馬擁華，馬建軍

(中國電子科技集團公司 第三十四研究所，桂林 541004)

一種收發(fā)隔離光學系統(tǒng)的設(shè)計

馬擁華，馬建軍*

(中國電子科技集團公司 第三十四研究所，桂林 541004)

為了實現(xiàn)高隔離度的收發(fā)隔離，采用一種偏振收發(fā)隔離光學系統(tǒng)，利用瓊斯矩陣進行了理論分析,驗證了偏振隔離在收發(fā)同軸光學系統(tǒng)中的可行性。采取空間隔離來抑制回波進入接收系統(tǒng)，研究了模擬系統(tǒng)中偏振分束鏡前表面楔角大小對收發(fā)隔離度的影響。結(jié)果表明，在達到一定楔角時，可取得100dB收發(fā)隔離度。這一結(jié)果對收發(fā)同軸光學系統(tǒng)的設(shè)計具有一定指導意義。

光學設(shè)計;收發(fā)隔離;偏振分束;隔離度;回波

引 言

收發(fā)隔離是指系統(tǒng)中的接收光路和發(fā)射光路在同時工作時，接收和發(fā)射之間相互隔離的程度。收發(fā)隔離光學系統(tǒng)在熒光光譜檢測[1]、自由空間光通信[2-4]等領(lǐng)域中都有應(yīng)用前景。在自由空間激光通信系統(tǒng)中，基于減小體積的考慮，激光通信終端一般都采用共口徑收發(fā)同軸的光學天線[5-6]。傳統(tǒng)收發(fā)隔離多采用光譜隔離的方式，即發(fā)射波長與接收波長不一致。對于發(fā)射波長與接收波長一致的光通信系統(tǒng)，光譜隔離將不再適用，例如多節(jié)點中繼、拓撲變化的無線光通信網(wǎng)絡(luò)[7]、單波長相干光通信系統(tǒng)[4]。類比微波中的極化隔離[8]，利用光波的偏振特性，設(shè)計了一種偏振收發(fā)隔離光學系統(tǒng)。

偏振收發(fā)隔離是利用偏振分束器件將偏振方向彼此正交的光束進行隔離。分別調(diào)制發(fā)射與接收光的偏振方向與偏振分束鏡的s光、p光偏振方向相同即可實現(xiàn)偏振收發(fā)隔離。不同于偏振隔離器[9]是為了抑制回波的不良影響，正向通光、反向阻光，偏振隔離是為了接收光路和發(fā)射光路相互隔離，互不影響。本文中設(shè)計了一種偏振收發(fā)隔離光學系統(tǒng)，對其偏振隔離進行了理論計算，對發(fā)射光回波采取了抑制措施，模擬了系統(tǒng)隔離度。

1 系統(tǒng)設(shè)計

設(shè)計的收發(fā)隔離光學系統(tǒng)由發(fā)射和接收兩路組成，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

Fig.1 Schematic diagram of a polarization isolation optical system

該系統(tǒng)由探測器D、聚光鏡L1、準直鏡L2、擴束鏡L3、偏振分束鏡(polarization beam splitter,PBS)、起偏器P、信號發(fā)射源S、半波片H、光闌A、光學天線M等部分組成。信號發(fā)射源發(fā)出的光經(jīng)過準直鏡準直，再經(jīng)過起偏器，變?yōu)槠穹较驗閥方向的線偏振光。偏振分束鏡反射y反向偏振光，透射x方向偏振光。發(fā)射信號光通過偏振分束器反射后，再通過一個半波片，其中，半波片快軸方向與發(fā)射信號光偏振方向夾角為22.5°，最后經(jīng)過準直鏡和光學天線輸出。接收信號依次通過光學天線、準直鏡、半波片后透射過偏振分束鏡，再經(jīng)準直鏡到達探測器。

