本發(fā)明涉及一種降低通信誤碼率，提高鎖相概率的空間光90°混頻器裝置，屬于無線通信技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

激光無線通信因具有通信容量大、傳輸速率高、保密性好、抗電磁干擾能力強(qiáng)、重量輕、體積小、功耗低等優(yōu)點(diǎn)，在無線通信領(lǐng)域中是十分重要的通信方式，將在星地及星間高速無線通信的領(lǐng)域，對(duì)通信內(nèi)容的安全保密性要求較高的場合(比如政府、軍事部門、安全部門)，或者有強(qiáng)電磁干擾的場所(如戰(zhàn)場)等諸多場合中具有潛在的應(yīng)用前景。

相干激光通信以其高靈敏度、豐富的調(diào)制方式、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)，是未來遠(yuǎn)距離高速率的空間激光通信最佳途徑。其中空間光90°混頻器是影響零差相干激光通信靈敏度的核心器件，其基本作用是將信號(hào)光和本振光的波前進(jìn)行精確合成，產(chǎn)生相干混頻，然后輸出兩束光的中頻信號(hào)進(jìn)入后端的探測(cè)器及相應(yīng)的信號(hào)處理電路進(jìn)行處理。

傳統(tǒng)空間光混頻器中信號(hào)光iq支路分配比(簡稱分光比)為固定值，且多為1:1，信號(hào)光的能量損失3db，在遠(yuǎn)距離相干激光通信時(shí)將降低了通信靈敏度。另外分光比為固定值，也影響通信和鎖相動(dòng)態(tài)條件下的適應(yīng)性和靈活性。為了增加通信靈敏度和鎖相概率，提高相干通信適應(yīng)性和靈活性，有必要設(shè)計(jì)一種具有適應(yīng)性和靈活性、分光比自適應(yīng)調(diào)控的空間光90°混頻器。

參見文獻(xiàn)：電子科技大學(xué)碩士論文“相干光通信中的90°光混頻器”，作者周凌堯，2011年第12期，第20頁3.1節(jié)。其結(jié)構(gòu)如圖1所示，該裝置由1/4波片1、第一偏振分光棱鏡2、第一1/2波片/3、第二偏振分光棱鏡4、第二1/2波片5和第三偏振分光棱鏡6組成。該結(jié)構(gòu)采用偏振分光棱鏡將兩束線偏振光按特定偏振方向進(jìn)行合束或者分束，實(shí)現(xiàn)光束混頻，裝置結(jié)構(gòu)簡單，i，q支路90°相差精度高。該結(jié)構(gòu)完成本征光和信號(hào)光波前精確合成，產(chǎn)生相干混頻，不過該結(jié)構(gòu)分光比值固定，帶來了通信接收靈敏度低、相干通信靈活性差，同時(shí)存在信號(hào)光能量損失的問題，無法適應(yīng)實(shí)際應(yīng)用中未來通信等領(lǐng)域發(fā)展。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明為解決現(xiàn)有的空間光90°混頻器分光比固定所帶來的通信接收靈敏度低、相干通信靈活性差等問題，提出了一種具有靈活性、分光比自適應(yīng)調(diào)控的空間光90°混頻器。

本發(fā)明采取以下技術(shù)方案：

分光比自適應(yīng)調(diào)控的空間光90°混頻器，其特征是，

第一1/4波片和可旋轉(zhuǎn)1/2波片同軸設(shè)置，與渥拉斯頓棱鏡入射面垂直；

本征光源位于準(zhǔn)直器的焦點(diǎn)，準(zhǔn)直器和第一1/4波片同軸設(shè)置，與渥拉斯頓棱鏡入射面垂直，且位于第一1/4波片和可旋轉(zhuǎn)1/2波片的上方；

渥拉斯頓棱鏡向上折射的光束方向放置第一反射鏡，第一反射鏡反射的光線ⅰ方向依次同軸設(shè)置排列第一1/2波片、第一偏振分束棱鏡和第四會(huì)聚透鏡，第一反射鏡反射的光線ⅱ方向依次同軸排列第三1/2波片、第二偏振分束棱鏡和第三會(huì)聚透鏡；

