CN115437160A - 一种偏振不敏感的空间光混频器 - Google Patents

一种偏振不敏感的空间光混频器 Download PDF

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CN115437160A CN202211367035.XA CN202211367035A CN115437160A CN 115437160 A CN115437160 A CN 115437160A CN 202211367035 A CN202211367035 A CN 202211367035A CN 115437160 A CN115437160 A CN 115437160A
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Abstract

本发明属于自由空间光通信设备技术领域，公开了一种偏振不敏感的空间光混频器，包括的第一偏振分束界面和第二偏振分束界面分别位于第一分束界面和第二分束界面构成的同一平面两侧，第一分束界面和第二分束界面分别位于第一偏振分束界面和第一偏振分束界面构成的另一个平面两侧，并且两个平面垂直交叉；第一反射界面和第二反射界面等间距地位于第一偏振分束界面和第二偏振分束界面所构成平面的两侧，并均与之平行。与现有技术相比，本发明通过将输入信号光进行偏振分束，使信号光的两个偏振分量分别与本地本振光的两个幅度相等的分量进行混频，只需要对其中一个本振光分量进行调相，即可实现偏振不敏感光混频，而不受信号光偏振变化的影响。

Description

一种偏振不敏感的空间光混频器
技术领域
本发明涉及自由空间光通信设备技术领域，特别涉及一种偏振不敏感的空间光混频器。
背景技术
在相干光通信中，相干检测需要使用光混频器来叠加接收的光信号和本振光信号，使用空间光器件构成的光混频器具有插入损耗小、稳定性高、成本低等优点。光混频器要求接收光信号的偏振态与本振光的偏振态匹配，当两者的偏振态一致时，拍频效率最高，如果偏振态互为垂直，拍频信号完全抵消，导致无法正常接收。然而信号光经过信道传输，偏振态会发生随机变化，无法保证信号光和本振光的偏振态一致，从而难以实现稳定的混频。例如专利CN103257402A（公开日2013.08.21）提出了一种结构简单的空间光混频器，可以实现对 DP-QPSK 光信号的解调，但是要求本振光与信号光的偏振态相同。
针对上述问题，专利CN105353520A（公开日2016.02.24）提供了一种高混频效率的空间光混频器，采用电控偏振控制器来调整本振光的偏振态使其与信号光的偏振态保持一致，但是该方案需要分配10%的信号功率给反馈控制电路实时调节偏振控制器，增加了系统的复杂度，且无法应对恶劣环境影响导致偏振的高速变化。专利CN110824719A（公开日2020.02.21）的方案类似，也是通过检测部分光信号的偏振态来对进行本振光的偏振态进行反馈控制。专利CN102142901A（公开日2011.08.03）的方案虽然无需任何主动控制模块，但是输出光信号达到了16路，大大增加了探测器的数量和后续处理电路的复杂度。
发明内容
针对现有技术存在以上缺陷，本发明提出一种偏振不敏感的空间光混频器。
本发明的技术方案是这样实现的：
一种偏振不敏感的空间光混频器，包括半波片和调相器，以及第一偏振分束界面、第二偏振分束界面、第一分束界面、第二分束界面、第一反射界面和第二反射界面，
所述半波片的主轴方向与水平方向夹角为22.5°，用于将水平偏振的本振光旋转45°变为45°线偏振光；
所述调相器用于调制45°线偏振本振光的水平偏振分量和竖直偏振分量之间的相位差φ；
