CN201464714U - 双波片相位调整双折射空间光桥接器 - Google Patents
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Abstract
一种双波片相位调整双折射空间光桥接器，由两个1/8波片，两对双折射光学平板和一个检偏双折射元件构成，组合的双折射光学平板将两输入光束分光合成，检偏双折射元件将两路合成光束分成四路合成光束输出，两个1/8波片分别进行相位控制，在相干光通信接收机中用于空间复合激光通信信号光束和本机振荡激光光束并输出四路具有相对相位差为90度的合成光束，是90度的2×4空间光桥接器。本实用新型结构简单，相位调整方便，适用于自由空间激光相干通信领域。
Description
技术领域
本实用新型涉及相干激光通信领域，具体是利用双波片进行相位调节的双折射空间光桥接器，两对组合的双折射光学平板将两输入光束进行空间分光合成，检偏双折射元件将耦合的两路合成光束分成四路合成光束输出，实现2×4的空间光桥接，两个1/8波片分别产生所需要的相移，在相干探测的光接收机中用于空间复合激光信号光束和本机振荡激光光束并输出具有确定相位关系的合成光束，通过旋转1/8波片可对最后输出的四路合成光束的相位关系进行调整，根据需要产生90度的2×4空间光桥接器。
背景技术
实现大容量高码率、小型轻量化和低功耗的星载激光通信终端是自由空间激光通信的需要。由于相干光通信的接收机灵敏度比非相干光通信的灵敏度高一个量级以上，并可采取多种调制方式，增加接收机选择性，是实现新一代轻量化、高码率星间激光通信***的关键技术。一个相干光零差通信通道的接收端由本机激光振荡器、光电子接收、锁相环路、光桥接器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，是相干光通信***中的***关键器件之一，相干通信***的接收性能取决于光桥接器的性能。根据产生相移的类型，光学桥接器分为90°、180°两种，其中180°相移桥接器用于平衡锁相环路接收机，90°相移桥接器用于科斯塔斯锁相环路接收机。根据输入-输出端口的数量分为2×2，2×4等不同的类型。在光纤通信***中，人们利用光纤和波导发展多种光学桥接器方案，这些适用于光纤通信***的光学桥接器不能满足空间通信的需求，不属于空间光桥接器，在自由空间激光通信***中，所接收的光信号不仅要用于探测通信信息还要进行位置信息提取以进行光学精密跟踪，对于自由空间激光通信终端，光桥接器必须是自由空间传播的。在自由空间光桥接中，先技术[1]，[2](参见文献1：Walter R.leeb.Realization of 90°and 180°Hybrids for Optical Frequencies[C].
Band 37[1983]，Heft 5/6：203-206.文献2：R.Garreis，C.Zeiss，″90°opticalhybrid for coherent receivers，″Proc.SPIE，Vol.1522，pp.210-219，1991.)提出了采用偏振分束器结合波片，非偏振分束器结合波片实现90度和180度相移的2×2空间光桥接器方案，文献[2]则在此基础上提出了2×4的90度相移的实现方案，但该方案须使入射光束的两个偏振分量经过偏振分束器、非偏振分束器后的相位满足特定关系，这一点技术上很难实现，此外，还有整个光学***需要保证光束的严格等光程传输，装较困难，相关元件过多，不易集成等缺点。先技术[3]，[4](参见文献3：刘立人，刘德安，闫爱民，栾竹，王利娟，孙建锋，钟向红，电控相移空间光桥接器，发明专利，公告号：100383572，同名实用新型专利公告号：200959599；文献4：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，发明专利，公告号：100383571，同名实用新型专利公告号2899300)综合利用晶体的双折射效应和电光效应提出了另外的2×4的90度空间光桥接器方案，虽然解决了先技术[1]，[2]相关元件过多，不易集成的缺点，但先技术【3】具有进行相位控制时需对每块晶片加电压并进行电压调节，工艺复杂，先技术【4】则具有不能进行相位控制的缺点。
