CN101561554A - 相位可控双折射空间光桥接器 - Google Patents

Abstract

一种相位可控双折射空间光桥接器，由组合的双折射光学平板实现两输入光束的分光合成，四分之一波片进行相移控制，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输出四路具有所需相移关系的合成光束，实现2×4的空间光桥接。所述的四分之一波片使两个相互垂直的偏振分量产生90度的相移，转动其光轴方向可改变这两个分量之间的相位差从而补偿由于加工装较等误差产生的相位误差，因而本发明具有结构简单，性能稳定，相位可控的优点。适用于自由空间激光相干通信和激光雷达领域。

Description

相位可控双折射空间光桥接器

技术领域

本发明涉及相干激光通信和激光雷达，特别是一种相位可控双折射空间光桥接器。利用组合的双折射光学平板将两输入光束进行空间耦合并分成四路合成光束输出，实现2×4的空间光桥接，四分之一波片产生可控制的相移，在相干探测的光接收机中用于空间复合激光信号光束和本机振荡激光光束，并根据需要产生可进行相位控制的90度2×4空间光桥接器。

背景技术

实现大容量高码率、小型轻量化和低功耗的星载激光通信终端是自由空间激光通信的需要。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，并可采取多种调制方式，增加接收机选择性，是实现新一代轻量化、高码率星间激光通信***的关键技术。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、光桥接器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***中的***关键器件之一，相干通信***的接收性能取决于光桥接器的性能。根据产生相移的类型，光学桥接器分为90°、180°两种，其中180°相移桥接器用于平衡锁相环路接收机，90°相移桥接器用于科斯塔斯锁相环路接收机。根据输入-输出端口的数量分为2×2，2×4等不同的类型。尽管在光纤通信***中，人们利用光纤和波导发展多种光学桥接器方案，但这些适用于光纤通信***的光学桥接器不能满足空间通信的需求，不属于空间光桥接器，在自由空间激光通信***中，所接收的光信号不仅要用于探测通信信息还要进行位置信息提取以进行光学精密跟踪，对于自由空间激光通信终端，光桥接器必须是自由空间传播的。在自由空间光桥接中，先技术[1]，[2](参见文献1：WalterR.leeb.Realization of 90°and 180°Hybrids for Optical Frequencies[C].，Band 37[1983]，Heft 5/6：203-206.文献2：R.Garreis，C.Zeiss，″90°opticalhybrid for coherent receivers，″Proc.SPIE，Vol.1522，pp.210-219，1991.)提出了采用偏振分束器结合波片，非偏振分束器结合波片实现90度和180度相移的2×2空间光桥接器方案，文献[2]则在此基础上提出了2×4的90度相移的实现方案，但该方案须使入射光束的两个偏振分量经过偏振分束器、非偏振分束器后的相位满足特定关系，这一点技术上很难实现，此外，还有整个光学***需要保证光束的严格等光程传输，装较困难，相关元件过多，不易集成等缺点。先技术[3]，[4](参见文献3：刘立人，刘德安，闫爱民，栾竹，王利娟，孙建锋，钟向红，电控相移空间光桥接器，发明专利，公告号：100383572，同名实用新型专利公告号：200959599；文献4：刘立人，闫爱民，栾竹，刘德安，孙建锋，王利娟，钟向红，双折射自由空间光桥接器，发明专利，公告号：100383571，同名实用新型专利公告号2899300)综合利用晶体的双折射效应和电光效应提出了另外的2×4的90度空间光桥接器方案，虽然解决了先技术[1]，[2]相关元件过多，不易集成的缺点，但先技术【3】具有进行相位控制时需对每块晶片加电压并进行电压调节，工艺复杂，先技术【4】则具有不能进行相位控制的缺点。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的不足，提供一种相位可控双折射空间光桥接器，该空间光桥接器应具有结构简单、性能稳定、相位可控等优点。适用于自由空间传输的相干光探测***。

