一种折叠光路大功率电光调制系统的制作方法

文档序号:2753839阅读:226来源:国知局
专利名称:一种折叠光路大功率电光调制系统的制作方法
技术领域
本发明涉及一种折叠光路大功率电光调制系统,属于空间激光通信技术领域。
背景技术
电光调制技术因其可有效减小“啁啾”影响,提高调制速率在激光通信领域有广阔的应用前景。国际上关于电光调制器进行研究的报道有许多,用于光纤通信的低功率 电光调制技术已经很成熟,波导型电光调制器带宽高达110GHz,但输出光功率都很小,根 本无法满足远距离光通信对功率的要求。国际上产品化了的高功率电光调制器目前以美 国QUANTUM TECHNOLOGY INC公司的发展水平为代表,该公司生产的TWAM/TWAP10和TWAM/ TffAPll型电光调制器,其调制速率分别为500MHz和IGHz,最大承受激光功率为1W,基本可 以满足中短距离激光通信。但该公司的产品体积大,重量重,增加了激光通信系统的载荷, 使其应用受到限制。(参考文献1、马惠军,朱小磊,自由空间激光通信最新进展,激光与光 电子最新进展,2005年,42 (3) :7 10。2、王程,新型差分光调制器在空间光通信中的应用, 激光技术,2008年,32卷,第1期,18 22。3、刘辉,自适应自由空间光通信应用探讨,通信 技术,2009年,42卷,总209期,62 64。4、高四海,金国良,孙屹等,.行波型波导电光调 制高频特性的数值分析,郑州大学学报(自然科学版),2001,33(1) :66 71。5, Gerardo G. Ortiz, CanonicalDeep Space Optical Communications Transceiver, Free-Space LaserCommunication Technologies,SPIE Vol 7199,71990K1 11)。电光调制技术是利用电光效应进行的激光外调制方式,其优点是可以减小啁啾影 响,调制频率高,在激光通信领域有广阔应用前景。但是随着激光通信距离的不断扩展,对 电光调制系统的输出功率有越来越高的要求,而且为满足高频调制,降低驱动电压,还需要 降低电光调制器半波电压。采用折叠光路的电光调制晶体结构设计,增加晶体通光孔径以 有效提高输入功率,并且降低半波电压、提高调制频率,此类电光调制系统在国内外未见报 道。

发明内容
为了实现大功率电光调制系统,本发明提出了一种折叠光路大功率电光调制系 统。一种折叠光路大功率电光调制系统,如图1所示,该系统由光源(1)、电光调制器 (2)、驱动器(3)组成。所述的光源⑴由半导体激光器⑷和光纤(5)连接组成;半导体激光器⑷的 输出光经过光纤(5)耦合后输出;所述的电光调制器(2)由自聚焦透镜(6)、起偏器(7)、输入光分束镜(8)、电光调 制晶体(9)、检偏器(10)、输出光分束镜(11)、输入光电管(12)和输出光电管(13)组成;其 中自聚焦透镜(6)与光源(1)中的光纤(5)相连;自聚焦透镜(6)、起偏器(7)与电光调制 晶体(9)的入射孔径平行放置;在起偏器(7)与电光调制晶体(9)中间放置输入光分束镜(8),输入光分束镜⑶与激光传输光轴成45°摆放;检偏器(10)与电光调制晶体(9)的输 出孔径平行放置;检偏器(10)的输出光入射输出光分束镜(11);输出光分束镜(11)与激 光传输光轴成45°摆放;输入光电管(12)与输入光分束镜(8)相连;输出光电管(13)与 输出光分束镜(11)相连;所述的驱动器(3)由直流偏置控制电路(14)和调制驱动电路(15)组成;其中直 流偏置控制电路(14)通过电线分别与电光调制器(2)中的电光调制晶体(9)、输入光光电 管(12)和输出光光电管(13)相连;调制驱动电路(15)通过电线与电光调制器(2)中的电 光调制晶体(9)连接;自聚焦透镜(6)将光纤(5)输出的激光进行光束发散角压缩,然后入射起偏器(7);起偏器(7)将由自聚焦透镜(6)输出的光变为与电光调制晶体(9)的X轴平行的线偏 振光,入射到输入光分束镜(8);输入光分束镜(8)将输入的光按能量99 1的比例分为 