧，用于对于发射信号光与接收信号光进行分光和光隔离；
所述第一线偏振片沿水平方向放置于所述格兰-激光棱镜远离所述1/4波片的一侧，用于对于入射信号光进行检偏，以隔离杂散光；
所述第二线偏振片平行于所述格兰-激光棱镜的下端面放置，用于对激光器输出的激光束进行起偏。
可选地，所述1/4波片将入射的线偏振光变成椭圆偏振光或将入射的椭圆偏振光变成线偏振光。
可选地，所述格兰-激光棱镜靠近所述1/4波片的端面呈小角度倾斜。
可选地，所述格兰-激光棱镜靠近所述1/4波片的端面的倾斜角度为0°～8°。
可选地，组成所述格兰-激光棱镜的两块双折射晶体的光轴方向为竖直方向。
可选地，所述第一线偏振片透光轴的方向为竖直方向。
可选地，所述第二线偏振片透光轴的方向垂直于纸面。
可选地，所述光隔离装置装设于激光通信的发端和收端。
本发明与现有技术相比的优点在于：
(1)、本发明使用器件少，1/4波片放置无角度要求，装调简便。
(2)、本发明使用改进型的格兰-激光棱镜，光隔离度高，大于80dB。
(3)、本发明的光隔离器适用波段宽，对于500-2300nm的波长均能起到很好的隔离效果。
附图说明
图1是本发明光隔离装置的结构示意图。
图2是本发明应用于激光通信的工作原理示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。
图1是本发明光隔离装置的结构示意图，如图1所示，所述光隔离装置包括：1/4波片1、格兰-激光棱镜2、第一线偏振片3和第二线偏振片4，其中：
所述1/4波片1平行于X-Y平面(即垂直于水平面)放置，用于改变入射激光束的偏振状态，其中，所述1/4波片可以使入射的线偏振光变成椭圆偏振光，也可以使入射的椭圆偏振光变成线偏振光，也就是说，线偏振光往返两次经过1/4波片，线偏振光的光矢量振动方向改变90°，其中，所述1/4波片1的快轴方向与X轴(即垂直于纸面)的夹角无硬性约束，可以依据实际情况放置；
所述格兰-激光棱镜2沿Z轴(即水平方向)放置于所述1/4波片1的一侧，用于对于发射信号光与接收信号光进行分光和光隔离：通信终端经格兰-激光棱镜2出射的信号光光矢量振动方向垂直于纸面，对格兰-激光棱镜2而言，出射信号光为O光，其在格兰-激光棱镜2空气隙界面全反射；通信终端接收的信号光入射到格兰-激光棱镜2中时，信号光光矢量平行于光轴，对格兰-激光棱镜2而言为E光，其在格兰-激光棱镜2空气隙界面不发生全反射，且以较高的透射率透过格兰-激光棱镜2到达探测器上。利用格兰-激光棱镜2对O光和E光的不同折反射效果，可实现发射信号光与接收信号光的分路并抑制发射信号光后向传输到探测器上，即实现光隔离。在本发明一实施例中，所述格兰-激光棱镜2沿Z轴的正方向放置，其中，所述格兰-激光棱镜2靠近所述1/4波片1的端面呈小角度倾斜，一般来说，该端面的倾斜角度为0°～8°，具体数值视光隔离度的要求而定，组成格兰-激光棱镜2的两块双折射晶体的光轴方向为Y轴方向(即竖直方向)。
所述第一线偏振片3沿Z轴(即水平方向)放置于所述格兰-激光棱镜2远离所述1/4波片1的一侧，即平行于X-Y平面，用于对入射到探测器上的信号光进行检偏，隔离掉与信号光束偏振状态相异的杂散光，以进一步提高光隔离度，其中，所述第一线偏振片3透光轴的方向平行于Y轴(即竖直方向)。
所述第二线偏振片4平行于所述格兰-激光棱镜2的下端面放置，即平行于X-Z平面，用于对激光器输出的激光束进行起偏，以提高激光光束的偏振度并使激光光束光矢量振动方向垂直于纸面，其中，所述第二线偏振片4透光轴的方向平行于X轴。
对于所述光隔离装置，经扩束准直后的信号激光光束以特定角度通过所述第二线偏振片4入射到格兰-激光棱镜2的下底面，光束入射角度满足其在格兰-激光棱镜2空气隙的全反射条件；进入到格兰-激光棱镜2的激光光束在晶体内发生双折射，然后经格兰-激光棱镜2的左端面和1/4波片1后出射。
图2是本发明应用于激光通信的工作原理示意图，如图2所示，整个激光通信由终端A与终端B来实现，本发明所提出的光隔离装置分别装设于终端A与终端B上，在进行激光通信时，所述终端A发出的信号光由激光器A5发出，光束准直扩束后透过装设于终端A的第一光隔离装置的第二线偏振片A4(透光轴平行于X轴)成为线偏光，倾斜入射到格兰-激光棱镜A2的下底面，此时入射光对于格兰-激光棱镜A2而言为O光，在格兰-激光棱镜A2的空气隙处发生全反射，从格兰-激光棱镜A2的右表面出射，再经过1/4波片A1成为圆偏光，然后通过光学天线发射出去；所述终端B通过光学天线接收到的信号光先经过装设于终端B的第二光隔离装置的1/4波片B1成为线偏光(偏振方向平行于Y轴)后入射进入格兰-激光棱镜B2，此时入射光对于格兰-激光棱镜B2而言为E光，在格兰-激光棱镜B2的空气隙处全部透射，经过第一线偏振片B3后被终端B的探测器B接收。当终端B作为光信号的发端时，光通信原理与上述类似，本发明不再赘述。
对于发射接收信号的隔离，以终端A为例说明。第一线偏振片和第二线偏振片的偏振消光比一般为1000:1，加上格兰-激光棱镜的偏振消光比为105-106，因此整个系统的发射接收隔离度可以达到80-90dB。
总体来说，本发明光隔离装置的元器件数量相对来说较少，光隔离效果优良(pw量级)、生成成本较低，结构和装调工艺简单，可广泛应用于远距离卫星间激光通信中，拥有比较光阔的应用前景和商业价值。
本发明未详细阐述部分属于本领域技术人员的公知技术。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种自由空间激光通信光隔离装置，其特征在于，该光隔离装置包括：1/4波片、格兰-激光棱镜、第一线偏振片和第二线偏振片，其中：
所述1/4波片垂直于水平面放置，用于改变入射激光束的偏振状态；
所述格兰-激光棱镜水平方向放置于所述1/4波片的一侧，用于对于发射信号光与接收信号光进行分光和光隔离；
所述第一线偏振片沿水平方向放置于所述格兰-激光棱镜远离所述1/4波片的一侧，用于对于入射信号光进行检偏，以隔离杂散光；
所述第二线偏振片平行于所述格兰-激光棱镜的下端面放置，用于对激光器输出的激光束进行起偏。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述1/4波片将入射的线偏振光变成椭圆偏振光或将入射的椭圆偏振光变成线偏振光。
3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述格兰-激光棱镜靠近所述1/4波片的端面呈小角度倾斜。
4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述格兰-激光棱镜靠近所述1/4波片的端面的倾斜角度为0°～8°。
5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，组成所述格兰-激光棱镜的两块双折射晶体的光轴方向为竖直方向。
6.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述第一线偏振片透光轴的方向为竖直方向。
7.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述第二线偏振片透光轴的方向垂直于纸面。
8.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述光隔离装置装设于激光通信的发端和收端。
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