相干光通信中的光学桥接器

1、引言

相干通信体制和目前实用的强度调制/直接检测[1]的非相干通信体制相比具有接收灵敏度高、中继距离长、波长选择性好、通信容 量大、应用灵活等优点,是大容量、高码率激光通信系统的重要研究方向,特别是在星间激光通信系统中有重要应用。经过几十年的 研究,德国首先制造了轻量化、高码率的星间相干激光通信终端理,成功实现了低轨卫星之间的56Gb/s激光通信为实现高轨中继卫星 与低 轨观察卫星之间的通信奠定了基础。作为相干光通信终端的核心器件之一,光学桥接器将信号激光和本振激光链接到光电探测器,并使之产生所需的相位关系,以便后续的相干探测信息处其性能在很大程度上影响着相干接收性能。

光学桥接器有两输入两输出(2×2),90°相移,两输入两输出,180°相移和两输入四输出(2×4),90°相移几种类型。一般情况下,180°相移桥接器用于平衡锁相环路接收机,90°相移桥接器用于科斯塔斯锁相环路接收机,对于2×4的90°相移桥接器,可以同时实现相差90°的两组180°相移的输出,可进行平衡接收及科斯塔斯锁相,由于平衡接收机能产生与理想接收机的相同性能,因而2×4的90°光学桥接器被广泛研究[220]。针对光纤通信系统和空间激光通信系统,人们发展了多种2×4的90°光学桥接器。由于在空间应用中,系统不仅需要探测通信信息,还需要探测位置信息,通常需要自由空间传播型的桥接器,因此我们将光学桥接器归为非自由空间传播型和自由空间传播型进行介绍。

2、非自由空间传播型的光学桥接器
针对光纤通信系统开发的光学桥接器基本都属于非自由空间传播型,大多采用光纤和波导器件实现,可分为如下几种类型。

2.1、3dB耦合器型光学桥接器
3dB耦合器型光学桥接器[210]是光纤通信系统用光学桥接器中开发*多的一种主要由3dB耦合器,和两个偏振分束器(PBS)组成,如图1所示,其中3dB耦合器可采用光纤型或者波导型,线偏振的信号光和圆偏振的本振光由3dB耦合器进行分光耦合,两臂之间产生90°的相位差,混合后通过两个PBS进行偏光分离分离过程中产生180°的相位差*后输出相对相移关系为0°,90°,180°,270°的四束相干光束E1,E2,E3,E4。该光学桥接器的性能主要取决于3dB耦合器的性能,其分光比和两臂之间的相位差是关键,采用光纤或者波导耦合器实现的桥接器存在易受环境和温度影响相位输出性能不够稳定的缺点实验显示随环境振动和温度变化有较大的相位抖动和漂移现象因此提高其相位稳定性是此类光学桥接器的关键问题。

1．1波导集成型

平面光波导集成光学桥接器

平面光波导能将光波束缚在光波长量级尺寸的波导芯层中,长距离无辐射的传输,结合定向耦合器和相移器可制成光学桥接器[11,12]。图2是基于平面光波导和相移器实现的2×490°光学桥接器主要,由4个定向耦合器(DC)和2个相移器(PS)构成,其中相移器PS1PS2连续可调DC1将从端口A输入的信号光进行1…1分光由相移器PS1调节端口R

与T之间的相位差,DC2将从D端口输入的本振光进行1…1分光,由相移器PS2调节端口S与U之间的相位差。从R,T输出的信号光和从S,U输出的本振光分别由耦合器DC3,DC4进行分光耦合,*后从端口W,X,Y,Z输出4束信号/本振相干光,当合适调节相移器PS1,PS2使得R和T同相位、S和U相位相差90°时输出XYZ具有相对于W分别为180°90°270°的相移实现2×4的90°光桥接。该光学桥接器相位连续可调但也面临因外界参量的变化而引起相位输出变化相位稳定性不高的问题实验通过反馈回路自动控制PS可取得较好的结果但因此增加了系统的复杂性。

1.2、多模干涉耦合器光学桥接器

基于多模波导自映像效应制成的多模干涉(MMI)耦合器[18,19]应用于多种光纤通信器件,利用多模干涉耦合器实现的光学桥接器[10,1315]如图3所示主要由输入波导、多模干涉耦合器和输出波导组成,从输入波导入射的光在多模干涉区激发多个模式进行模式干涉,*终形成输入场的多个自映像由输出波导射出。将具有相同工作波长的本振光与信号光分别从输入波导的任意两端口入射经模式干涉形成的自映像由输出波导输出,根据输入波导i与输出映像j间的相位关系在合适的设计下可实现2×4的90°光学桥接器。输入波导i与输出映像j间的相对相位关[16,17]如表1(此时忽略了常相位因子<0)所示。由表1可知,当信号光与本振光从输入波导1和2,1和3,2和4,或者3和4等波导输入时,经模式干涉后,其输出波导的相干光之间的相对相移满足90°的倍数,即-135°-45°45°和135°从而实现2×4的90°光学桥接器功能。

