激光通信鏈路光學(xué)保偏無級衰減器的設(shè)計

徐佳，賀文俊，王加科，付躍剛

（長春理工大學(xué) 光電工程學(xué)院，長春 130022）

激光通信鏈路光學(xué)保偏無級衰減器的設(shè)計

徐佳，賀文俊，王加科，付躍剛

（長春理工大學(xué) 光電工程學(xué)院，長春 130022）

針對自由空間激光通信系統(tǒng)中通信鏈路性能的精確測試需求，設(shè)計了一款具備光學(xué)保偏性能的無級衰減器。基于三維偏振光追跡方法建立了光學(xué)保偏的數(shù)學(xué)模型；并利用兩塊相同的斜方棱鏡，使其入射面在空間上相互垂直，實現(xiàn)了偏振像差的相互補償。通過理論分析和數(shù)值模擬，所設(shè)計的衰減器達(dá)到了較高的技術(shù)指標(biāo)：能量衰減系數(shù)的動態(tài)范圍為-40dB～-3dB、衰減誤差小于0.5%、系統(tǒng)波像差RMS優(yōu)于λ/20（λ=974nm）。

光學(xué)衰減器；偏振無關(guān)；激光通信；斜方棱鏡

激光通信鏈路衰減器是自由空間光通信系統(tǒng)性能測試設(shè)備中的一種關(guān)鍵器件，通過調(diào)整激光通信鏈路衰減器的能量衰減系數(shù)，可以模擬通信距離，完成自由空間光通信系統(tǒng)通信鏈路性能的地面測試工作。目前自由空間光通信所采用的信道主要有808nm、974nm、1064nm和1550nm等［1］，一對光端機通常采用不同的信道來實現(xiàn)收發(fā)信號的隔離，且通信激光的功率往往不同。近年來，隨著偏振復(fù)用技術(shù)和偏振位移鍵控調(diào)制技術(shù)逐步成為自由空間光通信領(lǐng)域的研究熱點［2］，自由光通信系統(tǒng)所采取的調(diào)制方式也變得更為多樣化，主要包括振幅調(diào)制、頻率調(diào)制、位相調(diào)制以及偏振調(diào)制。因此，為了給各種不同類型（信道、功率、調(diào)制方式）的自由空間光通信系統(tǒng)提供一個統(tǒng)一的性能測試基準(zhǔn)，研制一種高精度、寬光譜、具備光學(xué)保偏性能、可連續(xù)衰減的衰減器是精確測試空間光通信系統(tǒng)的通信鏈路性能的必要前提。

目前可變光學(xué)衰減器的實現(xiàn)方法有很多種，包括機械型、波導(dǎo)型、液晶型、微光機電型、光纖位移型和電光效應(yīng)型等，大多應(yīng)用于光纖通信中的密集波分復(fù)用系統(tǒng)。機械型可變光衰減器通常有三種［3］，一種是利用吸收型光學(xué)材料對入射光束進(jìn)行能量衰減，加工多種具有不同光密度或者不同厚度的吸收型材料，通過機械插入或輪換的方式實現(xiàn)不同的衰減系數(shù)；一種是在平面光學(xué)元件上鍍膜對入射光束進(jìn)行能量分光，在不同平行平板上分別鍍制具有不同分光比例的膜系，通過機械方法替換平行平板實現(xiàn)不同的衰減系數(shù)；另一種是讓入射光束經(jīng)過兩個偏振片，其中一個偏振片固定不動，另一個偏振片可以繞光軸旋轉(zhuǎn)，根據(jù)馬呂斯定律可知，當(dāng)偏振片旋轉(zhuǎn)一周時，可實現(xiàn)光束的連續(xù)衰減，衰減系數(shù)的動態(tài)范圍取決于兩個偏振片的消光比。前兩種方法的缺點在于插入損耗大、衰減系數(shù)只能分為固定的幾檔、動態(tài)范圍小、有弱的偏振損耗；最后一種雖然能連續(xù)衰減，但偏振損耗非常大。

波導(dǎo)型、微光機電型、光纖位移型、光電效應(yīng)型衰減器對入射光束的波像差影響很大，對入射光束的波長比較敏感，且對光束的偏振態(tài)有較大影響［4，5］。液晶型光衰減器從原理上說也是利用了馬呂斯定律，液晶器件中的液晶分子可以根據(jù)施加電壓的不同呈現(xiàn)不同的排列方式，其作用等效為偏振片，通過電壓控制可以改變等效偏振片的透光軸方向；其缺點在于偏振損耗很大、動態(tài)范圍?。?］。

