CN109194408A - 一种空间激光通信发射装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种空间激光通信发射装置，涉及空间激光通信领域。该装置包括信号光发射模块、偏振合束器和信号光空间耦合发射单元，所述信号光发射模块包括激光器驱动调制单元和两支高功率激光器，所述激光器驱动调制单元用于驱动两支所述高功率激光器产生高功率激光，并加载调制后形成高功率信号光，所述偏振合束器用于将接收到的两路高功率信号光进行偏振合束，所述信号光空间耦合发射单元用于将经偏振合束后的高功率信号光进行整形后空间输出。本发明提供的空间激光通信发射装置，可以在不依赖光放大器的条件下，实现高功率和高可靠性的信号光的发射，装置结构简单，可靠性高，应用方式灵活，适用范围广。

Description

一种空间激光通信发射装置
技术领域
本发明涉及空间激光通信领域，具体涉及一种空间激光通信发射装置。
背景技术
在空间激光通信系统中，激光出射光功率是影响通信距离和系统性能的关键参数之一，为了获得较大的通信距离和较好的抗噪声性能，则需要提升系统出射的信号光功率。
为了获得高功率的激光信号光源，一般采用将激光种子光源调制信号后再放大的方法，但目前成熟商用的通信类光放大器方案是针对C_band或L_band的掺铒光纤放大器EDFA，而对于其他波段如800nm波段，还没有特别适合通信使用的高功率输出光放大器。通常适合通信用的半导体光放大器SOA的饱和输出功率相对高功率EDFA较小，在较远距离的空间激光通信的应用中，难以达到满意的输出光功率要求。
目前，为了提高单个波长信号光出射功率，一方面可以采取多个激光源出射后空间耦合叠加的方法，但这种方法使得系统复杂度较高且能量利用效率较低；另一方面，如果采用不同波长的信号光源按波长合波的方式，将会引起光带宽资源的严重浪费，以及接收端光滤波片带宽的增加，从而引入更多的背景杂光。所以，对于缺乏有效高功率光放大器对应的通信波长，在提升空间激光通信系统信号光输出功率时，还缺乏简单有效的可靠手段。
发明内容
针对以上问题，本发明的目的在于提供一种空间激光通信发射装置，在不依赖光放大器的条件下，实现高功率和高可靠性的信号光的发射，装置结构简单。
为达到以上目的，本发明采取的技术方案是：
信号光发射模块，其包括激光器驱动调制单元和两支高功率激光器，所述激光器驱动调制单元用于驱动两支所述高功率激光器产生高功率激光，并加载调制后形成高功率信号光；
偏振合束器，其用于接收两支所述高功率激光器发射的高功率信号光，并对两束所述高功率信号光进行偏振合束；
信号光空间耦合发射单元，其用于将经所述偏振合束器偏振合束后的所述高功率信号光进行整形后经过空间输出。
在上述技术方案的基础上，所述激光器驱动调制单元包括两路激光器驱动调制电路，两路所述激光器驱动调制电路分别对两支所述高功率激光器进行驱动和调制。
在上述技术方案的基础上，所述信号光发射模块包括控制单元，所述控制单元用于调控两路激光器驱动调制电路产生的电信号的相对时延。
在上述技术方案的基础上，所述控制单元为现场可编程逻辑门阵列FPGA或专用集成电路芯片ASIC。
在上述技术方案的基础上，所述偏振合束器采用光纤型偏振合束器。
在上述技术方案的基础上，所述信号光空间耦合发射单元包括：
光纤准直器，其用于将经所述偏振合束器偏振合束后的高功率信号光进行准直后空间输出；
发射光路，其用于将经所述光纤准直器准直后的高功率信号光进行光束整形后经过空间输出。
在上述技术方案的基础上，两支所述高功率激光器与所述偏振合束器之间均采用保偏光纤连接。
本发明还提供一种空间激光通信发射装置的使用方法，其包括如下步骤：
驱动两支高功率激光器发射高功率的激光，并加载调制后形成高功率信号光；
接收两路所述高功率信号光，并对两路所述高功率信号光进行偏振合束；
将经偏振合束后的所述高功率信号光进行整形后经过空间输出。
在上述技术方案的基础上，所述激光器驱动调制单元包括两路激光器驱动调制电路；
所述使用方法还包括：
