波面差動幹涉空間光解調器的製作方法

2023-10-10 04:29:54

專利名稱：波面差動幹涉空間光解調器的製作方法
技術領域：
本發明涉及空間雷射通信，特別是一種波面差動幹涉空間光解調器，是一種差分相移鍵控(以下簡稱為DPSK)信號自由空間光解調器，由塊狀偏振分束器件、合束器件、反射鏡、兩組光瞳成像透鏡組成光瞳匹配式時間差分幹涉儀。用於空間雷射通信接收機中的光信號解調，輸出的數據光信號用於平衡探測，輸出的位置光信號用於精跟蹤。
背景技術：
空間雷射通信中，通過大氣信道時，雷射傳輸受到湍流等因素的影響，波面質量下降。克服大氣湍流等因素的影響，主要有減小接收口徑，自適應光學波前校正，DPSK調製信號自差動接收等方法。其中DPSK調製自差動接收不需要本振信號，結構簡單，是未來重要發展方向。￠5 ^ [1] ( #JAL High-data-rate systems for space applications, Proc. SPIE，Vol. 2381,38,1995)中所描述的星地雷射通信中採用DPSK調製，接收機採用光纖放大和光纖型馬赫曾德爾幹涉儀解調，平衡接收，靈敏度比開關鍵控(OOK)調製直接探測方法高3dB。但是大氣擾動下的波面質量下降，光纖耦合效率降低，嚴重影響靈敏度，使DPSK 這種調製方式抗擾動的能力得不到充分利用。同時在空間雷射通信系統中，需要探測對方終端的空間位置，利用光電位置探測器測量光信號與接收望遠鏡的離軸量，用來進行光學精跟蹤，光纖耦合的方式，使信號位置信息無法探測。因此自由空間結構的光解調器是解決以上問題的有效方法，信號波面質量對其影響小，同時保留信號的位置信息。在先技術[1]中輸出信號無位置信息，不能用於精足艮蹤° 在先技術[2](參見 Adaptive optics and ESA，soptical ground station, Proc. SPIE, Vol. 7464，746406，2009)中所描述的DPSK解調採用自由空間結構的馬赫曾德爾幹涉儀或麥可遜幹涉儀，但是沒有提供信號位置探測，不能利用它進行精跟蹤。

發明內容
本發明要解決的技術問題是克服上述已有技術困難，提供一種波面差動幹涉空間光解調器，該空間光解調器可用於空間雷射通信DPSK信號解調和提供精跟蹤用的信號位
直fe息。本發明的技術解決方案如下。—種波面差動幹涉空間光解調器，特點在於其構成包括第一偏振分束器，該第一偏振分束器的偏振分束面與入射的圓偏振光的前進方向呈45°，該第一偏振分束器將所述的入射的圓偏振光分為偏振面相互垂直的反射光和透射光，在該第一偏振分束器的透射光方向依次是位相精密控制器、光瞳成像短焦透鏡組、第一二分之一波片、第二偏振分束器構成第一光路，所述的第二偏振分束器的偏振分束面與所述的第一偏振分束器的偏振分束面相互垂直，所述的第一偏振分束器輸出的反射光依次經第一反射鏡、光瞳成像長焦透鏡組、 第二反射鏡、第二二分之一波片進入所述的第二偏振分束器構成第二光路，所述的第一二分之一波片和第二二分之一波片的光軸方向與入射光偏振方向成22. 5度，在第一光路的透射方向設置第二非偏振分束器，所述的第二非偏振分束器的分束面與所述的第二偏振分束器的偏振分束面平行；在該第二光路的透射光方向設置第一非偏振分束器，該第一非偏振分束器的分束面與所述的第二偏振分束器的偏振分束面平行；在所述的第一非偏振分束器的透射光方向和反射光方向分別設置第一光電探測器和第二位置探測器，在所述的第二非偏振分束器的反射光方向和透射光方向分別設置第二光電轉換器和第一位置探測器；所述的光瞳成像長焦透鏡組為共焦透鏡組，由兩塊相同焦距為f\的透鏡組成，間距為2倍焦距2f\，所述的光瞳成像短焦透鏡組為共焦透鏡組，由兩塊相同焦距為f2的透鏡組成，間距為2倍焦距2f2，兩組透鏡組的入瞳位置與第一偏振分束器的偏振分束面重合，兩組透鏡組的出瞳位置與第二偏振分束器的分束面重合，入瞳的物距和出瞳的像距均為1倍焦距，所述的第一位置探測器和第二位置探測器為象限型探測器或像元型探測器。所述的第一光電轉換器和第二光電轉換器為高靈敏度光電管。所述的光瞳成像長焦透鏡組為共焦變焦透鏡組，所述的第一反射鏡、光瞳成像長焦透鏡組和第二反射鏡置於一塊平臺上，該平臺下設導軌，以供該平臺沿垂直於所述的第一光路方向精密移動，精度微米量級。