CN104378157B - 基于碳纳米管光电探测器的光传输模拟系统及其模拟方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于碳纳米管光电探测器的光传输模拟系统及其模拟方法。本发明的光传输模拟系统包括缩束望远镜、大气信道模拟器、背景光模拟器、合束光路、发射误差源模拟器、聚焦光路和碳纳米管光电探测器；其中，缩束望远镜和聚焦光路组成一个等效的傅里叶变换透镜，在焦平面的位置放置碳纳米管光电探测器，进行波面取样，得到入射光束的远场分布。本发明模拟距离将比传统的采用微孔的模拟方法提高两个数量级；考虑了大气信道、卫星平台的振动、背景光、轨道误差等多重因素的影响，具有更贴近空间激光通信端机在轨时的情形；可以直接得到电流信号，省去了传统模拟方法中的光电转换环节；响应波段宽、响应时间短；整体结构简单，同时精度高。

Description

基于碳纳米管光电探测器的光传输模拟系统及其模拟方法

技术领域

本发明涉及空间激光通信领域，尤其涉及一种基于碳纳米管光电探测器的光传输模拟系统及其模拟方法。

背景技术

空间激光通信端机作为卫星的一种有效载荷，无论是在研制完成后，还是在发射之前，都要在地面对其主要的技术指标和性能参数进行严格的测试，例如，跟瞄精度、捕获特性、通信误码率等。通信端机分为发射端机和接收端机，二者共同组成一个相互耦合的系统，即空间激光通信系统。对于空间激光通信系统的测试可分为系统级别、端机级别、分系统级别以及模块级别。国内外比较典型的地面验证与测试系统有：欧空局ESA在SILEX计划中的地面支撑测试设备TTOGSE(Terminal Test Optical Ground Support Equipment)和系统测试平台STB(System Test Bed)、日本星间激光通信实验室开发的验证系统GOAL(Ground OpticalAssistance for LUCE)等。

上述测试系统都是在近距离实验室条件下进行的与光信号相关的测试，其最终目的就是得到空间激光通信系统未来在轨时的特性。由于实际的光通信的距离很远，一般在几百公里到几十万公里，甚至上亿公里，因此，光信号的接收是远场接收。在地面，由于大气的影响，采用把发射端机和接收端机拉开远场距离的方法显然是不现实的。因此，对于各种地面验证与测试系统，不管是基于什么原理和方法，都要求在满足远场接收条件的情况下，在近距离处获得被测端机或系统在轨时的性能。远场光传输地面模拟技术，是地面验证与测试系统中最核心的技术，其含义是在满足远场条件的情况下，接收端机获得与其在轨时相对应的光信号或电信号，用于端机或系统各种性能指标的测试。

为了满足远场条件，一种方法是拆掉光学天线进行测试，将光束孔径变小，从而满足远场条件，如上文提到的ESA的SILEX计划就是采用这种方法。该方法后续要进行配套的元件、部件级别的测试以及计算机仿真，才能得到端机系统在轨时的特性。这种方法过程繁冗、不直接，而且只是部件或分系统级别的测试，不是整机的测试。更常用的方法是采用长焦距的透镜进行远场模拟，这种方法是把端机发出的光束用一套长焦距的透镜(实际也可能采用反射式的)，在其焦平面上即可得到远场光信号，长焦距透镜也叫傅里叶变换透镜。

地面验证与测试系统，光满足远场条件是不够的，因为，远场只是模拟了发射的部分，要被对方的接收端机接收，还涉及到接收的部分，即，接收端机必须接收到与其在轨时接收的光功率相对应的光信号或电信号(光传输过程)。传统的光传输模拟方法是在长焦距透镜焦上面得到发射端机发射光束的远场分布后，用一微孔进行取样接收，把接收的光信号再传递给接收端机。这种方法的缺点是能够模拟的通信距离非常有限，通常只能模拟1000公里以内的通信距离，而这个距离只能模拟一部分低轨道卫星之间或星地之间的激光通信，不能模拟更远的通信距离(如同步卫星GEO与低轨道卫星LEO之间的通信、月地之间的光通信、深空探测光通信等等)。为了能模拟更远的通信距离，有研究人员对聚焦的入射光斑进行多级光学成像放大器，然后用微孔接收。这种方法虽然增大了模拟的通信距离，但需要对光学放大倍数进行严格的标定，如果标定存在误差，其后果将造成远场分布的“错位”，直接影响模拟的准确程度。另外，如透镜存在像差，则会造成远场分布的“变形”，也会影响到传输模拟精度。因此，目前的远场光传输模拟方法尚存在通信模拟距离近，或者系统调试繁冗、精度难以保证、光路设计像质要苛刻等问题。

