CN113839714B

CN113839714B - 一种通信光收发一体的空间激光通信终端

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Publication number: CN113839714B
Application number: CN202111200749.7A
Authority: CN
Inventors: 陆日; 沈佳沛; 彭杨; 金为开
Original assignee: Tianjin Hongyiguang Technology Co ltd
Current assignee: Tianjin Hongyiguang Technology Co ltd
Priority date: 2021-10-13
Filing date: 2021-10-13
Publication date: 2023-03-31
Anticipated expiration: 2041-10-13
Also published as: CN113839714A

Abstract

本发明提供一种通信光收发一体的空间激光通信终端，包括：跟踪瞄准单元，用于空间中信号光的发射和收集，并与激光探测单元进行双向信号光传输；激光探测单元，用于与激光收发单元进行双向信号光传输，并对传输中的信号光进行过滤和/或探测；激光收发单元，用于发送和接收信号光，实现空间激光通信；所述激光探测单元包括一双色分光片，能够对发射信号光和接收信号光具有高透过率，其余光具有高反射率。本发明能够采用通信光代替信标光，实现收发共光路，实现了收发光路结构的大大简化。

Description

一种通信光收发一体的空间激光通信终端

技术领域

本发明涉及空间激光通信技术领域，尤其是涉及一种通信光收发一体的空间激光通信终端。

背景技术

空间激光通讯作为未来通讯发展的主要方向，将与地面通讯形成互补关系。卫星互联网作为重要的信息基础设施被全球各个国家纳入政策支持的重点方向，刺激各国技术研发稳步推进，进而降低卫星组网成本，有效促进需求端应用的爆发。空间激光通信具有通信容量大、传输速率高、保密性好、抗干扰能力强的优点，在军事、航空、航天等领域得到了广泛应用。

在天基信息网中，建立起星间通信链路是至关重要的，它不仅可以使信息达到实时传递，而且可以免于建立大量地面站，对于全球卫星通信系统或局部信息网也很重要。激光星间链路具有较小的终端体积、质量和功耗，当链路的数据率相对较高时，光学链路终端在体积和质量方面的优势会进一步体现。卫星光通信系统主要由两个构成光通信链路的光通信终端组成，光通信终端是卫星光通信系统中进行光信号收发的光端机。光端机的基本组成通常包括光源模块、光信号收发模块、瞄准捕获跟踪模块、调制解调模块、终端控制模块等。

通常情况下，光通信终端中的激光发射机和激光接收机是分开的，主要由于光端机的两个工作波长范围很近，设计合适的分光片难度很大，如果两个波长都是99％的情况，那么接收信号光将没办法进行有效分光，捕获和跟踪探测难度加大，如果分光片对两个波长的光透射率在90％时，发射光将有10％的损失，这样增加了系统的功耗。

自由空间激光通信相比传统的微波通信，具有通信容量大、功耗低、抗干扰、保密性好等优点，成为现在空间海量信息传输的重要手段。

图1为现有自由空间激光通信光学系统的典型形式。现结合图1，对现有的分光方法进行说明，具体如下：

现有的典空间激光通信系统主要包含：收发光学天线X1，振镜X2，分束镜ⅠX7，分束镜IIX8，分束镜ⅢX9，通信接收子系统X3，通信发射子系统X4，信标接收子系统X5，信标发射子系统X6。

在这里，通信接收子系统X3与通信发射子系统X4的工作波长，为一个波段相距几十纳米左右的两个波长λ11和λ12；信标接收子系统X5与信标发射子系统X6的工作波长，为一个波段相距几十纳米左右的两个波长λ21和λ22。分束镜ⅠX7为波长分光，首先将通信波段与信标波段分光，对λ11和λ12两个波长的光反射率R＝99％以上，对波长λ21和λ22的光透射率T＝99％。通常通信光波段(1550nm波段)内可以选用λ11和λ12两个相距几十纳米波长的光，例如分别为1534nm、1582nm；信标光波段(800nm波段光)内可以选用λ21和λ22两个相距几十纳米波长光，例如分别为780nm、808nm，这样两个光路才不会互相干扰。

