1、引言

相干通信體制和目前實用的強度調(diào)制/直接檢測[1]的非相干通信體制相比具有接收靈敏度高、中繼距離長、波長選擇性好、通信容 量大、應(yīng)用靈活等優(yōu)點,是大容量、高碼率激光通信系統(tǒng)的重要研究方向,特別是在星間激光通信系統(tǒng)中有重要應(yīng)用。經(jīng)過幾十年的 研究,德國首先制造了輕量化、高碼率的星間相干激光通信終端理,成功實現(xiàn)了低軌衛(wèi)星之間的56Gb/s激光通信為實現(xiàn)高軌中繼衛(wèi)星 與低 軌觀察衛(wèi)星之間的通信奠定了基礎(chǔ)。作為相干光通信終端的核心器件之一,光學橋接器將信號激光和本振激光鏈接到光電探測器,并使之產(chǎn)生所需的相位關(guān)系,以便后續(xù)的相干探測信息處其性能在很大程度上影響著相干接收性能。

光學橋接器有兩輸入兩輸出(2×2),90°相移,兩輸入兩輸出,180°相移和兩輸入四輸出(2×4),90°相移幾種類型。一般情況下,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,對于2×4的90°相移橋接器,可以同時實現(xiàn)相差90°的兩組180°相移的輸出,可進行平衡接收及科斯塔斯鎖相,由于平衡接收機能產(chǎn)生與理想接收機的相同性能,因而2×4的90°光學橋接器被廣泛研究[220]。針對光纖通信系統(tǒng)和空間激光通信系統(tǒng),人們發(fā)展了多種2×4的90°光學橋接器。由于在空間應(yīng)用中,系統(tǒng)不僅需要探測通信信息,還需要探測位置信息,通常需要自由空間傳播型的橋接器,因此我們將光學橋接器歸為非自由空間傳播型和自由空間傳播型進行介紹。

2、非自由空間傳播型的光學橋接器
針對光纖通信系統(tǒng)開發(fā)的光學橋接器基本都屬于非自由空間傳播型,大多采用光纖和波導器件實現(xiàn),可分為如下幾種類型。

2.1、3dB耦合器型光學橋接器
3dB耦合器型光學橋接器[210]是光纖通信系統(tǒng)用光學橋接器中開發(fā)*多的一種主要由3dB耦合器,和兩個偏振分束器(PBS)組成,如圖1所示,其中3dB耦合器可采用光纖型或者波導型,線偏振的信號光和圓偏振的本振光由3dB耦合器進行分光耦合,兩臂之間產(chǎn)生90°的相位差,混合后通過兩個PBS進行偏光分離分離過程中產(chǎn)生180°的相位差*后輸出相對相移關(guān)系為0°,90°,180°,270°的四束相干光束E1,E2,E3,E4。該光學橋接器的性能主要取決于3dB耦合器的性能,其分光比和兩臂之間的相位差是關(guān)鍵,采用光纖或者波導耦合器實現(xiàn)的橋接器存在易受環(huán)境和溫度影響相位輸出性能不夠穩(wěn)定的缺點實驗顯示隨環(huán)境振動和溫度變化有較大的相位抖動和漂移現(xiàn)象因此提高其相位穩(wěn)定性是此類光學橋接器的關(guān)鍵問題。

1．1波導集成型

平面光波導集成光學橋接器

平面光波導能將光波束縛在光波長量級尺寸的波導芯層中,長距離無輻射的傳輸,結(jié)合定向耦合器和相移器可制成光學橋接器[11,12]。圖2是基于平面光波導和相移器實現(xiàn)的2×490°光學橋接器主要,由4個定向耦合器(DC)和2個相移器(PS)構(gòu)成,其中相移器PS1PS2連續(xù)可調(diào)DC1將從端口A輸入的信號光進行1…1分光由相移器PS1調(diào)節(jié)端口R