2 收發(fā)隔離系統(tǒng)隔離機理

2.1 偏振隔離原理

設(shè)發(fā)射信號為單色非偏振光，其瓊斯矩陣為[10]：E=[ExEy]。起偏器、偏振分束鏡反射、透射，半波片正向入射、反向入射的瓊斯矩陣分別為[10]：

發(fā)射光經(jīng)過起偏器后可以被偏振分束鏡反射，通過光學天線出射，不被探測器接收。同時，接收光信號到達探測器的光矢量可以表示為：

結(jié)果表明，接收信號光可以完全透過偏振分光片到達信號探測器，實現(xiàn)收發(fā)隔離。

由于偏振分束鏡、半波片、擴束鏡等表面存在的反射光有可能進入探測器，利用瓊斯矩陣分析半波片及透鏡的前后表面反射光。其中反射面和透鏡的瓊斯矩陣為[10]：

式中,f為擴束鏡焦距。則偏振分束鏡后表面及半波片前表面的反射光到達探測器的瓊斯矩陣為：E1=JPBS,tJrJPBS,rJpE=[0 0]。半波片后表面及擴束鏡前表面反射光到達探測器的瓊斯矩陣為：E2=JPBS,tJh-·JrJh+JPBS,rJpE=[0 0]。擴束鏡后表面反射光到達探測器的瓊斯矩陣為：E3=JPBS,tJh-JlensJrJlensJh+JPBS,r·JpE=[0 0]。由此可知，在理想的偏振分束情況下，偏振片及透鏡前后表面反射光均不會進入信號探測器。擴束鏡組其它鏡片的反射光到達探測器的瓊斯矩陣與第1片擴束鏡后表面反射光到達探測器的瓊斯矩陣一致，也不會進入信號探測器。但是由于發(fā)射光束偏振度、分束鏡偏振性能及其造成的影響，難以實現(xiàn)絕對收發(fā)隔離。

2.2 角度誤差的影響

假設(shè)在收發(fā)端調(diào)節(jié)半波片快軸與信號偏振方向的夾角誤差為θ，則半波片正向入射、反向入射的瓊斯矩陣分別為：

同時，存在調(diào)節(jié)誤差與不存在調(diào)節(jié)誤差時探測器接收光強不同，它們的比值為cos2(4θ)。由此可知，半波片快軸與信號偏振方向的夾角為22.5°時，探測器接收到的信號最強，當兩者方向夾角偏離22.5°、并且偏離角為θ時，信號探測器接收到的光強按cos2(4θ)減小。因此，存在調(diào)節(jié)誤差時會影響接收到的信號光光強，但是不會影響光學系統(tǒng)的偏振隔離度。

2.3 反射光抑制

為了進一步提高系統(tǒng)隔離度，對偏振分束器的前表面進行楔角處理，由此可以達到更高的收發(fā)隔離度[11-12]。收發(fā)隔離度定義為在接收光敏面上，發(fā)射光功率中的后向反射、散射及光路系統(tǒng)后向散射光多次散射等后向接收光功率Pb和傳輸功率Pt的比值[3,13-15]，即：R=10lg(Pt/Pb)。為了得到系統(tǒng)收發(fā)隔離度，建立模型對所設(shè)計系統(tǒng)進行分析。

模擬光路模型如圖2a所示，信號發(fā)射光源波長采用1550nm，發(fā)射信號總功率為1W。圖2中各個元件表示意義與圖1相同，并假設(shè)各個透鏡、起偏器、半波片透射率為99.5%，反射率為0.5%，直徑為20mm。偏振分束鏡對p光反射率為99.9%，透射率為0.1%，對s光透射率為99.9%，發(fā)射率為0.1%，鏡筒為完美吸收體，探測器直徑為100μm。圖2a中小圖所示為偏振分束鏡前表面的楔角θ。圖2b為系統(tǒng)模擬時的光路圖。由于接收信號可以實現(xiàn)自動跟蹤，在改變偏振分束鏡角度的過程中可以保證接收信號光斑始終位于探測器中心，回波信號則會因為偏振分束鏡角度的增大逐漸偏離探測器中心，從而在保證接收信號功率不變的同時增加系統(tǒng)收發(fā)隔離度。

