激光通信鏈路光學保偏無級衰減器的設計

徐佳，賀文俊，王加科，付躍剛

（長春理工大學 光電工程學院，長春 130022）

激光通信鏈路光學保偏無級衰減器的設計

徐佳，賀文俊，王加科，付躍剛

（長春理工大學 光電工程學院，長春 130022）

針對自由空間激光通信系統中通信鏈路性能的精確測試需求，設計了一款具備光學保偏性能的無級衰減器。基于三維偏振光追跡方法建立了光學保偏的數學模型；并利用兩塊相同的斜方棱鏡，使其入射面在空間上相互垂直，實現了偏振像差的相互補償。通過理論分析和數值模擬，所設計的衰減器達到了較高的技術指標：能量衰減系數的動態范圍為-40dB～-3dB、衰減誤差小于0.5%、系統波像差RMS優于λ/20（λ=974nm）。

光學衰減器；偏振無關；激光通信；斜方棱鏡

激光通信鏈路衰減器是自由空間光通信系統性能測試設備中的一種關鍵器件，通過調整激光通信鏈路衰減器的能量衰減系數，可以模擬通信距離，完成自由空間光通信系統通信鏈路性能的地面測試工作。目前自由空間光通信所采用的信道主要有808nm、974nm、1064nm和1550nm等［1］，一對光端機通常采用不同的信道來實現收發信號的隔離，且通信激光的功率往往不同。近年來，隨著偏振復用技術和偏振位移鍵控調制技術逐步成為自由空間光通信領域的研究熱點［2］，自由光通信系統所采取的調制方式也變得更為多樣化，主要包括振幅調制、頻率調制、位相調制以及偏振調制。因此，為了給各種不同類型（信道、功率、調制方式）的自由空間光通信系統提供一個統一的性能測試基準，研制一種高精度、寬光譜、具備光學保偏性能、可連續衰減的衰減器是精確測試空間光通信系統的通信鏈路性能的必要前提。

目前可變光學衰減器的實現方法有很多種，包括機械型、波導型、液晶型、微光機電型、光纖位移型和電光效應型等，大多應用于光纖通信中的密集波分復用系統。機械型可變光衰減器通常有三種［3］，一種是利用吸收型光學材料對入射光束進行能量衰減，加工多種具有不同光密度或者不同厚度的吸收型材料，通過機械插入或輪換的方式實現不同的衰減系數；一種是在平面光學元件上鍍膜對入射光束進行能量分光，在不同平行平板上分別鍍制具有不同分光比例的膜系，通過機械方法替換平行平板實現不同的衰減系數；另一種是讓入射光束經過兩個偏振片，其中一個偏振片固定不動，另一個偏振片可以繞光軸旋轉，根據馬呂斯定律可知，當偏振片旋轉一周時，可實現光束的連續衰減，衰減系數的動態范圍取決于兩個偏振片的消光比。前兩種方法的缺點在于插入損耗大、衰減系數只能分為固定的幾檔、動態范圍小、有弱的偏振損耗；最后一種雖然能連續衰減，但偏振損耗非常大。

波導型、微光機電型、光纖位移型、光電效應型衰減器對入射光束的波像差影響很大，對入射光束的波長比較敏感，且對光束的偏振態有較大影響［4，5］。液晶型光衰減器從原理上說也是利用了馬呂斯定律，液晶器件中的液晶分子可以根據施加電壓的不同呈現不同的排列方式，其作用等效為偏振片，通過電壓控制可以改變等效偏振片的透光軸方向；其缺點在于偏振損耗很大、動態范圍小［6］。

終上所述，現有技術手段無法同時具備寬光譜、低偏振損耗、大動態范圍、極小波像差等特殊要求。本文旨在設計一款新的光學衰減器，以滿足空間光通信系統的通信鏈路性能測試要求。