與T之間的相位差,DC2將從D端口輸入的本振光進行1…1分光,由相移器PS2調(diào)節(jié)端口S與U之間的相位差。從R,T輸出的信號光和從S,U輸出的本振光分別由耦合器DC3,DC4進行分光耦合,*后從端口W,X,Y,Z輸出4束信號/本振相干光,當合適調(diào)節(jié)相移器PS1,PS2使得R和T同相位、S和U相位相差90°時輸出XYZ具有相對于W分別為180°90°270°的相移實現(xiàn)2×4的90°光橋接。該光學橋接器相位連續(xù)可調(diào)但也面臨因外界參量的變化而引起相位輸出變化相位穩(wěn)定性不高的問題實驗通過反饋回路自動控制PS可取得較好的結(jié)果但因此增加了系統(tǒng)的復雜性。

1.2、多模干涉耦合器光學橋接器

基于多模波導自映像效應(yīng)制成的多模干涉(MMI)耦合器[18,19]應(yīng)用于多種光纖通信器件,利用多模干涉耦合器實現(xiàn)的光學橋接器[10,1315]如圖3所示主要由輸入波導、多模干涉耦合器和輸出波導組成,從輸入波導入射的光在多模干涉區(qū)激發(fā)多個模式進行模式干涉,*終形成輸入場的多個自映像由輸出波導射出。將具有相同工作波長的本振光與信號光分別從輸入波導的任意兩端口入射經(jīng)模式干涉形成的自映像由輸出波導輸出,根據(jù)輸入波導i與輸出映像j間的相位關(guān)系在合適的設(shè)計下可實現(xiàn)2×4的90°光學橋接器。輸入波導i與輸出映像j間的相對相位關(guān)[16,17]如表1(此時忽略了常相位因子<0)所示。由表1可知,當信號光與本振光從輸入波導1和2,1和3,2和4,或者3和4等波導輸入時,經(jīng)模式干涉后,其輸出波導的相干光之間的相對相移滿足90°的倍數(shù),即-135°-45°45°和135°從而實現(xiàn)2×4的90°光學橋接器功能。

基于自映像多模干涉耦合器實現(xiàn)的光學橋接器具有結(jié)構(gòu)緊湊、插入損耗低、頻帶較寬、受工作波長和環(huán)境溫度影響小、工藝簡單以及對偏振不敏感等優(yōu)點,具有很大的應(yīng)用潛力。

1.3、混合型光學橋接器

為克服光纖耦合型橋接器環(huán)境適應(yīng)能力差相位輸出,不夠穩(wěn)定的缺點,H.Hertz等[20]利用介質(zhì)膜分束器和方解石棒綜合設(shè)計了一個結(jié)構(gòu)緊湊的2×490°光學橋接器其原理和2.1節(jié)所述的3dB耦合型橋接器相同,僅是介質(zhì)膜分束器代替3dB耦合器。如圖4所示,信號光和本振光利用介質(zhì)膜分束器的反射和透射進行分光合成,合成后通過方解石棒進行偏光分離*后從端口XZYW輸出四束相對相位差為90°的信號/本振相干光。該橋接器結(jié)構(gòu)緊湊、相位輸出穩(wěn)定,是相干光通信系統(tǒng)的較好選擇,但對介質(zhì)膜分束器有較高的分光和相位要求。

以上所述的光學橋接器基本都是針對光纖通信系統(tǒng)開發(fā)在空間激光通信系統(tǒng)中在探測通信信號的同時需要探測位置信號,因此需要自由空間傳播式的光學橋接器,大部分適用于光纖通信系統(tǒng)的光學橋接器都不適合空間應(yīng)用，因此需要發(fā)展自由空間傳播型的空間光橋接器。

2、自由空間傳播型的光學橋接器

現(xiàn)有方案中,空間光橋接器主要采用波片和分束器實現(xiàn)。3.12×2的空間光橋接器

1983年WRLeeb[21]提出了空間光橋接器的實現(xiàn)方案2×2的90°和180°空間光橋接器如圖5和圖6所示。2×2的90°空間光橋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)構(gòu)成,本振光經(jīng)四分之一波片變成圓偏振光和45°偏振的信號光通過NPBS進行分光合成,合成后一路被擋光板吸收,另一路通過PBS進行偏光分離,由于信號光和本振光的s偏振分量之間的相位差為0,p偏振分量之間的相位差為90°,因此從端口A,B可得到相對相位差為90°的相干光。2×2的180°空間光橋接器僅由起偏器和偏振分束器構(gòu)成利用相互垂直的偏振分量在偏光分離時的相位性質(zhì)實現(xiàn)。

