CN109309529B

CN109309529B - 一种空间光通信系统

Info

Publication number: CN109309529B
Application number: CN201811564347.3A
Authority: CN
Inventors: 付红岩; 魏子贤; 穆鑫; 吴赛龙; 臧梓涵
Original assignee: Tsinghua-Berkeley Shenzhen Institute Preparation Office
Current assignee: Tsinghua-Berkeley Shenzhen Institute Preparation Office
Priority date: 2018-12-20
Filing date: 2018-12-20
Publication date: 2020-05-05
Anticipated expiration: 2038-12-20
Also published as: CN109309529A

Abstract

本发明实施例公开了一种空间光通信系统。该空间光通信系统包括发射单元、匀光单元以及接收单元；发射单元包括阵列排布的多个光源，用于出射信号光束；匀光单元位于光源的出光侧，用于使信号光束的强度在空间均匀分布；接收单元位于光源的出光侧且位于匀光单元背离发射单元的一侧，用于接收所述信号光束。本发明实施例的技术方案，通过阵列排布的多个光源产生大功率的信号光束，提高信号光束的传输距离，通过匀光单元使信号光束的强度在空间均匀分布，从而使得接收单元接收到均匀分布的信号光束，即使接收单元在一定范围内移动时，接收到的信号强度基本保持不变，提高了通信系统的稳定性。

Description

一种空间光通信系统

技术领域

本发明实施例涉及光通信技术，尤其涉及一种空间光通信系统。

背景技术

无线光通信，又称自由空间光通信，是指以半导体发光二极管发出的光波为载体，在真空或大气中传递信息的通信技术。又可分为大气光通信、卫星间光通信和星地光通信。和其他通信手段相比，无线光通信具有保密性好、抗电磁干扰、传输容量大、组网灵活，无需申请等优点，适用于保密通信、城域网扩展、宽带网零公里接入、无线基站数据回传，局域网互连、应急通信等一系列领域。

无线光通信的信息载体在光波，而光波更容易受到大气中各种粒子吸收作用和散射作用的影响，能量损耗较大，因此无线光通信主要受限于光发机的功率和大气状况。目前，无线光通信中一般使用指向性较好的光发射机(比如发光二极管LED或激光二极管LD)，使光源发出能量集中的光，从而延长通信距离。因此为了达到较好的接收效果，往往希望激光器发射功率的越大越好。

现有技术中，通过同时驱动多个分立发光元件，增大发射端的光功率，而实现长距离的空间光通信系统。然而，对于这样一个由不同光源构成的阵列发射端来说，每一个点光源都具有其光强的分布特征，比如单个LED发射出来的光强呈现朗伯分布，单个LD发射出来的光强呈现高斯分布，这样一个阵列发射端所发射出来的光强在接收端叠加起来也是不均匀的。这种现象给接收端的的设计，整个系统的能耗要求等各种性能带来了很大的挑战，降低了空间光通信系统在工程中的实际应用程度。