Fig.2 Simulation model of the echoes in a transmitting-reciving isolation system

a—0mrad,1.8×10-5W,47.3dB b—3.5mrad,3.01×10-7W,65.21dB c—3.98mrad,1.07×10-9W,89.70dB d—3.99mrad,5.06×10-13W,122.96dB

圖3所示為探測器上接收回波光強分布在不同參量，尤其在不同偏振分束鏡楔楔角時的情況。圖3a中楔角為0mrad，接收光功率為1.8×10-5W，隔離度為47.3dB；圖3b中楔角為3.5mrad，接收光功率為3.01×10-7W，隔離度為65.21dB；圖3c中楔角為3.98mrad，接收光功率為1.07×10-9W，隔離度為89.70dB；圖3d中楔角為3.99mrad，接收光功率為5.06×10-13W，隔離度為122.96dB。本文中探測器的探測尺寸為0.1mm，因此它存在一定的視場范圍，由于透鏡前聚光鏡的焦距為34.92mm，可得探測器全視場為：FFOV=arctan(0.1/34.92)=2.9mrad。隨著楔角度的增加，探測器接收到的信號回波功率越來越小，偏振隔離度越來越大，在傾角大約為3.99mrad時超出探測器視場。可以看出,在某一楔角度時，系統(tǒng)可以達到100dB的隔離度。對于不同的光學系統(tǒng)，該楔角與探測器光敏面尺寸及聚光鏡的焦距有關(guān)。

在試驗過程中,由于遮光罩不可能完全遮擋所有外界雜散光，加上探測器自身噪聲的影響、各種器件的制造公差影響，以及探測器的靈敏度影響等因素,還不能達到如此高的隔離度，只有不斷提升實驗環(huán)境及器件來達到預(yù)期。

3 結(jié) 論

針對收發(fā)同軸光學系統(tǒng)設(shè)計了一種了偏振收發(fā)隔離光學系統(tǒng)。計算結(jié)果表明，該系統(tǒng)可以實現(xiàn)收發(fā)隔離，存在半波片角度誤差時會降低接收的信號功率而不會影響收發(fā)隔離性能。系統(tǒng)偏振隔離度主要由偏振分束鏡的消光比、反射面反射率以及偏振分束鏡表面楔角決定。模擬探測器接收發(fā)射光回波功率隨偏振分束鏡楔角的變化，得出在消光比為1000∶1、反射面反射率為0.5%時，存在一定楔角，可以實現(xiàn)100dB的隔離度。對于高收發(fā)隔離度要求的系統(tǒng)，可以對偏振分束鏡進行表面進行楔角處理來提高系統(tǒng)的收發(fā)隔離性能。

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Designofatransmitting-receivingisolationopticalsystem

MAYonghua,MAJianjun

(No.34 Research Institute， China Electronic Technology Group Corporation, Guilin 541004，China)

In order to achieve high-degree isolation in a transceiver system, an isolation optical system was put forward based on polarization and analyzed by means of Jones matrix. The feasibility of polarization isolation in a coaxial optical transceiver was verified. The space separation was used to suppress the echo into the receiving system. The influence of the wedge angle of polarization beam splitter on transmitting-receiving isolation was studied. The results show that, the transmitting-receiving isolation of 100dB is achieved with a certain wedge angle. The results will be of guiding significance for the design of transmitting-receiving coaxial optical systems.

optical design; transmitting-receiving isolation; polarization beam splitter; isolation degree; echo

by the detectors at different parameters

1001-3806(2018)01-0117-04

馬擁華(1989-)，男，碩士研究生，助理工程師，主要從事光學設(shè)計與調(diào)試方面的研究。

*通訊聯(lián)系人。E-mail:m-j-j@163.com

2017-03-15；

2017-04-13

TN202

A

10.7510/jgjs.issn.1001-3806.2018.01.023