1 系統組成與工作原理

激光通信鏈路光學保偏無級衰減器主要由斜方棱鏡、高精度旋轉臺、編碼器、驅動電機、光陷阱裝置、溫度傳感器、定標數據庫和衰減系數控制系統等部分組成，如圖1所示。

圖1 系統原理框圖

主要工作原理為精密控制入射光束在斜方棱鏡反射面上的入射角，使其從布儒斯特角到臨界角之間連續變化，利用棱鏡的內反射效應來實現光束能量的連續衰減。玻璃材料的菲涅爾反射系數隨入射角變化情況如圖2所示，由于P波和S波在入射角小于臨界角時的反射系數并不相同，入射光束經過斜方棱鏡的兩次反射衰減后，光束偏振態必然發生改變。而當入射角大于或等于臨界角時，雖然反射系數都為1，但是會由于全反射產生位相差，光束偏振態也將發生改變。即由菲涅爾折反射定律可知經過單個斜方棱鏡后，被衰減的光束偏振態必然會發生改變，所以本文采用兩個完全相同的斜方棱鏡，其工作面在空間上相互正交，來實現光束偏振態的改變完全補償。

圖2 菲涅爾反射系數隨入射角的變化

當入射光束進水平放置的斜方棱鏡后，一部分光在工作面經過兩次反射，進入垂直放置的斜方棱鏡；另一部分光在工作面透射成為雜散光，進入光陷阱裝置被吸收。進入垂直放置的斜方棱鏡的光束被二次衰減，一部分光在工作面透射成為雜散光，進入光陷阱裝置被吸收；另一部分光在工作面經過兩次反射，而與初始入射光束平行出射。

高精度水平轉臺和垂直轉臺分別由驅動電機控制，能實現精密的旋轉運動。垂直斜方棱鏡安裝在垂直轉臺上，水平斜方棱鏡安裝在水平轉臺上。高精度水平轉臺和垂直轉臺都配有角度編碼器，由信號采集和處理系統實時采集轉臺的位置信號和轉角信號。溫度傳感裝置實時監測測試環境下的溫度數據，衰減系數控制系統通過對比該溫度下定標數據庫里的數據和轉臺的位置數據，給出指定衰減系數所對應的轉角，反饋控制驅動電機來精密調整入射光線在兩個斜方棱鏡工作面上的入射角度，實現衰減系數的連續變化。

2 光學保偏的數學模型

三維偏振光線追跡是將Jones矩陣擴展到三維空間，依次追跡光線在每個光學界面上的入射光矢量、法線矢量、出射光矢量、TE矢量、TM矢量，以及菲涅爾振幅系數來計算每個面的偏振作用矩陣［7］。若入射光的電場矢量用三維矢量Ein來表示，那么出射光的電場矢量為：

其中，Ptotal為光學系統的三維Jones矩陣，具體計算方法如下［8，9］：

其中，Pq為第q個光學界面的三維Jones矩陣為TE矢量為TM矢量為光線傳播矢量，下角標x,y,z表示該矢量在x,y,z方向上的分量。αs為TE波的振幅反射系數，αp為TM波振幅反射系數，由菲涅爾公式可計算得到。

對于入射面相互垂直的兩個斜方棱鏡，用三維偏振光線追跡的方法來計算其對偏振態的改變。假設入射光波長為974nm，相對斜方棱鏡反射面的入射角度為33.17°，斜方棱鏡的光學材料為NLAF2。設定全局坐標系，z為入射光矢量方向，x和y為垂直于z方向的正交矢量，那么x,y矢量可以作為表征光束偏振態的一對正交基底矢量。對于每一個斜方棱鏡，光束都經過兩次折射和兩次反射，水平斜方棱鏡的三維Jones矩陣用PH表示，垂直斜方棱鏡的三維Jones矩陣用PV表示。

用傳統的二維Jones矢量來表示光束的偏振態，那么入射光矢量的Z方向的電場分量為零，則出射光電場矢量為：

由此可見，入射面相互垂直的兩個斜方棱鏡只對入射光束進行了能量的衰減，而沒有改變入射光的偏振態。水平斜方棱鏡和垂直斜方棱鏡的三維Jones矩陣都只在對角線上有實值，且對x,y方向電場分量的偏振態的改變量實現了相互補償。出射光強為：