另一方面，目前国内外地面验证与测试系统，对于远场光传输的模拟，仅仅考虑了光学远场条件，没有考虑大气信道、空间背景光、卫星平台的扰动等因素的影响，而实际中，这些影响因素是存在(大气信道因素存在于各种轨道卫星与地面之间的光通信)。因此，模拟的结果与实际状况有一定的差距。

综上所述，现有的远场光传输模拟方法模拟距离有限，难以满足实际需要，或者虽然能够模拟远距离，但存在模拟方法调试繁冗、精度难以保证、光路设计像质要苛刻等问题。此外，还没有考虑如大气信道、空间背景光、卫星平台的扰动等因素的影响，模拟结果与实际状况有一定的差距。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本发明提出了一种基于碳纳米管光电探测器的光传输模拟系统及其模拟方法，在满足远场条件的同时，考了了大气、空间背景光、卫星平台振动等其他一些因素，模拟的结果与实际情况更加接近。

本发明的一个目的在于提供一种基于碳纳米管光电探测器的光传输模拟系统。

本发明的基于碳纳米管光电探测器的远场光传输模拟系统包括：缩束望远镜、大气信道模拟器、背景光模拟器、合束光路、发射误差源模拟器、聚焦光路和碳纳米管光电探测器；其中，缩束望远镜和聚焦光路组成一个等效的傅里叶变换透镜；发射端机发出平行光束，进入到缩束望远镜进行缩束，得到窄孔径的平行光束；平行光束经过大气信道模拟器，强度和相位发生变化，通过合束光路与背景光模拟器发出的背景光合并；合并后的光束进入发射误差源模拟器，光束方向发生变化，产生抖动；经由聚焦光路汇聚，得到聚焦光斑，光斑照射在碳纳米管光电探测器上；碳纳米管光电探测器位于缩束望远镜和聚焦光路组成的等效傅里叶变换透镜的焦平面上，对波平面进行取样；从碳纳米管光电探测器出射的电信号由接收端机接收。

缩束望远镜对来自发射端机的宽孔径波束进行孔径缩小，从而出射窄孔径的平行光束，以利于后续的大气信道模拟器和发射误差源模拟器的工作。

大气信道模拟器用来模拟大气信道对光束的强度和相位的影响，包括光调制器和空间光调制器；光调制器调整光束的强度，用来模拟光信号在大气信道中传播时强度的衰减；空间光调制器用来模拟大气湍流引起的光束的相位变化。

背景光模拟器用来模拟接收端机所接收到的背景杂光干扰，包括宽光谱光源和准直光路，宽光谱光源出射发散光，经准直光路准直，再通过合束光路，与大气信道模拟器出射的光束合起来，进入发射误差源模拟器。

发射误差源模拟器用来模拟接收端机自身所在的航天器平台的振动，以及发射端机和接收端机之间的相对运动、轨道误差等，可以采用摆动执行元件，如PZT摆镜来实现，PZT摆镜摆动的幅度越大，代表发射各种影响发射端机的出射光束指向的误差越大。经过发射误差源模拟器的光束方向发生变化，产生抖动，再经过碳纳米管光电探测器对波平面进行取样并进行光电转换后，输出信号最终被接收端机接收。

碳纳米管光电探测器位于缩束望远镜和聚焦光路组成的等效傅里叶变换透镜的焦平面，碳纳米管光电探测器的感光区域沿着垂直于光轴的方向放置。经过发射误差源模拟器的平行光束由聚焦光路聚焦形成光斑，由于发射误差源模拟器的作用，使光斑产生抖动，光斑代表光束的远场分布，采用碳纳米管光电探测器在焦平面对远场分布进行取样，并将光信号转换成电流信号输出，该电流信号的大小对应于接收端机在轨时的光信号，碳纳米管光电探测器将电流信号传递给接收端机，接收端机进行特性指标的测试。

本发明的另一个目的在于提供一种基于碳纳米管光电探测器的光传输模拟系统的模拟方法。

本发明的基于碳纳米管光电探测器的光传输模拟系统的模拟方法，包括以下步骤：

1)发射端机发出平行光束，发射端机发出平行光束，进入到缩束望远镜进行缩束，得到窄孔径的平行光束；

2)平行光束经过大气信道模拟器，强度和相位发生变化；

3)通过合束光路与背景光模拟器发出的背景光合束；

4)合并后的光束进入发射误差源模拟器，光束方向发生变化，产生抖动；

5)光束经过聚焦光路聚焦形成光斑，光斑代表入射光束的远场分布，碳纳米管光电探测器位于缩束望远镜和聚焦光路组成的等效傅里叶变换透镜的焦平面位置；

6)碳纳米管光电探测器对波平面进行取样，部分光信号转换成电流信号输出；

7)碳纳米管光电探测器将输出电流信号传递给接收端机。

本发明的基本理论依据是:利用一个傅立叶变换透镜，可以在其焦平面上获得入射光束的远场分布；理论推导可以得出，碳纳米管光电探测器输出的电流信号与入射的光功率是成比例关系的，碳纳米管光电探测器在傅里叶变换透镜焦平面上进行波面取样，就可以获得与接收端机在轨时相一致的电信号。