本發明的工作原理如下假定接收的入射光為圓偏振光(如果為其它偏振狀態，需要轉換為圓偏振光)，經過第一偏振分束器的反射光為垂直偏振光，透射光為水平偏振光。第一二分之一波片和第二二分之一波片的光軸方向與入射光偏振方向成22. 5度。偏振光經過第一二分之一波片和第二二分之一波片後，偏振方向旋轉45度。然後經過第二偏振分束器，垂直偏振光反射， 水平偏振光透射。兩束光分成四束，其中兩兩幹涉，一路兩兩相加，另一路兩兩相減，兩路位相差為180度。50 50非偏振分束器將幹涉光從強度上一分為二成為相同的兩部分，一部分四束光被光電轉換器平衡接收為數據信號，另一部分四束光經位置探測器探測得到位置信息，用來精跟蹤。當光束經過長臂與短臂的時間差等於調製數據1比特的時間，平衡接收信號即為解調信號。顯然，本發明該空間光解調器可用於空間雷射通信DPSK信號解調和提供精跟蹤用的信號位置信息。


圖1為本發明波面差動幹涉空間光解調器的主結構示意圖
具體實施例方式下面結合實施例和附圖對本發明作進一步說明，但不應以此限制本發明的保護範圍。如圖1所示，圖1為本發明波面差動幹涉空間光解調器的主結構示意圖，也是本發明實施例的主結構示意圖，由圖可見，本發明波面差動幹涉空間光解調器，構成包括第一偏振分束器1，該第一偏振分束器1的偏振分束面Ia與輸入的圓偏振光的前進方向呈45°， 該第一偏振分束器1將所述的輸入的圓偏振光分為偏振面相互垂直的反射光和透射光， 在該第一偏振分束器1的透射光方向依次是位相精密控制器2、光瞳成像短焦透鏡組3、第一二分之一波片4、第二偏振分束器5構成第一光路，所述的第二偏振分束器5的偏振分束面fe與所述的第一偏振分束器1的偏振分束面Ia相互垂直，所述的第一偏振分束器1輸出的反射光依次經第一反射鏡7、光瞳成像長焦透鏡組8、第二反射鏡9、第二二分之一波片 10進入所述的第二偏振分束器5構成第二光路，所述的第一二分之一波片4和第二二分之一波片10的光軸方向與入射光偏振方向成22. 5度，在第一光路的透射方向設置第二非偏振分束器11，所述的第二非偏振分束器11的分束面與所述的第二偏振分束器5的偏振分束面fe平行；在該第二光路的透射光方向設置第一非偏振分束器6，該第一非偏振分束器 6的分束面與所述的第二偏振分束器5的偏振分束面fe平行；在所述的第一非偏振分束器 6的透射光方向和反射光方向分別設置第一光電探測器12和第二位置探測器15，在所述的第二非偏振分束器11的反射光方向和透射光方向分別設置第二光電轉換器13和第一位置探測器14 ；所述的光瞳成像長焦透鏡組8為共焦透鏡組，由兩塊相同焦距為的透鏡8a和 8b組成，間距為2倍焦距2f1;所述的光瞳成像短焦透鏡組3為共焦透鏡組，由兩塊相同焦距為f2的透鏡3a和北組成，間距為2倍焦距2f2，兩組透鏡組的入瞳位置與第一偏振分束器 1的偏振分束面Ia重合，兩組透鏡組的出瞳位置與第二偏振分束器5的分束面fe重合，入瞳的物距和出瞳的像距均為1倍焦距。本實施例中所述的光瞳成像長焦透鏡組8為共焦變焦透鏡組，所述的第一反射鏡 7、光瞳成像長焦透鏡組8和第二反射鏡9置於一塊平臺16上，該平臺16下設導軌，以供該平臺16沿垂直於所述的第一光路方向精密移動，精度微米量級。所述的第一位置探測器14和第二位置探測器15為象限型探測器或像元型探測器。可以探測得到光信號偏離中心的相對距離，作為誤差信號，提供精跟蹤信息。所述的第一光電轉換器12和第二光電轉換器13為高靈敏度光電管。將光強轉換為電流，通過第一光電轉換器12和第二光電轉換器13的電流相減平衡接收，得到通信傳輸數據信息；所述的位相精密控制器2為電光調製晶體，通過改變偏置電壓，通過晶體的光程變化，精度高於四分之一波長。光學元件的通光口徑為D，根據接收光的口徑而定，一般相等。假定接收光為圓偏振光(如果為其它偏振狀態，需要轉換為圓偏振光)，經過第一偏振分束器的反射光為垂直偏振光，透射光為水平偏振光。第一二分之一波片4和第二二分之一波片10的光軸方向與入射光偏振方向成22. 5度。偏振光經過第一二分之一波片4 和第二二分之一波片10後，偏振方向旋轉45度。然後經過第二偏振分束器5，垂直偏振光反射，水平偏振光透射。兩束光分成四束，其中兩兩幹涉，一路兩兩相加，另一路兩兩相減， 兩路位相差為180度。