CN102866510B - 自由空间2×4光桥接器 - Google Patents

Abstract

一种自由空间2×4光桥接器，有一块准等腰直角三角形光学玻璃，四分之一波片，具有相同结构的第一半波片、第二半波片和第三半波片，具有相同结构的第一偏振分束器、第二偏振分束器和第三偏振分束器、具有相同结构的第一半五角棱镜、第二半五角棱镜、第三半五角棱镜和第四半五角棱镜组成，将信号激光和本振激光进行链接，产生需要的相移，以进一步进行光电变换及信号解调和锁相，是相干光通信***的关键器件之一。本发明具有结构简单，性能稳定可靠，损耗小等优点，适用于自由空间激光相干通信，具有小型化，轻量化，易于集成等特点。

Description

自由空间2×4光桥接器

技术领域

本发明涉及光桥接器，特别是一种自由空间2×4光桥接器，能产生90度相移不同间距的四通道合成光束，可进行平衡接收，实现空间2×4桥接，主要用于空间激光通信。

背景技术

相干通信体制是大容量、高码率激光通信***的重要研究方向，特别是在星间激光通信***中有重要应用。一个相干光零差通信的通道接收端由本机激光振荡器、光电子接收、锁相环路、光桥接器（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，并使之产生所需的相位关系，光桥接器的性能决定相干通信***的接收性能，因此是相干光通信***的关键器件之一。由于在空间激光通信***中，不仅需要探测通信信息，还需要探测位置信息，因此需要发展自由空间传播型的空间光桥接器。

光学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°相移两通道输出，180°相移两通道输出和90°相移四通道输出等结构。180°相移2×2光桥接器可用于平衡锁相环路接收机，90°相移2×2光桥接器可用于科斯塔斯锁相环路接收机，90°相移2×4光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。90度相移2×4光桥接器可用于平衡接收和科斯塔斯锁相环路接收机，由于平衡接收机能产生与理想接收机的相同性能，因而2×4的90°光桥接器被广泛研究。

现有方案中，空间光桥接器主要采用波片和分束器实现参阅文献(1)，R.Garreis,C.Zeiss,“90°optical hybrid for coherent receivers,”Proc.SPIE,Vol.1522,pp.210-219,1991，其光学桥接器的组成参见图2，包括：可调四分之一波片1，偏振分束器2，半波片3，分束器4，凸透镜5。信号光E _s和本振光E _Lo经光学桥接器输出相差90°四通道合成光束。其输出光束间距受到组成原件尺寸限制，相差90°的两组180度相移四通道合成光束输出方向垂直，无法实现在同一平面四路光束平行输出。文献(2)，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，专利号，200610026338，公开号，CN1844960。参见图3，其光桥接器包括：输入信号光束1、输入本振光束2、双折射光学平板3、双折射光学平板4、波片5、双折射光学平板6、双折射光学平板7、输出光束9、10、11、12。其相应输出光束分离距离受双折射平板长度和最大分离角的限制，输出光束间距小。输出光束排列方式为矩阵形式，无法实现在同一平面平行输出。

发明内容

本发明的目的在于提供一种自由空间光桥接器，该光桥接器具有结构简单紧凑，性能稳定可靠，累积误差小等优点。通过改变组成元件之间的距离即可以实现不同通道间距的四路光束输出，微调方便，能够保证两光束之间的间距要求。四路输出光束为同一平面内的平行光束，可以实现四路光束平行接收，更容易满足空间激光通信平衡接收的实际需要。

本发明的技术解决方案如下：

一种自由空间2×4光桥接器，其特点在于包括一块准等腰直角三角形光学玻璃，四分之一波片，具有相同结构的第一半波片、第二半波片和第三半波片，具有相同结构的第一偏振分束器、第二偏振分束器和第三偏振分束器、具有相同结构的第一半五角棱镜、第二半五角棱镜、第三半五角棱镜和第四半五角棱镜，上述元部件的位置关系如下：

