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        2. 文章詳情

          相干光通信中的光學橋接器

          日期:2022-06-19 08:14
          瀏覽次數:820
          摘要:相干光通信技術是提高接收機靈敏度發展大容量高碼率激光通信系統的重要技術手段光學橋接器將信號激光和本振激光鏈接到光電探測器進行相干探測處理是相干光通信系統的關鍵器件之一。對近20多年來發展的光學橋接器進行了總結和分類介紹了不同光學橋接器的原理、構造和性能分析了光學橋接器的關鍵技術。關鍵詞光通信;相干通信;光學橋接器;相移

          1、引言

          相干通信體制和目前實用的強度調制/直接檢測[1]的非相干通信體制相比具有接收靈敏度高、中繼距離長、波長選擇性好、通信容 量大、應用靈活等優點,是大容量、高碼率激光通信系統的重要研究方向,特別是在星間激光通信系統中有重要應用。經過幾十年的 研究,德國首先制造了輕量化、高碼率的星間相干激光通信終端理,成功實現了低軌衛星之間的56Gb/s激光通信為實現高軌中繼衛星 與低 軌觀察衛星之間的通信奠定了基礎。作為相干光通信終端的核心器件之一,光學橋接器將信號激光和本振激光鏈接到光電探測器,并使之產生所需的相位關系,以便后續的相干探測信息處其性能在很大程度上影響著相干接收性能。

          光學橋接器有兩輸入兩輸出(2×2),90°相移,兩輸入兩輸出,180°相移和兩輸入四輸出(2×4),90°相移幾種類型。一般情況下,180°相移橋接器用于平衡鎖相環路接收機,90°相移橋接器用于科斯塔斯鎖相環路接收機,對于2×4的90°相移橋接器,可以同時實現相差90°的兩組180°相移的輸出,可進行平衡接收及科斯塔斯鎖相,由于平衡接收機能產生與理想接收機的相同性能,因而2×4的90°光學橋接器被廣泛研究[220]。針對光纖通信系統和空間激光通信系統,人們發展了多種2×4的90°光學橋接器。由于在空間應用中,系統不僅需要探測通信信息,還需要探測位置信息,通常需要自由空間傳播型的橋接器,因此我們將光學橋接器歸為非自由空間傳播型和自由空間傳播型進行介紹。

          2、非自由空間傳播型的光學橋接器
          針對光纖通信系統開發的光學橋接器基本都屬于非自由空間傳播型,大多采用光纖和波導器件實現,可分為如下幾種類型。

          2.1、3dB耦合器型光學橋接器
          3dB耦合器型光學橋接器[210]是光纖通信系統用光學橋接器中開發*多的一種主要由3dB耦合器,和兩個偏振分束器(PBS)組成,如圖1所示,其中3dB耦合器可采用光纖型或者波導型,線偏振的信號光和圓偏振的本振光由3dB耦合器進行分光耦合,兩臂之間產生90°的相位差,混合后通過兩個PBS進行偏光分離分離過程中產生180°的相位差*后輸出相對相移關系為0°,90°,180°,270°的四束相干光束E1,E2,E3,E4。該光學橋接器的性能主要取決于3dB耦合器的性能,其分光比和兩臂之間的相位差是關鍵,采用光纖或者波導耦合器實現的橋接器存在易受環境和溫度影響相位輸出性能不夠穩定的缺點實驗顯示隨環境振動和溫度變化有較大的相位抖動和漂移現象因此提高其相位穩定性是此類光學橋接器的關鍵問題。

          11波導集成型

          平面光波導集成光學橋接器

          平面光波導能將光波束縛在光波長量級尺寸的波導芯層中,長距離無輻射的傳輸,結合定向耦合器和相移器可制成光學橋接器[11,12]。圖2是基于平面光波導和相移器實現的2×490°光學橋接器主要,4個定向耦合器(DC)2個相移器(PS)構成,其中相移器PS1PS2連續可調DC1將從端口A輸入的信號光進行11分光由相移器PS1調節端口R

          T之間的相位差,DC2將從D端口輸入的本振光進行11分光,由相移器PS2調節端口SU之間的相位差。從R,T輸出的信號光和從S,U輸出的本振光分別由耦合器DC3,DC4進行分光耦合,*后從端口W,X,Y,Z輸出4束信號/本振相干光,當合適調節相移器PS1,PS2使得RT同相位、SU相位相差90°時輸出XYZ具有相對于W分別為180°90°270°的相移實現2×490°光橋接。該光學橋接器相位連續可調但也面臨因外界參量的變化而引起相位輸出變化相位穩定性不高的問題實驗通過反饋回路自動控制PS可取得較好的結果但因此增加了系統的復雜性。

          1.2、多模干涉耦合器光學橋接器

          基于多模波導自映像效應制成的多模干涉(MMI)耦合器[18,19]應用于多種光纖通信器件,利用多模干涉耦合器實現的光學橋接器[10,1315]如圖3所示主要由輸入波導、多模干涉耦合器和輸出波導組成,從輸入波導入射的光在多模干涉區激發多個模式進行模式干涉,*終形成輸入場的多個自映像由輸出波導射出。將具有相同工作波長的本振光與信號光分別從輸入波導的任意兩端口入射經模式干涉形成的自映像由輸出波導輸出,根據輸入波導i與輸出映像j間的相位關系在合適的設計下可實現2×490°光學橋接器。輸入波導i與輸出映像j間的相對相位關[16,17]如表1(此時忽略了常相位因子<0)所示。由表1可知,當信號光與本振光從輸入波導12,13,24,或者34等波導輸入時,經模式干涉后,其輸出波導的相干光之間的相對相移滿足90°的倍數,-135°-45°45°和135°從而實現2×490°光學橋接器功能。

