一種自由空間90°光混頻器的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種自由空間90°光混頻器。包括對(duì)信號(hào)光束和本振光束進(jìn)行合束的合束單元，產(chǎn)生0°和180°相對(duì)相移兩路組合光束的同相平衡接收通道，產(chǎn)生90°和270°相對(duì)相移兩路組合光束的正交平衡接收通道，接收0°、90°、180°、270°相對(duì)相移組合光束的接收單元。本發(fā)明提供了一種提高精準(zhǔn)、方便調(diào)裝的一種自由空間90°光混頻器。
【專利說明】 —種自由空間90°光混頻器

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于空間激光通信領(lǐng)域，涉及光混頻器，尤其涉及一種自由空間90°光混頻器。

【背景技術(shù)】
[0002]自由空間90°光混頻器是自由空間相干光通信終端的光學(xué)核心器件，它對(duì)信號(hào)光束和本振光束進(jìn)行合束，并分解成4束組合光束，它們之間具有相對(duì)的0°、90°、180°、270°相對(duì)相移，或者說產(chǎn)生一個(gè)同相平衡接收通道(0°和180°兩路)和一個(gè)正交平衡接收通道(90°和270°兩路)。
[0003]自由空間相干光通信終端的平衡接收器光敏面一般只有幾十微米，平衡接收器的兩路光(Γ和Γ兩路或9+和9_兩路)的接收光敏面之間的間距固定。因此平衡接收器的兩路光之間的間距必須精確控制，其精度往往要求幾個(gè)微米?，F(xiàn)有自由空間光混頻器存在以下三個(gè)缺點(diǎn):
[0004]1.難以精確控制平衡接收器的兩路光之間的間距；
[0005]2.器件體積受限于平衡接收器兩光敏面間距，使得器件體積過小，難以裝調(diào)；
[0006]3.四條支路相互分離，難以控制四條支路光程相等，容易產(chǎn)生時(shí)間偏離。
[0007]4.普通透鏡聚焦質(zhì)量難以控制，加工、裝調(diào)難度大。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]為了解決【背景技術(shù)】中所存在的技術(shù)問題，本發(fā)明提出了一種自由空間光混頻器，該混頻器利用改進(jìn)型橫向剪切干涉儀以解決了【背景技術(shù)】中平衡接收器兩路光之間的間距難以精確控制、體積受限和四路輸出光程差難以控制的技術(shù)問題。
[0009]該混頻器由λ /2波片HWP1，λ /2波片HWP2，λ /4波片QWP，偏振分光棱鏡PBS，λ /2波片HWP3，λ /2波片HWP4，橫向剪切干涉儀SAG1，橫向剪切干涉儀SAG2，自聚焦透鏡AFL1，自聚焦透鏡AFL2，自聚焦透鏡AFL3，自聚焦透鏡AFL4組成。
[0010]信號(hào)光和本振光皆為偏振光，兩路光分別經(jīng)過λ /2波片HWP1和λ /2波片HWP2后變?yōu)榕cΧΖ面成45°的線偏振光。然后，本振光經(jīng)過λ/4波片QWP，λ/4波片的快軸與本振光偏振方向成45° ,出射的本振光變?yōu)閳A偏振光，其Ρ波(平行分量)與S波(垂直分量)相位相差90°。
[0011]偏振分光棱鏡PBS作用是反射S波、透射Ρ波。進(jìn)入I支路的信號(hào)光S波與本振光Ρ波經(jīng)過1/2波片HWP3后，其偏振方向旋轉(zhuǎn)45°角，信號(hào)光與ΧΖ面成-45°，本振光與ΧΖ面成45°。這樣造成信號(hào)光的Ρ波分量與本振光Ρ波分量方向相同，信號(hào)光的S波分量與本振光S波分量方向相反。
