CN106842603B - 单晶体高空间利用率90°空间光混频器 - Google Patents

单晶体高空间利用率90°空间光混频器 Download PDF

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Abstract

单晶体高空间利用率90°光混频器，为解决现有空间光混频器体积大，各支路光程差不同引起的位相噪声，低插损的问题，偏振分光棱镜是由两个直角三角形棱镜以斜面粘接，斜面上镀有偏振分光膜；第一四分之一波片和第一二分之一波片分别设置在偏振分光棱镜前后两面的中心位置；第一玻璃垫片设置在第一二分之一波片的正上方，且完全贴合在偏振分光棱镜上，两者中心对称设置并贴在第一等腰直角棱镜的斜面上；第二二分之一波片设置在偏振分光棱镜的侧面上，入射光S透过偏振分光棱镜入射到第二二分之一波片上；第二玻璃垫片设置在第二二分之一波片的正下方，且完全贴合在偏振分光棱镜上，两者中心对称设置并贴在第二等腰直角棱镜的斜面上。

Description

单晶体高空间利用率90°空间光混频器
技术领域
本发明涉及一种90°空间光混频装置，可实现信号光与本振光在光域上的混频放大，属于无线通信技术领域。
背景技术
激光无线通信相比微波通信，具有通信速率高，抗电磁干扰能力强，保密性好等优点，是通信领域中非常重要的一种通信方式。在星间和星地通信链路中，常常存在较大的干扰如背景光和电磁干扰，同时，在某些情况下常需要通信的高保密性，上述问题激光无线通信都可以很好的解决，因此在政府、军事部门之间的通信或者特殊环境(如强电磁干扰)等复杂环境下的通信的场合中都具有潜在的应用前景。
作为激光无线通信的主要方式之一，相干光通信具有高灵敏度，调制方式丰富，抗干扰能力强等优点，尤其在微弱信号低噪声放大方面的优势，是未来远距离高速率激光通信的最佳解决途径。90°光混频器是相干激光通信系统中实现多光束混频放大的核心器件，其基本作用是将信号光与本振光在器件内按照一定条件进行光波前精确合成，获得相干光，然后通过平衡探测器接收中频相干光，并进行相应的电学处理，解调出传输信息。
光混频器可以分为光纤型和空间型，空间型光混频器如图1所示，它相比光纤型具有更大的耦合效率，可以承受更大的光功率，在自由空间中使用稳定性要好于光纤型光混频器。不过，90°空间光混频器性能在实际应用中也会受到大量因素的影响，包括通信介质、跟瞄误差、光波匹配程度等。传统的90°空间光混频器设计更适合于实验室的理想平台，在实际应用中，相位噪声是影响90°空间光混频器性能的主要因素之一，混频器内部支路的光程差是相位噪声的主要来源之一；体积功耗是限制光混频器应用的主要因素之一，尤其是在卫星载荷中，体积小，功耗低可以增加90°空间光混频器的应用范围。因此小体积，高空间利用率，光程差稳定的90°空间光混频器的设计是有必要的。
发明内容
本发明为解决现有空间光混频器体积大，各支路光程差不同引起的位相噪声，低插损的问题，提出一种单晶体高空间利用率的90°空间光混频器。
本发明采用以下技术方案：
单晶体高空间利用率90°光混频器，其特征是，其包括第一四分之一波片、偏振分光棱镜、第一二分之一波片、第一等腰直角棱镜、第一玻璃垫片、第二二分之一波片、第二等腰直角棱镜和第二玻璃垫片；
偏振分光棱镜是由两个直角三角形棱镜以斜面粘接，斜面上镀有偏振分光膜；
第一四分之一波片和第一二分之一波片分别设置在偏振分光棱镜前后两面的中心位置；
第一玻璃垫片设置在第一二分之一波片的正上方，且完全贴合在偏振分光棱镜上，两者中心对称设置并贴在第一等腰直角棱镜的斜面上；
入射光L从第一四分之一波片垂直入射，经过偏振分光棱镜透射的光入射到第一二分之一波片上，经过第一等腰直角棱镜两次反射后入射到第一玻璃垫片上，经过偏振分光棱镜分别反射和透射出去；
入射光S与入射光L位于偏振分光棱镜的斜面两侧且相互垂直入射，第二二分之一波片设置在偏振分光棱镜的侧面上，入射光S透过偏振分光棱镜入射到第二二分之一波片上；
