專利名稱：偏振分束雙折射空間光橋接器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及相干激光通信，具體是兩路輸入四路輸出的相位可調(diào)節(jié)的偏振分束 雙折射空間光橋接器，偏振分束器將兩輸入光束進(jìn)行空間耦合并分成四路合成光束 輸出，1/8波片產(chǎn)生可調(diào)節(jié)的相移，在相干激光通信中用于空間復(fù)合激光信號(hào)光束和 本機(jī)振蕩激光光束，并根據(jù)需要產(chǎn)生可進(jìn)行相位控制的90度2x4空間光橋接器。
背景技術(shù)：
大容量高碼率、小型輕量化和低功耗的星載激光通信終端在軍事和民用上都具 有重大應(yīng)用前景。由于相干激光通信的接收機(jī)靈敏度比非相干光通信的靈敏度高一 個(gè)量級(jí)以上，并可采取多種調(diào)制方式，增加接收機(jī)選擇性，是實(shí)現(xiàn)新一代輕量化、 高碼率星間激光通信系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)。在相干激光通信接收機(jī)中，需要光橋接器將 信號(hào)激光和本振激光進(jìn)行合成并產(chǎn)生相移后才能鏈接到光電接收機(jī)，是相干激光通 信系統(tǒng)中的關(guān)鍵器件之一，光橋接器的性能很大程度上影響著相干激光通信系統(tǒng)的 接收性能。根據(jù)產(chǎn)生相移的類型，光學(xué)橋接器分為90。、 180°兩種，其中180。相移橋 接器用于平衡鎖相環(huán)路接收機(jī)，90°相移橋接器用于科斯塔斯鎖相環(huán)路接收機(jī)。根據(jù) 輸入一輸出端口的數(shù)量分為2X2， 2X4等不同的類型。在光纖通信系統(tǒng)中，光學(xué)橋 接器利用光纖和波導(dǎo)集成的方案進(jìn)行，但這些適用于光纖通信系統(tǒng)的光學(xué)橋接器不 能滿足空間激光通信的需求，不屬于空間光橋接器，因?yàn)樵谧杂煽臻g激光通信系統(tǒng) 中，所接收的光信號(hào)不僅要用于探測(cè)通信信息還要進(jìn)行位置信息提取以進(jìn)行光學(xué)精 密跟蹤，對(duì)于自由空間激光通信終端，光橋接器必須是空間自由傳播的。在自由空 間光橋接中，在先技術(shù)[l]， [2](參見文獻(xiàn)l: Walter R. leeb. Realization o f 90° and 180° Hybrids for Optical Frequencies [C]. AE(l， Band 37 [1983], Heft 5/6:203-206.文獻(xiàn)2: R. Garreis, C. Zeiss, 〃90° optical hybrid for coherent receivers, 〃 j°roc. 577^, Vol.1522, pp. 210-219， 1991.)提出了采用偏振分束器 結(jié)合l/4波片，非偏振分束器結(jié)合1/4波片實(shí)現(xiàn)90度和180度相移的2X2空間光橋接器 方案，文獻(xiàn)[2]則在此基礎(chǔ)上提出了2X4的90度相移的實(shí)現(xiàn)方案，但該方案存在整個(gè) 光學(xué)系統(tǒng)需要保證光束的嚴(yán)格等光程傳輸，相關(guān)元件過(guò)多，不易集成等缺點(diǎn)。在先 技術(shù)[3]， [4](參見文獻(xiàn)3:劉立人，劉德安，閆愛民，欒竹，王利娟，孫建鋒，鐘向紅，電控相移空間光橋接器，發(fā)明專利，公告號(hào)100383572，同名實(shí)用新型專利 公告號(hào)200959599;文獻(xiàn)4:劉立人，閆愛民，欒竹，劉德安，孫建鋒，王利娟， 鐘向紅，雙折射自由空間光橋接器，發(fā)明專利，公告號(hào)100383571，同名實(shí)用新型 專利公告號(hào)2899300)綜合利用晶體的雙折射效應(yīng)和電光效應(yīng)提出了另外的2X4的90 度空間光橋接器方案，雖然解決了先技術(shù)[l]， [2]相關(guān)元件過(guò)多，不易集成的缺點(diǎn)， 但在先技術(shù)3具有進(jìn)行相位控制時(shí)需對(duì)每塊晶片加電壓并進(jìn)行電壓調(diào)節(jié)，工藝復(fù) 雜，在先技術(shù)4則具有不能進(jìn)行相位控制的缺點(diǎn)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服上述在先技術(shù)的不足，提供一種偏振分束雙折射空間光 橋接器，該偏振分束雙折射空間光橋接器應(yīng)具有結(jié)構(gòu)緊湊，性能穩(wěn)定，相位可調(diào)等 優(yōu)點(diǎn)。適用于自由空間傳輸?shù)南喔杉す馔ㄐ畔到y(tǒng)。
本發(fā)明的技術(shù)解決方案如下
一種偏振分束雙折射空間光橋接器，其特點(diǎn)是由第一l/8波片，第二 1/8波片、