基于自映像多模干涉耦合器实现的光学桥接器具有结构紧凑、插入损耗低、频带较宽、受工作波长和环境温度影响小、工艺简单以及对偏振不敏感等优点,具有很大的应用潜力。

1.3、混合型光学桥接器

为克服光纤耦合型桥接器环境适应能力差相位输出,不够稳定的缺点,H.Hertz等[20]利用介质膜分束器和方解石棒综合设计了一个结构紧凑的2×490°光学桥接器其原理和2.1节所述的3dB耦合型桥接器相同,仅是介质膜分束器代替3dB耦合器。如图4所示,信号光和本振光利用介质膜分束器的反射和透射进行分光合成,合成后通过方解石棒进行偏光分离*后从端口XZYW输出四束相对相位差为90°的信号/本振相干光。该桥接器结构紧凑、相位输出稳定,是相干光通信系统的较好选择,但对介质膜分束器有较高的分光和相位要求。

以上所述的光学桥接器基本都是针对光纤通信系统开发在空间激光通信系统中在探测通信信号的同时需要探测位置信号,因此需要自由空间传播式的光学桥接器,大部分适用于光纤通信系统的光学桥接器都不适合空间应用，因此需要发展自由空间传播型的空间光桥接器。

2、自由空间传播型的光学桥接器

现有方案中,空间光桥接器主要采用波片和分束器实现。3.12×2的空间光桥接器

1983年WRLeeb[21]提出了空间光桥接器的实现方案2×2的90°和180°空间光桥接器如图5和图6所示。2×2的90°空间光桥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)构成,本振光经四分之一波片变成圆偏振光和45°偏振的信号光通过NPBS进行分光合成,合成后一路被挡光板吸收,另一路通过PBS进行偏光分离,由于信号光和本振光的s偏振分量之间的相位差为0,p偏振分量之间的相位差为90°,因此从端口A,B可得到相对相位差为90°的相干光。2×2的180°空间光桥接器仅由起偏器和偏振分束器构成利用相互垂直的偏振分量在偏光分离时的相位性质实现。

2.1、 2×4的90°空间光桥接器

在Leeb方案的基础上RGarreis等[22]提出了两种2×4的90°空间光桥接器可称为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耦合型桥接器类似。非偏振分束器方案在德国的TerraSAR系统[25]中被应用。

2.2非偏振分束器空间光桥接器方案

非偏振分束器方案主要由一个NPBS和两个PBS组成其中NPBS实现3dB耦合器的功能,分光耦合信号光与本振光并产生90°的相位差,联立四分之一波片(QWP)和PBS偏光分离时的相位性质产生所需的相移关系如图7所示。反射的信号光与透射的本振光合成后被PBS1分离,透射的信号光与反射的本振光合成后被PBS2分离,*后输出四束信号/本振相干光。这里对NPBS有较高的要求,理想情况下需要透射/反射为50/50分光反射和透射间产生90°相位差方能实现2×4的90°空间光桥接器功能。3.2.2偏振分束器空间光桥接器方案将分光耦合用的NPBS换成PBS即为偏振分束器方案同时增加两个半波片进行偏振方向调节如图8所示,经PBS分光合成后的本振光和信号光分别经HWP转动45°偏振方向后才被PBS1,PBS2进行偏光分离,输出四束信号/本振相干光,同样的,只有当PBS满足50/50的透射/反射分光合成,并产生90°相位差时,才能实现2×4的90°空间光桥接器功能。现有空间光桥接器的关键在于用于分光合成的NPBS和PBS不仅需要进行1…1分光还需要满足特定的相位条件总所周知分束器的相位是很难加以控制的,尽管可通过旋转四分之一波片光轴的方法[21,22,26]进行调节,但会引起分光比变化,当所需的相位条件偏离太大时,相位调节引起的分光比变换太大会不利于后面的平衡接收。因此发展其他新型的性能更好的空间光桥接器仍然是空间相干光通信的一个重要课题。

其他新型空间光桥接器

由于现有的空间光桥接器方案中对用于分光耦合的分束器有严格的相位条件要求但并无有效的方法对分光元件进行相位的控制因此发展新的空间光桥接器方案成为需要。刘立人等[2729]综合利用晶体的双折射效应和电光效应,提出了不同的新型空间光桥接器方案,为空间相干激光通信系统提供了新的选择。

五、总结 

相干光通信以其独特的优点，在光纤通信中得到了广泛的应用，不仅在点对点系统中继续向着更高速更长距离的方向发展，特别是在海底通信上有着巨大的市场潜力。除了新型高效激光器，新型相干检测技术也是系统发展的关键，采用新型检测技术降低光源对系统整体性能的影响，自适应光学、偏振分集等新型接收方法的引入，提高了系统响应速度，更进一步完善其应用。

作为相干光通信系统中的关键器件,光学桥接器一直是国内外研究的重点,如何有效实现接收通道中的90°和180°相移是研发高性能光学桥接器的技术核心和难点针对光纤通信系统开发的光学桥接器种类较多,有相对成熟的技术方案,但仍存在相位精度和稳定性难以进一步提高的问题,多模干涉耦合光学桥接器技术是未来高性能光学桥接器的重要发展方向自由空间型的光学桥接器的种类则较少低损耗、高探测效率的具有稳定相位输出的空间光桥接器还有待进一步研究。