第二玻璃垫片设置在第二二分之一波片的正下方，且完全贴合在偏振分光棱镜上，两者中心对称设置并贴在第二等腰直角棱镜的斜面上；
入射光L经过偏振分光棱镜反射的光入射到第二二分之一波片上，经过第二等腰直角棱镜两次反射后入射到第二玻璃垫片上，经过偏振分光棱镜分别反射和透射出去；
入射光S经过偏振分光棱镜透射的光入射到第二二分之一波片上，经过第二等腰直角棱镜两次反射后入射到第二玻璃垫片上，经过偏振分光棱镜分别反射和透射出去；
入射光S经过偏振分光棱镜反射的光入射到第一二分之一波片上，经过第一等腰直角棱镜两次反射后入射到第一玻璃垫片上，经过偏振分光棱镜分别反射和透射出去。
本发明的有益效果是：
1、本发明只使用一块常规的偏振分光棱镜，且采用立体光路设计，器件整体体积大幅缩小，空间利用率更高。与传统光混频器装置相比，整体体积减小约50％。
2、采用光束重复在同一偏振分光棱镜中进行光场处理，得到的支路输出功率更均匀。相比传统光混频器装置，本发明的支路均匀性可达到99％。
3、由于整体光路均紧贴胶粘在一起，可以减小光束在器件中的损耗，使器件整体插入损耗减小，本发明总插损约为1.6dB。
4、由于器件各支路所用元件相同且紧贴，各支路的通光程相同，可有效减小由光程差引起的相位噪声，提高空间光混频器的性能。传统光混频器装置光程差可控制在1mm范围，系统附加相位差约为0.628mrad。本发明混频装置由于单偏振分光棱镜各处介质折射率可视为相同，同时采用胶粘方式连接各光学元件，光程差只与元件表面平整度有关，由于玻璃表面平整度极好，此外，装置中可以通过调节两支路光学垫片的厚度对两支路光程差进行微调，因此本发明光混频装置两支路的光程差可控制在0.2～0.5mm，产生的附加相位差约为0.125～0.314mrad，光程差及相位差相比传统光混频器减小50％～80％。
本发明90°空间光混频器在民用大气信道通信、军事战时通信、星地、星间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的应用潜力。
附图说明
图1：传统90°空间光混频器结构示意图。
图2：为本发明单晶体高空间利用率90°空间光混频器的结构示意图。
图3：为本发明单晶体高空间利用率90°空间光混频器结构的三视图；3a为主视图，3b为俯视图，3c为侧视图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进一步详细说明。
如图2-3所示，本发明单晶体高空间利用率90°光混频器，其包括第一四分之一波片1、偏振分光棱镜2、第一二分之一波片3、第一等腰直角棱镜4、第一玻璃垫片5、第二二分之一波片6、第二等腰直角棱镜7和第二玻璃垫片8。
偏振分光棱镜2是由两个直角三角形棱镜以斜面粘接，斜面上镀有偏振分光膜；
第一四分之一波片1和第一二分之一波片3分别设置在偏振分光棱镜2前后两面的中心位置；
第一玻璃垫片5设置在第一二分之一波片3的正上方，且完全贴合在偏振分光棱镜2上，两者中心对称设置并贴在第一等腰直角棱镜4的斜面上；
入射光L从第一四分之一波片1垂直入射，经过偏振分光棱镜2透射的光入射到第一二分之一波片3上，经过第一等腰直角棱镜4两次反射后入射到第一玻璃垫片5上，经过偏振分光棱镜2分别反射和透射出去；
入射光S与入射光L位于偏振分光棱镜2的斜面两侧且相互垂直入射，第二二分之一波片6设置在偏振分光棱镜2的侧面上，入射光S透过偏振分光棱镜2入射到第二二分之一波片6上；
第二玻璃垫片8设置在第二二分之一波片6的正下方，且完全贴合在偏振分光棱镜2上，两者中心对称设置并贴在第二等腰直角棱镜7的斜面上；
入射光L经过偏振分光棱镜2反射的光入射到第二二分之一波片6上，经过第二等腰直角棱镜7两次反射后入射到第二玻璃垫片8上，经过偏振分光棱镜2分别反射和透射出去；
入射光S经过偏振分光棱镜2透射的光入射到第二二分之一波片6上，经过第二等腰直角棱镜7两次反射后入射到第二玻璃垫片8上，经过偏振分光棱镜2分别反射和透射出去；
