专利名称：一种光混频器的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及光通讯器件领域，尤其涉及相干探测接收器中应用的光混频器 (Optical Hybrid)。
背景技术：
在光通信领域，更大的带宽、更长的传输距离、更高的接收灵敏度，永远都是科研 者的追求目标。尽管波分复用(W匿)技术和掺铒光纤放大器(EDFA)的应用已经极大的提高 了光通信系统的带宽和传输距离，伴随着视频会议等通信技术的应用和互联网的普及产生 的信息爆炸式增长，对作为整个通信系统基础的物理层提出了更高的传输性能要求。传统 的幅度键控(OOK)调制方式以及直接强度检测接收技术已很难满足这些传输性能的要求， 为了高效地延长现有光缆网的传输距离和提高传输容量，需要解决多个技术难题。这些技 术难题包括提高系统克服噪声、传输劣化的能力，要具有较高的频谱效率。为了达到这个 目标，需要考虑使用新的调制技术，如差分相移键控(DPSK)调制技术，同时还要采用电均 衡技术。 为了进一步提高传输容量和无中继传输距离，我们需要突破现有的直接检测接收 机理，采用相干光检测技术。相干光检测技术，除了检测光信号的幅度，还能检测光信号的 相位和偏振态(极化态)。采用相干光技术后，在同样的光谱带宽内就可以传输更大容量的 数据。此外，相干光系统中，光信号的相位信息可用来高效地补偿光传输所引起的信号在电 域内的劣化。 采用相干光接收技术后，接收信号的相位和偏振都可以在电域更高效的检测。光 传输引起的失真也可以很好地通过电均衡器来补偿，进而实现更远的传输距离。这样还可 以省去接收机侧的色散补偿光纤以及光放大器。 此外，若忽略本振光源的相对强度噪声，接收信号同本振信号混频后，可以得到放 大，而噪声指标却不会劣化。同不带前置光放大器(预放)的直接检测效果相比，采用相干 接收技术的灵敏度可以提高20dB左右，即使采用光放大器，直接检测方式在灵敏度方面也 比相干接收技术逊色一些。 将相干光接收技术与先进的调制方式以及电信号处理技术相结合，可以大大提高 现有光传输链路的容量和传输距离、提高频谱效率，降低建设成本以及运维成本；同时，相 干接收技术可以使用电均衡技术来准确补偿光传输造成的劣化，网络设计也因此可以变得 更为灵活。 相干光通信系统的基本结构是在发送端，采用外调制方式将信号调制到光载波上 进行传输。当信号光传输到达接收端时，首先与一本振光信号通过光混频器进行相干耦合， 然后由平衡接收机进行探测。相干光通信根据本振光频率与信号光频率不等或相等，可分 为外差检测和零差检测。前者光信号经光电转换后获得的是中频信号，还需二次解调才能 被转换成基带信号。后者光信号经光电转换后被直接转换成基带信号，不用二次解调，但它 要求本振光频率与信号光频率严格匹配，并且要求本振光与信号光的相位锁定。[0008] 在相干光通信中，相干探测要求信号光束与本振光束必须有相同的偏振方向，也 就是说，两者的电矢量方向必须相同，才能获得相干接收所能提供的高灵敏度。否则，会使 相干探测灵敏度下降。因为在这种情况下，只有信号光波电矢量在本振光波电矢量方向上 的投影，才真正对混频产生的中频信号电流有贡献。若失配角度超过60。，则接收机的灵敏 度几乎得不到任何改善，从而失去相干接收的优越性。因此，为了充分发挥相干接收的优越 性，在相干光通信中应采取光波偏振稳定措施。主要有两种方法一是采用"保偏光纤"使 光波在传输过程中保持光波的偏振态不变。而普通的单模光纤会由于光纤的机械振动或温 度变化等因素使光波的偏振态发生变化。"保偏光纤"与单模光纤相比，其损耗比较大，价格 比较昂贵。二是使用普通的单模光纤，在接收端采用偏振分集技术，接收信号光先通过一个 偏振分束器分解成两个正交的信号，每个正交信号光都与本振光混频，将混频后输出的光 信号转换成电信号后，就能在电子域进行偏振解复用。
实用新型内容因此，本实用新型的目的在于提供了一种适用于光通信系统中相干探测接收器应