所述第一偏振分束界面和第二偏振分束界面分别位于第一分束界面和第二分束界面构成的同一平面两侧，所述第一分束界面和第二分束界面分别位于第一偏振分束界面和第二偏振分束界面构成的另一个平面两侧，并且两个平面垂直交叉；
所述第一反射界面和第二反射界面等间距地位于第一偏振分束界面和第二偏振分束界面所构成平面的两侧，并均与之平行；
所述半波片与调相器的入射界面相互平行，且均与第二偏振分束界面夹角为45°，使本振光入射方向与半波片和调相器的入射界面垂直，并与第二偏振分束界面的夹角为45°；
所述第一偏振分束界面用于将信号光偏振分束，产生水平偏振的第一信号光和竖直偏振的第二信号光；
所述第二偏振分束界面用于将经过偏振旋转和相位调制的本振光偏振分束，产生水平偏振的第一本振光和竖直偏振的第二本振光；
所述第一分束界面用于使第一信号光和第一本振光进行干涉，产生水平偏振的第一干涉光和第二干涉光；
所述第二分束界面用于使第二信号光和第二本振光进行干涉，产生竖直偏振的第三干涉光和第四干涉光；
所述第一反射界面用于反射第一干涉光和第二干涉光；
所述第二反射界面用于反射第三干涉光和第四干涉光；
所述第一偏振分束界面还用于使第一干涉光和第三干涉光进行偏振合束，产生第一混频光；
所述第二偏振分束界面还用于使第二干涉光和第四干涉光进行偏振合束，产生第二混频光。
优选地，所述第一偏振分束界面、第二偏振分束界面分别对应地由第一偏振分束镜、第二偏振分束镜的偏振分束界面构成；
所述第一分束界面、第二分束界面分别对应地由第一非偏振分束镜、第二非偏振分束镜的分束界面构成。
优选地，所述第一反射界面和第二反射界面分别对应地由第一直角棱镜和第二直角棱镜的反射面构成。
优选地，所述第一反射界面和第二反射界面分别对应地由第一反射镜和第二反射镜的反射面构成。
优选地，所述第一偏振分束镜和第二偏振分束镜的尺寸相同，长和宽均为2L，高为L；所述第一非偏振分束镜和第二非偏振分束镜为立方体，长宽高均为L；
所述第一偏振分束镜的光束透射界面、光束反射界面分别对应与第一非偏振分束镜的第一光束入射界面、第二非偏振分束镜的第一光束入射界面贴合；所述第二偏振分束镜的光束透射界面、光束反射界面分别对应与第一非偏振分束镜的第二光束入射界面、第二非偏振分束镜的第二光束入射界面贴合；
所述调相器的光束入射界面与半波片的光束出射界面贴合，光束出射界面与第二偏振分束镜的光束入射界面贴合，使得调相器与第一非偏振分束镜分别处于第二偏振分束镜的两侧。
优选地，所述第一直角棱镜和第二直角棱镜的尺寸相同，两个直角边长均为2L，高为L，斜面外侧镀有反射膜；
所述第一直角棱镜的一个直角面与第一偏振分束镜的光束反射界面相对的面处于同一平面，另一个直角面与第二偏振分束镜的光束反射界面相对的面处于同一平面；
所述第二直角棱镜的一个直角面与第一偏振分束镜的光束透射界面相对的面处于同一平面，另一个直角面与第二偏振分束镜的光束透射界面相对的面处于同一平面。
优选地，所述调相器进行动态调相，使其所调节相位与信号光正交偏振分量之间的相位差相差π/2。
与现有技术相比，本发明有以下有益效果：
本发明提出一种偏振不敏感的空间混频器，通过将输入信号光进行偏振分束，使信号光的两个偏振分量分别与本地本振光的两个幅度相等的分量进行混频，只需要对其中一个本振光分量进行调相，即可实现偏振不敏感光混频，而不受信号光偏振变化的影响。本发明适用于任意偏振态的信号光，结构简单，具有较高的稳定性。
附图说明
图1为本发明偏振不敏感的空间光混频器的原理图；
图2为本发明偏振不敏感的空间光混频器的结构示意图；
图3为本发明偏振不敏感的空间光混频器的光路示意图。