在所述的准等腰直角三角形光学玻璃的直角处设置第一偏振分束器，该第一偏振分束器朝外的两个相邻面分别贴设所述的四分之一波片和第一半波片以作为本振光束和信号光束的入射面，另两个相邻面贴设所述的第二半波片、第三半波片作为出射面，在所述的准等腰直角三角形光学玻璃的两直角边的中间位置分别设置所述的第二偏振分束器和第三偏振分束器，在所述的准直角三角形光学玻璃的斜边设置所述的第一半五角棱镜、第二半五角棱镜、第三半五角棱镜和第四半五角棱镜，所述的第一半五角棱镜的直角长边垂直而直角短边平行所述的准直角三角形光学玻璃的第一直角边；所述的第二半五角棱镜的直角长边平行而直角短边垂直于准直角三角形光学玻璃的第一直角边；所述的第三半五角棱镜的直角长边平行而直角短边垂直于准直角三角形光学玻璃的第二直角边；所述的第四半五角棱镜的直角长边垂直而直角短边平行所述的准直角三角形光学玻璃的第二直角边；

当信号光束经过快轴与水平方向成22.5°的第一半波片，光束的偏振方向旋转45°后，入射第一偏振分束器，本振光束经过快轴与水平成45°的四分之一波片，形成圆偏振光后，入射第一偏振分束器，本振光束与信号光束经第一偏振分束器耦合后分成等光强的透过第二半波片的光束和透过第三半波片的光束：

所述的透射第二半波片的光束经过第二半波片产生180度相移后入射所述的第二偏振分束器，经第二偏振分束器分成透射光束和反射光束，该透射光束从所述的第一半五角棱镜的直角长边垂直输入由第一半五角棱镜输出第一光束，该反射光束经第二半五角棱镜的直角长边垂直输入由第二半五角棱镜输出第二光束；

所述的透射第三半波片的光束经第三半波片产生180度相移后入射所述的第三偏振分束器，该第三偏振分束器将入射光束分成透射光束和反射光束，该反射光束从第三半五角棱镜的直角长边垂直输入由第三半五角棱镜输出第三光束，该透射光束经第四半五角棱镜的直角长边垂直输入由第四半五角棱镜输出第四光束，所述的第一光束，第二光束，第三光束和第四光束处于同一个平面。

所述的第一光束，第二光束，第三光束和第四光束之间的间隔距离由所述的第二偏振分束器、第三偏振分束器、第一半五角棱镜、第二半五角棱镜、第三半五角棱镜和第四半五角棱镜相对的位置关系调节确定。

四路输出光束对应的光强分别为

本发明的技术效果如下：

本发明实现了一种空间2×4桥接，即在空间相干激光通信接收机中用于混合激光通信信号光束和本机振荡激光光束并产生90°相移四通道合成光束输出，以进一步进行光电变换及信号解调和锁相。本自由空间光学桥接器特别适用于自由空间相干激光通信，其组成原件少，减少了累积误差，方便微调，能够保证两光束之间间距，可以实现不同间距90°相移四通道合成光束平行接收，对于星载激光通信终端未来实现小型化、轻量化、低功耗和高码率有实际意义。

附图说明

图1是本发明自由空间光桥接器的结构示意图。

图2、图3是现有自由空间光桥接器的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的新型自由空间光桥接器作进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。

请参阅图1，图1是本发明自由空间光桥接器的结构示意图。也是本发明的一个具体实施例的结构示意图。由图可见，本发明自由空间2×4光桥接器，包括一块准等腰直角三角形光学玻璃10，四分之一波片3，具有相同结构的第一半波片4、第二半波片5和第三半波片6，具有相同结构的第一偏振分束器7、第二偏振分束器8和第三偏振分束器9、具有相同结构的第一半五角棱镜11、第二半五角棱镜12、第三半五角棱镜13和第四半五角棱镜14，上述元部件的位置关系如下：