两束光,其中99%能量的光束入射到电光调制晶体(9),在电光调制晶体(9)中完成光信号 的调制,另外能量的光束入射到输入光电管(12);输入光电管(12)将光信号转换为电 信号,通过电线传送给驱动器⑶中的直流偏置控制电路(14);如图2所示,电光调制晶体(9)采用折叠光路设计,电光调制晶体(9)在χ轴方向 的两表面都与yoz面平行,电光调制晶体(9)在y轴方向的两表面都与X0Z面平行,其中光 入射端面(16)与光出射端面(19)为两个形状相同的长方形,并且都与晶体的X-Y平面平 行;光反射第一端面(17)与光反射第二端面(18)为两个形状相同的长方形,并且都与X-Y 平面成θ角;a为光入射端面(16)和光出射端面(19)的高度;d为电光调制晶体(9)宽 度,L为电光调制晶体(9)长度。激光由光入射端面(16)输入电光调制晶体(9),并平行于ζ轴传播到光反射第一 端面(17),由光反射第一端面(17)发生发射并将反射光传播到光反射第二端面(18),在光 反射第二端面(18)再次发生反射,变成平行于ζ轴的光束,由光出射端面(19)输出。下面的公式给出的是电光调制晶体(9)半波电压计算公式,其中λ是电光调制晶 体(9)的入射波长光,η。是电光调制晶体(9)的折射率,Y22是电光调制晶体(9)电光系 数。<formula>formula see original document page 5</formula>
由此公式可知,电光调制晶体(9)的半波电压与电光调制晶体(9)的宽度d和长 度L密切相关。因此,减小d/L的值能够降低其半波电压。电光调制晶体(9)尺寸设计方法如下θ为光反射第一端面(17)和光反射第二端面(18)与X-Y平面的夹角,2 θ为光
经过光反射第一端面(17)的入射角与反射角之和,光从光入射端(16)的a/2高度入射,由
光输出端面(19)的a/2高度出射;由下面公式 a<formula>formula see original document page 5</formula>
由此公式可知,在确定了电光调制晶体(9)长度L和光入射端面(16)的高度a后, 可求出光反射第一端面(17)和光反射第二端面(18)与X-Y平面的夹角θ。电光调制晶体(9)的输出光入射到检偏器(10);
检偏器(10)将输出光的偏振方向调整到与电光调制晶体(9)的Y轴方向平行;输 出光分束镜(11)将检偏器(10)的输出光按照能量99 1的比例分为两束光,其中99%能 量的光束为电光调制系统的输出光,另外能量的光束提供给输出光电管(13),输出光 电管(13)将光信号转换为电信号,通过电线将电信号传送给驱动器(3)中的直流偏置控制 电路(14);直流偏置控制电路(14)为电光调制晶体(9)提供直流偏置电压,同时电光调制器 (2)中的输入光电管(12)和输出光电管(13)将电信号传送给直流偏置控制电路(14),直 流偏置控制电路(14)根据输入光电管(12)与输出光电管(13)传送的电信号幅度比值的 变化来判断电光调制晶体(9)的半波电压的变化,从而自动调节给电光调制晶体(9)提供 的直流偏置电压;调制驱动电路(15)将调制电信号加载在电光调制晶体(9)上以完成电光 调制。有益效果
与现有的电光调制系统相比较,本发明具有以下有益效果1、采用自聚焦透镜技术提高光源与电光调制器的耦合效率。采用自聚焦透镜使激 光器耦合光纤之后的光束发散角压缩到1. 2。,使自聚焦透镜输出的光斑尺寸小于2mm,将 激光器与电光调制的耦合效率调高到80%。2、采用折叠光路设计方案,在较短晶体尺寸条件下使激光束在调制晶体中多次往 返传输,实现低半波电压工作,半波电压在120V左右;利用折叠光路结构,适当增加通光孔 径和寻找最佳长宽比,消除双折射及退偏影响,实现大功率输出,使电光调制系统输出功率 大于1W。3、电光调制晶体采用折叠光路,缩短了晶体尺寸,因此整个电光调制系统与国外 同类产品相比,激光透射效率相同,但体积小,重量轻,而且由于晶体尺寸小而降低了成本。