50 50分束器將幹涉光從強度上一分為二成為相同的兩部分，一部分四束光平衡接收為數據信號，另一部分四束光經光電探測得到位置信息，用來精跟蹤。當光束經過長臂與短臂的時間差等於調製數據1比特的時間，平衡接收信號即為解調信號。下面給出本發明一個實施例的具體結構參數供參考波面差動幹涉空間光解調器，為400mm*200mm。設計通光口徑為10mm，各元件尺寸如下第一偏振分束器1和第二偏振分束器5為10mm*10mm，第一反射鏡7和第二反射鏡9為Φ 10mm,第一二分之一波片4和第二二分之一波片10為Φ 10mm，電光調製晶體2為Φ 10mm，厚度1mm，用來精密調整光程， 精度λ/10。光瞳成像短臂端共焦透鏡組3，焦距&為90mm，長臂端共焦透鏡組8為變焦距系統焦距為97. 5mm 165mm。水平方向輸出兩路分別入射到第一位置探測器14和第二位置探測器15為二象限APD光電探測器得到接收光的位置，用來精跟蹤。垂直方向輸出兩路分別入射到第一光電探測器12和第二光電探測器13是PIN光電探測器12，電信號經過平衡接收，作為數據信號。
權利要求
1.一種波面差動幹涉空間光解調器，特徵在於其構成包括第一偏振分束器(1)，該第一偏振分束器(1)的偏振分束面(Ia)與輸入的圓偏振光的前進方向呈45°，該第一偏振分束器(1)將所述的輸入的圓偏振光分為偏振面相互垂直的反射光和透射光，在該第一偏振分束器(1)的透射光方向依次是位相精密控制器O)、光瞳成像短焦透鏡組(3)、第一二分之一波片G)、第二偏振分束器( 構成第一光路，所述的第二偏振分束器(5)的偏振分束面(5a)與所述的第一偏振分束器(1)的偏振分束面相互垂直，所述的第一偏振分束器(1) 輸出的反射光依次經第一反射鏡(7)、光瞳成像長焦透鏡組(8)、第二反射鏡(9)、第二二分之一波片(10)進入所述的第二偏振分束器( 構成第二光路，所述的第一二分之一波片 (4)和第二二分之一波片(10)的光軸方向與入射光偏振方向成22. 5度，在第一光路的透射方向設置第二非偏振分束器(11)，所述的第二非偏振分束器(11)的分束面與所述的第二偏振分束器( 的偏振分束面(5a)平行；在該第二光路的透射光方向設置第一非偏振分束器(6)，該第一非偏振分束器(6)的分束面與所述的第二偏振分束器(5)的偏振分束面 (5a)平行；在所述的第一非偏振分束器(6)的透射光方向和反射光方向分別設置第一光電探測器(1 和第二位置探測器(15)，在所述的第二非偏振分束器(11)的反射光方向和透射光方向分別設置第二光電轉換器(1 和第一位置探測器(14)；所述的光瞳成像長焦透鏡組(8)為共焦透鏡組，由兩塊相同焦距為的透鏡(8a和8b)組成，間距為2倍焦距2f1; 所述的光瞳成像短焦透鏡組C3)為共焦透鏡組，由兩塊相同焦距為f2的透鏡(3a和3b)組成，間距為2倍焦距2f2，兩組透鏡組的入瞳位置與第一偏振分束器(1)的偏振分束面(Ia) 重合，兩組透鏡組的出瞳位置與第二偏振分束器(5)的分束面(5a)重合，入瞳的物距和出瞳的像距均為1倍焦距，。
2.根據權利要求1所述的波面差動幹涉空間光解調器，其特徵在於所述的第一位置探測器(14)和第二位置探測器(1 為象限型探測器或像元型探測器。
3.根據權利要求1所述的波面差動幹涉空間光解調器，其特徵在於所述的第一光電轉換器(12)和第二光電轉換器(1 為高靈敏度光電管。
4.根據權利要求1至3任一項所述的波面差動幹涉空間光解調器，其特徵在於所述的光瞳成像長焦透鏡組(8)為共焦變焦透鏡組，所述的第一反射鏡(7)、光瞳成像長焦透鏡組 (8)和第二反射鏡(9)置於一塊平臺(16)上，該平臺(16)下設導軌，以供該平臺(16)沿垂直於所述的第一光路方向精密移動。
全文摘要
一種波面差動幹涉空間光解調器，是一種差分相移鍵控(以下簡稱為DPSK)信號自由空間光解調器，由塊狀偏振分束器件、合束器件、反射鏡、兩組光瞳成像透鏡組成光瞳匹配式時間差分幹涉儀。用於空間雷射通信接收機中的光信號解調，輸出的數據光信號用於平衡探測，輸出的位置光信號可用於精跟蹤。
文檔編號H04B10/02GK102236232SQ20101016504
公開日2011年11月9日 申請日期2010年4月29日 優先權日2010年4月29日
發明者劉立人, 周煜, 孫建鋒, 欒竹, 職亞楠 申請人:中國科學院上海光學精密機械研究所