本发明的技术解决方案如下：

一种相位可控双折射空间光桥接器，其特点是由四分之一波片、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一检偏双折射平板构成，上述各元部件的位置关系是：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取向相反并叠在一起形成第一叠块，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取向相反并叠在一起形成第二叠块，所述的四分之一波片位于第一双折射光学平板或第二双折射光学平板的正前面，其快轴或慢轴平行于第一双折射光学平板或第二双折射光学平板的主截面，沿光线的行进方向依次是所述的四分之一波片、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是材料相同、结构尺寸相同的长方形单轴双折射晶体制成的平板。

一种相位可控双折射空间光桥接器，其特点是由四分之一波片、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、第五双折射光学平板和第六双折射光学平板构成，上述各元部件的位置关系是：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取向相反并叠在一起形成第一叠块，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取向相反并叠在一起形成第二叠块，所述的第五双折射光学平板和第六双折射光学平板光轴取向相反并叠在一起形成第三叠块，沿光线的行进方向依次是所述的四分之一波片、第一叠块、第二叠块和第三叠块，所述的四分之一波片的快轴或慢轴平行于第一双折射光学平板或第二双折射光学平板的主截面，所述的第三叠块的主截面与所述的第三双折射光学平板的主截面成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、第五双折射光学平板和第六双折射光学平板是材料相同、结构尺寸相同的长方形单轴双折射晶体平板。

所述的四分之一波片的光轴具有以入射光线为轴的转动机构。

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、检偏双折射平板、第五双折射光学平板和第六双折射光学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。

所述的单轴双折射晶体为方解石、钒酸钇、偏硼酸钡(α-BBO)或铌酸锂晶体。

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、第五双折射光学平板和第六双折射光学平板为长方体平板，该长方体平板的入射面至出射面的长度为入射面的宽度为≥2d，高度为≥d，其中d为第一光束和第二光束的直径，α为非常光束和寻常光束在双折射光学平板内的偏离角。

所述的检偏双折射平板的入射面至出射面的长度为入射面的宽度为≥2d，高度其中d为第一光束和第二光束的直径，α为非常光束和寻常光束在双折射光学平板内的偏离角。

双折射光学平板的主折射率分别为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，θ为双折射光学平板的晶体光轴的取向，D为双折射平板的沿o光传播的长度。

本发明的技术效果：

本发明相位可控双折射空间光桥接器采用两对共四块相同结构的双折射光学平板实现光束的分光合束，四分之一波片产生90度的相移并通过光轴的旋转进行相位的调节，从而实现相位可控的2×4的90度空间光桥接器。由于四块双折射光学平板能够保证精确的相同结构，克服了在先技术【1】、【2】须保证整个光学***光束的严格等光程传输装配困难问题，四分之一波片可使相互垂直的两个偏振分量产生90度的相移，而以入射光线为轴旋转其光轴补偿由于加工和装配误差造成的相位误差，克服了在先技术【1】、【2】中光束通过偏振分束器、非偏振分束器后其相位关系难以控制的困难，也克服了在先技术【3】的相位控制工艺复杂问题和在先技术【4】不能进行相位调节的缺点，因此本发明具有结构简单，性能稳定，相位可控等优点。适用于自由空间传播的相干光通信***和激光雷达。

附图说明

图1是本发明相位可控双折射空间光桥接器实施例1的结构示意图。

图2是本发明相位可控双折射空间光桥接器实施例2的结构示意图。

图3是方解石双折射光学平板主截面内晶体光轴取向和光束偏离的示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例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，由图1可见，本发明相位可控双折射空间光桥接器实施例1，由四分之一波片3、第一双折射光学平板4、第二双折射光学平板5、第三双折射光学平板6、第四双折射光学平板7和一检偏双折射平板8构成，上述各元部件的位置关系是：所述的第一双折射光学平板4和第二双折射光学平板5的光轴取向相反并叠在一起形成第一叠块，所述的第三双折射光学平板6和第四双折射光学平板7的光轴取向相反并叠在一起形成第二叠块，沿光线的行进方向依次是所述的四分之一波片3、第一叠块、第二叠块和检偏双折射平板8，所述的四分之一波片3的快轴或慢轴平行于第一双折射光学平板4或第二双折射光学平板5的主截面，所述的第一双折射光学平板4、第二双折射光学平板5的主截面与第三双折射光学平板6、第四双折射光学平板7的主截面相互垂直，所述的检偏双折射平板8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4、第二双折射光学平板5、第三双折射光学平板6、第四双折射光学平板7是材料相同、结构尺寸相同的长方形单轴双折射晶体制成的平板。所述的四分之一波片3的光轴具有以入射光线为轴的转动机构。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6、第四双折射光学平板7、检偏双折射平板8、第五双折射光学平板9和第六双折射光学平板10的垂直于光线行进方向的入射面和出射面为光学抛光面。

