CN110824719A - 具有偏振参数优化配置的90°空间光混频器 - Google Patents

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Abstract

具有偏振参数优化配置的90°空间光混频器，属于无线通信技术领域，为解决现有空间光90°混频器中本振光与信号光偏振态不匹配引起的混频效率降低的问题，该混频器包括：本振激光器、第一二分之一波片、四分之一波片、第二二分之一波片、第一偏振分光棱镜、第三二分之一波片、第二偏振分光棱镜和第一直角屋脊棱镜、第一平衡探测器、非偏振分光棱镜、第四二分之一波片、第三偏振分光棱镜、第二直角屋脊棱镜、第二平衡探测器、直角棱镜、偏振态检测器和偏振态控制器，本发明具有偏振参数优化配置的90°空间光混频器装置在星间、星地无线激光通信领域以及构建空天地一体化信息网络等方面都具有广泛的应用前景。

Description

具有偏振参数优化配置的90°空间光混频器
技术领域
本发明涉及一种自由空间激光通信装置，具体涉及一种高偏振匹配度的空间光90°混频器，属于无线通信技术领域。
背景技术
无线激光通信因具有高速率、高容量、保密性好、抗电磁干扰能力强等特点，是通信领域研究的热点。无线激光通信更适合应用于星间链路和星地链路的无线信息传输。该链路距离远，信道电磁干扰较强，***可通时间短。相比微波通信，无线激光通信是解决此类通信难题的主要技术途径之一，具有广阔的应用前景。
相干激光通信是激光通信非常重要的研究方向，该技术具有探测灵敏度高、调制方式丰富、抗背景光能力强等特点，是未来高速率远距离空间激光通信的最佳解决途径之一。相干激光通信按接收模式不同可分为零差接收和外差接收，零差接收探测灵敏度比外差高3dB，但***复杂，主要难点之一就是需要采用空间光90°空间光混频器实现入射信号光与本振光的90°光学混频。
空间光90°空间光混频器是零差接收***的核心器件，光混频器的工作需要同时调节信号光和本振光的偏振态和相对相位延迟，使输出的四路输出混频光中的信号光与本振光的偏振方向一致且相对相位差分别为0°、90°、180°和270°。传统空间光90°空间光混频器内部光路对偏振态的调节量固定，本振光的偏振态也固定，因此混频器只对固定一种偏振态的信号光才能获得最佳性能，通常要求信号光为45°线偏振光。由于信号光在信道中进行远距离传输会发生退偏振现象，使入射到光混频器的信号光通常为椭圆偏振光，导致光混频器的实际支路相对相差不再是90°，同时降低***的混频效率和探测灵敏度。因此偏振态参数优化配置的90°空间光混频器的设计是十分必要的。
中国专利申请号为“201510852265.9”，发明名称为“高混频效率的空间光90°混频器”该装置采用电控偏振器控制本振光偏振态实现光混频器的分光和偏振优化，装置结构紧凑，功能丰富。不过该发明在光混频器I支路进行电学检测偏振态，通过功率对偏振态进行估算，该方法更适合判断两光束偏振态振动方向的差异，对相对相位差的估算精度较差，且发明装置在第二非偏振分束镜和第三非偏振分束镜处信号光和本振光的合束会损失一部分能量，降低混频效率。
发明内容
本发明为解决现有空间光90°混频器中本振光与信号光偏振态不匹配引起的混频效率降低的问题，提出了一种具有偏振参数优化配置的90°空间光混频器。
本发明采用以下技术方案：
具有偏振参数优化配置的90°空间光混频器，其特征是，
本振激光器出射本振光中心对准第一二分之一波片下侧中心；
第一二分之一波片上侧面中心与第二二分之一波片下侧面中心分别与第一四分之一波片的下侧面中心和上侧面中心对准；第一偏振分光棱镜下侧面中心与第二二分之一波片上侧面中心对准；第三二分之一波片的下侧面中心与第一偏振分光棱镜上侧面中心对准并紧贴，第三二分之一波片的快轴与第一偏振分光棱镜的反射光轴夹角为22.5°；第二偏振分光棱镜下侧面中心与第三二分之一波片的上侧面中心对准并紧贴，第二偏振分光棱镜透光轴与第三二分之一波片快轴夹角为22.5°；