終上所述，現(xiàn)有技術(shù)手段無法同時具備寬光譜、低偏振損耗、大動態(tài)范圍、極小波像差等特殊要求。本文旨在設(shè)計一款新的光學(xué)衰減器，以滿足空間光通信系統(tǒng)的通信鏈路性能測試要求。

1 系統(tǒng)組成與工作原理

激光通信鏈路光學(xué)保偏無級衰減器主要由斜方棱鏡、高精度旋轉(zhuǎn)臺、編碼器、驅(qū)動電機、光陷阱裝置、溫度傳感器、定標(biāo)數(shù)據(jù)庫和衰減系數(shù)控制系統(tǒng)等部分組成，如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)原理框圖

主要工作原理為精密控制入射光束在斜方棱鏡反射面上的入射角，使其從布儒斯特角到臨界角之間連續(xù)變化，利用棱鏡的內(nèi)反射效應(yīng)來實現(xiàn)光束能量的連續(xù)衰減。玻璃材料的菲涅爾反射系數(shù)隨入射角變化情況如圖2所示，由于P波和S波在入射角小于臨界角時的反射系數(shù)并不相同，入射光束經(jīng)過斜方棱鏡的兩次反射衰減后，光束偏振態(tài)必然發(fā)生改變。而當(dāng)入射角大于或等于臨界角時，雖然反射系數(shù)都為1，但是會由于全反射產(chǎn)生位相差，光束偏振態(tài)也將發(fā)生改變。即由菲涅爾折反射定律可知經(jīng)過單個斜方棱鏡后，被衰減的光束偏振態(tài)必然會發(fā)生改變，所以本文采用兩個完全相同的斜方棱鏡，其工作面在空間上相互正交，來實現(xiàn)光束偏振態(tài)的改變完全補償。

圖2 菲涅爾反射系數(shù)隨入射角的變化

當(dāng)入射光束進(jìn)水平放置的斜方棱鏡后，一部分光在工作面經(jīng)過兩次反射，進(jìn)入垂直放置的斜方棱鏡；另一部分光在工作面透射成為雜散光，進(jìn)入光陷阱裝置被吸收。進(jìn)入垂直放置的斜方棱鏡的光束被二次衰減，一部分光在工作面透射成為雜散光，進(jìn)入光陷阱裝置被吸收；另一部分光在工作面經(jīng)過兩次反射，而與初始入射光束平行出射。

高精度水平轉(zhuǎn)臺和垂直轉(zhuǎn)臺分別由驅(qū)動電機控制，能實現(xiàn)精密的旋轉(zhuǎn)運動。垂直斜方棱鏡安裝在垂直轉(zhuǎn)臺上，水平斜方棱鏡安裝在水平轉(zhuǎn)臺上。高精度水平轉(zhuǎn)臺和垂直轉(zhuǎn)臺都配有角度編碼器，由信號采集和處理系統(tǒng)實時采集轉(zhuǎn)臺的位置信號和轉(zhuǎn)角信號。溫度傳感裝置實時監(jiān)測測試環(huán)境下的溫度數(shù)據(jù)，衰減系數(shù)控制系統(tǒng)通過對比該溫度下定標(biāo)數(shù)據(jù)庫里的數(shù)據(jù)和轉(zhuǎn)臺的位置數(shù)據(jù)，給出指定衰減系數(shù)所對應(yīng)的轉(zhuǎn)角，反饋控制驅(qū)動電機來精密調(diào)整入射光線在兩個斜方棱鏡工作面上的入射角度，實現(xiàn)衰減系數(shù)的連續(xù)變化。

2 光學(xué)保偏的數(shù)學(xué)模型

三維偏振光線追跡是將Jones矩陣擴展到三維空間，依次追跡光線在每個光學(xué)界面上的入射光矢量、法線矢量、出射光矢量、TE矢量、TM矢量，以及菲涅爾振幅系數(shù)來計算每個面的偏振作用矩陣［7］。若入射光的電場矢量用三維矢量Ein來表示，那么出射光的電場矢量為：

其中，Ptotal為光學(xué)系統(tǒng)的三維Jones矩陣，具體計算方法如下［8，9］：

其中，Pq為第q個光學(xué)界面的三維Jones矩陣為TE矢量為TM矢量為光線傳播矢量，下角標(biāo)x,y,z表示該矢量在x,y,z方向上的分量。αs為TE波的振幅反射系數(shù)，αp為TM波振幅反射系數(shù)，由菲涅爾公式可計算得到。