发明内容

本发明实施例提供一种空间光通信系统，以实现接收单元在接收端得到相对均匀的光强分布，从而提高了通信系统的稳定性。

本发明实施例提供一种空间光通信系统，包括：发射单元、匀光单元以及接收单元；

所述发射单元包括阵列排布的多个光源，用于出射信号光束；

所述匀光单元位于所述光源的出光侧，用于使所述信号光束的强度在空间均匀分布；

所述接收单元位于所述光源的出光侧且位于所述匀光单元背离所述发射单元的一侧，用于接收所述信号光束。

可选的，所述匀光单元包括平行设置的第一透镜阵列和第二透镜阵列；

所述第二透镜阵列位于所述第一透镜阵列靠近所述接收单元一侧的焦平面上。

可选的，所述第一透镜阵列包括多个阵列排布的凸透镜；

所述第二透镜阵列包括多个阵列排布的凸透镜。

可选的，所述凸透镜包括球面凸透镜、非球面凸透镜或自由曲面凸透镜的至少一种。

可选的，所述匀光单元包括一自由曲面透镜。

可选的，还包括准直单元，所述准直单元位于所述发射单元与所述匀光单元之间，用于对所述信号光束进行准直和扩束。

可选的，所述准直单元包括沿所述信号光束传播路径方向排列的一凹透镜和一凸透镜。

可选的，所述接收单元包括沿所述信号光束传播路径方向排列的场透镜及光电探测器；

所述场透镜用于将所述匀光单元出射的信号光束汇聚到所述光电探测器的探测面。

可选的，所述光电探测器可在垂直于所述信号光束的平面平移。

可选的，所述空间光通信系统为多输入单输出系统。

本发明实施例提供的空间光通信系统，包括发射单元、匀光单元以及接收单元；发射单元包括阵列排布的多个光源，用于出射信号光束；匀光单元位于光源的出光侧，用于使信号光束的强度在空间均匀分布；接收单元位于光源的出光侧且位于匀光单元背离发射单元的一侧，用于接收信号光束。通过阵列排布的多个光源产生大功率的信号光束，提高信号光束的传输距离，通过匀光单元使信号光束的强度在空间均匀分布，从而使得接收单元接收到均匀分布的信号光束，即使接收单元在一定范围内移动时，接收到的信号强度基本保持不变，提高了通信系统的稳定性。

附图说明

图1是本发明实施例提供的一种空间光通信系统的结构示意图；

图2是本发明实施例提供的另一种空间光通信系统的结构示意图；

图3是本发明实施例提供的又一种空间光通信系统的结构示意图；

图4是本发明实施例提供的又一种空间光通信系统的结构示意图；

图5是本发明实施例提供的一种准直单元的结构示意图；

图6是本发明实施例提供的又一种空间光通信系统的结构示意图；

图7为本发明实施例提供的一种空间光通信系统的立体结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。

图1所示为本发明实施例提供的一种空间光通信系统的结构示意图。参考图1，该空间光通信系统包括发射单元10、匀光单元20以及接收单元30；发射单元10包括阵列排布的多个光源11，用于出射信号光束；匀光单元20位于光源11的出光侧，用于使信号光束的强度在空间均匀分布；接收单元30位于匀光单元20的出射光路且背离发射单元10的一侧，用于接收信号光束。

其中，光源11可以包括边发射的激光二极管LD或垂直腔面发射激光器VCSEL，图1中仅示意性的示出一列的三个光源。激光二极管LD包括单异质结(SH)、双异质结(DH)和量子阱(QW)激光二极管。量子阱LD具有阈值电流低，输出功率高的优点，是目前市场应用的主流产品。同传统激光器相比，LD具有效率高、体积小、寿命长的优点，但单个LD的输出功率小(一般小于2mW)，可以通过多个LD阵列排布提高输出功率。VCSEL是半导体激光二极管的一种，与常规边发射半导体激光器不同，VCSEL从顶表面垂直发射出激光，主要从整个晶片中切割出来单个芯片而形成的表面发射。其中“垂直”是指激光腔(光子振荡方向)与半导体芯片的衬底相互垂直。LD和VCSEL发射出来的光强呈现高斯分布，因此多个LD或多个VCSEL形成的阵列光源发出的信号光束会形成多个分立的高斯光斑，通过合理设计匀光单元20的结构，可以使信号光束在空间近似呈均匀分布，在接收端的接收单元30可以接收和处理信号光束，实现空间光通信。由于匀光单元20的匀光作用，当接收单元30发生运动时，其接收的信号光束强度不发生变化，可以有效提高通信系统的稳定性。

本实施例的技术方案，通过阵列排布的多个光源产生大功率的信号光束，提高信号光束的传输距离，通过匀光单元使信号光束的强度在空间均匀分布，从而使得接收单元接收到均匀分布的信号光束，即使接收单元在一定范围内移动时，接收到的信号强度基本保持不变，提高了通信系统的稳定性。

