專利名稱：雙波片相位調(diào)整雙折射空間光橋接器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及相干激光通信領(lǐng)域，具體是利用雙波片進(jìn)行相位調(diào)節(jié)的雙折射空
間光橋接器，兩對組合的雙折射光學(xué)平板將兩輸入光束進(jìn)行空間分光合成，檢偏雙折射元
件將耦合的兩路合成光束分成四路合成光束輸出，實(shí)現(xiàn)2X4的空間光橋接，兩個(gè)1/8波片分別產(chǎn)生所需要的相移，在相干探測的光接收機(jī)中用于空間復(fù)合激光信號光束和本機(jī)振蕩激光光束并輸出具有確定相位關(guān)系的合成光束，通過旋轉(zhuǎn)1/8波片可對最后輸出的四路合成光束的相位關(guān)系進(jìn)行調(diào)整，根據(jù)需要產(chǎn)生90度的2X4空間光橋接器。
背景技術(shù)：
實(shí)現(xiàn)大容量高碼率、小型輕量化和低功耗的星載激光通信終端是自由空間激光通信的需要。由于相干光通信的接收機(jī)靈敏度比非相干光通信的靈敏度高一個(gè)量級以上，并可采取多種調(diào)制方式，增加接收機(jī)選擇性，是實(shí)現(xiàn)新一代輕量化、高碼率星間激光通信系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)。 一個(gè)相干光零差通信通道的接收端由本機(jī)激光振蕩器、光電子接收、鎖相環(huán)路、光橋接器以及信號光接收光路所組成。光橋接器將信號激光和本振激光鏈接到光電接收機(jī)，是相干光通信系統(tǒng)中的系統(tǒng)關(guān)鍵器件之一，相干通信系統(tǒng)的接收性能取決于光橋接器的性能。根據(jù)產(chǎn)生相移的類型，光學(xué)橋接器分為90。 、180°兩種，其中180。相移橋接器用于平衡鎖相環(huán)路接收機(jī)，90。相移橋接器用于科斯塔斯鎖相環(huán)路接收機(jī)。根據(jù)輸入-輸出端口的數(shù)量分為2X2，2X4等不同的類型。在光纖通信系統(tǒng)中，人們利用光纖和波導(dǎo)發(fā)展多種光學(xué)橋接器方案，這些適用于光纖通信系統(tǒng)的光學(xué)橋接器不能滿足空間通信的需求，不屬于空間光橋接器，在自由空間激光通信系統(tǒng)中，所接收的光信號不僅要用于探測通信信息還要進(jìn)行位置信息提取以進(jìn)行光學(xué)精密跟蹤，對于自由空間激光通信終端，光橋接器必須是自由空間傳播的。在自由空間光橋接中，先技術(shù)[l]， [2](參見文獻(xiàn)1 :WalterR. leeb. Realization of 90° and 180° Hybrids for Optical Frequencies[C]. AEtl,Band 37 [1983] ，Heft 5/6:203—206.文獻(xiàn)2 :R. Garreis， C. Zeiss, 〃 90° opticalhybridfor coherent receivers, 〃 Proc. SPIE， Vol. 1522， pp. 210-219， 1991.)提出了采用偏振分束器結(jié)合波片，非偏振分束器結(jié)合波片實(shí)現(xiàn)90度和180度相移的2X2空間光橋接器方案，文獻(xiàn)[2]則在此基礎(chǔ)上提出了 2X4的90度相移的實(shí)現(xiàn)方案，但該方案須使入射光束的兩個(gè)偏振分量經(jīng)過偏振分束器、非偏振分束器后的相位滿足特定關(guān)系，這一點(diǎn)技術(shù)上很難實(shí)現(xiàn)，此外，還有整個(gè)光學(xué)系統(tǒng)需要保證光束的嚴(yán)格等光程傳輸，裝較困難，相關(guān)元件過多，不易集成等缺點(diǎn)。先技術(shù)[3]， [4](參見文獻(xiàn)3 :劉立人，劉德安，閆愛民，欒竹，王利娟，孫建鋒，鐘向紅，電控相移空間光橋接器，發(fā)明專利，公告號100383572，同名實(shí)用新型專利公告號200959599 ;文獻(xiàn)4 :劉立人，閆愛民，欒竹，劉德安，孫建鋒，王利娟，鐘向紅，雙折射自由空間光橋接器，發(fā)明專利，公告號100383571，同名實(shí)用新型專利公告號2899300)綜合利用晶體的雙折射效應(yīng)和電光效應(yīng)提出了另外的2X4的90度空間光橋接器方案，雖然解決了先技術(shù)[l]， [2]相關(guān)元件過多，不易集成的缺點(diǎn)，但先技術(shù)3具有進(jìn)行相位控制時(shí)需對每塊晶片加電壓并進(jìn)行電壓調(diào)節(jié)，工藝復(fù)雜，先技術(shù)4則具有不能進(jìn)行相位控制的缺點(diǎn)。
