專利名稱：差動(dòng)光柵空間光橋接器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及相干探測(cè)、相干激光通信和激光雷達(dá)領(lǐng)域，具體是一種 差動(dòng)光柵空間光橋接器，利用差動(dòng)光柵空間光橋接器，在相干探測(cè)的光接收機(jī)
中用于空間復(fù)合激光信號(hào)光束和本機(jī)振蕩激光光束，并根據(jù)需要產(chǎn)生90度，180 度相移輸出，實(shí)現(xiàn)空間的2x2 90度，2x2 180度和2x4 90度光橋接器。
背景技術(shù)：
相干探測(cè)技術(shù)和目前普遍采用的直接探測(cè)技術(shù)相比，其接收機(jī)的靈敏度高 一個(gè)量級(jí)以上，是實(shí)現(xiàn)高靈敏度接收，提高數(shù)據(jù)傳輸速率和降低體積、質(zhì)量和 功耗的有效方法，采用相干探測(cè)體制的光接收機(jī)有零差和外差兩種接收方式， 但不管是何種方式，在進(jìn)行探測(cè)之前都需要光橋接器將信號(hào)激光和本振激光進(jìn) 行鏈接并產(chǎn)生所需的相移輸出，因此，光橋接器是相干光探測(cè)系統(tǒng)中的關(guān)鍵器 件之一。根據(jù)產(chǎn)生相移的類型，光學(xué)橋接器分為90°、 180°兩種，其中180° 相移橋接器用于平衡鎖相環(huán)路接收機(jī)，90°相移橋接器用于科斯塔斯鎖相環(huán)路 接收機(jī)。根據(jù)輸入-輸出端口的數(shù)量分為2X2， 2X4等不同的類型。根據(jù)信號(hào) 激光和本振激光的復(fù)合方式可分波導(dǎo)、光纖耦合型和自由空間傳播型，現(xiàn)有的 光橋接器大多都是針對(duì)地面光纖通信系統(tǒng)發(fā)展的波導(dǎo)和光纖器件，不屬于自由 空間光學(xué)橋接器。在自由空間光橋接中，先技術(shù)[l]， [2](參見文獻(xiàn)l: Walter R. leeb. Realization o f 90° and 180° Hybrids for Optical Frequencies [C]. AE(l， Band 37 [1983]， Heft 5/6:203—206.文獻(xiàn)2: R. Garreis， C. Zeiss, 〃90° optical hybrid for coherent receivers, 〃 尸roc. 6TY《 Vol. 1522， pp.210-219, 1991.)采用波片結(jié)合偏振光干涉原理提出了可實(shí)現(xiàn)90度和180度相移的2X2空間光橋接器方案，文獻(xiàn)2則在此基礎(chǔ)上提出了 2X4的90度 相移的實(shí)現(xiàn)方案，但該方案存在整個(gè)光學(xué)系統(tǒng)需要保證光束的嚴(yán)格等光程傳 輸，相關(guān)元件過多，不易集成以及不能寬光譜使用的缺點(diǎn)。文獻(xiàn)[l]中的2X2 90 度空間光橋接器還有須損失50%能量的缺點(diǎn)。先技術(shù)[3]， [4](參見文獻(xiàn)3:劉 立人，劉德安，閆愛民，欒竹，王利娟，孫建鋒，鐘向紅，電控相移空間光橋 接器，發(fā)明專利，公告號(hào)100383572，同名實(shí)用新型專利公告號(hào)200959599; 文獻(xiàn)4:劉立人，閆愛民，欒竹，劉德安，孫建鋒，王利娟，鐘向紅，雙折射 自由空間光橋接器，發(fā)明專利，公告號(hào)100383571，同名實(shí)用新型專利公告 號(hào)2899300)綜合利用晶體的雙折射效應(yīng)和電光效應(yīng)提出了另外的2X4 90度 空間光橋接器方案，雖然解決了先技術(shù)[l]， [2]相關(guān)元件過多，不易集成的缺 點(diǎn)，但該技術(shù)方案對(duì)晶體的切割精度要求高，需嚴(yán)格保證晶體光軸、晶體主截 面和輸入的線偏振光之間的角度關(guān)系，否則影響相干接收效率，此外，該技術(shù) 方案還具有不能使用斜光束入射的缺點(diǎn)。