入射光S经过偏振分光棱镜2反射的光入射到第一二分之一波片3上，经过第一等腰直角棱镜4两次反射后入射到第一玻璃垫片5上，经过偏振分光棱镜2分别反射和透射出去；
出射光为入射光S与入射光L的混频光，出射光的相对相位差分别为0°，90°，180°，270°。
所有光学元件工作波段为1530nm-1565nm。
所述第一四分之一波片1与第一二分之一波片3、第二二分之一波片6、第一玻璃垫片5和第二玻璃垫片8均为圆形且尺寸一致。
所述第一二分之一波片3和第二二分之一波片6的折射率一致；所述第一等腰直角棱镜4与第二等腰直角棱镜7的尺寸一致；所述第一等腰直角棱镜4与第二等腰直角棱镜7、第一玻璃垫片5、第二玻璃垫片8的折射率一致；所述偏振分光棱镜2镀有1:1的偏振分光薄膜。
所述偏振分光棱镜2光轴方向为90°垂直方向；所述四分之一波片1快轴方向相对于偏振分光棱镜2光轴成45°；所述第一二分之一波片3与第二二分之一波片6的快轴分别与偏振分光棱镜2的光轴成22.5°。
所述本振光激光L为线偏振光，偏振方向为90°垂直方向；信号光激光S为线偏振光，偏振方向为45°。
所述本振光L与信号光S的光斑尺寸相同，小于四分之一波片、二分之一波片的器件尺寸。
实施例1：
如图3所示，偏振分光棱镜2是由两个直角三角形棱镜以斜面粘接，斜面上镀有偏振分光膜；
第一四分之一波片1和第一二分之一波片3分别设置在偏振分光棱镜2前后两面的1/2位置；
第一玻璃垫片5设置在第一二分之一波片3的正上方，位于偏振分光棱镜2的1/6处，且完全贴合在偏振分光棱镜2上，两者中心对称设置并贴在第一等腰直角棱镜4的斜面上；
第二二分之一波片6设置在偏振分光棱镜2的侧面上，位于偏振分光棱镜2的1/2处，入射光S透过偏振分光棱镜2入射到第二二分之一波片6上；
第二玻璃垫片8设置在第二二分之一波片6的正下方，位于偏振分光棱镜2的5/6处，且完全贴合在偏振分光棱镜2上，两者中心对称设置并贴在第二等腰直角棱镜7的斜面上；
入射光L垂直入射到四分之一波片1中心，入射光L调制为圆偏振光，同时在入射光L在S波和P波之间引入90°相差，入射光L经过偏振分光棱镜2，透射光入射到第一二分之一波片3上，反射光入射到第二二分之一波片6上；入射光S垂直入射到偏振分光棱镜2中正左侧中心；入射光S经过偏振分光棱镜2，透射光入射到第二二分之一波片6上，反射光入射到第一二分之一波片3上；入射光S与入射光L通过偏振分光棱镜2进行光场的分束和相干叠加，第一出射混合光S+L，出射方向与本振光L的传播方向相同，第二出射混合光S+L，出射方向与信号光S的传播方向相同。
第一出射混合光S+L垂直入射到第一二分之一波片3，光束与波片中心对准，光束偏振方向被旋转45°；出射光束垂直入射到第一等腰直角棱镜4，入射点为棱镜斜面上数第三个四等分点处；在棱镜中光束经过两次反射后由第一等腰直角棱镜4斜面上数第一个四等分点处垂直出射，出射光与第一玻璃垫片5的中心对准，出射光垂直入射到偏振分光棱镜2的上部正后方中心，经过偏振分光棱镜对光束的偏振态进行分离并重新组合后，获得相对相差为0°和180°的两束出射光，0°出射光由偏振分光棱镜2的上部正左侧中心垂直出射，180°出射光由偏振分光棱镜2的上部正前方中心垂直出射。
第二出射混合光S+L入射到第二二分之一波片6，光束与波片中心对准，光束偏振方向被旋转45°；出射光束垂直入射到第二等腰直角棱镜7，入射点为棱镜斜面上数第三个四等分点处；在棱镜中光束经过两次反射后由等腰直角棱镜4斜面上数第一个四等分点处垂直出射，出射光与第二玻璃垫片8的中心对准，出射光垂直入射到偏振分光棱镜2的上部正后方中心，经过偏振分光棱镜对光束的偏振态进行分离并重新组合后，获得相对相差为90°和270°的两束出射光(由于四分之一波片引入90°相差，因此输出光每路增加90度相差)。90°出射光由偏振分光棱镜2的下部正左侧中心垂直出射，180°出射光由偏振分光棱镜2的下部正前方中心垂直出射。