发明内容
克服上述现有技术的不足，本实用新型提供一种双波片相位调整双折射空间光桥接器，该空间光桥接器具有结构紧凑，相位调整方便的优点。适用于自由空间传输的相干光探测***。
本发明的技术解决方案如下：
一种双波片相位调整双折射空间光桥接器，其特点是由沿光线的行进方向依次的1/8波片、第一叠块、第二叠块和检偏双折射元件构成，各元部件的位置关系是：所述的1/8波片包括第一1/8波片和第二1/8波片，第一双折射光学平板和第二双折射光学平板的光轴取向相反并叠在一起形成所述的第一叠块，第三双折射光学平板和第四双折射光学平板的光轴取向相反并叠在一起形成所述的第二叠块，所述的第一1/8波片位于第一双折射光学平板的前面，所述的第二1/8波片位于第二双折射光学平板的前面，所述的第一双折射光学平板、第二双折射光学平板的主截面与第三双折射光学平板、第四双折射光学平板的主截面相互垂直，所述的检偏双折射元件的主截面与第三双折射光学平板的主截面成45°放置。
所述的第一双折射光学平板、第二双折射光学平板、第三双折射光学平板、第四双折射光学平板和检偏双折射元件的材料都是单轴双折射晶体。
所述的单轴双折射晶体为方解石、钒酸钇、α-BBO或铌酸锂晶体。
本实用新型双波片相位调整双折射空间光桥接器采用两对共四块相同结构的双折射光学平板实现光束的分光合束，两个1/8波片共同产生90度的相移并分别可通过快轴或慢轴的旋转进行相位的调整，从而实现可进行相位微调的2×4的90度空间光桥接器。由于四块双折射光学平板能够保证精确的相同结构，克服了先技术【1】、【2】须保证整个光学***光束的严格等光程传输装配困难问题，两个1/8波片共同产生90度的相移，而分别以入射光线为轴旋转其快轴或慢轴可分别对输出光束之间的相位关系进行调整，克服了先技术【1】、【2】中相位关系难以控制的困难，也克服了先技术【3】的相位控制工艺复杂问题和先技术【4】不能进行相位调节的缺点，因此本实用新型具有结构紧凑，相位调整方便的优点。适用于自由空间传播的相干光通信***。
附图说明
图1是本实用新型双波片相位调整双折射空间光桥接器实施例结构的示意图。
图2是双折射光学平板主截面内晶体光轴取向和光束偏离的示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例进一步详细说明本实用新型专利，但不应以此限制其保护范围。
本实用新型双波片相位调整双折射空间光桥接器的结构如图1所示，包括第一1/8波片3，第二1/8波片4，叠放的第一双折射光学平板5和第二双折射光学平板6、叠放的第三双折射光学平板7和第四双折射光学平板8、检偏双折射元件9.其中：输入光束为光束1和光束2，输出光束为光束10，光束11，光束12和光束13.第一1/8波片3位于第一双折射光学平板5的前面，第二1/8波片4位于第二双折射光学平板6的前面，分别能以入射光线为轴进行转动.
第一双折射光学平板5、第二双折射光学平板6、第三双折射光学平板7、第四双折射光学平板8都为单轴晶体长方体平板，其尺寸和结构完全相同。检偏双折射元件9的几何形状可为单轴晶体长方体或正方体。第一双折射光学平板5、第二双折射光学平板6、第三双折射光学平板7、第四双折射光学平板8和检偏双折射元件9的垂直于光线行进方向的入射面和出射面为光学抛光面，其晶体光轴取向为θ，定义为o光波法线方向与光轴的夹角。双折射光学平板的主截面为晶体光轴、o光和e光所处的公共平面。
本实施例中，第一1/8波片3放在第一双折射光学平板5之前，信号光束1通过第一1/8波片3，入射到第一双折射光学平板5的下部，其偏振方向为45°取向。在晶体5中，信号光束1分解为o光和e光并相互偏离，形成两束平行光束输出。本振光束2通过第二1/8波片4，入射到第二双折射光学平板6的上部，其偏振方向为45°取向。在晶体6中本振光束2分解为o光部分和e光部分并相互偏离，形成两束平行光束输出。第一双折射光学平板5和第二双折射光学平板6的光轴取向相反，它们的e光沿相反方向偏离开。
