CN102624447B - 双光路实时控制差分干涉接收装置 - Google Patents

Abstract

一种双光路实时控制差分干涉接收装置，该装置包括偏振分束器件、偏振合束器件、二分之一波片、反射镜、光探测器、光电转换器。利用了差分相移键控实现自由空间光信号的实时相位反馈控制和信息解码，采用了非光纤的全光自由空间结构，用于空间激光通信中光信号的接收部分。两路信号分别进行时间差分后，单独与1×2光学桥接器连接在一起，进行平衡接收，实现了光信号时间差分相干接收和监控信号时间差分的实时相位反馈控制。监控信号控制光程精密调整，保证了光程差的稳定，保证了***的精度。

Description

双光路实时控制差分干涉接收装置

技术领域

本发明涉及光信号解调，特别是一种双光路实时控制差分干涉接收装置。

背景技术

自由空间激光通信，激光传输通过大气信道时，受到大气湍流等因素的影响，光束波面产生畸变，质量严重下降。接收激光信号需要克服大气湍流，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、差分相移键控(DPSK)调制信号自差动接收等方法。

在先技术[1](参见High-data-rate systems for space applications，Proc.SPIE，Vol.2381，38，1995)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，灵敏度比开关监控(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。

在先技术[2](参见Adaptive optics and ESA’s optical ground station，Proc.SPIE，Vol.7464，746406，2009)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，其中用到两组4f透镜组，工作中应保证两壁长之差的控制精度远远优于四分之一波长，约为0.2微米。该装置中用到两组透镜组，使波面引入较大的像差，技术实现上有难度，降低通信准确率。而且该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，灵敏度较低。

发明内容

本发明是针对自由空间激光通信，克服上述在先技术的困难，提供一种双光路实时监控差动干涉接收装置。该装置实现了平衡接收，并且监控光通过锁相电路实时控制信号光的光程精密调整，进行相位补偿，保持光程差稳定和***精度。

本发明的技术解决方案如下：

一种双光路实时控制差分干涉接收装置，其构成包括如下：

第一偏振分束器处，该第一偏振分束器的偏振分束面与输入信号光和监控光的线偏振光前进方向呈45°。该第一偏振分束器分别将所述的两束输入线偏振光分为偏振面相互垂直的反射光和透射光。信号光的反射光按顺序经过第一反射镜、第二反射镜、第二偏振分束器，输入到第二偏振分束面并发生反射经过第二二分之一波片、第四偏振分束器，入射到第四偏振分束面；信号光的透射方向上经过第一偏振分束器、精密位相控制器、第二偏振分束器，输入到第二偏振分束面并发生透射经过第二二分之一波片、第四偏振分束器，入射到第四偏振分束面。信号光的差分两支路经过第四偏振分束面时分为偏振态相互垂直的反射光和透射光，其分别由第三光电探测器和第四光电探测器接收，第三光电探测器和第四光电探测器的输出端与同相平衡电路的输入端相连，同相平衡电路的输出端与数据处理电路和所述的乘法电路的输入端相连。另外一路垂直入射的监控光入射到第一偏振分束器，透射光经过第一反射镜、第二反射镜、第二偏振分束器，输入到第二偏振分束面并发生透射经过第一二分之一波片、第三偏振分束器，入射到第三偏振分束面；监控光入射到第一偏振分束器，反射光经过第一偏振分束器、精密位相控制器、第二偏振分束器，输入到第二偏振分束面并发生反射经过第一二分之一波片、第三偏振分束器，入射到第三偏振分束面。监控光的差分两支路经过第三偏振分束面时分为偏振态相互垂直的反射光和透射光，分别由第一光电探测器、第二光电探测器接收。第一光电探测器和第二光电探测器的输出端接正交平衡电路.该正交平衡电路的输出端与乘法电路相连。所述的乘法电路的输入端经锁相电路后，与所述的控制精密位相控制器的控制端相连。

所述的输入端两路光束同时输入，在输出端分别同时输出这两束输入光。水平入射光水平输出，竖直入射光垂直输出。其中一路监控光束经过平衡电路可以控制精密位相控制器，以此来控制另外一路信号光束差分干涉支路的位相变化。

所述的第一反射镜、第二反射镜组成光程差模块建立在统一的平台上，下设导轨，以供该平台沿垂直于所述水平支路的方向精密移动。光程模块与数据传输速率G匹配，L₁距离不变，不同的L₂对应不同的数据传输速率，满足关系：