渥拉斯頓棱鏡向下折射的光束方向放置第二反射鏡，第二反射鏡反射的光線ⅲ方向依次同軸排列第二1/2波片、第一偏振分束棱鏡和第一會(huì)聚透鏡，第二反射鏡反射的光線ⅳ方向依次同軸排列第四1/2波片、第二偏振分束棱鏡和第二會(huì)聚透鏡且光軸對(duì)準(zhǔn)；

第一會(huì)聚透鏡和第四會(huì)聚透鏡均與第二平衡探測(cè)器光纖連接；

第二會(huì)聚透鏡和第三會(huì)聚透鏡均與第一平衡探測(cè)器光纖連接；

第一平衡探測(cè)器和第二平衡探測(cè)器均與乘法器高頻連接；

第一平衡探測(cè)器的輸出端一分為二，一部分連接通信信號(hào)處理模塊，另一部分連接乘法器；

乘法器輸出端與光學(xué)鎖相環(huán)連接；

光學(xué)鎖相環(huán)輸出端與本征光源連接；

光學(xué)鎖相環(huán)和通信信號(hào)處理模塊分別通過電纜連接到控制單元，控制器通過電纜依次連接驅(qū)動(dòng)單元和可旋轉(zhuǎn)1/2波片。

本發(fā)明的有益效果是：本發(fā)明通過改變?nèi)肷渚€偏振光在渥拉斯頓棱鏡上的投影，從而改變信號(hào)光iq支路分光比。在鎖相、通信的不同工作階段，根據(jù)通信信號(hào)處理模塊和光學(xué)鎖相環(huán)的信號(hào)來實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)分光比，從而達(dá)到提高通信靈敏度、降低誤碼率、增加鎖相概率和減少鎖相時(shí)間的效果。

本發(fā)明具有適應(yīng)性和靈活性強(qiáng)、高鎖相概率、高通信接收靈敏度等優(yōu)點(diǎn)。本發(fā)明空間光90°混頻器在民用大氣信道通信、軍事戰(zhàn)場通信等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景，特別是高靈敏度零差空間相干通信有著巨大應(yīng)用潛力。

附圖說明

圖1為現(xiàn)有技術(shù)的空間光90°混頻器裝置圖。

圖2為所發(fā)明的分光比自適應(yīng)調(diào)控空間光90°混頻器。

圖3中3a為調(diào)控前的眼圖；3b為調(diào)控后的眼圖。

圖4為誤碼率改善圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明實(shí)施例作詳細(xì)說明。

如圖2所示，分光比自適應(yīng)調(diào)控的空間光90°混頻器包括：第一1/4波片7、可旋轉(zhuǎn)1/2波片8、渥拉斯頓棱鏡9、準(zhǔn)直器10、第二1/4波片11、第一反射鏡12、第二反射鏡13、第一1/2波片14、第二1/2波片15、第一偏振分束棱鏡16、第三1/2波片17、第四1/2波片18、第二偏振分束棱鏡19、第一會(huì)聚透鏡20、第二會(huì)聚透鏡21、第三會(huì)聚透鏡22、第四會(huì)聚透鏡23、第一平衡探測(cè)器24、第二平衡探測(cè)器25、乘法器26、通信信號(hào)處理模塊27、光學(xué)鎖相環(huán)28、本征光源29、驅(qū)動(dòng)器30和控制器31。

第一1/4波片7和可旋轉(zhuǎn)1/2波片8同軸設(shè)置，與渥拉斯頓棱鏡9入射面垂直。本征光源29位于準(zhǔn)直器10的焦點(diǎn)，準(zhǔn)直器10和第一1/4波片11同軸設(shè)置，與渥拉斯頓棱鏡9入射面垂直，且位于第一1/4波片7和可旋轉(zhuǎn)1/2波片8的上方。渥拉斯頓棱鏡9向上折射的光束方向放置第一反射鏡12，第一反射鏡12反射的光線ⅰ方向依次同軸設(shè)置排列第一1/2波片14、第一偏振分束棱鏡16和第四會(huì)聚透鏡23，第一反射鏡12反射的光線ⅱ方向依次同軸排列第三1/2波片17、第二偏振分束棱鏡19和第三會(huì)聚透鏡22。渥拉斯頓棱鏡9向下折射的光束方向放置第二反射鏡13，第二反射鏡13反射的光線ⅲ方向依次同軸排列第二1/2波片15、第一偏振分束棱鏡16和第一會(huì)聚透鏡20，第二反射鏡13反射的光線ⅳ方向依次同軸排列第四1/2波片18、第二偏振分束棱鏡19和第二會(huì)聚透鏡21且光軸對(duì)準(zhǔn)。

