CN102594456B - 自相位差分干涉光信号接收装置 - Google Patents

Abstract

一种自相位差分干涉光信号接收装置，该装置由块状偏振合束器件、反射镜、光瞳成像透镜组、波片、光电探测器组成，本发明采用光的平衡接收和稳相相位的实时控制，而且时间延迟距离较短、差分回路光程可调，能够满足高速率通信的要求。

Description

自相位差分干涉光信号接收装置

技术领域

本发明涉及光信号解调，特别是一种自相位差分干涉光信号接收装置。

背景技术

在自由空间激光通信中，激光传输通过大气信道时受大气湍流等因素的影响，光束波面产生畸变，质量严重下降。激光信号接收需要克服大气湍流。目前采用的方法主要有减小接收口径、自适应光学波前校正、DPSK调制信号自差动接收等方法。本发明采用DPSK调制自差动接收，不需要加入本振信号，结构简单紧凑，易于实现，是未来激光通信中光接收信号的发展方向。

先前的技术研究[1](参见High-data-rate systems for space applications，Proc.SPIE,Vol.2381,38,1995)中所描述的星地激光通信中采用DPSK调制，接收机采用光纤放大和光纤型马赫曾德尔干涉仪解调平衡接收，灵敏度比开关键控(OOK)调制直接探测方法高3dB。但是经大气湍流扰动后的波面质量下降，光纤耦合效率较低，影响灵敏度，使DPSK调制方法抗扰动能力得不到充分的利用。

先前的技术研究[2](参见Adaptive optics and ESA's optical ground station,Proc.SPIE,Vol.7464,746406,2009)中所描述的星地激光通信采用DPSK调制，其装置是马赫曾德尔干涉仪或者麦克尔逊干涉仪结构，工作中应保证两臂长之差的控制精度远远优于四分之一波长，约为0.2微米。但是这种结构缺少精密调整器件和锁相环，无法保证***精度，也不能实时调整。同时没有平衡接收，无法去除直流分量。此外，在技术研究[2]中，用到两组4f透镜组，对波面引入较大的像差，技术实现上有难度,不利于降低通信信号的误码率。

先前的技术研究[3](相位补偿偏振分光2×490°自由空间光学桥接器，光学学报，Vol.29，3291～3294，2009)中所描述的自由空间桥接器，将本振光和信号光合成后，输出四束，其中两两组成同相通道和正交通道，平衡接收，并且需要同相通道和正交通道之间像差90度，产生锁相所需的误差信号，本发明改进了这点。在本发明中，信号光和延迟的信号光自身合成，实现平衡接收和锁相。

发明内容

本发明是针对自由空间激光通信中光接收端接收光信号而采取的方案，要解决的技术问题是克服已有的技术上的困难，提供一种自相位差分干涉光信号接收装置，该装置利用差分相移键控为机制来解调光信号。

本新型发明技术的解决方案这样实现的。

一种自相位差分干涉光信号接收装置，其特点在于其构成包括：

第一偏振分束器，该第一偏振分束器的第一偏振分束面与输入的圆偏振光的前进方向呈45°，该第一偏振分束器将所述的输入的圆偏振光分为偏振面相互垂直的反射光和透射光，沿所述的反射光方向经过第一透镜、第一反射镜、第二反射镜、第二透镜、位相精密控制器、第一四分之一波片、第二偏振分束器，入射到第二偏振分束器的偏振分束面上；所述的透射光经过第一偏振分束器、第一二分之一波片、第二偏振分束器，入射到第二偏振分束器的第二偏振分束面上；这两束光在经过第二偏振分束面产生水平支路光束和竖直支路光束，所述的竖直支路光束经第三二分之一波片后被第四偏振分束器的第四偏振分束面分为偏振面相互垂直的反射光和透射光，分别由第三光电探测器和第四光电探测器接收，所述的第三光电探测器和第四光电探测器的输出端与正交平衡电路的输入端相连；该正交平衡电路的输出端与乘法电路第二输入端相连；

所述的水平支路光束经第二二分之一波片和第三偏振分束器，被第三偏振分束器的第三偏振分束面分为偏振面相互垂直的反射光和透射光，分别由第一光电探测器和第二光电探测器接收，所述的第一光电探测器和第二光电探测器的输出端与同相平衡电路的输入端相连；该同相平衡电路的输出端分别与数据处理电路的输入端、所述的乘法电路第一输入端相连，所述的乘法电路的输出端经锁相电路(20)与精密相位调制器的控制端相连；