實(shí)用新型內(nèi)容
為了克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，本實(shí)用新型提供一種利用差動(dòng)光柵進(jìn)行信號(hào)光 和本振光的耦合并產(chǎn)生所需相移的差動(dòng)光柵空間光橋接器。
為了解決上述技術(shù)問題，本實(shí)用新型的技術(shù)方案如下
一種差動(dòng)光柵空間光橋接器，它包括2x2的90度和180度空間光橋接器和 2x4的90度空間光橋接器；所述的2x2的90度和180度空間光橋接器僅由一 塊差動(dòng)光柵(01)構(gòu)成；所述的2x4的90度空間光橋接器，由差動(dòng)光柵(Ol)， 準(zhǔn)直透鏡(06)，偏振分束器(07)和(08)元部件構(gòu)成，各元部件的位置關(guān) 系是沿光線的行進(jìn)方向依次是差動(dòng)光柵(01)，準(zhǔn)直透鏡(06)，偏振分束器 (07)和(08)。上述的2x2的90度和180度空間光橋接器即差動(dòng)光柵(01 )是在一塊光柵
上具有兩個(gè)相互錯(cuò)開的周期相同的周期性空間結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)有兩種結(jié)構(gòu)一
是一塊光柵上有一分為二的兩個(gè)面積相同的區(qū)域，其中一個(gè)區(qū)域刻有空間頻率 為,的周期性結(jié)構(gòu)，另一個(gè)區(qū)域刻有以第一個(gè)區(qū)域的刻槽中心線為基線平行移
動(dòng)一微小距離A的相同空間周期結(jié)構(gòu)，其Ad/,，對(duì)于2X2的90度空間光橋
接器，差動(dòng)量為A-^;對(duì)于2X2的180度空間光橋接器，差動(dòng)量為^ =丄；
8厶 4厶
結(jié)構(gòu)二是光柵上有兩個(gè)平行錯(cuò)開的周期性空間結(jié)構(gòu)，相同的刻槽中心線相距一 微小距離A， A<l//;，對(duì)于2X2的90度橋接器，相距距離為Az丄，對(duì)于2
X2的180度橋接器，相距距離為A-1。
上述的2x4的90度差動(dòng)光柵空間光橋接器的差動(dòng)光柵(01)的結(jié)構(gòu)和2X 2的90度橋接器相同，它位于準(zhǔn)直透鏡(06)的前焦平面。
上述的2x4的90度差動(dòng)光柵空間光橋接器的偏振分束器(07)和(08) 是把入射光分為光矢量振動(dòng)方向相互垂直的等光強(qiáng)的分束器，其主截面和入射 的其中一個(gè)線偏振光如信號(hào)光(02)或本振光(03)的光矢量振動(dòng)方向之間的 夾角為45度，其入射面垂直入射光線方向；偏振分束器(07)和(08)其兩 個(gè)入射面對(duì)齊平行放置。
本實(shí)用新型與現(xiàn)有技術(shù)比較的益效是
本實(shí)用新型差動(dòng)光柵空間光橋接器利用差動(dòng)光柵進(jìn)行信號(hào)光和本振光的
耦合并產(chǎn)生所需相移，除具有體積小，重量輕，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可寬光譜使用和斜
光束入射使用的特點(diǎn)外，和傳統(tǒng)的2X2 90度空間光橋接器相比，更是具有不
必?fù)p失50%能量的優(yōu)點(diǎn)。適用于自由空間傳播的相干探測(cè)和通信系統(tǒng)。


圖1是本實(shí)用新型差動(dòng)光柵空間光橋接器結(jié)構(gòu)示意圖。圖2是2X2的差動(dòng)光柵90度和180度空間光橋接器結(jié)構(gòu)示意圖 圖3是2 X 4的差動(dòng)光柵90度空間光橋接器結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施方式
