CN112462529A - 一种晶体型空间光混频器及其应用方法 - Google Patents

一种晶体型空间光混频器及其应用方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种晶体型空间光混频器，包括平行间隔布置的第一双折射晶体、第二双折射晶体和第三双折射晶体；第一双折射晶体和第二双折射晶体间布置有第二λ/2波片，第一双折射晶体另一侧面平行布置有第一λ/2波片和λ/4波片；λ/4波片与第二λ/2波片位置相对；信号光束通过第一λ/2波片射入第一双折射晶体，本振光束通过λ/4波片与信号光束同时射入第一双折射晶体；第三双折射晶体输出四路相位分别相差90°的光束。借助晶体的双折射效应和波片的相位延迟效应在晶体同一平面输出四路相位分别相差90°的光信号；旋转第一λ/2波片和λ/4波片可对I/Q两路的相位差和分光比进行调整，克服了现有技术器件工艺复杂和分光比失调的缺点。

Description

一种晶体型空间光混频器及其应用方法
技术领域
本发明属于无线相干光通信技术领域，涉及一种晶体型空间光混频器，还涉及该晶体型空间光混频器的应用方法。
背景技术
相干光通信因其具有灵敏度高，调整方式丰富以及抗干扰能力强等众多优势受到了广泛地关注。作为相干光通信***的核心器件，光混频器具有合成信号光与本振光并产生90°相移或者180°相移的功能，其性能对之后的探测、锁相环锁相乃至整个相干光通信***都有着不可忽视的作用。
目前，空间型光学混频器主要有由波片、偏振分束器或非偏振分束器组成的非偏振型空间光混频器和偏振型光学混频器，但这些方案存在相关元件过多、***损耗较大、不易集成的缺点。电控相移晶体型空间光混频器采用电光调制实现相位补偿，器件工艺复杂。基于晶体双折射和λ/8波片结合的空间光混频器，其相位补偿采用独立的四束光调制实现，器件制作复杂化。利用波片控制相位的双折射空间光混频器，这种结构虽然解决器件工艺复杂的问题，但是代价是分光比的失调。基于晶体的双反射制作的晶体型混频器，这种结构采用了两块晶体构成，结构简单，但存在入射光束锥角限制的问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种晶体型空间光混频器及其应用方法，解决现有晶体混频器工艺复杂、***损耗大等问题。
本发明所采用的技术方案是，一种晶体型空间光混频器，包括平行间隔布置的第一双折射晶体、第二双折射晶体和第三双折射晶体；第一双折射晶体和第二双折射晶体之间布置有第二λ/2波片，第一双折射晶体另一侧面平行布置有第一λ/2波片和λ/4波片；λ/4波片与第二λ/2波片位置相对；信号光束通过第一λ/2波片射入第一双折射晶体，本振光束通过λ/4波片与信号光束同时射入第一双折射晶体；第三双折射晶体输出四路相位分别相差90°的光束：输出光束I1、输出光束I2、输出光束I3和输出光束I4。
信号光束和本振光束都是线偏振光，且偏振方向分别与第一λ/2波片和λ/4波片的快轴夹角为45°。
第一λ/2波片的快轴与x轴夹角为45°；λ/4波片的快轴与x轴平行；第二λ/2波片的快轴与x轴夹角为45°。
第一双折射晶体和第二双折射晶体主截面平行，且光轴方向相反；第二双折射晶体和第三双折射晶体主截面夹角为45°。
光在第一双折射晶体、第二双折射晶体和第三双折射晶体的最大分离距离ΔL＝Dtanαm，其中，D为信号光束和本振光束的光斑直径，αm为寻常光和非寻常光在晶体中的最大偏离角。
一种晶体型空间光混频器的应用方法，信号光束和本振光束分别经过第一λ/2波片和λ/4波片后，同时进入第一双折射晶体，被分成等振幅的信号光束的o光和e光、本振光束的o光和e光；信号光束的e光和本振光束的o光在第一双折射晶体的输出端进行混合，得到光束E1；