發(fā)明內(nèi)容克服上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，本實(shí)用新型提供一種雙波片相位調(diào)整雙折射空間光橋 接器，該空間光橋接器具有結(jié)構(gòu)緊湊，相位調(diào)整方便的優(yōu)點(diǎn)。適用于自由空間傳輸?shù)南喔晒?探測系統(tǒng)。 本發(fā)明的技術(shù)解決方案如下 —種雙波片相位調(diào)整雙折射空間光橋接器，其特點(diǎn)是由沿光線的行進(jìn)方向依次的 1/8波片、第一疊塊、第二疊塊和檢偏雙折射元件構(gòu)成，各元部件的位置關(guān)系是所述的1/8 波片包括第一 1/8波片和第二 1/8波片，第一雙折射光學(xué)平板和第二雙折射光學(xué)平板的光 軸取向相反并疊在一起形成所述的第一疊塊，第三雙折射光學(xué)平板和第四雙折射光學(xué)平板 的光軸取向相反并疊在一起形成所述的第二疊塊，所述的第一 1/8波片位于第一雙折射光 學(xué)平板的前面，所述的第二 1/8波片位于第二雙折射光學(xué)平板的前面，所述的第一雙折射 光學(xué)平板、第二雙折射光學(xué)平板的主截面與第三雙折射光學(xué)平板、第四雙折射光學(xué)平板的 主截面相互垂直，所述的檢偏雙折射元件的主截面與第三雙折射光學(xué)平板的主截面成45° 放置。 所述的第一雙折射光學(xué)平板、第二雙折射光學(xué)平板、第三雙折射光學(xué)平板、第四雙
折射光學(xué)平板和檢偏雙折射元件的材料都是單軸雙折射晶體。 所述的單軸雙折射晶體為方解石、釩酸釔、a -BBO或鈮酸鋰晶體。 本實(shí)用新型雙波片相位調(diào)整雙折射空間光橋接器采用兩對共四塊相同結(jié)構(gòu)的雙
折射光學(xué)平板實(shí)現(xiàn)光束的分光合束，兩個(gè)1/8波片共同產(chǎn)生90度的相移并分別可通過快軸
或慢軸的旋轉(zhuǎn)進(jìn)行相位的調(diào)整，從而實(shí)現(xiàn)可進(jìn)行相位微調(diào)的2X4的90度空間光橋接器。
由于四塊雙折射光學(xué)平板能夠保證精確的相同結(jié)構(gòu)，克服了先技術(shù)12須保證整個(gè)光
學(xué)系統(tǒng)光束的嚴(yán)格等光程傳輸裝配困難問題，兩個(gè)1/8波片共同產(chǎn)生90度的相移，而分別
以入射光線為軸旋轉(zhuǎn)其快軸或慢軸可分別對輸出光束之間的相位關(guān)系進(jìn)行調(diào)整，克服了先
技術(shù)12中相位關(guān)系難以控制的困難，也克服了先技術(shù)3的相位控制工藝復(fù)雜問題
和先技術(shù)4不能進(jìn)行相位調(diào)節(jié)的缺點(diǎn)，因此本實(shí)用新型具有結(jié)構(gòu)緊湊，相位調(diào)整方便的優(yōu)
點(diǎn)。適用于自由空間傳播的相干光通信系統(tǒng)。

圖1是本實(shí)用新型雙波片相位調(diào)整雙折射空間光橋接器實(shí)施例結(jié)構(gòu)的示意圖。 圖2是雙折射光學(xué)平板主截面內(nèi)晶體光軸取向和光束偏離的示意圖。
具體實(shí)施方式