同时开启两路所述激光器驱动调制电路，分别产生两路驱动电信号，驱动两支所述高功率激光器产生所述高功率信号光。
在上述技术方案的基础上，所述信号光发射模块包括控制单元；
所述使用方法还包括：
当两路所述激光器驱动调制电路的驱动电信号出现相对时延时，通过所述控制单元，调节两路所述电信号的相对时延，使两路所述电信号保持同步。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
(1)本发明提供的一种空间激光通信发射装置，通过将两支高功率激光器发射的两束高功率信号光经过偏振合束的方式，得到具有较高出射功率的信号光，相比于将多束信号光采用空间耦合叠加方式来提升出射功率更加的简单有效，操作便捷；另一方面，相比于采用将不同波长的信号光源合波的方式，本装置大大节省了光带宽资源，避免了光带宽资源的浪费。
(2)本发明提供的一种空间激光通信发射装置，其中高功率偏振信号光发射模块由两路相互独立且具有相同信号源的驱动调制电路构成，应用场景更灵活。当系统工作在高功率模式，单支激光器输出功率不能满足系统的发射功率需求时，此时可以开启两支激光器同时出光工作，提升系统的发射光功率；当系统工作在低功率模式时，只需要开启单支激光器就足够，或者两路激光器都工作在额定输出功率以下的低工作电流状态下，延缓激光器在长期高功率工作状态下的老化，延长激光发射装置的寿命。这对高功率调制激光器是一种有效的备份操作，提升了系统的可靠性。
(3)本发明提供的一种空间激光通信发射装置，装置中采用了光纤偏振合束和光纤准直器等光纤型器件，使得信号光发射装置的结构简单，调测方便，有效地降低了光学系统设计的复杂度，有利于系统的小型化，并且，此方法提升信号光功率不依赖于光放大器，因此应用范围较广。
附图说明
图1为本发明实施例中的空间激光通信发射装置的结构示意图；
图2为本发明实施例中的空间激光通信发射装置的流程示意图。
图中：1-信号光发射模块，10-高功率激光器，11-激光器驱动调制单元，12-控制单元，2-偏振合束器，3-信号光空间耦合发射单元，30-光纤准直器，31-发射光路。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的实施例作进一步详细说明。
参见图1所示，本发明实施例提供一种空间激光通信发射装置，包括信号光发射模块1，信号光发射模块1主要用于产生高功率的信号光。具体的，信号光发射模块1包括激光器驱动调制单元11和两支高功率激光器10，其中，激光器驱动调制单元11用于驱动两支高功率激光器10产生高功率激光，高功率激光加载调制信号后，产生高功率的信号光。
激光器驱动调制单元11包括两路激光器驱动调制电路，两路激光器驱动调制电路分别对两支高功率激光器10进行驱动和调制，且两路激光器驱动调制电路的调制信号拥有相同的信号源，并且两路激光器驱动调制电路均可以独立实现在较高的驱动电流条件下的高带宽信号的直接调制。这里高功率激光器10可以选用如波长为850nm的导体激光器，单只激光器的输出光功率可以大于350mw。相比于传统依赖光放大器实现高功率输出的信号光的发射装置，本装置能适用于各个波长的波段，不受波长的限制，应用范围变广。
参见图1所示，信号光发射模块1还包括控制单元12，控制单元12通过两个输出端口与两路激光器驱动调制电路连接，将外部信号源耦合到两路激光器驱动调制电路上，同时控制单元12可以用于调控两路激光器驱动调制电路电信号的相对时延。相对时延是指，信号源经过两路不完全相同的驱动电路来分别对两支高功率激光器10进行驱动时，由于信号传输路径的不同，有可能会导致两路驱动信号之间存在相对时延。相对时延存在时，可能会导致两路高功率激光器10输出的信号不同步，造成两路信号的串扰导致信号畸变，从而影响最终的通信误码率和性能。因此，当存在相对时延时，需要通过调节控制单元12两个输出端口之间的延迟，来对两路驱动信号的相对时延进行调节，使两路驱动信号保持同步，保证通信的顺利进行。