接着信号光束的o光和本振光束的e光与混合光束E1经过第二双折射晶体，混合光束E1被分成o光和e光，光束在第二双折射晶体的出射面进行汇聚，信号光束的e光和混合光束E1的o光组成混合光E2；本振光束的o光和混合光束E1的e光组成混合光E3；
第二双折射晶体与第三双折射晶体的主截面之间夹角为45°，混合光E2和E3在第三双折射晶体中产生空间分离，形成四路由信号光束与本振光束合成的混合光输出光束I1、输出光束I2、输出光束I3和输出光束I4。
本发明的有益效果是：本发明晶体型空间光混频器设计方法，能够借助晶体的双折射效应和波片的相位延迟效应在晶体同一平面输出四路相位分别相差90°的光信号；旋转第一λ/2波片和λ/4波片可对I/Q两路的相位差和分光比进行调整，克服了现有技术器件工艺复杂和分光比失调的缺点。本发明的晶体型空间光混频器结构简单，相位可控、分光比调整简单有效，且对混频效率影响较小，可适用于自由空间相干光通信***。
附图说明
图1是本发明晶体型空间光混频器设计方法的结构示意图；
图2是本发明晶体型空间光混频器设计方法中线偏振光经过λ/2波片的结构示意图；
图3是本发明晶体型空间光混频器设计方法中线偏振光经过λ/4波片的结构示意图；
图4是本发明晶体型空间光混频器设计方法中光轴取向结构示意图。
图中，1.信号光束，2.本振光束，3.第一λ/2波片，4.λ/4波片，5.第一双折射晶体，6.第二λ/2波片，7.第二双折射晶体，8.第三双折射晶体，9.输出光束I1，10.输出光束I2，11.输出光束I3，12.输出光束I4。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
如图1所示，一种晶体型空间光混频器，包括平行间隔布置的第一双折射晶体5、第二双折射晶体7和第三双折射晶体8；所述第一双折射晶体5和第二双折射晶体7之间布置有第二λ/2波片6，第一双折射晶体5另一侧面平行布置有第一λ/2波片3和λ/4波片4；λ/4波片4与第二λ/2波片6位置相对；信号光束1通过第一λ/2波片3射入第一双折射晶体5，本振光束2通过λ/4波片4与信号光束1同时射入第一双折射晶体5；第三双折射晶体8输出四路相位分别相差90°的光束：输出光束I19、输出光束I210、.输出光束I311和输出光束I412。
信号光束1和本振光束2都是线偏振光，且偏振方向分别与第一λ/2波片3和λ/4波片4的快轴夹角为45°。
第一λ/2波片3的快轴与x轴夹角为45°；λ/4波片4的快轴与x轴平行；第二λ/2波片7的快轴与x轴夹角为45°。
第一双折射晶体5和第二双折射晶体6主截面平行，且光轴方向相反；第二双折射晶体6和第三双折射晶体8主截面夹角为45°。
光在第一双折射晶体5、第二双折射晶体7和第三双折射晶体8的最大分离距离ΔL＝Dtanαm，其中，D为信号光束1和本振光束2的光斑直径，αm为寻常光和非寻常光在晶体中的最大偏离角。
信号光束1和本振光束2分别经过第一λ/2波片3和λ/4波片4后，同时进入第一双折射晶体5，由于晶体的双折射效应，被分成等振幅的信号光束1的o光和e光、本振光束2的o光和e光；信号光束1的e光和本振光束2的o光在第一双折射晶体5的输出端进行混合，得到光束E1；由于第二1/2波片6的快轴与x轴夹角为45°，因此E1经过该波片，其偏振方向旋转90°。
接着信号光束1的o光和本振光束2的e光与混合光束E1经过第二双折射晶体7，由于第二双折射晶体7与第一双折射晶体5的主截面相互平行，混合光束E1被分成o光和e光，光束在第二双折射晶体7的出射面进行汇聚，信号光束1的e光和混合光束E1的o光组成混合光E2；本振光束2的o光和混合光束E1的e光组成混合光E3；
