基於光束偏移器的空間雷射通信雙折射濾波方法
2024-01-29 01:45:15
專利名稱：基於光束偏移器的空間雷射通信雙折射濾波方法
技術領域：
本發明屬於空間雷射通信領域。具體涉及一種雷射通信的光學濾波方法。
背景技術：
空間雷射通信由於具有通信容量大、方向性好、尺寸小、體積和功耗小等優點，目前已成為空間通信領域的重要研究課題。現有的空間雷射通信大都採用強度調製、直接探測的方式進行通信，光波在空間中傳播時，由於受到日光、月光、星光、大氣和海水散射等雜散光的影響，探測信號中夾雜著很強的背景噪聲。這將增大通信的誤碼率，降低通信質量。在通信接收終端中加入窄帶光學濾波系統，可以有效的抑制背景噪聲的影響，提高通信系統性能。目前，常見的光學濾波器件有幹涉濾波器、原子濾波器和雙折射濾波器等。幹涉濾波器是利用多光束幹涉的原理濾除背景噪聲。常用Fabry-Perot幹涉儀作 為濾波結構，即將兩塊光學平板平行放置，兩板的內表面鍍高反射膜，這樣光波在幹涉儀中傳播時，會發生多光束幹涉，只有特定波長的光才能透過幹涉儀。透射波長由Fabry-Perot幹涉儀結構參數決定。將多個Fabry-Perot幹涉儀級聯使用就構成一個窄帶光學濾波器。級聯數目越多，濾波器帶寬越窄，但峰值功率會降低。幹涉濾波器的透射波長可以通過改變Fabry-Perot幹涉儀結構參數的方法進行調節,但調節難度相對較大,這對於相對高速運動物體之間的通信，特別是「衛星-衛星」、「衛星-地面」等存在都卜勒頻移、需要對中心波長進行實時調製的應用場合十分不利。原子濾波器按照原理的不同可以分為原子共振濾波器(ARF)、法拉第反常色散濾波器(FADOF)、雷射感生光學各向異性原子光學濾波器(LIAOF)。ARF是利用原子內部的共振躍遷實現窄線寬濾波，通俗的講就是原子在很窄的線寬範圍內吸收信號光，然後發射受信號光調製的螢光，進而被探測器接收。FADOF是由偏振方向正交的起偏器和檢偏器以及夾在其中的原子池構成。當向原子池中加入縱向磁場時，原子池會發生反常色散，偏振光通過時將產生Faraday旋光效應，偏振面發生旋轉，不同波長光的旋轉角度不同，這樣只有特定波長的光才能通過檢偏器，達到光學濾波的目的。LIAOF原理與FADOF基本相同，區別在於線偏振光的偏振面旋轉是由於外加圓偏振泵浦場選擇性激發而導致的。這三種原子濾波器帶寬均可達到GHz量級。但由於工藝製作難度大，並且中心波長調諧性差，原子濾波器目前尚處於實驗室研究階段。雙折射濾波器主要是利用偏光幹涉原理進行濾波的，按照結構的不同可以分為Lyot-Ohman和Solc濾波器。Lyot-Ohman濾波器是由多個雙折射濾波單元級聯而成的,每個單元由兩個正交的偏振片和夾在其中的雙折射晶體組成。級聯單元中晶體長度依次增大。Solc濾波器由兩個正交的偏振器和夾在其中的相互之間存在一定夾角的雙折射晶體組成，每個晶體相對於起偏器的方位角依次遞增。目前以Lyot-Ohman濾波器較為常見。光波經過雙折射濾波器後，發生偏光幹涉，只有特定波長的光才能透過，透射波長由濾波器的結構參數決定。雙折射晶體可以採用聲光晶體和電光晶體，可調性很強。然而，對於空間通信，當光信號經過大氣或者海水時，散射的存在會使得光波偏振態發生變化，由於雙折射濾波器中光波必須經過起偏器才能實現有效的濾波，這樣將產生偏振消光損耗會，造成信號強度的起伏，甚至完全消光。
發明內容
本發明的目的在於克服上述光學濾波方法的不足，在現有雙折射濾波器的基礎上，提供一種基於光束偏移器的空間雷射通信雙折射濾波方法，顯著降低了偏振消光損耗。