其中，控制单元12为现场可编程逻辑门阵列FPGA或专用集成电路芯片ASIC。这里控制单元12优选为现场可编程逻辑门阵列FPGA，因为FPGA的操作使用灵活，且其功能满足要求，并且可以通过指令编辑来直接调节各端口的延迟，十分方便，还完成对输入信号进行组帧编码等其他操作，所以在此场景下使用十分方便。
进一步的，控制单元12还可以同时开启两路高功率信号光来提升系统的整体信号光功率，也可以在满足需求的情况下关闭其中一路高功率激光器10，使得两支高功率激光器10互为备份，提高了系统的可靠性。具体的，当对信号光的发射功率需求较高，单支高功率激光器10输出功率不能满足系统的发射功率需求时，可以控制开启两支高功率激光器10同时出光工作，提升系统的发射光功率；而当对信号光的发射功率需求较低，系统工作在低功率模式时，只需要控制开启单支高功率激光器10就足够了。由于激光器是系统的核心器件，并且长期工作在高功率调制状态，所以相比其他部分更需要加强可靠性，特别是应用在星载等空间平台上时，激光器的可靠性更需要加以注意。因此，两支高功率激光器10可以作为互相备份，提升系统的可靠性，当一支高功率激光器10发生意外故障，或者由于工作老化导致出光功率下降时，还有第二支高功率激光器10作为备份可以继续保障系统的通信功能，可靠性高。
参见图1所示，空间激光通信发射装置还包括偏振合束器2，偏振合束器2主要用于对两束高功率线偏振信号光进行偏振合束，经过偏振合束后的信号光出射功率更高，能满足激光通信中对出射功率的要求。
其中，此处器件的主要功能是完成两路线偏振信号光的偏振合束，因此，只要能够实现偏振合束的方式，理论上都可以用，比如可以采用光纤偏振合束器件，或者采用透镜和晶体进行空间偏振合束等，而这里偏振合束器2优选为光纤型偏振合束器。目前，光纤型的偏振合束器本身有很多集成其他功能的混合型器件类型，比如单纯的偏振合束器PBC、集成隔离功能的偏振合束器IPBC和进一步集成退偏功能的偏振合束器IPBCD等等。这里选择集成隔离功能的光纤偏振合束器，主要是因为场景中高功率激光器10的发射功率较大，采用IPBC后可以有效的防止后端的反射光对激光器的影响，有效保证通信的顺利进行。
通过采用偏振合束器2对高功率信号光进行偏振合束提升信号光发射功率的方法，相比于信号光空间耦合的方式能大大降低系统装置的复杂程度。空间耦合方式通常是使多个信号激光束的光斑在空间中重叠，从而增加重叠区域的光功率。然而这种方式一般需要多个独立的发射光路31，并精确保证每一束激光束发射方向的平行度，且重叠区域与激光的发射角和传输距离有关，操作起来复杂，干扰因素较多。
而偏振合束是在偏振合束器2中直接完成的，只需要一个光纤偏振合束器2即可，将两支高功率线偏振输出激光器10与偏振合束器2分别用光纤连接，偏振合束器2即可输出更高功率的信号光，经过一个发射光路31，将激光束发射到自由空间，操作快捷简单，大大简化了系统设置和操作。
参见图1所示，空间激光通信发射装置还包括信号光空间耦合发射单元3，信号光空间耦合发射单元3主要用于将经偏振合束器2偏振合束后的高功率信号光进行整形后经过空间输出。信号光空间耦合发射单元3具体包括光纤准直器30和发射光路31，光纤准直器30用于将经偏振合束器2偏振合束后的高功率信号光进行准直后空间输出，发射光路31则用于将经光纤准直器30准直后的高功率信号光进行光束整形后经过空间输出。
其中，发射光路31是指信号光经过各种光学元器件如各类透镜、反射镜、分光镜等，进行光线的偏折、分光、光斑整形等操作后，达到出射要求后再从系统出射到空间的整个过程中经过的路径和系统的泛指。这里的发射光路31，是指信号光经过偏振合束器2以及光纤准直器30后，还需要根据实际的需求进行光斑整形、偏折等操作所需的后续光路结构。如果经过光纤准直器30后的信号光已经满足要求，则信号光可以直接出射；如果经过光纤准直器30的信号光没有满足要求，则经过发射光路31进行一系列的偏折、分光、光斑整形等处理后再进行空间输出。发射光路31的设置保证了激光通信发射装置的完整性。
进一步的，两支高功率激光器10与偏振合束器2之间均采用保偏光纤连接。
