CN1844961A - 电控相移空间光桥接器 - Google Patents

Abstract

一种电控相移空间光桥接器，在相干光通信接收机中用于空间复合激光通信信号光束和本机振荡激光光束并产生电控制的可变相移的四通道合成光束输出，即实现电控相移空间2×4桥接，以进一步进行光电变换及信号解调和锁相。本发明电控相移空间光桥接器由四块相同结构的铌酸锂双折射光学平板及其控制电极和一块检偏双折射平板所组成。由于特殊光学加工可以保证四块铌酸锂双折射光学平板具有完全相等的相位延迟，四块铌酸锂双折射光学平板能够使用一个电源控制，因此本发明具有结构简单紧凑，性能稳定可靠，损耗小等优点，具有输出的相移连续可变的特点。本电控相移空间光桥接器特别适用于自由空间激光相干通信，对于星载激光通信终端实现小型化、轻量化、低功耗和高码率有实际意义。

Description

电控相移空间光桥接器

技术领域

本发明涉及激光通信，特别是一种电控相移空间光桥接器，在相干光通信接收机中用于空间复合激光通信信号光束和本机振荡激光光束并产生电控制的可变相移的四通道合成光束输出，即实现电控相移空间2×4桥接。

背景技术

用于卫星之间或者卫星和地面站之间自由空间激光通信的星载激光通信终端需要实现小型化、轻量化、低功耗和高码率。激光通信体制有两种：一种是非相干激光通信体制，光学发射端采用光强调制，光学接收端采用直接探测；另外一种是相干激光通信体制，光学发射端采用相位调制，光学接收端采用零差接收。由于相干光通信的接收机灵敏度比非相干光通信的灵敏度高一个量级以上，相干光通信体制是提高数据传输速率和降低体积、质量和功耗的关键，远距离高码率的空间激光通信主要采用相干光通信体制。

一个相干光零差通信通道的接收端由本机激光振荡器，光电子接收、锁相环路、光学桥接器(Hybrid)以及信号光接收光路所组成。光桥接器将信号激光和本振激光链接到光电接收机，是相干光通信系统中的系统关键器件之一，相干通信系统的接收性能取决于桥接器的性能。光桥接器主要功能是在空间精确合成信号激光波前和本振激光波前，以产生两者的差频。在性能上光桥接器分为90度相移两通道输出，180度相移两通道输出和90度相移四通道输出等结构，180度相移2×2桥接器可用于平衡锁相环路接收机，90度相移2×2桥接器可用于科斯塔斯锁相环路接收机，90度相移2×4桥接器可用于平衡接收和科斯塔斯锁相环路相结合的接收机。

在卫星激光通信终端中，所接收的光信号不仅要用于探测通信信息而且也要用于探测对方终端的空间位置，即利用光电位置探测器测量光信号对于接收望远镜的离轴量，这种位置变化信号用于光学精密跟踪的目的。因此，光桥接器必须是自由空间传播方式的。

在光纤通信系统利用，光桥接器采用波导和光纤器件原理实现，这些器件不属于自由空间光学，不适合于卫星自由空间激光通信系统应用。在卫星激光通信终端中，已经发展了一种2×4输入输出的块状光学桥接器[请参见文献1：R.Garreis，C.Zeiss，″90°optical hybrid for coherent receivers，″Proc.SPIE，Vol.1522，pp.210-219，1991.和文献2：R.Lange and B.Smutny，“Optical inter-satellitelinkd based on homodyne BSPK modulation：heritage，status and outlook”，Proc.SPIE，Vol.5712，pp.1-12，2005.]，其可以同时实现相差90度的两组180度相移的输出。该光学桥接器的180度相移基于偏振光干涉原理，而90度相移采用波片延迟，但整个光学系统需要保证光束的严格等光程传输，类似于白光干涉条件。因此，该桥接器的光学质量和装配要求非常严格，稳定性较差，而且元件很多(13块)，插入损耗较大。

