专利名称：双折射自由空间光桥接器的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及激光通信，是一种双折射自由空间光桥接器，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产生90度相移的四个通道的合成光束，实现空间2×4桥接。
背景技术：
用于卫星之间或者卫星和地面站之间自由空间激光通信的星载激光通信终端需要实现小型化、轻量化、低功耗和高码率。激光通信体制有两种一种是非相干激光通信体制，光学发射端采用光强调制，光学接收端采用直接探测；另外一种是相干激光通信体制，光学发射端采用相位、频率等调制，光学接收端采用外差接收。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，相干光通信体制是提高数据传输速率和降低体积、质量和功耗的关键，远距离高码率的空间激光通信主要采用相干光通信体制，实用化的体制为二值相位调制和零差接收。
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(Hybrid)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，是相干光通信系统中的系统关键器件之一，相干通信系统的接收性能取决于光桥接器的性能。光桥接器主要功能是在空间精确合成信号激光波前和本振激光波前，以产生两者的差频。在性能上光桥接器分为90度相移两通道输出，180度相移两通道输出和9()度相移四通道输出等结构，180度相移2×2光桥接器可用于平衡锁相环路接收机，90度相移2×2光桥接器可用于科斯塔斯锁相环路接收机，90度相移2×4光桥接器可用于平衡接收和科斯塔斯锁相环路相结合的接收机。
在卫星激光通信终端中，所接收的光信号不仅要用于探测通信信息而且也要用于探测对方终端的空间位置，即利用光电位置探测器测量光信号对于接收望远镜的离轴量，这种位置变化信号用于光学精密跟踪的目的。因此对于卫星激光通信终端，光桥接器必须是自由空间传播方式的。
在光纤通信系统中，光桥接器采用波导和光纤器件原理实现，这些器件不属于自由空间光学，不适合于卫星自由空间激光通信系统应用。在卫星激光通信终端中，已经发展了一种2×4输入输出的块状光桥接器[参见文献1R.Garreis，C.Zeiss，″90° optical hybrid for coherent receivers，″Proc.SPIE，Vol.1522，pp.210-219，1991.文献2R.Lange and B.Smutny，“Optical inter-satellitelinkd based on homodyne BSPK modulationheritage，status and outlook”，Proc.SPIE，Vol.5712，pp.1-12，2005.]，其可以同时实现相差90度的两组180度相移的输出。该光桥接器的180度相移基于偏振光干涉原理，而90度相移采用波片延迟，但整个光学系统需要保证光束的严格等光程传输，类似于白光干涉条件。因此，该光桥接器的光学质量和装配要求非常严格，稳定性较差，而且元件很多(13块)，插入损耗较大。
发明内容
本实用新型要解决的技术问题在于克服上述现有技术的不足，提供一种双折射自由空间光桥接器，该光桥接器应具有结构简单紧凑，性能稳定可靠，损耗小等优点。而且不仅能够用于自由空间传播的相干通信系统，也能够用于光纤传播的相干通信系统。
本实用新型的技术解决方案如下一种双折射自由空间光桥接器，特点是其包括材料相同、结构尺寸相同的单轴双折射晶体长方形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和第四双折射光学平板，所述的第一双折射光学平板和第二双折射光学平板的光轴相反并叠在一起形成第一叠块，所述的第三双折射光学平板和第四双折射光学平板的光轴相反并叠在一起形成第二叠块，一波片和一检偏双折射平板，上述各元部件的位置关系是沿光线的行进方向依次是所述的第一叠块、波片、第二叠块和检偏双折射平板，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，所述的波片的快轴或慢轴平行于所述的第一叠块的主截面，所述的检偏双折射平板的主截面为光轴与晶体界面法线确定的平面，与第三双折射光学平板6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平板的垂直于光线行进方向的入射面和出射面为光学抛光面。