2.1、 2×4的90°空間光橋接器

在Leeb方案的基礎(chǔ)上RGarreis等[22]提出了兩種2×4的90°空間光橋接器可稱為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耦合型橋接器類似。非偏振分束器方案在德國的TerraSAR系統(tǒng)[25]中被應(yīng)用。

2.2非偏振分束器空間光橋接器方案

非偏振分束器方案主要由一個NPBS和兩個PBS組成其中NPBS實現(xiàn)3dB耦合器的功能,分光耦合信號光與本振光并產(chǎn)生90°的相位差,聯(lián)立四分之一波片(QWP)和PBS偏光分離時的相位性質(zhì)產(chǎn)生所需的相移關(guān)系如圖7所示。反射的信號光與透射的本振光合成后被PBS1分離,透射的信號光與反射的本振光合成后被PBS2分離,*后輸出四束信號/本振相干光。這里對NPBS有較高的要求,理想情況下需要透射/反射為50/50分光反射和透射間產(chǎn)生90°相位差方能實現(xiàn)2×4的90°空間光橋接器功能。3.2.2偏振分束器空間光橋接器方案將分光耦合用的NPBS換成PBS即為偏振分束器方案同時增加兩個半波片進行偏振方向調(diào)節(jié)如圖8所示,經(jīng)PBS分光合成后的本振光和信號光分別經(jīng)HWP轉(zhuǎn)動45°偏振方向后才被PBS1,PBS2進行偏光分離,輸出四束信號/本振相干光,同樣的,只有當PBS滿足50/50的透射/反射分光合成,并產(chǎn)生90°相位差時,才能實現(xiàn)2×4的90°空間光橋接器功能?，F(xiàn)有空間光橋接器的關(guān)鍵在于用于分光合成的NPBS和PBS不僅需要進行1…1分光還需要滿足特定的相位條件總所周知分束器的相位是很難加以控制的,盡管可通過旋轉(zhuǎn)四分之一波片光軸的方法[21,22,26]進行調(diào)節(jié),但會引起分光比變化,當所需的相位條件偏離太大時,相位調(diào)節(jié)引起的分光比變換太大會不利于后面的平衡接收。因此發(fā)展其他新型的性能更好的空間光橋接器仍然是空間相干光通信的一個重要課題。

其他新型空間光橋接器

由于現(xiàn)有的空間光橋接器方案中對用于分光耦合的分束器有嚴格的相位條件要求但并無有效的方法對分光元件進行相位的控制因此發(fā)展新的空間光橋接器方案成為需要。劉立人等[2729]綜合利用晶體的雙折射效應(yīng)和電光效應(yīng),提出了不同的新型空間光橋接器方案,為空間相干激光通信系統(tǒng)提供了新的選擇。

五、總結(jié) 

相干光通信以其獨特的優(yōu)點，在光纖通信中得到了廣泛的應(yīng)用，不僅在點對點系統(tǒng)中繼續(xù)向著更高速更長距離的方向發(fā)展，特別是在海底通信上有著巨大的市場潛力。除了新型高效激光器，新型相干檢測技術(shù)也是系統(tǒng)發(fā)展的關(guān)鍵，采用新型檢測技術(shù)降低光源對系統(tǒng)整體性能的影響，自適應(yīng)光學、偏振分集等新型接收方法的引入，提高了系統(tǒng)響應(yīng)速度，更進一步完善其應(yīng)用。

作為相干光通信系統(tǒng)中的關(guān)鍵器件,光學橋接器一直是國內(nèi)外研究的重點,如何有效實現(xiàn)接收通道中的90°和180°相移是研發(fā)高性能光學橋接器的技術(shù)核心和難點針對光纖通信系統(tǒng)開發(fā)的光學橋接器種類較多,有相對成熟的技術(shù)方案,但仍存在相位精度和穩(wěn)定性難以進一步提高的問題,多模干涉耦合光學橋接器技術(shù)是未來高性能光學橋接器的重要發(fā)展方向自由空間型的光學橋接器的種類則較少低損耗、高探測效率的具有穩(wěn)定相位輸出的空間光橋接器還有待進一步研究。