所有的光桥接器中都采用固定的相位延迟器件，不能进行相位延迟的改变或者控制。

发明内容

本发明本发明要解决的技术问题在于克服上述现有技术的不足，提供一种电控相移空间光桥接器，该光桥接器应具有结构简单紧凑，性能稳定可靠，损耗小等优点。同时电光控制能够实现精确的90度相移控制，也能够产生可以电控制的连续变化的相移，且对于后面的处理电路有更多的选择可能性。

本发明采用四块相同结构的铌酸锂电光晶体双折射分束/合束光学平板和一块检偏双折射平板组成电光控制相位移动的双折射自由空间光桥接器，采用施加电压的方法产生光束的不同的相位延迟，从而实现90度相移的四通道输出。由于四块铌酸锂电光晶体双折射光学平板能够保证精确的相同结构，因此本发明具有结构简单紧凑，性能稳定可靠，损耗小等优点。同时电光控制能够实现精确的90度相移控制，也能够产生可以电控制的连续变化的相移，且对于后面的处理电路有更多的选择可能性。

本发明的技术解决方案如下：

一种电控相移空间光桥接器，其特征在于由铌酸锂晶体制成的结构尺寸相同的第一双折射光学平板、第二双折射光学平板、第三双折射光学平板和第四双折射光学平板及一方解石检偏双折射平板所构成，所述的第一双折射光学平板和第二双折射光学平板的光轴相反并叠在一起形成第一叠块，所述的第一双折射光学平板和第二双折射光学平板分别带有第一面电极及其引线、第二面电极及其引线和公共面电极及其引线，所述的第三双折射光学平板和第四双折射光学平板的光轴相反并叠在一起形成第二叠块，所述的第三双折射光学平板和第四双折射光学平板分别带有第三面电极及其引线、第四面电极及其引线和公共面电极及其引线，沿光线的行进方向依次是所述的第一叠块、第二叠块和检偏双折射平板，所述的第一双折射光学平板、第二双折射光学平板的主截面与第三双折射光学平板、第四双折射光学平板的主截面相互垂直，所述的检偏双折射平板的主截面与第三双折射光学平板6的主截面成45°放置，

所述的第一双折射光学平板、第二双折射光学平板、第三双折射光学平板、第四双折射光学平板和检偏双折射平板的垂直于光线行进方向的入射面和出射面为光学抛光面。

所述的双折射光学平板的晶体光轴的取向为θ，即o光波法线方向与晶体光轴的夹角，双折射光学平板的主截面为晶体光轴、o光和e光所处的公共平面。o光和e光的主折射率分别为n_o和n_e。光线垂直入射到晶体界面时，光波一进入晶体就分解为折射率为n_o和n_e′的o光和e光，其光束偏离角记为α，满足关系式：

$\mathrm{tg\α}=(1-\frac{n_o^2}{n_e^2})\frac{\mathrm{tg\θ}}{1+\frac{n_o^2}{n_e^2}{\mathrm{tg}}^2\mathrm{\θ}},$

相应地光束分离距离为：

                    ΔL＝Dtanα

其中，D为双折射平板的长度。

光束偏离后，铌酸锂双折射光学平板晶体内，o光的相位延迟为：

而e光的相位延迟为

其中

$n_e^{\′}=\frac{n_o{n}_e}{{[n_o^2{\sin }^2(\mathrm{\θ}+\mathrm{\α})+n_e^2{\cos }^2(\mathrm{\θ}+\mathrm{\α})]}^{1/2}}.$

铌酸锂双折射平板的两个y面上设置电极，施加E_y电场对于o光和e光产生附加的电感应相位移分别为：

其中： $\mathrm{\δ}\left(E_y\right)=\frac{1}{2}{n}_o^2{\mathrm{\γ}}_{22}{E}_y.$

半波延迟定义为 $\frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}\left(2\mathrm{\δ}{n}_{o}D\right)=\mathrm{\π},$ 而半波电压记为

则： $\mathrm{\δ}\left(V_y\right)=\frac{\mathrm{\λ}}{{4n}_{o}D}\frac{V_y}{V_y\left(\frac{\mathrm{\λ}}{2}\right)}.$ 因此，铌酸锂双折射平板的电感应相移和记作：