在所述的准等腰直角三角形光学玻璃10的直角处设置第一偏振分束器7，该第一偏振分束器7朝外的两个相邻面分别贴设所述的四分之一波片3和第一半波片4以作为本振光束2和信号光束1的入射面，另两个相邻面贴设所述的第二半波片5、第三半波片6作为出射面，在所述的准等腰直角三角形光学玻璃的两直角边的中间位置分别设置所述的第二偏振分束器8和第三偏振分束器9，在所述的准直角三角形光学玻璃的斜边设置所述的第一半五角棱镜11、第二半五角棱镜12、第三半五角棱镜13和第四半五角棱镜14，所述的第一半五角棱镜11的直角长边垂直而直角短边平行所述的准直角三角形光学玻璃的第一直角边；所述的第二半五角棱镜12的直角长边平行而直角短边垂直于准直角三角形光学玻璃的第一直角边；所述的第三半五角棱镜13的直角长边平行而直角短边垂直于准直角三角形光学玻璃的第二直角边；所述的第四半五角棱镜14的直角长边垂直而直角短边平行所述的准直角三角形光学玻璃的第二直角边；

当信号光束1经过快轴与水平方向成22.5°的第一半波片4，光束的偏振方向旋转45°后，入射第一偏振分束器7，本振光束2经过快轴与水平成45°的四分之一波片3，形成圆偏振光后，入射第一偏振分束器7，本振光束与信号光束经第一偏振分束器7耦合后分成等光强的透过第二半波片5的光束和透过第三半波片6的光束：

所述的透射第二半波片5的光束经过第二半波片5产生180度相移后入射所述的第二偏振分束器8，经第二偏振分束器8分成透射光束和反射光束，该透射光束从所述的第一半五角棱镜11的直角长边垂直输入由第一半五角棱镜11输出第一光束21，该反射光束经第二半五角棱镜12的直角长边垂直输入由第二半五角棱镜12输出第二光束22；

所述的透射第三半波片6的光束经第三半波片6产生180度相移后入射所述的第三偏振分束器9，该第三偏振分束器9将入射光束分成透射光束和反射光束，该反射光束从第三半五角棱镜13的直角长边垂直输入由第三半五角棱镜13输出第三光束23，该透射光束经第四半五角棱镜14的直角长边垂直输入由第四半五角棱镜14输出第四光束24，所述的第一光束21，第二光束22，第三光束23和第四光束24处于同一个平面。

所述的第一光束21、第二光束22、第三光束23和第四光束24之间的间隔距离由所述的第二偏振分束器8、第三偏振分束器9、第一半五角棱镜11、第二半五角棱镜12、第三半五角棱镜13和第四半五角棱镜14的相对位置关系调节确定。

显然，将所述的第一偏振分束器7的两个相邻面分别贴设所述的四分之一波片3和第一半波片4对调也是可行的，只要保持本振光束2从所述的四分之一波片3入射，信号光束1从所述的第一半波片4入射。

分别经过所述的第一半五角棱镜11、第二半五角棱镜12、第三半五角棱镜13、第四半五角棱镜14后，平衡输出第一光束21、第二光束22、第三光束23和第四光束24，相移分别为0°、90°、180°和270°，实现空间2×4桥接。

通过改变第一偏振分束器7和第二偏振分束器8，第一偏振分束器7和第三偏振分束器9之间的距离，可以实现第一输出光束21和第二输出光束22中心与第三输出光束23和第四输出光束24中心的间距变化；通过改变半五角棱镜与相邻偏振分束器之间距离或改变光束在半五角棱镜长直角边的入射位置，可以改变第一输出光束21和第二输出光束22之间的间距，第三输出光束23和第四输出光束24之间的间距，从而实现不同输出间距的四通道平衡接收。

下面是实施例的具体参数：光束1和光束2的直径相同。所述的偏振分束器7,8,9结构尺寸完全相同为10mm×10mm×10mm。波片3，4，5，6尺寸完全相同为10mm×10mm。半五角棱镜的尺寸长直角边20mm，短直角边8mm，钝角112.5°。输出光束21和输出光束22之间的间距，输出光束23和输出光束24之间的间距均为20mm。偏振分束器7和偏振分束器8，偏振分束器7和偏振分束器9之间的中心距离40mm，沿底板直角边设置，半五角棱镜斜边中心距离相邻偏振分束器中心的距离均为34mm。底板直角边85mm。