          基于自映像多模干涉耦合器實現的光學橋接器具有結構緊湊、插入損耗低、頻帶較寬、受工作波長和環境溫度影響小、工藝簡單以及對偏振不敏感等優點,具有很大的應用潛力。

          1.3、混合型光學橋接器

          為克服光纖耦合型橋接器環境適應能力差相位輸出,不夠穩定的缺點,H.Hertz[20]利用介質膜分束器和方解石棒綜合設計了一個結構緊湊的2×490°光學橋接器其原理和2.1節所述的3dB耦合型橋接器相同,僅是介質膜分束器代替3dB耦合器。如圖4所示,信號光和本振光利用介質膜分束器的反射和透射進行分光合成,合成后通過方解石棒進行偏光分離*后從端口XZYW輸出四束相對相位差為90°的信號/本振相干光。該橋接器結構緊湊、相位輸出穩定,是相干光通信系統的較好選擇,但對介質膜分束器有較高的分光和相位要求。

          以上所述的光學橋接器基本都是針對光纖通信系統開發在空間激光通信系統中在探測通信信號的同時需要探測位置信號,因此需要自由空間傳播式的光學橋接器,大部分適用于光纖通信系統的光學橋接器都不適合空間應用,因此需要發展自由空間傳播型的空間光橋接器。

          2、自由空間傳播型的光學橋接器

          現有方案中,空間光橋接器主要采用波片和分束器實現。3.12×2的空間光橋接器

          1983年WRLeeb[21]提出了空間光橋接器的實現方案2×290°和180°空間光橋接器如圖5和圖6所示。2×290°空間光橋接器主要由四分之一波片(QWP)、非偏振分束器(NPBS)和偏振分束器(PBS)構成,本振光經四分之一波片變成圓偏振光和45°偏振的信號光通過NPBS進行分光合成,合成后一路被擋光板吸收,另一路通過PBS進行偏光分離,由于信號光和本振光的s偏振分量之間的相位差為0,p偏振分量之間的相位差為90°,因此從端口A,B可得到相對相位差為90°的相干光。2×2180°空間光橋接器僅由起偏器和偏振分束器構成利用相互垂直的偏振分量在偏光分離時的相位性質實現。

          2.1、 2×490°空間光橋接器

          Leeb方案的基礎上RGarreis[22]提出了兩種2×490°空間光橋接器可稱為非偏振分束器和偏振分束器方案[23,24]其原理和21所述的3dB耦合型橋接器類似。非偏振分束器方案在德國的TerraSAR系統[25]中被應用。

          2.2非偏振分束器空間光橋接器方案

          非偏振分束器方案主要由一個NPBS和兩個PBS組成其中NPBS實現3dB耦合器的功能,分光耦合信號光與本振光并產生90°的相位差,聯立四分之一波片(QWP)PBS偏光分離時的相位性質產生所需的相移關系如圖7所示。反射的信號光與透射的本振光合成后被PBS1分離,透射的信號光與反射的本振光合成后被PBS2分離,*后輸出四束信號/本振相干光。這里對NPBS有較高的要求,理想情況下需要透射/反射為50/50分光反射和透射間產生90°相位差方能實現2×490°空間光橋接器功能。3.2.2偏振分束器空間光橋接器方案將分光耦合用的NPBS換成PBS即為偏振分束器方案同時增加兩個半波片進行偏振方向調節如圖8所示,PBS分光合成后的本振光和信號光分別經HWP轉動45°偏振方向后才被PBS1,PBS2進行偏光分離,輸出四束信號/本振相干光,同樣的,只有當PBS滿足50/50的透射/反射分光合成,并產生90°相位差時,才能實現2×490°空間光橋接器功能?,F有空間光橋接器的關鍵在于用于分光合成的NPBSPBS不僅需要進行11分光還需要滿足特定的相位條件總所周知分束器的相位是很難加以控制的,盡管可通過旋轉四分之一波片光軸的方法[21,22,26]進行調節,但會引起分光比變化,當所需的相位條件偏離太大時,相位調節引起的分光比變換太大會不利于后面的平衡接收。因此發展其他新型的性能更好的空間光橋接器仍然是空間相干光通信的一個重要課題。

          其他新型空間光橋接器

          由于現有的空間光橋接器方案中對用于分光耦合的分束器有嚴格的相位條件要求但并無有效的方法對分光元件進行相位的控制因此發展新的空間光橋接器方案成為需要。劉立人等[2729]綜合利用晶體的雙折射效應和電光效應,提出了不同的新型空間光橋接器方案,為空間相干激光通信系統提供了新的選擇。

          五、總結 

          相干光通信以其獨特的優點,在光纖通信中得到了廣泛的應用,不僅在點對點系統中繼續向著更高速更長距離的方向發展,特別是在海底通信上有著巨大的市場潛力。除了新型高效激光器,新型相干檢測技術也是系統發展的關鍵,采用新型檢測技術降低光源對系統整體性能的影響,自適應光學、偏振分集等新型接收方法的引入,提高了系統響應速度,更進一步完善其應用。

          作為相干光通信系統中的關鍵器件,光學橋接器一直是國內外研究的重點,如何有效實現接收通道中的90°和180°相移是研發高性能光學橋接器的技術核心和難點針對光纖通信系統開發的光學橋接器種類較多,有相對成熟的技術方案,但仍存在相位精度和穩定性難以進一步提高的問題,多模干涉耦合光學橋接器技術是未來高性能光學橋接器的重要發展方向自由空間型的光學橋接器的種類則較少低損耗、高探測效率的具有穩定相位輸出的空間光橋接器還有待進一步研究。


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