图中：半波片1，调相器2，第一偏振分束界面3，第二偏振分束界面4，第一分束界面5，第二分束界面6，第一反射界面7，第二反射界面8，第一偏振分束镜9，第二偏振分束镜10，第一非偏振分束镜11，第二非偏振分束镜12，第一直角棱镜13，第二直角棱镜14。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明进行清楚、完整地描述。
如图1所示，一种偏振不敏感的空间光混频器，包括半波片1和调相器2，以及第一偏振分束界面3、第二偏振分束界面4、第一分束界面5、第二分束界面6、第一反射界面7和第二反射界面8，
所述半波片1的主轴方向与水平方向夹角为22.5°，用于将水平偏振的本振光旋转45°变为45°线偏振光；
所述调相器2用于调制45°线偏振本振光的水平偏振分量和竖直偏振分量之间的 相位差
Figure 744958DEST_PATH_IMAGE001
；
所述第一偏振分束界面3和第二偏振分束界面4分别位于第一分束界面5和第二分束界面6构成的同一平面两侧，所述第一分束界面5和第二分束界面6分别位于第一偏振分束界面3和第二偏振分束界面4构成的另一个平面两侧，并且所述两个平面垂直交叉；
所述第一反射界面7和第二反射界面8等间距地位于第一偏振分束界面3和第二偏振分束界面4所构成平面的两侧，并均与之平行，同时二者与第一分束界面5和第二分束界面6构成的平面垂直；
所述半波片1与调相器2的入射界面相互平行，且均与第二偏振分束界面4夹角为45°，使本振光入射方向与半波片1和调相器2的入射界面垂直，并与第二偏振分束界面4的夹角为45°；
所述第一偏振分束界面3用于将信号光偏振分束，产生水平偏振的第一信号光和竖直偏振的第二信号光；
所述第二偏振分束界面4用于将经过偏振旋转和相位调制的本振光偏振分束，产生水平偏振的第一本振光和竖直偏振的第二本振光；
所述第一分束界面5用于使第一信号光和第一本振光进行干涉，产生水平偏振的第一干涉光和第二干涉光；
所述第二分束界面6用于使第二信号光和第二本振光进行干涉，产生竖直偏振的第三干涉光和第四干涉光；
所述第一反射界面7用于反射第一干涉光和第二干涉光；
所述第二反射界面8用于反射第三干涉光和第四干涉光；
所述第一偏振分束界面3还用于使第一干涉光和第三干涉光进行偏振合束，产生第一混频光；
所述第二偏振分束界面4还用于使第二干涉光和第四干涉光进行偏振合束，产生第二混频光；
所述调相器2进行动态调相，使其所调节相位与信号光正交偏振分量之间的相位差相差π/2。
具体工作原理如下：
信号光的偏振态可写为
Figure 942721DEST_PATH_IMAGE002
其中，
Figure 693639DEST_PATH_IMAGE003
分别为信号光的频率、初始相位、正交偏振分量之间的相位差。信 号光首先入射到第一偏振分束界面3，被分束成水平偏振的第一信号光和竖直偏振的第二 信号光。
同时，水平偏振的本振光入射到半波片1，偏振旋转45°后被调相器2调制正交偏振分量相位差φ，偏振态可写为
Figure 158993DEST_PATH_IMAGE004
其中，
Figure 665061DEST_PATH_IMAGE005
分别为本振光的幅度、频率、初始相位。随后入射至第二偏振 分束界面4，被分束成水平偏振的第一本振光和竖直偏振的第二本振光。其中，水平偏振的 第一信号光和第一本振光同时到达第一分束界面5处进行干涉，产生第一干涉光和第二干 涉光，二者可分别写为
Figure 287803DEST_PATH_IMAGE006
竖直偏振的第二信号光和第二本振光同时到达第二分束界面6处进行干涉，产生第三干涉光和第四干涉光，二者可分别写为
Figure 639150DEST_PATH_IMAGE007
第一干涉光经第一反射界面7反射、第三干涉光经第二反射界面8反射后同时到达第一偏振分束界面3，进行偏振合束，产生第一混频光为
Figure 726055DEST_PATH_IMAGE008