由所述的第一二分之一波片、第一四分之一波片、第二偏振分束器、第二二分之一波片、第三二分之一波片、第三偏振分束器和第四偏振分束器构成2×490°自由空间光学桥接器，所述的第一二分之一波片、第二二分之一波片、第三二分之一波片的光轴方向与入射光的偏振方向成22.5度，偏振光经过二分之一波片后，偏振方向旋转45度。

所述的第一透镜和第二透镜具有相同焦距f，构成光瞳成像透镜组，为共焦透镜组，其间距为2倍焦距2f；所述的第一透镜、第一反射镜、第二透镜、第二反射镜组成光程模块，从所述的第一偏振分束面开始，经所述的第一透镜、第一反射镜、第二透镜、第二反射镜至所述的第二偏振分束面的光路称为差分支路，所述的光程模块安装在同一平台上，该平台下设导轨，以调整所述差分支路的光程，所述的光程模块与数据传输速率G相匹配，不同光程模块的焦距f不同，对应不同的数据传输速率，并满足下列关系式：

$L_1-L_2=4f=\frac{c}{G}$

其中：f为透镜组的焦距，c为光速，G为数据传输速率，L₁为所述的反射光从第一偏振分束面沿差分支路到第二偏振分束面的距离，L₂为所述的透射光从第一偏振分束面到第二偏振分束面的距离。

所述的精密位相控制器为一个由电光调制晶体或者通过电机制动、可以旋转的两表面平行光学玻璃平板构成的相位控制装置，其旋转精度为1微弧度。

所述的精密位相控制器、光电探测器、同相平衡电路、正交平衡电路、数据处理电路和锁相电路等电子学部分为成熟产品或技术，可以购买。

假定接收的信号光为圆偏振光(如果是其它偏振状态，需要转换为圆偏振光)。在经过偏振分束器时，反射光为垂直偏振光，透射光为水平偏振光。

本发明的技术效果如下：

本发明装置采用差分相移键控调制的自相位差分干涉光信号装置，创新之处首先在于由偏振器件和光瞳成像透镜组组成透射式差分光回路，自相位和延迟相位进行自身合成差分干涉解码信息，克服了绝对的相位畸变对信号接收的影响，降低误码率。其次，该装置只引入一组4f透镜，结构简单，减少透镜表面误差对光束相位的扰动。该入射光信号通过偏振干涉后，输出的四路偏振干涉光由两路平衡接收器来接收，组成同相通道和正交通道，二者之间相差90度，一路信号产生锁相所需的误差信号，通过相位精密控制器来保持差分两支路的光程差稳定，提高干涉光对比度，并且保持***的精度。另外一路通道输出自相位解码的数据信号。此外，该装置实现光的平衡接收和稳相相位的实时控制，而且时间延迟距离较短、差分回路光程可调，能够满足高速率通信的要求。

附图说明

图1为本发明自相位差分干涉光信号接收装置的具体结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明，但不应以此限制本发明的保护范围。

先参阅图1，图1为本发明自相位差分干涉光信号接收装置的具体结构示意图。也是本发明实施例的主结构示意图。由图可见，本发明一种自相位差分干涉光信号接收装置，其构成包括：

第一偏振分束器1，该第一偏振分束器1的第一偏振分束面1a与输入的圆偏振光的前进方向呈45°，该第一偏振分束器1将所述的输入的圆偏振光分为偏振面相互垂直的反射光和透射光，沿所述的反射光方向经过第一透镜7a、第一反射镜6、第二反射镜8、第二透镜7b、位相精密控制器21、第一四分之一波片3、第二偏振分束器5，入射到第二偏振分束器5的第二偏振分束面5a上；所述的透射光经过第一偏振分束器1、第一二分之一波片2、第二偏振分束器5，入射到第二偏振分束器5的第二偏振分束面5a上；这两束光在经过第二偏振分束面5a产生水平支路光束和竖直支路光束，所述的竖直支路光束经第三二分之一波片9后被第四偏振分束器14的第四偏振分束面14a分为偏振面相互垂直的反射光和透射光，分别由第三光电探测器15和第四光电探测器16接收，所述的第三光电探测器15和第四光电探测器16的输出端与正交平衡电路17的输入端相连；该正交平衡电路17的输出端与乘法电路18第二输入端相连；所述的水平支路光经第二二分之一波片4和第三偏振分束器10，被第三偏振分束器的第三偏振分束面10a分为偏振面相互垂直的反射光和透射光，分别由第一光电探测器11和第二光电探测器12接收，所述的第一光电探测器11和第二光电探测器12的输出端与同相平衡电路13的输入端相连；该同相平衡电路13的输出端分别与数据处理电路19的输入端、所述的乘法电路18第一输入端相连，所述的乘法电路18的输出端经锁相电路20与精密相位调制器21的控制端相连；