在上述技术方案的基础上，图2所示为本发明实施例提供的另一种空间光通信系统的结构示意图。参考图2，可选的，匀光单元20包括平行设置的第一透镜阵列21和第二透镜阵列22；第二透镜阵列22位于第一透镜阵列21靠近接收单元30一侧的焦平面上。

可以理解的是，第一透镜阵列21和第二透镜阵列22都包括多个阵列排布的透镜。阵列排布的光源11(例如LD或VCSEL)发出的光束，经过第一透镜阵列21后汇聚到第二透镜阵列22上，可以近似认为衍生出若干个子光源，这些子光源被第二透镜阵列22成像，光线被均匀化之后被接收单元30接收，接收端面实现均匀照明。具体实施时，透镜阵列设计时需要的参数主要包括透镜阵列在系统中的位置、材料(折射率)，每个透镜单元的高度、宽度、厚度，每个透镜单元前表面的曲率半径、后表面的曲率半径，透镜阵列在水平和竖直方向上透镜单元的个数。根据光线折射定律，确定各个透镜的具体参数，例如可以利用光学仿真软件Zemax，根据光线传播确定透镜阵列的各个参数，实现匀光功能。

可选的，继续参考图2，第一透镜阵列21包括多个阵列排布的凸透镜211；第二透镜阵列22包括多个阵列排布的凸透镜221。可选的，凸透镜包括球面凸透镜、非球面凸透镜或自由曲面凸透镜的至少一种。

可以理解的是，具体实施时，透镜阵列采用具有汇聚作用的凸透镜，具有较高的设计自由度，可以采用球面、非球面、自由曲面等多种面型的透镜，通过调节透镜的尺寸、曲率半径、厚度等参数，实现匀光功能。

图3所示为本发明实施例提供的又一种空间光通信系统的结构示意图。参考图3，可选的，匀光单元20包括一自由曲面透镜23。

可以理解的是，光学自由曲面指非回转对称、不规则、根据所需要求自由构造的曲面，与传统的球面和非球面相比，自由曲面具有更好的设计自由度，通常是通过光线追迹的方法获得面上若干点的数据，从而构建出一个自由曲面。由于其面型具有较高自由度，单片自由曲面透镜即可实现对光束强度分布的均匀化，完成与透镜阵列类似的功能。

示例性的，常用自由曲面包括非均匀有理B样条曲面、扩展多项式面、Zernike面等。例如非均匀有理B样条曲面的表达式为：

其中，V_i,j为控制顶点，W_i,j为权因子，B_i,k(u)和B_j,l(w)为沿u方向的k次和沿w方向的l次B样条基函数，节点矢量为：

沿u方向和w方向节点矢量的节点数为(p+l)和(q+1)，其中p＝n+k+1，q＝m+l+1。

光学设计软件Zemax和Code V中都内置了扩展多项式面，扩展多项式面的表达式为：

扩展多项式曲面是在二次曲面的基础上加了一个最高次数为10次x-y多项式。其中c为曲率，k为圆锥系数，c_j为x-y多项式的系数。通过改变系数c_j来改变自由曲面的面型，从而得到想要的自由曲面。

Zemax等光学设计软件还内置了Zernike面，其表达式为：

其中，N是Zernike多项式的项数，A_i为Zernike多项式的系数，r为归一化半径，Z_i(ρ,θ)为Zernike多项式，ρ和θ分别为极坐标下的半径和角度。

需要说明的是，上述只是示例性的自由曲面的面型公式，具体实施时可以根据需求具体选择。

图4所示为本发明实施例提供的又一种空间光通信系统的结构示意图。参考图4，可选的，该空间光通信系统还包括准直单元40，准直单元40位于发射单元10与匀光单元20之间，用于对信号光束进行准直和扩束。