L₁-L₂＝c/G

其中：L₁为差分支路端从第一偏振分束面到第二偏振分束面的距离，L₂为精密位相控制端支路从第一偏振分束面到第二偏振分束面的水平距离，c为光速，G为数据传输速率。

本发明的技术效果如下：

本发明采用差分相移键控调制双光路实时控制差分干涉接收装置，该装置采用非光纤自由空间结构，信号光相位和自身差分相位干涉解码信息，克服了绝对相位畸变对信号接收的影响。

其二，创造性的提出两路光输入装置，两路光传输相互不影响。分别由信号光和监控光同时输入接收装置，两路的输出端与平衡探测器相连接，其中监控光经过差分干涉后合成的信号和部分解码的信号经过乘法电路后输出电信号，作为锁相电路的输入信号，来控制精密位相控制器，保持差分两支路的光程差稳定，提高信号光自相位干涉对比度。双光路输入实现了信号光平衡接收、解调和监控信号的精密位相控制。

第三，该发明装置结构简单紧凑，易于实现。该装置不需要本振光，且不要求信号光和监控光波长相同，可以在接收过程中稳定接收功率，提高接收效率，是未来激光通信中光信号接收解调中新的发展方向。

附图说明

图1为本发明双光路实时控制差分干涉接收装置的结构示意图。

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明进一步详细说明，但不应以此限制本发明的保护范围。

由图可见，本发明双光路实时控制差分干涉接收装置包括：

第一偏振分束器1的偏振分束面1a与输入信号光和监控光的线偏振光前进方向呈45°。第一偏振分束器1分别将所述的两束输入线偏振光(信号光水平入射和监控光垂直入射)分为偏振面相互垂直的反射光和透射光。

信号光的反射光按顺序经过第一反射镜4、第二反射镜5、第二偏振分束器3，输入到第二偏振分束面3a并发生反射经过第二二分之一波片8、第四偏振分束器9，入射到第四偏振分束面9a；信号光的透射方向上经过第一偏振分束器1、精密位相控制器2、第二偏振分束器3a，输入到第二偏振分束面3a并发生透射经过第二二分之一波片8、第四偏振分束器9，入射到第四偏振分束面9a。所述的第二二分之一波片8光轴方向和入射信号光的一个偏振态偏振方向成22.5度。信号光经过差分两支路入射到第四偏振分束面9a时(此时不包含监控光)分为偏振态相互垂直的反射光和透射光，分别进行偏振干涉后，由第三光电探测器12和第四光电探测器13接收，分别将光信号转化为两路监控电信号，传输到同相平衡电路14中，经过处理后的一部分电信号与数据处理电路相连，最终输出解码得到的数据信息；另一部分电信号与所述的乘法电路17的输入端相连。

另外一路入射的监控光入射到第一偏振分束器1，透射光经过第一反射镜4、第二反射镜5、第二偏振分束器3，输入到第二偏振分束面3a并发生透射经过第一二分之一波片6、第三偏振分束器7，入射到第三偏振分束面7a；监控光入射到第一偏振分束器1，反射光经过第一偏振分束器1a、精密位相控制器2、第二偏振分束器3，输入到第二偏振分束面3a并发生反射经过第一二分之一波片6、第三偏振分束器7，入射到第三偏振分束面7a。所述的第一二分之一波片6光轴方向和入射监控光的一个偏振态偏振方向成22.5度。监控光经过差分两支路入射到第三偏振分束面7a时(此时不包含信号光)分为偏振态相互垂直的反射光和透射光，进行偏振干涉，由第一光电探测器10、第二光电探测器11接收，分别将监控光转化为两路监控电信号，接入到正交平衡电路15。该正交平衡电路15输出的电信号输入到乘法电路17。所述的乘法电路17把正交平衡电路15处理得到的部分数据信息和和同相平衡电路14处理得到的数据信息综合反馈到锁相电路18中。锁相电路18提供锁相信号，作为精密相位调制器2的控制信号。该精密位相调制器2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。以此达到对信号光的差分相位进行补偿。

这里要求所述的输入端两路光束同时输入，在输出端分别同时输出这两束输入光。水平入射光水平输出，竖直入射光垂直输出。其中监控光在输出端平衡探测，通过锁相电路18来控制精密位相控制器2的位相变化，使得信号光的差分干涉两支路的位相满足相应的匹配条件。

由第一偏振分束面1a、第一反射镜4、第二反射镜5到第二偏振分束面3a的距离为L₁，构成光程调整的差分支路，从第一偏振分束面1a到第二偏振分束面3a的距离为L₂，构成精密位相控制支路。

