一种自由空间90°光混频器的制造方法
【专利摘要】本发明涉及一种自由空间90°光混频器。包括对信号光束和本振光束进行合束的合束单元，产生0°和180°相对相移两路组合光束的同相平衡接收通道，产生90°和270°相对相移两路组合光束的正交平衡接收通道，接收0°、90°、180°、270°相对相移组合光束的接收单元。本发明提供了一种提高精准、方便调装的一种自由空间90°光混频器。
【专利说明】 —种自由空间90°光混频器
【技术领域】
[0001]本发明属于空间激光通信领域，涉及光混频器，尤其涉及一种自由空间90°光混频器。
【背景技术】
[0002]自由空间90°光混频器是自由空间相干光通信终端的光学核心器件，它对信号光束和本振光束进行合束，并分解成4束组合光束，它们之间具有相对的0°、90°、180°、270°相对相移，或者说产生一个同相平衡接收通道(0°和180°两路)和一个正交平衡接收通道(90°和270°两路)。
[0003]自由空间相干光通信终端的平衡接收器光敏面一般只有几十微米，平衡接收器的两路光(Γ和Γ两路或9+和9_两路)的接收光敏面之间的间距固定。因此平衡接收器的两路光之间的间距必须精确控制，其精度往往要求几个微米。现有自由空间光混频器存在以下三个缺点:
[0004]1.难以精确控制平衡接收器的两路光之间的间距；
[0005]2.器件体积受限于平衡接收器两光敏面间距，使得器件体积过小，难以装调；
[0006]3.四条支路相互分离，难以控制四条支路光程相等，容易产生时间偏离。
[0007]4.普通透镜聚焦质量难以控制，加工、装调难度大。
【发明内容】
[0008]为了解决【背景技术】中所存在的技术问题，本发明提出了一种自由空间光混频器，该混频器利用改进型横向剪切干涉仪以解决了【背景技术】中平衡接收器两路光之间的间距难以精确控制、体积受限和四路输出光程差难以控制的技术问题。
[0009]该混频器由λ /2波片HWP1，λ /2波片HWP2，λ /4波片QWP，偏振分光棱镜PBS，λ /2波片HWP3，λ /2波片HWP4，横向剪切干涉仪SAG1，横向剪切干涉仪SAG2，自聚焦透镜AFL1，自聚焦透镜AFL2，自聚焦透镜AFL3，自聚焦透镜AFL4组成。
[0010]信号光和本振光皆为偏振光，两路光分别经过λ /2波片HWP1和λ /2波片HWP2后变为与ΧΖ面成45°的线偏振光。然后，本振光经过λ/4波片QWP，λ/4波片的快轴与本振光偏振方向成45° ,出射的本振光变为圆偏振光，其Ρ波(平行分量)与S波(垂直分量)相位相差90°。
[0011]偏振分光棱镜PBS作用是反射S波、透射Ρ波。进入I支路的信号光S波与本振光Ρ波经过1/2波片HWP3后，其偏振方向旋转45°角，信号光与ΧΖ面成-45°，本振光与ΧΖ面成45°。这样造成信号光的Ρ波分量与本振光Ρ波分量方向相同，信号光的S波分量与本振光S波分量方向相反。
[0012]横向剪切干涉仪由两块厚度不同的半五角棱镜胶合而成，胶合面一部分镀偏振分光膜，另一部分镀增透膜。经过横向剪切干涉仪，信号光的Ρ波分量与本振光Ρ波分量进入Γ支路相加，信号光的s波分量与本振光s波分量进入r支路相减，这样就相当于Γ支路与Γ支路间存在180°的相位差。同时横向剪切干涉仪将Γ支路与Γ支路两束光剪切开一段距离，该距离能够在装调干涉仪时精确控制。由于横向剪切干涉仪的性质，Γ与Γ支路在干涉仪内的光程相等。同理，Q+支路与Q—支路也符合以上性质。
[0013]Γ支路、Γ支路、Q+支路、Q—支路的出射光束分别由自聚焦透镜聚焦在探测器上。自聚焦透镜口径一般只有几个毫米，聚焦光束弥散斑与探测器光敏面大小相当。
[0014]本发明的技术方案为:一种自由空间90°光混频器,包括对信号光束和本振光束进行合束的合束单元，产生0°和180°相对相移两路组合光束的同相平衡接收通道，产生90°和270°相对相移两路组合光束的正交平衡接收通道，接收0°、90°、180°、270°相对相移组合光束的接收单元；
