出至第一 偏振分束棱镜12,第二光纤准直器9的输出光束经第二发射半波片11输出至第一偏振分束 棱镜12,所述的第一偏振分束棱镜12将输入光束分束为两光路，一光路发射至接收端，另 一光路经第三发射半波片13、第二偏振分束棱镜14分为透射光束和反射光束，所述的透射 光束经第一聚焦透镜16聚焦至第一平衡探测器18的一个探测面上，所述的反射光束经第 一直角棱镜15反射、第二聚焦透镜17聚焦至第一平衡探测器18的另一个探测面上，所述 的第一平衡探测器18的输出端接环路滤波器19的输入端，该环路滤波器19的输出端接所 述的光纤拉伸器3的第二输入端；
[0024] 所述的接收端包括接收半波片20、第三偏振分束棱镜21、第二直角棱镜22、第三 聚焦透镜23、第四聚焦透镜24、第二平衡探测器25和A/D变换器26 ;
[0025] 所述的发射端发射的同轴正交偏振光信号经接收半波片20旋转其偏振态并通过 第三偏振分束棱镜21分为两路光束，其中一路光束通过第四聚焦透镜24聚焦至第二平衡 探测器25的一个探测面，另一路光束经过第二直角棱镜22反射并通过第三聚焦透镜23聚 焦至第二平衡探测器25的另一个探测面上，第二平衡探测器25的输出端连接A/D变换器 26的输入端，第二平衡探测器25的输出信号经过所述的A/D变换器26转换恢复出原始的 发射数据。
[0026] 单频单模激光器1输出的单频单模光场表示为：
[0027]
[0028] 其中，A表不光场振幅，〇。代表光波频率，口⑴农/」〈光场的随机相位。激光输出光 场通过光纤偏振分束器2分为偏振方向正交，光强相等的两路光信号，分别表不为：
[0031] 其中一路光束与光纤拉伸器3的光输入端连接，引入补偿相位仍.⑴，这里以V偏振 光束为例：
[0032]
[0033] 微波信号发生器6产生电平值在0到Vp之间变化的数据信号，这里以伪随机二元 序列（PRBS)为例，信号由微波放大器7放大为电平值在0到￥"/2之间变化的方波PRBS码 信号，表示为M(t)，以及与之反向的电平值在0到，"/2之间变化的方波PRBS码信号，表示 为_M(t)，其中Vn/2表示使通过光相位调制器的光场相位变化/2的电压。这两路数据信 号分别输入至第一光相位调制器4和第二光相位调制器5的微波输入端，两正交偏振光路 分别与第一光相位调制器4和第二光相位调制器5的光输入端连接，并分别被相位调制，第 一光位调制器4和第二光位调制器5的光输出端分别与第一光纤准直器8和第二光纤准直 器9的光输入端连接，经过准直出射的光场分别表不为： 「00341
[0036] 其中，circ表示圆域函数，R代表光斑半径，平面波在光斑范围内的光强均匀分 布，V11表示使通过光相位调制器的光场相位变化JT的电压，Aw表示两正交偏振光场之 间的相位误差。两光束分别通过第一发射半波片10和第二发射半波片11，其偏振方向安排 参见附图2,其中ClO和cll分别代表第一发射半波片10和第二发射半波片11的快轴方 向，坐标系坐标轴x、y、z的方向如图2所示，图2中的22. 5°夹角为使系统达到最优效果 的偏振安排方向。通过第一发射半波片10和第二发射半波片11的光场分别表不为：
[0039]
(E'HT(x，y，t)和E'VT(x，y，t)通过第一偏振分束棱镜12分束， 其中一束发射至第三发射半波片13,通过发射半波片13前的光场表示为：
[0042] 通过发射半波片13的光场表示为：
[0045] 通过发射半波片13的光场经过第二偏振分束棱镜14分光干涉，其中一路光束通 过第一聚焦透镜16聚焦至第一平衡探测器18的其中一个探测面上，另一路光束经第一直 角棱镜反射并通过第二聚焦透镜17聚焦至第一平衡探测器18的另一个探测面上，第一平 衡探测器18将接收到的光信号转化为电流信号，表示为：
系统达到最优效果，偏振方向a、0应设置为a= 0或者a+ 0 = 31。最终输出电信号 表示为：
[0048]
[0049] 其中，D代表第一平衡探测器18的感光面积，R代表第一平衡探测器18的响应度。 为使相位误差信号传输至相位误差信号反馈系统，本实施例采用类似于相干光通信中平衡 锁相环传输剩余载波的原理，使调制信号2M(t)的高电平略小于调制器的半波电压V11，这 里表示为2MJO。为表示方便，将i(t)的第一相位项改写为
改与为A ⑴=0th其中，d⑴e 1+1，_1}，也为略小于
的相位调制项。米用类 似于锁相环的线性模型，利用第一平衡探测器18和环路滤波器19滤除数据项d(t)，则第一 平衡探测器18的输出电流表示为：
[0050]
[0051] 当相位误差奶⑴《Irad时，输出电流可以表示为：
[0052]
[0053]设环路滤波器19的输入阻抗为Z，其传递函数为F(S)，光纤拉伸器3的传递 函数为G(S)，输出的补偿相位为死〇),其中s表示拉普拉斯变换变量。第一平衡探测 器18的输出电流i(t)拉普拉斯变换为I(S)，则整个反馈回路合成的传递函数表示为
，则环路传递函数可 以写为：
