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>π</mi></msub><mo>=</mo><mfrac> <mi>λ</mi> <mrow><msubsup> <mrow><mn>2</mn><mi>n</mi> </mrow> <mi>o</mi> <mn>3</mn></msubsup><msub> <mi>γ</mi> <mn>22</mn></msub> </mrow></mfrac><mo>·</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>θ</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