高性能晶体型90度空间光桥接器的制作方法

本发明属于相干激光通信领域，具体涉及一种高性能晶体型90度空间光桥接器。

背景技术：

光桥接器是相干光通信系统的关键器件之一，其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。其性能对之后的探测，锁相环锁相，及调制解调等工作有着重要影响，对整个相干光通信系统有着不可忽视的作用。在性能上，光桥接器分为90°相移两通道输出，180°相移两通道输出和90°相移四通道输出。其中180°相移桥接器用于平衡锁相环路接收机，90°相移桥接器用于平衡锁相环路接收机和科斯塔斯锁相环路接收机。根据输入输出端口的数量，光桥接器可分为2×2，2×4等。

在自由空间光桥接器中，现有方案大多采用波片结合偏振光干涉原理实现的偏振分束型空间光桥接器，但是这种方法存在相关元件过多，不易集成的缺点；而晶体型空间光桥接器虽然可以解决这一缺点，但是在对相位进行控制时，利用晶体电光效应控制相位的晶体型空间光桥接器需要给晶体上加电压进行调节，增加了工艺的复杂性；利用波片调整相位的晶体型空间光桥接器虽然解决了这一问题，但是却是通过牺牲输出光束的分光比来实现相位控制的；同时现有技术中，晶体型空间光桥接器输出光束的排列方式为矩阵形式，无法实现在同一平面平行输出。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种高性能晶体型90度空间光桥接器，具有结构紧凑，相位、分光比调整方便，且能够在在同一平面内平行输出四路光束的优点，适用于自由空间传输的相干光探测系统，解决了现有技术存在的相关元件过多，牺牲分光比调节，且无法在同一平面输出的问题。

本发明所采用的技术方案是，高性能晶体型90度空间光桥接器，包括沿光束行进方向依次设置的第一二分之一波片、四分之一波片、由第一双折射光学平板和第二双折射光学平板的光轴取向相反并叠在一起形成第一叠块、第二二分之波片、第三双折射光学平板和由第四双折射光学平板和第五双折射光学平板光轴取向相反并叠在一起形成的第二叠块；

第一二分之一波片位于第一双折射光学平板前边，四分之一波片位于第二双折射光学平板前边，第一二分之一波片和四分之一波片的快轴或慢轴平行于第一双折射光学平板或第二双折射光学平板的主截面；

本发明的其他特点还在于，

第二二分之一波片的快轴与水平方向的夹角为45°。

第一双折射光学平板和第二双折射光学平板组成的第一叠块的主截面与第三双折射光学平板的主截面垂直。

第四双折射光学平板和第五双折射光学平板组成的第二叠块的主截面与第三双折射光学平板的主截面呈45°。

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第五双折射光学平板均为单轴双折射晶体，其垂直于光学行进方向的入射面和出射面为光学抛光面。

第一双折射光学平板、第二双折射光学平板、第四双折射光学平板和第五双折射光学平板均为材料相同、结构尺寸相同的长方形单轴双折射晶体制成的平板；第三双折射光学平板为与第一双折射光学平板、第二双折射光学平板、第四双折射光学平板和第五双折射光学平板的材料、结构相同，但尺寸不同的长方形单轴双折射晶体制成的平板。

单轴双折射晶体可以采用铌酸锂、方解石、钒酸钇或α-bbo。

第一二分之一波片与四分之一波片均具有以入射光线为轴的转动机构。

第一双折射光学平板、第二双折射光学平板、第四双折射光学平板、第五双折射光学平板的入射面和出射面的厚度≥d，宽度为≥2d，长度第三双折射光学平板的入射面和出射面的厚度为≥2d，宽度为≥2d，长度为其中d为信号光束和本振光束的直径，α为寻常光束和非寻常光束在晶体中的偏离角。

本发明的有益效果是，高性能晶体型90度空间光桥接器，能够在同一平面输出四路光束，解决了现有技术输出光束的排列方式为矩阵形式的缺点；四分之一波片产生90°相移，且可以以入射光线为轴旋转其快轴(慢轴)可分别对输出光束之间的相位关系调整，克服了现有技术相位控制工艺复杂问题，旋转四分之一波片时，光路中的分光比也会被影响，二分之一波片可将旋转四分之一波片时光路中的分光比调整回来，克服了现有技术分光比不能调整的缺点。本发明的光桥接器具有结构简单，相位可控，分光比可调整，且能够在在同一平面内平行输出四路光束的优点，适用于自由空间传播的相干光通信系统和激光雷达。