對于入射面相互垂直的兩個斜方棱鏡，用三維偏振光線追跡的方法來計算其對偏振態(tài)的改變。假設(shè)入射光波長為974nm，相對斜方棱鏡反射面的入射角度為33.17°，斜方棱鏡的光學(xué)材料為NLAF2。設(shè)定全局坐標(biāo)系，z為入射光矢量方向，x和y為垂直于z方向的正交矢量，那么x,y矢量可以作為表征光束偏振態(tài)的一對正交基底矢量。對于每一個斜方棱鏡，光束都經(jīng)過兩次折射和兩次反射，水平斜方棱鏡的三維Jones矩陣用PH表示，垂直斜方棱鏡的三維Jones矩陣用PV表示。

用傳統(tǒng)的二維Jones矢量來表示光束的偏振態(tài)，那么入射光矢量的Z方向的電場分量為零，則出射光電場矢量為：

由此可見，入射面相互垂直的兩個斜方棱鏡只對入射光束進(jìn)行了能量的衰減，而沒有改變?nèi)肷涔獾钠駪B(tài)。水平斜方棱鏡和垂直斜方棱鏡的三維Jones矩陣都只在對角線上有實值，且對x,y方向電場分量的偏振態(tài)的改變量實現(xiàn)了相互補償。出射光強為：

即衰減系數(shù)為-36.3dB。

3 關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)的分析與仿真

斜方棱鏡是衰減器中的關(guān)鍵部件，其光學(xué)材料的選擇需要考慮的因素如下：

（1）臨界角與布儒斯特角之差應(yīng)適中，如果這兩個角度的差值過大，會導(dǎo)致斜方棱鏡在連續(xù)衰減時轉(zhuǎn)角過大，為保證有效通光口徑，棱鏡的體積必然增大；若差值過小，在旋轉(zhuǎn)臺定位精度一定的情況下，衰減精度會降低；

（2）在790nm～1560nm光波范圍內(nèi)應(yīng)該有高的透過率；

（3）適于光學(xué)冷加工，無毒環(huán)保，不易潮解。

綜合上述因素本文選用Schott玻璃N-LAF2作為斜方棱鏡的光學(xué)材料。根據(jù)色散系數(shù)，按照Sellmeier色散公式可計算N-LAF2的色散曲線，如圖3所示。

圖3 菲涅爾反射系數(shù)隨入射角的變化

3.1 衰減誤差分析

根據(jù)光學(xué)保偏的數(shù)學(xué)模型，精確計算各個典型激光通信信道波長下衰減器的動態(tài)范圍，如圖4所示，各個波長都在其對應(yīng)的布儒斯特角附近對光束能量的衰減能力達(dá)到最強：最大能量衰減系數(shù)在790nm處為-231.1dB，在974nm處為-232.6dB，在1064nm處為-256.1dB，在1550nm處為-255.8dB。但是其隨著入射角的微小變化而迅速變化，若要保證衰減精度則對旋轉(zhuǎn)臺的定位精度的要求過于苛刻。由圖4可知，當(dāng)衰減系數(shù)在-40dB～-3dB范圍內(nèi)時，衰減系數(shù)隨入射角緩慢變化，且在此區(qū)間的線性度很好，因此將光束的入射角控制在該范圍內(nèi)。

圖4 能量衰減系數(shù)與入射角的關(guān)系

所設(shè)計的衰減器的能量衰減精度主要依賴于對光束入射角的控制精度，因此旋轉(zhuǎn)臺的轉(zhuǎn)角分辨率越高、定位重復(fù)性越好，角度編碼器的精度越高，衰減器的衰減精度就越高。本文選取吉林三晟傳感公司的SE94T30-21型絕對式編碼器，角分辨率為0.6''，精度為±6''，與轉(zhuǎn)臺采取閉環(huán)控制。由于角度控制誤差導(dǎo)致的衰減誤差如表1。

可見當(dāng)衰減范圍為-40dB～-3dB時，各個波長的衰減精度都優(yōu)于任務(wù)指標(biāo)要求的0.5%，且當(dāng)衰減系數(shù)越小時，衰減誤差越小，這是本文原理上的一大優(yōu)點。

3.2 保偏效果仿真

利用FRED軟件對鏈路衰減器的保偏性能進(jìn)行仿真，首先將鏈路衰減器的光學(xué)模型導(dǎo)入FRED軟件中，設(shè)置好光學(xué)材料以及鍍膜參數(shù)。然后設(shè)置不同偏振態(tài)的偏振光源，并分別在兩個斜方棱鏡后面設(shè)置偏振分析面A和偏振分析面B（如圖5），來監(jiān)視光束偏振態(tài)的變化過程。

