一種收發(fā)隔離光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

馬擁華，馬建軍

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司 第三十四研究所，桂林 541004)

一種收發(fā)隔離光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

馬擁華，馬建軍*

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司 第三十四研究所，桂林 541004)

為了實(shí)現(xiàn)高隔離度的收發(fā)隔離，采用一種偏振收發(fā)隔離光學(xué)系統(tǒng)，利用瓊斯矩陣進(jìn)行了理論分析,驗(yàn)證了偏振隔離在收發(fā)同軸光學(xué)系統(tǒng)中的可行性。采取空間隔離來(lái)抑制回波進(jìn)入接收系統(tǒng)，研究了模擬系統(tǒng)中偏振分束鏡前表面楔角大小對(duì)收發(fā)隔離度的影響。結(jié)果表明，在達(dá)到一定楔角時(shí)，可取得100dB收發(fā)隔離度。這一結(jié)果對(duì)收發(fā)同軸光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)具有一定指導(dǎo)意義。

光學(xué)設(shè)計(jì);收發(fā)隔離;偏振分束;隔離度;回波

引 言

收發(fā)隔離是指系統(tǒng)中的接收光路和發(fā)射光路在同時(shí)工作時(shí)，接收和發(fā)射之間相互隔離的程度。收發(fā)隔離光學(xué)系統(tǒng)在熒光光譜檢測(cè)[1]、自由空間光通信[2-4]等領(lǐng)域中都有應(yīng)用前景。在自由空間激光通信系統(tǒng)中，基于減小體積的考慮，激光通信終端一般都采用共口徑收發(fā)同軸的光學(xué)天線[5-6]。傳統(tǒng)收發(fā)隔離多采用光譜隔離的方式，即發(fā)射波長(zhǎng)與接收波長(zhǎng)不一致。對(duì)于發(fā)射波長(zhǎng)與接收波長(zhǎng)一致的光通信系統(tǒng)，光譜隔離將不再適用，例如多節(jié)點(diǎn)中繼、拓?fù)渥兓臒o(wú)線光通信網(wǎng)絡(luò)[7]、單波長(zhǎng)相干光通信系統(tǒng)[4]。類比微波中的極化隔離[8]，利用光波的偏振特性，設(shè)計(jì)了一種偏振收發(fā)隔離光學(xué)系統(tǒng)。

偏振收發(fā)隔離是利用偏振分束器件將偏振方向彼此正交的光束進(jìn)行隔離。分別調(diào)制發(fā)射與接收光的偏振方向與偏振分束鏡的s光、p光偏振方向相同即可實(shí)現(xiàn)偏振收發(fā)隔離。不同于偏振隔離器[9]是為了抑制回波的不良影響，正向通光、反向阻光，偏振隔離是為了接收光路和發(fā)射光路相互隔離，互不影響。本文中設(shè)計(jì)了一種偏振收發(fā)隔離光學(xué)系統(tǒng)，對(duì)其偏振隔離進(jìn)行了理論計(jì)算，對(duì)發(fā)射光回波采取了抑制措施，模擬了系統(tǒng)隔離度。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)的收發(fā)隔離光學(xué)系統(tǒng)由發(fā)射和接收兩路組成，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

Fig.1 Schematic diagram of a polarization isolation optical system

該系統(tǒng)由探測(cè)器D、聚光鏡L1、準(zhǔn)直鏡L2、擴(kuò)束鏡L3、偏振分束鏡(polarization beam splitter,PBS)、起偏器P、信號(hào)發(fā)射源S、半波片H、光闌A、光學(xué)天線M等部分組成。信號(hào)發(fā)射源發(fā)出的光經(jīng)過(guò)準(zhǔn)直鏡準(zhǔn)直，再經(jīng)過(guò)起偏器，變?yōu)槠穹较驗(yàn)閥方向的線偏振光。偏振分束鏡反射y反向偏振光，透射x方向偏振光。發(fā)射信號(hào)光通過(guò)偏振分束器反射后，再通過(guò)一個(gè)半波片，其中，半波片快軸方向與發(fā)射信號(hào)光偏振方向夾角為22.5°，最后經(jīng)過(guò)準(zhǔn)直鏡和光學(xué)天線輸出。接收信號(hào)依次通過(guò)光學(xué)天線、準(zhǔn)直鏡、半波片后透射過(guò)偏振分束鏡，再經(jīng)準(zhǔn)直鏡到達(dá)探測(cè)器。

2 收發(fā)隔離系統(tǒng)隔離機(jī)理

2.1 偏振隔離原理

設(shè)發(fā)射信號(hào)為單色非偏振光，其瓊斯矩陣為[10]：E=[ExEy]。起偏器、偏振分束鏡反射、透射，半波片正向入射、反向入射的瓊斯矩陣分別為[10]：

