CN105891964B - 全光空间信息网多用户交叉连接设备 - Google Patents

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Abstract

全光空间信息网多用户交叉连接设备，属于空间信息网络技术领域，为了解决现有的光交叉连接路由设备存在的空间光与光纤耦合插入损耗大、输入输出为两个端口、多个光纤天线和捕获跟踪系统导致设备复杂的问题，入射光将依次经过主镜、次镜、折叠镜和三镜后进入后续光路；扩束准直透镜与三镜光轴对准，振镜与光轴成45°放置；第一双色分光片、第二双色分光片与振镜平行放置；平面光栅与第一双色分光片反射光轴成135°放置；透镜组和微变形镜沿着平行光栅衍射光轴垂直放置；第一会聚透镜和第二会聚透镜分别与第二双色分光片透射光轴和反射光轴垂直放置；CCD相机放置于第一会聚透镜的焦平面，信标光激光器放置于第二会聚透镜的焦平面。

Description

全光空间信息网多用户交叉连接设备
技术领域
本发明涉及一种全光空间信息网多用户交叉连接设备，属于空间信息网络技术领域。
背景技术
空间信息网络是未来国家信息战略的重要组成部分，将能融合多维信息资源以支持我国国家安全、航天航空、工农业、抗震救灾等领域的战略信息服务。目前空间信息网络多采用微波和激光共存链路。而激光通信以其宽带、高速、轻型和保密性好的优势，成为未来空间大容量信息保密、实时传输的重要模式和发展方向。而空间信息网络需要实现动态波长选路和对光网络灵活、有效的管理，而实现此功能就需要有适用于全光空间信息网多用户交叉连接设备。
光交叉连接设备常用于地面光纤通信系统，暂时没有发现应用于空间激光通信及空间信息网络的光交叉连接设备。与本发明最接近的是东南大学的硕士学位论文赵波.面向OXC的MEMS光开关设计与分析技术[D].东南大学，2004.3。论文提出了一种基于MEMS光开关的波长选择交叉连接设备，具体结构如图1所示，该装置结构包括：输入光纤1、解波分复用器2、二维MEMS光开关3、波分复用器4、输出光纤5。装置具体工作过程如下：工作时输入光纤1将不同波长复用光信号输入解波分复用器2，进行解波长复用，单波长信号进入二维MEMS光开关3，通过控制MEMS上微小反射镜的开与关，将单波长信号重新分配路由，输出进入波分复用器4进行波长复用，最后连接输出光纤5输出复用光信号。
该设备能够对多路输入信号重新分配，不过该设备输入和输出采用光纤，只适用于光纤通信网络，如放入空间网络将带来空间光与光纤耦合插入损耗大的问题。另外设备存在输入输出为两个端口的问题，不适合未来空间激光通信结构使用。再者该设备应用于空间激光通信，每一路光纤都需要一个光学天线和捕获跟踪系统，随着光纤数的增加，将极大增加设备的复杂程度、重量、体积等。
发明内容
本发明为了解决现有的光交叉连接路由设备应用于空间信息网络后出现的空间光与光纤耦合插入损耗大、输入输出为两个端口、多个光纤天线和捕获跟踪系统导致设备复杂的问题，提出一种基于空间光元件的结构紧凑、体积小、共光学天线、同端口输入输出的全光空间信息网多用户交叉连接设备。
本发明采取如下技术方案：
全光空间信息网多用户交叉连接设备，其特征是，该设备包括主镜、次镜、折叠镜、三镜、扩束准直透镜、振镜、第一双色分光片、平面光栅、透镜组、微变形镜、第二双色分光片、第一会聚透镜、CCD相机、第二会聚透镜和信标光激光器；
主镜、次镜、折叠镜和三镜组成离轴三反光学天线，入射光将依次经过主镜、次镜、折叠镜和三镜后进入后续光路；
扩束准直透镜与三镜光轴对准，振镜与光轴成45°放置；第一双色分光片、第二双色分光片与振镜平行放置；平面光栅与第一双色分光片反射光轴成135°放置；透镜组和微变形镜沿着平行光栅衍射光轴垂直放置；
第一会聚透镜和第二会聚透镜分别与第二双色分光片透射光轴和反射光轴垂直放置；CCD相机放置于第一会聚透镜的焦平面，信标光激光器放置于第二会聚透镜的焦平面。
