一種空間光輸入90°混頻器

張晨祥,陳超,劉子晨,2,尤全,2,謝德權(quán),2,楊奇,2(.武漢郵電科學(xué)研究院,武漢 430074; 2.光纖通信技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,武漢 430074)

?

一種空間光輸入90°混頻器

張晨祥1,陳超1,劉子晨1,2,尤全1,2,謝德權(quán)1,2,楊奇1,2
(1.武漢郵電科學(xué)研究院,武漢 430074; 2.光纖通信技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,武漢 430074)

摘要:針對(duì)激光通信系統(tǒng)對(duì)光混頻器的特殊需求,設(shè)計(jì)并完成了一種信號(hào)光采用空間光輸入、本振光采用保偏光纖輸入的90°混頻器。該器件信號(hào)端輸入的空間光的束腰直徑為10 mm,信號(hào)光插入損耗小于3.1 dB,本振光插入損耗小于2.5 dB,在指定工作波長(zhǎng)處I路和Q路的相位差滿足90°±5°。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,該器件能夠滿足激光通信對(duì)于混頻器的性能需求。

關(guān)鍵詞:90°混頻器;空間光;插入損耗;相位差

0　引 言

90°光混頻器是相干光通信系統(tǒng)中的關(guān)鍵器件,其作用是將輸入的信號(hào)光與本振光進(jìn)行相干混頻,輸出兩束光的合成信號(hào)。該合成信號(hào)可以由后續(xù)的探測(cè)器以及相應(yīng)的電路進(jìn)行處理[1],最后得到信號(hào)光的相位和幅度信息?，F(xiàn)有的90°光混頻器的信號(hào)光多采用光纖輸入,但在某些應(yīng)用領(lǐng)域,如星地激光通信應(yīng)用場(chǎng)景,信號(hào)光在大氣中傳輸,需要采用空間光輸入的90°光混頻器。本文設(shè)計(jì)并完成了一種空間光輸入的90°混頻器,測(cè)試了該器件的各項(xiàng)性能指標(biāo)。

1　空間光輸入90°光混頻器的原理

圖1　空間光輸入90°光混頻器結(jié)構(gòu)示意圖

如圖1所示,空間光輸入90°混頻器主要由兩個(gè)功能模塊組成,圖中,虛線代表空間光,實(shí)線代表光纖傳輸?shù)墓?。空間光輸入模塊可以對(duì)輸入的空間光進(jìn)行處理,得到高斯變換后的光束Pi,混頻模塊對(duì)輸入的Pi以及本振光PLO進(jìn)行混頻,然后輸出4路光信號(hào)。

1.1空間光輸入模塊結(jié)構(gòu)圖

空間光輸入模塊結(jié)構(gòu)圖如圖2所示,其實(shí)質(zhì)是望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)[2]。10 mm束腰直徑的空間光輸入以后,經(jīng)過膠合球透鏡1聚焦,在透鏡1焦點(diǎn)后方放置球透鏡2,經(jīng)過高斯變換后變?yōu)楣馐鳳i。該過程輸入空間光的偏振狀態(tài)沒有改變,而束腰直徑變小,使得后續(xù)模塊能使用單模光纖準(zhǔn)直器接收。

圖2　空間光輸入模塊結(jié)構(gòu)示意圖

1.2混頻模塊原理

混頻模塊結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示[3]。圖中,虛線代表空間光,Pi為輸入信號(hào)光,PLO為輸入的本振光,I0、I180、I90和I270為輸出的4路光信號(hào)。簡(jiǎn)而言之,這種結(jié)構(gòu)就是用PBS(偏振分光棱鏡)將信號(hào)光和本振光的p光、s光進(jìn)行分離,用波片產(chǎn)生相位延遲,從而使得輸出的4路信號(hào)具有90°相位差。

圖3　混頻模塊結(jié)構(gòu)示意圖

下面利用瓊斯矩陣描述該過程。實(shí)際采用的1/4波片的快軸平行于p光,由于輸入信號(hào)光的偏振角度與p光成45°,因此輸入的信號(hào)光可以表示為

