CN110601756A - 一种用于空间激光通信的电光章动耦合系统及方法 - Google Patents

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Abstract

一种用于空间激光通信的电光章动耦合系统及方法，属于激光通信领域。本发明包括四分之一波片、快速反射镜、电光偏转器、耦合透镜、单模光纤、光开关、非相干接收模块、相干接收模块、通信及角误差解算模块、电光偏转器驱动模块、快速反射镜驱动模块。本发明基于电光偏转效应，采用非机械式的电光偏转器件，通过控制电光偏转器实现激光光束的二维扫描和章动耦合，在通信信息解调的同时完成激光信号的跟踪角误差量的提取和补偿量的计算，并控制电光偏转器和快速反射镜进行精跟踪补偿，实现激光信号的高精度跟踪和空间光到单模光纤的稳定高效耦合。本发明可兼容非相干和相干通信体制下的跟踪角误差解算与补偿。

Description

一种用于空间激光通信的电光章动耦合系统及方法
技术领域
本发明涉及一种用于空间激光通信的电光章动耦合系统及方法，属于激光通信领域。
背景技术
相对于传统的微波通信，空间激光通信具有传输速率高、抗干扰能力强、终端体积小、功耗低、重量轻等特点，因此成为当前最具潜力的星间与星地高速通信技术发展方向之一。随着空间激光通信组网应用的需求愈加迫切，空间激光通信终端需要同时兼容相干通信体制和非相干通信体制。基于光纤光电探测器件的优势，在空间激光通信链路的接收端，光学系统接收到的空间光束需要首先耦合进单模光纤中，然后进行高速探测实现高速的光电转换。随着光纤通信技术在空间激光通信系统中越来越多的应用，实现高效、稳定的空间光到单模光纤的耦合是保证激光通信系统性能的前提。此外，由于空间激光通信系统在实际应用中受到卫星等搭载平台振动、热效应、大气湍流等因素的影响，使得空间光束到单模光纤的动态、高效耦合非常困难。
目前，常用的空间光到单模光纤的耦合方案有机械式光纤耦合、快速反射镜耦合、微透镜阵列耦合等方案。然而，机械式光纤耦合方案的机械稳定性差，耦合带宽低；快速反射镜耦合方案的耦合效率较高，但是作为一种机械式耦合方案仍存在带宽低、控制系统复杂、使用寿命短等缺点；微透镜阵列耦合方案的结构复杂，并且需要增加额外光学系统；液晶空间光调制器耦合方案受限于液晶材料自身特性，存在响应速度慢、衍射效率低等问题，且空间环境适应性较差。
公开号为CN104811244A的中国专利公开了一种基于激光章动的空间光到单模光纤的耦合系统，利用快速反射镜章动实现了非相干探测体制下的激光章动耦合。公开号为CN109560878A的中国专利公开了一种基于相干探测的空间光到单模光纤的自适应耦合系统，利用光纤章动实现了相干探测体制下的激光章动耦合。以上两种技术方案虽然都实现了空间激光通信中的空间光到单模光纤的章动耦合，但是并没有彻底解决高带宽、长寿命、可同时兼容非相干通信体制和相干通信体制、能同时应用于星载、机载和地面激光通信终端等问题。这是因为公开号为CN104811244A的中国专利虽然利用快速反射镜章动实现了非相干探测体制下的激光章动耦合，其振动频率为10kHz，但是其快速反射镜的有效带宽小于1kHz，通常在500Hz左右，相比于卫星平台的振动频率250Hz，快速反射镜抑制卫星平台振动的能力很差，难以应用于星载激光通信终端；同时，由于章动快速反射镜的振动属于机械振动，其使用寿命与振动频率和振动次数有关，因此快速反射镜的使用寿命较短，此时适用于地面激光通信接收系统，且仅用于非相干探测体制，体制兼容性差、使用寿命较短。公开号为CN109560878A的中国专利虽然利用光纤章动实现了相干探测体制下的激光章动耦合，通过驱动中心夹持单模光纤的压电陶瓷管进行章动，此章动方式也存同样存在机械运动，使用寿命较短；同时该技术方案仅限于支持相干通信体制，体制兼容性差。由于引入了光纤的机械运动，系统的复杂度高、稳定性差。
发明内容