以下結(jié)合附圖和實(shí)施例進(jìn)一步詳細(xì)說明本實(shí)用新型專利，但不應(yīng)以此限制其保護(hù)范圍。 本實(shí)用新型雙波片相位調(diào)整雙折射空間光橋接器的結(jié)構(gòu)如圖1所示，包括第一 1/8波片3，第二 1/8波片4，疊放的第一雙折射光學(xué)平板5和第二雙折射光學(xué)平板6、疊放 的第三雙折射光學(xué)平板7和第四雙折射光學(xué)平板8、檢偏雙折射元件9。其中輸入光束為 光束l和光束2，輸出光束為光束10，光束11，光束12和光束13。第一 1/8波片3位于第一雙折射光學(xué)平板5的前面，第二 1/8波片4位于第二雙折射光學(xué)平板6的前面，分別能以 入射光線為軸進(jìn)行轉(zhuǎn)動。 第一雙折射光學(xué)平板5、第二雙折射光學(xué)平板6、第三雙折射光學(xué)平板7、第四雙折 射光學(xué)平板8都為單軸晶體長方體平板，其尺寸和結(jié)構(gòu)完全相同。檢偏雙折射元件9的幾 何形狀可為單軸晶體長方體或正方體。第一雙折射光學(xué)平板5、第二雙折射光學(xué)平板6、第 三雙折射光學(xué)平板7、第四雙折射光學(xué)平板8和檢偏雙折射元件9的垂直于光線行進(jìn)方向的 入射面和出射面為光學(xué)拋光面，其晶體光軸取向?yàn)? ，定義為o光波法線方向與光軸的夾 角。雙折射光學(xué)平板的主截面為晶體光軸、o光和e光所處的公共平面。 本實(shí)施例中，第一 1/8波片3放在第一雙折射光學(xué)平板5之前，信號光束1通過第 一 1/8波片3，入射到第一雙折射光學(xué)平板5的下部，其偏振方向?yàn)?5。取向。在晶體5中， 信號光束1分解為o光和e光并相互偏離，形成兩束平行光束輸出。本振光束2通過第二 1/8波片4，入射到第二雙折射光學(xué)平板6的上部，其偏振方向?yàn)?5°取向。在晶體6中本 振光束2分解為o光部分和e光部分并相互偏離，形成兩束平行光束輸出。第一雙折射光 學(xué)平板5和第二雙折射光學(xué)平板6的光軸取向相反，它們的e光沿相反方向偏離開。 從疊放的第一雙折射光學(xué)平板5和第二雙折射光學(xué)平板6出射的四路光束進(jìn)入疊 放的第三雙折射光學(xué)平板7和第四雙折射光學(xué)平板8，使它們的主截面分別垂直于第一雙 折射光學(xué)平板5和第二雙折射光學(xué)平板6的主截面，這樣上部的兩路光束經(jīng)過第三雙折射 光學(xué)平板7在空間上合成一路輸出，而下部的兩路光束經(jīng)過第四雙折射光學(xué)平板8在空間 上合成一路輸出。 定義檢偏雙折射元件9的主截面為光軸與晶體界面法線確定的平面，使其與第三 雙折射光學(xué)平板7的主截面成45。放置。從第四雙折射光學(xué)平板8輸出的光束通過檢偏雙 折射元件9產(chǎn)生空間分離的o光光束10和e光光束11。從第三雙折射光學(xué)平板7輸出的 光束通過檢偏雙折射元件9產(chǎn)生空間分離的o光光束12和e光光束13，即輸出四路合成 光束。由于兩個(gè)1/8波片使o， e分別產(chǎn)生了 45度的相位差，當(dāng)1/8波片的快軸或者慢軸平 行于檢偏雙折射元件9的主截面時(shí)，輸出的四路合成光束具有相對相位差為90度的相位關(guān) 系，因此本實(shí)用新型為90度的2X4的空間光橋接器。當(dāng)1/8波片以入射光為軸旋轉(zhuǎn)一個(gè)
小角度e時(shí)，波片中o，e光的相位關(guān)系為45 H2(^一l)g'隨￡的變化幾乎成線性 變化，因此，可通過旋轉(zhuǎn)1/8的方法來進(jìn)行相位的調(diào)節(jié)。 在雙折射晶體中，光線垂直入射到晶體界面時(shí)，光波一進(jìn)入晶體就分解為折射率 為n。和的o光和e光， 一般情況下為獲得較大的光束偏離，采用光束偏離最大化設(shè)計(jì)。 在最大偏離角條件下，對于負(fù)軸晶體，光軸取向?yàn)? m=arctan& (1) 而雙折射光學(xué)平板晶體的光軸取向9和光束的偏離角a之間的關(guān)系為 妙=(1一40_^|1_ (2) 相應(yīng)的光束分離距離為[0022] A L = Dtan a m (3)[0023] 其中D為雙折射平板的沿o光傳播的長度。 在圖1所示的實(shí)施例中，第一雙折射光學(xué)平板5、第二雙折射光學(xué)平板6、第三雙折射光學(xué)平板7和第四雙折射光學(xué)平板8和檢偏雙折射平板9都采用方解石晶體，并采取最大化光束偏離設(shè)計(jì)。雙折射光學(xué)平板主截面內(nèi)晶體光軸取向和光束偏離的示意圖如圖2所示。 