CN108415143B - 用于卫星相干光通信的偏振无关反射结构及其控制算法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于卫星相干光通信系统的偏振无关反射结构及其控制算法。属于相干光通信系统的精跟踪反射系统的设计方法技术领域。用于卫星相干光通信的偏振无关反射结构，包括第一旋光晶体、第一反射镜、第二旋光晶体、第二反射镜，所述反射结构按照第一旋光晶体、第一反射镜、第二旋光晶体、第二反射镜的顺序依次放置。控制算法为根据入射光矢量和出射光矢量方向，计算和控制两面反射镜的法线指向和反射角。通过控制反射镜反射方向，在保证出射光矢量指向方向的实际需求下，实现两面反射镜上反射角和反射面相等，最大限度的保证出射光偏振态与入射光偏振态相等。

Description

用于卫星相干光通信的偏振无关反射结构及其控制算法
技术领域
本发明涉及一种用于卫星相干光通信系统的偏振无关反射结构及其控制算法。属于相干光通信系统的精跟踪反射系统的设计方法技术领域。
背景技术
根据调制方式和检测方式的不同，光通信系统大致分为两类:强度调制/直接检测(IM/DD)通信系统和相干光通信系统。对应于这两种通信系统的接收方式分别为直接接收和相干接收。目前使用最为普遍的是直接检测光接收机，通常简称光接收机。这种方案把光作为载波，信号对光载波进行强度调制，接收时对光载波直接进行包络检测，恢复发送的信号，完成通信。强度调制中仅与光波的强度信息有关，其相位、偏振等方面的光子态都不需要用到。这种方法经济简单实用，因此被广泛采用。
在光载波的光频范围内，频率远比信号谱宽。这意味着光载波的频段还未被充分利用。相干光通信具有选择性好，灵活度高的优点。例如，信道间隔为0.2nm时，在波长为1550±40nm的频带内可容纳几百信道，可传输THz量级的信息，其通信接收灵敏度比直接检测高18dB。因此，在远距离的自由空间传输系统中，例如卫星光通信系统，相干光通信技术是极具发展潜力的选择。
在相干光通信系统中，为了使信号光与本振光发生相干耦合，它们应该具有相同的偏振状态。本振光的偏振态由光源决定，但是经过星载系统中各种反射镜的反射，信号光的偏振态容易受到影响，导致偏振态随反射镜的偏振特性而变化。偏振态发生变化的信号光与偏振态保持恒定的本振光混合时，就形成了随机变化的偏振噪声。偏振噪声严重时，即本振光偏振态和信号光偏振态正交时，信号将会无法解调。由此可知，在相干光通信系统中偏振噪声是对系统性能影响非常大的。因此，在相关光通信系统中，必须设法减小偏振噪声。研究用于消除反射镜偏振噪声的技术在星载相干光通信系统中是不可或缺的。
目前消除反射镜偏振效应的主要办法有两个，一是利用镀膜技术。但是该技术仅能在某一特定的入射角范围内有效，并且消偏振镀膜需要近百层的各种材料膜系，这一复杂的结构很难保证在卫星的发射及运行过程中保持长时间的稳定。另有一种利用正交放置的反射镜消除偏振效应的结构在航天活动中被用于偏振遥感器之中。正交反射镜结构利用两面完全相同的反射镜正交放置，通过调整两个反射面互相垂直而利用反射镜本身的偏振效应互相进行补偿，使得入射光和出射光的偏振态保持一致。但是这一结构的缺点是必须保证反射镜的相对位置保持固定且入射光与出射光有较严格的相对关系。
发明内容
因此，针对现有技术的上述不足，本发明针对星载相干光通信系统中反射镜的使用情况，提出了一种基于旋光晶体和双反射镜实现的偏振无关的反射结构，该结构能够有效消除一般反射镜中的偏振效应。结合精跟踪系统工作特点，同时提出了一种适用于反射镜偏转控制算法，能够控制两个反射镜上的反射面处于同一平面，从而最大限度的降低偏振态的变化。
具体的，用于卫星相干光通信的偏振无关反射结构，包括第一旋光晶体、第一反射镜、第二旋光晶体、第二反射镜，所述反射结构按照第一旋光晶体、第一反射镜、第二旋光晶体、第二反射镜的顺序依次放置，两个旋光晶体表面均与入射光方向垂直，第一反射镜与第二反射镜上的反射角相等，第一反射镜及第二反射镜均可做二维转动，第一反射镜及第二反射镜均用于实现光束90°的偏转。
入射光首先被第一旋光晶体将偏振态旋转90°，旋转后的脉冲光被第一反射镜反射，其偏振态受反射镜影响，x方向和y方向的偏振光强度分别被改变。
光脉冲的偏振态再次被第二旋光晶体旋转90°并且被第二反射镜再次反射。其偏振态的x方向和y方向的偏振光强度第二次被分别改变。两次被旋光和反射的脉冲光，反射镜的偏振效应被相互抵消，正好能够实现偏振态的自适应。