第一双折射光学平板4、第二双折射光学平板5、第三双折射光学平板6、第四双折射光学平板7都为单轴晶体长方形平板，其尺寸和结构完全相同。检偏双折射平板8的几何形状为单轴晶体长方形平板。第一双折射光学平板4、第二双折射光学平板5、第三双折射光学平板6、第四双折射光学平板7和检偏双折射平板8的垂直于光线行进方向的入射面和出射面为光学抛光面，其晶体光轴取向为θ，定义为o光波法线方向与光轴的夹角。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。

本实施例中，把四分之一波片3放在第一双折射光学平板4之前，信号光束1通过四分之一波片3，入射到第一双折射光学平板4的下部，其偏振方向为45°取向。在第一双折射光学平板4中，信号光束1分解为o光和e光并相互偏离，形成两束平行光束输出。本振光束2直接入射到第二双折射光学平板5的上部，其偏振方向为45°取向。在第二双折射光学平板5中本振光束2分解为o光部分和e光部分并相互偏离，形成两束平行光束输出。第一双折射光学平板4和第二双折射光学平板5的光轴取向相反，它们的e光沿相反方向偏离开。

从叠放的第一双折射光学平板4和第二双折射光学平板5出射的四路光束进入叠放的第三双折射光学平板6和第四双折射光学平板7，使它们的主截面分别垂直于第一双折射光学平板4和第二双折射光学平板5的主截面，这样上部的两路光束经过第三双折射光学平板6在空间上合成一路输出，而下部的两路光束经过第四双折射光学平板7在空间上合成一路输出。

定义检偏双折射平板8的主截面为光轴与晶体界面法线确定的平面，使其与双折射光学平板6的主截面成45°放置。从双折射光学平板7输出的光束通过检偏双折射平板8产生空间分离的o光光束11和e光光束12。从双折射光学平板6输出的光束通过检偏双折射平板8产生空间分离的o光光束13和e光光束14。即输出四路合成光束，为2×4的空间光桥接器。

一般情况下为获得较大的光束偏离，采用光束偏离最大化设计。在最大偏离角条件下，对于负轴晶体，光轴取向为：

${\mathrm{\θ}}_m=\arctan \frac{n_o}{n_e}---\left(1\right)$

而双折射光学平板晶体的光轴取向θ和光束的偏离角α之间的关系为：

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

相应的光束分离距离为：

ΔL＝Dtanα_m    (3)

其中D为双折射平板的沿o光传播的长度。

请参阅图2，图2是本发明相位可控双折射空间光桥接器实施例2结构的示意图。该实施例与实施例1的区别用叠放的第五双折射光学平板9和第六双折射光学平板10代替图1中的检偏双折射平板8。由图可见，本实施例相位可控双折射空间光桥接器，由四分之一波片3、第一双折射光学平板4、第二双折射光学平板5、第三双折射光学平板6、第四双折射光学平板7、第五双折射光学平板9和第六双折射光学平板10构成，上述各元部件的位置关系是：所述的第一双折射光学平板4和第二双折射光学平板5的光轴取向相反并叠在一起形成第一叠块，所述的第三双折射光学平板6和第四双折射光学平板7的光轴取向相反并叠在一起形成第二叠块，所述的第五双折射光学平板9和第六双折射光学平板10光轴取向相反并叠在一起形成第三叠块，沿光线的行进方向依次是所述的四分之一波片3、第一叠块、第二叠块和第三叠块，所述的四分之一波片3的快轴或慢轴平行于第一双折射光学平板4或第二双折射光学平板5的主截面，所述的第三叠块的主截面与所述的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4、第二双折射光学平板5、第三双折射光学平板6、第四双折射光学平板7、第五双折射光学平板9和第六双折射光学平板10是材料相同、结构尺寸相同的长方形单轴双折射晶体平板。