所述的双折射光学平板的晶体光轴的取向为θ，即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。
双折射光学平板的主折射率分别为no和ne。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，其光束偏离角α，满足关系式tgα=(1-no2ne2)tgθ1+no2ne2tg2θ,]]>ΔL＝Dtanα相应地光束分离距离为其中，D为双折射平板的沿o光传播的长度。
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。
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和第四双折射光学平板的入射面至出射面的厚度为≥d，宽度为≥2d，它们的长度为≥dtanα,]]>所述的检偏双折射平板的入射面和出射面的厚度为≥_d，宽度为≥2d，长度为≥dtanα,]]>其中d为信号光束1和本振光束2的直径。
所述的波片为1/8波片。
本实用新型双折射自由空间光桥接器是采用四块相同结构的双折射分束/合束光学平板，一块检偏双折射平板和一块波片组成的，可实现90度相移四通道输出。由于四块双折射光学平板能够保证精确的相同结构，本实用新型具有结构简单紧凑，性能稳定可靠，损耗小等优点。而且不仅能够用于自由空间传播的相干通信系统，也能够用于光纤传播的相干通信系统。
图1是本实用新型双折射自由空间光桥接器实施例的结构示意图。
图2是方解石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
以下结合附图和实施例进一步详细说明本实用新型，但不应以此限制本实用新型的保护范围。
本实用新型的双折射自由空间光桥接器的结构如图1所示，包括叠放的第一双折射光学平板3和第二双折射光学平板4、波片5、叠放的第三双折射光学平板6和第四双折射光学平板7、检偏双折射平板8。其中输入光为光束1和光束2，输出光为光束9，光束10，光束11和光束12。
第一双折射光学平板3、第二双折射光学平板4、第三双折射光学平板6、第四双折射光学平板7都为单轴晶体长方形平板，其尺寸和取向完全相同。检偏双折射平板8的几何形状为单轴晶体长方形平板。第一双折射光学平板3、第二双折射光学平板4、第三双折射光学平板6、第四双折射光学平板7和检偏双折射平板8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，因此e光与o光的夹角为α，o光和e光的平面为入射面的长边方向。晶体光轴、o光和e光在一个平面内，并定义为双折射光学平板的主截面。
信号光束1入射到第一双折射光学平板3的下部，其偏振方向为45°取向。在晶体中，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入射到第二双折射光学平板4的上部，其偏振方向为45°取向。在晶体中本振光束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3和第二双折射光学平板4的光轴取向相反，因此它们的e光的偏离方向相反。
从叠放的第一双折射光学平板3和第二双折射光学平板4出射的四路光束通过波片5产生相位延迟。波片5的快轴或慢轴平行于第一双折射光学平板3或者第二双折射光学平板4的主截面。
叠放的第三双折射光学平板6和第四双折射光学平板7的主截面垂直于第一双折射光学平板3和第二双折射光学平板4的主截面，第三双折射光学平板6和第四双折射光学平板7的光轴取向相反。通过波片5上部的两路光束经过第三双折射光学平板6在空间上合成一路输出，而通过波片5下部的两路光束经过第四双折射光学平板7在空间上合成一路输出。
检偏双折射平板8的主截面为光轴与晶体界面法线确定的平面，与双折射光学平板6的主截面成45°放置。第四双折射光学平板7输出的光束通过检偏双折射平板8产生空间分离的o光光束9和e光光束10。第三双折射光学平板6输出的光束通过检偏双折射平板8产生空间分离的o光光束11和e光光束12。即输出四路合成光束，为2×4光桥接器。