即衰減系數為-36.3dB。

3 關鍵技術指標的分析與仿真

斜方棱鏡是衰減器中的關鍵部件，其光學材料的選擇需要考慮的因素如下：

（1）臨界角與布儒斯特角之差應適中，如果這兩個角度的差值過大，會導致斜方棱鏡在連續衰減時轉角過大，為保證有效通光口徑，棱鏡的體積必然增大；若差值過小，在旋轉臺定位精度一定的情況下，衰減精度會降低；

（2）在790nm～1560nm光波范圍內應該有高的透過率；

（3）適于光學冷加工，無毒環保，不易潮解。

綜合上述因素本文選用Schott玻璃N-LAF2作為斜方棱鏡的光學材料。根據色散系數，按照Sellmeier色散公式可計算N-LAF2的色散曲線，如圖3所示。

圖3 菲涅爾反射系數隨入射角的變化

3.1 衰減誤差分析

根據光學保偏的數學模型，精確計算各個典型激光通信信道波長下衰減器的動態范圍，如圖4所示，各個波長都在其對應的布儒斯特角附近對光束能量的衰減能力達到最強：最大能量衰減系數在790nm處為-231.1dB，在974nm處為-232.6dB，在1064nm處為-256.1dB，在1550nm處為-255.8dB。但是其隨著入射角的微小變化而迅速變化，若要保證衰減精度則對旋轉臺的定位精度的要求過于苛刻。由圖4可知，當衰減系數在-40dB～-3dB范圍內時，衰減系數隨入射角緩慢變化，且在此區間的線性度很好，因此將光束的入射角控制在該范圍內。

圖4 能量衰減系數與入射角的關系

所設計的衰減器的能量衰減精度主要依賴于對光束入射角的控制精度，因此旋轉臺的轉角分辨率越高、定位重復性越好，角度編碼器的精度越高，衰減器的衰減精度就越高。本文選取吉林三晟傳感公司的SE94T30-21型絕對式編碼器，角分辨率為0.6''，精度為±6''，與轉臺采取閉環控制。由于角度控制誤差導致的衰減誤差如表1。

可見當衰減范圍為-40dB～-3dB時，各個波長的衰減精度都優于任務指標要求的0.5%，且當衰減系數越小時，衰減誤差越小，這是本文原理上的一大優點。

3.2 保偏效果仿真

利用FRED軟件對鏈路衰減器的保偏性能進行仿真，首先將鏈路衰減器的光學模型導入FRED軟件中，設置好光學材料以及鍍膜參數。然后設置不同偏振態的偏振光源，并分別在兩個斜方棱鏡后面設置偏振分析面A和偏振分析面B（如圖5），來監視光束偏振態的變化過程。

圖5 利用FRED軟件進行保偏效果仿真

圖6描述了不同偏振態的光入射時，衰減器對光束偏振態的影響：圖6（a）～（d）分別表示入射光為圓偏振光、水平線偏振光、方位角為30°的線偏振光、以及方位角為30°橢率為0.5的橢圓偏振光時光源處的偏振態分布；圖6（e）～（h）分別表示上述4種不同偏振態的光束經過垂直斜方棱鏡的衰減后，在偏振分析面A上的偏振態分布；圖6（i）～（l）分別表示上述4種不同偏振態的光束經過整個衰減器后，在偏振分析面B上的偏振態分布。單個的斜方棱鏡對于線偏振光的作用為改變其方位角，對于圓偏振光和橢圓偏振光則既改變其方位角又改變其橢率。

圖6 不同偏振態入射時偏振分析面上的偏振態分布

仿真結果表明，水平斜方棱鏡能夠完全補償垂直斜方棱鏡對光束偏振態的改變，所以本文所設計的鏈路衰減器從原理上說是完全保偏的。

表1 由角度控制誤差引起的衰減誤差

3.3 系統波像差

本文所設計的鏈路衰減器，其光學系統只包含棱鏡而沒有透鏡，所有的光學工作面都是平面，而現有的光學加工技術對平面的面形加工能力相對較強，這對保證鏈路衰減器有較小的波像差具有很大的優勢。整個系統光路中被衰減的光束共經過8個光學平面，其中4個為反射面，4個為折射面，以每個光學平面的面形精度為RMS≤λ/50(λ=633nm)計算整個衰減器的波像差，