[0015]其特殊之处在于:
[0016]上述同相平衡接收通道和正交平衡接收通道上分别设置有一台横向剪切干涉仪；上述横向剪切干涉仪包括两块厚度不同的半五角棱镜胶合而成，经合束单元合束后的光束再经过横向剪切干涉仪剪切为两束光束，装调时可通过两块半五角棱镜在胶合面内平移来控制两束光束出射光的间距；
[0017]上述横向剪切干涉仪的胶合面入射区上镀有偏振分束膜，透射区域上镀有增透膜；
[0018]上述同相平衡接收通道和正交平衡接收通道结构完全相同；
[0019]上述接收单元分别由第二自聚焦透镜、第三自聚焦透镜、第一自聚焦透镜、第四自聚焦透镜聚焦接收0° >90°、180°、270°相对相移组合光束；
[0020]上述分束单元包括在本振光路上依次设置的第二波片、第五波片、第三波片及在信号光路上依次设置的第一波片、第四波片；所述本振光路与信号光路交汇处还设置有偏振分光棱镜。
[0021]本发明的优点是:
[0022]1.本发明采用改进的横向剪切干涉仪实现了平衡接收器两路光之间的间距精确控制。
[0023]2.本发明的光路结构尺寸不再受限于平衡接收器两通道间距，器件体积可以适当增大以方便装调。
[0024]3.同一平衡接收通道的两路光经过横向剪切干涉仪剪切光程相等，从而使控制四路光程相等简化为控制两平衡接收通道之间光程相等。即本发明更容易使四条支路光程相等。空间激光通信系统传输速率越高对各路光程差的要求越高，本发明的该优点越重要。
[0025]4.自聚焦透镜双面皆为平面，便于安装，聚焦质量优秀。
【专利附图】
【附图说明】
[0026]图1为本发明的原理示意图；
[0027]图2为本发明的光学系统图；
[0028]图3为本发明中偏振横向剪切干涉仪示意图；
[0029]其中1-第一波片、2_第二波片、3_第二波片、4_第四波片、5_偏振分光棱镜、6_第一自聚焦透镜、7-第二自聚焦透镜、8-第三自聚焦透镜、9-第四自聚焦透镜、10-横向剪切干涉仪、11-第五波片。
[0030]具体实施过程
[0031]参见图1-2,—种自由空间90°光混频器，包括对信号光束和本振光束进行合束的合束单元，产生0°和180°相对相移两路组合光束的同相平衡接收通道，产生90°和270°相对相移两路组合光束的正交平衡接收通道，接收0°、90°、180°、270°相对相移组合光束的接收单元；同相平衡接收通道和正交平衡接收通道上分别设置有一台横向剪切干涉仪10 ;横向剪切干涉仪10包括两块厚度不同的半五角棱镜胶合而成，经合束单元合束后的光束再经过横向剪切干涉仪10剪切为两束光束，装调时可通过两块半五角棱镜在胶合面内平移来控制两束光束出射光的间距；横向剪切干涉仪10胶合面入射区上镀有偏振分束膜，透射区域上镀有增透膜；同相平衡接收通道和正交平衡接收通道结构完全相同；接收单元分别由第二自聚焦透镜7、第三自聚焦透镜8、第一自聚焦透镜6、第四自聚焦透镜9聚焦接收0° >90°、180°、270°相对相移组合光束；分束单元包括在本振光路上依次设置的第二波片2、第五波片11、第三波片3及在信号光路上依次设置的第一波片1、第四波片4 ;本振光路与信号光路交汇处还设置有偏振分光棱镜5。
[0032]本振激光进入系统时其偏振方向应平行于XZ面，允许一定角度偏差。通过调节1/2波片HWP2，使其快轴与本振激光偏振方向成22.5°，本振光经过HWP2后其偏振方向XZ成45°角。1/4波片QWP的快轴方向与XZ平面平行，即QWP的快轴方向与本振光偏振方向成45°。本振光经过1/4波片QWP后变为圆偏振光，其P波与S波相位相差90°。其后本振光经过偏振分光棱镜，P波透射进入I支路，S波反射进入Q支路。这样I支路与Q支路之间本振光就产生了 90度的相位差。