第二干涉光经第一反射界面7反射、第四干涉光经第二反射界面8反射后同时到达第二偏振分束界面4，进行偏振合束，产生第二混频光为
Figure 340707DEST_PATH_IMAGE009
使用平衡探测器对第一混频光和第二混频光进行光电转换，产生的差分电流为
Figure 746018DEST_PATH_IMAGE010
其中，R为探测器的响应系数，
Figure 901056DEST_PATH_IMAGE011
为中 频信号。
由于信号光的偏振变化是缓变过程，
Figure 45730DEST_PATH_IMAGE012
也是缓变的，可以根据输出信号大小，结 合PID控制算法动态调节
Figure DEST_PATH_IMAGE013
使得
Figure 565704DEST_PATH_IMAGE014
时，差分电流为
Figure 225355DEST_PATH_IMAGE015
可以明显看出，信号光的偏振角信息转化成了中频信号的相位信息，输出中频信 号的振幅大小与偏振角
Figure 620302DEST_PATH_IMAGE016
无关，即信号光的任何偏振态起伏都不会影响到中频信号的幅度 解调，也不会降低外差探测的接收灵敏度。因此，通过对第二本振光调节相位
Figure 150641DEST_PATH_IMAGE017
，可以消除信 号光的偏振态变化对最终输出信号的影响，实现稳定的光学混频。
如图2所示，实施例：
所述偏振不敏感的空间光混频器结构为：所述第一偏振分束界面3、第二偏振分束界面4分别对应地由第一偏振分束镜9、第二偏振分束镜10的偏振分束界面构成；
所述第一分束界面5、第二分束界面6分别对应地由第一非偏振分束镜11、第二非偏振分束镜12的分束界面构成；
所述第一反射界面7和第二反射界面8分别对应地由第一直角棱镜13和第二直角棱镜14的反射面构成；
所述第一偏振分束镜9和第二偏振分束镜10的尺寸相同，长和宽均为2L，高为L；所述第一非偏振分束镜11和第二非偏振分束镜12为立方体，长宽高均为L；
所述第一偏振分束镜9的光束透射界面、光束反射界面分别对应与第一非偏振分束镜11的第一光束入射界面、第二非偏振分束镜12的第一光束入射界面贴合；所述第二偏振分束镜10的光束透射界面、光束反射界面分别对应与第一非偏振分束镜11的第二光束入射界面、第二非偏振分束镜12的第二光束入射界面贴合；
所述调相器2一侧与半波片1贴合，另一侧与第二偏振分束镜10贴合，使得调相器2与第一非偏振分束镜11分别处于第二偏振分束镜10的两侧；
所述第一直角棱镜13和第二直角棱镜14的尺寸相同，两个直角边长均为2L，高为L，斜面外侧镀有反射膜；
所述第一直角棱镜13的一个直角面与第一偏振分束镜9的光束反射界面相对的面处于同一平面，另一个直面与第二偏振分束镜10的光束反射界面相对的面处于同一平面；
所述第二直角棱镜14的一个直角面与第一偏振分束镜9的光束透射界面相对的面处于同一平面，另一个直角面与第二偏振分束镜10的光束透射界面相对的面处于同一平面。
具体工作原理如下：
信号光和本振光在空间光混频器内传输并进行混频的光路如图3所示。
信号光的偏振态可写为
Figure 169412DEST_PATH_IMAGE018
其中，
Figure 254043DEST_PATH_IMAGE019
分别为信号光的频率、初始相位、正交偏振分量之间的相位差。信 号光首先入射到第一偏振分束镜9，在第一偏振分束界面3处被分束成水平偏振的第一信号 光和竖直偏振的第二信号光。
同时，水平偏振的本振光入射到半波片1，偏振旋转45°后被调相器2调制正交偏振 分量相位差
Figure 750883DEST_PATH_IMAGE020
，偏振态可写为
Figure 666887DEST_PATH_IMAGE021