使输入的光束1和光束2都为线偏振光，其中：光束1的光矢量振动方向和四分之一波片的快轴或慢轴成45度角，光束2的光矢量振动方向和双折射光学平板的主截面成45度角。光束1首先经过四分之一波片3，然后和光束2依次经过第一叠块、第二叠块和检偏双折射光学平板8或者第三叠块，如图1、图2所示，最后得到四束输出光束11，12，13和14，它们的光强分别为：

其中，A_l、A_s分别为光束1、光束2的复振幅，

为光桥接器输入端光束1、光束2的初始相位差，φ_4o，φ_4e，φ_5o，φ_5e为o，e光在双折射光学平板4，5内的相位延迟，φ_6o，φ_6e，φ_7o，φ_7e为o，e光在双折射光学平板6，7内的相位延迟。

设计四块双折射光学平板4、5、6、7由同一块晶片切割而成，其结构、尺寸和光学性质相同，保证它们的相位延迟

和

都相同，则有：

这样，四束输出光束11，12，13和14的光强分别变为：

可见：本发明实现了具有相对90度相移的四通道输出，即2×4的90°空间光桥接器。

如果把四分之一波片的光轴以入射光线1为轴旋转一个小角度δ，光束1通过它后，两个相互垂直的偏振分量其相位差不再是90度，而是90+2δ，因此，最后的四束输出光束11，12，13和14的光强分别变为：

可见：本发明可通过旋转四分之一波片的光轴来调整各输出光束的相对相位差，以补偿由于加工和装配过程中的误差造成的输出光束的相位偏差。因此，本发明2×4的90°空间光桥接器具有相位可调的功能。

本发明中，双折射光学平板4、双折射光学平板5、双折射光学平板6、双折射光学平板7可由一整块双折射光学平板按厚度切割分成，以保证它们的、

都相同。双折射光学平板9、双折射光学平板10也由一整块双折射光学平板按厚度切割分成，以保证它们有相同的光学性质和结构。

光束1和光束2的直径相同，设它们的直径为d。第一双折射光学平板4、第二双折射光学平板5、第三双折射光学平板6和第四双折射光学平板7的入射面和出射面的长度为

入射面的宽度为≥2d，高度为≥d。

第五双折射光学平板9、第六双折射光学平板10的入射面和出射面的长度为

入射面的宽度为≥2d，高度为≥d。

检偏双折射平板8的入射面和出射面的长度为入射面的宽度为≥2d，高度为

按图1所示的实施例中，第一双折射光学平板4、第二双折射光学平板5、第三双折射光学平板6和第四双折射光学平板7和检偏双折射平板8都采用方解石晶体，并采取最大化光束偏离设计。按图2所示的实施例中，第五双折射光学平板9、第六双折射光学平板10也采用方解石晶体和采取最大化光束偏离设计。双折射光学平板主截面内晶体光轴取向和光束偏离的示意图如图3所示。

实施例图1中的光束1和光束2的直径均为φ2mm。第一双折射光学平板4、第二双折射光学平板5、第三双折射光学平板6和第四双折射光学平板7的结构尺寸完全相同，为一整块方解石双折射光学平板按厚度切割而成。设使用波长为1064nm，四分之一波片的尺寸为4mm×4mm，由方解石的色散方程算出在此波长上的主折射率为n_o＝1.6423，n_e＝1.4797，设计方解石平板4、方解石平板5、方解石平板6和方解石平板7的尺寸为长×宽×高＝40mm×20mm×10mm，光轴取向为θ_m＝48°，方解石检偏器的尺寸为长×宽×高＝40mm×40mm×40mm，光轴取向为θ_m＝48°，最后输出光束11和12，13和14的分离距离约为4.4mm。

实施例图2中，第五方解石光学平板9、第六方解石光学平板10的尺寸为长×宽×高＝40mm×20mm×10mm，同样得到输出光束11和12，13和14的分离距离约为4.4mm。

Claims (8)