偏振分束器、第一雙折射光學(xué)平板和第二雙折射光學(xué)平板構(gòu)成，所述的偏振分束器 有兩個(gè)方向相互垂直的第一入射面和第二入射面，兩個(gè)方向相互垂直的第一出射面
和第二出射面，沿第一光束前進(jìn)方向依次是所述的第一 1/8波片、所述的偏振分束 器的第一入射面、第一出射面、第一雙折射光學(xué)平板，沿第二光束前進(jìn)方向依次是 所述的第二 1/8波片、所述的偏振分束器的第二入射面、第二出射面、第二雙折射 光學(xué)平板，所述的第一雙折射光學(xué)平板的主截面與第一 1/8波片的主截面平行，第 二雙折射光學(xué)平板的主截面與第二 1/8波片的主截面平行。
所述的1/8波片的快軸或者慢軸具有以入射光線為中心軸的轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)。 所述的偏振分束器是把輸入光束分成兩個(gè)振動(dòng)方向相互垂直的線偏振光的分束
器o
所述的第一雙折射光學(xué)平板、第二雙折射光學(xué)平板是單軸雙折射晶體平板構(gòu)成 的，第一雙折射光學(xué)平板和第二雙折射光學(xué)平板的入射面和出射面為光學(xué)拋光面。 所述的單軸雙折射晶體為方解石、釩酸釔、a—BBO或鈮酸鋰晶體。 本發(fā)明偏振分束雙折射空間光橋接器采用偏振分束器實(shí)現(xiàn)兩輸入光束的分光合 成，兩個(gè)l/8波片分別產(chǎn)生45度的相移，雙折射光學(xué)平板將相同偏振態(tài)的光進(jìn)行分 束產(chǎn)生四路具有相對(duì)相位差為90度合成光束輸出，2X4的90度空間光橋接器。通過(guò)旋轉(zhuǎn)1/8波片的光軸方向可對(duì)輸出的合成光束之間的相位差進(jìn)行調(diào)節(jié)，進(jìn)而補(bǔ)償 由于加工和裝配誤差造成的相位誤差。因此本發(fā)明具有結(jié)構(gòu)緊湊，性能穩(wěn)定，可進(jìn) 行相位校準(zhǔn)的優(yōu)點(diǎn)。適用于自由空間傳播的相干激光通信系統(tǒng)。


圖1是本發(fā)明偏振分束雙折射空間光橋接器實(shí)施例結(jié)構(gòu)的示意圖。 圖2是雙折射光學(xué)平板主截面內(nèi)晶體光軸取向和光束偏離的示意圖。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合附圖和實(shí)施例進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明本發(fā)明，但不應(yīng)以此限制本發(fā)明的保護(hù) 范圍。
本發(fā)明偏振分束雙折射空間光橋接器的結(jié)構(gòu)如圖1所示，包括第一 1/8波片3、 第二l/8波片4、偏振分束器5、第一雙折射光學(xué)平板6和第二雙折射光學(xué)平板7。 其中輸入光為第一光束1和第二光束2，輸出光為四光束光束12，光束13，光 束14和光束15。偏振分束器5具有第一入射面8和第二入射面9,第一出射面10 和第二出射面ll。第一 1/8波片3放在偏振分束器5的第一入射面8的前面，第二 1/8波片4放在偏振分束器5的第二入射面9的前面，它們的快軸或慢軸能以入射 光線為軸進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)。第一雙折射光學(xué)平板6位于偏振分束器的第一出射面10的后面， 第二雙折射光學(xué)平板7位于偏振分束器的第二出射面11的后面。
第一雙折射光學(xué)平板6和第二雙折射光學(xué)平板7為單軸晶體光學(xué)平板，其垂直 于光線行進(jìn)方向的入射面和出射面為光學(xué)拋光面，其晶體光軸取向?yàn)閑，定義為o 光波法線方向與光軸的夾角。雙折射光學(xué)平板的主截面為晶體光軸、o光和e光所 處的公共平面。第一 1/8波片3的快軸或慢軸和第一雙折射光學(xué)平板6的主截面平 行，第二 1/8波片4的快軸或慢軸和第二雙折射光學(xué)平板7的主截面平行。
本實(shí)施例中，信號(hào)激光1和本振激光2分別為信號(hào)光1和本振光2，沿垂直于 偏振分束器5的兩個(gè)入射面的方向入射，分別依次通過(guò)1/8波片，偏振分束器和雙 折射光學(xué)平板。使第一 1/8波片3的快軸或慢軸和入射的信號(hào)光1的光矢量振動(dòng)方 向成45度角，第二 1/8波片4的快軸或慢軸和入射的本振光2的光矢量振動(dòng)方向成 45度角，設(shè)入射的信號(hào)光1和本振光2的光矢量分別為<formula>formula see original document page 6</formula>(2)
其中4， 4分別為信號(hào)光、本振光的復(fù)振幅，^為光橋接器輸入端信號(hào)光和本振
光的初始相位差。分別經(jīng)第一l/8波片3和第二l/8波片4后，變?yōu)?br> 五S1 =.