可以理解的是，由于光源发出的信号光束的准直性和光束截面大小可能不能满足要求，需要将光源的出射光束进行准直与扩束，使光束的截面积变大。

图5所示为本发明实施例提供的一种准直单元的结构示意图。参考图5，可选的，准直单元40包括沿信号光束传播路径方向排列的一凹透镜41和一凸透镜42。

示例性的，在本实施例中，准直单元40采用伽利略式结构的准直透镜组，可以有效实现信号光束的准直与扩束功能。经过准直与扩束后的信号光束，再经过匀光单元匀光后，可以有更好的匀光效果，进一步提高通信系统的稳定性。

图6所示为本发明实施例提供的又一种空间光通信系统的结构示意图。参考图6，可选的，接收单元30包括沿信号光束传播路径方向排列的场透镜31及光电探测器32；场透镜31用于将匀光单元30出射的信号光束汇聚到光电探测器32的探测面。

可以理解的是，由于光电探测器32的探测面一般面积较小，可以根据光电探测器32的位置和大小，通过调节场透镜31的曲率半径、焦距等参数，调节接收端光束的大小，从而使接收单元30的光电探测器32接收到大小合适的均匀光斑，提高通信系统信号接收的稳定性，进一步提高通信系统的稳定性。

图7所示为本发明实施例提供的一种空间光通信系统的立体结构示意图。参考图7，可选的，光电探测器32可在垂直于信号光束的平面平移。

示例性的，图7中省略了准直单元以及匀光单元，可以理解的是，在未设置匀光单元时，接收端可以观测到若干个与光源11一一对应的分立光斑，随着光电探测器32在垂直于信号光束的表面沿水平方向x或竖直方向y移动，光电探测器32接收到的光强分布将出现周期性强弱变化，导致通信系统性能不够稳定，容易受空间位置波动的影响。在本实施例中，由于匀光单元将信号光束转换为空间分布均匀的光束，当光电探测器32移动时，接收到的光强度分布均匀，从而提高通信的稳定性。

可选的，空间光通信系统为多输入单输出系统。

可以理解的是，在具体实施时，本实施例提供的空间光通信系统可以为多输入单输出(MISO)系统，该系统可以设置多个输入端，例如每个光源与一个信号输入端连接，每个光源发出不同的通信信号。具体发射端调制电路和接收端解调电路可以利用现有技术通信系统的设计，本发明实施例不作限定。

注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。

Claims

1.一种空间光通信系统，其特征在于，包括：发射单元、匀光单元以及接收单元；

所述匀光单元包括平行设置的第一透镜阵列和第二透镜阵列；所述第二透镜阵列位于所述第一透镜阵列靠近所述接收单元一侧的焦平面上；

2.根据权利要求1所述的空间光通信系统，其特征在于，所述第一透镜阵列包括多个阵列排布的凸透镜；

所述第二透镜阵列包括多个阵列排布的凸透镜。

3.根据权利要求2所述的空间光通信系统，其特征在于，所述凸透镜包括球面凸透镜、非球面凸透镜或自由曲面凸透镜的至少一种。

4.根据权利要求1所述的空间光通信系统，其特征在于，还包括准直单元，所述准直单元位于所述发射单元与所述匀光单元之间，用于对所述信号光束进行准直和扩束。

5.根据权利要求4所述的空间光通信系统，其特征在于，所述准直单元包括沿所述信号光束传播路径方向排列的一凹透镜和一凸透镜。

6.根据权利要求1所述的空间光通信系统，其特征在于，所述接收单元包括沿所述信号光束传播路径方向排列的场透镜及光电探测器；

7.根据权利要求6所述的空间光通信系统，其特征在于，所述光电探测器可在垂直于所述信号光束的平面平移。

8.根据权利要求1所述的空间光通信系统，其特征在于，所述空间光通信系统为多输入单输出系统。