[0012]橫向剪切干涉儀由兩塊厚度不同的半五角棱鏡膠合而成，膠合面一部分鍍偏振分光膜，另一部分鍍?cè)鐾改?。?jīng)過橫向剪切干涉儀，信號(hào)光的Ρ波分量與本振光Ρ波分量進(jìn)入Γ支路相加，信號(hào)光的s波分量與本振光s波分量進(jìn)入r支路相減，這樣就相當(dāng)于Γ支路與Γ支路間存在180°的相位差。同時(shí)橫向剪切干涉儀將Γ支路與Γ支路兩束光剪切開一段距離，該距離能夠在裝調(diào)干涉儀時(shí)精確控制。由于橫向剪切干涉儀的性質(zhì)，Γ與Γ支路在干涉儀內(nèi)的光程相等。同理，Q+支路與Q—支路也符合以上性質(zhì)。
[0013]Γ支路、Γ支路、Q+支路、Q—支路的出射光束分別由自聚焦透鏡聚焦在探測(cè)器上。自聚焦透鏡口徑一般只有幾個(gè)毫米，聚焦光束彌散斑與探測(cè)器光敏面大小相當(dāng)。
[0014]本發(fā)明的技術(shù)方案為:一種自由空間90°光混頻器,包括對(duì)信號(hào)光束和本振光束進(jìn)行合束的合束單元，產(chǎn)生0°和180°相對(duì)相移兩路組合光束的同相平衡接收通道，產(chǎn)生90°和270°相對(duì)相移兩路組合光束的正交平衡接收通道，接收0°、90°、180°、270°相對(duì)相移組合光束的接收單元；
[0015]其特殊之處在于:
[0016]上述同相平衡接收通道和正交平衡接收通道上分別設(shè)置有一臺(tái)橫向剪切干涉儀；上述橫向剪切干涉儀包括兩塊厚度不同的半五角棱鏡膠合而成，經(jīng)合束單元合束后的光束再經(jīng)過橫向剪切干涉儀剪切為兩束光束，裝調(diào)時(shí)可通過兩塊半五角棱鏡在膠合面內(nèi)平移來控制兩束光束出射光的間距；
[0017]上述橫向剪切干涉儀的膠合面入射區(qū)上鍍有偏振分束膜，透射區(qū)域上鍍有增透膜；
[0018]上述同相平衡接收通道和正交平衡接收通道結(jié)構(gòu)完全相同；
[0019]上述接收單元分別由第二自聚焦透鏡、第三自聚焦透鏡、第一自聚焦透鏡、第四自聚焦透鏡聚焦接收0° >90°、180°、270°相對(duì)相移組合光束；
[0020]上述分束單元包括在本振光路上依次設(shè)置的第二波片、第五波片、第三波片及在信號(hào)光路上依次設(shè)置的第一波片、第四波片；所述本振光路與信號(hào)光路交匯處還設(shè)置有偏振分光棱鏡。
[0021]本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是:
[0022]1.本發(fā)明采用改進(jìn)的橫向剪切干涉儀實(shí)現(xiàn)了平衡接收器兩路光之間的間距精確控制。
[0023]2.本發(fā)明的光路結(jié)構(gòu)尺寸不再受限于平衡接收器兩通道間距，器件體積可以適當(dāng)增大以方便裝調(diào)。
[0024]3.同一平衡接收通道的兩路光經(jīng)過橫向剪切干涉儀剪切光程相等，從而使控制四路光程相等簡(jiǎn)化為控制兩平衡接收通道之間光程相等。即本發(fā)明更容易使四條支路光程相等?？臻g激光通信系統(tǒng)傳輸速率越高對(duì)各路光程差的要求越高，本發(fā)明的該優(yōu)點(diǎn)越重要。
[0025]4.自聚焦透鏡雙面皆為平面，便于安裝，聚焦質(zhì)量?jī)?yōu)秀。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0026]圖1為本發(fā)明的原理示意圖；
[0027]圖2為本發(fā)明的光學(xué)系統(tǒng)圖；
[0028]圖3為本發(fā)明中偏振橫向剪切干涉儀示意圖；
[0029]其中1-第一波片、2_第二波片、3_第二波片、4_第四波片、5_偏振分光棱鏡、6_第一自聚焦透鏡、7-第二自聚焦透鏡、8-第三自聚焦透鏡、9-第四自聚焦透鏡、10-橫向剪切干涉儀、11-第五波片。
