激光通信链路光学保偏无级衰减器的设计

徐佳，贺文俊，王加科，付跃刚

（长春理工大学 光电工程学院，长春 130022）

激光通信链路光学保偏无级衰减器的设计

徐佳，贺文俊，王加科，付跃刚

（长春理工大学 光电工程学院，长春 130022）

针对自由空间激光通信系统中通信链路性能的精确测试需求，设计了一款具备光学保偏性能的无级衰减器。基于三维偏振光追迹方法建立了光学保偏的数学模型；并利用两块相同的斜方棱镜，使其入射面在空间上相互垂直，实现了偏振像差的相互补偿。通过理论分析和数值模拟，所设计的衰减器达到了较高的技术指标：能量衰减系数的动态范围为-40dB～-3dB、衰减误差小于0.5%、系统波像差RMS优于λ/20（λ=974nm）。

光学衰减器；偏振无关；激光通信；斜方棱镜

激光通信链路衰减器是自由空间光通信系统性能测试设备中的一种关键器件，通过调整激光通信链路衰减器的能量衰减系数，可以模拟通信距离，完成自由空间光通信系统通信链路性能的地面测试工作。目前自由空间光通信所采用的信道主要有808nm、974nm、1064nm和1550nm等［1］，一对光端机通常采用不同的信道来实现收发信号的隔离，且通信激光的功率往往不同。近年来，随着偏振复用技术和偏振位移键控调制技术逐步成为自由空间光通信领域的研究热点［2］，自由光通信系统所采取的调制方式也变得更为多样化，主要包括振幅调制、频率调制、位相调制以及偏振调制。因此，为了给各种不同类型（信道、功率、调制方式）的自由空间光通信系统提供一个统一的性能测试基准，研制一种高精度、宽光谱、具备光学保偏性能、可连续衰减的衰减器是精确测试空间光通信系统的通信链路性能的必要前提。

目前可变光学衰减器的实现方法有很多种，包括机械型、波导型、液晶型、微光机电型、光纤位移型和电光效应型等，大多应用于光纤通信中的密集波分复用系统。机械型可变光衰减器通常有三种［3］，一种是利用吸收型光学材料对入射光束进行能量衰减，加工多种具有不同光密度或者不同厚度的吸收型材料，通过机械插入或轮换的方式实现不同的衰减系数；一种是在平面光学元件上镀膜对入射光束进行能量分光，在不同平行平板上分别镀制具有不同分光比例的膜系，通过机械方法替换平行平板实现不同的衰减系数；另一种是让入射光束经过两个偏振片，其中一个偏振片固定不动，另一个偏振片可以绕光轴旋转，根据马吕斯定律可知，当偏振片旋转一周时，可实现光束的连续衰减，衰减系数的动态范围取决于两个偏振片的消光比。前两种方法的缺点在于插入损耗大、衰减系数只能分为固定的几档、动态范围小、有弱的偏振损耗；最后一种虽然能连续衰减，但偏振损耗非常大。

波导型、微光机电型、光纤位移型、光电效应型衰减器对入射光束的波像差影响很大，对入射光束的波长比较敏感，且对光束的偏振态有较大影响［4，5］。液晶型光衰减器从原理上说也是利用了马吕斯定律，液晶器件中的液晶分子可以根据施加电压的不同呈现不同的排列方式，其作用等效为偏振片，通过电压控制可以改变等效偏振片的透光轴方向；其缺点在于偏振损耗很大、动态范围小［6］。

终上所述，现有技术手段无法同时具备宽光谱、低偏振损耗、大动态范围、极小波像差等特殊要求。本文旨在设计一款新的光学衰减器，以满足空间光通信系统的通信链路性能测试要求。

1 系统组成与工作原理

激光通信链路光学保偏无级衰减器主要由斜方棱镜、高精度旋转台、编码器、驱动电机、光陷阱装置、温度传感器、定标数据库和衰减系数控制系统等部分组成，如图1所示。

图1 系统原理框图

主要工作原理为精密控制入射光束在斜方棱镜反射面上的入射角，使其从布儒斯特角到临界角之间连续变化，利用棱镜的内反射效应来实现光束能量的连续衰减。玻璃材料的菲涅尔反射系数随入射角变化情况如图2所示，由于P波和S波在入射角小于临界角时的反射系数并不相同，入射光束经过斜方棱镜的两次反射衰减后，光束偏振态必然发生改变。而当入射角大于或等于临界角时，虽然反射系数都为1，但是会由于全反射产生位相差，光束偏振态也将发生改变。即由菲涅尔折反射定律可知经过单个斜方棱镜后，被衰减的光束偏振态必然会发生改变，所以本文采用两个完全相同的斜方棱镜，其工作面在空间上相互正交，来实现光束偏振态的改变完全补偿。