,1 、
、廬乂
i01 — Vi
e印e
1'—
(3)
(4)
經(jīng)偏振分束器5后從第一出射面10和第二出射面11出來(lái)的光場(chǎng)變?yōu)?
1
f -丄
爭(zhēng)5 . 4 ,
(5)
(6)
其中^、 ^為偏振分束器的透射和反射系數(shù)，A、 ^為透射和反射時(shí)的相位 變化。使第一雙折射光學(xué)平板6的主截面和第一 1/8波片3的快軸或慢軸平行放置， 第二雙折射光學(xué)平板7的主截面和第二 1/8波片4的快軸或慢軸平行放置，這樣， 從第一雙折射光學(xué)平板6和第二雙折射光學(xué)平板7輸出的四束光束12， 13， 14， 15 的光強(qiáng)表達(dá)式分別為
々2 =1(|4|2+W2+2kKlcos[p+fe - a)-
4"…" ''u ""、，' …4-々3 = {|41' + W2 + 2|4 KI c。s[P + fe - A ) _ * -兀}
4
設(shè)計(jì)偏振分束器5使其具有如下的性質(zhì)
(7)
(8)
(9)
(10)
(11)
6其中"=1,2,3，......，為整數(shù)。
這樣，2X4的90°空間光橋接器得以實(shí)現(xiàn)。
如果把第一 1/8波片3的光軸以第一光束1為軸旋轉(zhuǎn)一個(gè)小角度^，第一光束1 通過(guò)它后，兩個(gè)相互垂直的偏振分量的相位差不再是45度，而變?yōu)?br> 45°--^-。因此，最后的四束輸出光束12， 13， 14和15的光強(qiáng)分別
2.8284 + 0.82845
變?yōu)?
/12'》「+|小棚一")十腦+ 0篇}
"*{|4|2 *「 +德|一^ l)十2.讓f眼歸-W
/14 =丄{|^4,|2 +|jj2 +2U,iU,|cos[p + (<z>r —p,)+三--^-}
i44"hi I 'II "^ w 4 2.8284 + 0.82845
=丄{|4|2 + l4|2 + 2M,|U,|cos[> + (^ -伊,)+工--^-
is 'II S| I川"w w w 4 2.8284 + 0.82845
(7a) (8a) (9a) (10a)
可見旋轉(zhuǎn)1/8波片的光軸可調(diào)整各輸出光束的相對(duì)相位差，以補(bǔ)償由于加工和裝
配過(guò)程中的誤差造成的輸出光束的相位偏差。因此，本發(fā)明2X4的90°空間光橋 接器具有相位校準(zhǔn)的功能。 一
本發(fā)明中，第一雙折射光學(xué)平板6和第二雙折射光學(xué)平板7可由一整塊雙折射 光學(xué)平板按厚度切割分成，其中雙折射光學(xué)平板主截面內(nèi)晶體光軸取向和光束偏離 的示意圖見圖2。 一般情況下為獲得較大的光束偏離，采用光束偏離最大化設(shè)計(jì)。 在最大偏離角條件下，對(duì)于負(fù)軸晶體，光軸取向?yàn)?br> larctaiA (12) 而雙折射光學(xué)平板晶體的光軸取向^和光束的偏離角《之間的關(guān)系為 妙=(1-4) f (13)
相應(yīng)的光束分離距離為
AL^tan (14) 其中Z)為雙折射平板的沿o光傳播的長(zhǎng)度。本實(shí)施例中，第一雙折射光學(xué)平板6和第二雙折射光學(xué)平板7采用方解石晶體， 并采取最大化光束偏離設(shè)計(jì)。
本實(shí)施例中，第一光束1和第二光束2的直徑取為())2mm。所述的第一 1/8波片 3和第二l/8波片4的入射面尺寸為長(zhǎng)X寬^10mmX10mm，偏振分束器5為鍍干涉 膜的偏振分束鏡，尺寸為，長(zhǎng)x寬x高-20mmx20mwx20附m，第一雙折射光學(xué)平 板6、第二雙折射光學(xué)平板7的結(jié)構(gòu)尺寸完全相同，為一整塊方解石雙折射光學(xué)平 板按厚度切割而成。設(shè)使用波長(zhǎng)為1064rnn，由方解石的色散方程算出在此波長(zhǎng)上的 主折射率為 。=1.6423, =1.4797 ，設(shè)計(jì)方解石平板6和方解石平板7的尺寸為