用中的光混频器以满足上述要求。 本实用新型的技术方案是 本实用新型的光混频器，入射的信号光(301)和本振光(302)分别通过第一准直 器(101)和第二准直器(116)进入光混频器。光混频器包括设置于光路上的偏振分光元 件(102、115、105、107、110、117)、半波片(103、 104)、四分之一波片(112、113)和非偏振分 光镜(109)，其中，第一准直器(101)出射处后设置一偏振分光元件(102)，将入射的信号 光(301)分为强度相等、偏振方向相互垂直的线偏振光，即分为信号光Sx(201)和信号光 SY(202); 信号光Sx(201)后设有一半波片(103)，改变信号光Sx(201)的偏振方向，使信号
光Sx(201)的偏振方向在垂直于入射的信号光Sx(201)的平面内旋转45。； 信号光Sy(202)后设有一半波片(104)，改变信号光SY(202)的偏振方向，使信号
光Sy(202)的偏振方向在垂直于入射的信号光Sy(202)的平面内旋转45。； 第二准直器(116)出射处后设置一偏振分光元件(115)，将入射的本振光(302)分
为强度相等、偏振方向相互垂直的线偏振光，即分为本振光Lx(203)和本振光Ly(204);本振光Lx(203)后设有一四分之一波片(112)，使得本振光Lx(203)通过该四分之
一波片(112)后变为圆偏振光，该圆偏振光在X方向和Y方向上的光分量强度相等且具有
n /2的相位差； 本振光Ly(204)后设有一四分之一波片(113)，使得本振光Ly(204)通过该四分之 一波片(113)后变为圆偏振光，该圆偏振光在X方向和Y方向上的光分量强度相等且具有 n /2的相位差； 信号光Sx(201)与本振光Lx(203)及信号光SY(202)与本振光LY(204)的交点的轴 线上设置一非偏振分光镜(109); 信号光SJ201)被非偏振分光镜(109)分成反射的信号光SJ2011)及透射的信号 光Sx(2012)，信号光Sy (202)被非偏振分光镜(109)分成反射的信号光SY(2021)及透射的 信号光SY(2022)，本振光Lx(203)被非偏振分光镜(109)分成反射的本振光Lx(2031)及透射的本振光Lx(2032)，本振光Ly(204)被非偏振分光镜(109)分成反射的本振光LY(2041) 及透射的本振光Ly(2042);反射的信号光SJ2011)和透射的本振光LJ2032)共光路轴线并 产生干涉，由输出的偏振分光元件(105)，将该路干涉光沿X方向和Y方向偏振分光，并输出 二路输出光； 反射的信号光Sy(2021)和透射的本振光Ly(2042)共光路轴线并产生干涉，由输出 的偏振分光元件(107)，将该路干涉光沿X方向和Y方向偏振分光，并输出二路输出光； 透射的信号光Sy(2012)和反射的本振光Lx(2031)共光路轴线并产生干涉，由输出 的偏振分光元件(110)，将该路干涉光沿X方向和Y方向偏振分光，并输出二路输出光； 透射的信号光Sy(2022)和反射的本振光Ly(2041)共光路轴线并产生干涉，由输出 的偏振分光元件(117)，将该路干涉光沿X方向和Y方向偏振分光，并输出二路输出光； 其中，上述的X方向是垂直于光路传播方向并平行于纸面的方向，Y方向是垂直于 光路传播方向并垂直于纸面的方向。 进一步的，所述的半波片(103U04)光轴方向与X方向或Y方向成22.5。或 67.5° 。所述的四分之一波片(112U13)的光轴方向与X方向或Y方向成45。。 进一步的，在所述的光路上设置多个折射棱镜(121、122、123、124、125)弯曲光 路，形成紧凑的结构，压縮元件占用空间体积。 进 一 步的，所述的两个偏振分光元件(102U15)是渥拉斯顿棱镜 (WollastonPrism)。 或者，上述的两个偏振分光元件(102U15)的渥拉斯顿棱镜可以取代为偏振分光 棱镜(PBS) (119 、120)。 进一步的，所述的四个输出的偏振分光元件(105、107、110、117)是渥拉斯顿棱镜 (Wollaston Prism)。 进一步的，所述的四个输出的偏振分光元件(105、107、110、117)后分别设有四个 双光纤准直器(106、 108、 111、 118)耦合输出。 进一步的，在所述的光路上设置多个衰减片来平衡各路输出光的插损。 本实用新型提出了一种控制两路干涉输出光程差的方法，用补偿片对光路光程进
