CN105353520B - 高混频效率的空间光90°混频器 - Google Patents
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Abstract
本发明自由空间光90°混频器装置，属于无线通信技术领域，为解决现有技术的问题，该装置包括本振激光器、扩束准直镜、正透镜、电控偏振器、第一非偏振分束镜、第二非偏振分束镜、第三非偏振分束镜，第一偏振分束镜、第二偏振分束镜，第一直角反射棱镜、第二直角反射棱镜、第三直角反射棱镜，第一平行平板、第二平行平板、第一四分之一波片、第二四分之一波片，平衡探测器、电功分器、电控偏振器控制电路和第三四分之一波片；使用扩束准直镜和正透镜将本振光光斑转换为艾里斑，使用电控偏振器、电功分器、电控偏振器控制电路和第三四分之一波片控制偏振态，达到本振光与信号光偏振态一致，改善了原有偏振控制装置损耗信号光能量的缺点。
Description
技术领域
本发明涉及一种自由空间激光通信装置，具体涉及一种高混频效率的空间光90°混频器，属于无线通信技术领域。
背景技术
激光无线通信因具有通信容量大、传输速率高、保密性好、抗电磁干扰能力强、重量轻、体积小、功耗低等优点，在无线通信领域中是十分重要的通信方式，将在星地及星间高速无线通信的领域，对通信内容的安全保密性要求较高的场合(比如政府、军事部门、安全部门)，或者有强电磁干扰的场所(如战场)等诸多场合中具有潜在的应用前景。
相干激光通信以其高灵敏度、丰富的调制方式、抗干扰能力强等优势，是未来远距离高速率的空间激光通信最佳途径。其中2×4的空间光90°混频器是影响零差相干激光通信灵敏度的核心器件，其基本作用是将信号光和本振光的波前进行精确合成，产生相干混频，如图1所示，然后输出两束光的中频信号进入后端的探测器及相应的信号处理电路进行处理。
空间光90°混频器性能在实际应用中将受到大量因素影响，其中包括大气湍流误差、跟踪误差、信号光与本振光偏振态匹配程度、信号光与本振光形态匹配程度等。而传统的空间光90°混频器设计主要考虑空间混频的复杂程度、装调难易度等因素，其设计状态只是适用于实验室理想平台。而实际过程中大量因素将严重影响空间光混频器的性能，乃至使得空间光90°混频器混频效率为零，从而使得相干激光通信中断。因此高混频效率、具有环境适应性、低成本的空间光90°混频器的设计是很有必要的。
中国专利申请号为“201410363768.5”，发明名称为“一种自由空间90°光混频器”，该装置采用改进型横向剪切干涉仪解决背景技术中平衡接收器两路光路难以精确控制、体积受限和四路输出光程差难以控制的问题。装置结构紧凑，简单易行，可应用于自由空间激光通信相干接收领域。不过该发明仅考虑理想状态下的空间光混频情况，而在实际应用中该发明的混频效率将受到严重恶化，无法适应实际应用中未来通信等领域发展。
文献(相干光检测系统中的偏振控制，李铁，柯熙政，谌娟等，红外与激光工程，2012，V41(11)，P3069-3074)给出传统相干接收中的偏振控制结构，该结构需要根据信号光的偏振态检测结果来调节本振光达到信号光和本振光偏振态一致的目的(偏振态一致，混频效率最高)。不过该装置存在以下缺陷：1)装置针对外差相干通信系统设计，在零差相干通信中采用该装置需要对信号光分光从而降低了相干接收的灵敏度。2)装置中3dB耦合器、偏振控制器均采用光纤器件，光信号均在光纤中进行。而微弱信号光为空间光，需要进一步耦合到单模光纤进行偏振控制，而在大气激光通信中空间光耦合到单模光纤中衰减较大。3)装置中使用了复杂偏振控制器，增加算法和硬件的复杂度，参考文献“Polarizationmeasurements through space to ground atmospheric propagation paths by using ahighly polarized laser source in space,Optics express,2009,17(25):22333-22340”可知，实际应用中信号光多采用抗大气湍流能力强的圆偏振光，激光通信大气传输实验中圆偏振态基本不变，转换为线偏振光进行混频时，仅偏振角度发生改变，针对此规律可简化装置。
发明内容
本发明为解决现有的空间光90°混频器环境适应性差，本振光与信号光光斑不匹配、偏振角度不匹配引起混频效率低，微弱信号光偏振态检测和控制难，整体结构复杂的问题，提出了一种高混频效率的空间光90°混频器。
本发明采取以下技术方案：
高混频效率的空间光90°混频器，其特征是，
入射空间信号光中心对准第三四分之一波片和第一非偏振分束镜下侧面右部中心，电控偏振器通光口径中心对准第一非偏振分束镜下侧面左部中心；
第一平行平板和第二平行平板分别与第一非偏振分束镜上侧面右部中心和右侧面上部中心对准并紧贴；第一四分之一波片和第二四分之一波片中心分别与第一非偏振分束镜上侧面左部中心和右侧面下部中心对准；