本发明实施例中还提供了一种空间激光通信发射装置的使用方法，适用于上述的空间激光通信发射装置。如图2所示，开启空间激光通信发射装置，开启高功率激光器10驱动调制单元11中的激光器驱动调制电路，根据实际所需的信号光出射功率的需求，通过激光器驱动调制电路驱动两支高功率激光器10发射高功率激光，并加载调制信号。在两支高功率激光器10发射高功率的信号光的过程中，若两路激光器驱动调制电路的电信号出现了相对时延，通过控制单元12来对两路驱动信号的相对时延进行调节，使其保持同步。
在两支高功率激光器10和偏振合束器2之间通过保偏光纤连接，两支高功率激光器10产生的高功率偏振信号光经偏振合束器2合束后通过普通的光纤与光纤准直器30连接，光纤准直器30将信号光准直后空间输出至发射光路31，发射光路31对信号光再进行整形、分光等处理，最后从发射光路31输出端出射高功率的信号光。
本发明不仅局限于上述最佳实施方式，任何人在本发明的启示下都可得出其他各种形式的产品，但不论在其形状或结构上作任何变化，凡是具有与本发明相同或相近似的技术方案，均在其保护范围之内。

Claims (10)

1.一种空间激光通信发射装置，其特征在于：
信号光发射模块(1)，其包括激光器驱动调制单元(11)和两支高功率激光器(10)，所述激光器驱动调制单元(11)用于驱动两支所述高功率激光器(10)产生高功率激光，并加载调制后形成高功率信号光；
偏振合束器(2)，其用于接收两支所述高功率激光器(10)发射的高功率信号光，并对两束所述高功率信号光进行偏振合束；
信号光空间耦合发射单元(3)，其用于将经所述偏振合束器(2)偏振合束后的所述高功率信号光进行整形后经过空间输出。
2.如权利要求1所述的一种空间激光通信发射装置，其特征在于：所述激光器驱动调制单元(11)包括两路激光器驱动调制电路，两路所述激光器驱动调制电路分别对两支所述高功率激光器(10)进行驱动和调制。
3.如权利要求2所述的一种空间激光通信发射装置，其特征在于：所述信号光发射模块(1)包括控制单元(12)，所述控制单元(12)用于调控两路激光器驱动调制电路产生的电信号的相对时延。
4.如权利要求3所述的一种空间激光通信发射装置，其特征在于：所述控制单元(12)为现场可编程逻辑门阵列FPGA或专用集成电路芯片ASIC。
5.如权利要求1所述的一种空间激光通信发射装置，其特征在于：所述偏振合束器(2)采用光纤型偏振合束器。
6.如权利要求1所述的一种空间激光通信发射装置，其特征在于，所述信号光空间耦合发射单元(3)包括：
光纤准直器(30)，其用于将经所述偏振合束器(2)偏振合束后的高功率信号光进行准直后空间输出；
发射光路(31)，其用于将经所述光纤准直器(30)准直后的高功率信号光进行光束整形后经过空间输出。
7.如权利要求1所述的一种空间激光通信发射装置，其特征在于：两支所述高功率激光器(10)与所述偏振合束器(2)之间均采用保偏光纤连接。
8.一种采用如权利要求1所述的一种空间激光通信发射装置的使用方法，其特征在于，其包括：
驱动两支高功率激光器(10)发射高功率的激光，并加载调制后形成高功率信号光；
接收两路所述高功率信号光，并对两路所述高功率信号光进行偏振合束；
将经偏振合束后的所述高功率信号光进行整形后经过空间输出。
9.一种采用如权利要求8所述的一种空间激光通信发射装置的使用方法，其特征在于：
所述激光器驱动调制单元(11)包括两路激光器驱动调制电路；
所述使用方法还包括：
同时开启两路所述激光器驱动调制电路，分别产生两路驱动电信号，驱动两支所述高功率激光器(10)产生所述高功率信号光。
10.一种采用如权利要求9所述的一种空间激光通信发射装置的使用方法，其特征在于：
所述信号光发射模块(1)包括控制单元(12)；
所述使用方法还包括：
当两路所述激光器驱动调制电路的驱动电信号出现相对时延时，通过所述控制单元(12)，调节两路所述电信号的相对时延，使两路所述电信号保持同步。
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