一般情况下，o光和e光的光束偏离应当采用最大化设计。即晶体光轴取向为θm=arctanneno,]]>将得到最大偏离角为
am=arctanno2-ne22none,]]>相应光束最大分离距离为ΔL＝Dtanαm在最大偏离条件下，方解石双折射平板晶体内的o光的相位延迟为 而e光的相位延迟为 令_3，o，_3，e，_4，o，_4，e，_6，o，_6,e和_7，o，_7，e分别为第一双折射光学平板3，第二双折射光学平板4，第三双折射光学平板6和第四双折射光学平板7中的o光和e光的相位延迟，并设计_3，o＝_4，o＝_6，o＝_7，o，_3，e＝_4，e＝_6，e＝_7，e。
令_a和_b为波片5在第一双折射光学平板3主截面垂直方向和主截面内的相位延迟，设计波片5为λ/8波片，即 因此，光束9、光束10、光束11和光束12的光强分别为 其中，|A1|和|A2|为光束1和光束2的场强；ωs和ωl为光束1和光束2的频率；_s(t)为光束1的相位调制函数；_s0和_l0为光桥接器输入端的光束1和光束2的初始相位。可见本实用新型的双折射自由空间光桥接器具有90度相移的四通道输出。从输出面到光电探测器也可以附加过渡光学系统。
本实用新型的技术关键是先加工一整块双折射光学平板，然后按厚度切割成双折射光学平板3、双折射光学平板4、双折射光学平板6、双折射光学平板7，以保证它们的_o都相同，_e都相同。
本实用新型的双折射自由空间光桥接器的双折射光学平板的晶体可以采用方解石，钒酸钇，α-BBO，铌酸锂，或者其他晶体。下表列举了一些典型的晶体及其参量。
信号光束1和本振光束2的直径相同，设它们的直径为d。因此，第一双折射光学平板3、第二双折射光学平板4、第三双折射光学平板6和第四双折射光学平板7的入射面和出射面的厚度为≥d，宽度为≥2d，它们的长度为≥dtanα.]]>检偏双折射平板8的入射面和出射面的厚度为≥_d，宽度为≥2d，长度为≥dtanα.]]>如图1是本实用新型的一个实施例的结构示意图。信号光束1是激光通信终端望远镜系统出射的准直光束，光束2是本机振荡激光光束，在本实用新型双折射自由空间光桥接器之前控制成为相互平行的准直光束。
本实施例中第一双折射光学平板3、第二双折射光学平板4、第三双折射光学平板6和第四双折射光学平板7和检偏双折射平板8都采用方解石晶体，并采取最大化光束偏离设计。
光束1入射到第一双折射光学平板3的下部，形成上面是e光而下面是o光的两束平行光束输出。光束2入射到第二双折射光学平板4的上部，形成上面是o光而下面是e光的两束平行光束输出。光束1和光束2的偏振方向与双折射光学平板主截面成45度夹角。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，第一双折射光学平板3和第二双折射光学平板4的光轴取向相反，因此它们的e光的偏离方向相反。
从第一双折射光学平板3和第二双折射光学平板4出射的四路光束通过波片5以产生相位延迟。波片5的快轴或慢轴平行于第一双折射光学平板3或者第二双折射光学平板4的主截面，波片5为λ/8波片。
叠放的第三双折射光学平板6和第四双折射光学平板7的主截面垂直于第一双折射光学平板3和第二双折射光学平板4的主截面，第三双折射光学平板6和第四双折射光学平板7的光轴取向相反。通过波片5上部的两路光束经过第三双折射光学平板6在空间上合成一路输出，而通过波片5下部的两路光束经过第四双折射光学平板7在空间上合成一路输出。
检偏双折射平板8的主截面与双折射光学平板6的主截面成45度放置。第四双折射光学平板7输出的光束通过检偏双折射平板8产生空间分离的o光偏振的信号和本振波面复合的光束9和e光偏振的信号和本振波面复合的光束10。第三双折射光学平板6输出的光束通过检偏双折射平板8产生空间分离的o光偏振的信号和本振波面复合的光束11和e光偏振的信号和本振波面复合的光束12。每路光束的两个波面产生偏振干涉，得到四路相对90度相移的合成光输出，属于2×4光学桥接器。
