專利名稱：差動光柵空間光橋接器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及相干探測、相干激光通信和激光雷達領(lǐng)域，具體是 一種差動光柵空間光橋接器，利用差動光柵進行空間耦合輸入光束并 產(chǎn)生相移輸出實現(xiàn)空間光橋接器的方法，在相干探測的光接收機中用
于空間復(fù)合激光信號光束和本機振蕩激光光束，并根據(jù)需要產(chǎn)生90 度，180度相移輸出，實現(xiàn)空間的2x2 90度，2x2 180度和2x4 90度光 橋接器。
背景技術(shù)：
相干探測技術(shù)和目前普遍采用的直接探測技術(shù)相比，其接收機的 靈敏度高一個量級以上，是實現(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，采用相干探測體制的光接收機有 零差和外差兩種接收方式，但不管是何種方式，在進行探測之前都需 要光橋接器將信號激光和本振激光進行鏈接并產(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，90°相移橋接器用于科斯塔斯鎖相環(huán)路接收機。 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 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)
4[l]， [2](參見文獻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2: R. Garreis， C. Zeiss, 〃90o optical hybrid for coherent receivers," 尸n6！/0/^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現(xiàn)90 度和180度相移的2X2空間光橋接器方案，文獻2則在此基礎(chǔ)上提 出了 2X4的90度相移的實現(xiàn)方案，但該方案存在整個光學(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。文獻[l]中的2X2 90度空間光橋接器還有須損失50% 能量的缺點。先技術(shù)[3]， [4](參見文獻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100383572，同名實用新型專利公告號200959599; 文獻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100383571，同名實 用新型專利公告號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，但該技術(shù)方案對晶體的切割精 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。

發(fā)明內(nèi)容
為了克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提供一種利用差動光柵進行信號光和本振光的耦合并產(chǎn)生所需相移的差動光柵空間光橋接器。 本發(fā)明解決上述技術(shù)問題的技術(shù)方案如下-
一種差動光柵空間光橋接器，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光柵(01)構(gòu)成；所述的2x4的90度空間 光橋接器，由差動光柵(01)，準(zhǔn)直透鏡(06)，偏振分束器(07)和 (08)或者一個檢偏雙折射元件(13)構(gòu)成，各元部件的位置關(guān)系是 沿光線的行進方向依次是差動光柵(01)，準(zhǔn)直透鏡(06)，偏振分束 器(07)和(08)或者一個檢偏雙折射元件(13)。
上述的2x2的90度和180度空間光橋接器即差動光柵(01)是在 一塊光柵上具有兩個相互錯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面積相同的區(qū)域，
其中一個區(qū)域刻有空間頻率為/;的周期性結(jié)構(gòu)，另一個區(qū)域刻有以第
一個區(qū)域的刻槽中心線為基線平行移動一微小距離A的相同空間周 期結(jié)構(gòu)，其中Ad/厶，對于2X2的90度空間光橋接器，差動量為
△ = r^;對于2X2的180度空間光橋接器，差動量為A-;;結(jié)構(gòu)
8厶 4/c
二是光柵上有兩個平行錯開的周期性空間結(jié)構(gòu)，相同的刻槽中心線相
距一微小距離A， A<i/y;，對于2X2的90度橋接器，相距距離為
△ = ^，對于2X2的180度橋接器，相距距離為A-;。
上述的2x4的90度差動光柵空間光橋接器的差動光柵(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。 上述的2x4的90度差動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方向相互垂直的等光強的分束器，
