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,2,楊奇,2(.武漢郵電科學研究院,武漢 430074; 2.光纖通信技術和網絡國家重點實驗室,武漢 430074)

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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1,2,楊奇1,2
(1.武漢郵電科學研究院,武漢 430074; 2.光纖通信技術和網絡國家重點實驗室,武漢 430074)

摘要:針對激光通信系統對光混頻器的特殊需求,設計并完成了一種信號光采用空間光輸入、本振光采用保偏光纖輸入的90°混頻器。該器件信號端輸入的空間光的束腰直徑為10 mm,信號光插入損耗小于3.1 dB,本振光插入損耗小于2.5 dB,在指定工作波長處I路和Q路的相位差滿足90°±5°。實驗結果表明,該器件能夠滿足激光通信對于混頻器的性能需求。

關鍵詞: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中的關鍵器件,其作用是將輸入的信號光與本振光進行相干混頻,輸出兩束光的合成信號。該合成信號可以由后續的探測器以及相應的電路進行處理[1],最后得到信號光的相位和幅度信息。現有的90°光混頻器的信號光多采用光纖輸入,但在某些應用領域,如星地激光通信應用場景,信號光在大氣中傳輸,需要采用空間光輸入的90°光混頻器。本文設計并完成了一種空間光輸入的90°混頻器,測試了該器件的各項性能指標。

1　空間光輸入90°光混頻器的原理

圖1　空間光輸入90°光混頻器結構示意圖

如圖1所示,空間光輸入90°混頻器主要由兩個功能模塊組成,圖中,虛線代表空間光,實線代表光纖傳輸的光。空間光輸入模塊可以對輸入的空間光進行處理,得到高斯變換后的光束Pi,混頻模塊對輸入的Pi以及本振光PLO進行混頻,然后輸出4路光信號。

1.1空間光輸入模塊結構圖

空間光輸入模塊結構圖如圖2所示,其實質是望遠鏡系統[2]。10 mm束腰直徑的空間光輸入以后,經過膠合球透鏡1聚焦,在透鏡1焦點后方放置球透鏡2,經過高斯變換后變為光束Pi。該過程輸入空間光的偏振狀態沒有改變,而束腰直徑變小,使得后續模塊能使用單模光纖準直器接收。

圖2　空間光輸入模塊結構示意圖

1.2混頻模塊原理

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

圖3　混頻模塊結構示意圖

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

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s光、p光的相位延遲。

于是,經過PBS2以后,兩路光分量分別為

這兩路光分量分別經過PBS4和PBS6,得到如下輸出:

所以有:

于是I路與Q路的相位差為

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

2　實驗及結果分析

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器件,因此插入損耗不能忽略。而實際中,波片和PBS都存在一定的插入損耗。使用空間光功率計可以準確測量實驗所用波片和PBS的插損,得出的結論是: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直器,因此準直器的耦合效率和對準程度也不可忽視[5]。單獨測量準直器的插損約為0.5 dB,而實驗采用了兩路輸入,4路準直器輸出,因此在耦合和對準準直器時,必須平衡各路的插損情況,此時準直器的插損會>0.5 dB,具體的插損數值受到多方面因素的共同影響。

插損測試系統的框圖如圖4所示,分別測試信號光和本振光端的插損情況。

圖4　插損測試系統框圖

當輸入不同波長的信號光,而本振光無輸入時,插損情況如表1所示。

表1　信號光插損測試結果

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

當無信號光輸入,本振光輸入不同波長的光時,插損測試結果如表2所示。

表2　本振光插損測試結果

本振光從輸入到輸出也經過了兩次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,信號光的插損比本振光要大,這是符合預期的。因為輸入的空間光信號要經過空間光接收模塊,而本振光是直接光纖輸入。

2.2相差

相差測試系統如圖5所示,輸出端口1、2、3和4分別對應圖3中的I270、I90、I180和I0。將端口1和端口2作為一組,接入一個平衡接收機,端口3和端口4作為一組,接入另一個平衡接收機。實驗采用u2t公司的BPDV-2150RQ型平衡接收機。如1.2節所述,信號光和本振光均輸入45°線偏光。平衡接收機輸出電信號,并送到20 GHz帶寬的泰克示波器中進行測試。

圖5　相差測試系統框圖

信號光輸入波長為1 557 nm的線偏光,本振光輸入波長為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,延時為24.5 ps,10 GHz頻差對應的周期為100 ps,因此I路和Q路信號的相差為(24.5/100)×360°=88.2°,符合90°±5°的要求。

圖6　1 557 nm處波形圖

圖7　不同信號光對準程度下的相差波形圖

實驗和理論分析表明,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節推導的結論)。當頻差在GHz量級、光程差在mm級時,光程差引起的相差可以忽略不計。而PBS偏振分光膜取決于生產供應商的制作水準。

另一個值得考慮的問題是信號光源與混頻器對準程度對相差的影響。如圖5所示的測試平臺,調節信號光的對準程度,使插損有較大差異,再測量相差。不同信號光對準程度下的相差波形如圖7所示。由圖可知,對準程度會明顯影響到信號光插損,即各支路的輸出功率會產生較大變化,圖7(a)、(b)顯示波形的幅值說明了這一點。圖(a)的對準程度較差,插損較大;圖(b)的對準程度較好,插損較小。而由圖7可以看出,兩波形的相差不發生變化,一波的波峰對應另一波的零點,也就是說相差保持為90°不變。

3　結束語

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鍵器件之一。本文設計并研制了一種信號光采取空間光輸入的90°混頻器,測試了該器件的性能。該器件信號端輸入空間光的束腰直徑為10 mm,信號光插入損耗<3.1 dB,本振光插入損耗<2.5 dB,在工作波長1 557 nm處,I路和Q路的相位差為88.2°,滿足業界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域具有一定的實用價值。

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無線通信技術

光通信系統與網絡技術

光電器件研究與應用

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:TN256

文獻標志碼:A

文章編號:1005-8788(2016)01-0045-03

收稿日期:2015-07-03

基金項目:武漢市科學技術計劃資助項目(2014010202010080)

作者簡介:張晨祥(1988-),男,湖北孝感人。碩士研究生,主要研究方向為信號與信息處理。

doi:10.13756/j.gtxyj.2016.01.014