專利名稱：雙光路實(shí)時(shí)控制差分干涉接收裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及光信號(hào)解調(diào)，特別是一種雙光路實(shí)時(shí)控制差分干涉接收裝置。
背景技術(shù)：
自由空間激光通信，激光傳輸通過(guò)大氣信道時(shí)，受到大氣湍流等因素的影響，光束波面產(chǎn)生畸變，質(zhì)量嚴(yán)重下降。接收激光信號(hào)需要克服大氣湍流，目前采用的方法主要有減小接收口徑、自適應(yīng)光學(xué)波前校正、差分相移鍵控(DPSK)調(diào)制信號(hào)自差動(dòng)接收等方法。在先技術(shù)[I](參見 High-data-rate systems for space applications, Proc.SPIE，Vol. 2381，38，1995)所描述的星地激光通信中采用DPSK調(diào)制，接收機(jī)采用光纖放大和光纖型馬赫曾德爾干涉儀解調(diào)平衡接收，靈敏度比開關(guān)監(jiān)控(OOK)調(diào)制直接探測(cè)方法高3dB。但是經(jīng)大氣湍流擾動(dòng)后的波面質(zhì)量下降，光纖耦合效率較低，影響靈敏度，使DPSK調(diào)制方法抗擾動(dòng)能力得不到充分的利用。在先技術(shù)[2](參見Adaptive optics and ESA，s optical ground station,Proc. SPIE, Vol. 7464，746406，2009)所描述的星地激光通信采用DPSK調(diào)制，其裝置是馬赫曾德爾干涉儀或者麥克爾遜干涉儀結(jié)構(gòu)，其中用到兩組4f透鏡組，工作中應(yīng)保證兩壁長(zhǎng)之差的控制精度遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于四分之一波長(zhǎng)，約為0. 2微米。該裝置中用到兩組透鏡組，使波面引入較大的像差，技術(shù)實(shí)現(xiàn)上有難度，降低通信準(zhǔn)確率。而且該結(jié)構(gòu)缺少精密調(diào)整器件和鎖相環(huán)，無(wú)法保證系統(tǒng)精度，也不能實(shí)時(shí)調(diào)整。同時(shí)沒有平衡接收，無(wú)法去除直流分量，靈敏度較低。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明是針對(duì)自由空間激光通信，克服上述在先技術(shù)的困難，提供一種雙光路實(shí)時(shí)監(jiān)控差動(dòng)干涉接收裝置。該裝置實(shí)現(xiàn)了平衡接收，并且監(jiān)控光通過(guò)鎖相電路實(shí)時(shí)控制信號(hào)光的光程精密調(diào)整，進(jìn)行相位補(bǔ)償，保持光程差穩(wěn)定和系統(tǒng)精度。本發(fā)明的技術(shù)解決方案如下一種雙光路實(shí)時(shí)控制差分干涉接收裝置，其構(gòu)成包括如下第一偏振分束器處，該第一偏振分束器的偏振分束面與輸入信號(hào)光和監(jiān)控光的線偏振光前進(jìn)方向呈45°。該第一偏振分束器分別將所述的兩束輸入線偏振光分為偏振面相 互垂直的反射光和透射光。信號(hào)光的反射光按順序經(jīng)過(guò)第一反射鏡、第二反射鏡、第二偏振分束器，輸入到第二偏振分束面并發(fā)生反射經(jīng)過(guò)第二二分之一波片、第四偏振分束器，入射到第四偏振分束面；信號(hào)光的透射方向上經(jīng)過(guò)第一偏振分束器、精密位相控制器、第二偏振分束器，輸入到第二偏振分束面并發(fā)生透射經(jīng)過(guò)第二二分之一波片、第四偏振分束器，入射到第四偏振分束面。