附图说明

图1是本发明的高性能晶体型90度空间光桥接器的结构示意图；

图2是本发明的高性能晶体型90度空间光桥接器中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。

图中，1.信号光束，2.本振光束，3.第一二分之一波片，4.四分之一波片，5.第一双折射光学平板，6.第二双折射光学平板，7.第二二分之一波片，8.第三双折射光学平板，9.第四双折射光学平板，10.第五双折射光学平板，11.输出光束i，12.输出光束ii，13.输出光束iii，14.输出光束iv。

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。

本发明的高性能晶体型90度空间光桥接器结构图如图1所示，包括沿光束行进方向依次设置的第一二分之一波片3、四分之一波片4、由第一双折射光学平板5和第二双折射光学平板6的光轴取向相反并叠在一起形成第一叠块、第二二分之波片7、第三双折射光学平板8和由第四双折射光学平板9和第五双折射光学平板10光轴取向相反并叠在一起形成的第二叠块；第一二分之一波片3位于第二双折射光学平板5前边，其快轴或慢轴平行于第一双折射光学平板5或第二双折射光学平板6的主截面；四分之一波片4位于第二双折射光学平板6前边，其快轴或慢轴平行于第一双折射光学平板5或第二双折射光学平板6的主截面；

第二二分之一波片7的快轴与水平方向的夹角为45°。

第一双折射光学平板5和第二双折射光学平板6组成的第一叠块的主截面与第三双折射光学平板8的主截面垂直。

第四双折射光学平板9和第五双折射光学平板10组成的第二叠块的主截面与第三双折射光学平板8的主截面呈45°。

第一双折射光学平板5、第二双折射光学平板6、第三双折射光学平板8、第四双折射光学平板9和第五双折射光学平板10均为单轴双折射晶体，其垂直于光学行进方向的入射面和出射面为光学抛光面。

第一双折射光学平板5、第二双折射光学平板6、第四双折射光学平板9和第五双折射光学平板10均为材料相同、结构尺寸相同的长方形单轴双折射晶体制成的平板；第三双折射光学平板8为与第一双折射光学平板5、第二双折射光学平板6、第四双折射光学平板9和第五双折射光学平板10的材料、结构相同，但尺寸不同的长方形单轴双折射晶体制成的平板。

第一二分之一波片3与四分之一波片4均具有以入射光线为轴的转动机构。

双折射光学平板的尺寸设计准则与光束的直径大小有关。假定信号光束1和本振光束2的直径相同，设它们入射的直径为d。因此，第一双折射光学平板5、第二双折射光学平板6、第四双折射光学平板9、第五双折射光学平板10的入射面和出射面的厚度为≥d，宽度为≥2d，它们的长度为第三双折射光学平板8的入射面和出射面的厚度为≥2d，宽度为≥2d，长度为

本发明的高性能晶体型90度空间光桥接器的工作过程如下：

把第一二分之一波片3放在第一双折射平板5之前，信号光束1通过二分之一波片3后，直接垂直入射到第一双折射平板5的上部，在第一双折射平板5中被分解为o光和e光并相互偏离，形成两束平行光束输出。把四分之一波片4放在第二双折射平板6之前，本振光束2通过四分之一波片3，垂直入射到第二双折射平板6的下部，在第二双折射平板6中，本振光束2被分解为o光和e光并相互偏离，形成两束平行光束输出。第一双折射平板5和第二双折射平板6的光轴取向相反，它们的e光沿相反方向偏离开。

从第一双折射光学平板5出射o光及第二双折射光学平板6出射的e光两路光束直接进入第三双折射光学平板8；第一双折射光学平板5出射e光和第二双折射光学平板6出射的o光束经过第二二分之一波片7，光束的振动方向发生偏转后进入第三双折射光学平板8，由于第三双折射光学平板8的主截面垂直于第一双折射平板5的主截面，这样两侧的两路光束经过第三双折射平板8在空间上合成两路输出。