發(fā)射光經(jīng)過(guò)起偏器后可以被偏振分束鏡反射，通過(guò)光學(xué)天線出射，不被探測(cè)器接收。同時(shí)，接收光信號(hào)到達(dá)探測(cè)器的光矢量可以表示為：

結(jié)果表明，接收信號(hào)光可以完全透過(guò)偏振分光片到達(dá)信號(hào)探測(cè)器，實(shí)現(xiàn)收發(fā)隔離。

由于偏振分束鏡、半波片、擴(kuò)束鏡等表面存在的反射光有可能進(jìn)入探測(cè)器，利用瓊斯矩陣分析半波片及透鏡的前后表面反射光。其中反射面和透鏡的瓊斯矩陣為[10]：

式中,f為擴(kuò)束鏡焦距。則偏振分束鏡后表面及半波片前表面的反射光到達(dá)探測(cè)器的瓊斯矩陣為：E1=JPBS,tJrJPBS,rJpE=[0 0]。半波片后表面及擴(kuò)束鏡前表面反射光到達(dá)探測(cè)器的瓊斯矩陣為：E2=JPBS,tJh-·JrJh+JPBS,rJpE=[0 0]。擴(kuò)束鏡后表面反射光到達(dá)探測(cè)器的瓊斯矩陣為：E3=JPBS,tJh-JlensJrJlensJh+JPBS,r·JpE=[0 0]。由此可知，在理想的偏振分束情況下，偏振片及透鏡前后表面反射光均不會(huì)進(jìn)入信號(hào)探測(cè)器。擴(kuò)束鏡組其它鏡片的反射光到達(dá)探測(cè)器的瓊斯矩陣與第1片擴(kuò)束鏡后表面反射光到達(dá)探測(cè)器的瓊斯矩陣一致，也不會(huì)進(jìn)入信號(hào)探測(cè)器。但是由于發(fā)射光束偏振度、分束鏡偏振性能及其造成的影響，難以實(shí)現(xiàn)絕對(duì)收發(fā)隔離。

2.2 角度誤差的影響

假設(shè)在收發(fā)端調(diào)節(jié)半波片快軸與信號(hào)偏振方向的夾角誤差為θ，則半波片正向入射、反向入射的瓊斯矩陣分別為：

同時(shí)，存在調(diào)節(jié)誤差與不存在調(diào)節(jié)誤差時(shí)探測(cè)器接收光強(qiáng)不同，它們的比值為cos2(4θ)。由此可知，半波片快軸與信號(hào)偏振方向的夾角為22.5°時(shí)，探測(cè)器接收到的信號(hào)最強(qiáng)，當(dāng)兩者方向夾角偏離22.5°、并且偏離角為θ時(shí)，信號(hào)探測(cè)器接收到的光強(qiáng)按cos2(4θ)減小。因此，存在調(diào)節(jié)誤差時(shí)會(huì)影響接收到的信號(hào)光光強(qiáng)，但是不會(huì)影響光學(xué)系統(tǒng)的偏振隔離度。

2.3 反射光抑制

為了進(jìn)一步提高系統(tǒng)隔離度，對(duì)偏振分束器的前表面進(jìn)行楔角處理，由此可以達(dá)到更高的收發(fā)隔離度[11-12]。收發(fā)隔離度定義為在接收光敏面上，發(fā)射光功率中的后向反射、散射及光路系統(tǒng)后向散射光多次散射等后向接收光功率Pb和傳輸功率Pt的比值[3,13-15]，即：R=10lg(Pt/Pb)。為了得到系統(tǒng)收發(fā)隔離度，建立模型對(duì)所設(shè)計(jì)系統(tǒng)進(jìn)行分析。

模擬光路模型如圖2a所示，信號(hào)發(fā)射光源波長(zhǎng)采用1550nm，發(fā)射信號(hào)總功率為1W。圖2中各個(gè)元件表示意義與圖1相同，并假設(shè)各個(gè)透鏡、起偏器、半波片透射率為99.5%，反射率為0.5%，直徑為20mm。偏振分束鏡對(duì)p光反射率為99.9%，透射率為0.1%，對(duì)s光透射率為99.9%，發(fā)射率為0.1%，鏡筒為完美吸收體，探測(cè)器直徑為100μm。圖2a中小圖所示為偏振分束鏡前表面的楔角θ。圖2b為系統(tǒng)模擬時(shí)的光路圖。由于接收信號(hào)可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)跟蹤，在改變偏振分束鏡角度的過(guò)程中可以保證接收信號(hào)光斑始終位于探測(cè)器中心，回波信號(hào)則會(huì)因?yàn)槠穹质R角度的增大逐漸偏離探測(cè)器中心，從而在保證接收信號(hào)功率不變的同時(shí)增加系統(tǒng)收發(fā)隔離度。