下面結(jié)合實(shí)施例附圖對(duì)本實(shí)用新型作進(jìn)一步說明，但不應(yīng)以此限制本實(shí)用 新型的保護(hù)范圍。
圖l、圖2和圖3是本實(shí)用新型差動(dòng)光柵空間光橋接器結(jié)構(gòu)示意圖。由圖 可見，本實(shí)用新型所述的2 X2的卯度和180度空間光橋接器是一塊差動(dòng)光柵, 其結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。差動(dòng)光柵的結(jié)構(gòu)特征為一個(gè)光柵上有兩個(gè)相同周期 的周期性空間結(jié)構(gòu)。有兩種制作方法，如圖l(a)， (b)所示。結(jié)構(gòu)一把一塊光 柵分為面積相同的兩個(gè)區(qū)域，先在其中的一個(gè)區(qū)域上刻上光柵常數(shù)為d的光 柵，空間頻率為/￡=1/么然后在另一個(gè)區(qū)域以第一個(gè)刻槽中心線為基線往x
方向移動(dòng)一微小距離A (A<l//t)再刻一個(gè)相同周期的光柵，其中差動(dòng)量A由 所需的相移量決定，對(duì)于2X2的90度橋接器，差動(dòng)量由方程"+確定，對(duì)
于2X2的180度橋接器，差動(dòng)量由方程A:4r確定。結(jié)構(gòu)二光柵上不分區(qū)
域，先在光柵上刻一個(gè)光柵常數(shù)為c/的光柵，然后以第一個(gè)刻槽中心線為基線 往x方向移動(dòng)一微小距離A (A<1/,)再刻一個(gè)相同周期的光柵。對(duì)于2X2
的90度橋接器，差動(dòng)量為A-^，對(duì)于2X2的180度橋接器，差動(dòng)量為A:1。
8厶 4厶
合理設(shè)計(jì)差動(dòng)光柵的空間周期，使其只有0級(jí)和1級(jí)兩束衍射光，并且0級(jí)和
1級(jí)的衍射光強(qiáng)相同，這樣，2X2的90度和180度的光橋接器就僅由一個(gè)差
動(dòng)光柵構(gòu)成。
在2X2的卯度差動(dòng)光柵的后面放置一準(zhǔn)直透鏡，差動(dòng)光柵位于準(zhǔn)直透鏡 的焦平面上，光束04， 05經(jīng)過透鏡06后成為準(zhǔn)直光束，在透鏡后再放置兩個(gè) 偏振分束器07和08，得到四通道的光束輸出，當(dāng)偏振分束器主截面方向和合 成的線偏振光的光矢量振動(dòng)方向成45角度時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)2X4的90°空間光橋接器。2X4差動(dòng)光柵90度空間光橋接器結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示。
在本實(shí)施實(shí)例中，設(shè)信號(hào)光和本振光的光束直徑為())3mm，光柵尺寸為長(zhǎng)度x 寬度二6mmx6mm，光柵常數(shù)d = 1550,，對(duì)應(yīng)的90和180度相移，差動(dòng)量分別
為厶=丄=193.75"附，厶=丄=387.5"附。設(shè)使用波長(zhǎng)為1064nm，兩通道f俞出 8厶 4厶
光束的偏離角約為20度，在2X4的四通道輸出的90?？臻g光橋接器中，設(shè)計(jì)
透鏡06的焦距為30mm，兩個(gè)偏振分束器采用方解石雙折射光學(xué)平板構(gòu)成，
結(jié)構(gòu)完全相同，尺寸為長(zhǎng)度x寬度x高度二40mmxl2mmxl0mm，采用最大化分離
設(shè)計(jì)時(shí)，光軸取向?yàn)?8度，最大光束偏離度為* = 0.11，其中AI為輸出光束
的分離距離，"為雙折射光學(xué)平板的長(zhǎng)度，使光束沿水平方向分開，輸出光束 9和10， ll和12之間的相鄰距離為4.4ram，輸出光束9， lO和輸出光束ll， 12之間的垂直距離為llmm。