本发明与传统采用微孔的模拟方法有本质的区别。首先，传统所采用的微孔进行波面取样的方法是基于菲涅尔衍射理论来进行取样传输的，而碳纳米管光电探测器是用过其感光部分实现光电转换，输出的是电信号；其次，目前，碳纳米管光电探测器的取样窗口的两个方向的尺寸纳米级别的，远小于传统微孔的几个微米的取样窗口，因此，模拟通信距离更远。假如模拟的通信距离为z，接收端机实际的天线孔径为D，傅里叶变换透镜的等效焦距为f，取样窗口的直径为d_r，则有如下的理论公式：

$z=\frac{\mathrm{fD}}{d_r}$

由上面的公式可以看出，取样窗口的直径越小，模拟的通信距离越远。

本发明的优点：

(1)模拟距离将比传统的采用微孔的模拟方法提高两个数量级；

(2)考虑了大气信道、卫星平台的振动、背景光、轨道误差等多重因素的影响，具有更贴近空间激光通信端机在轨时的情形；

(3)可以直接得到电流信号，供接收端机来判断、检测，省去了传统模拟方法中的光电转换环节；

(4)响应波段宽(从紫外到红外均可)，响应时间短(可以到皮秒量级)；

(5)整体结构简单，同时精度高。

附图说明

图1为本发明的基于碳纳米管光电探测器的远场光传输模拟系统的结构示意图；

图2为本发明的基于碳纳米管光电探测器的远场光传输模拟系统的一个实施例的结构示意图；

图3为碳纳米管光电探测器的入射光的光功率密度和输出电流之间的关系曲线图。

具体实施方式

下面结合附图，通过实施例对本发明做进一步说明。

如图1所示，本发明的基于碳纳米管光电探测器的光传输模拟系统包括：缩束望远镜、大气信道模拟器、背景光模拟器、合束光路4、发射误差源模拟器5、聚焦光路6和碳纳米管光电探测器7；其中，缩束望远镜和聚焦光路组成的等效傅里叶变换透镜；发射端机发出平行光束，进入到缩束望远镜进行缩束，得到窄孔径的平行光束；平行光束经过大气信道模拟器，强度和相位发生变化，通过合束光路与背景光模拟器发出的背景光合束；合束后的光束进入发射误差源模拟器，光束方向发生变化，产生抖动；经由聚焦光路汇聚，得到入射光束的远场分布；碳纳米管光电探测器位于缩束望远镜和聚焦光路组成的等效傅里叶变换透镜的焦平面上，碳纳米管光电探测器对波平面进行取样；输出电流信号，传递给接收端机，电流大小对应于接收端机在轨时接收到的光功率。

如图2所示，缩束望远镜包括入射窗11、第一非球面反射镜12、第二非球面反射镜13、第三非球面反射镜14、平面反射镜15、出射窗16、真空泵17、密封真空罐18，这种反射式望远镜光路的优点是不存在色差，可以适合更广泛的波段，另外，由于整个光路采用了密封真空罐18，由真空泵17抽真空，既可以消除外界杂散光的影响，又可以大大减小气流对光路的影响；大气信道模拟器包括光调制器21和空间光调制器22；背景光模拟器包括宽光谱扩展光源31和准直光路32；还包括光路转折反射镜9和控制计算机10。发射端机TT发出平行光束，通过入射窗11进入密封真空罐18，分别经第一非球面反射镜12、第二非球面反射镜13和第三非球面反射镜14之后，被缩束成窄孔径平行波束，经平面反射镜15反射后，从出射窗16出射；从缩束望远镜缩束后的平行光束，经光路转折反射镜反射后，经过光调制器21及空间光调制器22，模拟大气信道效应；宽光谱扩展光源31与准直光路32构成背景光模拟器，用来模拟接收端机在轨时的背景光，宽光谱扩展光源31位于准直光路32的焦平面上；从准直光路32出射的平行光束与从空间光调制器22出射的光束通过合束光路4进行合束；合束后的光束进入发射误差源模拟器5，光束方向发生变化，产生抖动；经由聚焦光路6汇聚，得到聚焦光斑，代表发射端机发射光束的远场分布；碳纳米管光电探测器7位于缩束望远镜和聚焦光路组成的等效傅里叶变换透镜的焦平面上，对波平面进行取样；碳纳米管光电探测器产生的光电信号，输出电流，电流被传递给接收端机RT。光调制器21和空间光调制器22和发射误差源模拟器5分别连接至计算机10，由计算机控制并设置器件参数。