第一會(huì)聚透鏡20和第四會(huì)聚透鏡23均與第二平衡探測(cè)器25光纖連接。第二會(huì)聚透鏡21和第三會(huì)聚透鏡22均與第一平衡探測(cè)器24光纖連接。第一平衡探測(cè)器24和第二平衡探測(cè)器25均與乘法器26高頻電纜連接。第一平衡探測(cè)器25的輸出端一分為二，一部分連接通信信號(hào)處理模塊27，另一部分連接乘法器26。乘法器26輸出端與光學(xué)鎖相環(huán)28用電纜連接。光學(xué)鎖相環(huán)28輸出端與本征光源29電纜連接。光學(xué)鎖相環(huán)28和通信信號(hào)處理模塊27分別通過電纜連接到控制單元30，控制器30通過電纜依次連接驅(qū)動(dòng)單元31和可旋轉(zhuǎn)1/2波片8。

所有光學(xué)元件工作波段為1530nm-1565nm；

所述第一1/4波片7用于將信號(hào)光轉(zhuǎn)換為振動(dòng)方向?yàn)?5°的線偏振光。

第一1/4波片7和第二1/4波片11的折射率及尺寸一致。

所述第一偏振分束棱鏡16和第二偏振分束棱鏡19折射率及尺寸一致。

所述第一平衡探測(cè)器24和第二平衡探測(cè)器25是指多模光纖為尾纖的平衡探測(cè)器。

所述通信信號(hào)處理模塊27用于解調(diào)通信信號(hào)得到通信數(shù)據(jù)。

所述光學(xué)鎖相環(huán)28用于調(diào)整本征光源的波長來保證本地激光與信號(hào)光之間頻率和相位一致。

所述本征光源29輸出的光為線偏振光。

本發(fā)明分光比自適應(yīng)調(diào)控的空間光90°混頻器的具體工作過程如下：

本征光源29輸出的線偏振的本征激光l由準(zhǔn)直鏡10擴(kuò)束和準(zhǔn)直后得到與信號(hào)激光s光斑尺寸相同的平行光。平行的本征激光l再通過第二1/4波片11將激光由線偏振態(tài)調(diào)整為圓偏振態(tài)，同時(shí)在光束相互正交的兩偏振分量間加入90°相移。信號(hào)激光s通過第一1/4波片7進(jìn)行光學(xué)起偏，出射的信號(hào)光為線偏振態(tài)，偏振方向平行于入射面。信號(hào)激光s再通過可旋轉(zhuǎn)1/2波片8，信號(hào)激光s的偏振方向朝可旋轉(zhuǎn)1/2波片8光軸方向旋轉(zhuǎn)一定角度，該角度為信號(hào)光激s偏振方向與可旋轉(zhuǎn)1/2波片8光軸夾角的2倍。信號(hào)激光s和本征激光l同時(shí)經(jīng)過渥拉斯頓棱鏡9，渥拉斯頓棱鏡9將本征激光l和信號(hào)激光s垂直于入射面的偏振分量向上折射，得到光線ⅰ和光線ⅱ，渥拉斯頓棱鏡9將本征激光l和信號(hào)激光s平行于入射面的偏振分量向下折射，得到光線ⅲ和光線ⅳ，其中光線ⅰ和光線ⅲ，光線ⅱ和光線ⅳ的折射角相同。光線ⅰ和光線ⅱ經(jīng)過第一反射鏡12的反射，分別垂直入射至第一1/2波片14和第三1/2波片17。光線ⅲ和光線ⅳ經(jīng)過第二反射鏡13的反射，分別垂直入射至第二1/2波片15和第四1/2波片18。光線ⅰ，光線ⅱ，光線ⅲ，光線ⅳ通過1/2波片將偏振態(tài)朝同一方向旋轉(zhuǎn)45°。光線ⅰ和光線ⅲ經(jīng)過1/2波片后分別垂直入射至第一偏振分光棱鏡16相鄰的兩個(gè)入射面，經(jīng)過偏振合束與分光后由另外兩面出射被第一會(huì)聚透鏡20和第四會(huì)聚透鏡23接收。