權(quán)利要求1.一種差動(dòng)光柵空間光橋接器，其特征在于，它包括2×2的90度和180度空間光橋接器和2×4的90度空間光橋接器；所述的2×2的90度和180度空間光橋接器僅由一塊差動(dòng)光柵(01)構(gòu)成；所述的2×4的90度空間光橋接器，由差動(dòng)光柵(01)，準(zhǔn)直透鏡(06)，偏振分束器(07)和(08)元部件構(gòu)成，各元部件的位置關(guān)系是沿光線的行進(jìn)方向依次是差動(dòng)光柵(01)，準(zhǔn)直透鏡(06)，偏振分束器(07)和(08)。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的差動(dòng)光柵空間光橋接器，其特征在于，所述的2x2 的90度和180度空間光橋接器即差動(dòng)光柵(01)是在一塊光柵上具有兩個(gè)相 互錯(cuò)開的周期相同的周期性空間結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)有兩種結(jié)構(gòu)一是一塊光柵上 有一分為二的兩個(gè)面積相同的區(qū)域，其中一個(gè)區(qū)域刻有空間頻率為,的周期性結(jié)構(gòu)，另一個(gè)區(qū)域刻有以第一個(gè)區(qū)域的刻槽中心線為基線平行移動(dòng)一微小距離 A的相同空間周期結(jié)構(gòu)，其Ad/,，對(duì)于2X2的90度空間光橋接器，差動(dòng)量為厶=^;對(duì)于2X2的180度空間光橋接器，差動(dòng)量為^ =;;結(jié)構(gòu)二是光柵上有兩個(gè)平行錯(cuò)開的周期性空間結(jié)構(gòu)，相同的刻槽中心線相距一微小距離 A， A<l//;，對(duì)于2X2的90度橋接器，相距距離為^ =;，對(duì)于2X2的180度橋接器，相距距離為A-;。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的差動(dòng)光柵空間光橋接器，其特征在于，所述的2x4 的90度差動(dòng)光柵空間光橋接器的差動(dòng)光柵(01)的結(jié)構(gòu)和2X2的90度橋接 器相同，它位于準(zhǔn)直透鏡(06)的前焦平面。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的差動(dòng)光柵空間光橋接器，其特征在于，所述的2x4 的90度差動(dòng)光柵空間光橋接器的偏振分束器(07)和(08)是把入射光分為 光矢量振動(dòng)方向相互垂直的等光強(qiáng)的分束器，其主截面和入射的其中一個(gè)線偏 振光如信號(hào)光(02)或本振光(03)的光矢量振動(dòng)方向之間的夾角為45度， 其入射面垂直入射光線方向；偏振分束器(07)和(08)其兩個(gè)入射面對(duì)齊平 行放置。
專利摘要本實(shí)用新型公開了一種差動(dòng)光柵空間光橋接器，利用差動(dòng)光柵進(jìn)行信號(hào)激光光束和本機(jī)振蕩激光光束的空間耦合并產(chǎn)生相移輸出，實(shí)現(xiàn)2×2的90度和180度，2×4的90度空間光橋接器。2×2的90度和180度空間光橋接器僅由一塊差動(dòng)光柵構(gòu)成，2×4的90度空間光橋接器由差動(dòng)光柵，準(zhǔn)直透鏡和偏振分束器組成。本實(shí)用新型除具有體積小，重量輕，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于小型化集成，斜光束入射使用的特點(diǎn)外，和傳統(tǒng)的2×2 90度空間光橋接器相比，更是具有不必?fù)p失50％能量的優(yōu)點(diǎn)。適用于自由空間橋接的相干探測(cè)和通信系統(tǒng)。
文檔編號(hào)H04B10/10GK201425666SQ200920140769
公開日2010年3月17日 申請(qǐng)日期2009年4月24日 優(yōu)先權(quán)日2009年4月24日
發(fā)明者萬玲玉, 班衛(wèi)華, 蘇世達(dá), 巍 谷 申請(qǐng)人:廣西大學(xué)