本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了一种结构简单、低功耗、高带宽、使用寿命长、空间环境适应性好、可同时兼容非相干通信体制和相干通信体制的空间光到单模光纤的高效率耦合系统及方法。
本发明的技术解决方案是：一种用于空间激光通信的电光章动耦合系统，包括四分之一波片、快速反射镜、电光偏转器、耦合透镜、单模光纤、光开关、非相干接收模块、相干接收模块、通信及角误差解算模块、电光偏转器驱动模块和快速反射镜驱动模块；
平行光束经过所述的四分之一波片透射后，经过快速反射镜反射进入电光偏转器，然后经过电光偏转器透射的光束由耦合透镜聚焦于单模光纤的光纤端面；
所述单模光纤将光束转换为光信号，并通过其输出端口与光开关连接，将光信号传输至光开关；所述光开关的第一输出端与第二输出端分别与非相干接收模块和相干接收模块连接，根据上位机控制信号选择将光信号切换输出到非相干接收模块或相干接收模块中；
所述通信及角误差解算模块的输入端分别与非相干接收模块的输出端和相干接收模块的输出端连接，并生成通信电信号发送给通信及角误差解算模块；通信及角误差解算模块接收通信电信号，进行信号解调和角误差解算，将解算出的第一角误差信息和第二角误差信息分别发送至电光偏转器驱动模块和快速反射镜驱动模块；
所述的电光偏转器驱动模块的输入端与通信及角误差解算模块的第一输出端连接，所述的快速反射镜驱动模块的输入端与通信及角误差解算模块的第二输出端连接，电光偏转器驱动模块接收第一角误差信息，对电光偏转器输出的光束偏转角进行控制，快速反射镜驱动模块接收第二角误差信息，对快速反射镜的振动方向和幅度进行控制，使得进入单模光纤的光纤端面的光束耦合效率最大。
进一步地，所述的四分之一波片为零级波片，用于使透射光束的偏振态与电光偏转器要求输入光束的偏振态一致。
进一步地，所述的快速反射镜为压电陶瓷快速反射镜。
进一步地，所述电光偏转器为电光晶体偏转器。
进一步地，所述耦合透镜为玻璃透镜，用于将电光偏转器透射出的光束聚焦到单模光纤的光纤端面。
进一步地，所述单模光纤为单模保偏光纤。
进一步地，所述光开关为MEMS保偏光开关或机械保偏光开关，用于控制光信号在两条光路上的切换。
进一步地，所述通信电信号为OOK通信体制、PPM通信体制、BPSK通信体制或QPSK通信体制。
进一步地，所述第一角误差信息的大小为[1,5)μrad，第二角误差信息的大小为[5,100)μrad。
一种基于所述的用于空间激光通信的电光章动耦合系统实现的方法，包括如下步骤：
平行光束经过四分之一波片透射，经过快速反射镜反射进入电光偏转器，然后经过电光偏转器透射的光束由耦合透镜聚焦于单模光纤的光纤端面；
单模光纤将光信号传输到光开关，光开关根据上位机控制信号选择将光信号切换输出到非相干接收模块或相干接收模块中；
非相干接收模块或相干接收模块接收光信号并将光信号转换为通信电信号，并将通信电信号输出至通信及角误差解算模块；
通信及角误差解算模块对通信电信号进行信号解调和角误差解算，将解算出的第一角误差信息和第二角误差信息分别发送至电光偏转器驱动模块和快速反射镜驱动模块；
电光偏转器驱动模块接收第一角误差信息，对电光偏转器输出的光束偏转角进行控制，快速反射镜驱动模块接收第二角误差信息，对快速反射镜的振动方向和幅度进行控制，使得进入单模光纤的光纤端面的光束耦合效率最大。
本发明与现有技术相比的优点在于：
(1)本发明系统采用电光章动耦合方案，利用电光效应实现光束的二维偏转和章动，无机械运动，具有使用寿命长、带宽大、抑制平台振动能力强的特点，可广泛应用于星载、机载、地面激光通信系统中，空间环境适应性好；
(2)本发明系统利用光开关实现光路的切换控制，可兼容非相干通信体制和相干通信体制下的光束章动耦合；
(3)本发明系统采用电光章动耦合的同时，实现非相干通信和相干通信模块的一体化设计，有效降低了系统的重量、体积、功耗和整体复杂度。
附图说明
图1为本发明系统的组成原理框图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例进一步详细说明本发明，但不应以此限制本发明的保护范围。