实施例中的光束1和光束2的直径均为φ3mm。第一双折射光学平板3、第二双折射光学平板4、第三双折射光学平板6和第四双折射光学平板7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。以方解石晶体的折射率平均值考虑，双折射光学平板的光轴取向为θm＝41.85°，最大光束偏离度为ΔLD=0.11.]]>第一双折射光学平板3、第二双折射光学平板4、第三双折射光学平板6和第四双折射光学平板7的尺寸设计为长度×高度×宽度＝40mm×10mm×5mm，o光和e光的分离尺寸为4.4mm。波片5的尺寸为10mm×10mm。
检偏双折射平板8的尺寸设计为长度×高度×宽度＝40mm×12mm×12mm，光轴取向为θm＝41.85°，最大光束偏离度为ΔLD=0.11.]]>输出光束9和输出光束10或者输出光束11和输出光束12之间的相邻距离为4.4mm，输出光束9和输出光束11或者输出光束10和输出光束12之间的相邻距离为6.2mm。
经实验证明，本实用新型双折射自由空间光桥接器具有结构简单紧凑，性能稳定可靠，损耗小等优点。而且不仅能够用于自由空间传播的相干通信系统，也能够用于光纤传播的相干通信系统。
权利要求1.一种双折射自由空间光桥接器，其特征在于构成包括材料相同、结构尺寸相同的长方形单轴双折射晶体的第一双折射光学平板(3)、第二双折射光学平板(4)、第三双折射光学平板(6)和第四双折射光学平板(7)，所述的第一双折射光学平板(3)和第二双折射光学平板(4)的光轴取向相反并叠在一起形成第一叠块，所述的第三双折射光学平板(6)和第四双折射光学平板(7)的光轴取向相反并叠在一起形成第二叠块，一波片(5)和一检偏双折射平板(8)，上述各元部件的位置关系是沿光线的行进方向依次是所述的第一叠块、波片(5)、第二叠块和检偏双折射平板(8)，所述的第一双折射光学平板(3)、第二双折射光学平板(4)的主截面与第三双折射光学平板(6)、第四双折射光学平板(7)的主截面相互垂直，所述的波片(5)的快轴或慢轴平行于所述的第一叠块的主截面，所述的检偏双折射平板(8)的主截面与第三双折射光学平板6的主截面成45°放置。
2.根据权利要求1所述的双折射自由空间光桥接器，其特征在于所述的第一双折射光学平板(3)、第二双折射光学平板(4)、第三双折射光学平板(6)、第四双折射光学平板(7)和检偏双折射平板(8)的垂直于光线行进方向的入射面和出射面为光学抛光面。
3.根据权利要求1所述的双折射自由空间光桥接器，其特征在于所述的双折射光学平板的晶体光轴的取向为θ，即o光波法线方向与晶体光轴的夹角，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。
4.根据权利要求1所述的双折射自由空间光桥接器，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。
5.根据权利要求1所述的双折射自由空间光桥接器，其特征在于所述的第一双折射光学平板(3)、第二双折射光学平板(4)、第三双折射光学平板(6)和第四双折射光学平板(7)的入射面至出射面的厚度为≥d，宽度为≥2d，它们的长度为≥dtanα,]]>其中d为信号光束(1)和本振光束(2)的直径。
6.根据权利要求1所述的双折射自由空间光桥接器，其特征在于所述的检偏双折射平板(8)的入射面至出射面的厚度为≥_d，宽度为≥2d，长度为≥dtanα,]]>其中d为信号光束1和本振光束2的直径。
7.根据权利要求1所述的双折射自由空间光桥接器，其特征在于所述的波片(5)为1/8波片。
专利摘要一种双折射自由空间光桥接器，由四块相同结构的双折射光学平板、一块检偏双折射平板和一块波片组成。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产生90度相移四通道合成光束输出，即实现空间2×4光桥接，以进一步进行光电变换及信号解调和锁相。由于所述的双折射光学平板的特殊光学加工可以保证四块双折射光学平板能够具有完全相等的相位延迟。本实用新型双折射自由空间光桥接器具有结构简单紧凑，性能稳定可靠，损耗小等优点。特别适用于自由空间激光相干通信，对于星载激光通信终端实现小型化、轻量化、低功耗和高码率有实际意义。
文档编号H04B10/10GK2899300SQ20062004158
公开日2007年5月9日 申请日期2006年5月8日 优先权日2006年5月8日
发明者刘立人, 闫爱民, 栾竹, 刘德安, 孙建锋, 王利娟, 钟向红 申请人:中国科学院上海光学精密机械研究所