信號(hào)光的差分兩支路經(jīng)過(guò)第四偏振分束面時(shí)分為偏振態(tài)相互垂直的反射光和透射光，其分別由第三光電探測(cè)器和第四光電探測(cè)器接收，第三光電探測(cè)器和第四光電探測(cè)器的輸出端與同相平衡電路的輸入端相連，同相平衡電路的輸出端與數(shù)據(jù)處理電路和所述的乘法電路的輸入端相連。另外一路垂直入射的監(jiān)控光入射到第一偏振分束器，透射光經(jīng)過(guò)第一反射鏡、第二反射鏡、第二偏振分束器，輸入到第二偏振分束面并發(fā)生透射經(jīng)過(guò)第一二分之一波片、第三偏振分束器，入射到第三偏振分束面；監(jiān)控光入射到第一偏振分束器，反射光經(jīng)過(guò)第一偏振分束器、精密位相控制器、第二偏振分束器，輸入到第二偏振分束面并發(fā)生反射經(jīng)過(guò)第一二分之一波片、第三偏振分束器，入射到第三偏振分束面。監(jiān)控光的差分兩支路經(jīng)過(guò)第三偏振分束面時(shí)分為偏振態(tài)相互垂直的反射光和透射光，分別由第一光電探測(cè)器、第二光電探測(cè)器接收。第一光電探測(cè)器和第二光電探測(cè)器的輸出端接正交平衡電路.該正交平衡電路的輸出端與乘法電路相連。所述的乘法電路的輸入端經(jīng)鎖相電路后，與所述的控制精密位相控制器的控制端相連。所述的輸入端兩路光束同時(shí)輸入，在輸出端分別同時(shí)輸出這兩束輸入光。水平入射光水平輸出，豎直入射光垂直輸出。其中一路監(jiān)控光束經(jīng)過(guò)平衡電路可以控制精密位相控制器，以此來(lái)控制另外一路信號(hào)光束差分干涉支路的位相變化。所述的第一反射鏡、第二反射鏡組成光程差模塊建立在統(tǒng)一的平臺(tái)上，下設(shè)導(dǎo)軌，以供該平臺(tái)沿垂直于所述水平支路的方向精密移動(dòng)。光程模塊與數(shù)據(jù) 傳輸速率G匹配，L1距離不變，不同的L2對(duì)應(yīng)不同的數(shù)據(jù)傳輸速率，滿足關(guān)系L1-L2 = c/G其中A為差分支路端從第一偏振分束面到第二偏振分束面的距離，L2為精密位相控制端支路從第一偏振分束面到第二偏振分束面的水平距離，c為光速，G為數(shù)據(jù)傳輸速率。本發(fā)明的技術(shù)效果如下本發(fā)明采用差分相移鍵控調(diào)制雙光路實(shí)時(shí)控制差分干涉接收裝置，該裝置采用非光纖自由空間結(jié)構(gòu)，信號(hào)光相位和自身差分相位干涉解碼信息，克服了絕對(duì)相位畸變對(duì)信號(hào)接收的影響。其二，創(chuàng)造性的提出兩路光輸入裝置，兩路光傳輸相互不影響。分別由信號(hào)光和監(jiān)控光同時(shí)輸入接收裝置，兩路的輸出端與平衡探測(cè)器相連接，其中監(jiān)控光經(jīng)過(guò)差分干涉后合成的信號(hào)和部分解碼的信號(hào)經(jīng)過(guò)乘法電路后輸出電信號(hào)，作為鎖相電路的輸入信號(hào)，來(lái)控制精密位相控制器，保持差分兩支路的光程差穩(wěn)定，提高信號(hào)光自相位干涉對(duì)比度。雙光路輸入實(shí)現(xiàn)了信號(hào)光平衡接收、解調(diào)和監(jiān)控信號(hào)的精密位相控制。第三，該發(fā)明裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊，易于實(shí)現(xiàn)。該裝置不需要本振光，且不要求信號(hào)光和監(jiān)控光波長(zhǎng)相同，可以在接收過(guò)程中穩(wěn)定接收功率，提高接收效率，是未來(lái)激光通信中光信號(hào)接收解調(diào)中新的發(fā)展方向。