从叠放的第一双折射光学平板5和第二双折射光学平板6出射的四路光束进入叠放的第三双折射光学平板7和第四双折射光学平板8，使它们的主截面分别垂直于第一双折射光学平板5和第二双折射光学平板6的主截面，这样上部的两路光束经过第三双折射光学平板7在空间上合成一路输出，而下部的两路光束经过第四双折射光学平板8在空间上合成一路输出。
定义检偏双折射元件9的主截面为光轴与晶体界面法线确定的平面，使其与第三双折射光学平板7的主截面成45°放置。从第四双折射光学平板8输出的光束通过检偏双折射元件9产生空间分离的o光光束10和e光光束11。从第三双折射光学平板7输出的光束通过检偏双折射元件9产生空间分离的o光光束12和e光光束13，即输出四路合成光束。由于两个1/8波片使o，e分别产生了45度的相位差，当1/8波片的快轴或者慢轴平行于检偏双折射元件9的主截面时，输出的四路合成光束具有相对相位差为90度的相位关系，因此本实用新型为90度的2×4的空间光桥接器。当1/8波片以入射光为轴旋转一个小角度ε时，波片中o，e光的相位关系为：
随ε的变化几乎成线性变化，因此，可通过旋转1/8的方法来进行相位的调节。
在双折射晶体中，光线垂直入射到晶体界面时，光波一进入晶体就分解为折射率为no和ne的o光和e光，一般情况下为获得较大的光束偏离，采用光束偏离最大化设计。在最大偏离角条件下，对于负轴晶体，光轴取向为：
而双折射光学平板晶体的光轴取向θ和光束的偏离角α之间的关系为：
相应的光束分离距离为：
ΔL＝Dtanαm (3)
其中D为双折射平板的沿o光传播的长度。
在图1所示的实施例中，第一双折射光学平板5、第二双折射光学平板6、第三双折射光学平板7和第四双折射光学平板8和检偏双折射平板9都采用方解石晶体，并采取最大化光束偏离设计。双折射光学平板主截面内晶体光轴取向和光束偏离的示意图如图2所示。
实施例图1中的光束1和光束2的直径均为φ2mm。第一双折射光学平板5、第二双折射光学平板6、第三双折射光学平板7和第四双折射光学平板8的结构尺寸完全相同，为一整块方解石双折射光学平板按厚度切割而成。设使用波长为1064nm，两个1/8波片的尺寸相同，都为4mm×4mm。由方解石的色散方程算出在此波长上的主折射率为no＝1.6423，ne＝1.4797，设计方解石平板5、方解石平板6、方解石平板7和方解石平板8的尺寸为长×宽×高＝40mm×20mm×10mm，光轴取向为θm＝48°，方解石检偏器的尺寸为长×宽×高＝40mm×40mm×40mm，光轴取向为θm＝48°，最后输出光束10和11，12和13的分离距离约为4.4mm。
Claims (5)
1.一种双波片相位调整双折射空间光桥接器，其特征在于由沿光线的行进方向依次的1/8波片、第一叠块、第二叠块和检偏双折射元件(9)构成，各元部件的位置关系是：所述的1/8波片包括第一1/8波片(3)和第二1/8波片(4)，第一双折射光学平板(5)和第二双折射光学平板(6)的光轴取向相反并叠在一起形成所述的第一叠块，第三双折射光学平板(7)和第四双折射光学平板(8)的光轴取向相反并叠在一起形成所述的第二叠块，所述的第一1/8波片(3)位于第一双折射光学平板(5)的前面，所述的第二1/8波片(4)位于第二双折射光学平板(6)的前面，所述的第一双折射光学平板(5)、第二双折射光学平板(6)的主截面与第三双折射光学平板(7)、第四双折射光学平板(8)的主截面相互垂直，所述的检偏双折射元件(9)的主截面与第三双折射光学平板(7)的主截面成45°放置。
2.根据权利要求1所述的双波片相位调整双折射空间光桥接器，其特征在于所述的1/8波片具有以入射光线为轴的转动机构。
3.根据权利要求1所述的双波片相位调整双折射空间光桥接器，其特征在于所述的第一双折射光学平板(5)、第二双折射光学平板(6)、第三双折射光学平板(7)、第四双折射光学平板(8)是材料相同、结构尺寸相同的单轴双折射晶体平板。
4.根据权利要求1所述的双波片相位调整双折射空间光桥接器，其特征在于所述的检偏双折射元件(9)是长方体或正方体的单轴双折射晶体。
5.根据权利要求3或4所述的双波片相位调整双折射空间光桥接器，其特征在于所述的单轴双折射晶体为方解石、钒酸钇、α-BBO或铌酸锂晶体。
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