近似地表达为

设_3，0，_3，e，_4，o，_4，e，_8，o，_8，e和_9，o，_9，e分别为第一双折射光学平板3，第二双折射光学平板4，第三双折射光学平板8和第四双折射光学平板9中的o光和e光的相位延迟；而Δ₃(E₃)，Δ₄(E₄)，Δ₈(E₈)和Δ₉(E₉)分别为双折射光学平板3，双折射光学平板4，双折射光学平板8和双折射光学平板9中的o光和e光的电感应相移和。

本发明的技术关键是：先加工一整块铌酸锂双折射光学平板，然后按厚度切割成铌酸锂双折射光学平板3，铌酸锂双折射光学平板4，铌酸锂双折射光学平板8和铌酸锂双折射光学平板9，保证它们的_o都相同，_e都相同，即：

         _1，o＝_2，o＝_3，o＝_4，o

         _1，e＝_2，e＝_3，e＝_3，e

所以，输出面上的光束14、光束15、光束16和光束17的光强分别为：

其中：|A₁|和|A₂|为光束1和光束2的场强，

和 为光束1和光束2的频率，_s(t)为光束1的相位调制函数，_s0和_l0为光桥接器输入端的光束1和光束2的初始相位，∑Δ(E)＝Δ₈(E₈)+Δ₉(E₉)-Δ₃(E₃)-Δ₄(E₄)为两组180°相移光强输出之间的相移。

所述的第一双折射光学平板、第二双折射光学平板、第三双折射光学平板和第四双折射光学平板的入射面至出射面的厚度为≥d，宽度为≥2d，它们的长度为 $\≥\frac{d}{\tan \mathrm{\α}},$ 其中d为信号光束和本振光束的直径。

所述的检偏双折射平板的入射面至出射面的厚度为≥d，宽度为≥2d，长度为 $\≥\frac{d}{\tan \mathrm{\α}},$ 其中d为信号光束和本振光束的直径。

所述的第一双折射光学平板相应的第一面电极及其引线、第三双折射光学平板的第二面电极及其引线，所述的第三双折射光学平板的第三面电极及其引线和第四双折射光学平板的第四面电极及其引线与所述的公共面电极及其引线之间单独施加电压，或组合加电压，施加相同的电压或施加不同的电压。

附图说明

图1是本发明电控相移空间光桥接器实施例的结构示意图。

图2是铌酸锂双折射光学平板的晶体光轴取向和光束偏离的示意图。

图3是铌酸锂双折射光学平板3，铌酸锂双折射光学平板4，铌酸锂双折射光学平板8和铌酸锂双折射光学平板9的晶体取向和施加电压方向示意图。

具体实施方式

下面结合实施例附图进一步详细说明本发明，但不应以此限制本发明的保护范围。

先请参阅图1，图1是本发明电控相移空间光桥接器实施例的结构示意图，由图可见，本发明电控相移空间光桥接器，其特征在于由铌酸锂晶体制成的结构尺寸相同的第一双折射光学平板3、第二双折射光学平板4、第三双折射光学平板8和第四双折射光学平板9及一方解石检偏双折射平板13所构成，所述的第一双折射光学平板3和第二双折射光学平板4的光轴相反并叠在一起形成第一叠块，所述的第一双折射光学平板3和第二双折射光学平板4分别带有第一面电极及其引线5、第二面电极及其引线7和公共面电极及其引线6，所述的第三双折射光学平板8和第四双折射光学平板9的光轴相反并叠在一起形成第二叠块，所述的第三双折射光学平板8和第四双折射光学平板9分别带有第三面电极及其引线10、第四面电极及其引线11和公共面电极及其引线12，沿光线的行进方向依次是所述的第一叠块、第二叠块和检偏双折射平板13，所述的第一双折射光学平板3、第二双折射光学平板4的主截面与第三双折射光学平板8、第四双折射光学平板9的主截面相互垂直，所述的检偏双折射平板13的主截面与第三双折射光学平板6的主截面成45°放置，

