1、引言

相干通信體制和目前實(shí)用的強(qiáng)度調(diào)制/直接檢測(cè)[1]的非相干通信體制相比具有接收靈敏度高、中繼距離長(zhǎng)、波長(zhǎng)選擇性好、通信容 量大、應(yīng)用靈活等優(yōu)點(diǎn),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(guò)幾十年的 研究,德國(guó)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(shí)現(xiàn)了低軌衛(wèi)星之間的56Gb/s激光通信為實(shí)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(xué)橋接器將信號(hào)激光和本振激光鏈接到光電探測(cè)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(cè)信息處其性能在很大程度上影響著相干接收性能。

光學(xué)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(lèi)型。一般情況下,180°相移橋接器用于平衡鎖相環(huán)路接收機(jī),90°相移橋接器用于科斯塔斯鎖相環(huán)路接收機(jī),對(duì)于2×4的90°相移橋接器,可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)相差90°的兩組180°相移的輸出,可進(jìn)行平衡接收及科斯塔斯鎖相,由于平衡接收機(jī)能產(chǎn)生與理想接收機(jī)的相同性能,因而2×4的90°光學(xué)橋接器被廣泛研究[220]。針對(duì)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(xué)橋接器。由于在空間應(yīng)用中,系統(tǒng)不僅需要探測(cè)通信信息,還需要探測(cè)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(xué)橋接器歸為非自由空間傳播型和自由空間傳播型進(jìn)行介紹。

2、非自由空間傳播型的光學(xué)橋接器
針對(duì)光纖通信系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的光學(xué)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(dǎo)器件實(shí)現(xiàn),可分為如下幾種類(lèi)型。

2.1、3dB耦合器型光學(xué)橋接器
3dB耦合器型光學(xué)橋接器[210]是光纖通信系統(tǒng)用光學(xué)橋接器中開(kāi)發(fā)*多的一種主要由3dB耦合器,和兩個(gè)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(dǎo)型,線偏振的信號(hào)光和圓偏振的本振光由3dB耦合器進(jìn)行分光耦合,兩臂之間產(chǎn)生90°的相位差,混合后通過(guò)兩個(gè)PBS進(jìn)行偏光分離分離過(guò)程中產(chǎn)生180°的相位差*后輸出相對(duì)相移關(guān)系為0°,90°,180°,270°的四束相干光束E1,E2,E3,E4。該光學(xué)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(dǎo)耦合器實(shí)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(diǎn)實(shí)驗(yàn)顯示隨環(huán)境振動(dòng)和溫度變化有較大的相位抖動(dòng)和漂移現(xiàn)象因此提高其相位穩(wěn)定性是此類(lèi)光學(xué)橋接器的關(guān)鍵問(wèn)題。

1．1波導(dǎo)集成型

平面光波導(dǎo)集成光學(xué)橋接器

平面光波導(dǎo)能將光波束縛在光波長(zhǎng)量級(jí)尺寸的波導(dǎo)芯層中,長(zhǎng)距離無(wú)輻射的傳輸,結(jié)合定向耦合器和相移器可制成光學(xué)橋接器[11,12]。圖2是基于平面光波導(dǎo)和相移器實(shí)現(xiàn)的2×490°光學(xué)橋接器主要,由4個(gè)定向耦合器(DC)和2個(gè)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(hào)光進(jìn)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(jìn)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(hào)光和從S,U輸出的本振光分別由耦合器DC3,DC4進(jìn)行分光耦合,*后從端口W,X,Y,Z輸出4束信號(hào)/本振相干光,當(dāng)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(shí)輸出XYZ具有相對(duì)于W分別為180°90°270°的相移實(shí)現(xiàn)2×4的90°光橋接。該光學(xué)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(wèn)題實(shí)驗(yàn)通過(guò)反饋回路自動(dòng)控制PS可取得較好的結(jié)果但因此增加了系統(tǒng)的復(fù)雜性。

1.2、多模干涉耦合器光學(xué)橋接器

基于多模波導(dǎo)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(shí)現(xiàn)的光學(xué)橋接器[10,1315]如圖3所示主要由輸入波導(dǎo)、多模干涉耦合器和輸出波導(dǎo)組成,從輸入波導(dǎo)入射的光在多模干涉區(qū)激發(fā)多個(gè)模式進(jìn)行模式干涉,*終形成輸入場(chǎng)的多個(gè)自映像由輸出波導(dǎo)射出。將具有相同工作波長(zhǎng)的本振光與信號(hào)光分別從輸入波導(dǎo)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(dǎo)輸出,根據(jù)輸入波導(dǎo)i與輸出映像j間的相位關(guān)系在合適的設(shè)計(jì)下可實(shí)現(xiàn)2×4的90°光學(xué)橋接器。輸入波導(dǎo)i與輸出映像j間的相對(duì)相位關(guān)[16,17]如表1(此時(shí)忽略了常相位因子<0)所示。由表1可知,當(dāng)信號(hào)光與本振光從輸入波導(dǎo)1和2,1和3,2和4,或者3和4等波導(dǎo)輸入時(shí),經(jīng)模式干涉后,其輸出波導(dǎo)的相干光之間的相對(duì)相移滿(mǎn)足90°的倍數(shù),即-135°-45°45°和135°從而實(shí)現(xiàn)2×4的90°光學(xué)橋接器功能。