第二双折射晶体7与第三双折射晶体8的主截面之间夹角为45°，混合光E2和E3在第三双折射晶体8中产生空间分离，形成四路由信号光束1与本振光束2合成的混合光输出光束I19、输出光束I210、输出光束I311和输出光束I412。
对四路输出光束之间的相位及分光比分别进行调整，即可实现具有特定分光比的2×4 90°相移光混频器的功能。
为了使光束在晶体中尽可能的分离，采用光束偏离最大化设计，设晶体中o光和e光的折射率分别为no和ne，对于负单轴晶体，晶体的光轴取向θm为：
Figure BDA0002803498520000051
光在晶体中的最大偏离角αm为：
Figure BDA0002803498520000052
光在晶体中的最大分离距离ΔL为：
ΔL＝Dtanαm (3)
工作原理如下：
信号光束1和本振光束2都是线偏振光，且偏振方向分别于第一λ/2波片3和λ/4波片4的快轴夹角为45°，其光场的复振幅可表示为：
Figure BDA0002803498520000053
Figure BDA0002803498520000061
式中，AS、AL分别为信号光束1、本振光束2的振幅,ωS，ωL为信号光束1、本振光束2的角频率，φ(t)为信号光束1的相位调制函数，φS0、φL0分别为信号光束1、本振光束2的初始相位。
当第一λ/2波片3和第二λ/2波片6快轴与x轴夹角均为45°，λ/4波片4的快轴与x轴平行，通过琼斯矩阵分析得到信号光束1和本振光束2经过混频后得到四路输出光束I19、I210、I311和I412的光强分别为：
Figure BDA0002803498520000062
Figure BDA0002803498520000063
Figure BDA0002803498520000064
Figure BDA0002803498520000065
式中，
Figure BDA0002803498520000066
和
Figure BDA0002803498520000067
分别为o光和e光在第二双折射晶体7中的相位延迟。
由式(6)-式(9)分析可知该混频器输出光束I19、输出光束I210、输出光束I311和输出光束I412相位分别相差90°。
λ/4波片4快轴与x轴夹角为β1，第一λ/2波片3快轴与x轴夹角为β2，第二λ/2波片6快轴与x轴夹角为45°，通过琼斯矩阵分析得到信号光束1和本振光束2经过混频后得到输出光束I19、输出光束I210、输出光束I311和输出光束I412的光强分别为：
Figure BDA0002803498520000071
Figure BDA0002803498520000072
Figure BDA0002803498520000073
Figure BDA0002803498520000074
式中，
Figure BDA0002803498520000075
输出光束I/Q路的分光比φ为:
Figure BDA0002803498520000076
由式(10)-式(14)分析得，该混频器的相位仅与λ/4波片4有关，而分光比与λ/4波片4和第一λ/2波片3均有关。因此可以通过旋转与λ/4波片4的光轴来调节相位，再通过λ/4波片4和第一λ/2波片3调节分光比。
本发明晶体型空间光混频器设计方法，能够借助晶体的双折射效应和波片的相位延迟效应在同一平面输出四路相位分别相差90°的光信号；旋转第一λ/2波片3和λ/4波片4可对I/Q两路的相位差和分光比进行调整，克服了现有技术器件工艺复杂和分光比失调的缺点。本发明的晶体型空间光混频器结构简单，相位可控、分光比调整简单有效，且对混频效率影响较小，可适用于自由空间相干光通信***。