第一直角屋脊棱镜下侧面中心与第二偏振分光棱镜上侧面中心对准并紧贴；第一平衡探测器的上侧探测器靶面中心与第一直角屋脊棱镜右侧面中心对准，第一平衡探测器的下侧探测器靶面中心与第二偏振分光棱镜右侧中心对准；
入射空间信号光中心对准第一偏振分光棱镜左侧面中心；
非偏振分光棱镜左侧面中心与第一偏振分光棱镜右侧面中心对准并紧贴；第四二分之一波片左侧中心与非偏振分光棱镜右侧面中心对准并紧贴，第四二分之一波片中心快轴与非偏振分光棱镜透光轴夹角为22.5°；第三偏振分光棱镜左侧面中心与第四二分之一波片右侧中心对准并紧贴，第四二分之一波片中心快轴与第三偏振分光棱镜透光轴夹角为22.5°；
第三偏振分光棱镜上侧中心与第二直角屋脊棱镜下侧中心对准并紧贴；第二平衡探测器的上侧探测器靶面中心与第二直角屋脊棱镜右侧面中心对准，第二平衡探测器的下侧探测器靶面中心与第三偏振分光棱镜右侧中心对准；
直角棱镜上侧中心与非偏振分光棱镜下侧中心对准并紧贴；偏振态检测器通光孔径中心与直角棱镜右侧中心对准；偏振态检测器与偏振态控制器通过串口数据线连接；偏振态控制器与第一二分之一波片、第二二分之一波片和第一四分之一波片分别用电缆连接；
本发明的有益效果是：(1)本发明通过追踪信号光偏振态的方式调节本振光偏振态，对90°空间光混频器内部I，Q支路的混频光偏振态进行优化，获得四路相对相差无限接近90度的混频光信号；(2)本发明对Q支路混频光信号进行分光并检测光束偏振态，不影响90度空间光混频器I支路进行信号解调，不会降低***探测灵敏度；(3)本发明采用空间光直接入射偏振态检测器，避免空间光耦合保偏单模光纤引起的能量衰减，也可以更准确的检测混频光的偏振态变化；(4)本发明采用偏振态控制器调节两个二分之一波片和一个四分之一波片快轴位置实现对本振光偏振态的调节，优点是结构简单，机构可靠性好，透光率高，不引入额外相位误差，缺点是调节速率较慢；由于空间信道引入的信号光退偏现象变化速率慢且平缓，因此该调节机构可以满足星间、星地通信的实际工作需求。
本发明具有偏振参数优化配置的90°空间光混频器装置在星间、星地无线激光通信领域以及构建空天地一体化信息网络等方面都具有广泛的应用前景，为实现高速率、远距离无线相干激光通信提供了有效的解决方案。
附图说明
图1为本发明具有偏振参数优化配置的90°空间光混频器的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明实施例作详细说明。
如图1所示，本发明具有偏振参数优化配置的90°空间光混频器，其包括：本振激光器1、第一二分之一波片2、四分之一波片3、第二二分之一波片4、第一偏振分光棱镜5、第三二分之一波片6、第二偏振分光棱镜7和第一直角屋脊棱镜8、第一平衡探测器9、非偏振分光棱镜10、第四二分之一波片11、第三偏振分光棱镜12、第二直角屋脊棱镜13、第二平衡探测器14、直角棱镜15、偏振态检测器16和偏振态控制器17。
本振激光器1出射本振光中心对准第一二分之一波片2下侧中心。
第一二分之一波片2上侧面中心与第二二分之一波片4下侧面中心分别与第一四分之一波片3的下侧面中心和上侧面中心对准；第一偏振分光棱镜5下侧面中心与第二二分之一波片4上侧面中心对准；第三二分之一波片6的下侧面中心与第一偏振分光棱镜5上侧面中心对准并紧贴，第三二分之一波片6的快轴与第一偏振分光棱镜5的反射光轴夹角为22.5°；第二偏振分光棱镜7下侧面中心与第三二分之一波片6的上侧面中心对准并紧贴，第二偏振分光棱镜7透光轴与第三二分之一波片6快轴夹角为22.5°。