圖I為本發(fā)明雙光路實(shí)時(shí)控制差分干涉接收裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合實(shí)施例和附圖對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明，但不應(yīng)以此限制本發(fā)明的保護(hù)范圍。由圖可見，本發(fā)明雙光路實(shí)時(shí)控制差分干涉接收裝置包括第一偏振分束器I的偏振分束面Ia與輸入信號(hào)光和監(jiān)控光的線偏振光前進(jìn)方向呈45°。第一偏振分束器I分別將所述的兩束輸入線偏振光(信號(hào)光水平入射和監(jiān)控光垂直入射)分為偏振面相互垂直的反射光和透射光。
信號(hào)光的反射光按順序經(jīng)過(guò)第一反射鏡4、第二反射鏡5、第二偏振分束器3,輸入到第二偏振分束面3a并發(fā)生反射經(jīng)過(guò)第二二分之一波片8、第四偏振分束器9，入射到第四偏振分束面9a ;信號(hào)光的透射方向上經(jīng)過(guò)第一偏振分束器I、精密位相控制器2、第二偏振分束器3a，輸入到第二偏振分束面3a并發(fā)生透射經(jīng)過(guò)第二二分之一波片8、第四偏振分束器9,入射到第四偏振分束面9a。所述的第二二分之一波片8光軸方向和入射信號(hào)光的一個(gè)偏振態(tài)偏振方向成22. 5度。信號(hào)光經(jīng)過(guò)差分兩支路入射到第四偏振分束面9a時(shí)(此時(shí)不包含監(jiān)控光)分為偏振態(tài)相互垂直的反射光和透射光，分別進(jìn)行偏振干涉后，由第三光電探測(cè)器12和第四光電探測(cè)器13接收，分別將光信號(hào)轉(zhuǎn)化為兩路監(jiān)控電信號(hào)，傳輸?shù)酵嗥胶怆娐?4中，經(jīng)過(guò)處理后的一部分電信號(hào)與數(shù)據(jù)處理電路相連，最終輸出解碼得到的數(shù)據(jù)信息；另一部分電信號(hào)與所述的乘法電路17的輸入端相連。另外一路入射的監(jiān)控光入射到第一偏振分束器1，透射光經(jīng)過(guò)第一反射鏡4、第二反射鏡5、第二偏振分束器3，輸入到第二偏振分束面3a并發(fā)生透射經(jīng)過(guò)第一二分之一波片
6、第三偏振分束器7,入射到第三偏振分束面7a ;監(jiān)控光入射到第一偏振分束器1，反射光經(jīng)過(guò)第一偏振分束器la、精密位相控制器2、第二偏振分束器3，輸入到第二偏振分束面3a并發(fā)生反射經(jīng)過(guò)第一二分之一波片6、第三偏振分束器7，入射到第三偏振分束面7a。所述的第一二分之一波片6光軸方向和入射監(jiān)控光的一個(gè)偏振態(tài)偏振方向成22. 5度。監(jiān)控光經(jīng)過(guò)差分兩支路入射到第三偏振分束面7a時(shí)(此時(shí)不包含信號(hào)光)分為偏振態(tài)相互垂直的反射光和透射光，進(jìn)行偏振干涉，由第一光電探測(cè)器10、第二光電探測(cè)器11接收，分別將監(jiān)控光轉(zhuǎn)化為兩路監(jiān)控電信號(hào)，接入到正交平衡電路15。該正交平衡電路15輸出的電信號(hào)輸入到乘法電路17。所述的乘法電路17把正交平衡電路15處理得到的部分?jǐn)?shù)據(jù)信息和和同相平衡電路14處理得到的數(shù)據(jù)信息綜合反饋到鎖相電路18中。鎖相電路18提供鎖相信號(hào)，作為精密相位調(diào)制器2的控制信號(hào)。該精密位相調(diào)制器2可以采用電光調(diào)制器，那么鎖相信號(hào)通過(guò)控制晶體兩端電壓改變晶體折射率，來(lái)改變光束通過(guò)晶體的光程，微調(diào)支路相位；也可以采用兩表面平行的光學(xué)玻璃平板，那么鎖相信號(hào)通過(guò)精密旋轉(zhuǎn)平行玻璃平板微小角度，改變光束通過(guò)平板的光程差，微調(diào)支路相位。以此達(dá)到對(duì)信號(hào)光的差分相位進(jìn)行補(bǔ)償。這里要求所述的輸入端兩路光束同時(shí)輸入，在輸出端分別同時(shí)輸出這兩束輸入光。水平入射光水平輸出，豎直入射光垂直輸出。其中監(jiān)控光在輸出端平衡探測(cè)，通過(guò)鎖相電路18來(lái)控制精密位相控制器2的位相變化，使得信號(hào)光的差分干涉兩支路的位相滿足相應(yīng)的匹配條件。