其中，
Figure 27199DEST_PATH_IMAGE022
分别为本振光的幅度、频率、初始相位。
随后入射至第二偏振分束镜10，在第二偏振分束界面4处被分束成水平偏振的第一本振光和竖直偏振的第二本振光。其中，水平偏振的第一信号光和第一本振光同时到达第一非偏振分束镜11的分束界面两侧，在第一分束界面5处进行干涉，产生第一干涉光和第二干涉光，二者可分别写为
Figure 661442DEST_PATH_IMAGE023
竖直偏振的第二信号光和第二本振光同时到达第二非偏振分束镜12的分束界面两侧，在第二分束界面6处进行干涉，产生第三干涉光和第四干涉光，二者可分别写为
Figure 899657DEST_PATH_IMAGE024
第一干涉光经第一直角棱镜13的第一反射界面7反射、第三干涉光经第二直角棱镜14的第二反射界面8反射后同时到达第一偏振分束镜9的分束界面两侧，在第一偏振分束界面3处进行偏振合束，产生第一混频光为
Figure 670167DEST_PATH_IMAGE025
第二干涉光经第一直角棱镜13的第一反射界面7反射、第四干涉光经第二直角棱镜14的第二反射界面8反射后同时到达第二偏振分束镜10的分束界面两侧，在第二偏振分束界面4处进行偏振合束，产生第二混频光为
Figure 234003DEST_PATH_IMAGE026
使用平衡探测器对第一混频光和第二混频光进行光电转换，产生的差分电流为
Figure 791761DEST_PATH_IMAGE027
其中，R为探测器的响应系数，
Figure 895983DEST_PATH_IMAGE028
为中 频信号。
由于信号光的偏振变化是缓变过程，
Figure 458683DEST_PATH_IMAGE029
也是缓变的，可以根据输出信号大小，结合 PID控制算法动态调节
Figure 990158DEST_PATH_IMAGE030
使得
Figure 271098DEST_PATH_IMAGE031
时，差分电流为
Figure 689265DEST_PATH_IMAGE032
可以明显看出，信号光的偏振角信息转化成了中频信号的相位信息，输出中频信 号的振幅大小与偏振角
Figure 372050DEST_PATH_IMAGE033
无关，即信号光的任何偏振态起伏都不会影响到中频信号的幅 度解调，也不会降低外差探测的接收灵敏度。因此，通过对第二本振光调节相位
Figure 808848DEST_PATH_IMAGE034
，可以消 除信号光的偏振态变化对最终输出信号的影响，实现稳定的光学混频。
综合本发明各个实施例可知，本发明提出一种偏振不敏感的空间光混频器，通过将输入信号光进行偏振分束，使信号光的两个偏振分量分别与本地本振光的两个幅度相等的分量进行混频，只需要对其中一个本振光分量进行调相，即可实现偏振不敏感光混频，而不受信号光偏振变化的影响。本发明适用于任意偏振态的信号光，结构简单，具有较高的稳定性。

Claims (7)

1.一种偏振不敏感的空间光混频器，其特征在于，包括半波片（1）和调相器（2），以及第一偏振分束界面（3）、第二偏振分束界面（4）、第一分束界面（5）、第二分束界面（6）、第一反射界面（7）和第二反射界面（8），
所述半波片（1）的主轴方向与水平方向夹角为22.5°，用于将水平偏振的本振光旋转45°变为45°线偏振光；
所述调相器（2）用于调制45°线偏振本振光的水平偏振分量和竖直偏振分量之间的相位差φ；
所述第一偏振分束界面（3）和第二偏振分束界面（4）分别位于第一分束界面（5）和第二分束界面（6）构成的同一平面两侧，所述第一分束界面（5）和第二分束界面（6）分别位于第一偏振分束界面（3）和第二偏振分束界面（4）构成的另一个平面两侧，并且两个平面垂直交叉；