第一直角屋脊棱镜8下侧面中心与第二偏振分光棱镜7上侧面中心对准并紧贴；第一平衡探测器9的上侧探测器靶面中心与第一直角屋脊棱镜8右侧面中心对准，第一平衡探测器9的下侧探测器靶面中心与第二偏振分光棱镜7右侧中心对准。
入射空间信号光中心对准第一偏振分光棱镜5左侧面中心；
非偏振分光棱镜10左侧面中心与第一偏振分光棱镜5右侧面中心对准并紧贴；第四二分之一波片11左侧中心与非偏振分光棱镜10右侧面中心对准并紧贴，第四二分之一波片11中心快轴与非偏振分光棱镜10透光轴夹角为22.5°；第三偏振分光棱镜12左侧面中心与第四二分之一波片11右侧中心对准并紧贴，第四二分之一波片11中心快轴与第三偏振分光棱镜12透光轴夹角为22.5°。
第三偏振分光棱镜12上侧中心与第二直角屋脊棱镜13下侧中心对准并紧贴；第二平衡探测器14的上侧探测器靶面中心与第二直角屋脊棱镜13右侧面中心对准，第二平衡探测器14的下侧探测器靶面中心与第三偏振分光棱镜12右侧中心对准。
直角棱镜15上侧中心与非偏振分光棱镜10下侧中心对准并紧贴；偏振态检测器16通光孔径中心与直角棱镜15右侧中心对准；偏振态检测器16与偏振态控制器17通过串口数据线连接；偏振态控制器17与第一二分之一波片2、第二二分之一波片4和四分之一波片3分别用电缆连接。
第一平衡探测器9输出信号(I支路)的相对相位差由上向下分别为0°和180°；第二平衡探测器14输出信号(Q支路)的相对相位差由上向下分别为90°和270°；其中I支路信号用于信号的解调与恢复，Q支路信号用于光锁相环的反馈处理。
所有光学元件的工作波段为1530nm至1565nm。
所述第一偏振分光棱镜5、第二偏振分光棱镜7和第三偏振分光棱镜12的折射率和透反射率一致；所述第一二分之一波片2、第二二分之一波片4、第三二分之一波片6、第四二分之一波片11和四分之一波片3的折射率、透反射率与尺寸一致；所述第一直角屋脊棱镜8和第二直角屋脊棱镜13的折射率、透反射率与尺寸一致。
所述第一平衡探测器9、第二平衡探测器14是空间光靶面或自带准直透镜通过光纤与靶面连接的平衡探测器。
所述第一偏振分光棱镜5、第二偏振分光棱镜7、第三偏振分光棱镜12分光面镀有分光比50:50的光学薄膜。
非偏振分光棱镜10分光面镀有分光比9:1的光学薄膜，其中90％能量用于环路的锁相反馈，10％能量用于偏振态检测和控制。
所述本振激光器1输出的光初始偏振态为45°方向的线偏振光。
所述第一二分之一波片2和第二二分之一波片4的快轴初始位置为45°；四分之一波片3的快轴初始位置为0°。
本振激光器1发出的本振光L垂直入射并经过第一二分之一波片2、四分之一波片3和第二二分之一波片4，本振光L的偏振态变为圆偏振态。
本振光L垂直入射到第一偏振分光棱镜5下侧中心，经过偏振分光会有一束透射光和一束反射光，两束光的能量相同，偏振态相互垂直；规定透射光为o分量，反射光为p分量；第一偏振分光棱镜5的上侧出光为本振光的o分量，右侧出光为本振光的p分量；本振光的o分量与p分量之间存在90°相对相差，o分量和p分量的光强比为50:50。
信号光S垂直入射到第一偏振分光棱镜5左侧中心，经过偏振分光后，在第一偏振分光棱镜5的右侧出光为信号光的o分量，上侧出光为信号光的p分量；信号光的o分量与p分量之间的相对相差为X，o分量和p分量的光强比为Y。
信号光S和本振光L经过第一偏振分光棱镜5后，在第一偏振分光棱镜5的上侧出射为信号光p分量与本振光o分量的混频光，在右侧出射为信号光o分量与本振光p分量的混频光；第一偏振分光棱镜5的上侧出射光与右侧出射光的相对相位差为X+90°。
第一偏振分光棱镜5的上侧出射光垂直入射第三二分之一波片6下侧面中心，混频光的两偏振分量与第三二分之一波片6的快轴成22.5°，透射光的偏振态超快轴方向旋转45°。