由第一偏振分束面la、第一反射鏡4、第二反射鏡5到第二偏振分束面3a的距離為L(zhǎng)1，構(gòu)成光程調(diào)整的差分支路，從第一偏振分束面Ia到第二偏振分束面3a的距離為L(zhǎng)2,構(gòu)成精密位相控制支路。所述的第一反射鏡4、第二反射鏡5組成的光程差模塊建立在平臺(tái)上，該下設(shè)平臺(tái)導(dǎo)軌，以供該平臺(tái)沿垂直于所述水平支路的方向精密移動(dòng)。光程模塊與數(shù)據(jù)傳輸速率G匹配，L1距離不變，不同的L2對(duì)應(yīng)不同的數(shù)據(jù)傳輸速率，滿足關(guān)系L1-L2 = c/G,
其中c為光速，G為數(shù)據(jù)傳輸速率。經(jīng)過(guò)該接收裝置的差分光回路輸出的兩路光的時(shí)間差等于I比特傳輸數(shù)據(jù)的時(shí)間間隔，經(jīng)過(guò)第三光電探測(cè)器12和第四光電探測(cè)器13探測(cè)并由所述同相平衡電路14處理的平衡接收信號(hào)即為解調(diào)信號(hào)。所述的精密位相控制器2為一個(gè)由電光調(diào)制晶體或者通過(guò)電機(jī)制動(dòng)、可以旋轉(zhuǎn)的兩表面平行光學(xué)玻璃平板構(gòu)成的相位控制裝置，其旋轉(zhuǎn)精度為I微弧度。所述的精密位相控制器2、光電探測(cè)器、同相平衡電路14、正交平衡電路15、數(shù)據(jù)處理電路16和鎖相電路18等電子學(xué)部分為成熟產(chǎn)品或技術(shù)，可以購(gòu)買或委托研制。第一二分之一波片6、第二二分之一波片8的光軸方向和入射的信號(hào)光或者本振光的一個(gè)偏振態(tài)偏振方向成22. 5度。相互垂直的偏振光經(jīng)過(guò)二分之一波片后,偏振方向旋 轉(zhuǎn)45度。假定接收的信號(hào)光和監(jiān)控光為偏振態(tài)45度傾斜的線偏振光(如果是其它偏振狀態(tài)，需要轉(zhuǎn)換為線偏振光)。在經(jīng)過(guò)偏振分束器時(shí)，兩束光的反射光均為垂直偏振光，透射光均為水平偏振光。
權(quán)利要求
1.一種雙光路實(shí)時(shí)控制差分干涉接收裝置，特征在于其構(gòu)成包括 第一偏振分束器(I)的偏振分束面(Ia)與輸入的信號(hào)光的線偏振光和監(jiān)控光的線偏振光的前進(jìn)方向分別呈45° ,第一偏振分束器(I)分別將正交入射的所述的輸入信號(hào)光的線偏振光和所述的監(jiān)控光的線偏振光分為偏振面相互垂直的反射光和透射光，構(gòu)成差分支路和精密控制支路，所述的差分支路依次經(jīng)第一反射鏡(4)、第二反射鏡(5)入射第二偏振分束器(3)，所述的精密控制支路依次經(jīng)第一偏振分束器(I)、精密位相控制器(2)入射第二偏振分束器(3)，該第二偏振分束器(3)的偏振分束面(3a)將差分支路和精密控制支路的兩束光分為水平光路和豎直光路，所述的豎直光路經(jīng)過(guò)第一二分之一波片(6)進(jìn)入第三偏振分束器(7),在第三偏振分束面(7a)分為透射光和反射光,該透射光和反射光分別由第一光電探測(cè)器(10)和第二光電探測(cè)器(11)探測(cè)接收，第一光電探測(cè)器(10)和第二光電探測(cè)器(11)的輸出端接正交平衡電路(15)的輸入端，該正交平衡電路(15)的輸出端與乘法電路(17)的第一輸入端相連；所述的水平光路依次經(jīng)第二二分之一波片(8)輸入第四偏振分束器(9),在第四偏振分束器(9)的偏振分束面(9a)分為反射光和透射光,該反射光和透射光分別由第三光電探測(cè)器(12)和第四光電探測(cè)器(13)探測(cè)接收，第三光電探測(cè)器(12)和第四光電探測(cè)器(13)的輸出端與同相平衡電路(14)的輸入端相連，該同相平衡電路(14)的輸出端與數(shù)據(jù)處理電路(16)的輸入端和所述的乘法電路(17)的第二輸入端相連，所述的乘法電路(18)的輸出端經(jīng)鎖相電路(18)后與所述的控制精密位相控制器(2)的控制端相連。