行补偿，可将八路干涉输出光程时延差控制到lps以内的光混频器。 本实用新型采用如上技术方案，提出了一种结构相对简单，易于实现的适用于光 通信系统中相干探测接收器应用中的光混频器。其具有自由空间光学设计，温度稳定性好， 体积小，成本低的优点。
图1是本实用新型的总体示意图； 图2是本实用新型的实施例1的结构示意图； 图3是本实用新型的实施例2的结构示意图。
具体实施方式现结合附图和具体实施方式
对本实用新型进一步说明。 参阅图1和图2、图3所示，本实用新型的光混频器，入射信号光和本振光分别通过信号光的准直器101和本振光的准直器116进入本光混频器装置，该装置包括依次设置于光路的两输入偏振分光元件102U15或119、120，用于将入射信号光和本振光分为强度相等、偏振方向相互垂直的线偏振光，分为信号光S(X)和信号光S(Y)，本振光L(X)和本振光L(Y);两半波片103、104，用于分别改变信号光S(X)和信号光S(Y)的偏振方向，使信号光的偏振方向在垂直于入射光的平面内旋转45。；两四分之一波片112、113，用于分别使得本振光L(X)和本振光L(Y)均在X和Y方向上的光分量强度相等且具有Ji/2的相位差；一非偏振分光元件109，用于将信号光与本振光等分为透射光和反射光并产生干涉，得到四路光；四个输出偏振分光元件105、 107、 110、 117，用于分别将四路干涉后的光信号沿X和Y方向偏振分光并输出八路光信号；八路光信号分别用四个双光纤准直器106、10S、lll、118耦合输出。
实施例1 : 参阅图2所示，信号光由准直器101进入，通过渥拉斯顿棱镜(WollastonPrism) 102分光后，分为两束偏振方向垂直的光信号，其中这两束光信号分别经过光轴方向与X方向或Y方向成22. 5°的半波片后信号光的偏振方向与原方向成45。，这两束光在X和Y方向的分量强度和相位均相等，两束光到达非偏振分光片109后均分为透射和反射的两束光；同时，在对称方向一束本振光由准直器116进入，通过渥拉斯顿棱镜(Wollaston Prism) 115分光后，分为两束偏振方向垂直的光信号，其中这两束光信号分别经过光轴方向与X或Y方向成45°的四分之一波片后信号光变为圆偏振光，这两束光在X和Y方向分量强度相等，相位相差Ji /2，两束光到达非偏振分光片109后均分为透射和反射的两束光；通过非偏振分光片后反射的信号光和透射的本振光产生干涉，透射的信号光和反射的本振光产生干涉，得到四路干涉的信号光，再经过出射渥拉斯顿棱镜分光后实现八路光输出，这八路光分别为S (X)与L (X)混频后输出的S+L (X) ， S+jL (X) ， S-L (X) ， S-jL (X)，和S (Y)与L (Y)混频后输出的S+L (Y) ， S+jL (Y) ， S-L (Y) ， S-jL (Y)，设信号光S与本振光L在S+L(X)端的相位差为①x，则信号光S与本振光L在S+jL(X)，S-L(X)，S-jL(X)端的相位差分别为①x+90。，①x+180。，①x+270。，同样设信号光S与本振光L在S+L (Y)端的相位差为①y，则信号光S与本振光L在S+jL(Y)，S-L(Y)，S-jL(Y)端的相位差分别为①y+9(T ，①y+180。，①y+270。；信号输出后S+L与S_L， S+jL与S-jL采用平衡接收，通过电子域处理后解调出信号。[0039] 实施例2 : 图3的装置是图2的演变结构，其原理与图2基本相同，其区别在于图3中偏振分光元件由图2中的渥拉斯顿棱镜(Wollaston Prism)换成了偏振分光棱镜(PBS)，光路中添加一些反射镜改变光路可以实现输入的两路光和输出的八路光在同一边，体积更小。