CN107132663A - 分光比自适应调控的空间光90°混频器 - Google Patents

Abstract

分光比自适应调控的空间光90°混频器，属于无线通信技术领域，为解决现有的空间光90°混频器分光比固定所带来的通信接收灵敏度低、相干通信灵活性差等问题，该混频器包括：第一1/4波片、可旋转1/2波片、渥拉斯顿棱镜、准直器、第二1/4波片、第一反射镜、第二反射镜、第一1/2波片、第二1/2波片、第一偏振分束棱镜、第三1/2波片、第四1/2波片、第二偏振分束棱镜、第一会聚透镜、第二会聚透镜、第三会聚透镜、第四会聚透镜、第一平衡探测器、第二平衡探测器、乘法器、通信信号处理模块、光学锁相环、本征光源、驱动器和控制器；本发明提高通信灵敏度、降低误码率、增加锁相概率和减少锁相时间的效果。

Description

分光比自适应调控的空间光90°混频器

技术领域

本发明涉及一种降低通信误码率，提高锁相概率的空间光90°混频器装置，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，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。

传统空间光混频器中信号光IQ支路分配比(简称分光比)为固定值，且多为1:1，信号光的能量损失3dB，在远距离相干激光通信时将降低了通信灵敏度。另外分光比为固定值，也影响通信和锁相动态条件下的适应性和灵活性。为了增加通信灵敏度和锁相概率，提高相干通信适应性和灵活性，有必要设计一种具有适应性和灵活性、分光比自适应调控的空间光90°混频器。

参见文献：电子科技大学硕士论文“相干光通信中的90°光混频器”，作者周凌尧，2011年第12期，第20页3.1节。其结构如图1所示，该装置由1/4波片1、第一偏振分光棱镜2、第一1/2波片/3、第二偏振分光棱镜4、第二1/2波片5和第三偏振分光棱镜6组成。该结构采用偏振分光棱镜将两束线偏振光按特定偏振方向进行合束或者分束，实现光束混频，装置结构简单，I，Q支路90°相差精度高。该结构完成本征光和信号光波前精确合成，产生相干混频，不过该结构分光比值固定，带来了通信接收灵敏度低、相干通信灵活性差，同时存在信号光能量损失的问题，无法适应实际应用中未来通信等领域发展。

发明内容

本发明为解决现有的空间光90°混频器分光比固定所带来的通信接收灵敏度低、相干通信灵活性差等问题，提出了一种具有灵活性、分光比自适应调控的空间光90°混频器。

本发明采取以下技术方案：

分光比自适应调控的空间光90°混频器，其特征是，

第一1/4波片和可旋转1/2波片同轴设置，与渥拉斯顿棱镜入射面垂直；

本征光源位于准直器的焦点，准直器和第一1/4波片同轴设置，与渥拉斯顿棱镜入射面垂直，且位于第一1/4波片和可旋转1/2波片的上方；

渥拉斯顿棱镜向上折射的光束方向放置第一反射镜，第一反射镜反射的光线Ⅰ方向依次同轴设置排列第一1/2波片、第一偏振分束棱镜和第四会聚透镜，第一反射镜反射的光线Ⅱ方向依次同轴排列第三1/2波片、第二偏振分束棱镜和第三会聚透镜；

渥拉斯顿棱镜向下折射的光束方向放置第二反射镜，第二反射镜反射的光线Ⅲ方向依次同轴排列第二1/2波片、第一偏振分束棱镜和第一会聚透镜，第二反射镜反射的光线Ⅳ方向依次同轴排列第四1/2波片、第二偏振分束棱镜和第二会聚透镜且光轴对准；

第一会聚透镜和第四会聚透镜均与第二平衡探测器光纤连接；

第二会聚透镜和第三会聚透镜均与第一平衡探测器光纤连接；

第一平衡探测器和第二平衡探测器均与乘法器高频连接；

第一平衡探测器的输出端一分为二，一部分连接通信信号处理模块，另一部分连接乘法器；

乘法器输出端与光学锁相环连接；

光学锁相环输出端与本征光源连接；

光学锁相环和通信信号处理模块分别通过电缆连接到控制单元，控制器通过电缆依次连接驱动单元和可旋转1/2波片。

本发明的有益效果是：本发明通过改变入射线偏振光在渥拉斯顿棱镜上的投影，从而改变信号光IQ支路分光比。在锁相、通信的不同工作阶段，根据通信信号处理模块和光学锁相环的信号来实时调节分光比，从而达到提高通信灵敏度、降低误码率、增加锁相概率和减少锁相时间的效果。

本发明具有适应性和灵活性强、高锁相概率、高通信接收灵敏度等优点。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为现有技术的空间光90°混频器装置图。

