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激光应用于通信领域主要有光纤通信和自由空间(包括大气、水下、太空等)通信两种形式,目前广泛使用的强度调制/直接检测方式并不能充分发挥激光光束相干长度长、发散角小、频带资源丰富的优点,利用本振光和信号光进行相干混频的相干光通信技术具有灵敏度高、波长选择性好,频带利用率高等优点,特别在星间通信领域相比于现有的RF通信方式有着巨大的优势。零差相干光通信的灵敏度可达到量子极限,在该通信方式中,要保持信号光与本振光的相位锁定,使得光锁相环被应用到了星间相干光通信的接收机上。综合比较平衡锁相环、决策驱动环、同步位锁相环和振荡锁相环等光锁相环性能发现,Costas锁相环对激光器线宽要求更低,技术成熟,易于实现,因而被用于本振/信号光的锁相控制。2×4端口90°光混频器是Costas锁相环中的关键元件之一,与其它光混频器相比,其在相位噪声抑制方面的综合性能最好.本论文着重对该混频器进行理论和实验研究。本文介绍了一种采用空间光学结构,利用分光、偏振变换、相位延迟等原理实现的2×4端口90°光混频器。分析了该结构的相干混频原理,建立了相位误差理论分析模型,分析结果表明,同相/正交支路的光程差导致的相对相差偏差不超过0.628mrad,波片快(慢)轴方向误差对相邻两支路之间的相对相差没有影响,但是会影响I/Q支路之间的相对相差。计算得到该光学系统总的光耦合效率P光为37.8%,S光为42.2%。本文中选用尺寸为12.7mm的光学元件搭建了90°光混频器并进行了测试,所用激光器波长为1064nm。通过实验测得四束输出光的相对相差与理论值0°、90°、180°、270°的平均偏差为4°,最大不超过8°,能够用于BPSK编码的Costas锁相环实验。在信号/本振光功率均为10mW的情况下测得耦合效率为31%,与分析结果基本一致,优于同类商用产品。