如图1所示，本发明系统包括四分之一波片1、快速反射镜2、电光偏转器3、耦合透镜4、单模光纤5、光开关6、非相干接收模块7、相干接收模块8、通信及角误差解算模块9、电光偏转器驱动模块10、快速反射镜驱动模块11。平行光束经过所述的四分之一波片1透射后，经过快速反射镜2反射进入电光偏转器3，然后经过电光偏转器3透射的光束由耦合透镜4聚焦于单模光纤5的光纤端面；所述单模光纤5将光束转换为光信号，并通过其输出端口与光开关6连接，将光信号传输至光开关6；所述光开关6的第一输出端与第二输出端分别与非相干接收模块7和相干接收模块8连接，根据上位机控制信号选择将光信号切换输出到非相干接收模块7或相干接收模块8中；所述通信及角误差解算模块9的输入端分别与非相干接收模块7的输出端和相干接收模块8的输出端连接，并生成通信电信号发送给通信及角误差解算模块9；通信及角误差解算模块9接收通信电信号，进行信号解调和角误差解算，将解算出的第一角误差信息和第二角误差信息分别发送至电光偏转器驱动模块10和快速反射镜驱动模块11；所述的电光偏转器驱动模块10的输入端与通信及角误差解算模块9的第一输出端连接，所述的快速反射镜驱动模块11的输入端与通信及角误差解算模块9的第二输出端连接，电光偏转器驱动模块10接收第一角误差信息，对电光偏转器3输出的光束偏转角进行控制，快速反射镜驱动模块11接收第二角误差信息，对快速反射镜2的振动方向和幅度进行控制，使得进入单模光纤5的光纤端面的光束耦合效率最大。所述第一角误差信息的大小为[1,5)μrad，第二的大小为[5,100)μrad。
一种用于空间激光通信的电光章动耦合方法，包括如下步骤：
平行光束经过四分之一波片1透射，经过快速反射镜2反射进入电光偏转器3，然后经过电光偏转器3透射的光束由耦合透镜4聚焦于单模光纤5的光纤端面；
单模光纤5将光信号传输到光开关6，光开关6根据上位机控制信号选择将光信号切换输出到非相干接收模块7或相干接收模块8中；
非相干接收模块7或相干接收模块8接收光信号并将光信号转换为通信电信号，并将通信电信号输出至通信及角误差解算模块9；
通信及角误差解算模块9对通信电信号进行信号解调和角误差解算，将解算出的第一角误差信息和第二角误差信息分别发送至电光偏转器驱动模块10和快速反射镜驱动模块11；
电光偏转器驱动模块10接收第一角误差信息，对电光偏转器3输出的光束偏转角进行控制，快速反射镜驱动模块11接收第二角误差信息，对快速反射镜2的振动方向和幅度进行控制，使得进入单模光纤5的光纤端面的光束耦合效率最大。
实施例1
在实施例1中，一束调制体制为OOK，波长为1550nm、直径约4mm的圆偏振态平行光束经过四分之一波片1透射后变为水平偏振光束，经过45°放置的快速反射镜2反射后进入电光偏转器3，电光偏转器驱动模块10根据通信及角误差解算模块9输入的控制信号驱动电光偏转器3使光束进行圆形扫描，圆形扫描光束由耦合透镜4聚焦到位于耦合透镜焦点处的单模光纤5的光纤端面上。此时由于受地面振动和大气湍流等影响，章动圆已经从光纤端面中心偏移到端面的某一位置，但是激光仍然会做圆形扫描。耦合进入单模光纤端面的信号光将因圆形扫描产生周期性的功率起伏。所述的单模光纤5将激光输入至光开关6，光开关6根据外部控制信号将光信号输入非相干接收模块7。非相干接收模块7完成OOK信号的光电转换后，将电信号输入到通信及角误差解算模块9。通信及角误差解算模块9根据接收到的耦合光功率的变化规律，结合OOK通信速率和信噪比动态变换情况可解算出误差量和补偿量，并将补偿量信号送入快速反射镜驱动模块11，快速反射镜驱动模块11驱动快速反射镜2进行补偿，完成系统的闭环控制。
本实施例1中，所述的四分之一波片1为零级波片，用于使透射光束的偏振态与电光偏转器3要求输入光束的偏振态一致。
本实施例1中，所述的快速反射镜2为压电陶瓷快速反射镜。快速反射镜2采用的是S330型器件，闭环跟踪频率约为1kHz。
本实施例1中，电光偏转器3为电光晶体偏转器，采用的是LN1550-1型器件，章动频率为5kHz。
