空間偏振編碼與解碼設計

摘 要:簡要介紹了空間傳播的光束的編碼與解碼的基本思路，用偏振態的變化確定位置，并用瓊斯矩陣解釋了解碼的原理。

關鍵詞:遠場空間 瓊斯矩陣 光偏振

中圖分類號:O436.3文獻標識碼:A文章編號:1674-098X(2011)11(c)-0109-01

1 引言

大氣激光通信也叫做自由空間光通信，空間光通信具有大容量、無線保密措施好等優勢，并且光束偏振態在空間的差異可以分析出位置信息，因此國際上掀起了研究光通信的熱潮。利用光偏振的方法改變光束的偏振狀態的編碼方法，使偏振態是空間位置的函數，從而實現了遠距離空間目標的偏振控制。本方案提出了使用由LiNbO3晶體制作的光耦合雙普克爾楔來實現光的偏振信號的編碼技術，利用遠方目標中四分之一波片偏振解碼技術，使空間目標的偏振控制具有小巧輕便、準確率高、成本低的特點。

2 工作原理簡述

為了實現遠場空間的編碼，本文提出必須在沿光的傳輸軸上依次放置兩個正交的雙普克爾楔，用與激光輸出同步的電壓脈沖交替施加在兩個雙普克爾楔上，被加了脈沖電壓的雙普克耳楔有光經過時，偏振光將會發生相位延遲，從而在遠場空間形成不同形狀的橢圓偏振信號。空間偏振編碼中得相位脈沖調制能夠消減大氣的散射、大氣湍流等對光偏振態、強度造成的影響，有利于空間偏振解碼。

3 調制編碼單元的設計

在橫向加電壓，需要校正編碼單元無溫度靈敏性，所以選擇LiNbO3晶體作為制作材料較為合適，且只能取主折射率幾的軸向與通光方向一致、電場方向沿主折射率n0的方向一致的狀態。

當光束經過長為的晶體后，在新形成的折射率主軸X'與Y'的兩個分量產生的相位差:

這里使用三角形狀的晶體，可以使光通過后在不同的高度會有不同的光程，從而產生線性變化的相位差，這種情況制作的普克爾楔是在上面放了一個三棱柱形的普克爾楔。

為了能使整個雙普克爾楔達到以下條件:中線部分有:，上半部:，下半部份:。則應使上、下兩個單普克爾楔在電場作用下的快光、慢光方向有相反取向。則下面三棱柱形狀的單普克爾楔產生了三個新的折射率有:

一個編碼調制器是由兩個光楔組裝成的，調制器的長是L，高是d，在高度h處，由于不同主軸方向的偏振光有不同的速度，則線偏振光沿Z軸通過后會產生一個相位差為:

當電壓為:

在上下邊緣分別有正負的相位差產生，其中寬度W和高度d是近似一樣的。

4 解碼原理

接收機解碼基本設計如下圖1所示，其中B是帶通濾波器，D是光電探測器，F是分束棱鏡，P是線性偏振濾波片，W是1/4波片，Ix和Iy是輸出的光強度信號(用電流大小表達)。圓偏振經過四分之一波片變成了線性偏振。左邊的圓形偏振光變成線性偏振分量，而右邊的圓形偏振則變成垂直于線偏振光的線性偏振分量。通過分束棱鏡和兩個線性偏振濾波片，分別送到兩個處理通道中去。

對水平和垂直兩個輸出信號進行分析得出數據可計算出光在空間傳播過程中所發生的相位的變化。其解碼過程可描述為:其中E2、E表示入射光矢量和出射光矢量，G是四分之一波片的瓊斯矩陣，則可知:

遠場分布的廣場可用下式表示:

這里就相當于解碼系統的入射光，代入上式計算得橢圓偏振光的一般表達式:

利用分束棱鏡理論處理上式則得到:

其中K是比例系數。

為消除系數K對其影響，同時便于處理后續電路，本文有兩種方法對其數據處理:一種是方法是用差和比處理，另一種方法是直接相除，即。

由上面兩個公式可知，利用差和比的方法所得數據:

直接相除的可得到:

比較可知，前一種方法處理后所得數據在1至1之間范圍內變化，方便后續電子電路的處理，后一種處理方法所得數據值從0到無窮大，變化范圍太大。

這里需要注意:在這里四分之一波片的快軸方向平行于Z’軸方向，則從四分之一波片發出的光是橢圓偏振光:若平行于X軸或Z軸，則出射后的僅能是線偏振光。用第二中方法處理垂直放置的雙普克耳楔會出現下列幾種情況:

(a)當時，頂部有偏振光通過時，即;(b)當時，通過上半部，即;(c)當時，通過中心位置，即;(d)當時，通過下半部，即;(e)當時，通過底部，即。

分別分析脈沖電壓加水平位置和垂直位置的雙普克爾楔的情況，即可確定遠場空間的具體位置。

5 結語

綜上可知，脈沖線偏振光經由雙普克爾楔光學編碼器出來后，具有偏振梯度的脈沖編碼的錐體光束信號會在遠場空間生成。當飛行體是導彈，在此光偏振信號編碼的光錐體范圍內飛行時，一方面在尾部安裝上了偏振解碼裝置，會不斷地進行檢測信號光的偏振態，由此方法來確定導彈在錐體光中的相對位置;另一方面，通過計算機發出連續不間斷修正控制其所處的空間位置的指令，使其往中心移動，因此有效地控制了導彈。

參考文獻

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[2]馮顯杰，劉劍飛.空間目標偏振控制技術研究[J].半導體光電，2000，21(2):36～40