图2 菲涅尔反射系数随入射角的变化

当入射光束进水平放置的斜方棱镜后，一部分光在工作面经过两次反射，进入垂直放置的斜方棱镜；另一部分光在工作面透射成为杂散光，进入光陷阱装置被吸收。进入垂直放置的斜方棱镜的光束被二次衰减，一部分光在工作面透射成为杂散光，进入光陷阱装置被吸收；另一部分光在工作面经过两次反射，而与初始入射光束平行出射。

高精度水平转台和垂直转台分别由驱动电机控制，能实现精密的旋转运动。垂直斜方棱镜安装在垂直转台上，水平斜方棱镜安装在水平转台上。高精度水平转台和垂直转台都配有角度编码器，由信号采集和处理系统实时采集转台的位置信号和转角信号。温度传感装置实时监测测试环境下的温度数据，衰减系数控制系统通过对比该温度下定标数据库里的数据和转台的位置数据，给出指定衰减系数所对应的转角，反馈控制驱动电机来精密调整入射光线在两个斜方棱镜工作面上的入射角度，实现衰减系数的连续变化。

2 光学保偏的数学模型

三维偏振光线追迹是将Jones矩阵扩展到三维空间，依次追迹光线在每个光学界面上的入射光矢量、法线矢量、出射光矢量、TE矢量、TM矢量，以及菲涅尔振幅系数来计算每个面的偏振作用矩阵［7］。若入射光的电场矢量用三维矢量Ein来表示，那么出射光的电场矢量为：

其中，Ptotal为光学系统的三维Jones矩阵，具体计算方法如下［8，9］：

其中，Pq为第q个光学界面的三维Jones矩阵为TE矢量为TM矢量为光线传播矢量，下角标x,y,z表示该矢量在x,y,z方向上的分量。αs为TE波的振幅反射系数，αp为TM波振幅反射系数，由菲涅尔公式可计算得到。

对于入射面相互垂直的两个斜方棱镜，用三维偏振光线追迹的方法来计算其对偏振态的改变。假设入射光波长为974nm，相对斜方棱镜反射面的入射角度为33.17°，斜方棱镜的光学材料为NLAF2。设定全局坐标系，z为入射光矢量方向，x和y为垂直于z方向的正交矢量，那么x,y矢量可以作为表征光束偏振态的一对正交基底矢量。对于每一个斜方棱镜，光束都经过两次折射和两次反射，水平斜方棱镜的三维Jones矩阵用PH表示，垂直斜方棱镜的三维Jones矩阵用PV表示。

用传统的二维Jones矢量来表示光束的偏振态，那么入射光矢量的Z方向的电场分量为零，则出射光电场矢量为：

由此可见，入射面相互垂直的两个斜方棱镜只对入射光束进行了能量的衰减，而没有改变入射光的偏振态。水平斜方棱镜和垂直斜方棱镜的三维Jones矩阵都只在对角线上有实值，且对x,y方向电场分量的偏振态的改变量实现了相互补偿。出射光强为：

即衰减系数为-36.3dB。

3 关键技术指标的分析与仿真

斜方棱镜是衰减器中的关键部件，其光学材料的选择需要考虑的因素如下：

（1）临界角与布儒斯特角之差应适中，如果这两个角度的差值过大，会导致斜方棱镜在连续衰减时转角过大，为保证有效通光口径，棱镜的体积必然增大；若差值过小，在旋转台定位精度一定的情况下，衰减精度会降低；

