專(zhuān)利名稱(chēng)：基于光束偏移器的空間激光通信雙折射濾波方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于空間激光通信領(lǐng)域。具體涉及一種激光通信的光學(xué)濾波方法。
背景技術(shù)：
空間激光通信由于具有通信容量大、方向性好、尺寸小、體積和功耗小等優(yōu)點(diǎn)，目前已成為空間通信領(lǐng)域的重要研究課題?，F(xiàn)有的空間激光通信大都采用強(qiáng)度調(diào)制、直接探測(cè)的方式進(jìn)行通信，光波在空間中傳播時(shí)，由于受到日光、月光、星光、大氣和海水散射等雜散光的影響，探測(cè)信號(hào)中夾雜著很強(qiáng)的背景噪聲。這將增大通信的誤碼率，降低通信質(zhì)量。在通信接收終端中加入窄帶光學(xué)濾波系統(tǒng)，可以有效的抑制背景噪聲的影響，提高通信系統(tǒng)性能。目前，常見(jiàn)的光學(xué)濾波器件有干涉濾波器、原子濾波器和雙折射濾波器等。干涉濾波器是利用多光束干涉的原理濾除背景噪聲。常用Fabry-Perot干涉儀作 為濾波結(jié)構(gòu)，即將兩塊光學(xué)平板平行放置，兩板的內(nèi)表面鍍高反射膜，這樣光波在干涉儀中傳播時(shí)，會(huì)發(fā)生多光束干涉，只有特定波長(zhǎng)的光才能透過(guò)干涉儀。透射波長(zhǎng)由Fabry-Perot干涉儀結(jié)構(gòu)參數(shù)決定。將多個(gè)Fabry-Perot干涉儀級(jí)聯(lián)使用就構(gòu)成一個(gè)窄帶光學(xué)濾波器。級(jí)聯(lián)數(shù)目越多，濾波器帶寬越窄，但峰值功率會(huì)降低。干涉濾波器的透射波長(zhǎng)可以通過(guò)改變Fabry-Perot干涉儀結(jié)構(gòu)參數(shù)的方法進(jìn)行調(diào)節(jié),但調(diào)節(jié)難度相對(duì)較大,這對(duì)于相對(duì)高速運(yùn)動(dòng)物體之間的通信，特別是“衛(wèi)星-衛(wèi)星”、“衛(wèi)星-地面”等存在多普勒頻移、需要對(duì)中心波長(zhǎng)進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)制的應(yīng)用場(chǎng)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)、激光感生光學(xué)各向異性原子光學(xué)濾波器(LIAOF)。ARF是利用原子內(nèi)部的共振躍遷實(shí)現(xiàn)窄線寬濾波，通俗的講就是原子在很窄的線寬范圍內(nèi)吸收信號(hào)光，然后發(fā)射受信號(hào)光調(diào)制的熒光，進(jìn)而被探測(cè)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(gòu)成。當(dāng)向原子池中加入縱向磁場(chǎng)時(shí)，原子池會(huì)發(fā)生反常色散，偏振光通過(guò)時(shí)將產(chǎn)生Faraday旋光效應(yīng)，偏振面發(fā)生旋轉(zhuǎn)，不同波長(zhǎng)光的旋轉(zhuǎn)角度不同，這樣只有特定波長(zhǎng)的光才能通過(guò)檢偏器，達(dá)到光學(xué)濾波的目的。LIAOF原理與FADOF基本相同，區(qū)別在于線偏振光的偏振面旋轉(zhuǎn)是由于外加圓偏振泵浦場(chǎng)選擇性激發(fā)而導(dǎo)致的。這三種原子濾波器帶寬均可達(dá)到GHz量級(jí)。但由于工藝制作難度大，并且中心波長(zhǎng)調(diào)諧性差，原子濾波器目前尚處于實(shí)驗(yàn)室研究階段。雙折射濾波器主要是利用偏光干涉原理進(jìn)行濾波的，按照結(jié)構(gòu)的不同可以分為L(zhǎng)yot-Ohman和Solc濾波器。Lyot-Ohman濾波器是由多個(gè)雙折射濾波單元級(jí)聯(lián)而成的,每個(gè)單元由兩個(gè)正交的偏振片和夾在其中的雙折射晶體組成。級(jí)聯(lián)單元中晶體長(zhǎng)度依次增大。Solc濾波器由兩個(gè)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(gè)晶體相對(duì)于起偏器的方位角依次遞增。目前以Lyot-Ohman濾波器較為常見(jiàn)。光波經(jīng)過(guò)雙折射濾波器后，發(fā)生偏光干涉，只有特定波長(zhǎng)的光才能透過(guò)，透射波長(zhǎng)由濾波器的結(jié)構(gòu)參數(shù)決定。