所述的第一反射镜4、第二反射镜5组成的光程差模块建立在平台上，该下设平台导轨，以供该平台沿垂直于所述水平支路的方向精密移动。光程模块与数据传输速率G匹配，L₁距离不变，不同的L₂对应不同的数据传输速率，满足关系：

L₁-L₂＝c/G，

其中c为光速，G为数据传输速率。经过该接收装置的差分光回路输出的两路光的时间差等于1比特传输数据的时间间隔，经过第三光电探测器12和第四光电探测器13探测并由所述同相平衡电路14处理的平衡接收信号即为解调信号。

所述的精密位相控制器2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2、光电探测器、同相平衡电路14、正交平衡电路15、数据处理电路16和锁相电路18等电子学部分为成熟产品或技术，可以购买或委托研制。

第一二分之一波片6、第二二分之一波片8的光轴方向和入射的信号光或者本振光的一个偏振态偏振方向成22.5度。相互垂直的偏振光经过二分之一波片后，偏振方向旋转45度。假定接收的信号光和监控光为偏振态45度倾斜的线偏振光(如果是其它偏振状态，需要转换为线偏振光)。在经过偏振分束器时，两束光的反射光均为垂直偏振光，透射光均为水平偏振光。

Claims (5)

1.一种双光路实时控制差分干涉接收装置，特征在于其构成包括： 

第一偏振分束器（1）的偏振分束面（1a）与输入的信号光的线偏振光和监控光的线偏振光的前进方向分别呈45°，第一偏振分束器（1）分别将正交入射的所述的输入信号光的线偏振光和所述的监控光的线偏振光分为偏振面相互垂直的反射光和透射光，构成差分支路和精密控制支路，所述的差分支路依次经第一反射镜（4）、第二反射镜（5）入射第二偏振分束器（3），所述的精密控制支路依次经第一偏振分束器（1）、精密位相控制器（2）入射第二偏振分束器（3），该第二偏振分束器（3）的偏振分束面（3a）将差分支路和精密控制支路的两束光分为水平光路和竖直光路，所述的竖直光路经过第一二分之一波片（6）进入第三偏振分束器（7），在第三偏振分束面（7a）分为透射光和反射光，该透射光和反射光分别由第一光电探测器（10）和第二光电探测器（11）探测接收，第一光电探测器（10）和第二光电探测器（11）的输出端接正交平衡电路（15）的输入端，该正交平衡电路（15）的输出端与乘法电路（17）的第一输入端相连；所述的水平光路依次经第二二分之一波片（8）输入第四偏振分束器（9），在第四偏振分束器（9）的偏振分束面（9a）分为反射光和透射光，该反射光和透射光分别由第三光电探测器（12）和第四光电探测器（13）探测接收，第三光电探测器（12）和第四光电探测器（13）的输出端与同相平衡电路（14）的输入端相连，该同相平衡电路（14）的输出端与数据处理电路（16）的输入端和所述的乘法电路（17）的第二输入端相连，所述的乘法电路（18）的输出端经锁相电路（18）后与所述的控制精密位相控制器（2）的控制端相连。 

2.根据权利要求1所述的双光路实时控制差分干涉接收装置，其特征在于所述的信号光和监控光同时输入到所述的第一偏振分束器（1）装置中，其中监控光在输出端平衡探测，通过锁相电路（18）来控制精密位相控制器（2）的位相变化，使得信号光经过差分干涉两支路后的位相满足相应的匹配条件。 

3.根据权利要求1所述的双光路实时控制差分干涉接收装置，其特征在于经过该接收装置的差分光回路输出的两路光的时间差等于调制数据1比特的时间间隔，经过第三光电探测器（12）和第四光电探测器（13）探测并由所述同相平衡电路（14）处理的平衡接收信号即为解调信号。 

4.根据权利要求1或2所述的双光路实时控制差分干涉接收装置，其特征在于所述的第一反射镜（4）、第二反射镜（5）组成光程差模块建立在统一的平台上，下设导轨，以供该平台沿垂直于所述水平支路的方向精密移动，光程模块与数据传输速率G匹配，L₁距离不变，不同的L₂对应不同的数据传输速率，满足关系： 

L₁-L₂=c/G, 

其中c为光速，G为数据传输速率，L₁是差分支路长度，L₂是精密位相控制支路长度。 

5.根据权利要求1所述的双光路实时控制差分干涉接收装置，其特征在于所述的精密位相控制器（2）是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。