一种空间光输入90°混频器

张晨祥,陈超,刘子晨,2,尤全,2,谢德权,2,杨奇,2(.武汉邮电科学研究院,武汉 430074; 2.光纤通信技术和网络国家重点实验室,武汉 430074)



一种空间光输入90°混频器

张晨祥1,陈超1,刘子晨1,2,尤全1,2,谢德权1,2,杨奇1,2
(1.武汉邮电科学研究院,武汉 430074; 2.光纤通信技术和网络国家重点实验室,武汉 430074)

摘要:针对激光通信系统对光混频器的特殊需求,设计并完成了一种信号光采用空间光输入、本振光采用保偏光纤输入的90°混频器。该器件信号端输入的空间光的束腰直径为10 mm,信号光插入损耗小于3.1 dB,本振光插入损耗小于2.5 dB,在指定工作波长处I路和Q路的相位差满足90°±5°。实验结果表明,该器件能够满足激光通信对于混频器的性能需求。

关键词:90°混频器;空间光;插入损耗;相位差

0　引 言

90°光混频器是相干光通信系统中的关键器件,其作用是将输入的信号光与本振光进行相干混频,输出两束光的合成信号。该合成信号可以由后续的探测器以及相应的电路进行处理[1],最后得到信号光的相位和幅度信息。现有的90°光混频器的信号光多采用光纤输入,但在某些应用领域,如星地激光通信应用场景,信号光在大气中传输,需要采用空间光输入的90°光混频器。本文设计并完成了一种空间光输入的90°混频器,测试了该器件的各项性能指标。

1　空间光输入90°光混频器的原理

图1　空间光输入90°光混频器结构示意图

如图1所示,空间光输入90°混频器主要由两个功能模块组成,图中,虚线代表空间光,实线代表光纤传输的光。空间光输入模块可以对输入的空间光进行处理,得到高斯变换后的光束Pi,混频模块对输入的Pi以及本振光PLO进行混频,然后输出4路光信号。

1.1空间光输入模块结构图

空间光输入模块结构图如图2所示,其实质是望远镜系统[2]。10 mm束腰直径的空间光输入以后,经过胶合球透镜1聚焦,在透镜1焦点后方放置球透镜2,经过高斯变换后变为光束Pi。该过程输入空间光的偏振状态没有改变,而束腰直径变小,使得后续模块能使用单模光纤准直器接收。

图2　空间光输入模块结构示意图

1.2混频模块原理

混频模块结构示意图如图3所示[3]。图中,虚线代表空间光,Pi为输入信号光,PLO为输入的本振光,I0、I180、I90和I270为输出的4路光信号。简而言之,这种结构就是用PBS(偏振分光棱镜)将信号光和本振光的p光、s光进行分离,用波片产生相位延迟,从而使得输出的4路信号具有90°相位差。

图3　混频模块结构示意图

下面利用琼斯矩阵描述该过程。实际采用的1/4波片的快轴平行于p光,由于输入信号光的偏振角度与p光成45°,因此输入的信号光可以表示为

式中,Pi(x,y,z)=Pi(x,y)exp(i(kz-ωt));本振光可以表示为

式中,PLO(x,y,z)=PLO(x,y)exp(i(kz-ωt));快轴平行于p光的1/4波片可表示为[4]快轴与p光成22.5°的1/2波片可以表示为PBS可以表示为

式中,ρ⊥、τ//分别代表PBS偏振分光膜对s光、p光的相位延迟。

于是,经过PBS2以后,两路光分量分别为

这两路光分量分别经过PBS4和PBS6,得到如下输出:

所以有:

于是I路与Q路的相位差为

对于理想PBS,(ρ⊥-τ//)为π/2的整数倍,则输出的I路与Q路信号的相位差为90°,可见PBS的偏振分光膜对整个器件的相位差性能有较大影响。

2　实验及结果分析

2.1插入损耗

本文所提空间光混频器采用的均为空间光学器件,因此插入损耗不能忽略。而实际中,波片和PBS都存在一定的插入损耗。使用空间光功率计可以准确测量实验所用波片和PBS的插损,得出的结论是:波片插损<0.1 dB,PBS的插损约为0.2～0.3 dB。

由于输出端采用单模光纤准直器,因此准直器的耦合效率和对准程度也不可忽视[5]。单独测量准直器的插损约为0.5 dB,而实验采用了两路输入,4路准直器输出,因此在耦合和对准准直器时,必须平衡各路的插损情况,此时准直器的插损会>0.5 dB,具体的插损数值受到多方面因素的共同影响。

插损测试系统的框图如图4所示,分别测试信号光和本振光端的插损情况。

图4　插损测试系统框图

当输入不同波长的信号光,而本振光无输入时,插损情况如表1所示。

表1　信号光插损测试结果

由1.2节原理分析可知,输出端口的光信号经过了两次PBS分光,因此信号光端的固有插损为6 dB,在此基础上可以得出,在输入单频光条件下,信号光的最大插损为10-6-0.9=3.1(dB),最小插损为9.9-6-2.1=1.8(dB)。