（2）在790nm～1560nm光波范围内应该有高的透过率；

（3）适于光学冷加工，无毒环保，不易潮解。

综合上述因素本文选用Schott玻璃N-LAF2作为斜方棱镜的光学材料。根据色散系数，按照Sellmeier色散公式可计算N-LAF2的色散曲线，如图3所示。

图3 菲涅尔反射系数随入射角的变化

3.1 衰减误差分析

根据光学保偏的数学模型，精确计算各个典型激光通信信道波长下衰减器的动态范围，如图4所示，各个波长都在其对应的布儒斯特角附近对光束能量的衰减能力达到最强：最大能量衰减系数在790nm处为-231.1dB，在974nm处为-232.6dB，在1064nm处为-256.1dB，在1550nm处为-255.8dB。但是其随着入射角的微小变化而迅速变化，若要保证衰减精度则对旋转台的定位精度的要求过于苛刻。由图4可知，当衰减系数在-40dB～-3dB范围内时，衰减系数随入射角缓慢变化，且在此区间的线性度很好，因此将光束的入射角控制在该范围内。

图4 能量衰减系数与入射角的关系

所设计的衰减器的能量衰减精度主要依赖于对光束入射角的控制精度，因此旋转台的转角分辨率越高、定位重复性越好，角度编码器的精度越高，衰减器的衰减精度就越高。本文选取吉林三晟传感公司的SE94T30-21型绝对式编码器，角分辨率为0.6''，精度为±6''，与转台采取闭环控制。由于角度控制误差导致的衰减误差如表1。

可见当衰减范围为-40dB～-3dB时，各个波长的衰减精度都优于任务指标要求的0.5%，且当衰减系数越小时，衰减误差越小，这是本文原理上的一大优点。

3.2 保偏效果仿真

利用FRED软件对链路衰减器的保偏性能进行仿真，首先将链路衰减器的光学模型导入FRED软件中，设置好光学材料以及镀膜参数。然后设置不同偏振态的偏振光源，并分别在两个斜方棱镜后面设置偏振分析面A和偏振分析面B（如图5），来监视光束偏振态的变化过程。

图5 利用FRED软件进行保偏效果仿真

图6描述了不同偏振态的光入射时，衰减器对光束偏振态的影响：图6（a）～（d）分别表示入射光为圆偏振光、水平线偏振光、方位角为30°的线偏振光、以及方位角为30°椭率为0.5的椭圆偏振光时光源处的偏振态分布；图6（e）～（h）分别表示上述4种不同偏振态的光束经过垂直斜方棱镜的衰减后，在偏振分析面A上的偏振态分布；图6（i）～（l）分别表示上述4种不同偏振态的光束经过整个衰减器后，在偏振分析面B上的偏振态分布。单个的斜方棱镜对于线偏振光的作用为改变其方位角，对于圆偏振光和椭圆偏振光则既改变其方位角又改变其椭率。

图6 不同偏振态入射时偏振分析面上的偏振态分布

仿真结果表明，水平斜方棱镜能够完全补偿垂直斜方棱镜对光束偏振态的改变，所以本文所设计的链路衰减器从原理上说是完全保偏的。

表1 由角度控制误差引起的衰减误差

3.3 系统波像差

本文所设计的链路衰减器，其光学系统只包含棱镜而没有透镜，所有的光学工作面都是平面，而现有的光学加工技术对平面的面形加工能力相对较强，这对保证链路衰减器有较小的波像差具有很大的优势。整个系统光路中被衰减的光束共经过8个光学平面，其中4个为反射面，4个为折射面，以每个光学平面的面形精度为RMS≤λ/50(λ=633nm)计算整个衰减器的波像差，

其中，n=1.72744为974nm处的玻璃折射率。满足波像差RMS优于λ/20（λ=974nm）的技术指标要求。

4 结论

本文提出了一种激光通信链路衰减器，其同时具备光学保偏、极小波像差、高衰减精度、大动态范围、宽光谱、可连续衰减等特殊性能。通过理论分析和数值仿真，验证了利用双斜方棱镜进行光路衰减的可行性，所设计的链路激光通信衰减器的能量衰减系数动态范围达到-40dB～-3dB，衰减误差小于0.5%，系统波像差RMS优于此外，该衰减器还可以应用于光纤通信系统中，对密集波分复用通信系统中不同波长的光束进行精确的差异化衰减，以解决不同信道之间由于光纤色散而引起的信道增益平衡问题，同时其光学保偏特性有希望促进偏振复用技术在密集波分复用通信系统中的新应用，以进一步提高光纤通信速率。

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

XU Jia，HE Wenjun，WANG Jiake，FU 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

国家自然科学基金项目（11474037）；吉林省科技发展计划项目（20160520015JH）

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

贺文俊（1987-），男，博士，讲师，E-mail：hewenjun@cust.edu.cn