第三二分之一波片6的上侧出射光垂直入射到第二偏振分光棱镜7下侧面中心；出射光偏振态与第二偏振分光棱镜7光轴成45°；经过偏振分光后，在第二偏振分光棱镜7上侧面出射光为信号光S和本振光L偏振态同向的混频光，为0°混频光；在第二偏振分光棱镜7右侧面出射光为本振光L偏振态反向的混频光，为180°混频光。
第二偏振分光棱镜7上侧面出射的0°混频光垂直入射到第一直角屋脊棱镜8下侧面中心，在棱镜斜面经过两次反射后，由右侧面中心垂直出射。
第一直角屋脊棱镜8右侧面出射光0°混频光垂直入射到第一平衡探测器9上侧探测器靶面中心；第二偏振分光棱镜7右侧面出射光180°混频光垂直入射到第一平衡探测器9下侧探测器靶面中心。
第一偏振分光棱镜5的右侧出射光垂直入射非偏振分光棱镜10左侧面中心，经过分光后，混频光的90％能量由非偏振分光棱镜10右侧出射，混频光的10％能量由非偏振分光棱镜10下侧出射。
非偏振分光棱镜10右侧出射混频光垂直入射第四二分之一波片11左侧面中心；混频光的两偏振分量与第四二分之一波片11的快轴成22.5°，透射光的偏振态超快轴方向旋转45°。
第四二分之一波片11的右侧出射光垂直入射到第三偏振分光棱镜12下侧面中心；出射光偏振态与第三偏振分光棱镜12光轴成45°；经过偏振分光后，由于本振光存在90°的初始相对相位差，在第三偏振分光棱镜12右侧面出射光为信号光S和本振光L偏振态同向的混频光，为90°混频光；在第二偏振分光棱镜7右侧面出射光为本振光L偏振态反向的混频光，为270°混频光。
第三偏振分光棱镜12上侧面出射的90°混频光垂直入射到第二直角屋脊棱镜13下侧面中心，在棱镜斜面经过两次反射后，由右侧面中心垂直出射。
第一直角屋脊棱镜13右侧面出射光90°混频光垂直入射到第二平衡探测器14上侧探测器靶面中心；第三偏振分光棱镜12右侧面出射光270°混频光垂直入射到第二平衡探测器14下侧探测器靶面中心。
非偏振分光棱镜10下侧出射混频光垂直入射直角棱镜15上侧面中心；经过反射后，由直角棱镜15右侧面出射。
直角棱镜15右侧面出射混频光垂直入射偏振态测试器16左侧的接收靶面中心；由于第一偏振分光棱镜5的右侧出射光混频光在非偏振分光棱镜10和直角棱镜15处进行两次反射，偏振态、相对相位差不发生改变；在偏振态测试器16处对混频光的偏振分量光强、相对相位差进行分析，与长轴分量为短轴分量的1000倍的正椭圆偏振态进行对比，获得偏振态分量调节量Z和相对相位差调节量φ。
偏振态测试器16计算得到的数据通过串口数据线发送到偏振态控制器17中；根据数据指令，偏振态控制器17通过电缆将调节指令发送到第一二分之一波片2、四分之一波片3和第二二分之一波片4中，三个波片的控制器根据指令旋转波片的快轴；其中通过偏振态分量调节量Z调节第一二分之一波片2的快轴，补偿混频光的能量增益，通过相对相位差调节量φ调节四分之一波片3的快轴，补偿混频光的相对相位差；通过调节第二二分之一波片4的快轴与第一二分之一波片2的快轴一致，补偿混频光经过二分之一波片产生的180°相对相位差。
本振光L经过第一二分之一波片2、四分之一波片3和第二二分之一波片4后的偏振态会抵消入射信号光S自身携带的相对相位差，使I，Q支路的相对相位差保持在90°，由于信号光的偏振态变化呈现缓慢、线性的变化，本发明的偏振控制器的调节速率可以满足对信号光偏振态的实时检测和补偿；且通过调节本振光的偏振分量光强比，使I，Q支路的本振光的光强可以保持在信号光光强的103倍，满足空间光混频放大的要求，抑制了***的热噪声和暗电流噪声，提高***的稳定性。

Claims (8)

1.具有偏振参数优化配置的90°空间光混频器，其特征是，