当无信号光输入,本振光输入不同波长的光时,插损测试结果如表2所示。

表2　本振光插损测试结果

本振光从输入到输出也经过了两次PBS分光,因此其固有插损也为6 dB。在输入单频光的条件下,本振光的最大插损为10.2-6-1.7= 2.5(dB),最小插损为10.3-6-3.3=1(dB)。

可以看出,信号光的插损比本振光要大,这是符合预期的。因为输入的空间光信号要经过空间光接收模块,而本振光是直接光纤输入。

2.2相差

相差测试系统如图5所示,输出端口1、2、3和4分别对应图3中的I270、I90、I180和I0。将端口1和端口2作为一组,接入一个平衡接收机,端口3和端口4作为一组,接入另一个平衡接收机。实验采用u2t公司的BPDV-2150RQ型平衡接收机。如1.2节所述,信号光和本振光均输入45°线偏光。平衡接收机输出电信号,并送到20 GHz带宽的泰克示波器中进行测试。

图5　相差测试系统框图

信号光输入波长为1 557 nm的线偏光,本振光输入波长为1 557.08 nm的线偏光。两光源的频率相差10 GHz,偏振角度相同。示波器上显示的波形如图6所示,延时为24.5 ps,10 GHz频差对应的周期为100 ps,因此I路和Q路信号的相差为(24.5/100)×360°=88.2°,符合90°±5°的要求。

图6　1 557 nm处波形图

图7　不同信号光对准程度下的相差波形图

实验和理论分析表明,影响相差的主要因素是各支路的光程差和PBS偏振分光膜(1.2节推导的结论)。当频差在GHz量级、光程差在mm级时,光程差引起的相差可以忽略不计。而PBS偏振分光膜取决于生产供应商的制作水准。

另一个值得考虑的问题是信号光源与混频器对准程度对相差的影响。如图5所示的测试平台,调节信号光的对准程度,使插损有较大差异,再测量相差。不同信号光对准程度下的相差波形如图7所示。由图可知,对准程度会明显影响到信号光插损,即各支路的输出功率会产生较大变化,图7(a)、(b)显示波形的幅值说明了这一点。图(a)的对准程度较差,插损较大;图(b)的对准程度较好,插损较小。而由图7可以看出,两波形的相差不发生变化,一波的波峰对应另一波的零点,也就是说相差保持为90°不变。

3　结束语

空间光通信是光通信的重要组成部分。而空间光输入混频器则是空间光通信的关键器件之一。本文设计并研制了一种信号光采取空间光输入的90°混频器,测试了该器件的性能。该器件信号端输入空间光的束腰直径为10 mm,信号光插入损耗<3.1 dB,本振光插入损耗<2.5 dB,在工作波长1 557 nm处,I路和Q路的相位差为88.2°,满足业界90°±5°的要求。本文研制的空间光输入90°混频器在星地通信及其他大气通信领域具有一定的实用价值。

参考文献:

[1] 周凌尧.相干光通信中的90°光混频器[D].成都:电子科技大学,2011:11-12.

[2] 郁道银,谈恒英.工程光学[M].北京:机械工业出版社,2006:400-450.

[3] Garreis R,Zeiss Carl.90°optical hybrid for coherent receivers[J].Proc of SPIE,1991,1522:210-219.

[4] 卢亚雄,吕百达.矩阵光学[M].大连:大连理工大学出版社,1989:323-351.

[5] 邓科.空间光光纤耦合技术研究[D].成都:电子科技大学,2007:56-58.

无线通信技术

光通信系统与网络技术

光电器件研究与应用

A Spatial Light Optical Input 90°Mixer

ZHANG Chen-xiang1,CHEN Chao1,LIU Zi-chen1,2,YOU Quan1,2,XIE De-quan1,2,YANG Qi1,2
(1.Wuhan Research Institute of Post&Telecommunications,Wuhan 430074,China;
2.State Key Laboratory of Optical Communication Technologies and Networks,Wuhan 430074,China)

Abstract:In view of the special requirements of laser communication systems for optical mixers,this paper designs and completes a 90°mixer,with the signal light by spatial light input and the Local Oscillating(LO)light by polarization maintaining fiber input.The beam waist diameter of the spatial light introduced from the signal end of the device is 10 mm,the insertion loss of the signal light is less than 3.1 dB and that of the LO less than 2.5 dB.At the specified operating wavelength,the phase difference between branch I and branch Q satisfies 90°±5°.The experimental results show that this device meets the requirements of laser communication for mixer performances.

Key words:90°mixer;spatial light;insertion loss;phase difference

中图分类号:TN256

文献标志码:A

文章编号:1005-8788(2016)01-0045-03

收稿日期:2015-07-03

基金项目:武汉市科学技术计划资助项目(2014010202010080)

作者简介:张晨祥(1988-),男,湖北孝感人。硕士研究生,主要研究方向为信号与信息处理。

doi:10.13756/j.gtxyj.2016.01.014