设计并制作了一种基于多模干涉波导（MMI）结构的InP基90°光混频器芯片，该芯片的波导层材料为InGaAsP，包层和衬底材料为InP，芯片的单模波导宽度设计为2.6 μm，多模干涉波导的长度和宽度分别设计为844和20 μm。采用三维光束传播法（3D BPM），仿真分析了波导材料折射率、厚度、宽度和长度的工艺误差容限，仿真结果表明在1 535~1 565 nm波长范围内所设计的光混频器芯片的净插入损耗小于1 dB，相位偏差小于±5°。实验测试结果与仿真结果一致。
光混频器 磷化铟 多模干涉波导 相干光通信 optical hybrid InP MMI coherent optical communication
1 长春理工大学 光电工程学院，长春30022
2 长春理工大学 空间光电技术国家与地方联合工程研究中心，长春1300
3 深圳鹏城实验室，广东深圳518052
光信号在大气湍流中发生畸变，畸变光信号经过有缺陷的光学天线和空间光混频器后，存在混频效率低及抖动的问题。针对空间输出型和单模输出型的90°空间光混频器，推导了带初级像差的90°空间光混频器模型，并研究了湍流对混频效率的影响。仿真结果表明，对于探测器靶面半径为50 μm的空间输出型混频器，像差量为0.2λ的倾斜、球差、离焦、彗差和像散分别导致混频效率下降9.8%、0.6%、0.36%、0.02%和0.01%。对于单模输出型混频器，像差量为0.2λ的倾斜、像散、离焦、彗差和球差分别导致混频效率下降14.11%、8.39%、6.35%、2.63%和1.13%。湍流强度Cn2小于6.4×10-17 m-2/3时，空间输出型比单模输出型混频器的混频效率高19%以上，在湍流强度Cn2大于6.4×10-16 m-2/3时，两者混频效率接近于0。最后设计加工了空间输出型和单模输出型90°混频器，并搭建性能测试平台。对于探测器靶面半径为50 μm的空间输出型混频器，像差量为0.2λ的倾斜、球差和离焦导致混频效率下降52%、10%和6%；对于单模输出型混频器，像差量为0.2λ的倾斜、像散和离焦导致混频效率下降65%、24%和11%，其他像差对混频效率没有影响。湍流对混频器性能影响的实验结果显示，空间输出型光混频器中频信号值的标准差为21.388，该值远低于单模输出型标准差247.442。
空间相干光通信 90°空间光混频器 波前像差 大气湍流 混频效率 Space coherent optical communication 90° space optical hybrid Wave-front aberration Atmospheric turbulence Hybrid efficiency
辽宁师范大学物理与电子技术学院, 辽宁 大连 116029
利用晶体的双折射、双反射现象及电光效应,设计了一种具有集成结构的2×4的90°空间光学桥接器,其由一块电控双折射晶体和一块检偏双折射晶体构成。电控双折射晶体通过4次全内双反射和电光调制实现信号光与本振光的分束和耦合,通过调节电控双折射晶体的控制电压和检偏双折射晶体的双折射效应,输出了4路具有90°相移的信号光与本振光混合光束。该桥接器具有结构简单紧凑、损耗小、性能稳定等优点,适用于空间相干通信系统。
光学器件 相干光通信 90°光学桥接器; 双折射 双反射 电光效应 激光与光电子学进展
2018, 55(11): 112302
1 长春理工大学 光电工程学院, 吉林 长春 130022
2 长春理工大学 空间光电技术国家与地方联合工程研究中心, 吉林 长春 130022
为了进一步提高零差相干光通信系统的接收灵敏度, 对空间光混频器的信号光分光比进行了优化。根据零差相干通信系统数学模型, 推导了信号光分光比和环路相位误差、通信误码率的数学表达式, 经过计算分析可知当光混频器Q支路的信号光满足锁相环要求时, 可通过提高I支路信号光分光比来降低误码率和提高接收灵敏度。在分光比优化后光混频效率提高了53.5%, 通信探测灵敏度提高了3 dB。利用VPI软件进行建模仿真, 得到不同分光比下系统的眼图和相位噪声功率。仿真结果显示, 探测灵敏度提高了2.83 dB。最后, 搭建了零差相干光通信桌面实验系统, 研究了空间光混频器分光比和系统误码率、锁相环工作的影响规律, 当分光比由0.5减小至0.2时, 系统误码率由3.53×10-9下降至4.25×10-10, 当分光比为0.1时, 锁相环失锁, 误码率为1。实验结果基本符合理论和仿真结果, 所得分光比的影响规律和优化结果将为空间零差相干通信系统的研制提供技术参考。
零差相干光通信 光混频器 分光比 相位噪声 散粒噪声 光混频效率 homodyne coherent optical communication optical hybrid splitting ratio phase noise shot noise heterodyne efficiency
1 长春理工大学 光电工程学院, 吉林 长春 130022
2 长春理工大学 空间光电技术国家与地方联合工程研究中心, 吉林 长春 130022