由所述的第一二分之一波片2、第一四分之一波片3，第二偏振分束器5、第二二分之一波片4、第三二分之一波片9、第三偏振分束器10、第四偏振分束器14构成2×490°自由空间光学桥接器，所述的第一二分之一波片2、第二二分之一波片4、第三二分之一波片9的光轴方向与入射光的偏振方向成22.5度。

本发明的工作过程是：

接收到的信号光入射到第一偏振分束器1，第一偏振分束器1的第一偏振分束面1a与输入的圆偏振光的前进方向呈45°。该第一偏振分束器1将所述的输入圆偏振光分为偏振面相互垂直的反射光和透射光。垂直偏振态的反射光经过第一反射镜6、第一透镜7a、第二反射镜8、第二透镜7b、第一四分之一波片3、第二偏振分束器5，入射到第二偏振分束器5的第二偏振分束面5a上；所述的水平偏振态的透射光经过第一二分之一波片2、第二偏振分束器5，入射到第二偏振分束器5的第二分束面5a上。这两束光在经过第二偏振分束面5a产生水平分量(其中包括水平偏振态的信号光和垂直偏振态的信号光)支路和竖直分量(其中包括水平偏振态的信号光和垂直偏振态的信号光)支路的两束光。

其中竖直分量支路(其中包括水平偏振态的信号光和垂直偏振态的信号光)光依次经过第三二分之一波片9、第四偏振分束器14，第四偏振分束面14a把竖直分量分为偏振面相互垂直的反射光和透射光，偏振干涉后分别由第三光电探测器15和第四光电探测器16接收干涉光强，分别将光信号转化两路电信号，输入到正交平衡电路17；

另外一支水平分量(其中包括水平偏振态的信号光和垂直偏振态的信号光)支路经过第二二分之一波片4、第三偏振分束器10，第三偏振分束面10a把水平分量支路光分为偏振面相互垂直的反射光和透射光，偏振干涉后，分别将光信号转化两路电信号，分别由第一光电探测器11和第二光电探测器12接收干涉光强，传输到同相平衡电路13。经过同相平衡电路13处理的电信号数据一部分通过数据处理电路19后，得到解码出的数据信息；另一部分电信号数据和经正交平衡电路17处理过的电信号一起接入乘法电路18，该乘法电路18将两路电信号做处理后反馈到锁相电路20，锁相电信号作为精密相位调制器21的控制信号。精密位相调制器可以采用电光调制器，那么锁相信号通过控制晶体两端电压改变晶体折射率，来改变光束通过晶体的光程，微调支路相位；也可以采用两表面平行的光学玻璃平板，那么锁相信号通过精密旋转平行玻璃平板微小角度，改变光束通过平板的光程差，微调支路相位。

所述的第一偏振分束器1、第三偏振分束器10、第四偏振分束器14和第二偏振分束器5都胶合粘贴在一起，形状都为正方体，其边长均为L。

所述的第一透镜7a和第二透镜7b具有相同焦距f，一起构成光瞳成像透镜组，为共焦透镜组，其间距为2倍的焦距2f。该光瞳成像透镜组出瞳位置在第二偏振分束面5a，出瞳的物距为一倍焦距，即第二透镜7b到第二偏振分束面5a的距离为f。

所述的第一反射镜6、第一透镜7a、第二反射镜8、第二透镜7b组成的光程模块集成在同一块平台上。该平台下面铺设导轨，以供该平台沿垂直于透射水平支路的方向精密移动。光程模块要与数据传输速率G相匹配，不同光程模块的焦距f不同，对应不同的数据传输速率，并满足下列关系式：