本发明自由空间光桥接器具有结构简单，性能稳定可靠，损耗小等优点，适用于自由空间激光相干通信，具有小型化，轻量化，易于集成等特点。

Claims (2)

1.一种自由空间2×4光桥接器，其特征在于包括一块准等腰直角三角形光学玻璃（10），四分之一波片（3），具有相同结构的第一半波片（4）、第二半波片（5）和第三半波片（6），具有相同结构的第一偏振分束器（7）、第二偏振分束器（8）和第三偏振分束器（9）、具有相同结构的第一半五角棱镜（11）、第二半五角棱镜（12）、第三半五角棱镜（13）和第四半五角棱镜（14），上述元部件的位置关系如下：

在所述的准等腰直角三角形光学玻璃（10）的直角处设置第一偏振分束器（7），该第一偏振分束器（7）朝外的两个相邻面分别贴设所述的四分之一波片（3）和第一半波片（4）以作为本振光束（2）和信号光束（1）的入射面，另两个相邻面贴设所述的第二半波片（5）、第三半波片（6）作为出射面，在所述的准等腰直角三角形光学玻璃的第一直角边的中间位置设置所述的第二偏振分束器（8），在第二直角边的中间位置设置第三偏振分束器（9），在所述的准直角三角形光学玻璃的斜边设置所述的第一半五角棱镜（11）、第二半五角棱镜（12）、第三半五角棱镜（13）和第四半五角棱镜（14），所述的第一半五角棱镜（11）的直角长边垂直而直角短边平行所述的准直角三角形光学玻璃的第一直角边；所述的第二半五角棱镜（12）的直角长边平行而直角短边垂直于准直角三角形光学玻璃的第一直角边；所述的第三半五角棱镜（13）的直角长边平行而直角短边垂直于准直角三角形光学玻璃的第二直角边；所述的第四半五角棱镜（14）的直角长边垂直而直角短边平行所述的准直角三角形光学玻璃的第二直角边；

当信号光束（1）经过快轴与水平方向成22.5°的第一半波片（4），光束的偏振方向旋转45°后，入射第一偏振分束器（7），本振光束（2）经过快轴与水平成45°的四分之一波片（3），形成圆偏振光后，入射第一偏振分束器（7），本振光束与信号光束经第一偏振分束器（7）耦合后分成等光强的透过第二半波片（5）的光束和透过第三半波片（6）的光束：

所述的透射第二半波片（5）的光束经过第二半波片（5）产生180度相移后入射所述的第二偏振分束器（8），经第二偏振分束器（8）分成透射光束和反射光束，该透射光束从所述的第一半五角棱镜（11）的直角长边垂直输入由第一半五角棱镜（11）输出第一光束（21），该反射光束经第二半五角棱镜（12）的直角长边垂直输入由第二半五角棱镜（12）输出第二光束（22），

所述的透射第三半波片（6）的光束经第三半波片（6）产生180度相移后入射所述的第三偏振分束器（9），该第三偏振分束器（9）将入射光束分成透射光束和反射光束，该反射光束从第三半五角棱镜（13）的直角长边垂直输入由第三半五角棱镜（13）输出第三光束（23），该透射光束经第四半五角棱镜（14）的直角长边垂直输入由第四半五角棱镜（14）输出第四光束（24），所述的第一光束（21），第二光束（22），第三光束（23）和第四光束（24）处于同一个平面。

2.根据权利要求1所述的自由空间2×4光桥接器，其特征在于所述的第一光束（21），第二光束（22），第三光束（23）和第四光束（24）之间的间隔距离由所述的第二偏振分束器（8）、第三偏振分束器（9）、第一半五角棱镜（11）、第二半五角棱镜（12）、第三半五角棱镜（13）和第四半五角棱镜（14）的位置关系调节确定。