[0041] 参阅图3所示，信号光由准直器IOI进入，通过偏振分光镜(PBS)119分光后，分为两束偏振方向垂直的光信号，其中这两束光信号分别经过光轴方向与X方向或Y方向成22.5°的半波片后信号光的偏振方向与原方向成45。，这两束光在X和Y方向的分量强度和相位均相等，两束光到达非偏振分光片109后均分为透射和反射的两束光；同时，在对称方向一束本振光由准直器116进入，通过偏振分光镜(PBS) 120分光后，分为两束偏振方向垂直的光信号，其中这两束光信号分别经过光轴方向与X或Y方向成45°的四分之一波片后信号光变为圆偏振光，这两束光在X和Y方向分量强度相等，相位相差Ji/2，两束光到达非偏振分光片109后均分为透射和反射的两束光；通过非偏振分光片后反射的信号光和透射的本振光产生干涉，透射的信号光和反射的本振光产生干涉，得到四路干涉的信号光，再经过出射渥拉斯顿棱镜分光后实现八路光输出，这八路光分别为S(X)与L(X)混频后输出的S+L (X) ， S+jL (X) ， S-L (X) ， S-jL (X)，和S (Y)与L (Y)混频后输出的S+L (Y) ， S+jL (Y)，S-L(Y)， S-jL(Y)，设信号光S与本振光L在S+L(X)端的相位差为①x，则信号光S与本振光L在S+jL(X)，S-L(X)，S-jL(X)端的相位差分别为①x+90。，①x+180。，①x+270。，同样设信号光S与本振光L在S+L(Y)端的相位差为①y，则信号光S与本振光L在S+jL (Y)，S-L(Y)， S-jL(Y)端的相位差分别为①y+90。，①y+180。，①y+270。;信号输出后S+L与S-L， S+jL与S-jL采用平衡接收，通过电子域处理后解调出信号。 进一步的，为了使本振光经过四分之一波片后X方向分量和Y方向分量的相位差为精确的n/2，可以垂直光路旋转波片进行微调。 更进一步，为了使输出的八路光的插损一致性比较好，可在光路中添加一定数量、一定反射率的衰减片来平衡各路插损。 上述的实施例采用了自由空间光学设计，具有很好的温度稳定性、较小的尺寸和较低的成本。 尽管结合优选实施方案具体展示和介绍了本实用新型，但所属领域的技术人员应该明白，在不脱离所附权利要求书所限定的本实用新型的精神和范围内，在形式上和细节上可以对本实用新型做出各种变化，均为本实用新型的保护范围。
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权利要求一种光混频器，入射的信号光(301)和本振光(302)分别通过第一准直器(101)和第二准直器(116)进入光混频器，其特征在于包括设置于光路上的偏振分光元件(102、115、105、107、110、117)、半波片(103、104)、四分之一波片(112、113)和非偏振分光镜(109)，其中，第一准直器(101)出射处后设置一偏振分光元件(102)，将入射的信号光(301)分为强度相等、偏振方向相互垂直的线偏振光，即分为信号光SX(201)和信号光SY(202)；信号光SX(201)后设有一半波片(103)，改变信号光SX(201)的偏振方向，使信号光SX(201)的偏振方向在垂直于入射的信号光SX(201)的平面内旋转45°；信号光SY(202)后设有一半波片(104)，改变信号光SY(202)的偏振方向，使信号光SY(202)的偏振方向在垂直于入射的信号光SY(202)的平面内旋转45°；第二准直器(116)出射处后设置一偏振分光元件(115)，将入射的本振光(302)分为强度相等、偏振方向相互垂直的线偏振光，即分为本振光LX(203)和本振光LY(204)；本振光LX(203)后设有一四分之一波片(112)，使得本振光LX(203)通过该四分之一波片(112)后变为圆偏振光，该圆偏振光在X方向和Y方向上的光分量强度相等且具有π/2的相位差；本