Claims (6)

1.一种晶体型空间光混频器，其特征在于，包括平行间隔布置的第一双折射晶体(5)、第二双折射晶体(7)和第三双折射晶体(8)；所述第一双折射晶体(5)和第二双折射晶体(7)之间布置有第二λ/2波片(6)，第一双折射晶体(5)另一侧面平行布置有第一λ/2波片(3)和λ/4波片(4)；λ/4波片(4)与第二λ/2波片(6)位置相对；信号光束(1)通过第一λ/2波片(3)射入第一双折射晶体(5)，本振光束(2)通过λ/4波片(4)与信号光束(1)同时射入第一双折射晶体(5)；第三双折射晶体(8)输出四路相位分别相差90°的光束：输出光束I1(9)、输出光束I2(10)、.输出光束I3(11)和输出光束I4(12)。
2.根据权利要求1所述的一种晶体型空间光混频器，其特征在于，所述信号光束(1)和本振光束(2)都是线偏振光，且偏振方向分别与第一λ/2波片(3)和λ/4波片(4)的快轴夹角为45°。
3.根据权利要求1所述的一种晶体型空间光混频器，其特征在于，所述第一λ/2波片(3)的快轴与x轴夹角为45°；λ/4波片(4)的快轴与x轴平行；第二λ/2波片(7)的快轴与x轴夹角为45°。
4.根据权利要求1所述的一种晶体型空间光混频器，其特征在于，第一双折射晶体(5)和第二双折射晶体(6)主截面平行，且光轴方向相反；第二双折射晶体(6)和第三双折射晶体(8)主截面夹角为45°。
5.根据权利要求1所述的一种晶体型空间光混频器，其特征在于，光在第一双折射晶体(5)、第二双折射晶体(7)和第三双折射晶体(8)的最大分离距离ΔL＝Dtanαm，其中，D为信号光束(1)和本振光束(2)的光斑直径，αm为寻常光和非寻常光在晶体中的最大偏离角。
6.根据权利要求1-5所述的一种晶体型空间光混频器的应用方法，其特征在于，信号光束(1)和本振光束(2)分别经过第一λ/2波片(3)和λ/4波片(4)后，同时进入第一双折射晶体(5)，被分成等振幅的信号光束(1)的o光和e光、本振光束(2)的o光和e光；信号光束(1)的e光和本振光束(2)的o光在第一双折射晶体(5)的输出端进行混合，得到光束E1；
接着信号光束(1)的o光和本振光束(2)的e光与混合光束E1经过第二双折射晶体(7)，混合光束E1被分成o光和e光，光束在第二双折射晶体(7)的出射面进行汇聚，信号光束(1)的e光和混合光束E1的o光组成混合光E2；本振光束(2)的o光和混合光束E1的e光组成混合光E3；
第二双折射晶体(7)与第三双折射晶体(8)的主截面之间夹角为45°，混合光E2和E3在第三双折射晶体(8)中产生空间分离，形成四路由信号光束(1)与本振光束(2)合成的混合光输出光束I1(9)、输出光束I2(10)、输出光束I3(11)和输出光束I4(12)。
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Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20030030905A1 (en) * 2001-08-10 2003-02-13 Shohei Abe Polarized wave coupling optical isolator
CN101561560A (zh) * 2009-05-20 2009-10-21 中国科学院上海光学精密机械研究所 偏振分束双折射空间光桥接器
CN201464714U (zh) * 2009-05-27 2010-05-12 中国科学院上海光学精密机械研究所 双波片相位调整双折射空间光桥接器
CN110244470A (zh) * 2019-05-17 2019-09-17 西安理工大学 高性能晶体型90度空间光桥接器

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20030030905A1 (en) * 2001-08-10 2003-02-13 Shohei Abe Polarized wave coupling optical isolator
JP2003057597A (ja) * 2001-08-10 2003-02-26 Fdk Corp 偏波合成光アイソレータ
CN101561560A (zh) * 2009-05-20 2009-10-21 中国科学院上海光学精密机械研究所 偏振分束双折射空间光桥接器
CN201464714U (zh) * 2009-05-27 2010-05-12 中国科学院上海光学精密机械研究所 双波片相位调整双折射空间光桥接器
CN110244470A (zh) * 2019-05-17 2019-09-17 西安理工大学 高性能晶体型90度空间光桥接器

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
万玲玉: "《电光调制2×4 90°相移空间光学桥接器》", 《光学学报》 *

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