其主截面和入射的其中一個線偏振光如信號光(02)或本振光(03)
的光矢量振動方向之間的夾角為45度，其入射面垂直入射光線方向；
偏振分束器(07)和(08)其兩個入射面對齊平行放置。上述的2x4的90度差動光柵空間光橋接器的的雙折射檢偏器(13) 其主截面和入射的其中一個線偏振光如信號光(02)或本振光(03) 的光矢量振動方向之間的夾角為45度，其入射表面垂直入射光線方 向。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)比較的優(yōu)點是
本發(fā)明差動光柵空間光橋接器采用 一塊差動光柵即可實現(xiàn)2 X 2的 90和180度空間光橋接器，加上一個準(zhǔn)直透鏡和兩個偏振分束器(或 者一個檢偏雙折射元件)可實現(xiàn)四通道輸出的2X4 90度空間光橋接 器。除具有體積小，重量輕，結(jié)構(gòu)簡單，可寬光譜使用和斜光束入射 使用的特點外，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。適用于自由空間傳播的相干探測和通信系統(tǒng)。


圖1是本發(fā)明差動光柵結(jié)構(gòu)示意圖。 圖2是差動光柵相移原理圖。
圖3是2X2的差動光柵90度和180度空間光橋接器結(jié)構(gòu)示意圖 圖4是2X4的差動光柵90度空間光橋接器結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實施例方式
下面結(jié)合附圖和實施實例對本發(fā)明作進一步詳細說明，但不應(yīng)以 此限制本發(fā)明的保護范圍。
本發(fā)明原理如下
當(dāng)一塊光柵上具有如圖1所示的兩個相互錯開的周期相同的周 期性空間結(jié)構(gòu)時，周期性結(jié)構(gòu)的相對位移可使衍射光產(chǎn)生波前的相位 變化，其相位變化原理如圖2所示，設(shè)單位振幅的平行光垂直入射于
光柵p點，在一個空間周期p""/y;內(nèi)，其衍射光主級大滿足光柵方
程
sin^-";i/c (1)其中，義為光波波長，y;為光柵的空間頻率，e。為衍射角，"為衍射
級數(shù)。當(dāng)光入射到與原位置沿x方向錯開一微小距離A (A<1/,)時，
與p點同相位的點移動到了p'點，此時衍射的同級衍射光的相位隨差
動量A的變化由下面的式子決定
sin義="2 + A 二 w/l/^ ( 2 )
△+v/c
—~ (3) 義
結(jié)合(2)式和(3)，得到
- = 2<A (4)
這樣，當(dāng)光通過具有錯位結(jié)構(gòu)的周期性光柵時，每于任意的衍射級數(shù)， 其衍射光的波前相位變化為
A|— = -2朋,A ， 02| = 2朋/cA (5)
此外，光柵除了可根據(jù)上述原理使衍射光的波前產(chǎn)生相位改變 外，也可使光束分光并合成，光柵的衍射分光合束方法如圖3所示， 設(shè)計合理的相位光柵，使其只有0級和1級，讓信號激光02和本振 激光03以相同的入射角對稱入射，這樣經(jīng)過光柵的衍射后就變成了 合成的0級本振光和+1級信號光04，合成的0級信號光和-1級本振 光05。因此，利用相位光柵的衍射實現(xiàn)信號光和本振激光的耦合， 利用光柵的差動結(jié)構(gòu)產(chǎn)生信號光和本振激光之間的相移，可實現(xiàn)自由 空間的光橋接器。由(5)式可算出，對于兩通道輸出的90度空間光 橋接器，差動量為
"丄， (6)
對于兩通道輸出的180度光橋接器，差動量為
厶=丄 (7) 4/c
可見，使入射的信號光和本振光為振動方向相同的線偏振光，僅用一 個差動光柵即可實現(xiàn)2X2的90和180度空間光橋接器。
8使入射的信號激光和本振激光為振動方向互相垂直的線偏振光， 在差動光柵的后面放置一準(zhǔn)直透鏡，差動光柵位于其前焦面上，合成
光束04和05變成了平行光，使其分別通過兩個偏振分束器07和08， 或者一個檢偏雙折射光學(xué)元件13，則可實現(xiàn)四通道輸出的2X4 90 度空間光橋接器，如圖4 (a)， (b)所示。
圖1、圖3和圖4是本發(fā)明差動光柵空間光橋接器結(jié)構(gòu)示意圖。 由圖可見，本發(fā)明所述的2X2的90度和180度空間光橋接器是一塊 差動光柵，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示。差動光柵的結(jié)構(gòu)特征為一個光 柵上有兩個相同周期的周期性空間結(jié)構(gòu)。有兩種制作方法，如圖1 (a)、 (b)所示。結(jié)構(gòu)一把一塊光柵分為面積相同的兩個區(qū)域，先在其中 的一個區(qū)域上刻上光柵常數(shù)為"的光柵，空間頻率為,-l"，然后在 另一個區(qū)域以第一個刻槽中心線為基線往x方向移動一微小距離A (A<1//;)再刻一個相同周期的光柵，其中差動量A由所需的相移量
決定，對于2X2的90度橋接器，差動量由方程A^;確定，對于2
X2的180度橋接器，差動量由方程A-^確定。結(jié)構(gòu)二光柵上不