振光LY(204)后设有一四分之一波片(113)，使得本振光LY(204)通过该四分之一波片(113)后变为圆偏振光，该圆偏振光在X方向和Y方向上的光分量强度相等且具有π/2的相位差；信号光SX(201)与本振光LX(203)及信号光SY(202)与本振光LY(204)的交点的轴线上设置一非偏振分光镜(109)；信号光SX(201)被非偏振分光镜(109)分成反射的信号光SX(2011)及透射的信号光SX(2012)，信号光SY(202)被非偏振分光镜(109)分成反射的信号光SY(2021)及透射的信号光SY(2022)，本振光LX(203)被非偏振分光镜(109)分成反射的本振光LX(2031)及透射的本振光LX(2032)，本振光LY(204)被非偏振分光镜(109)分成反射的本振光LY(2041)及透射的本振光LY(2042)；反射的信号光SX(2011)和透射的本振光LX(2032)共光路轴线并产生干涉，由输出的偏振分光元件(105)，将该路干涉光沿X方向和Y方向偏振分光，并输出二路输出光；反射的信号光SY(2021)和透射的本振光LY(2042)共光路轴线并产生干涉，由输出的偏振分光元件(107)，将该路干涉光沿X方向和Y方向偏振分光，并输出二路输出光；透射的信号光SX(2012)和反射的本振光LX(2031)共光路轴线并产生干涉，由输出的偏振分光元件(110)，将该路干涉光沿X方向和Y方向偏振分光，并输出二路输出光；透射的信号光SY(2022)和反射的本振光LY(2041)共光路轴线并产生干涉，由输出的偏振分光元件(117)，将该路干涉光沿X方向和Y方向偏振分光，并输出二路输出光；其中，上述的X方向是垂直于光路传播方向并平行于纸面的方向，Y方向是垂直于光路传播方向并垂直于纸面的方向。
2. 根据权利要求l所述的光混频器，其特征在于所述的半波片(103U04)光轴方向与X方向或Y方向成22.5。或67.5° 。
3. 根据权利要求l所述的光混频器，其特征在于所述的四分之一波片(112U13)的光轴方向与X方向或Y方向成45。。
4. 根据权利要求1所述的光混频器，其特征在于在所述的光路上设置多个折射棱镜(121、122、123、124、125)弯曲光路。
5. 根据权利要求l所述的光混频器，其特征在于所述的两个偏振分光元件(102U15)是渥拉斯顿棱镜。
6. 根据权利要求5所述的光混频器，其特征在于所述的两个偏振分光元件(102U15)的渥拉斯顿棱镜可以取代为偏振分光棱镜(119U20)。
7. 根据权利要求1所述的光混频器，其特征在于所述的四个输出的偏振分光元件(105、 107、 110、 117)是渥拉斯顿棱镜。
8. 根据权利要求1或7所述的光混频器，其特征在于所述的四个输出的偏振分光元件(105、 107、 110、 117)后分别设有四个双光纤准直器(106、 108、 111、 118)耦合输出。
9. 根据权利要求1所述的光混频器，其特征在于在所述的光路上设置多个衰减片。
专利摘要本实用新型涉及光通讯领域，尤其涉及光混频器。本实用新型的光混频器包括两个输入偏振分光元件、两半波片、两四分之一波片、一非偏振分光元件、四个输出偏振分光元件，入射信号光通过输入偏振分光元件分光后得到偏振方向垂直的线偏振光，分别为信号光S(X)和信号光S(Y)，入射本振光通过偏振分光元件分光后得到偏振方向垂直的线偏振光，分别为本振光L(X)和本振光L(Y)。入射的信号光和本振光通过光混频器后由八个端口输出，经过偏振分光元件分光后的信号光S(X)和本振光L(X)干涉后输出的四路光。本实用新型采用自由空间光学设计，具有良好的温度稳定性、体积小、成本低的优点。
文档编号H04B10/148GK201541265SQ200920263348
公开日2010年8月4日 申请日期2009年11月18日 优先权日2009年11月18日
发明者凌吉武, 徐云兵, 林斌, 潘忠灵, 莫霜, 蔡宏铭, 陈斯杰 申请人:福州高意通讯有限公司