[0033]同样通过调节1/2波片HWP1，使HWP1的快轴与信号光的偏振方向成22.5°，信号光经过HWP1后其偏振方向XZ成45°角，即P波分量与S波分量相等。其后信号光经过偏振分光棱镜，P波透射进入Q支路，S波反射进入I支路。
[0034]进入I支路的信号光S波与本振光P波经过1/2波片HWP3后，其偏振方向旋转45°角，信号光与XZ面成-45°，本振光与XZ面成45°。这样造成信号光的P波分量与本振光P波分量方向相同，信号光的s波分量与本振光S波分量方向相反。经过横向剪切干涉仪，在其后信号光的P波分量与本振光P波分量进入Γ支路相加，信号光的s波分量与本振光S波分量进入Γ支路相减，这样就相当于Γ支路与Γ支路间差频分量存在180°的相位差。同理Q+支路与Q_支路间也存在180°的相位差。
[0035]Γ支路与Γ支路两光束的间距，即干涉仪的剪切量，由装调干涉仪精确控制。干涉仪两棱镜采用光敏胶胶合。装调时采用一束45°偏振方向的激光入射横向剪切干涉仪，在横向剪切干涉仪的出射端加检偏器(与XZ面成45° )，检偏器后一段距离放置数码相机。则横向剪切干涉仪剪切开的两束光即Γ与Γ两路光将在数码相机焦面上发生干涉。用计算机实时显示其干涉条纹图。理论计算％个干涉条纹占数码相机的CCD像元数M。:
f
[0036]M0 =--N0 ■ λ
Δ.d
[0037]其中，
[0038]λ为激光器输出的激光波长，
[0039]f为数码相机的焦距，
[0040]d为CCD像元尺寸，
[0041]Δ为设计要求的横向剪切量。
[0042]使被胶合的、尚未固化的两棱镜作微量相对移动，读取％个干涉条纹占数码相机的CCD像元数Μ。直到CCD像元数Μ为凡时，停止移动，对胶合面进行光照固化，使两棱镜定位。干涉法装调横向剪切干涉仪，Γ支路与Γ支路间距理论精度可达所采用的激光器的1个波长。
[0043]Γ支路、Γ支路、Q+支路、Q—支路的出射光束分别由自聚焦透镜聚焦在探测器上，光束聚焦弥散斑大小与光敏面相当。
【权利要求】
1.一种自由空间90°光混频器,包括对信号光束和本振光束进行合束的合束单兀,产生0°和180°相对相移两路组合光束的同相平衡接收通道，产生90°和270°相对相移两路组合光束的正交平衡接收通道，接收0°、90°、180°、270°相对相移组合光束的接收单元; 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别设置有一台横向剪切干涉仪；所述横向剪切干涉仪包括两块厚度不同的半五角棱镜胶合而成，经合束单元合束后的光束再经过横向剪切干涉仪剪切为两束光束，装调时可通过两块半五角棱镜在胶合面内平移来控制两束光束出射光的间距。
2.根据权利要求1所述的一种自由空间90°光混频器:其特征在于:所述横向剪切干涉仪德胶合面入射区上镀有偏振分束膜，透射区域上镀有增透膜。
3.根据权利要求2所述的一种自由空间90°光混频器:其特征在于:所述同相平衡接收通道和正交平衡接收通道结构完全相同。
4.根据权利要求3所述的一种自由空间90°光混频器:其特征在于:所述接收单元分别由第二自聚焦透镜、第三自聚焦透镜、第一自聚焦透镜、第四自聚焦透镜聚焦接收0°、90。、180。、270。相对相移组合光束。
5.根据权利要求4所述的一种自由空间90°光混频器:其特征在于:所述分束单元包括在本振光路上依次设置的第二波片、第五波片、第三波片及在信号光路上依次设置的第一波片、第四波片；所述本振光路与信号光路交汇处还设置有偏振分光棱镜。
【文档编号】G02B27/28GK104297936SQ201410363768
【公开日】2015年1月21日 申请日期:2014年7月28日 优先权日:2014年7月28日
【发明者】薛彬, 赵意意, 马小龙, 杨建峰, 李婷, 贺应红, 李福 , 徐广州 申请人:中国科学院西安光学精密机械研究所