第二非偏振分束镜和第三非偏振分束镜分别与第一平行平板和第二平行平板光轴对准并紧贴；
第一直角反射棱镜和第三直角反射棱镜的直角面分别与第一四分之一波片和第二四分之一波片光轴对准；第一直角反射棱镜和第三直角反射棱镜的另外一个直角面分别与第二非偏振分束镜和第三非偏振分束镜光轴对准并紧贴；第一偏振分束镜和第二偏振分束镜分别与第二非偏振分束镜和第三非偏振分束镜右侧面及上侧面光轴对准并紧贴；
平衡探测器位于第二偏振分束镜上侧面用于接收混频后的两路相位分别为0°及180°的光信号；平衡探测器与电功分器通过电缆连接，电功分器主支路用于信号解调，分支路依次与电控偏振器控制电路和电控偏振器通过电缆连接。
本发明的有益效果是：1)本发明使用扩束准直镜和正透镜将本振光光斑转换为艾里斑，从而实现光斑匹配提高空间光混频效率。2)根据大气中偏振退化规律，提出通过平衡探测器输出的电分量大小来控制本振激光偏振态的方案，使用电控偏振器、电功分器、电控偏振器控制电路和第三四分之一波片控制偏振态，达到本振光与信号光偏振态一致，具体为电分量越大表明偏振角度符合度越高，既改善了原有偏振控制装置损耗信号光能量的缺点同时又提高实际应用中的混频效率。3)该空间光学元件实现90°混频，其结构紧凑，体积小。
本发明空间光90°混频器在民用大气信道通信、军事战场通信、构建天地一体化通信网络等领域具有广泛的应用前景，特别是高灵敏度零差空间相干通信有着巨大应用潜力。
附图说明
图1为本发明高混频效率的空间光90°混频器的结构示意图。
图2为I路幅度值随偏振偏离角度变化图。
图3为整形前混频效率随接收面半径变化图。
图4为整形后混频效率随接收面半径变化图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明实施例作详细说明。
如图1所示，本发明高混频效率的空间光90°混频器，包括以下部件：本振激光器12、扩束准直镜13、正透镜14、电控偏振器15、第一非偏振分束镜16、第二非偏振分束镜21、第三非偏振分束镜26，第一偏振分束镜19、第二偏振分束镜27，第一直角反射棱镜18、第二直角反射棱镜20、第三直角反射棱镜25，第一平行平板22、第二平行平板23、第一四分之一波片17、第二四分之一波片24，平衡探测器28、电功分器29、电控偏振器控制电路30和第三四分之一波片31。
入射空间信号光中心对准第三四分之一波片31和第一非偏振分束镜16下侧面右部中心，电控偏振器15通光口径中心对准第一非偏振分束镜16下侧面左部中心。
第一平行平板22和第二平行平板23分别与第一非偏振分束镜16上侧面右部中心和右侧面上部中心对准并紧贴；第一四分之一波片17和第二四分之一波片24中心分别与第一非偏振分束镜16上侧面左部中心和右侧面下部中心对准。
第二非偏振分束镜21和第三非偏振分束镜26分别与第一平行平板22和第二平行平板23光轴对准并紧贴。
第一直角反射棱镜18和第三直角反射棱镜25的直角面分别与第一四分之一波片17和第二四分之一波片24光轴对准；第一直角反射棱镜18和第三直角反射棱镜25的另外一个直角面分别与第二非偏振分束镜21和第三非偏振分束镜26光轴对准并紧贴；第一偏振分束镜19和第二偏振分束镜27分别与第二非偏振分束镜21和第三非偏振分束镜26右侧面及上侧面光轴对准并紧贴。
平衡探测器28位于第二偏振分束镜27上侧面用于接收混频后的两路相位分别为0°及180°的光信号；平衡探测器28与电功分器29通过电缆连接，电功分器29主支路用于信号解调，分支路依次与电控偏振器控制电路30和电控偏振器15通过电缆连接。
所有光学元件工作波段为1530nm-1565nm。
所述第一非偏振分束镜16、第二非偏振分束镜21和第三非偏振分束镜26折射率一致；所述第一直角反射棱镜18、第二直角反射棱镜20和第三直角反射棱镜25折射率及尺寸一致；所述第一平行平板22和第二平行平板23折射率及尺寸一致；所述第一四分之一波片17、第二四分之一波片24和第三四分之一波片31折射率及尺寸一致；所述第一非偏振分束镜16分束面镀半透半反的光学薄膜。
所述第二非偏振分束镜21和第三非偏振分束镜26分束面镀有分光比为9:1的光学薄膜。
所述平衡探测器28是空间靶面的平衡探测器或带自准直透镜、光纤耦合的平衡探测器。
所述电功分器29的90％功率分给主分支用于信号解调，10％功率分给次分支用于电控偏振器控制电路30的反馈。
所述本振激光器12输出的光为线偏振光；信号光发射时为圆偏振光，经过第三四分之一波片31转化为线偏振光。
本振激光器12出射本振光L由扩束准直镜13扩束和准直后得到与信号光光斑尺寸一致的平行光，平行的本振光L再经过正透镜进行整形，由横截面为高斯形光斑转化为艾里斑光斑，然后，平行的本振光L垂直进入第一非偏振分束镜16，平行的本振光L一部分反射，一部分透射。