本发明还提供了根据上述反射结构的确定输出光矢量下实时反射方向控制算法，所述算法为：
设输入光矢量为
Figure GDA0002949315670000031
时，实际需求输出光矢量为
Figure GDA0002949315670000032
入射矢量和反射矢量的夹角表示为
Figure GDA0002949315670000033
按照反射矢量要求，光脉冲在两个反射镜上的反射角为
Figure GDA0002949315670000034
第一反射镜的法向量方向为
Figure GDA0002949315670000035
第二反射镜的法向量方向为
Figure GDA0002949315670000036
本发明的有益效果在于：
本发明的用于卫星相干光通信的偏振无关反射结构及其控制算法，实现了包括精跟踪反射镜系统在内的所有反射结构的偏振无关。本发明的核心创新是将旋光晶体引入反射系统，从而利用反射镜本身的偏振特性实现偏振态的自适应补偿。并根据入射光矢量和出射光矢量方向，计算和控制两面反射镜的法线指向和反射角。通过控制反射镜反射方向，在保证出射光矢量指向方向的实际需求下，实现两面反射镜上反射角和反射面相等，最大限度的保证出射光偏振态与入射光偏振态相等。
与目前经常采用的膜系控制反射光偏振态的方法相比，后者有以下几点缺点：1.工艺复杂，满足偏振无关的反射需要近百层的各种膜系结构。2.稳定性差，膜系结构受应力、温度的影响较大，经过长时间的星上工作后，其偏振特性容易发生改变。3.偏振无关反射角受限制，膜系结构只能在入射角一定的情况下实现偏振无关输出。相比之下，本方案提出的反射结构有以下优点：1.工艺简单，该结构仅需要控制旋光晶体的工作在磁饱和的90°旋光角状态下，并让反射镜的制作材料完全相同。2.稳定性强，无镀膜的反射镜与旋光晶体均已经经历了星上的实际实验的考验。3.入射角任意控制，针对实际的反射矢量需求，通过控制反射镜的反射方向，能够实现反射镜面上任意入射角的偏振无关反射。
与正交放置反射镜的方法相比，本发明的反射结构无需要求入射光与出射光成90°正交。相对而言本发明方案配置较为灵活，入射光与出射光的夹角可以任意配置，甚至能够满足出射光矢量在精跟踪状态下的实时变化需求。这对于星间激光链路中精跟踪系统这样要实时控制出射光方向的实际需求而言有比较重要的意义。
附图说明
图1是单个反射镜的反射过程示意图。
图2a、图2b分别是反射镜偏振特性与反射面变化角对光子偏振态的影响示意图。
图3是偏振无关反射结构示意图。
图4是偏振无关反射结构下偏振变化情况示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式进行说明：
图1是单个反射镜的反射过程示意图，
建立两个右手坐标系，第一个坐标系以O1点为圆心，建立右手直角坐标系(X1,Y1,Z1)，Z1轴平行于光束方向，X1轴垂直于初始反射平面向外。第二个坐标系以O2点为圆心建立右手直角坐标系(X2,Y2,Z2)，Z2轴平行于初始反射光束方向，X2轴平行于X1轴方向。假设O2Q'为精跟踪状态下的出射方向，则O1O2Q'为精跟踪状态下的反射面。
由反射镜引入的偏振态变化过程可以通过琼斯矩阵的方式分析如下：发射端发射的光脉冲的偏振态可以表示为[Es,Ep,0]T，其中0是为了在三维坐标系下计算方便所附加的平行于光束传播方向的偏振分量。假设反射平面O1O2Q'和O1O2Q之间的夹角为θ，输出光脉冲的偏振态可以表示为
Figure GDA0002949315670000051
其中Rz(θ)为反射点前，入射光线由标准反射面O1O2Q上的偏振态表示到实际精跟踪反射面O1O2Q'上的光子偏振态表示的转换矩阵。根据菲涅耳公式，反射后的偏振态可以表示为
Figure GDA0002949315670000052
其中Jsp为反射镜的琼斯矩阵，当入射角为θ1，折射角为θ2时，
Figure GDA0002949315670000053
入射角与折射角关系为n1sinθ1＝n2sinθ2，n1和n2为入射介质和反射介质的折射率。
图2a、图2b是反射镜偏振特性与反射面变化角对光子偏振态的影响示意图。
反射角与偏振变化角的关系在小角度变化范围内趋近于正比例关系，而反射面变化角与偏振变化角成反比例关系。
从图中可以看出，采用单反射镜结构的精跟踪系统对光子偏振态的影响极大，这对于强度调制的光通信系统来说影响不大。但是对于相干光通信来说是不得不考虑的一个重要因素。