[0030]具體實(shí)施過程
[0031]參見圖1-2,—種自由空間90°光混頻器，包括對(duì)信號(hào)光束和本振光束進(jìn)行合束的合束單元，產(chǎn)生0°和180°相對(duì)相移兩路組合光束的同相平衡接收通道，產(chǎn)生90°和270°相對(duì)相移兩路組合光束的正交平衡接收通道，接收0°、90°、180°、270°相對(duì)相移組合光束的接收單元；同相平衡接收通道和正交平衡接收通道上分別設(shè)置有一臺(tái)橫向剪切干涉儀10 ;橫向剪切干涉儀10包括兩塊厚度不同的半五角棱鏡膠合而成，經(jīng)合束單元合束后的光束再經(jīng)過橫向剪切干涉儀10剪切為兩束光束，裝調(diào)時(shí)可通過兩塊半五角棱鏡在膠合面內(nèi)平移來控制兩束光束出射光的間距；橫向剪切干涉儀10膠合面入射區(qū)上鍍有偏振分束膜，透射區(qū)域上鍍有增透膜；同相平衡接收通道和正交平衡接收通道結(jié)構(gòu)完全相同；接收單元分別由第二自聚焦透鏡7、第三自聚焦透鏡8、第一自聚焦透鏡6、第四自聚焦透鏡9聚焦接收0° >90°、180°、270°相對(duì)相移組合光束；分束單元包括在本振光路上依次設(shè)置的第二波片2、第五波片11、第三波片3及在信號(hào)光路上依次設(shè)置的第一波片1、第四波片4 ;本振光路與信號(hào)光路交匯處還設(shè)置有偏振分光棱鏡5。
[0032]本振激光進(jìn)入系統(tǒng)時(shí)其偏振方向應(yīng)平行于XZ面，允許一定角度偏差。通過調(diào)節(jié)1/2波片HWP2，使其快軸與本振激光偏振方向成22.5°，本振光經(jīng)過HWP2后其偏振方向XZ成45°角。1/4波片QWP的快軸方向與XZ平面平行，即QWP的快軸方向與本振光偏振方向成45°。本振光經(jīng)過1/4波片QWP后變?yōu)閳A偏振光，其P波與S波相位相差90°。其后本振光經(jīng)過偏振分光棱鏡，P波透射進(jìn)入I支路，S波反射進(jìn)入Q支路。這樣I支路與Q支路之間本振光就產(chǎn)生了 90度的相位差。
[0033]同樣通過調(diào)節(jié)1/2波片HWP1，使HWP1的快軸與信號(hào)光的偏振方向成22.5°，信號(hào)光經(jīng)過HWP1后其偏振方向XZ成45°角，即P波分量與S波分量相等。其后信號(hào)光經(jīng)過偏振分光棱鏡，P波透射進(jìn)入Q支路，S波反射進(jìn)入I支路。
[0034]進(jìn)入I支路的信號(hào)光S波與本振光P波經(jīng)過1/2波片HWP3后，其偏振方向旋轉(zhuǎn)45°角，信號(hào)光與XZ面成-45°，本振光與XZ面成45°。這樣造成信號(hào)光的P波分量與本振光P波分量方向相同，信號(hào)光的s波分量與本振光S波分量方向相反。經(jīng)過橫向剪切干涉儀，在其后信號(hào)光的P波分量與本振光P波分量進(jìn)入Γ支路相加，信號(hào)光的s波分量與本振光S波分量進(jìn)入Γ支路相減，這樣就相當(dāng)于Γ支路與Γ支路間差頻分量存在180°的相位差。同理Q+支路與Q_支路間也存在180°的相位差。
[0035]Γ支路與Γ支路兩光束的間距，即干涉儀的剪切量，由裝調(diào)干涉儀精確控制。干涉儀兩棱鏡采用光敏膠膠合。裝調(diào)時(shí)采用一束45°偏振方向的激光入射橫向剪切干涉儀，在橫向剪切干涉儀的出射端加檢偏器(與XZ面成45° )，檢偏器后一段距離放置數(shù)碼相機(jī)。則橫向剪切干涉儀剪切開的兩束光即Γ與Γ兩路光將在數(shù)碼相機(jī)焦面上發(fā)生干涉。用計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)顯示其干涉條紋圖。理論計(jì)算％個(gè)干涉條紋占數(shù)碼相機(jī)的CCD像元數(shù)M。:
f
[0036]M0 =--N0 ■ λ

Δ.d
[0037]其中，
[0038]λ為激光器輸出的激光波長(zhǎng)，
[0039]f為數(shù)碼相機(jī)的焦距，
[0040]d為CCD像元尺寸，
[0041]Δ為設(shè)計(jì)要求的橫向剪切量。
[0042]使被膠合的、尚未固化的兩棱鏡作微量相對(duì)移動(dòng)，讀?。€(gè)干涉條紋占數(shù)碼相機(jī)的CCD像元數(shù)Μ。直到CCD像元數(shù)Μ為凡時(shí)，停止移動(dòng)，對(duì)膠合面進(jìn)行光照固化，使兩棱鏡定位。干涉法裝調(diào)橫向剪切干涉儀，Γ支路與Γ支路間距理論精度可達(dá)所采用的激光器的1個(gè)波長(zhǎng)。
[0043]Γ支路、Γ支路、Q+支路、Q—支路的出射光束分別由自聚焦透鏡聚焦在探測(cè)器上，光束聚焦彌散斑大小與光敏面相當(dāng)。
【權(quán)利要求】
1.一種自由空間90°光混頻器,包括對(duì)信號(hào)光束和本振光束進(jìn)行合束的合束單兀,產(chǎn)生0°和180°相對(duì)相移兩路組合光束的同相平衡接收通道，產(chǎn)生90°和270°相對(duì)相移兩路組合光束的正交平衡接收通道，接收0°、90°、180°、270°相對(duì)相移組合光束的接收單元; 其特征在于: 所述同相平衡接收通道和正交平衡接收通道上分別設(shè)置有一臺(tái)橫向剪切干涉儀；所述橫向剪切干涉儀包括兩塊厚度不同的半五角棱鏡膠合而成，經(jīng)合束單元合束后的光束再經(jīng)過橫向剪切干涉儀剪切為兩束光束，裝調(diào)時(shí)可通過兩塊半五角棱鏡在膠合面內(nèi)平移來控制兩束光束出射光的間距。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種自由空間90°光混頻器:其特征在于:所述橫向剪切干涉儀德膠合面入射區(qū)上鍍有偏振分束膜，透射區(qū)域上鍍有增透膜。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種自由空間90°光混頻器:其特征在于:所述同相平衡接收通道和正交平衡接收通道結(jié)構(gòu)完全相同。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種自由空間90°光混頻器:其特征在于:所述接收單元分別由第二自聚焦透鏡、第三自聚焦透鏡、第一自聚焦透鏡、第四自聚焦透鏡聚焦接收0°、90。、180。、270。相對(duì)相移組合光束。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種自由空間90°光混頻器:其特征在于:所述分束單元包括在本振光路上依次設(shè)置的第二波片、第五波片、第三波片及在信號(hào)光路上依次設(shè)置的第一波片、第四波片；所述本振光路與信號(hào)光路交匯處還設(shè)置有偏振分光棱鏡。
【文檔編號(hào)】G02B27/28GK104297936SQ201410363768
【公開日】2015年1月21日 申請(qǐng)日期:2014年7月28日 優(yōu)先權(quán)日:2014年7月28日
【發(fā)明者】薛彬, 趙意意, 馬小龍, 楊建峰, 李婷, 賀應(yīng)紅, 李福 , 徐廣州 申請(qǐng)人:中國科學(xué)院西安光學(xué)精密機(jī)械研究所