通过实验测量，可以得到碳纳米管光电探测器的短路电流I_sc与入射光的光功率密度之间的响应曲线，如图3所示，横坐标代表入射光的光功率密度，纵坐标代表短路电流I_sc，V_gs代表门电压，是指碳纳米管光电探测器与硅基底之间的电压。由图3可以看出，在40kW/cm²光功率密度内，碳纳米管光电探测器的光电响应都是线性的，而空间激光通信的光功率密度也在此范围内，这是本发明的基本理论依据。

本实施例的基于碳纳米管光电探测器的光传输模拟系统的模拟方法，包括以下步骤：

1)发射端机发出平行光束，进入到缩束望远镜进行缩束，得到窄孔径的平行光束；

2)平行光束经过光调制器及空间光调制器，模拟大气信道效应；

3)通过合束光路与背景光模拟器发出的背景光合束；

4)合束后的光束进入发射误差源模拟器，光束方向发生变化，产生抖动；

5)光束经过聚焦光路聚焦形成光斑，光斑代表发射端机发射光束的的远场分布，碳纳米管光电探测器位于缩束望远镜和聚焦光路组成的等效傅里叶变换透镜的焦平面上；

6)碳纳米管光电探测器对聚焦光斑进行波面取样，并将光信号转换成电信号，输出电流；

7)电流信号被传递给接收端机。

最后需要注意的是，公布实施方式的目的在于帮助进一步理解本发明，但是本领域的技术人员可以理解：在不脱离本发明及所附的权利要求的精神和范围内，各种替换和修改都是可能的。因此，本发明不应局限于实施例所公开的内容，本发明要求保护的范围以权利要求书界定的范围为准。

Claims (5)

1.一种基于碳纳米管光电探测器的光传输模拟系统，其特征在于，所述光传输模拟系统包括：缩束望远镜、大气信道模拟器、背景光模拟器、合束光路、发射误差源模拟器、聚焦光路和碳纳米管光电探测器；其中，缩束望远镜和聚焦光路组成一个等效的傅里叶变换透镜；发射端机发出平行光束，进入到缩束望远镜进行缩束，得到窄孔径的平行光束；平行光束经过大气信道模拟器，强度和相位发生变化，通过合束光路与背景光模拟器发出的背景光合并；合并后的光束进入发射误差源模拟器，光束方向发生变化，产生抖动；经由聚焦光路汇聚，得到聚焦光斑，光斑照射在碳纳米管光电探测器上；碳纳米管光电探测器位于缩束望远镜和聚焦光路组成的等效傅里叶变换透镜的焦平面上，对波平面进行取样；从碳纳米管光电探测器出射的电信号由接收端机接收。

2.如权利要求1所述的光传输模拟系统，其特征在于，所述大气信道模拟器包括光调制器和空间光调制器；所述光调制器调整光束的强度，用来模拟光信号在大气信道中传播时强度的衰减；所述空间光调制器用来模拟大气湍流引起的光束的相位变化。

3.如权利要求1所述的光传输模拟系统，其特征在于，所述背景光模拟器包括宽光谱光源和准直光路，所述宽光谱光源出射发散光，经准直光路准直，再通过合束光路，与大气信道模拟器出射的光束合起来。

4.如权利要求1所述的光传输模拟系统，其特征在于，所述碳纳米管光电探测器的感光区域沿着垂直于光轴的方向放置。

5.一种基于碳纳米管光电探测器的光传输模拟系统的模拟方法，其特征在于，所述模拟方法包括以下步骤：

1)发射端机发出平行光束，进入到缩束望远镜进行缩束，得到窄孔径的平行光束；

2)平行光束经过大气信道模拟器，强度和相位发生变化；

3)通过合束光路与背景光模拟器发出的背景光合束；

4)合并后的光束进入发射误差源模拟器，光束方向发生变化，产生抖动；

5)光束经过聚焦光路聚焦形成光斑，光斑代表入射光束的远场分布，碳纳米管光电探测器位于缩束望远镜和聚焦光路组成的等效傅里叶变换透镜的焦平面位置；

6)碳纳米管光电探测器对波平面进行取样，部分光信号转换成电流信号输出；

7)碳纳米管光电探测器将输出电流信号传递给接收端机。