图1是一种折叠光路大功率电光调制系统示意图。此图也是说明书摘要附图。其 中,1为光源,2为电光调制器,3为驱动器,4为半导体激光器,5为光纤,6为自聚焦透镜,7 为起偏器,8为输入光分束镜,9为电光调制晶体,10为检偏器,11为输出光分束镜,12为输 入光电管,13为输出光电管,14为直流偏置控制电路,15为调制驱动电路。图2是电光调制晶体折叠光路示意图。其中,16为光入射端面,17为光反射第一 端面,18为光发射第二端面,19为光出射端面。
具体实施例方式一种折叠光路大功率电光调制系统,如图1所示,该系统由光源(1)、电光调制器 (2)、驱动器(3)组成。所述的光源(1)由半导体激光器(4)和光纤(5)连接组成;半导体激光器(4)的 输出光经过光纤(5)耦合后输出;所述的电光调制器(2)由自聚焦透镜(6)、起偏器(7)、输入光分束镜(8)、电光调 制晶体(9)、检偏器(10)、输出光分束镜(11)、输入光电管(12)和输出光电管(13)组成;其 中自聚焦透镜(6)与光源(1)中的光纤(5)相连;自聚焦透镜(6)、起偏器(7)与电光调制晶体(9)的入射孔径平行放置;在起偏器(7)与电光调制晶体(9)中间放置输入光分束镜 (8),输入光分束镜⑶与激光传输光轴成45°摆放;检偏器(10)与电光调制晶体(9)的输 出孔径平行放置;检偏器(10)的输出光入射输出光分束镜(11);输出光分束镜(11)与激 光传输光轴成45°摆放;输入光电管(12)与输入光分束镜(8)相连;输出光电管(13)与 输出光分束镜(11)相连;所述的驱动器(3)由直流偏置控制电路(14)和调制驱动电路(15)组成;其中直流偏置控制电路(14)通过电线分别与电光调制器(2)中的电光调制晶体(9)、输入光光电 管(12)和输出光光电管(13)相连;调制驱动电路(15)通过电线与电光调制器(2)中的电 光调制晶体(9)连接;自聚焦透镜(6)将光纤(5)输出的激光进行光束发散角压缩,然后入射起偏器 (7);起偏器(7)将由自聚焦透镜(6)输出的光变为与电光调制晶体(9)的X轴平行的线偏 振光,入射到输入光分束镜(8);输入光分束镜(8)将输入的光按能量99 1的比例分为 两束光,其中99%能量的光束入射到电光调制晶体(9),在电光调制晶体(9)中完成光信号 的调制,另外能量的光束入射到输入光电管(12);输入光电管(12)将光信号转换为电 信号,通过电线传送给驱动器⑶中的直流偏置控制电路(14);如图2所示,电光调制晶体(9)采用折叠光路设计,电光调制晶体(9)在χ轴方向 的两表面都与yoz面平行,电光调制晶体(9)在y轴方向的两表面都与X0Z面平行,其中光 入射端面(16)与光出射端面(19)为两个形状相同的长方形,并且都与晶体的X-Y平面平 行;光反射第一端面(17)与光反射第二端面(18)为两个形状相同的长方形,并且都与X-Y 平面成θ角;a为光入射端面(16)和光出射端面(19)的高度;d为电光调制晶体(9)宽 度,L为电光调制晶体(9)长度。激光由光入射端面(16)输入电光调制晶体(9),并平行于ζ轴传播到光反射第一 端面(17),由光反射第一端面(17)发生发射并将反射光传播到光反射第二端面(18),在光 反射第二端面(18)再次发生反射,变成平行于ζ轴的光束,由光出射端面(19)输出。下面的公式给出的是电光调制晶体(9)半波电压计算公式,其中λ是电光调制晶 体(9)的入射波长光,η。是电光调制晶体(9)的折射率,Y22是电光调制晶体(9)电光系 数。<formula>formula see original document page 7</formula>由此公式可知,电光调制晶体(9)的半波电压与电光调制晶体(9)的宽度d和长 度L密切相关。因此,减小d/L的值能够降低其半波电压。电光调制晶体(9)尺寸设计方法如下θ为光反射第一端面(17)和光反射第二端面(18)与X-Y平面的夹角,2 θ为光 经过光反射第一端面(17)的入射角与反射角之和,光从光入射端(16)的a/2高度入射,由 光输出端面(19)的a/2高度出射;由下面公式tg29 = j -由此公式可知,在确定了电光调制晶体(9)长度L和光入射端面(16)的高度a后, 可求出光反射第一端面(17)和光反射第二端面(18)与X-Y平面的夹角θ。