本实施例1中，所述耦合透镜4为玻璃透镜，用于将电光偏转器3透射出的光束聚焦到单模光纤5的光纤端面。
本实施例1中，光开关6为MEMS保偏光开关或机械保偏光开关，用于控制光信号在两条光路上的切换，采用的是MEPM-14型器件，支持两端口保偏输出，切换时间为5μs。
本实施例1中，非相干接收模块7采用的PW-200型模块，支持OOK和PPM两种非相干通信体制。
本实施例1中，通信及角误差解算模块9采用的是HM-2型模块，在通信的同时可完成角误差解算，通信速率1～10Gbps分档可调。
本实施例1中，电光偏转器驱动模块10采用的是DD-3型模块，驱动电压范围0～800V。
本实施例1中，快速反射镜驱动模块11采用的是XE-650-1型模块，驱动电压120V。
该电光章动耦合系统实现了非相干通信体制下的空间激光到单模光纤的大带宽、高效率耦合，有效抑制了平台振动和大气湍流等因素引起的耦合效率下降。根据测试结果，系统正常闭环工作时，系统的耦合效率得到了有效提升；同时利用电光效应实现光束的二维偏转和章动，无机械运动，具有使用寿命长、带宽大、抑制平台振动能力强的特点，可广泛应用于星载、机载、地面激光通信系统中，空间环境适应性好。
实施例2
在实施例2中，一束调制体制为BPSK，波长为1550nm、直径约8mm的圆偏振态平行光束经过四分之一波片1透射后变为水平偏振光束，经过45°放置的快速反射镜2反射后进入电光偏转器3，电光偏转器驱动模块10根据通信及角误差解算模块9输入的控制信号驱动电光偏转器3使光束进行圆形扫描，圆形扫描光束由耦合透镜4聚焦到位于耦合透镜焦点处的单模光纤5的光纤端面上。此时由于受地面振动和大气湍流等影响，章动圆已经从光纤端面中心偏移到端面的某一位置，但是激光仍然会做圆形扫描。耦合进入单模光纤端面的信号光将因圆形扫描产生周期性的功率起伏。所述的单模光纤5将激光输入至光开关6，光开关6根据外部控制信号将光信号输入相干接收模块8。相干接收模块8完成BPSK信号的光电转换后，将电信号输入到通信及角误差解算模块9。通信及角误差解算模块9根据接收到的耦合光功率的变化规律，结合BPSK通信速率和信噪比动态变换情况，可解算出误差量和补偿量，并将补偿量信号送入快速反射镜驱动模块11，快速反射镜驱动模块11驱动快速反射镜2进行补偿，完成系统的闭环控制。
本实施例2中，快速反射镜2采用的是S330型器件，闭环跟踪频率约为1kHz。
本实施例2中，电光偏转器3采用的是LN1550-1型器件，章动频率为5kHz。
本实施例2中，光开关6采用的是MEPM-14型器件，支持两端口保偏输出，切换时间为5μs。
本实施例2中，相干接收模块8采用的PW-100型模块，支持BPSK和QPSK两种相干通信体制。
本实施例2中，通信及角误差解算模块9采用的是HM-2型模块，在通信的同时可完成角误差解算，通信速率1～10Gbps分档可调。
本实施例2中，电光偏转器驱动模块10采用的是DD-3型模块，驱动电压范围0～800V。
本实施例2中，快速反射镜驱动模块11采用的是XE-650-1型模块，驱动电压120V。
该电光章动耦合系统实现了相干通信体制下的空间激光到单模光纤的大带宽、高效率耦合，有效抑制了平台振动和大气湍流等因素引起的耦合效率下降。根据测试结果，系统正常闭环工作时，系统的耦合效率得到了有效提升。
本发明利用光开关实现光路的切换控制，可兼容非相干通信体制和相干通信体制下的光束章动耦合；本发明系统采用电光章动耦合的同时，实现非相干通信和相干通信模块的一体化设计，有效降低了系统的重量、体积、功耗和整体复杂度。
本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

Claims (10)

1.一种用于空间激光通信的电光章动耦合系统，其特征在于：包括四分之一波片(1)、快速反射镜(2)、电光偏转器(3)、耦合透镜(4)、单模光纤(5)、光开关(6)、非相干接收模块(7)、相干接收模块(8)、通信及角误差解算模块(9)、电光偏转器驱动模块(10)和快速反射镜驱动模块(11)；