Fig.2 Simulation model of the echoes in a transmitting-reciving isolation system

a—0mrad,1.8×10-5W,47.3dB b—3.5mrad,3.01×10-7W,65.21dB c—3.98mrad,1.07×10-9W,89.70dB d—3.99mrad,5.06×10-13W,122.96dB

圖3所示為探測(cè)器上接收回波光強(qiáng)分布在不同參量，尤其在不同偏振分束鏡楔楔角時(shí)的情況。圖3a中楔角為0mrad，接收光功率為1.8×10-5W，隔離度為47.3dB；圖3b中楔角為3.5mrad，接收光功率為3.01×10-7W，隔離度為65.21dB；圖3c中楔角為3.98mrad，接收光功率為1.07×10-9W，隔離度為89.70dB；圖3d中楔角為3.99mrad，接收光功率為5.06×10-13W，隔離度為122.96dB。本文中探測(cè)器的探測(cè)尺寸為0.1mm，因此它存在一定的視場(chǎng)范圍，由于透鏡前聚光鏡的焦距為34.92mm，可得探測(cè)器全視場(chǎng)為：FFOV=arctan(0.1/34.92)=2.9mrad。隨著楔角度的增加，探測(cè)器接收到的信號(hào)回波功率越來(lái)越小，偏振隔離度越來(lái)越大，在傾角大約為3.99mrad時(shí)超出探測(cè)器視場(chǎng)。可以看出,在某一楔角度時(shí)，系統(tǒng)可以達(dá)到100dB的隔離度。對(duì)于不同的光學(xué)系統(tǒng)，該楔角與探測(cè)器光敏面尺寸及聚光鏡的焦距有關(guān)。

在試驗(yàn)過(guò)程中,由于遮光罩不可能完全遮擋所有外界雜散光，加上探測(cè)器自身噪聲的影響、各種器件的制造公差影響，以及探測(cè)器的靈敏度影響等因素,還不能達(dá)到如此高的隔離度，只有不斷提升實(shí)驗(yàn)環(huán)境及器件來(lái)達(dá)到預(yù)期。

3 結(jié) 論

針對(duì)收發(fā)同軸光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)了一種了偏振收發(fā)隔離光學(xué)系統(tǒng)。計(jì)算結(jié)果表明，該系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)收發(fā)隔離，存在半波片角度誤差時(shí)會(huì)降低接收的信號(hào)功率而不會(huì)影響收發(fā)隔離性能。系統(tǒng)偏振隔離度主要由偏振分束鏡的消光比、反射面反射率以及偏振分束鏡表面楔角決定。模擬探測(cè)器接收發(fā)射光回波功率隨偏振分束鏡楔角的變化，得出在消光比為1000∶1、反射面反射率為0.5%時(shí)，存在一定楔角，可以實(shí)現(xiàn)100dB的隔離度。對(duì)于高收發(fā)隔離度要求的系統(tǒng)，可以對(duì)偏振分束鏡進(jìn)行表面進(jìn)行楔角處理來(lái)提高系統(tǒng)的收發(fā)隔離性能。

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Designofatransmitting-receivingisolationopticalsystem

MAYonghua,MAJianjun

(No.34 Research Institute， China Electronic Technology Group Corporation, Guilin 541004，China)

In order to achieve high-degree isolation in a transceiver system, an isolation optical system was put forward based on polarization and analyzed by means of Jones matrix. The feasibility of polarization isolation in a coaxial optical transceiver was verified. The space separation was used to suppress the echo into the receiving system. The influence of the wedge angle of polarization beam splitter on transmitting-receiving isolation was studied. The results show that, the transmitting-receiving isolation of 100dB is achieved with a certain wedge angle. The results will be of guiding significance for the design of transmitting-receiving coaxial optical systems.

optical design; transmitting-receiving isolation; polarization beam splitter; isolation degree; echo

by the detectors at different parameters

1001-3806(2018)01-0117-04

馬擁華(1989-)，男，碩士研究生，助理工程師，主要從事光學(xué)設(shè)計(jì)與調(diào)試方面的研究。

*通訊聯(lián)系人。E-mail:m-j-j@163.com

2017-03-15；

2017-04-13

TN202

A

10.7510/jgjs.issn.1001-3806.2018.01.023