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

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

式中,ρ⊥、τ//分別代表PBS偏振分光膜對(duì)s光、p光的相位延遲。

于是,經(jīng)過PBS2以后,兩路光分量分別為

這兩路光分量分別經(jīng)過PBS4和PBS6,得到如下輸出:

所以有:

于是I路與Q路的相位差為

對(duì)于理想PBS,(ρ⊥-τ//)為π/2的整數(shù)倍,則輸出的I路與Q路信號(hào)的相位差為90°,可見PBS的偏振分光膜對(duì)整個(gè)器件的相位差性能有較大影響。

2　實(shí)驗(yàn)及結(jié)果分析

2.1插入損耗

本文所提空間光混頻器采用的均為空間光學(xué)器件,因此插入損耗不能忽略。而實(shí)際中,波片和PBS都存在一定的插入損耗。使用空間光功率計(jì)可以準(zhǔn)確測(cè)量實(shí)驗(yàn)所用波片和PBS的插損,得出的結(jié)論是:波片插損<0.1 dB,PBS的插損約為0.2～0.3 dB。

由于輸出端采用單模光纖準(zhǔn)直器,因此準(zhǔn)直器的耦合效率和對(duì)準(zhǔn)程度也不可忽視[5]。單獨(dú)測(cè)量準(zhǔn)直器的插損約為0.5 dB,而實(shí)驗(yàn)采用了兩路輸入,4路準(zhǔn)直器輸出,因此在耦合和對(duì)準(zhǔn)準(zhǔn)直器時(shí),必須平衡各路的插損情況,此時(shí)準(zhǔn)直器的插損會(huì)>0.5 dB,具體的插損數(shù)值受到多方面因素的共同影響。

插損測(cè)試系統(tǒng)的框圖如圖4所示,分別測(cè)試信號(hào)光和本振光端的插損情況。

圖4　插損測(cè)試系統(tǒng)框圖

當(dāng)輸入不同波長(zhǎng)的信號(hào)光,而本振光無(wú)輸入時(shí),插損情況如表1所示。

表1　信號(hào)光插損測(cè)試結(jié)果

由1.2節(jié)原理分析可知,輸出端口的光信號(hào)經(jīng)過了兩次PBS分光,因此信號(hào)光端的固有插損為6 dB,在此基礎(chǔ)上可以得出,在輸入單頻光條件下,信號(hào)光的最大插損為10-6-0.9=3.1(dB),最小插損為9.9-6-2.1=1.8(dB)。

當(dāng)無(wú)信號(hào)光輸入,本振光輸入不同波長(zhǎng)的光時(shí),插損測(cè)試結(jié)果如表2所示。

表2　本振光插損測(cè)試結(jié)果

本振光從輸入到輸出也經(jīng)過了兩次PBS分光,因此其固有插損也為6 dB。在輸入單頻光的條件下,本振光的最大插損為10.2-6-1.7= 2.5(dB),最小插損為10.3-6-3.3=1(dB)。

可以看出,信號(hào)光的插損比本振光要大,這是符合預(yù)期的。因?yàn)檩斎氲目臻g光信號(hào)要經(jīng)過空間光接收模塊,而本振光是直接光纖輸入。

2.2相差

相差測(cè)試系統(tǒng)如圖5所示,輸出端口1、2、3和4分別對(duì)應(yīng)圖3中的I270、I90、I180和I0。將端口1和端口2作為一組,接入一個(gè)平衡接收機(jī),端口3和端口4作為一組,接入另一個(gè)平衡接收機(jī)。實(shí)驗(yàn)采用u2t公司的BPDV-2150RQ型平衡接收機(jī)。如1.2節(jié)所述,信號(hào)光和本振光均輸入45°線偏光。平衡接收機(jī)輸出電信號(hào),并送到20 GHz帶寬的泰克示波器中進(jìn)行測(cè)試。