為實現以上發明目的，本發明提供以下基本解決方案一種基於光束偏移器的空間雷射通信雙折射濾波方法，包括以下步驟(I)利用光學天線對空間光信號進行採集和會聚；(2)對會聚光進行準直，輸出平行光至光束偏移器；(3)光束偏移器將入射的平行光分為兩束偏振正交的線偏振平行光，並且光束分離長度大於光斑直徑(從而保證了兩束平行光的光斑無交疊)；(4)在其中一束線偏振光的輸出光路上設置光學半波片，實現該束線偏振光的偏振面旋轉90°，使其偏振方向與另一束線偏振光相同；同時利用光學延遲器對所述另一束線偏振光的光程進行補償，使得兩束線偏振光的光程相等；(5)將兩束線偏振光入射至同一雙折射濾波器(濾波器入射面足夠大，可以讓兩束光同時通過)，雙折射濾波器起偏方向與入射光偏振方向一致，以濾除兩束光中的背景噪聲； (6)採用兩個相同的光電檢測裝置對兩束線偏振光分別進行探測，將光信號轉化為電信號；(7)調整兩個電信號的傳輸時延，使之在時間上同步，然後將兩個電信號相加，合成最終的通信信號，實現無偏振消光損耗的雙折射濾波。基於上述基本技術方案，本發明還進行了以下優化限定和改進上述步驟(2)是通過對準直透鏡和光學天線的設置，使準直透鏡焦距與光學天線焦距的比值滿足準直後光斑的尺寸要求。(因為通常需要降低準直後光斑的直徑山使其能夠在光束偏移器和雙折射濾波器中傳輸。)上述步驟(3)中所述的光束分離長度大於光斑直徑，是通過增大光束偏移器長度和光束偏移器中平常光與異常光的折射率差(比如選擇平常光和異常光折射率差較大的雙折射材料製作光束偏移器，使得兩束折射光夾角Θ足夠大)來實現。本發明具有以下優點I.不存在偏振消光損耗。由於米用光束偏移器將入射光分離為兩個偏振方向正交的光束，並對其分別進行光學濾波和探測，因此不論入射光處於何種偏振狀態下，總可以被探測到；2.結構簡單。在本發明中利用一個雙折射濾波器同時對兩束線偏振光進行濾波處理，簡化了系統的結構。
圖I是本發明的原理示意圖；圖2是光信號擴束(準直)原理示意圖3是光束偏移器原理不意圖。
具體實施例方式偏振分束器可以將入射光分束為兩束偏振正交的線偏振光。其基本原理是晶體的雙折射效應，即入射光從空間傳輸介質斜入射到雙折射晶體時，會即發生雙折射現象IiiSin Θ i = n0sin Θ toIiiSin Θ j = nesin Θ te其中ni是入射介質的折射率，n。、ne分別對應雙折射晶體尋常光和異常光的折射率，QiS光波入射角，et。、0te分別為尋常光和異常光的折射角。尋常光偏振方向垂直於雙折射晶體的光軸，異常光偏振方向平行於晶體光軸。由 於兩束光的折射率不同，因此對應的折射角也不同，從而產生夾角Θ，可表示為
r I asin θ{ ^ , f η{ sin θ、)θ = arcsm —-L - arcsm —--
I ο J K e J可以看到,入射角越大,兩光束夾角Θ越大；尋常光和異常光折射率0t。和差別越大，兩光束夾角Θ越大。這樣，當兩束折射光在晶體中傳輸一段距離後，相對位置將發生偏移。並且隨著折射光夾角的增大和傳輸距離的增長，偏移距離變大。因此可以通過增大入射角、提高尋常光和異常光折射率差、加長傳輸距離的辦法增大兩束折射光的偏移距離。但由於增大入射角會加大入射面的反射，因此一般採用後兩種方法。由於偏振分束器的入射面與出射面平行，因此兩束光從晶體中出射後傳播方向一致。這時，利用半波片使其中一束光的偏振方向旋轉90° ,就可以使得兩束光偏振方向一致。將這兩束光入射到同一個雙折射濾波器中，只要濾波器入射面足夠大，就可以同時對這兩束光進行濾波處理。然後用兩個光電檢測裝置在濾波器出射端分別對光信號進行探測，將其轉換為電信號；最後在電域將探測到的兩個信號相加，就可以得到最終的通信信號。參照圖I所示，基於光束偏移器的空間雷射通信雙折射濾波方法包括如下步驟(I)空間信號光的採集和會聚。參照圖2，利用光學天線將到達其表面的光信號採集並會聚在光學天線的焦點處，光學天線等效焦距為，口徑為D。該步驟為常規技術手段。(2)光束的準直。參照圖2，在光學天線後面接入一個焦距為f2的光學透鏡，透鏡的物方焦點和光學天線的像方焦點重合，使得信號光經過透鏡後成為平行光，並且光斑直徑d (D X fjfx)，通過減小光學透鏡和光學天線焦距的比值f2/f i，可以降低擴束光斑直徑CL(3)信號光的偏振分束。參照圖3，平行光進入光束偏移器後分離為兩束偏振方向正交的線偏振光，然後從光束偏移器平行出射。選擇平常光和異常光折射率差較大的雙折射材料製作光束偏移器，使得兩束折射光夾角Θ足夠大，同時加長光束偏移器長度，使得光束分離長度屯大於擴束光斑直徑d,即兩束線偏振光完全分開。(4)偏振方向的調整。使其中一束光經過半波片,半波片主軸方向與光束偏振方向夾角為45° ,這樣光束經過半波片後偏振方向旋轉了 90° ,與另一束光偏振方向一致；同時使另一束偏振光經過補償器，使得兩束光光程基本相等。