[0054]
[0055] 在光纤拉伸器3引入的补偿相位能够完全消除发射相位误差死〃.的情况下，发射 至接收端的光场表示为：
[0058] 在接收端通过接收半波片20旋转其偏振态，通过接收半波片20的光场表示为：
[0061]E3 (x，y，t)和E4 (x，y，t)通过第三偏振分束棱镜21分光干涉，其中一路光束通过 第三聚焦透镜24聚焦至第二平衡探测器25的其中一个探测面上，另一路光束经第二直角 棱镜22反射并通过第四聚焦透镜24聚焦至第二平衡探测器25的另一个探测面上，第二平 衡探测器25将接收到的光信号转化为电流信号，表示为：
示为：
[0065] 其中，D'代表第二平衡探测器25的感光面积，R'代表第二平衡探测器25的响应 度。i'（t)经过A/D变换器26采样，恢复出发射数据。
【主权项】
1. 一种本地锁相正交偏振自由空间相干光通信装置，由发射端和接收端构成，其特征 在于： 所述的发射端包括单频单模激光器（1)、光纤偏振分束器（2)、光纤拉伸器（3)、第一光 相位调制器（4)、第二光相位调制器（5)、数据信号发生器（6)、微波放大器（7)、第一光纤准 直器（8)、第二光纤准直器（9)、第一发射半波片（10)、第二发射半波片（11)、第一偏振分束 棱镜（12)、第三发射半波片（13)、第二偏振分束棱镜（14)、第一直角棱镜（15)、第一聚焦透 镜（16)、第二聚焦透镜（17)、第一平衡探测器（18)和环路滤波器（19)，所述的单频单模激 光器（1)输出的激光经所述的光纤偏振分束器（2)分为正交偏振的第一光纤支路和第二光 纤支路，第一光纤支路与所述的第一光相位调制器（4)的光输入端连接，第二光纤支路与 所述的光纤拉伸器（3)的光输入端连接，该光纤拉伸器（3)的光输出端与第二光相位调制 器（5)的光输入端连接，所述的第一光相位调制器⑷和第二光相位调制器（5)的参数相 同，所述的数据信号发生器（6)的输出端与微波放大器（7)的输入端连接，所述的微波放 大器（7)的第一输出端和第二输出端分别与第一光相位调制器（4)和第二光相位调制器 (5)的微波输入端连接，所述的第一光相位调制器（4)的光输出端与所述的第二光纤准直 器（9)的光输入端相连，第二光相位调制器（5)的光输出端与所述的第一光纤准直器（8) 的光输入端相连，第一光纤准直器（8)的输出光束通过第一发射半波片（10)输出至第一偏 振分束棱镜（12)，第二光纤准直器（9)的输出光束经第二发射半波片（11)输出至第一偏 振分束棱镜（12)，所述的第一偏振分束棱镜（12)将输入光束分束为两光路，一光路发射至 接收端，另一光路经第三发射半波片（13)、第二偏振分束棱镜（14)分为透射光束和反射光 束，所述的透射光束经第一聚焦透镜（16)聚焦至第一平衡探测器（18)的一个探测面上，所 述的反射光束经第一直角棱镜（15)反射、第二聚焦透镜（17)聚焦至第一平衡探测器（18) 的另一个探测面上，所述的第一平衡探测器（18)的输出端接环路滤波器（19)的输入端，该 环路滤波器（19)的输出端接所述的光纤拉伸器（3)的第二输入端； 所述的接收端包括接收半波片（20)、第三偏振分束棱镜（21)、第二直角棱镜（22)、第 三聚焦透镜（23)、第四聚焦透镜（24)、第二平衡探测器（25)和A/D变换器（26); 所述的发射端发射的同轴正交偏振光信号经接收半波片（20)旋转其偏振态并通过第 三偏振分束棱镜（21)分为两路光束，其中一路光束通过第四聚焦透镜（24)聚焦至第二平 衡探测器（25)的一个探测面，另一路光束经过第二直角棱镜（22)反射并通过第三聚焦透 镜（23)聚焦至第二平衡探测器（25)的另一个探测面上，第二平衡探测器（25)的输出端 连接A/D变换器（26)的输入端，第二平衡探测器（25)的输出信号经过所述的A/D变换器 (26)转换恢复出原始的发射数据。
【专利摘要】一种本地锁相正交偏振自由空间相干光通信装置，其构成包括单频单模激光器、光纤偏振分束器、光纤拉伸器、第一光相位调制器、第二光相位调制器、数据信号发生器、微波放大器、第一光纤准直器、第二光纤准直器、第一发射半波片、第二发射半波片、第一偏振分束棱镜、第三发射半波片、第二偏振分束棱镜、第一直角棱镜、第一聚焦透镜、第二聚焦透镜、第一平衡探测器、环路滤波器、接收半波片、第三偏振分束棱镜、第二直角棱镜、第三聚焦透镜、第四聚焦透镜、第二平衡探测器和A/D变换器。本发明发射同轴正交偏振信号光并在接收端自干涉接收的结构，能有效克服相位误差；锁相结构位于发射端，简化了接收端的结构；不对光路进行任何调整即能灵活调整系统的通信速率。
【IPC分类】H04B10/532, H04B10/61
【公开号】CN105162522
【申请号】CN201510400399
【发明人】孙建锋, 蔡光宇, 李光远, 张国, 张宁, 马小平, 刘立人
【申请人】中国科学院上海光学精密机械研究所
【公开日】2015年12月16日
【申请日】2015年7月9日