一种带有透射式整形结构的空间光混频器设计方法与流程

本发明适用于空间激光通信领域，涉及利用相干光通信的90°空间光混频器。

背景技术：

近年来，随着科技的不断进步，需要收集的数据不断增加，对空间光通信的信道带宽要求越来越高，为了更好的利用激光的频带资源，相干光通信技术得到了广泛应用。相干光技术的原理是将接收到的光信号与振幅分布、相位、偏振方向一致的本征光进行干涉混频，使信号光得到增益，进而提高通信质量。90°空间光混频器能将本征光的相位调整为和信号光的一致及进行相位锁定，同时又能解调出光载波中携带的信息。

从国内外的现状来看，相干光通信技术已经进入应用阶段。2007年欧空局利用搭载在德国低轨卫星TerraSAR-X上的星间激光通信终端与美国低轨道N-FIRE卫星上的激光通信终端实现了90°空间光混频器解调下的相干光通信实验，国内也有团队对90°空间光混频器进行研究和创新，例如上海光机所提出的基于晶体双折射和电光效应设计的电控相移空间空间光混频器。然而信号光到达接收端后，进入系统的光斑只是实际光斑的一小部分振幅分布近似为平顶模式，接收端中的激光器发出的本征光经过准直后振幅分布为高斯模式，二者并不完全匹配，造成混频效率无法达到最大。

为解决这一问题，本发明提出了带有透射式结构的空间光混频器，改变信号光的振幅分布，从而实现更高的混频效率，提高相干光通信的灵敏度。

技术实现要素：

本发明的目的在于提出一种带有透射式整形结构的空间光混频器设计方法，用于信号光-本征光混频系统中，解决现有耦合系统中由于两光场振幅模式不匹配造成信号光-本征光混频效率无法进一步提高的问题。

本发明的技术方案是：一个非球面整形透镜组，一个球面透镜组，一个偏振片，三个不同类型的波片和50％分光棱镜；入射的信号光经过非球面透镜组进行整形缩束后光场分布由平顶分布变为高斯分布，再进入偏振片再进入50％分光棱镜，线性本征光经过球面透镜组进行准直后进入1/4波片变为圆偏振光，并产生π/2奇数倍的相位延迟，再进入50％分光棱镜。本征光和信号光的光轴方向相互垂直，汇聚交点在50％分光棱镜中心位置，入射在棱镜中的光斑尺寸一致，几何中心重合。从偏振分光棱镜出射的两束混频光光束处理方法基本相似，都是先经过快轴与入射偏振光振动方向有一定角度的1/2波片，使偏振方向转过一定角度，并且产生π奇数倍的相位延迟。两束光再经过50％分光棱镜，最总产生四束出射光，相位差分布为0°，90°，180°，270°。四束光分别进入光电接收器。

经过非球面透镜组整形后的信号光高斯光场分布的腰斑半径可变化以满足不同类型本征光激光器的要求；本发明中的透射式整形结构也可用在其它类型的空间光混频器中。

本发明与现有技术相比的有点在于：

本发明由于采用了非球面透镜对信号光进行整形处理，改变了信号光的光场分布，使传统混频系统偏振分光棱镜处的光场分布变为与本征光光场分布相似的高斯模式，使信号光和本征光的光场振幅、几何中心重合度更高，因而得以实现更高的混频效率即中频信号功率。

有益效果

本发明的有益效果是借助整形元件提高了的传统空间相干激光通信中空间光混频器的混频效率。

附图说明

图1本发明系统的结构示意图

图2透镜设计原理及功能示意图

图3 90°空间光混频器工作原理图

图4 90°空间光混频器工作原理坐标系示意图

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，本发明系统的结构示意图。系统包括非球面透镜1，非球面透镜2，偏振片3，激光器4，球面透镜5，1/4波片6，50％分光棱镜7，1/2波片8和1/2波片12，50％分光棱镜9和14，以及探测器10、11、13、15。透镜1、2构成非球面整形透镜组；激光器4、透镜5构成本征光发射系统；探测器10、11分别接收到相位差为0°，180°的出射光束用来解调载波信息；探测器13、15分别接收到相位差为270°，90°的出射光束用来作为锁相环的控制信号。

如图2所示，本发明系统中的透镜与设计原理及功能示意图。激光器4发出的高斯光首先经过球面透镜5进行准直，此时振幅分布为高斯模式，以平行光出射，再经过非球面透镜2、1进行整形扩束，整形后的振幅分布为平顶模式。改变透镜参数可使透镜1出射光束尺寸大小和空间光混频器中入射信号光的尺寸一致。利用此方法得到的透镜参数便能保证入射在50％分光棱镜7的信号光和本征光光束尺寸大小一致，振幅分布一致都为高斯模式。

如图3、4所示，本系统的90°空间光混频器工作原理图和对应的坐标系示意图。图3中的实线小箭头表示本征光偏振方向，虚线小箭头表示信号光偏振方向，三角形箭头表示光线传播方向。激光器4发出的线偏振光经过1/4波片5后变为圆偏振光，偏振方向分布指向坐标轴X正方向和Z轴正方向，并产生90°相位差。入射信号光经过偏振片3为圆偏振光，偏振方向分布指向坐标轴X正方向和Y轴正方向。经过50％分光棱镜7后，沿Z轴正方向传播的光束偏振方向分别为信号光沿Y轴正方向的偏振光和本征光沿X轴正方向的偏振光，此偏振光经过1/2波片11后偏振方向都发生45°偏转，偏转方向从Z轴正方向观察为逆时针方向，其中一束偏振光产生180°相位差；经过50％分光棱镜14后，偏振方向被分解为两束分开的线偏振光，出射光束分别沿Z轴正方向和Y轴负方向，偏振方向分别在Y轴上和X轴上，出射光束的相位差分别为90°和270°；经过50°分光棱镜7后，沿Y轴正方向传播的光束偏振方向分别为信号光沿X轴正方向的偏振光和本征光沿Z轴正方向的偏振光，此偏振光经过1/2波片8后偏振方向都发生45°偏转，偏转方向从Y轴正方向观察为顺时针方向，其中一束偏振光产生180°相位差；经过50％分光棱镜8后，偏振方向被分解为两束分开的线偏振光，出射光束分别沿Z轴正方向和Y轴正方向，偏振方向分别在X轴上和Z轴上，出射光束的相位差分别为0°和180°。