分區(qū)域，先在光柵上刻一個光柵常數(shù)為J的光柵，然后以第一個刻槽 中心線為基線往X方向移動一微小距離A (A<1/,)再刻一個相同周
期的光柵。對于2X2的90度橋接器，差動量為A:;，對于2X2
的180度橋接器，差動量為A:;。合理設(shè)計差動光柵的空間周期，
使其只有0級和1級兩束衍射光，并且0級和1級的衍射光強相同， 這樣，2X2的90度和180度的光橋接器就僅由一個差動光柵構(gòu)成。 在2X2的90度差動光柵的后面放置一準(zhǔn)直透鏡，差動光柵位于 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方向成45角 度時，可以實現(xiàn)2X4的90?？臻g光橋接器。2X4差動光柵90度空 間光橋接器結(jié)構(gòu)示意圖如圖4(a)、 (b)所示。
本發(fā)明的核心元件是差動光柵，這里給出差動光柵的兩種制作方 法，如圖l(a)， (b)所示。方法一把一塊光柵分為面積相同的兩個 區(qū)域，先在其中的一個區(qū)域上刻上光柵常數(shù)為J的光柵，空間頻率為 然后在另一個區(qū)域以第一個刻槽中心線為基線往x方向移
動一微小距離A (A<1//;)再刻一個相同周期的光柵，其中差動量A 由所需的相移量決定，對于2X2的90度橋接器，差動量由方程(6) 確定，對于2X2的180度橋接器，差動量由方程(7)確定。方法二 光柵上不分區(qū)域，先在光柵上刻一個光柵常數(shù)為"的光柵，然后以第 一個刻槽中心線為基線往x方向移動一微小距離A (A<1/,)再刻一
個相同周期的光柵，差動量同樣根據(jù)相移量的要求分別由方程(6) 式和(7)式確定。
設(shè)計合適的光柵使其只有0級和1級兩束衍射光，并且0級和1 級的衍射光強相同。在對稱入射的情況下，sii^±1=±&/2。這樣，2 X2的90度和180度的橋接器就可以僅由一個差動光柵構(gòu)成，具體 原理說明如下。
設(shè)信號光02和本振光03的光場復(fù)振幅分布為
氛=凡exp"[ft)J + % (/) +化0 ]}， & = A exp[/O,"p/0)] 式中，4， 4分別為信號光、本振光的振幅；a， ^分別為信號光， 本振光的頻率；p力)為信號光相位調(diào)制函數(shù)；a。， a。分別為光橋接 器輸入端信號光，本振光的初始相位。在2X2的橋接器中，使入射 的信號光和本振光都是線偏振光，且光矢量的振動方向相同，分別沿 差動光柵01對稱入射，其合成的衍射光可寫成五04 = exp{/|>/ + % (/) + %。 + ]} + /7。4 exp[《^V + %0)] 4 = "。4 exp(/[^y + ^(0 + ^0]} + "—i4 exp|> +a。 +么j] 式中，7。， 7+1， ^分別是差動光柵01的O級，+1級和-l級衍射效
率，^,^分別是應(yīng)光柵周期的差動引起的相移量。令差動量為 1
A =
8/c
,則:
&，， (=1
得到兩輸出光束04和05的光強為
/04= (/;+14)2 +(7o4)2 + 2x(77+14)x(77。4)cos
J05= (7。4)2 ,4)2
+ 2 x (770O ("^ J, )cos
(a -> + fe0 1,。 )+ a I
(a - a > + fe0 1/。)+ a (,)-1
所以，2X2的90°空間光橋接器得以實現(xiàn)。
同理，令差動量A-丄，有^=2，
4/c +12 1 2
和05的光強為
+ 2x(/7+14)x(77。4)cos
Zo產(chǎn)07o4)2 +(7-14)2 + 2 x) x (7—, J, )cos
一> + (p,o _ )+爐,(0+1
(8)
(9)
r出光束04
(10)
(11)
因而，2X2的180°空間光橋接器得以實現(xiàn)。
在差動光柵的后面放置一準(zhǔn)直透鏡，差動光柵位于準(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
ii截面方向和合成的線偏振光的光矢量振動方向成一定角度時，可以實
現(xiàn)2X4的90?？臻g光橋接器。2X4差動光柵90度空間光橋接器結(jié) 構(gòu)示意圖如圖4所示。
在圖4 (a)中，使入射的信號光和本振光是振動方向相互垂直的 線偏振光，假設(shè)透鏡無吸收，準(zhǔn)直光束經(jīng)過偏振分束器07和08變成 四光束09， 10， 11， 12輸出，將偏振分束器的主截面與信號光02的 光矢量振動方向成45度角放置，得到輸出的四束光的光強為
<formula>formula see original document page 12</formula>
由此可見，2X4的90?？臻g光橋接器得以實現(xiàn)。在圖4(b)中，偏振 分束器07和08被一個檢偏雙折射元件13所替代，其原理相同。
在本實施實例中，設(shè)信號光和本振光的光束直徑為(()3mm，光柵尺 寸為長度x寬度二10mmxl0mm，光柵常數(shù)d = 1550"w ，對應(yīng)的90和180