$L_1-L_2=4f=\frac{c}{G},$

其中f为透镜组的焦距，c为光速，G为数据传输速率，令L₁为反射光从第一偏振分束面1a经过光程粗调整支路到第二偏振分束面5a所经过的衍射距离；L₂为透射光从第一偏振分束面1a经过第一二分之一波片2到第二偏振分束面5a所经过的衍射距离，且L₂＝L。

Claims (3)

1.一种自相位差分干涉光信号接收装置，特征在于其构成包括：

第一偏振分束器(1)，该第一偏振分束器(1)的第一偏振分束面(1a)与输入的圆偏振光的前进方向呈45°，该第一偏振分束器(1)将所述的输入的圆偏振光分为偏振面相互垂直的反射光和透射光，沿所述的反射光方向经过第一透镜(7a)、第一反射镜(6)、第二反射镜(8)、第二透镜(7b)、位相精密控制器(21)、第一四分之一波片(3)、第二偏振分束器(5)，入射到第二偏振分束器(5)的第二偏振分束面(5a)上；所述的透射光经过第一偏振分束器(1)、第一二分之一波片(2)、第二偏振分束器(5)，入射到第二偏振分束器(5)的第二偏振分束面(5a)上；这两束光在经过第二偏振分束面(5a)产生水平支路光束和竖直支路光束，所述的竖直支路光束经第三二分之一波片(9)后被第四偏振分束器(14)的第四偏振分束面(14a)分为偏振面相互垂直的反射光和透射光，分别由第三光电探测器(15)和第四光电探测器(16)接收，所述的第三光电探测器(15)和第四光电探测器(16)的输出端与正交平衡电路(17)的输入端相连；该正交平衡电路(17)的输出端与乘法电路(18)第二输入端相连；

所述的水平支路光经第二二分之一波片(4)和第三偏振分束器(10)，被第三偏振分束器的第三偏振分束面(10a)分为偏振面相互垂直的反射光和透射光，分别由第一光电探测器(11)和第二光电探测器(12)接收，所述的第一光电探测器(11)和第二光电探测器(12)的输出端与同相平衡电路(13)的输入端相连；该同相平衡电路(13)的输出端分别与数据处理电路(19)的输入端、所述的乘法电路(18)第一输入端相连，所述的乘法电路(18)的输出端经锁相电路(20)与精密相位调制器(21)的控制端相连；

由所述的第一二分之一波片(2)、第一四分之一波片(3)，第二偏振分束器(5)、第二二分之一波片(4)、第三二分之一波片(9)、第三偏振分束器(10)、第四偏振分束器(14)构成2×490°自由空间光学桥接器，所述的第一二分之一波片(2)、第二二分之一波片(4)、第三二分之一波片(9)的光轴方向与入射光的偏振方向成22.5度。

2.根据权利要求1所述的自相位差分干涉光信号接收装置，其特征在于所述的第一透镜(7a)和第二透镜(7b)具有相同的焦距f，构成光瞳成像透镜组(7)，为共焦透镜组，其间距为2倍焦距2f；所述的第一透镜(7a)、第一反射镜(6)、第二透镜(7b)、第二反射镜(8)组成光程模块，从所述的第一偏振分束面(1a)开始，经所述的第一透镜(7a)、第一反射镜(6)、第二透镜(7b)、第二反射镜(8)至所述的第二偏振分束面(5a)的光路称为差分支路，所述的光程模块安装在同一平台上，该平台下设导轨，以调整所述差分支路的光程，所述的光程模块与数据传输速率G相匹配，不同光程模块的焦距f不同，对应不同的数据传输速率，并满足下列关系式：

$L_1-L_2=4f=\frac{c}{G}$

其中：f为透镜组的焦距，c为光速，G为数据传输速率，L₁为所述的反射光从第一偏振分束面(1a)沿差分支路到第二偏振分束面(5a)的距离，L₂为所述的透射光从第一偏振分束面(1a)到第二偏振分束面(5a)的距离。

3.根据权利要求1所述的自相位差分干涉光信号接收装置，其特征在于所述的精密位相控制器(21)为一个由电光调制晶体或者通过电机带动旋转的两表面平行的光学玻璃平板构成的相位控制装置，旋转精度为1微弧度。