本发明的有益效果是：1、本发明采用全空间光器件避免了空间光与光纤耦合插入损耗大的问题，可增加通信距离和空间激光通信适应性；2、本发明使用共光路进出的方式，避免了现有发明输入输出为两个端口的问题，简化结构满足卫星平台等要求；3、本发明采用单一天线和捕获跟踪系统满足多个用户的波长路由的要求，减少了设备的复杂程度、重量、体积等。
本发明设计了全光空间信息网多用户交叉连接设备，实现空间多用户各波长重新分配路由，相比于现有光交叉连接设备，满足了空间激光通信的要求：基于空间光元件的结构紧凑、体积小、共光学天线和捕获跟踪系统、同端口输入输出，适用于未来宽带空间信息网络。
附图说明
图1为现有基于MEMS光开关的波长选择交叉连接设备结构示意图。
图2为本发明全光空间信息网多用户交叉连接设备结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步详细说明。
如图2所示，本发明全光空间信息网多用户交叉连接设备，包括主镜6、次镜7、折叠镜8、三镜9、扩束准直透镜10、振镜11、第一双色分光片12、平面光栅13、透镜组14、微变形镜15、第二双色分光片16、第一会聚透镜17、CCD相机18、第二会聚透镜19和信标光激光器20。
主镜6、次镜7、折叠镜8和三镜9组成离轴三反光学天线。入射光将依次经过主镜6、次镜7、折叠镜8和三镜9后进入后续光路。
扩束准直透镜10与三镜9光轴对准，振镜11与光轴成45°放置。第一双色分光片12、第二双色分光片16与振镜11平行放置。平面光栅13与第一双色分光片12反射光轴成135°放置。透镜组14和微变形镜15沿着平面光栅衍射光轴垂直放置。
第一会聚透镜17和第二会聚透镜19分别与第二双色分光片16透射光轴和反射光轴垂直放置。CCD相机18放置于第一会聚透镜17的焦平面，信标光激光器20放置于第二会聚透镜19的焦平面。
主镜6、次镜7、折叠镜8和三镜9镀有800nm、1550nm波段全反射膜。
折叠镜8是由三块平面反射镜水平直线放置组成；三镜9由三块曲率半径相同的反射镜组成，可完成多用户的光交叉连接，也可减少加工成本和周期。
振镜11镀有800nm、1550nm波段全反射膜用于实现信标光斑二维对准。第一双色分光片12对1550nm波段光反射，对800nm波段光透射。第二双色分光片16用于分离间隔大于20nm的800nm波段接收光和发射光。平面光栅13为1550nm波段，实现对入射光进行分光解复用和复用。所述微变形镜镀15有1550nm波段全反射膜，可完成小角度的光束偏转。所述信标光激光器20发射800nm波段激光。
具体工作过程如下：
捕获跟踪过程：合作方信标光依次经过主镜6、次镜7、折叠镜8、三镜9、扩束准直透镜10、振镜11、第一双色分光片12、第二双色分光片16、第一会聚透镜17进入CCD相机18。基于相机靶面的光斑位置控制振镜11完成光轴对准，同时信标光激光器20发射信标光依次经过第二会聚透镜19、第二双色分光片16、第一双色分光片12、振镜11、扩束准直透镜10、三镜9、折叠镜8、次镜7、主镜6，而后发射出去辅助对方光轴对准。
光交叉连接过程：从不同角度入射的多路信号光依次经过主镜6、次镜7、折叠镜8、三镜9。不同角度入射光来自不同的用户，且入射光中包含多个互异波长。光经过三镜9会聚到扩束准直透镜10完成光束的准直和扩束。经过准直扩束的光依次经过振镜11和第一双色分光片12反射到平面光栅13上，平面光栅13具有分光功能可将不同用户的多波长光进行分光解复用。光再经过透镜组14使不同波长的光投射到微变形镜15表面。由于微变形镜15表面不同位置对应不同的波长，可控制和调整微变形镜15多个镜面的反射角度，对不同波长进行反射并选择不同角度进入透镜组14，再进入平面光栅13完成波长复用。完成波长复用的光按照原路依次经过第一双色分光片12、振镜11、扩束准直透镜10、三镜9、折叠镜8、次镜7、主镜6，并从不同角度出射，从而实现不同用户的各波长重新分配，完成空间激光通信全光多用户交叉连接。
本发明全光空间信息网多用户交叉连接设备，随着各种光电材料和反射镜材料的不断发展，将会得到更轻小型、更多用户、更有效的光交叉连接装置，其应用也将更加广泛。