雙折射晶體可以采用聲光晶體和電光晶體，可調(diào)性很強(qiáng)。然而，對(duì)于空間通信，當(dāng)光信號(hào)經(jīng)過(guò)大氣或者海水時(shí)，散射的存在會(huì)使得光波偏振態(tài)發(fā)生變化，由于雙折射濾波器中光波必須經(jīng)過(guò)起偏器才能實(shí)現(xiàn)有效的濾波，這樣將產(chǎn)生偏振消光損耗會(huì)，造成信號(hào)強(qiáng)度的起伏，甚至完全消光。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服上述光學(xué)濾波方法的不足，在現(xiàn)有雙折射濾波器的基礎(chǔ)上，提供一種基于光束偏移器的空間激光通信雙折射濾波方法，顯著降低了偏振消光損耗。為實(shí)現(xiàn)以上發(fā)明目的，本發(fā)明提供以下基本解決方案一種基于光束偏移器的空間激光通信雙折射濾波方法，包括以下步驟(I)利用光學(xué)天線對(duì)空間光信號(hào)進(jìn)行采集和會(huì)聚；(2)對(duì)會(huì)聚光進(jìn)行準(zhǔn)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，并且光束分離長(zhǎng)度大于光斑直徑(從而保證了兩束平行光的光斑無(wú)交疊)；(4)在其中一束線偏振光的輸出光路上設(shè)置光學(xué)半波片，實(shí)現(xiàn)該束線偏振光的偏振面旋轉(zhuǎn)90°，使其偏振方向與另一束線偏振光相同；同時(shí)利用光學(xué)延遲器對(duì)所述另一束線偏振光的光程進(jìn)行補(bǔ)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(shí)通過(guò))，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)采用兩個(gè)相同的光電檢測(cè)裝置對(duì)兩束線偏振光分別進(jìn)行探測(cè)，將光信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)；(7)調(diào)整兩個(gè)電信號(hào)的傳輸時(shí)延，使之在時(shí)間上同步，然后將兩個(gè)電信號(hào)相加，合成最終的通信信號(hào)，實(shí)現(xiàn)無(wú)偏振消光損耗的雙折射濾波?；谏鲜龌炯夹g(shù)方案，本發(fā)明還進(jìn)行了以下優(yōu)化限定和改進(jìn)上述步驟(2)是通過(guò)對(duì)準(zhǔn)直透鏡和光學(xué)天線的設(shè)置，使準(zhǔn)直透鏡焦距與光學(xué)天線焦距的比值滿足準(zhǔn)直后光斑的尺寸要求。(因?yàn)橥ǔＰ枰档蜏?zhǔn)直后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(zhǎng)度大于光斑直徑，是通過(guò)增大光束偏移器長(zhǎng)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制作光束偏移器，使得兩束折射光夾角Θ足夠大)來(lái)實(shí)現(xiàn)。本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)I.不存在偏振消光損耗。由于米用光束偏移器將入射光分離為兩個(gè)偏振方向正交的光束，并對(duì)其分別進(jìn)行光學(xué)濾波和探測(cè)，因此不論入射光處于何種偏振狀態(tài)下，總可以被探測(cè)到；2.結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。在本發(fā)明中利用一個(gè)雙折射濾波器同時(shí)對(duì)兩束線偏振光進(jìn)行濾波處理，簡(jiǎn)化了系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。


圖I是本發(fā)明的原理示意圖；圖2是光信號(hào)擴(kuò)束(準(zhǔn)直)原理示意圖3是光束偏移器原理不意圖。