图3是偏振无关反射结构示意图，图中包括第一旋光晶体1、第一反射镜2、第二旋光晶体3、第二反射镜4。
O点为入射光方向，A为90°旋光晶体，m为反射镜。Q为标准输出方向，Q’为精跟踪状态下输出光方向。右手坐标系
Figure GDA0002949315670000061
以第二反射镜4的反射点为原点，垂直纸面向内为X轴正方向，精跟踪反射光出射方向为Z轴正方向。
设计双反射镜光路如图3所示，利用两面反射镜实现光束90°的偏转。控制初始状态下两反射镜的入射角θ1＝θ2＝3/4π，并且使得两个反射面处于一个平面。两面反射镜分别能够以各自的中心点为中心做二维转动。反射镜采用同一材料，所以折射率和折射角均相等。在第一反射镜与第二反射镜4光路之间和第一反射镜前各放置一个90°的磁致旋光晶体，其琼斯矩阵表示为
Figure GDA0002949315670000062
旋光晶体为磁光晶体，其光旋转角由大磁场保证晶体工作在饱和状态，用以抵消温度变化带来的对旋光晶体工作状态的影响；所述入射线和反射线的夹角由实际需求获得，与反射镜本身无关。
该结构包含两块90°旋光角的磁旋光晶体，两面完全相同的任意折射率的反射镜；任意偏振态的入射光通过第一旋光晶体1，偏振态被顺时针方向旋转90°，脉冲被第一反射镜2反射，再次通过第二旋光晶体3，偏振态被再次顺时针旋转90°，被旋转光再次被第二反射镜4反射。
当两个入射光平面不在同一个平面上时，偏振出射光的偏振态依然会有稍许改变。为了满足实际入射光矢量和反射光矢量要求，保证两个反射面处于同一个反射平面，使得偏振态的改变最小，反射镜的反射角度控制需要严格满足要求。当需要改变出射光方向时，根据立体几何理论，设计两个反射镜的转动角度，使得两个反射平面时刻保持相等。这样能够尽量减少反射面变化角对偏振态的影响。此时出射光的偏振态可以表示为：
Figure GDA0002949315670000071
其中Φ为精跟踪状态反射平面与标准反射平面之间的夹角。
当夹角Φ较小的时，rs1＝rs2＝rs,rp1＝rp2＝rp,Φ→0.出射光可写为
Figure GDA0002949315670000072
反射镜的法向量方向可以根据出射光方向实时控制。这意味着在光通信系统的精跟踪状态下，当出射光方向需要实时变化时，利用反射镜的反射方向的变化，实时保证两个反射面在同一个平面上，从而最大限度降低对偏振态的影响。
图4为偏振无关反射结构下的出射光偏振态变化情况。从图中可以看出，偏振无关反射结构对于偏振态的影响仅限于反射面变化角对偏振态的影响。而反射镜的偏振特性对光子偏振态的影响则被偏振无关反射结构完全补偿了。
以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (1)

1.一种用于卫星相干光通信的偏振无关反射结构的控制算法，所述用于卫星相干光通信的偏振无关反射结构包括第一旋光晶体、第一反射镜、第二旋光晶体、第二反射镜，所述反射结构按照第一旋光晶体、第一反射镜、第二旋光晶体、第二反射镜的顺序依次放置，两个旋光晶体表面均与入射光方向垂直，第一反射镜与第二反射镜上的反射角相等，第一反射镜及第二反射镜均可做二维转动，第一反射镜及第二反射镜均用于实现光束90°的偏转；
所述第一反射镜与第二反射镜材料相同，折射率和折射角均相等；所述第一旋光晶体及第二旋光晶体均为90°的磁致旋光晶体；
其特征在于，所述控制算法为：
设输入光矢量为
Figure FDA0002949315660000011
时，实际需求输出光矢量为
Figure FDA0002949315660000012
x2,y2,z2所在的直角坐标系中，z2轴平行于初始反射光束方向，x2轴垂直于初始反射平面；入射矢量和反射矢量的夹角表示为
Figure FDA0002949315660000013
按照反射矢量要求，光脉冲在两个反射镜上的反射角为
Figure FDA0002949315660000014
第一反射镜的法向量方向为
Figure FDA0002949315660000015
第二反射镜的法向量方向为
Figure FDA0002949315660000016
入射角任意控制，无需要求入射光与出射光成90°正交，针对实际的反射矢量需求，通过控制反射镜的反射方向，能够实现反射镜面上任意入射角的偏振无关反射；
利用反射镜的反射方向的变化，实时保证两个反射面在同一个平面上。
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