Claims (9)

1.全光空间信息网多用户交叉连接设备，其特征是，该设备包括主镜(6)、次镜(7)、折叠镜(8)、三镜(9)、扩束准直透镜(10)、振镜(11)、第一双色分光片(12)、平面光栅(13)、透镜组(14)、微变形镜(15)、第二双色分光片(16)、第一会聚透镜(17)、CCD相机(18)、第二会聚透镜(19)和信标光激光器(20)；
主镜(6)、次镜(7)、折叠镜(8)和三镜(9)组成离轴三反光学天线，入射光将依次经过主镜(6)、次镜(7)、折叠镜(8)和三镜(9)后进入后续光路；
扩束准直透镜(10)与三镜(9)光轴对准，振镜(11)与光轴成45°放置；第一双色分光片(12)、第二双色分光片(16)与振镜(11)平行放置；平面光栅(13)与第一双色分光片(12)反射光轴成135°放置；透镜组(14)和微变形镜(15)沿着平行光栅衍射光轴垂直放置；
第一会聚透镜(17)和第二会聚透镜(19)分别与第二双色分光片(16)透射光轴和反射光轴垂直放置；CCD相机(18)放置于第一会聚透镜(17)的焦平面，信标光激光器(20)放置于第二会聚透镜(19)的焦平面。
2.根据权利要求1所述的全光空间信息网多用户交叉连接设备，其特征是，所述主镜(6)、次镜(7)、折叠镜(8)和三镜(9)镀有800nm、1550nm波段全反射膜。
3.根据权利要求1所述的全光空间信息网多用户交叉连接设备，其特征是，所述折叠镜(8)是由三块平面反射镜水平直线放置组成；三镜(9)由三块曲率半径相同的反射镜组成。
4.根据权利要求1所述的全光空间信息网多用户交叉连接设备，其特征是，所述振镜(11)镀有800nm和1550nm波段全反射膜。
5.根据权利要求1所述的全光空间信息网多用户交叉连接设备，其特征是，所述第一双色分光片(12)对1550nm波段光反射，对800nm波段光透射。
6.根据权利要求1所述的全光空间信息网多用户交叉连接设备，其特征是，所述第二双色分光片(16)用于分离间隔大于20nm的800nm波段接收光和发射光。
7.根据权利要求1所述的全光空间信息网多用户交叉连接设备，其特征是，所述平面光栅(13)为1550nm波段，实现对入射光进行分光解复用和复用。
8.根据权利要求1所述的全光空间信息网多用户交叉连接设备，其特征是，所述微变形镜(15)镀有1550nm波段全反射膜，可完成小角度的光束偏转。
9.根据权利要求1所述的全光空间信息网多用户交叉连接设备，其特征是，所述信标光激光器(20)发射800nm波段激光。
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