具體實(shí)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(yīng)，即入射光從空間傳輸介質(zhì)斜入射到雙折射晶體時(shí)，會(huì)即發(fā)生雙折射現(xiàn)象IiiSin Θ i = n0sin Θ toIiiSin Θ j = nesin Θ te其中ni是入射介質(zhì)的折射率，n。、ne分別對(duì)應(yīng)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于雙折射晶體的光軸，異常光偏振方向平行于晶體光軸。由 于兩束光的折射率不同，因此對(duì)應(yīng)的折射角也不同，從而產(chǎn)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(dāng)兩束折射光在晶體中傳輸一段距離后，相對(duì)位置將發(fā)生偏移。并且隨著折射光夾角的增大和傳輸距離的增長(zhǎng)，偏移距離變大。因此可以通過(guò)增大入射角、提高尋常光和異常光折射率差、加長(zhǎng)傳輸距離的辦法增大兩束折射光的偏移距離。但由于增大入射角會(huì)加大入射面的反射，因此一般采用后兩種方法。由于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后傳播方向一致。這時(shí)，利用半波片使其中一束光的偏振方向旋轉(zhuǎn)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(gè)雙折射濾波器中，只要濾波器入射面足夠大，就可以同時(shí)對(duì)這兩束光進(jìn)行濾波處理。然后用兩個(gè)光電檢測(cè)裝置在濾波器出射端分別對(duì)光信號(hào)進(jìn)行探測(cè)，將其轉(zhuǎn)換為電信號(hào)；最后在電域?qū)⑻綔y(cè)到的兩個(gè)信號(hào)相加，就可以得到最終的通信信號(hào)。參照?qǐng)DI所示，基于光束偏移器的空間激光通信雙折射濾波方法包括如下步驟(I)空間信號(hào)光的采集和會(huì)聚。參照?qǐng)D2，利用光學(xué)天線將到達(dá)其表面的光信號(hào)采集并會(huì)聚在光學(xué)天線的焦點(diǎn)處，光學(xué)天線等效焦距為，口徑為D。該步驟為常規(guī)技術(shù)手段。(2)光束的準(zhǔn)直。參照?qǐng)D2，在光學(xué)天線后面接入一個(gè)焦距為f2的光學(xué)透鏡，透鏡的物方焦點(diǎn)和光學(xué)天線的像方焦點(diǎn)重合，使得信號(hào)光經(jīng)過(guò)透鏡后成為平行光，并且光斑直徑d (D X fjfx)，通過(guò)減小光學(xué)透鏡和光學(xué)天線焦距的比值f2/f i，可以降低擴(kuò)束光斑直徑CL(3)信號(hào)光的偏振分束。參照?qǐng)D3，平行光進(jìn)入光束偏移器后分離為兩束偏振方向正交的線偏振光，然后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制作光束偏移器，使得兩束折射光夾角Θ足夠大，同時(shí)加長(zhǎng)光束偏移器長(zhǎng)度，使得光束分離長(zhǎng)度屯大于擴(kuò)束光斑直徑d,即兩束線偏振光完全分開(kāi)。(4)偏振方向的調(diào)整。使其中一束光經(jīng)過(guò)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(jīng)過(guò)半波片后偏振方向旋轉(zhuǎn)了 90° ,與另一束光偏振方向一致；同時(shí)使另一束偏振光經(jīng)過(guò)補(bǔ)償器，使得兩束光光程基本相等。
(5)光學(xué)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(shí)通過(guò)，并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(cè)。利用兩個(gè)相同的光電檢測(cè)裝置PDl和PD2對(duì)兩束光的分別進(jìn)行探測(cè)，將光信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)。(7)調(diào)整兩個(gè)電信號(hào)的傳輸時(shí)延，使之在時(shí)間上同步，然后將兩個(gè)電信號(hào)相加，得到最終的通信信號(hào)。本發(fā)明的可行性可以通過(guò)以下實(shí)施例進(jìn)行說(shuō)明實(shí)施例信號(hào)光為任意偏振態(tài)參照?qǐng)DI。按照如下步驟完成任意偏振態(tài)空間信號(hào)光的雙折射濾波。(I)空間信號(hào)光的采集和會(huì)聚。參照?qǐng)D2，利用光學(xué)天線將到達(dá)其表面的光信號(hào)采集并會(huì)聚在光學(xué)天線的焦點(diǎn)處，光學(xué)天線等效焦距為口徑為D。