平行光束经过所述的四分之一波片(1)透射后，经过快速反射镜(2)反射进入电光偏转器(3)，然后经过电光偏转器(3)透射的光束由耦合透镜(4)聚焦于单模光纤(5)的光纤端面；
所述单模光纤(5)将光束转换为光信号，并通过其输出端口与光开关(6)连接，将光信号传输至光开关(6)；所述光开关(6)的第一输出端与第二输出端分别与非相干接收模块(7)和相干接收模块(8)连接，根据上位机控制信号选择将光信号切换输出到非相干接收模块(7)或相干接收模块(8)中；
所述通信及角误差解算模块(9)的输入端分别与非相干接收模块(7)的输出端和相干接收模块(8)的输出端连接，并生成通信电信号发送给通信及角误差解算模块(9)；通信及角误差解算模块(9)接收通信电信号，进行信号解调和角误差解算，将解算出的第一角误差信息和第二角误差信息分别发送至电光偏转器驱动模块(10)和快速反射镜驱动模块(11)；
所述的电光偏转器驱动模块(10)的输入端与通信及角误差解算模块(9)的第一输出端连接，所述的快速反射镜驱动模块(11)的输入端与通信及角误差解算模块(9)的第二输出端连接，电光偏转器驱动模块(10)接收第一角误差信息，对电光偏转器(3)输出的光束偏转角进行控制，快速反射镜驱动模块(11)接收第二角误差信息，对快速反射镜(2)的振动方向和幅度进行控制，使得进入单模光纤(5)的光纤端面的光束耦合效率最大。
2.根据权利要求1所述的一种用于空间激光通信的电光章动耦合系统，其特征在于：所述的四分之一波片(1)为零级波片，用于使透射光束的偏振态与电光偏转器(3)要求输入光束的偏振态一致。
3.根据权利要求2所述的一种用于空间激光通信的电光章动耦合系统，其特征在于：所述的快速反射镜(2)为压电陶瓷快速反射镜。
4.根据权利要求3所述的一种用于空间激光通信的电光章动耦合系统，其特征在于：所述电光偏转器(3)为电光晶体偏转器。
5.根据权利要求2所述的一种用于空间激光通信的电光章动耦合系统，其特征在于：所述耦合透镜(4)为玻璃透镜，用于将电光偏转器(3)透射出的光束聚焦到单模光纤(5)的光纤端面。
6.根据权利要求1所述的一种用于空间激光通信的电光章动耦合系统，其特征在于：所述单模光纤(5)为单模保偏光纤。
7.根据权利要求1所述的一种用于空间激光通信的电光章动耦合系统，其特征在于：所述光开关(6)为MEMS保偏光开关或机械保偏光开关，用于控制光信号在两条光路上的切换。
8.根据权利要求1所述的一种用于空间激光通信的电光章动耦合系统，其特征在于：所述通信电信号为OOK通信体制、PPM通信体制、BPSK通信体制或QPSK通信体制。
9.根据权利要求1所述的一种用于空间激光通信的电光章动耦合系统，其特征在于：所述第一角误差信息的大小为[1,5)μrad，第二角误差信息的大小为[5,100)μrad。
10.一种基于权利要求1～9任一项所述的用于空间激光通信的电光章动耦合系统实现的方法，其特征在于，包括如下步骤：
平行光束经过四分之一波片(1)透射，经过快速反射镜(2)反射进入电光偏转器(3)，然后经过电光偏转器(3)透射的光束由耦合透镜(4)聚焦于单模光纤(5)的光纤端面；
单模光纤(5)将光信号传输到光开关(6)，光开关(6)根据上位机控制信号选择将光信号切换输出到非相干接收模块(7)或相干接收模块(8)中；
非相干接收模块(7)或相干接收模块(8)接收光信号并将光信号转换为通信电信号，并将通信电信号输出至通信及角误差解算模块(9)；
通信及角误差解算模块(9)对通信电信号进行信号解调和角误差解算，将解算出的第一角误差信息和第二角误差信息分别发送至电光偏转器驱动模块(10)和快速反射镜驱动模块(11)；
电光偏转器驱动模块(10)接收第一角误差信息，对电光偏转器(3)输出的光束偏转角进行控制，快速反射镜驱动模块(11)接收第二角误差信息，对快速反射镜(2)的振动方向和幅度进行控制，使得进入单模光纤(5)的光纤端面的光束耦合效率最大。
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