圖5　相差測(cè)試系統(tǒng)框圖

信號(hào)光輸入波長(zhǎng)為1 557 nm的線偏光,本振光輸入波長(zhǎng)為1 557.08 nm的線偏光。兩光源的頻率相差10 GHz,偏振角度相同。示波器上顯示的波形如圖6所示,延時(shí)為24.5 ps,10 GHz頻差對(duì)應(yīng)的周期為100 ps,因此I路和Q路信號(hào)的相差為(24.5/100)×360°=88.2°,符合90°±5°的要求。

圖6　1 557 nm處波形圖

圖7　不同信號(hào)光對(duì)準(zhǔn)程度下的相差波形圖

實(shí)驗(yàn)和理論分析表明,影響相差的主要因素是各支路的光程差和PBS偏振分光膜(1.2節(jié)推導(dǎo)的結(jié)論)。當(dāng)頻差在GHz量級(jí)、光程差在mm級(jí)時(shí),光程差引起的相差可以忽略不計(jì)。而PBS偏振分光膜取決于生產(chǎn)供應(yīng)商的制作水準(zhǔn)。

另一個(gè)值得考慮的問題是信號(hào)光源與混頻器對(duì)準(zhǔn)程度對(duì)相差的影響。如圖5所示的測(cè)試平臺(tái),調(diào)節(jié)信號(hào)光的對(duì)準(zhǔn)程度,使插損有較大差異,再測(cè)量相差。不同信號(hào)光對(duì)準(zhǔn)程度下的相差波形如圖7所示。由圖可知,對(duì)準(zhǔn)程度會(huì)明顯影響到信號(hào)光插損,即各支路的輸出功率會(huì)產(chǎn)生較大變化,圖7(a)、(b)顯示波形的幅值說(shuō)明了這一點(diǎn)。圖(a)的對(duì)準(zhǔn)程度較差,插損較大;圖(b)的對(duì)準(zhǔn)程度較好,插損較小。而由圖7可以看出,兩波形的相差不發(fā)生變化,一波的波峰對(duì)應(yīng)另一波的零點(diǎn),也就是說(shuō)相差保持為90°不變。

3　結(jié)束語(yǔ)

空間光通信是光通信的重要組成部分。而空間光輸入混頻器則是空間光通信的關(guān)鍵器件之一。本文設(shè)計(jì)并研制了一種信號(hào)光采取空間光輸入的90°混頻器,測(cè)試了該器件的性能。該器件信號(hào)端輸入空間光的束腰直徑為10 mm,信號(hào)光插入損耗<3.1 dB,本振光插入損耗<2.5 dB,在工作波長(zhǎng)1 557 nm處,I路和Q路的相位差為88.2°,滿足業(yè)界90°±5°的要求。本文研制的空間光輸入90°混頻器在星地通信及其他大氣通信領(lǐng)域具有一定的實(shí)用價(jià)值。

參考文獻(xiàn):

[1] 周凌堯.相干光通信中的90°光混頻器[D].成都:電子科技大學(xué),2011:11-12.

[2] 郁道銀,談恒英.工程光學(xué)[M].北京:機(jī)械工業(yè)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] 盧亞雄,呂百達(dá).矩陣光學(xué)[M].大連:大連理工大學(xué)出版社,1989:323-351.

[5] 鄧科.空間光光纖耦合技術(shù)研究[D].成都:電子科技大學(xué),2007:56-58.

無(wú)線通信技術(shù)

光通信系統(tǒng)與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)

光電器件研究與應(yīng)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

中圖分類號(hào):TN256

文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A

文章編號(hào):1005-8788(2016)01-0045-03

收稿日期:2015-07-03

基金項(xiàng)目:武漢市科學(xué)技術(shù)計(jì)劃資助項(xiàng)目(2014010202010080)

作者簡(jiǎn)介:張晨祥(1988-),男,湖北孝感人。碩士研究生,主要研究方向?yàn)樾盘?hào)與信息處理。

doi:10.13756/j.gtxyj.2016.01.014