所述的第一双折射光学平板3、第二双折射光学平板4、第三双折射光学平板8、第四双折射光学平板9和检偏双折射平板13的垂直于光线行进方向的入射面和出射面为光学抛光面。

所述的双折射光学平板的晶体光轴的取向为θ，即o光波法线方向与晶体光轴的夹角，双折射光学平板的主截面为晶体光轴、o光和e光所处的公共平面。输入光为光束1和光束2，输出光为光束14，光束15，光束16和光束17。所述的第一双折射光学平板3、第二双折射光学平板4、第三双折射光学平板8、第四双折射光学平板9和检偏双折射平板13的几何形状都为长方体平板，其垂直于光线行进方向的入射面和出射面抛光，其主截面为光轴与晶体界面法线确定的平面。

信号激光光束1入射到第一双折射光学平板3的下部，其偏振方向为45°取向。在铌酸锂晶体中其分解为o光和e光并相互偏离，形成两束平行光束出。本振激光光束2入射到第一双折射光学平板3的上部，其偏振方向为45°取向。在晶体中其分解为o光和e光并相互偏离，形成两束平行光束输出。第一双折射光学平板3和第二双折射光学平板4的光轴取向相反，因此它们的e光的偏离方向相反。

叠放的第三双折射光学平板8和第四双折射光学平板9的主截面垂直于第一双折射光学平板3和双第二折射光学平板4的主截面，第三铌酸锂双折射光学平板8和铌酸锂第四双折射光学平板9的光轴取向相反。从叠放的第一双折射光学平板3和第二双折射光学平板4出射的四路光束中的上面两路光束经过第三双折射光学平板8在空间上合成一路输出，而下面两路光束经过第四双折射光学平板9在空间上合成一路输出。

检偏双折射平板13的主截面与铌酸锂第三双折射光学平板8的主截面成45°放置。铌酸锂第四双折射光学平板9输出的光束通过检偏双折射平板13产生空间分离的o光的光束14和e光的光束15。第三铌酸锂双折射光学平板8输出的光束通过检偏双折射平板13产生空间分离的o光光束16和e光光束17。即输出四路合成光束，为2×4光学桥接器。

图1是本发明的一个实施例的系统示意图。信号光束1是激光通信终端望远镜系统出射的准直光束，光束2是本机激光振荡器光束，在本发明电控相移空间光桥接器之前控制成为相互平行排列的准直光束。最终得到四路相对90°相移的合成光输出，属于2×4光桥接器。

光束1入射到铌酸锂第一双折射光学平板3的下部，形成上面是e光而下面是o光的两束平行光束出。光束2入射到铌酸锂第二双折射光学平板4的上部，形成上面是o光而下面是e光的两束平行光束出。光束1和光束2的偏振方向与铌酸锂双折射光学平板的主截面成45°夹角。铌酸锂双折射光学平板主截面内晶体取向和光束偏离如图2所示，安排铌酸锂第一双折射光学平板3和铌酸锂第二双折射光学平板4的光轴取向相反，它们的e光的偏离方向相反。因此从叠放的铌酸锂第一双折射光学平板3和铌酸锂第二双折射光学平板4出射四路光束。

叠放的铌酸锂第三双折射光学平板8和铌酸锂第四双折射光学平板9的主截面垂直于铌酸锂第一双折射光学平板3和铌酸锂第二双折射光学平板4的主截面，第三双折射光学平板8和第四双折射光学平板9的光轴取向相反。叠放的铌酸锂第一双折射光学平板3和铌酸锂第二双折射光学平板4出射的四路光束中的上部的两路光束经过铌酸锂第三双折射光学平板8在空间上合成一路输出，而叠放的铌酸锂第一双折射光学平板3和铌酸锂第二双折射光学平板4出射的四路光束中的下部的两路光束经过铌酸锂第四双折射光学平板9在空间上合成一路输出。