电光调制晶体(9)的输出光入射到检偏器(10);检偏器(10)将输出光的偏振方向调整到与电光调制晶体(9)的Y轴方向平行;输 出光分束镜(11)将检偏器(10)的输出光按照能量99 1的比例分为两束光,其中99%能 量的光束为电光调制系统的输出光,另外能量的光束提供给输出光电管(13),输出光 电管(13)将光信号转换为电信号,通过电线将电信号传送给驱动器(3)中的直流偏置控制 电路(14);
直流偏置控制电路(14)为电光调制晶体(9)提供直流偏置电压,同时电光调制器 (2)中的输入光电管(12)和输出光电管(13)将电信号传送给直流偏置控制电路(14),直 流偏置控制电路(14)根据输入光电管(12)与输出光电管(13)传送的电信号幅度比值的 变化来判断电光调制晶体(9)的半波电压的变化,从而自动调节给电光调制晶体(9)提供 的直流偏置电压;调制驱动电路(15)将调制电信号加载在电光调制晶体(9)上以完成电光 调制。
权利要求
一种折叠光路大功率电光调制系统,该系统由光源(1)、电光调制器(2)、驱动器(3)组成;所述的光源(1)由半导体激光器(4)和光纤(5)连接组成;半导体激光器(4)的输出光经过光纤(5)耦合后输出;所述的电光调制器(2)由自聚焦透镜(6)、起偏器(7)、输入光分束镜(8)、电光调制晶体(9)、检偏器(10)、输出光分束镜(11)、输入光电管(12)和输出光电管(13)组成;自聚焦透镜(6)与光源(1)中的光纤(5)相连;自聚焦透镜(6)、起偏器(7)与电光调制晶体(9)的入射孔径平行放置;在起偏器(7)与电光调制晶体(9)中间放置输入光分束镜(8),输入光分束镜(8)与激光传输光轴成45°摆放;检偏器(10)与电光调制晶体(9)的输出孔径平行放置;检偏器(10)的输出光入射输出光分束镜(11);输出光分束镜(11)与激光传输光轴成45°摆放;输入光电管(12)与输入光分束镜(8)相连;输出光电管(13)与输出光分束镜(11)相连;所述的驱动器(3)由直流偏置控制电路(14)和调制驱动电路(15)组成;其中直流偏置控制电路(14)通过电线分别与电光调制器(2)中的电光调制晶体(9)、输入光光电管(12)和输出光光电管(13)相连;调制驱动电路(15)通过电线与电光调制器(2)中的电光调制晶体(9)连接;自聚焦透镜(6)将光纤(5)输出的激光进行光束发散角压缩,然后入射起偏器(7);起偏器(7)将由自聚焦透镜(6)输出的光变为与电光调制晶体(9)的X轴平行的线偏振光,入射到输入光分束镜(8);输入光分束镜(8)将输入的光按能量99∶1的比例分为两束光,其中99%能量的光束入射到电光调制晶体(9),在电光调制晶体(9)中完成光信号的调制,另外1%能量的光束入射到输入光电管(12);输入光电管(12)将光信号转换为电信号,通过电线传送给驱动器(3)中的直流偏置控制电路(14);电光调制晶体(9)采用折叠光路设计,电光调制晶体(9)在x轴方向的两表面都与yoz面平行,电光调制晶体(9)在y轴方向的两表面都与xoz面平行,其中光入射端面(16)与光出射端面(19)为两个形状相同的长方形,并且都与晶体的X-Y平面平行;光反射第一端面(17)与光反射第二端面(18)为两个形状相同的长方形,并且都与X-Y平面成θ角;a为光入射端面(16)和光出射端面(19)的高度;d为电光调制晶体(9)宽度,L为电光调制晶体(9)长度;激光由光入射端面(16)输入电光调制晶体(9),并平行于z轴传播到光反射第一端面(17),由光反射第一端面(17)发生发射并将反射光传播到光反射第二端面(18),在光反射第二端面(18)再次发生反射,变成平行于z轴的光束,由光出射端面(19)输出;下面的公式给出的是电光调制晶体(9)半波电压计算公式,其中λ是电光调制晶体(9)的入射波长光,no是电光调制晶体(9)的折射率,γ22是电光调制晶体(9)电光系数, <mrow><msub> <mi>V</mi> <mi>&pi;</mi></msub><mo>=</mo><mfrac> <mi>&lambda;</mi> <mrow><msubsup> <mrow><mn>2