長(zhǎng)x寬x高-40/wwx20wwxl0ww，光軸取向?yàn)锳-48。，最后輸出光束12和13， 14和15的分離距離約為4. 4mm。
權(quán)利要求
1、一種偏振分束雙折射空間光橋接器，其特征在于由第一1/8波片(3)，第二1/8波片(4)、偏振分束器(5)、第一雙折射光學(xué)平板(6)和第二雙折射光學(xué)平板(7)構(gòu)成，所述的偏振分束器(5)有兩個(gè)方向相互垂直的第一入射面(8)和第二入射面(9)，兩個(gè)方向相互垂直的第一出射面(10)和第二出射面(11)，沿第一光束(1)前進(jìn)方向依次是所述的第一1/8波片(3)、所述的偏振分束器(5)的第一入射面(8)、第一出射面(10)、第一雙折射光學(xué)平板(6)，沿第二光束(2)前進(jìn)方向依次是所述的第二1/8波片(4)、所述的偏振分束器(5)的第二入射面(9)、第二出射面(11)、第二雙折射光學(xué)平板(7)，所述的第一雙折射光學(xué)平板(6)的主截面與第一1/8波片(3)的主截面平行，第二雙折射光學(xué)平板(7)的主截面與第二1/8波片(4)的主截面平行。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的偏振分束雙折射空間光橋接器，其特征在于所述的 1/8波片的快軸或者慢軸具有以入射光線為中心軸的轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的偏振分束雙折射空間光橋接器，其特征在于所述的偏 振分束器(5)是把輸入光束分成兩個(gè)振動(dòng)方向相互垂直的線偏振光的分束器。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的偏振分束雙折射空間光橋接器，其特征在于所述的第 一雙折射光學(xué)平板(6)、第二雙折射光學(xué)平板(7)是單軸雙折射晶體平板構(gòu)成的， 第一雙折射光學(xué)平板(6)和第二雙折射光學(xué)平板(7)的入射面和出射面為光學(xué)拋 光面。
5、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的偏振分束雙折射空間光橋接器，其特征在于所述的單 軸雙折射晶體為方解石、釩酸釔、a—BBO或鈮酸鋰晶體。
全文摘要
一種偏振分束雙折射空間光橋接器，其特點(diǎn)是由第一1/8波片，第二1/8波片、偏振分束器、第一雙折射光學(xué)平板和第二雙折射光學(xué)平板構(gòu)成，沿第一光束前進(jìn)方向依次是所述的第一1/8波片、所述的偏振分束器的第一入射面、第一出射面、第一雙折射光學(xué)平板，沿第二光束前進(jìn)方向依次是所述的第二1/8波片、所述的偏振分束器的第二入射面、第二出射面、第二雙折射光學(xué)平板，所述的第一雙折射光學(xué)平板的主截面與第一1/8波片的主截面平行，第二雙折射光學(xué)平板的主截面與第二1/8波片的主截面平行。本發(fā)明具有結(jié)構(gòu)緊湊，性能穩(wěn)定，相位可調(diào)等優(yōu)點(diǎn)。適用于自由空間傳輸?shù)南喔杉す馔ㄐ畔到y(tǒng)。
文檔編號(hào)G02B27/28GK101561560SQ200910051610
公開日2009年10月21日 申請(qǐng)日期2009年5月20日 優(yōu)先權(quán)日2009年5月20日
發(fā)明者萬(wàn)玲玉, 劉立人, 煜 周, 孫建鋒, 職亞楠, 楠 許, 閆愛民 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所