检偏双折射平板13采用方解石晶体，其主截面与双折射光学平板8的主截面成45度放置。铌酸锂双折射光学平板8输出的光束由信号光和本振光复合而成，其通过检偏双折射平板13产生空间分离的o光偏振输出光束16和e光偏振输出光束17。铌酸锂第四双折射光学平板9输出的光束输出的光束由信号光和本振光复合而成，其通过检偏双折射平板13产生空间分离的o光偏振输出光束14和e光偏振输出光束15。信光束14，光束15，光束16和光束17的每路光束为信号光和本振光的偏振干涉。

本实施例中，铌酸锂双折射平板和检偏双折射平板的o光和e光的光束偏离采用最大化设计，则晶体光轴取向为：

${\mathrm{\θ}}_m=\arctan \frac{n_e}{n_o},$

将得到最大偏离角为：

${\mathrm{\α}}_m=\arctan \frac{n_o^2-n_e^2}{2n_o{n}_e},$

相应光束最大分离距离为：

                      ΔL＝Dtanα_m

其中，D为双折射平板的长度。

在最大偏离条件下，铌酸锂双折射平板晶体内的o光的相位延迟为：

而e光的相位延迟为

铌酸锂双折射平板的两个y面上设置电极，施加E_y电场对于o光和e光产生附加的电感应相位移分别为：

其中： $\mathrm{\δ}\left(E_y\right)=\frac{1}{2}{n}_o^2{\mathrm{\γ}}_{22}{E}_y.$

铌酸锂双折射平板的电感应相移和为：

近似地表达为

电感应∑Δ(E)相移有多种控制模式，可以单独加电压，可以组合加电压，可以加不同的电压，等等。下面给出一种四块晶体加相同的电压的方法，具体实施简单，所需电压最低。可以设定通过面电极及其引线5，面电极及其引线6和面电极及其引线7在铌酸锂第一双折射光学平板3和铌酸锂第二双折射光学平板4上施加的电压和通过面电极及其引线10，面电极及其引线11和面电极及其引线12在铌酸锂第三双折射光学平板8和铌酸锂第四双折射光学平板9上施加的电压都完全相同，其电压极性使得δ₈和δ₉符号相同，δ₃和δ₄符号相同，而δ₈和δ₃符号相反。因此两组180°相移光强输出之间的相移为：

                 ∑Δ(E)＝4Δ(E)，

或者近似地有

可见：本发明的电控相移空间光桥接器两组180°相移光强输出之间的相移可以随施加的电压连续变化。当 $V=-\frac{V\left(\frac{\mathrm{\λ}}{2}\right)}{2}$ 左右时，可以得到90°相移的四个输出。

铌酸锂双折射光学平板3，铌酸锂双折射光学平板4，铌酸锂双折射光学平板8和铌酸锂双折射光学平板9的晶体取向和施加电压的方向如图3所示，四个电压来自于同一个电源。改变电压能够控制光束14和光束15与光束16和光束17之间的相位移。

信号光束1的直径和本振光束2的直径应当控制相等。铌酸锂双折射光学平板3，铌酸锂双折射光学平板4，铌酸锂双折射光学平板8和铌酸锂双折射光学平板9的晶体取向和通光长度完全相同，其o光和e光的光束分离距离等于或者大于光束直径。检偏双折射平板13的宽度等于或者大于叠放的铌酸锂双折射光学平板8和铌酸锂双折射光学平板9的两个输出光束的间距加直径，其o光和e光的光束分离距离等于或者大于输出光束直径。输出面上光束14，光束15，光束16和光束17之间的尺寸应当保证光电探测器的位置，从输出面到光电探测器也可以附加过渡光学系统。