其中，n=1.72744為974nm處的玻璃折射率。滿足波像差RMS優于λ/20（λ=974nm）的技術指標要求。

4 結論

本文提出了一種激光通信鏈路衰減器，其同時具備光學保偏、極小波像差、高衰減精度、大動態范圍、寬光譜、可連續衰減等特殊性能。通過理論分析和數值仿真，驗證了利用雙斜方棱鏡進行光路衰減的可行性，所設計的鏈路激光通信衰減器的能量衰減系數動態范圍達到-40dB～-3dB，衰減誤差小于0.5%，系統波像差RMS優于此外，該衰減器還可以應用于光纖通信系統中，對密集波分復用通信系統中不同波長的光束進行精確的差異化衰減，以解決不同信道之間由于光纖色散而引起的信道增益平衡問題，同時其光學保偏特性有希望促進偏振復用技術在密集波分復用通信系統中的新應用，以進一步提高光纖通信速率。

［1］曾飛，高世杰，傘曉剛，等.機載激光通信系統發展現狀與趨勢［J］.中國光學，2016，9（01）：65-73.

［2］柯熙政，殷致云，楊利紅.大氣激光通信中光PPM偏振調制方案及其關鍵技術［J］.半導體光電，2007，28（04）：553-555+560.

［3］虞孝舜.計算機控制的楔板光學可變衰減器［J］.激光與紅外，1981（08）：59-62+67.

［4］徐圣奇，辛玉軍，韓文杰，等.一種可連續調諧空間光學衰減器的研究［J］.紅外與激光工程，2015，44（02）：673-676.

［5］劉英明，徐靜，鐘少龍，等.基于MEMS微鏡的可調光學衰減器［J］.光電子·激光，2012，23（12）：2287-2291.

［6］李真，王丹，蕭桂森，等.新型可調諧光學衰減器研究［J］.光電子·激光，2015，26（07）：1243-1247.

［7］Yun G，Crabtree K，Chipman R A.Three-dimensional polarization ray-tracing calculus I：definition and diattenuation［J］.Applied Optics，2011，50（18）：2855-2865.

［8］He W J，Fu Y G，Zheng Y，et.al.Polarization properties of a corner-cube retroreflector with three dimensional polarization ray-tracing calculus［J］.Applied Optics，2013，52（19）：4527-4535.

［9］He W J，Fu Y G，Liu Z Y，et al.Three-dimensional polarization aberration functions in optical system based on three-dimensional polarization ray-tracing calculus［J］.Optics Communications，2017（387）：128-134.

Design of a Stepless Attenuator with Polarization-independent Performance for Optical Communication Link

XU Jia，HE Wenjun，WANG Jiake，FU Yuegang
（School of Optoelectronic Engineering，Changchun University of Science and Technology，Changchun 130022）

A stepless attenuator with polarization-independent performance is designed for the accurate test demand of the communication link performance in free space laser communication system.The mathematic model of polarization preserving is established based on the 3D polarization ray tracing method.Two rhombic prisms are used to balance the polarization aberration，and the incident surfaces of the rhombic prisms are perpendicular to each other.The results of theoretical analysis and numerical simulation show that the designed attenuator achieved high technical index：the dynamic range of attenuation coefficient is-40dB～-3dB，the attenuation error is less than 0.5%，and the wavefront aberration is less thanλ/20（λ=974nm）.

optical attenuator；polarization independent；optical communication；rhombic prism

TH744

A

1672-9870（2017）04-0028-05

2017-06-05

國家自然科學基金項目（11474037）；吉林省科技發展計劃項目（20160520015JH）

徐佳（1987-），女，碩士研究生，E-mail：497921818@qq.com

賀文俊（1987-），男，博士，講師，E-mail：hewenjun@cust.edu.cn