研究了光学元件装调加工误差引起的光斑尺寸和光轴偏转对空间光混频器混频效率的影响。推导了高斯模型下的光混频效率表达式, 得到当光斑尺寸与靶面尺寸的比例为0.64时, 混频效率最高。在此基础上推导了光斑尺寸偏差、光轴偏转与光混频效率的表达式。并进行仿真分析, 得到光斑尺寸偏差、光轴偏转与光混频效率变化曲线。当混频效率大于10%时, 光斑尺寸偏差范围为-42~250 μm, 光轴偏转范围为203 μrad。通过计算光斑尺寸偏差和光轴偏转综合误差发现, 调整光斑尺寸偏差可以改善光轴偏转带来的混频效率恶化。进一步搭建空间光混频器影响因素实验平台, 进行了三种光斑尺寸偏差下光混频效率随光轴偏转变化的实验。实验所测曲线与仿真结果趋势一致, 受实验器件插入损耗的影响, 实验值略低于仿真值。所得影响规律为空间光混频器设计、装调和加工提供了一定参考。
光混频效率 光斑尺寸 光轴偏转 空间光混频器 heterodyne efficiency light spot size ray axis deflection space optical hybrid 红外与激光工程
2017, 46(4): 0422001
1 长春理工大学 光电工程学院，长春 130022
2 长春理工大学 空地激光通信技术国防重点学科实验室，长春 130022
对空间光混频器的90°相位差补偿的几种方法进行了比较分析，并在此基础之上提出了两种新方法.第一种方法采取旋转本振光支路的1/4波片来补偿相位差，旋转信号光支路的第一个1/2波片来调整I路与Q路分光比; 第二种方法通过旋转本振光支路的1/2波片和1/4波片到计算出来的角度来实现预定的相位差和分光比.对两种方法进行仿真分析和系统实验.采用第一种方法时，1/4波片快轴与x轴的夹角在－10°~10°变化时，相位差补偿范围为－14°~29°，分光比在0.7~1.4范围内变化; 当1/2波片的快轴与y轴的夹角在35°~55°变化时，分光比在0.47~2.1范围内变化.采用第二种方法求解出I/Q路相位差分别为80°、85°、90°、95°、100°，I/Q路分光比分别为0.5、0.75、1、1.5、2时，1/2波片的快轴和1/4波片的快轴的位置.采用这两种方法均可以简单而精确地实现设定的相位差和分光比，有利于光锁相环的相位锁定以及解调出的信号强度的提高.
自由空间光通信 相干通信 零差 光混频器 相位补偿 Free-space optical communication Coherent communications Homodyning Optical hybrid Phase compensation
1 空军工程大学 信息与导航学院，陕西 西安 710077
2 中国电子设备系统工程公司，北京 1000141
针对遗传算法容易陷入局部最优和蚁群算法初始信息素匮乏的缺点，提出将遗传和蚁群融合算法应用于中继卫星系统的资源调度问题。通过改进蚁群算法信息素的定义，利用基于时间窗口序号编码思想，给出中继卫星资源调度约束条件与目标函数并建立数学模型。仿真分析了融合算法、标准遗传算法和改进蚁群算法的优化特性，结果表明融合算法是解决中继卫星调度问题的有效方法。
星间激光通信 微波与激光混合链路 中继卫星系统 蚁群遗传融合算法 资源调度 inter-satellite laser communication microwave and optical hybrid links relay satellite system fusion algorithm of genetic and ant colony resources scheduling
由90°光混频器和光电探测器阵列组成的相干接收机是相干光通信系统的核心组件。当前相干接收机的发展关键是如何通过提高器件的集成度来实现低成本、高效益。文章介绍了怎样将低成本的聚合物平面光波导工艺用于制备两种不同类型的90°光混频器, 并通过45°反射镜实现了与背向入射式III-V族光电探测器阵列的混合集成。实验结果表明, 这两种相干接收机不仅集成度高而且性能良好。
高阶码型调制 差分四相相移键控 90°光混频器 集成光学 high-order coded modulation DQPSK 90° optical hybrid integrated optics
1 长春理工大学光电工程学院, 吉林 长春 130022
2 长春理工大学空地激光通信技术国防重点学科实验室, 吉林 长春 130022
设计了一种应用于星间相干激光通信系统的新型空间光混频器。基于传统的空间光混频器光学原理方案，加入一块相位补偿晶体，去掉了两片1/2波片，将两块偏振分光棱镜旋转一定角度，能消除1/2波片由于加工误差对相位延迟造成的影响。研究了相位补偿晶体旋转角度与相对相位差补偿量的关系，对相位补偿量的仿真曲线进行了分析。提出了一种空间光混频器相位检测方法，利用该检测方法搭建实验平台，通过实验数据验证了此方法对于相位补偿晶体的有效性。并针对新型空间光混频器光学结构进行了具体的机械结构设计。该装置可应用于空间相干接收系统。
光通信 空间光混频器 相干 自由空间 混频效率