基于自映像多模干涉耦合器實(shí)現(xiàn)的光學(xué)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(zhǎng)和環(huán)境溫度影響小、工藝簡(jiǎn)單以及對(duì)偏振不敏感等優(yōu)點(diǎn),具有很大的應(yīng)用潛力。

1.3、混合型光學(xué)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(diǎn),H.Hertz等[20]利用介質(zhì)膜分束器和方解石棒綜合設(shè)計(jì)了一個(gè)結(jié)構(gòu)緊湊的2×490°光學(xué)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(hào)光和本振光利用介質(zhì)膜分束器的反射和透射進(jìn)行分光合成,合成后通過(guò)方解石棒進(jìn)行偏光分離*后從端口XZYW輸出四束相對(duì)相位差為90°的信號(hào)/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(duì)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(xué)橋接器基本都是針對(duì)光纖通信系統(tǒng)開(kāi)發(fā)在空間激光通信系統(tǒng)中在探測(cè)通信信號(hào)的同時(shí)需要探測(cè)位置信號(hào),因此需要自由空間傳播式的光學(xué)橋接器,大部分適用于光纖通信系統(tǒng)的光學(xué)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(xué)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(shí)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(shí)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(hào)光通過(guò)NPBS進(jìn)行分光合成,合成后一路被擋光板吸收,另一路通過(guò)PBS進(jìn)行偏光分離,由于信號(hào)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(duì)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(shí)的相位性質(zhì)實(shí)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(chēng)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(lèi)似。非偏振分束器方案在德國(guó)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(gè)NPBS和兩個(gè)PBS組成其中NPBS實(shí)現(xiàn)3dB耦合器的功能,分光耦合信號(hào)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(shí)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(hào)光與透射的本振光合成后被PBS1分離,透射的信號(hào)光與反射的本振光合成后被PBS2分離,*后輸出四束信號(hào)/本振相干光。這里對(duì)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(shí)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(shí)增加兩個(gè)半波片進(jìn)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(hào)光分別經(jīng)HWP轉(zhuǎn)動(dòng)45°偏振方向后才被PBS1,PBS2進(jìn)行偏光分離,輸出四束信號(hào)/本振相干光,同樣的,只有當(dāng)PBS滿(mǎn)足50/50的透射/反射分光合成,并產(chǎn)生90°相位差時(shí),才能實(shí)現(xiàn)2×4的90°空間光橋接器功能。現(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(jìn)行1…1分光還需要滿(mǎn)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(guò)旋轉(zhuǎn)四分之一波片光軸的方法[21,22,26]進(jìn)行調(diào)節(jié),但會(huì)引起分光比變化,當(dāng)所需的相位條件偏離太大時(shí),相位調(diào)節(jié)引起的分光比變換太大會(huì)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(gè)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(duì)用于分光耦合的分束器有嚴(yán)格的相位條件要求但并無(wú)有效的方法對(duì)分光元件進(jìn)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(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，在光纖通信中得到了廣泛的應(yīng)用，不僅在點(diǎn)對(duì)點(diǎn)系統(tǒng)中繼續(xù)向著更高速更長(zhǎng)距離的方向發(fā)展，特別是在海底通信上有著巨大的市場(chǎng)潛力。除了新型高效激光器，新型相干檢測(cè)技術(shù)也是系統(tǒng)發(fā)展的關(guān)鍵，采用新型檢測(cè)技術(shù)降低光源對(duì)系統(tǒng)整體性能的影響，自適應(yīng)光學(xué)、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(jìn)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(xué)橋接器一直是國(guó)內(nèi)外研究的重點(diǎn),如何有效實(shí)現(xiàn)接收通道中的90°和180°相移是研發(fā)高性能光學(xué)橋接器的技術(shù)核心和難點(diǎn)針對(duì)光纖通信系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的光學(xué)橋接器種類(lèi)較多,有相對(duì)成熟的技術(shù)方案,但仍存在相位精度和穩(wěn)定性難以進(jìn)一步提高的問(wèn)題,多模干涉耦合光學(xué)橋接器技術(shù)是未來(lái)高性能光學(xué)橋接器的重要發(fā)展方向自由空間型的光學(xué)橋接器的種類(lèi)則較少低損耗、高探測(cè)效率的具有穩(wěn)定相位輸出的空間光橋接器還有待進(jìn)一步研究。