实施例使用波长为1064nm。实施例中的光束1和光束2的直径相同，均为φ1.5mm。铌酸锂双折射光学平板3，铌酸锂双折射光学平板4，铌酸锂双折射光学平板8和铌酸锂双折射光学平板9的结构尺寸完全相同，为一整块铌酸锂双折射光学平板按厚度切割而成。以铌酸锂晶体的折射率计算，铌酸锂双折射光学平板的光轴取向为θ_m＝44°，光束偏离度为 $\frac{\mathrm{\ΔL}}{D}=0.0346.$ 铌酸锂双折射光学平板3，铌酸锂双折射光学平板4，铌酸锂双折射光学平板8和铌酸锂双折射光学平板9的尺寸设计为长度×高度×厚度＝100mm×10mm×4mm。

方解石检偏双折射平板13的尺寸设计为长度×高度×宽度＝40mm×10mm×10mm，光轴取向为θ_m＝41.85°，光束偏离度为 $\frac{\mathrm{\ΔL}}{D}=0.11.$ 输出面上光束14和光束15，光束16和光束17的相邻距离均为4mm左右。输出面上光束14和光束16，光束15和光束17的相邻距离均为3.5mm左右。铌酸锂晶体的半波电压约为5kV@1064nm，本实施例的90度相移所需电压为100V。

Claims (6)

1、一种电控相移空间光桥接器，其特征在于由铌酸锂晶体制成的结构尺寸相同的第一双折射光学平板(3)、第二双折射光学平板(4)、第三双折射光学平板(8)和第四双折射光学平板(9)及一方解石检偏双折射平板(13)所构成，所述的第一双折射光学平板(3)和第二双折射光学平板(4)的光轴取向相反并叠在一起形成第一叠块，所述的第一双折射光学平板(3)和第二双折射光学平板(4)分别带有第一面电极及其引线(5)、第二面电极及其引线(7)和公共面电极及其引线(6)，所述的第三双折射光学平板(8)和第四双折射光学平板(9)的光轴取向相反并叠在一起形成第二叠块，所述的第三双折射光学平板(8)和第四双折射光学平板(9)分别带有第三面电极及其引线(10)、第四面电极及其引线(11)和公共面电极及其引线(12)，沿光线的行进方向依次是所述的第一叠块、第二叠块和检偏双折射平板(13)，所述的第一双折射光学平板(3)、第二双折射光学平板(4)的主截面与第三双折射光学平板(8)、第四双折射光学平板(9)的主截面相互垂直，所述的检偏双折射平板(13)的主截面与第三双折射光学平板6的主截面成45°放置。

2、根据权利要求1所述的电控相移空间光桥接器，其特征在于所述的第一双折射光学平板(3)、第二双折射光学平板(4)、第三双折射光学平板(8)、第四双折射光学平板(9)和检偏双折射平板(13)的垂直于光线行进方向的入射面和出射面为光学抛光面。

3、根据权利要求1所述的电控相移空间光桥接器，其特征在于所述的双折射光学平板的晶体光轴的取向为θ，即o光波法线方向与晶体光轴的夹角，双折射光学平板的主截面为晶体光轴、o光和e光所处的公共平面。

4、根据权利要求1所述的电控相移空间光桥接器，其特征在于所述的第一双折射光学平板(3)、第二双折射光学平板(4)、第三双折射光学平板(8)和第四双折射光学平板(9)的入射面至出射面的厚度为≥d，宽度为≥2d，它们的长度为 $\≥\frac{d}{\tan \mathrm{\α}},$ 其中d为信号光束(1)和本振光束(2)的直径。

5、根据权利要求1所述的电控相移空间光桥接器，其特征在于所述的检偏双折射平板(13)的入射面至出射面的厚度为 $\≥\sqrt{2}d,$ 宽度为≥2d，长度为 $\≥\frac{d}{\tan \mathrm{\α}},$ 其中d为信号光束1和本振光束2的直径。

6、根据权利要求1所述的电控相移空间光桥接器，其特征在于所述的第一双折射光学平板(3)相应的第一面电极及其引线(5)、第三双折射光学平板的第二面电极及其引线(7)，所述的第三双折射光学平板(8)的第三面电极及其引线(10)和第四双折射光学平板(9)的第四面电极及其引线(11)与所述的公共面电极及其引线(12)之间单独加电压，或组合加电压，施加相同的电压或施加不同的电压。

Images