實(shí)施例圖1中的光束1和光束2的直徑均為小2mm。第一雙折射光學(xué)平板5、第二雙折射光學(xué)平板6、第三雙折射光學(xué)平板7和第四雙折射光學(xué)平板8的結(jié)構(gòu)尺寸完全相同，為一整塊方解石雙折射光學(xué)平板按厚度切割而成。設(shè)使用波長為1064nm，兩個(gè)1/8波片的尺寸相同，都為4mmX4mm。由方解石的色散方程算出在此波長上的主折射率為n。=1. 6423， = 1. 4797，設(shè)計(jì)方解石平板5、方解石平板6、方解石平板7和方解石平板8的尺寸為長X寬X高=40mmX20mmX10mm，光軸取向?yàn)閑m = 48° ，方解石檢偏器的尺寸為長X寬X高=40mmX40mmX40mm，光軸取向?yàn)椤?48° ，最后輸出光束10和11， 12和13的分離距離約為4. 4mm。
權(quán)利要求一種雙波片相位調(diào)整雙折射空間光橋接器，其特征在于由沿光線的行進(jìn)方向依次的1/8波片、第一疊塊、第二疊塊和檢偏雙折射元件(9)構(gòu)成，各元部件的位置關(guān)系是所述的1/8波片包括第一1/8波片(3)和第二1/8波片(4)，第一雙折射光學(xué)平板(5)和第二雙折射光學(xué)平板(6)的光軸取向相反并疊在一起形成所述的第一疊塊，第三雙折射光學(xué)平板(7)和第四雙折射光學(xué)平板(8)的光軸取向相反并疊在一起形成所述的第二疊塊，所述的第一1/8波片(3)位于第一雙折射光學(xué)平板(5)的前面，所述的第二1/8波片(4)位于第二雙折射光學(xué)平板(6)的前面，所述的第一雙折射光學(xué)平板(5)、第二雙折射光學(xué)平板(6)的主截面與第三雙折射光學(xué)平板(7)、第四雙折射光學(xué)平板(8)的主截面相互垂直，所述的檢偏雙折射元件(9)的主截面與第三雙折射光學(xué)平板(7)的主截面成45°放置。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的雙波片相位調(diào)整雙折射空間光橋接器，其特征在于所述的 1/8波片具有以入射光線為軸的轉(zhuǎn)動機(jī)構(gòu)。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的雙波片相位調(diào)整雙折射空間光橋接器，其特征在于所述的第 一雙折射光學(xué)平板(5)、第二雙折射光學(xué)平板(6)、第三雙折射光學(xué)平板(7)、第四雙折射光 學(xué)平板(8)是材料相同、結(jié)構(gòu)尺寸相同的單軸雙折射晶體平板。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的雙波片相位調(diào)整雙折射空間光橋接器，其特征在于所述的檢 偏雙折射元件(9)是長方體或正方體的單軸雙折射晶體。
5. 根據(jù)權(quán)利要求3或4所述的雙波片相位調(diào)整雙折射空間光橋接器，其特征在于所述 的單軸雙折射晶體為方解石、釩酸釔、a -BBO或鈮酸鋰晶體。
專利摘要一種雙波片相位調(diào)整雙折射空間光橋接器，由兩個(gè)1/8波片，兩對雙折射光學(xué)平板和一個(gè)檢偏雙折射元件構(gòu)成，組合的雙折射光學(xué)平板將兩輸入光束分光合成，檢偏雙折射元件將兩路合成光束分成四路合成光束輸出，兩個(gè)1/8波片分別進(jìn)行相位控制，在相干光通信接收機(jī)中用于空間復(fù)合激光通信信號光束和本機(jī)振蕩激光光束并輸出四路具有相對相位差為90度的合成光束，是90度的2×4空間光橋接器。本實(shí)用新型結(jié)構(gòu)簡單，相位調(diào)整方便，適用于自由空間激光相干通信領(lǐng)域。
文檔編號G02B5/30GK201464714SQ20092007302
公開日2010年5月12日 申請日期2009年5月27日 優(yōu)先權(quán)日2009年5月27日
發(fā)明者萬玲玉, 劉立人, 周煜, 孫建鋒, 職亞楠, 許楠, 閆愛民 申請人:中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所