由于第二叠块与第三双折射光学平板8的主截面成45°夹角，从第三双折射平板8内侧输出的光束在第四双折射光学平板9中被分成o光输出光束i11和e光输出光束ii12，第三双折射平板8另一侧输出的光束经过第五双折射光学平板10输出，在第五双折射光学平板10中被分成o光输出光束iii13和e光输出光束iv14，即输出四路合成光束，为2×4的空间光桥接器。

本发明的高性能晶体型90度空间光桥接器的工作原理如下：

由于输入的信号光束1和本征光束2都是线偏振光，且偏振方向分别与第一二分之一波片3和四分之一波片4的快轴夹角为45°，其光场的复振幅可表示为:

其中，as、al分别为信号光束1、本征光束2的振幅，ωs、ωl为信号光束1、本征光束2的角频率，φ(t)为光束1的相位调制函数，φs0、φl0分别为信号光束1、本征光束2的初始相位。

假定四分之一波片4的快轴与水平方向夹角为θ，第一二分之一波片快轴与水平方向夹角为β，通过琼斯矩阵分析得到四束输出光束i11，输出光束ii12，输出光束iii13，输出光束iv14的光强分别为：

其中，为o、e光在第一双折射光学平板5和第二双折射光学平板6内的相位延迟，为o、e光在第三双折射光学平板8内的相位延迟，满足满足

第一双折射光学平板5和第二双折射光学平板6由同一块晶体切割而成，其结构、尺寸和光学性质相同，保证他们的相位延迟和都相同，则有其中l为晶体长度，no，ne分别是晶体的o光折射率和e光折射率，α为寻常光束和非寻常光束在晶体中的偏离角。

以输出光束i11为参考光，分析上边四个式子可知，要想满足90度空间光桥接器的相移输出功能，需要满足条件：

当确定双折射光学平板后，就为固定值，因此相移仅与有关，即与四分之一波片4的快轴与水平方向的夹角有关，只需要旋转四分之一波片4的光轴，就可以对输出光束的相位进行控制，进而满足光桥接的相移输出功能，同时也可以补偿由于加工和装配过程中造成的误差，提高光桥接器的相位精度。

同时，可以看到，输出光束i/q路的分光比φ为:

其不仅与四分之一波片4快轴、水平方向的夹角有关，还与第一二分之一波片3的快轴与水平方向的夹角有关。因此可以通过先旋转四分之一波片4的光轴调节相位，再通过调整第一二分之一波片3的光轴对分光比进行控制。

因此，本发明空间光桥接器具有相位可控，分光比可调整的功能，且输出光束在同一平面。

在双折射晶体中，光线垂直入射到晶体界面时，如图2所示，光波一进入晶体就分解为折射率为no和ne的o光和e光，一般情况下为获得较大的光束偏离，采用光束偏离最大化设计。在最大偏离角条件下，对于负轴晶体，光轴取向为：

光在晶体中的最大偏离角αm为：

最大分离距离为：

δl＝dtanαm

实施例

将图1中的信号光束1和本振光束2的直径均为φ3mm。所有双折射光学平板均为一整块方解石晶体切割而成，第一双折射光学平板5、第二双折射光学平板6、第四双折射光学平板9和第五双折射光学平板10的大小尺寸相同，第三双折射光学平板8的长度和宽度与其他双折射光学平板一致，厚度是其他双折射光学平板的两倍。设使用波长为630nm，在此波长下，方解石o光的折射率为no＝1.6557，e光的折射率为ne＝1.4862，计算出光在晶体中的最大偏离角αm为6.18，设计出第一双折射光学平板5、第二双折射光学平板6、第四双折射光学平板9、第五双折射光学平板10尺寸为40mm×20mm×10mm，第三双折射光学平板8的尺寸为40mm×20mm×20mm，第二分之一波片3和四分之一波片4的尺寸为5mm×5mm，第二二分之一波片尺寸为10mm×20mm。计算出双折射平板的光轴取向为θm＝48.11，最后输出光束i11，输出光束ii12，13.输出光束iii13，14.输出光束iv14的分离距离约为δl＝4.324mm。