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的雙光路實(shí)時(shí)控制差分干涉接收裝置，其特征在于所述的水平信號(hào)光和垂直監(jiān)控光同時(shí)輸入到所述的第一偏振分束器(I)裝置中，其中監(jiān)控光在輸出端平衡探測(cè)，通過(guò)鎖相電路(18)來(lái)控制精密位相控制器(2)的位相變化，使得信號(hào)光經(jīng)過(guò)差分干涉兩支路后的位相滿足相應(yīng)的匹配條件。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的雙光路實(shí)時(shí)控制差分干涉接收裝置，其特征在于經(jīng)過(guò)該接收裝置的差分光回路輸出的兩路光的時(shí)間差等于調(diào)制數(shù)據(jù)I比特的時(shí)間間隔，經(jīng)過(guò)第三光電探測(cè)器(12)和第四光電探測(cè)器(13)探測(cè)并由所述同相平衡電路(14)處理的平衡接收信號(hào)即為解調(diào)信號(hào)。
4.根據(jù)權(quán)利要求I或2所述的雙光路實(shí)時(shí)控制差分干涉接收裝置，其特征在于所述的第一反射鏡(4)、第二反射鏡(5)組成光程差模塊建立在統(tǒng)一的平臺(tái)上，下設(shè)導(dǎo)軌，以供該平臺(tái)沿垂直于所述水平支路的方向精密移動(dòng)，光程模塊與數(shù)據(jù)傳輸速率G匹配，L1距離不變，不同的L2對(duì)應(yīng)不同的數(shù)據(jù)傳輸速率，滿足關(guān)系 Li_1^2 — c/G j 其中C為光速,G為數(shù)據(jù)傳輸速率，L1差分支路端從第一偏振分束器(I)的偏振分束面(Ia)到第二偏振分束器(3)的偏振分束面(3a)的距離，L2為精密位相控制端支路，從第一偏振分束器(I)的偏振分束面(Ia)到第二偏振分束器(3)的偏振分束面(3a)的水平距離。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的雙光路實(shí)時(shí)控制差分干涉接收裝置，其特征在于所述的精密位相控制器(2)是一個(gè)由電光調(diào)制晶體或者通過(guò)電機(jī)制動(dòng)、可以旋轉(zhuǎn)的兩表面平行的光學(xué)玻璃平板構(gòu)成的相位控制裝置，旋轉(zhuǎn)精度為I微弧度。
全文摘要
一種雙光路實(shí)時(shí)控制差分干涉接收裝置，該裝置包括偏振分束器件、偏振合束器件、二分之一波片、反射鏡、光探測(cè)器、光電轉(zhuǎn)換器。利用了差分相移鍵控實(shí)現(xiàn)自由空間光信號(hào)的實(shí)時(shí)相位反饋控制和信息解碼，采用了非光纖的全光自由空間結(jié)構(gòu)，用于空間激光通信中光信號(hào)的接收部分。兩路信號(hào)分別進(jìn)行時(shí)間差分后，單獨(dú)與1×2光學(xué)橋接器連接在一起，進(jìn)行平衡接收，實(shí)現(xiàn)了光信號(hào)時(shí)間差分相干接收和監(jiān)控信號(hào)時(shí)間差分的實(shí)時(shí)相位反饋控制。監(jiān)控信號(hào)控制光程精密調(diào)整，保證了光程差的穩(wěn)定，保證了系統(tǒng)的精度。
文檔編號(hào)H04B10/06GK102624447SQ20121008744
公開日2012年8月1日 申請(qǐng)日期2012年3月29日 優(yōu)先權(quán)日2012年3月29日
發(fā)明者劉立人, 周煜, 孫建鋒, 戴恩文, 職亞楠, 馬小平, 魯偉 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所