Claims (8)

1.单晶体高空间利用率90°空间光混频器，其特征是，其包括第一四分之一波片(1)、偏振分光棱镜(2)、第一二分之一波片(3)、第一等腰直角棱镜(4)、第一玻璃垫片(5)、第二二分之一波片(6)、第二等腰直角棱镜(7)和第二玻璃垫片(8)；
偏振分光棱镜(2)是由两个直角三角形棱镜以斜面粘接，斜面上镀有偏振分光膜；
第一四分之一波片(1)和第一二分之一波片(3)分别设置在偏振分光棱镜(2)前后两面的中心位置；
第一玻璃垫片(5)设置在第一二分之一波片(3)的正上方，且完全贴合在偏振分光棱镜(2)上，两者中心对称设置并贴在第一等腰直角棱镜(4)的斜面上；
入射光L从第一四分之一波片(1)垂直入射，经过偏振分光棱镜(2)透射的光入射到第一二分之一波片(3)上，经过第一等腰直角棱镜(4)两次反射后入射到第一玻璃垫片(5)上，经过偏振分光棱镜(2)分别反射和透射出去；
入射光S与入射光L位于偏振分光棱镜(2)的斜面两侧且相互垂直入射，第二二分之一波片(6)设置在偏振分光棱镜(2)的侧面上，入射光S透过偏振分光棱镜(2)入射到第二二分之一波片(6)上；
第二玻璃垫片(8)设置在第二二分之一波片(6)的正下方，且完全贴合在偏振分光棱镜(2)上，两者中心对称设置并贴在第二等腰直角棱镜(7)的斜面上；
入射光L经过偏振分光棱镜(2)反射的光入射到第二二分之一波片(6)上，经过第二等腰直角棱镜(7)两次反射后入射到第二玻璃垫片(8)上，经过偏振分光棱镜(2)分别反射和透射出去；
入射光S经过偏振分光棱镜(2)透射的光入射到第二二分之一波片(6)上，经过第二等腰直角棱镜(7)两次反射后入射到第二玻璃垫片(8)上，经过偏振分光棱镜(2)分别反射和透射出去；
入射光S经过偏振分光棱镜(2)反射的光入射到第一二分之一波片(3)上，经过第一等腰直角棱镜(4)两次反射后入射到第一玻璃垫片(5)上，经过偏振分光棱镜(2)分别反射和透射出去。
2.根据权利要求1所述的单晶体高空间利用率90°空间光混频器，其特征在于，所有光学元件工作波段为1530nm-1565nm。
3.根据权利要求1所述的单晶体高空间利用率90°空间光混频器，其特征在于，所述第一四分之一波片(1)与第一二分之一波片(3)、第二二分之一波片(6)、第一玻璃垫片(5)和第二玻璃垫片(8)均为圆形且尺寸一致。
4.根据权利要求1所述的单晶体高空间利用率90°空间光混频器，其特征在于，所述第一二分之一波片(3)和第二二分之一波片(6)的折射率一致。
5.根据权利要求1所述的单晶体高空间利用率90°空间光混频器，其特征在于，所述第一等腰直角棱镜(4)与第二等腰直角棱镜(7)的尺寸一致。
6.根据权利要求1所述的单晶体高空间利用率90°空间光混频器，其特征在于，所述第一等腰直角棱镜(4)与第二等腰直角棱镜(7)、第一玻璃垫片(5)、第二玻璃垫片(8)的折射率一致。
7.根据权利要求1所述的单晶体高空间利用率90°空间光混频器，其特征在于，所述偏振分光棱镜(2)镀有1:1的偏振分光薄膜。
8.根据权利要求1所述的单晶体高空间利用率90°空间光混频器，其特征在于，所述偏振分光棱镜(2)光轴方向为90°垂直方向；所述第一四分之一波片(1)快轴方向相对于偏振分光棱镜(2)光轴成45°；所述第一二分之一波片(3)与第二二分之一波片(6)的快轴分别与偏振分光棱镜(2)的光轴成22.5°。
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