1、一种相位可控双折射空间光桥接器，其特征在于由四分之一波片(3)，第一双折射光学平板(4)、第二双折射光学平板(5)、第三双折射光学平板(6)、第四双折射光学平板(7)和一检偏双折射平板(8)构成，上述各元部件的位置关系是：所述的第一双折射光学平板(4)和第二双折射光学平板(5)的光轴取向相反并叠在一起形成第一叠块，所述的第三双折射光学平板(6)和第四双折射光学平板(7)的光轴取向相反并叠在一起形成第二叠块，所述的四分之一波片(3)位于第一双折射光学平板(4)或第二双折射光学平板(5)的正前面，其快轴或慢轴平行于第一双折射光学平板(4)或第二双折射光学平板(5)的主截面，沿光线的行进方向依次是所述的四分之一波片(3)、第一叠块、第二叠块和检偏双折射平板(8)，所述的第一双折射光学平板(4)、第二双折射光学平板(5)的主截面与第三双折射光学平板(6)、第四双折射光学平板(7)的主截面相互垂直，所述的检偏双折射平板(8)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(4)、第二双折射光学平板(5)、第三双折射光学平板(6)、第四双折射光学平板(7)是材料相同、结构尺寸相同的长方形单轴双折射晶体制成的平板。

2、一种相位可控双折射空间光桥接器，其特征在于由四分之一波片(3)，第一双折射光学平板(4)、第二双折射光学平板(5)、第三双折射光学平板(6)、第四双折射光学平板(7)、第五双折射光学平板(9)和第六双折射光学平板(10)构成，上述各元部件的位置关系是：所述的第一双折射光学平板(4)和第二双折射光学平板(5)的光轴取向相反并叠在一起形成第一叠块，所述的第三双折射光学平板(6)和第四双折射光学平板(7)的光轴取向相反并叠在一起形成第二叠块，所述的第五双折射光学平板(9)和第六双折射光学平板(10光轴取向相反并叠在一起形成第三叠块，沿光线的行进方向依次是所述的四分之一波片(3)、第一叠块、第二叠块和第三叠块，所述的四分之一波片(3)的快轴或慢轴平行于第一双折射光学平板(4)或第二双折射光学平板(5)的主截面，所述的第三叠块的主截面与所述的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(4)、第二双折射光学平板(5)、第三双折射光学平板(6)、第四双折射光学平板(7)、第五双折射光学平板(9)和第六双折射光学平板(10)是材料相同、结构尺寸相同的长方形单轴双折射晶体平板。

3、根据权利要求1或2所述的相位可控双折射空间光桥接器，其特征在于所述的四分之一波片(3)的光轴具有以入射光线为轴的转动机构。

4、根据权利要求1或2所述的双折射自由空间光桥接器，其特征在于所述的第一双折射光学平板(4)、第二双折射光学平板(5)、第三双折射光学平板(6)、第四双折射光学平板(7)、检偏双折射平板(8)、第五双折射光学平板(9)和第六双折射光学平板(10)的垂直于光线行进方向的入射面和出射面为光学抛光面。

5、根据权利要求1所述的相位可控双折射空间光桥接器，其特征在于所述的单轴双折射晶体为方解石、钒酸钇、α-BBO或铌酸锂晶体。

6、根据权利要求2所述的相位可控双折射空间光桥接器，其特征在于所述的单轴双折射晶体为方解石、钒酸钇、α-BBO或铌酸锂晶体。

7、根据权利要求1或2所述的相位可控双折射空间光桥接器，其特征在于所述的第一双折射光学平板(4)、第二双折射光学平板(5)、第三双折射光学平板(6)、第四双折射光学平板(7)、第五双折射光学平板(9)和第六双折射光学平板(10)为长方体平板，该长方体平板的入射面至出射面的长度为 $\≥\frac{d}{\tan \mathrm{\α}},$ 入射面的宽度为≥2d，高度为≥d，其中d为第一光束(1)和第二光束(2)的直径，α为非常光束和寻常光束在双折射光学平板内的偏离角。

8、根据权利要求1所述的相位可控双折射空间光桥接器，其特征在于所述的检偏双折射平板(8)的入射面至出射面的长度为 $\≥\frac{d}{\tan \mathrm{\α}},$ 入射面的宽度为≥2d，高度≥，其中d为第一光束(1)和第二光束(2)的直径，α为非常光束和寻常光束在双折射光学平板内的偏离角。

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