反射的本振光L经由第一四分之一波片17附加90°相移，再通过第一直角棱镜18反射到第二非偏振分束镜21上，然后本振光L与依次经过第三四分之一波片31、第一非偏振分束镜16和第一平行平板22后的信号光S合束。合束后的光经由第一偏振分束镜19分离出S+jL光(S与L相移差180°)和S-jL光(S与L相移差270°)。其中，S+jL光经过第二直角棱镜20反射到平衡探测器28处。
透射的本振光L经由第二四分之一波片24附加90°相移后通过第三直角棱镜25反射到第三非偏振分束镜26上，然后本振光L与依次经过第一非偏振分束镜16和第二平行平板23的信号光S合束。合束后的光经由第二偏振分束镜27分离出S+L光(S与L相移差0°)和S-L光(S与L相移差90°)。S+L光和S+jL光进入平衡探测器28进行光电转换并去掉直流分量得到I路电信号。I路电信号经由电功分器29进行功率分配，主要功率给调制信号解调，少量功率经由电缆给电控偏振器控制电路30作为反馈量，控制电控偏振器15保持本振光L与信号光S的偏振角度一致，从而完成空间光90°高效混频。
如图2所示，通过调节本振光L偏振态，I路电信号强度发生变化。可知电功分器29输出的功率随着偏振角度成余弦关系变化。通过实验可知若偏振光补偿原有信号光偏离角度10°，混频效率将提高3％以上。
对比本振光L在整形前后光混频效率的变化：整形前，信号光从无穷远处入射，其为艾里斑；本振光L为激光输出，其为高斯光斑分布；混频效率与接收半径关系如图3所示。整形后，信号光为艾里斑分布，本振光L为艾里斑分布；混频效率与接收半径关系如图4所示。对比可知接收端使用单模光纤平衡探测器，单模光纤纤芯半径约为4.5μm，混频效率整形前后由80％提高到90％。接收端使用多模光纤平衡探测器，半径为62.5μm，则混频效率整形前后将由80％提高到接近100％。
Claims (6)
1.高混频效率的空间光90°混频器，其特征是，
入射空间信号光中心对准第三四分之一波片(31)和第一非偏振分束镜(16)下侧面右部中心，电控偏振器(15)通光口径中心对准第一非偏振分束镜(16)下侧面左部中心；
第一平行平板(22)和第二平行平板(23)分别与第一非偏振分束镜(16)上侧面右部中心和右侧面上部中心对准并紧贴；第一四分之一波片(17)和第二四分之一波片(24)中心分别与第一非偏振分束镜(16)上侧面左部中心和右侧面下部中心对准；
第二非偏振分束镜(21)和第三非偏振分束镜(26)分别与第一平行平板(22)和第二平行平板(23)光轴对准并紧贴；
第一直角反射棱镜(18)和第三直角反射棱镜(25)的直角面分别与第一四分之一波片(17)和第二四分之一波片(24)光轴对准；第一直角反射棱镜(18)和第三直角反射棱镜(25)的另外一个直角面分别与第二非偏振分束镜(21)和第三非偏振分束镜(26)光轴对准并紧贴；第一偏振分束镜(19)和第二偏振分束镜(27)分别与第二非偏振分束镜(21)和第三非偏振分束镜(26)右侧面及上侧面光轴对准并紧贴；
平衡探测器(28)位于第二偏振分束镜(27)上侧面用于接收混频后的两路相位分别为0°及180°的光信号；平衡探测器(28)与电功分器(29)通过电缆连接，电功分器(29)主支路用于信号解调，分支路依次与电控偏振器控制电路(30)和电控偏振器(15)通过电缆连接。
2.根据权利要求1所述的高混频效率的空间光90°混频器，其特征是，所有光学元件工作波段为1530nm-1565nm。
3.根据权利要求1所述的高混频效率的空间光90°混频器，其特征是，所述第一非偏振分束镜(16)、第二非偏振分束镜(21)和第三非偏振分束镜(26)折射率一致；所述第一直角反射棱镜(18)、第二直角反射棱镜(20)和第三直角反射棱镜(25)折射率及尺寸一致；所述第一平行平板(22)和第二平行平板(23)折射率及尺寸一致；所述第一四分之一波片(17)、第二四分之一波片(24)和第三四分之一波片(31)折射率及尺寸一致；所述第一非偏振分束镜(16)分束面镀半透半反的光学薄膜。
4.根据权利要求1所述的高混频效率的空间光90°混频器，其特征是，所述第二非偏振分束镜(21)和第三非偏振分束镜(26)分束面镀有分光比为9:1的光学薄膜。
5.根据权利要求1所述的高混频效率的空间光90°混频器，其特征是，所述平衡探测器(28)是空间靶面的平衡探测器或带自准直透镜、光纤耦合的平衡探测器。
6.根据权利要求1所述的高混频效率的空间光90°混频器，其特征是，所述电功分器(29)的90％功率分给主分支用于信号解调，10％功率分给次分支用于电控偏振器控制电路(30)的反馈。
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