</mn><mi>n</mi> </mrow> <mi>o</mi> <mn>3</mn></msubsup><msub> <mi>&gamma;</mi> <mn>22</mn></msub> </mrow></mfrac><mo>&CenterDot;</mo><mfrac> <mi>d</mi> <mi>L</mi></mfrac><mo>,</mo> </mrow>由此公式可知,电光调制晶体(9)的半波电压与电光调制晶体(9)的宽度d和长度L密切相关,因此,减小d/L的值能够降低其半波电压;电光调制晶体(9)尺寸设计方法如下θ为光反射第一端面(17)和光反射第二端面(18)与X-Y平面的夹角,2θ为光经过光反射第一端面(17)的入射角与反射角之和,光从光入射端(16)的a/2高度入射,由光输出端面(19)的a/2高度出射;由下面公式 <mrow><mi>tg</mi><mn>2</mn><mi>&theta;</mi><mo>=</mo><mfrac> <mi>a</mi> <mi>L</mi></mfrac><mo>,</mo> </mrow>由此公式可知,在确定了电光调制晶体(9)长度L和光入射端面(16)的高度a后,可求出光反射第一端面(17)和光反射第二端面(18)与X-Y平面的夹角θ;电光调制晶体(9)的输出光入射到检偏器(10);检偏器(10)将输出光的偏振方向调整到与电光调制晶体(9)的Y轴方向平行;输出光分束镜(11)将检偏器(10)的输出光按照能量99∶1的比例分为两束光,其中99%能量的光束为电光调制系统的输出光,另外1%能量的光束提供给输出光电管(13),输出光电管(13)将光信号转换为电信号,通过电线将电信号传送给驱动器(3)中的直流偏置控制电路(14);直流偏置控制电路(14)为电光调制晶体(9)提供直流偏置电压,同时电光调制器(2)中的输入光电管(12)和输出光电管(13)将电信号传送给直流偏置控制电路(14),直流偏置控制电路(14)根据输入光电管(12)与输出光电管(13)传送的电信号幅度比值的变化来判断电光调制晶体(9)的半波电压的变化,从而自动调节给电光调制晶体(9)提供的直流偏置电压;调制驱动电路(15)将调制电信号加载在电光调制晶体(9)上以完成电光调制。
2.如权利要求1所述的一种空间激光通信用功率自适应控制信标光发射系统,其特征有1)采用自聚焦透镜技术提高光源与电光调制器的耦合效率,采用自聚焦透镜使激光器 耦合光纤之后的光束发散角压缩到1. 2°,使自聚焦透镜输出的光斑尺寸小于2mm,将激光 器与电光调制的耦合效率调高到80% ;2)采用折叠光路设计方案,在较短晶体尺寸条件下使激光束在调制晶体中多次往返传 输,实现低半波电压工作,半波电压在120V左右;利用折叠光路结构,适当增加通光孔径和 寻找最佳长宽比,消除双折射及退偏影响,实现大功率输出,使电光调制系统输出功率大于 Iff ;3)电光调制晶体采用折叠光路,缩短了晶体尺寸,因此整个电光调制系统与国外同类 产品相比,激光透射效率相同,但体积小,重量轻,而且由于晶体尺寸小而降低了成本。
全文摘要
本发明涉及一种800nm波段折叠光路大功率电光调制系统,属于激光通信技术领域。本发明在电光调制系统中,采用自聚焦透镜耦合技术,使激光器耦合光纤之后的光束发散角压缩到1.2°,自聚焦透镜输出的光斑尺寸小于2mm,激光器与电光调制器的耦合效率显著提高,达到80%;在电光调制晶体的结构设计时采用了折叠光路的设计方案,在较短晶体尺寸条件下使激光束在调制晶体中多次往返传输,实现低半波电压工作;利用折叠光路结构,适合增加通光孔径和寻找最佳长宽比,消除双折射及退偏影响,实现大功率输出,使电光调制系统输出功率大于1W。
文档编号G02B6/32GK101825779SQ201010150319
公开日2010年9月8日 申请日期2010年4月20日 优先权日2010年4月20日
发明者唐雁峰, 姜会林, 李洪祚, 李锐, 詹伟达, 金光勇 申请人:长春理工大学
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