度相移，差動量分別為^ = ^ = 193.75"附，A = ^ = 387.5w 。設(shè)使
用波長為1064rim，兩通道輸出光束的偏離角約為20度，在2X4的 四通道輸出的90?？臻g光橋接器中，設(shè)計透鏡06的焦距為50腿，采用圖4(a)的結(jié)構(gòu)時，兩個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，尺寸為長度x寬度x高度二40mmxl2腿xl0腿，采
用最大化分離設(shè)計時，光軸取向為48度，最大光束偏離度為| = 0.11，
其中AL為輸出光束的分離距離，D為雙折射光學(xué)平板的長度，使光 束沿水平方向分開，輸出光束9和10， 11禾B 12之間的相鄰距離為 4.4mm，輸出光束9, lO和輸出光束ll， 12之間的垂直距離為18mm。 在2 X4的四通道輸出的90°空間光橋接器中，采用圖4 (b)的結(jié)構(gòu)時， 設(shè)計透鏡06的焦距為20mm，采用方解石的檢偏器，在最大化分離設(shè) 計下，光軸取向為48度，尺寸為長度x寬度x高度二40腿x40腿x40匪， 輸出光束9和10， 11和12之間的相鄰距離為4.4mm，輸出光束9， lO和輸出光束ll， 12之間的垂直距離為7.28mm。
權(quán)利要求
1.一種差動光柵空間光橋接器，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光柵(01)構(gòu)成；所述的2×4的90度空間光橋接器，由差動光柵(01)，準(zhǔn)直透鏡(06)，偏振分束器(07)和(08)或者一個檢偏雙折射元件(13)構(gòu)成，各元部件的位置關(guān)系是沿光線的行進方向依次是差動光柵(01)，準(zhǔn)直透鏡(06)，偏振分束器(07)和(08)或者一個檢偏雙折射元件(13)。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的差動光柵空間光橋接器，其特征在于， 所述的2x2的90度和180度空間光橋接器即差動光柵(01)是在一 塊光柵上具有兩個相互錯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面積相同的區(qū)域，其中一個區(qū)域刻有空間頻率為y;的周期性結(jié)構(gòu)，另一個區(qū)域刻有以第一個區(qū)域的刻槽中心線為基線平行移動一微小距離A的相同空間周期結(jié)構(gòu)，其A〈i/y;,對于2X2的90度空間光橋接器，差動量為A二^;對于2X2的180度空間光橋接器，差動量為A:^;結(jié)構(gòu)二是光柵化上有兩個平行錯開的周期性空間結(jié)構(gòu)，相同的刻槽中心線相距一微小 距離A， A<l/,，對于2X2的90度橋接器，相距距離為A-^，對于2X2的180度橋接器，相距距離為"4r。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的差動光柵空間光橋接器，其特征在于， 所述的2x4的90度差動光柵空間光橋接器的差動光柵(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所述的差動光柵空間光橋接器，其特征在于， 所述的2x4的90度差動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方向相互垂直的等光強的分束器，其主截面和入射的其中一個線偏振光如信號光(02)或本振光(03)的光矢量振動方向之間的夾角為45度，其入射面垂直入射光線方向；偏振分束器(07)和(08)其兩個入射面對齊平行放置。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的差動光柵空間光橋接器，其特征在 于，所述的2x4的90度差動光柵空間光橋接器的的雙折射檢偏器(13) 其主截面和入射的其中一個線偏振光如信號光(02)或本振光(03) 的光矢量振動方向之間的夾角為45度，其入射表面垂直入射光線方 向。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種差動光柵空間光橋接器，利用差動光柵進行信號激光光束和本機振蕩激光光束的空間耦合并產(chǎn)生相移輸出，實現(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光柵構(gòu)成，2×4的90度空間光橋接器由差動光柵，準(zhǔn)直透鏡和偏振分束器組成。本發(fā)明除具有體積小，重量輕，結(jié)構(gòu)簡單，易于小型化集成，斜光束入射使用的特點外，和傳統(tǒng)的2×2的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。適用于自由空間橋接的相干探測和通信系統(tǒng)。
文檔編號G02B5/30GK101539661SQ200910114008
公開日2009年9月23日 申請日期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, 巍 谷 申請人:廣西大學(xué)