(5)光學濾波。將兩束線偏振光入射到雙折射濾波器，濾波器入射面足夠大，可以讓兩束光同時通過，並且起偏方向與入射光偏振方向一致，以濾除兩束光中的背景噪聲。(6)光電探測。利用兩個相同的光電檢測裝置PDl和PD2對兩束光的分別進行探測，將光信號轉化為電信號。(7)調整兩個電信號的傳輸時延，使之在時間上同步，然後將兩個電信號相加，得到最終的通信信號。本發明的可行性可以通過以下實施例進行說明實施例信號光為任意偏振態參照圖I。按照如下步驟完成任意偏振態空間信號光的雙折射濾波。(I)空間信號光的採集和會聚。參照圖2，利用光學天線將到達其表面的光信號採集並會聚在光學天線的焦點處，光學天線等效焦距為口徑為D。(2)光束的準直。參照圖2，在光學天線後面接入一個焦距為f2的光學透鏡，透鏡的物方焦點和光學天線的像方焦點重合，使得信號光經過透鏡後成為平行光，並且光斑直徑d (D X fjfx)，通過減小光學透鏡和光學天線焦距的比值f2/f i，可以降低擴束光斑直徑CL(3)信號光的偏振分束。參照圖3，平行光進入光束偏移器後分離為兩束偏振方向正交的線偏振光，然後從光束偏移器平行出射。選擇平常光和異常光折射率差較大的雙折射材料製作光束偏移器，使得兩束折射光夾角Θ足夠大，同時加長光束偏移器長度，使得光束分離長度Cltl大於擴束光斑直徑d,即兩束線偏振光完全分開。假設入射光光強為I ( λ )，不論其為偏振光、部分偏振光還是完全非偏振光，以光束偏移器的本徵軸為坐標,分束後兩束線偏振光的光強分別表示為
權利要求
1.一種基於光束偏移器的空間雷射通信雙折射濾波方法，包括以下步驟 (1)利用光學天線對空間光信號進行採集和會聚； (2)對會聚光進行準直,輸出平行光至光束偏移器； (3)光束偏移器將入射的平行光分為兩束偏振正交的線偏振平行光，並且光束分離長度大於光斑直徑； (4)在其中一束線偏振光的輸出光路上設置光學半波片，實現該束線偏振光的偏振面旋轉90°，使其偏振方向與另一束線偏振光相同；同時利用光學延遲器對所述另一束線偏振光的光程進行補償，使得兩束線偏振光的光程相等； (5)將兩束線偏振光入射至同一雙折射濾波器，雙折射濾波器起偏方向與入射光偏振方向一致，以濾除兩束光中的背景噪聲； (6)採用兩個相同的光電檢測裝置對兩束線偏振光分別進行探測，將光信號轉化為電信號; (7)調整兩個電信號的傳輸時延，使之在時間上同歩，然後將兩個電信號相加，合成最終的通信信號，實現無偏振消光損耗的雙折射濾波。
2.根據權利要求書I所述的方法，其中，步驟(2)是通過對準直透鏡和光學天線的設置，使準直透鏡焦距與光學天線焦距的比值滿足準直後光斑的尺寸要求。
3.根據權利要求書I所述的方法，其中，步驟(3)中所述的光束分離長度大於光斑直徑，是通過增大光束偏移器長度和光束偏移器中平常光與異常光的折射率差來實現。
全文摘要
本發明公開了一種基於光束偏移器的空間雷射通信雙折射濾波方法。該方法利用光束偏移器將光信號分離為偏振方向正交的兩束線偏振光，同時利用半波片將其中一束光偏振方向旋轉90°，利用延遲器調整另一束光光程，使得兩束光偏振方向一致且光程差基本相等；最後同時使兩束線偏振光通過雙折射濾光器實現光學濾波，分別探測兩束光信號並在電域將其相加得到最終的通信信號。本發明在光學濾波過程中不存在偏振消光損耗，並且結構簡單，降低了推廣難度。
文檔編號H04B10/11GK102866464SQ20121036116
公開日2013年1月9日 申請日期2012年9月25日 優先權日2012年9月25日
發明者韓彪, 謝小平, 黃新寧, 胡輝, 汪偉, 段弢, 趙衛 申請人:中國科學院西安光學精密機械研究所