图2为所发明的分光比自适应调控空间光90°混频器。

图3中3a为调控前的眼图；3b为调控后的眼图。

图4为误码率改善图。

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2所示，分光比自适应调控的空间光90°混频器包括：第一1/4波片7、可旋转1/2波片8、渥拉斯顿棱镜9、准直器10、第二1/4波片11、第一反射镜12、第二反射镜13、第一1/2波片14、第二1/2波片15、第一偏振分束棱镜16、第三1/2波片17、第四1/2波片18、第二偏振分束棱镜19、第一会聚透镜20、第二会聚透镜21、第三会聚透镜22、第四会聚透镜23、第一平衡探测器24、第二平衡探测器25、乘法器26、通信信号处理模块27、光学锁相环28、本征光源29、驱动器30和控制器31。

第一1/4波片7和可旋转1/2波片8同轴设置，与渥拉斯顿棱镜9入射面垂直。本征光源29位于准直器10的焦点，准直器10和第一1/4波片11同轴设置，与渥拉斯顿棱镜9入射面垂直，且位于第一1/4波片7和可旋转1/2波片8的上方。渥拉斯顿棱镜9向上折射的光束方向放置第一反射镜12，第一反射镜12反射的光线Ⅰ方向依次同轴设置排列第一1/2波片14、第一偏振分束棱镜16和第四会聚透镜23，第一反射镜12反射的光线Ⅱ方向依次同轴排列第三1/2波片17、第二偏振分束棱镜19和第三会聚透镜22。渥拉斯顿棱镜9向下折射的光束方向放置第二反射镜13，第二反射镜13反射的光线Ⅲ方向依次同轴排列第二1/2波片15、第一偏振分束棱镜16和第一会聚透镜20，第二反射镜13反射的光线Ⅳ方向依次同轴排列第四1/2波片18、第二偏振分束棱镜19和第二会聚透镜21且光轴对准。

第一会聚透镜20和第四会聚透镜23均与第二平衡探测器25光纤连接。第二会聚透镜21和第三会聚透镜22均与第一平衡探测器24光纤连接。第一平衡探测器24和第二平衡探测器25均与乘法器26高频电缆连接。第一平衡探测器25的输出端一分为二，一部分连接通信信号处理模块27，另一部分连接乘法器26。乘法器26输出端与光学锁相环28用电缆连接。光学锁相环28输出端与本征光源29电缆连接。光学锁相环28和通信信号处理模块27分别通过电缆连接到控制单元30，控制器30通过电缆依次连接驱动单元31和可旋转1/2波片8。

所有光学元件工作波段为1530nm-1565nm；

所述第一1/4波片7用于将信号光转换为振动方向为45°的线偏振光。

第一1/4波片7和第二1/4波片11的折射率及尺寸一致。

所述第一偏振分束棱镜16和第二偏振分束棱镜19折射率及尺寸一致。

所述第一平衡探测器24和第二平衡探测器25是指多模光纤为尾纤的平衡探测器。

所述通信信号处理模块27用于解调通信信号得到通信数据。

所述光学锁相环28用于调整本征光源的波长来保证本地激光与信号光之间频率和相位一致。

所述本征光源29输出的光为线偏振光。

本发明分光比自适应调控的空间光90°混频器的具体工作过程如下：

本征光源29输出的线偏振的本征激光L由准直镜10扩束和准直后得到与信号激光S光斑尺寸相同的平行光。平行的本征激光L再通过第二1/4波片11将激光由线偏振态调整为圆偏振态，同时在光束相互正交的两偏振分量间加入90°相移。信号激光S通过第一1/4波片7进行光学起偏，出射的信号光为线偏振态，偏振方向平行于入射面。信号激光S再通过可旋转1/2波片8，信号激光S的偏振方向朝可旋转1/2波片8光轴方向旋转一定角度，该角度为信号光激S偏振方向与可旋转1/2波片8光轴夹角的2倍。信号激光S和本征激光L同时经过渥拉斯顿棱镜9，渥拉斯顿棱镜9将本征激光L和信号激光S垂直于入射面的偏振分量向上折射，得到光线Ⅰ和光线Ⅱ，渥拉斯顿棱镜9将本征激光L和信号激光S平行于入射面的偏振分量向下折射，得到光线Ⅲ和光线Ⅳ，其中光线Ⅰ和光线Ⅲ，光线Ⅱ和光线Ⅳ的折射角相同。光线Ⅰ和光线Ⅱ经过第一反射镜12的反射，分别垂直入射至第一1/2波片14和第三1/2波片17。光线Ⅲ和光线Ⅳ经过第二反射镜13的反射，分别垂直入射至第二1/2波片15和第四1/2波片18。光线Ⅰ，光线Ⅱ，光线Ⅲ，光线Ⅳ通过1/2波片将偏振态朝同一方向旋转45°。光线Ⅰ和光线Ⅲ经过1/2波片后分别垂直入射至第一偏振分光棱镜16相邻的两个入射面，经过偏振合束与分光后由另外两面出射被第一会聚透镜20和第四会聚透镜23接收。光线Ⅱ和光线Ⅳ经过1/2波片后分别垂直入射至第二偏振分光棱镜19相邻的两个入射面，经过偏振合束与分光后由另外两面出射被第二会聚透镜21和第三会聚透镜22接收。第四会聚透镜20、第一会聚透镜23、第二会聚透镜20和第三会聚透镜20输出的光信号相对相位差分别为0°，180°，90°和270°。第一会聚透镜20和第四会聚透镜23的光信号经由光纤传输至第二平衡探测器25的靶面处进行光电变换。第二会聚透镜21和第三会聚透镜22的光信号经由光纤传输至第一平衡探测器24的靶面处进行光电变换。由第二平衡探测器25输出的电信号一部分进入通信信号处理模块27，一部分与第一平衡探测器24输出的电信号一起输入乘法器26。乘法器26通过对两输入电信号相乘输出信号间的相位误差信号至光学锁相环28。光学锁相环28的输出分为两部分，一部分将相位误差信号进行滤波并转换为频率信号，对本征激光器29进行调制，使本征激光L与信号激光S的频率一致。光学锁相环28输出的另一部分与通信信号处理模块27输出的探测灵敏度信息一起传输至可旋转1/2波片8的控制单元30中进行计算。控制单元30根据光学锁相环28输出的环路相位误差量与通信信号处理模块27输出的误码率计算得到可旋转1/2波片8的驱动量并传递至可旋转1/2波片8的驱动单元31，由驱动单元31控制可旋转1/2波片8旋转相应的角度，改变光混频器的分光比，从而调节系统的探测灵敏度和锁相性能。