所述第一反射界面（7）和第二反射界面（8）等间距地位于第一偏振分束界面（3）和第二偏振分束界面（4）所构成平面的两侧，并均与之平行；
所述半波片（1）与调相器（2）的入射界面相互平行，且均与第二偏振分束界面（4）夹角为45°，使本振光入射方向与半波片（1）和调相器（2）的入射界面垂直，并与第二偏振分束界面（4）的夹角为45°；
所述第一偏振分束界面（3）用于将信号光偏振分束，产生水平偏振的第一信号光和竖直偏振的第二信号光；
所述第二偏振分束界面（4）用于将经过偏振旋转和相位调制的本振光偏振分束，产生水平偏振的第一本振光和竖直偏振的第二本振光；
所述第一分束界面（5）用于使第一信号光和第一本振光进行干涉，产生水平偏振的第一干涉光和第二干涉光；
所述第二分束界面（6）用于使第二信号光和第二本振光进行干涉，产生竖直偏振的第三干涉光和第四干涉光；
所述第一反射界面（7）用于反射第一干涉光和第二干涉光；
所述第二反射界面（8）用于反射第三干涉光和第四干涉光；
所述第一偏振分束界面（3）还用于使第一干涉光和第三干涉光进行偏振合束，产生第一混频光；
所述第二偏振分束界面（4）还用于使第二干涉光和第四干涉光进行偏振合束，产生第二混频光。
2.如权利要求1所述的偏振不敏感的空间光混频器，其特征在于，所述第一偏振分束界面（3）、第二偏振分束界面（4）分别对应地由第一偏振分束镜（9）、第二偏振分束镜（10）的偏振分束界面构成；
所述第一分束界面（5）、第二分束界面（6）分别对应地由第一非偏振分束镜（11）、第二非偏振分束镜（12）的分束界面构成。
3.如权利要求2所述的偏振不敏感的空间光混频器，其特征在于，所述第一反射界面（7）和第二反射界面（8）分别对应地由第一直角棱镜（13）和第二直角棱镜（14）的反射面构成。
4.如权利要求1或2所述的偏振不敏感的空间光混频器，其特征在于，所述第一反射界面（7）和第二反射界面（8）分别对应地由第一反射镜和第二反射镜的反射面构成。
5.如权利要求3所述的偏振不敏感的空间光混频器，其特征在于，所述第一偏振分束镜（9）和第二偏振分束镜（10）的尺寸相同，长和宽均为2L，高为L；所述第一非偏振分束镜（11）和第二非偏振分束镜（12）为立方体，长宽高均为L；
所述第一偏振分束镜（9）的光束透射界面、光束反射界面分别对应与第一非偏振分束镜（11）的第一光束入射界面、第二非偏振分束镜（12）的第一光束入射界面贴合；所述第二偏振分束镜（10）的光束透射界面、光束反射界面分别对应与第一非偏振分束镜（11）的第二光束入射界面、第二非偏振分束镜（12）的第二光束入射界面贴合；
所述调相器（2）的光束入射界面与半波片（1）的光束出射界面贴合，光束出射界面与第二偏振分束镜（10）的光束入射界面贴合，使得调相器（2）与第一非偏振分束镜（11）分别处于第二偏振分束镜（10）的两侧。
6.如权利要求5所述的偏振不敏感的空间光混频器，其特征在于，所述第一直角棱镜（13）和第二直角棱镜（14）的尺寸相同，两个直角边长均为2L，高为L，斜面外侧镀有反射膜；
所述第一直角棱镜（13）的一个直角面与第一偏振分束镜（9）的光束反射界面相对的面处于同一平面，另一个直角面与第二偏振分束镜（10）的光束反射界面相对的面处于同一平面；
所述第二直角棱镜（14）的一个直角面与第一偏振分束镜（9）的光束透射界面相对的面处于同一平面，另一个直角面与第二偏振分束镜（10）的光束透射界面相对的面处于同一平面。
7.如权利要求6所述的偏振不敏感的空间光混频器，其特征在于，所述调相器（2）进行动态调相，使其所调节相位与信号光正交偏振分量之间的相位差相差π/2。
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