光線ⅱ和光線ⅳ經(jīng)過1/2波片后分別垂直入射至第二偏振分光棱鏡19相鄰的兩個(gè)入射面，經(jīng)過偏振合束與分光后由另外兩面出射被第二會(huì)聚透鏡21和第三會(huì)聚透鏡22接收。第四會(huì)聚透鏡20、第一會(huì)聚透鏡23、第二會(huì)聚透鏡20和第三會(huì)聚透鏡20輸出的光信號(hào)相對(duì)相位差分別為0°，180°，90°和270°。第一會(huì)聚透鏡20和第四會(huì)聚透鏡23的光信號(hào)經(jīng)由光纖傳輸至第二平衡探測(cè)器25的靶面處進(jìn)行光電變換。第二會(huì)聚透鏡21和第三會(huì)聚透鏡22的光信號(hào)經(jīng)由光纖傳輸至第一平衡探測(cè)器24的靶面處進(jìn)行光電變換。由第二平衡探測(cè)器25輸出的電信號(hào)一部分進(jìn)入通信信號(hào)處理模塊27，一部分與第一平衡探測(cè)器24輸出的電信號(hào)一起輸入乘法器26。乘法器26通過對(duì)兩輸入電信號(hào)相乘輸出信號(hào)間的相位誤差信號(hào)至光學(xué)鎖相環(huán)28。光學(xué)鎖相環(huán)28的輸出分為兩部分，一部分將相位誤差信號(hào)進(jìn)行濾波并轉(zhuǎn)換為頻率信號(hào)，對(duì)本征激光器29進(jìn)行調(diào)制，使本征激光l與信號(hào)激光s的頻率一致。光學(xué)鎖相環(huán)28輸出的另一部分與通信信號(hào)處理模塊27輸出的探測(cè)靈敏度信息一起傳輸至可旋轉(zhuǎn)1/2波片8的控制單元30中進(jìn)行計(jì)算?？刂茊卧?0根據(jù)光學(xué)鎖相環(huán)28輸出的環(huán)路相位誤差量與通信信號(hào)處理模塊27輸出的誤碼率計(jì)算得到可旋轉(zhuǎn)1/2波片8的驅(qū)動(dòng)量并傳遞至可旋轉(zhuǎn)1/2波片8的驅(qū)動(dòng)單元31，由驅(qū)動(dòng)單元31控制可旋轉(zhuǎn)1/2波片8旋轉(zhuǎn)相應(yīng)的角度，改變光混頻器的分光比，從而調(diào)節(jié)系統(tǒng)的探測(cè)靈敏度和鎖相性能。

本發(fā)明具體分光比控制方法為：在鎖相過程中，調(diào)整可旋轉(zhuǎn)1/2波片8來改變分光比即增加q支路的能量，提高q支路的信噪比，繼而提高鎖相概率和減少鎖相時(shí)間。在通信階段時(shí)，調(diào)整可旋轉(zhuǎn)1/2波片8來改變分光比即增加i支路的能量，從而降低誤碼率和提高通信靈敏度。如果出現(xiàn)失鎖情況，光學(xué)鎖相環(huán)28輸出相位誤差量給控制單元30和驅(qū)動(dòng)單元31，由此控制可旋轉(zhuǎn)1/2波片8旋轉(zhuǎn)相應(yīng)的角度來增加q支路的能量，重新進(jìn)行鎖相。

本發(fā)明效果：在鎖相過程中，分光比調(diào)控后，鎖相概率得到提高。當(dāng)完成鎖模進(jìn)入通信階段時(shí)，分光比從1:1調(diào)整到1:4。通信眼圖得到了改善，如圖3所示；誤碼率由3.35e-9降低到6.12e-10，如圖4所示。