(2)光束的準(zhǔn)直。參照?qǐng)D2，在光學(xué)天線后面接入一個(gè)焦距為f2的光學(xué)透鏡，透鏡的物方焦點(diǎn)和光學(xué)天線的像方焦點(diǎn)重合，使得信號(hào)光經(jīng)過(guò)透鏡后成為平行光，并且光斑直徑d (D X fjfx)，通過(guò)減小光學(xué)透鏡和光學(xué)天線焦距的比值f2/f i，可以降低擴(kuò)束光斑直徑CL(3)信號(hào)光的偏振分束。參照?qǐng)D3，平行光進(jìn)入光束偏移器后分離為兩束偏振方向正交的線偏振光，然后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制作光束偏移器，使得兩束折射光夾角Θ足夠大，同時(shí)加長(zhǎng)光束偏移器長(zhǎng)度，使得光束分離長(zhǎng)度Cltl大于擴(kuò)束光斑直徑d,即兩束線偏振光完全分開(kāi)。假設(shè)入射光光強(qiáng)為I ( λ )，不論其為偏振光、部分偏振光還是完全非偏振光，以光束偏移器的本征軸為坐標(biāo),分束后兩束線偏振光的光強(qiáng)分別表示為
權(quán)利要求
1.一種基于光束偏移器的空間激光通信雙折射濾波方法，包括以下步驟 (1)利用光學(xué)天線對(duì)空間光信號(hào)進(jìn)行采集和會(huì)聚； (2)對(duì)會(huì)聚光進(jìn)行準(zhǔn)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，并且光束分離長(zhǎng)度大于光斑直徑； (4)在其中一束線偏振光的輸出光路上設(shè)置光學(xué)半波片，實(shí)現(xiàn)該束線偏振光的偏振面旋轉(zhuǎn)90°，使其偏振方向與另一束線偏振光相同；同時(shí)利用光學(xué)延遲器對(duì)所述另一束線偏振光的光程進(jìn)行補(bǔ)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)采用兩個(gè)相同的光電檢測(cè)裝置對(duì)兩束線偏振光分別進(jìn)行探測(cè)，將光信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào); (7)調(diào)整兩個(gè)電信號(hào)的傳輸時(shí)延，使之在時(shí)間上同歩，然后將兩個(gè)電信號(hào)相加，合成最終的通信信號(hào)，實(shí)現(xiàn)無(wú)偏振消光損耗的雙折射濾波。
2.根據(jù)權(quán)利要求書(shū)I所述的方法，其中，步驟(2)是通過(guò)對(duì)準(zhǔn)直透鏡和光學(xué)天線的設(shè)置，使準(zhǔn)直透鏡焦距與光學(xué)天線焦距的比值滿足準(zhǔn)直后光斑的尺寸要求。
3.根據(jù)權(quán)利要求書(shū)I所述的方法，其中，步驟(3)中所述的光束分離長(zhǎng)度大于光斑直徑，是通過(guò)增大光束偏移器長(zhǎng)度和光束偏移器中平常光與異常光的折射率差來(lái)實(shí)現(xiàn)。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種基于光束偏移器的空間激光通信雙折射濾波方法。該方法利用光束偏移器將光信號(hào)分離為偏振方向正交的兩束線偏振光，同時(shí)利用半波片將其中一束光偏振方向旋轉(zhuǎn)90°，利用延遲器調(diào)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；最后同時(shí)使兩束線偏振光通過(guò)雙折射濾光器實(shí)現(xiàn)光學(xué)濾波，分別探測(cè)兩束光信號(hào)并在電域?qū)⑵湎嗉拥玫阶罱K的通信信號(hào)。本發(fā)明在光學(xué)濾波過(guò)程中不存在偏振消光損耗，并且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，降低了推廣難度。
文檔編號(hào)H04B10/11GK102866464SQ20121036116
公開(kāi)日2013年1月9日 申請(qǐng)日期2012年9月25日 優(yōu)先權(quán)日2012年9月25日
發(fā)明者韓彪, 謝小平, 黃新寧, 胡輝, 汪偉, 段弢, 趙衛(wèi) 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院西安光學(xué)精密機(jī)械研究所