本发明具体分光比控制方法为：在锁相过程中，调整可旋转1/2波片8来改变分光比即增加Q支路的能量，提高Q支路的信噪比，继而提高锁相概率和减少锁相时间。在通信阶段时，调整可旋转1/2波片8来改变分光比即增加I支路的能量，从而降低误码率和提高通信灵敏度。如果出现失锁情况，光学锁相环28输出相位误差量给控制单元30和驱动单元31，由此控制可旋转1/2波片8旋转相应的角度来增加Q支路的能量，重新进行锁相。

本发明效果：在锁相过程中，分光比调控后，锁相概率得到提高。当完成锁模进入通信阶段时，分光比从1:1调整到1:4。通信眼图得到了改善，如图3所示；误码率由3.35E-9降低到6.12E-10，如图4所示。

Claims (6)

1.分光比自适应调控的空间光90°混频器，其特征是，

第一1/4波片(7)和可旋转1/2波片(8)同轴设置，与渥拉斯顿棱镜(9)入射面垂直；

本征光源(29)位于准直器(10)的焦点，准直器(10)和第一1/4波片(11)同轴设置，与渥拉斯顿棱镜(9)入射面垂直，且位于第一1/4波片(7)和可旋转1/2波片(8)的上方；

渥拉斯顿棱镜(9)向上折射的光束方向放置第一反射镜(12)，第一反射镜(12)反射的光线Ⅰ方向依次同轴设置排列第一1/2波片(14)、第一偏振分束棱镜(16)和第四会聚透镜(23)，第一反射镜(12)反射的光线Ⅱ方向依次同轴排列第三1/2波片(17)、第二偏振分束棱镜(19)和第三会聚透镜(22)；

渥拉斯顿棱镜(9)向下折射的光束方向放置第二反射镜(13)，第二反射镜(13)反射的光线Ⅲ方向依次同轴排列第二1/2波片(15)、第一偏振分束棱镜(16)和第一会聚透镜(20)，第二反射镜(13)反射的光线Ⅳ方向依次同轴排列第四1/2波片(18)、第二偏振分束棱镜(19)和第二会聚透镜(21)且光轴对准；

第一会聚透镜(20)和第四会聚透镜(23)均与第二平衡探测器(25)光纤连接；

第二会聚透镜(21)和第三会聚透镜(22)均与第一平衡探测器(24)光纤连接；

第一平衡探测器(24)和第二平衡探测器(25)均与乘法器(26)高频连接；

第一平衡探测器(25)的输出端一分为二，一部分连接通信信号处理模块(27)，另一部分连接乘法器(26)；

乘法器(26)输出端与光学锁相环(28)连接；

光学锁相环(28)输出端与本征光源(29)连接；

光学锁相环(28)和通信信号处理模块(27)分别通过电缆连接到控制单元(30)，控制单元(30)通过电缆依次连接驱动单元(31)和可旋转1/2波片(8)。

2.根据权利要求1所述的分光比自适应调控的空间光90°混频器，其特征在于，光学元件的工作波段为1530nm-1565nm。

3.根据权利要求1所述的分光比自适应调控的空间光90°混频器，其特征在于，第一1/4波片(7)和第二1/4波片(11)的折射率及尺寸一致。

4.根据权利要求1所述的分光比自适应调控的空间光90°混频器，其特征在于，所述第一偏振分束棱镜(16)和第二偏振分束棱镜(19)折射率及尺寸一致。

5.根据权利要求1所述的分光比自适应调控的空间光90°混频器，其特征在于，所述第一平衡探测器(24)和第二平衡探测器(25)是指多模光纤为尾纤的平衡探测器。

6.根据权利要求1所述的分光比自适应调控的空间光90°混频器，其特征在于，所述本征光源(29)输出的光为线偏振光。