專利名稱：波面差動干涉空間光解調(diào)器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及空間激光通信，特別是一種波面差動干涉空間光解調(diào)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(diào)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干涉儀。用于空間激光通信接收機中的光信號解調(diào)，輸出的數(shù)據(jù)光信號用于平衡探測，輸出的位置光信號用于精跟蹤。
背景技術(shù)：
空間激光通信中，通過大氣信道時，激光傳輸受到湍流等因素的影響，波面質(zhì)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(yīng)光學(xué)波前校正，DPSK調(diào)制信號自差動接收等方法。其中DPSK調(diào)制自差動接收不需要本振信號，結(jié)構(gòu)簡單，是未來重要發(fā)展方向?！? ^ [1] ( #JAL High-data-rate systems for space applications, Proc. SPIE，Vol. 2381,38,1995)中所描述的星地激光通信中采用DPSK調(diào)制，接收機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)鍵控(OOK)調(diào)制直接探測方法高3dB。但是大氣擾動下的波面質(zhì)量下降，光纖耦合效率降低，嚴(yán)重影響靈敏度，使DPSK 這種調(diào)制方式抗擾動的能力得不到充分利用。同時在空間激光通信系統(tǒng)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(yuǎn)鏡的離軸量，用來進(jìn)行光學(xué)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(jié)構(gòu)的光解調(diào)器是解決以上問題的有效方法，信號波面質(zhì)量對其影響小，同時保留信號的位置信息。在先技術(shù)[1]中輸出信號無位置信息，不能用于精足艮蹤° 在先技術(shù)[2](參見 Adaptive optics and ESA，soptical ground station, Proc. SPIE, Vol. 7464，746406，2009)中所描述的DPSK解調(diào)采用自由空間結(jié)構(gòu)的馬赫曾德爾干涉儀或邁克爾遜干涉儀，但是沒有提供信號位置探測，不能利用它進(jìn)行精跟蹤。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是克服上述已有技術(shù)困難，提供一種波面差動干涉空間光解調(diào)器，該空間光解調(diào)器可用于空間激光通信DPSK信號解調(diào)和提供精跟蹤用的信號位
直fe息。本發(fā)明的技術(shù)解決方案如下。—種波面差動干涉空間光解調(diào)器，特點在于其構(gòu)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(jìn)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(gòu)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(jīng)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(jìn)入所述的第二偏振分束器構(gòu)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(shè)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(shè)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(shè)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(shè)置第二光電轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換器和第二光電轉(zhuǎn)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于一塊平臺上，該平臺下設(shè)導(dǎo)軌，以供該平臺沿垂直于所述的第一光路方向精密移動，精度微米量級。本發(fā)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(tài)，需要轉(zhuǎn)換為圓偏振光)，經(jīng)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(jīng)過第一二分之一波片和第二二分之一波片后，偏振方向旋轉(zhuǎn)45度。然后經(jīng)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，其中兩兩干涉，一路兩兩相加，另一路兩兩相減，兩路位相差為180度。50 50非偏振分束器將干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(zhuǎn)換器平衡接收為數(shù)據(jù)信號，另一部分四束光經(jīng)位置探測器探測得到位置信息，用來精跟蹤。當(dāng)光束經(jīng)過長臂與短臂的時間差等于調(diào)制數(shù)據(jù)1比特的時間，平衡接收信號即為解調(diào)信號。顯然，本發(fā)明該空間光解調(diào)器可用于空間激光通信DPSK信號解調(diào)和提供精跟蹤用的信號位置信息。


圖1為本發(fā)明波面差動干涉空間光解調(diào)器的主結(jié)構(gòu)示意圖
具體實施例方式下面結(jié)合實施例和附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步說明，但不應(yīng)以此限制本發(fā)明的保護(hù)范圍。如圖1所示，圖1為本發(fā)明波面差動干涉空間光解調(diào)器的主結(jié)構(gòu)示意圖，也是本發(fā)明實施例的主結(jié)構(gòu)示意圖，由圖可見，本發(fā)明波面差動干涉空間光解調(diào)器，構(gòu)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(jìn)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(gòu)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(jīng)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(jìn)入所述的第二偏振分束器5構(gòu)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(shè)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(shè)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(shè)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(shè)置第二光電轉(zhuǎn)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置于一塊平臺16上，該平臺16下設(shè)導(dǎo)軌，以供該平臺16沿垂直于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?？梢蕴綔y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(zhuǎn)換器12和第二光電轉(zhuǎn)換器13為高靈敏度光電管。將光強轉(zhuǎn)換為電流，通過第一光電轉(zhuǎn)換器12和第二光電轉(zhuǎn)換器13的電流相減平衡接收，得到通信傳輸數(shù)據(jù)信息；所述的位相精密控制器2為電光調(diào)制晶體，通過改變偏置電壓，通過晶體的光程變化，精度高于四分之一波長。光學(xué)元件的通光口徑為D，根據(jù)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(tài)，需要轉(zhuǎn)換為圓偏振光)，經(jīng)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(jīng)過第一二分之一波片4 和第二二分之一波片10后，偏振方向旋轉(zhuǎn)45度。然后經(jīng)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，其中兩兩干涉，一路兩兩相加，另一路兩兩相減， 兩路位相差為180度。50 50分束器將干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(shù)據(jù)信號，另一部分四束光經(jīng)光電探測得到位置信息，用來精跟蹤。當(dāng)光束經(jīng)過長臂與短臂的時間差等于調(diào)制數(shù)據(jù)1比特的時間，平衡接收信號即為解調(diào)信號。下面給出本發(fā)明一個實施例的具體結(jié)構(gòu)參數(shù)供參考波面差動干涉空間光解調(diào)器，為400mm*200mm。設(shè)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(diào)制晶體2為Φ 10mm，厚度1mm，用來精密調(diào)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(tǒng)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(jīng)過平衡接收，作為數(shù)據(jù)信號。
權(quán)利要求
1.一種波面差動干涉空間光解調(diào)器，特征在于其構(gòu)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(jìn)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(gòu)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(jīng)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(jìn)入所述的第二偏振分束器( 構(gòu)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(shè)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(shè)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(shè)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(shè)置第二光電轉(zhuǎn)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(jù)權(quán)利要求1所述的波面差動干涉空間光解調(diào)器，其特征在于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(jù)權(quán)利要求1所述的波面差動干涉空間光解調(diào)器，其特征在于所述的第一光電轉(zhuǎn)換器(12)和第二光電轉(zhuǎn)換器(1 為高靈敏度光電管。
4.根據(jù)權(quán)利要求1至3任一項所述的波面差動干涉空間光解調(diào)器，其特征在于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)置于一塊平臺(16)上，該平臺(16)下設(shè)導(dǎo)軌，以供該平臺(16)沿垂直于所述的第一光路方向精密移動。
全文摘要
一種波面差動干涉空間光解調(diào)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(diào)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干涉儀。用于空間激光通信接收機中的光信號解調(diào)，輸出的數(shù)據(jù)光信號用于平衡探測，輸出的位置光信號可用于精跟蹤。
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(yōu)先權(quán)日2010年4月29日
發(fā)明者劉立人, 周煜, 孫建鋒, 欒竹, 職亞楠 申請人:中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機械研究所