本振激光器(1)出射本振光中心对准第一二分之一波片(2)下侧中心；
第一二分之一波片(2)上侧面中心与第二二分之一波片(4)下侧面中心分别与第一四分之一波片(3)的下侧面中心和上侧面中心对准；第一偏振分光棱镜(5)下侧面中心与第二二分之一波片(4)上侧面中心对准；第三二分之一波片(6)的下侧面中心与第一偏振分光棱镜(5)上侧面中心对准并紧贴，第三二分之一波片(6)的快轴与第一偏振分光棱镜(5)的反射光轴夹角为22.5°；第二偏振分光棱镜(7)下侧面中心与第三二分之一波片(6)的上侧面中心对准并紧贴，第二偏振分光棱镜(7)透光轴与第三二分之一波片(6)快轴夹角为22.5°；
第一直角屋脊棱镜(8)下侧面中心与第二偏振分光棱镜(7)上侧面中心对准并紧贴；第一平衡探测器(9)的上侧探测器靶面中心与第一直角屋脊棱镜(8)右侧面中心对准，第一平衡探测器(9)的下侧探测器靶面中心与第二偏振分光棱镜(7)右侧中心对准；
入射空间信号光中心对准第一偏振分光棱镜(5)左侧面中心；
非偏振分光棱镜(10)左侧面中心与第一偏振分光棱镜(5)右侧面中心对准并紧贴；第四二分之一波片(11)左侧中心与非偏振分光棱镜(10)右侧面中心对准并紧贴，第四二分之一波片(11)中心快轴与非偏振分光棱镜(10)透光轴夹角为22.5°；第三偏振分光棱镜(12)左侧面中心与第四二分之一波片(11)右侧中心对准并紧贴，第四二分之一波片(11)中心快轴与第三偏振分光棱镜(12)透光轴夹角为22.5°；
第三偏振分光棱镜(12)上侧中心与第二直角屋脊棱镜(13)下侧中心对准并紧贴；第二平衡探测器(14)的上侧探测器靶面中心与第二直角屋脊棱镜(13)侧面中心对准，第二平衡探测器(14)的下侧探测器靶面中心与第三偏振分光棱镜(12)右侧中心对准；
直角棱镜(15)上侧中心与非偏振分光棱镜(10)下侧中心对准并紧贴；偏振态检测器(16)通光孔径中心与直角棱镜(15)右侧中心对准；偏振态检测器(16)与偏振态控制器(17)通过串口数据线连接；偏振态控制器(17)与第一二分之一波片(2)、第二二分之一波片(4)和四分之一波片(3)分别用电缆连接。
2.根据权利要求1所述的具有偏振参数优化配置的90°空间光混频器，其特征在于，所有光学元件的工作波段为1530nm至1565nm。
3.根据权利要求1所述的具有偏振参数优化配置的90°空间光混频器，其特征在于，所述第一偏振分光棱镜(5)、第二偏振分光棱镜(7)和第三偏振分光棱镜(12)的折射率和透反射率一致。
4.根据权利要求1所述的具有偏振参数优化配置的90°空间光混频器，其特征在于，所述第一二分之一波片(2)、第二二分之一波片(4)、第三二分之一波片(6)、第四二分之一波片(11)和第一四分之一波片(3)的折射率、透反射率与尺寸一致。
5.根据权利要求1所述的具有偏振参数优化配置的90°空间光混频器，其特征在于，所述第一直角屋脊棱镜(8)和第二直角屋脊棱镜(13)的折射率、透反射率与尺寸一致。
6.根据权利要求1所述的具有偏振参数优化配置的90°空间光混频器，其特征在于，所述第一平衡探测器(9)和第二平衡探测器(14)是空间光靶面或自带准直透镜通过光纤与靶面连接而成的平衡探测器。
7.根据权利要求1所述的具有偏振参数优化配置的90°空间光混频器，其特征在于，所述第一偏振分光棱镜(5)、第二偏振分光棱镜(7)和第三偏振分光棱镜(12)分光面镀有分光比50:50的光学薄膜。
8.根据权利要求1所述的具有偏振参数优化配置的90°空间光混频器，其特征在于，所述非偏振分光棱镜(10)分光面镀有分光比9:1的光学薄膜；其中90％能量用于环路的锁相反馈，10％能量用于偏振态检测和控制。
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