圖5 利用FRED軟件進(jìn)行保偏效果仿真

圖6描述了不同偏振態(tài)的光入射時，衰減器對光束偏振態(tài)的影響：圖6（a）～（d）分別表示入射光為圓偏振光、水平線偏振光、方位角為30°的線偏振光、以及方位角為30°橢率為0.5的橢圓偏振光時光源處的偏振態(tài)分布；圖6（e）～（h）分別表示上述4種不同偏振態(tài)的光束經(jīng)過垂直斜方棱鏡的衰減后，在偏振分析面A上的偏振態(tài)分布；圖6（i）～（l）分別表示上述4種不同偏振態(tài)的光束經(jīng)過整個衰減器后，在偏振分析面B上的偏振態(tài)分布。單個的斜方棱鏡對于線偏振光的作用為改變其方位角，對于圓偏振光和橢圓偏振光則既改變其方位角又改變其橢率。

圖6 不同偏振態(tài)入射時偏振分析面上的偏振態(tài)分布

仿真結(jié)果表明，水平斜方棱鏡能夠完全補償垂直斜方棱鏡對光束偏振態(tài)的改變，所以本文所設(shè)計的鏈路衰減器從原理上說是完全保偏的。

表1 由角度控制誤差引起的衰減誤差

3.3 系統(tǒng)波像差

本文所設(shè)計的鏈路衰減器，其光學(xué)系統(tǒng)只包含棱鏡而沒有透鏡，所有的光學(xué)工作面都是平面，而現(xiàn)有的光學(xué)加工技術(shù)對平面的面形加工能力相對較強，這對保證鏈路衰減器有較小的波像差具有很大的優(yōu)勢。整個系統(tǒng)光路中被衰減的光束共經(jīng)過8個光學(xué)平面，其中4個為反射面，4個為折射面，以每個光學(xué)平面的面形精度為RMS≤λ/50(λ=633nm)計算整個衰減器的波像差，

其中，n=1.72744為974nm處的玻璃折射率。滿足波像差RMS優(yōu)于λ/20（λ=974nm）的技術(shù)指標(biāo)要求。

4 結(jié)論

本文提出了一種激光通信鏈路衰減器，其同時具備光學(xué)保偏、極小波像差、高衰減精度、大動態(tài)范圍、寬光譜、可連續(xù)衰減等特殊性能。通過理論分析和數(shù)值仿真，驗證了利用雙斜方棱鏡進(jìn)行光路衰減的可行性，所設(shè)計的鏈路激光通信衰減器的能量衰減系數(shù)動態(tài)范圍達(dá)到-40dB～-3dB，衰減誤差小于0.5%，系統(tǒng)波像差RMS優(yōu)于此外，該衰減器還可以應(yīng)用于光纖通信系統(tǒng)中，對密集波分復(fù)用通信系統(tǒng)中不同波長的光束進(jìn)行精確的差異化衰減，以解決不同信道之間由于光纖色散而引起的信道增益平衡問題，同時其光學(xué)保偏特性有希望促進(jìn)偏振復(fù)用技術(shù)在密集波分復(fù)用通信系統(tǒng)中的新應(yīng)用，以進(jìn)一步提高光纖通信速率。

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Design of a Stepless Attenuator with Polarization-independent Performance for Optical Communication Link

XU Jia，HE Wenjun，WANG Jiake，F(xiàn)U Yuegang
（School of Optoelectronic Engineering，Changchun University of Science and Technology，Changchun 130022）

A stepless attenuator with polarization-independent performance is designed for the accurate test demand of the communication link performance in free space laser communication system.The mathematic model of polarization preserving is established based on the 3D polarization ray tracing method.Two rhombic prisms are used to balance the polarization aberration，and the incident surfaces of the rhombic prisms are perpendicular to each other.The results of theoretical analysis and numerical simulation show that the designed attenuator achieved high technical index：the dynamic range of attenuation coefficient is-40dB～-3dB，the attenuation error is less than 0.5%，and the wavefront aberration is less thanλ/20（λ=974nm）.

optical attenuator；polarization independent；optical communication；rhombic prism

TH744

A

1672-9870（2017）04-0028-05

2017-06-05

國家自然科學(xué)基金項目（11474037）；吉林省科技發(fā)展計劃項目（20160520015JH）

徐佳（1987-），女，碩士研究生，E-mail：497921818@qq.com

賀文?。?987-），男，博士，講師，E-mail：hewenjun@cust.edu.cn