分束镜ⅠX8，分束镜ⅠX9同样为波长分光。分束镜ⅠX8将两个波长λ11和λ12分光，对λ11波长的光反射率R11＝99％以上，对波长λ12的光透射率T12＝99％。分束镜ⅠX9将两个波长λ21和λ22分光，对λ21波长的光透射率T21＝99％以上，对波长λ22的光反射率R22＝99％。为保证通信接收子系统X3，通信发射子系统X4，信标接收子系统X5，信标发射子系统X6的光轴，在收发光学天线1之外，仍保证彼此之间较高的同轴度，就需要对分束镜ⅠX7，分束镜ⅠX8，分束镜ⅠX9进行精密装调和定位。相应的就需要复杂的机械结构设计来保证每一个分束镜的稳定性和可装调性。这些都加大了自由空间激光通信光学系统的工程难度、稳定性以及制造成本。根据具体的工作模式，空间激光通信的光学系统可能需要更为复杂的分光，但是基本方法是一致的。

因此现有技术当中亟需要一种新型的技术方案来解决这一问题。

发明内容

为了解决上述现有技术中的不足，本发明提出了一种空间激光通信终端，与传统的空间通信终端不同，采用通信光代替信标光，这样可以降低系统的功耗，还能减少信标光一路光路，而且不用单独设计对通信光波段λ11和λ12两个波长的光反射率R＝99％以上；对信标波段波长λ21和λ22的光透射率T＝99％的分光镜。本发明采用的收发光共端口的光路结构，大大简化了传统空间通信终端的光路结构，节省光学元件及缩小空间激光通信终端的体积。

本发明的通信光收发一体的空间激光通信终端，包括：

跟踪瞄准单元，用于空间中信号光的发射和收集，并与激光探测单元进行双向信号光传输；

激光探测单元，用于与激光收发单元进行双向信号光传输，并对传输中的信号光进行过滤和/或探测；

激光收发单元，用于发送和接收信号光，实现空间激光通信；

其中，所述激光探测单元包括一双色分光片，能够对发射信号光和接收信号光具有高透过率，其余光具有高反射率。

其中，所述信号光的波长可以分别为λ11＝1534nm和λ12＝1582nm，两种不同波长的信号光分别作为发射光/接收光和接收光/发射光，信号光中心波长λ＝1550nm。

其中，所述双色分光片对发射光，透射率97％以上，优选99％以上；对接收光透射率80％以上，优选90％-95％以上；经过双色分光片后，除发射光与接收光外，其余光的反射率80％以上，优选90％以上，最优选99％以上。

其中，所述双色分光片具有高低折射率交替分布的膜层，低折射率膜层厚度为λ/(4*n₁)，高折射率膜层厚度为λ/(4*n₂)，n₁为低折射率介质的折射率，n₂为高折射率介质的折射率，λ为中心波长，n₂>n₁；在低折射率膜层中引入两个突变的腔，腔长为λ/(n₁)，n₁为低折射率介质的折射率，λ为中心波长；两个突变的腔使双色分光片将中心波长的光分裂为两个模式，分别在发射光和接收光的波长上形成高透过率。

进一步，所述双色分光片上，低折射率材料为SiO2，折射率n1＝nL＝1.45，高折射率材料为氧化Ta2O5，折射率n2＝nH＝2.1。

更进一步，所述双色分光片的结构如表1所示。

其中，所述跟踪瞄准单元包括顺序连接的：

伺服转台，具有一个与光轴成45°的反射镜，该反射镜能够俯仰并进行方位扫描，

光学天线，为透射式望远镜头，用于放大接收的光信号，

快速反射镜，用于稳定光学系统视轴或者调节光束指向的作用。

其中，所述激光探测单元还包括：与所述双色分光片顺序连接的窄带滤光片、分束镜、精跟踪探测系统和粗跟踪探测系统，

所述窄带滤光片用于滤除双色分光片反射光中的杂散光，

所述分束镜用于将经过窄带滤光片滤过后的信号光进行分束，分束后的信号光分别进入与分束镜连接的精跟踪探测系统和粗跟踪探测系统。

本发明提出的激光通信终端，具有以下有益效果：

1、基于耦合模式理论，结合材料物理学特性，通过突变腔的引入，设计提供了一种能够对波长相隔几十纳米左右的发射光和接收光具有高透过率，对其他光具有高反射率的双色分光片，具有优良的光隔离效果，光信号噪音低，是本发明实现信号光的收发一体共光路设计和省略信标光路的设计基础。

2、采用通信光代替信标光，这样不仅可以降低系统的功耗，还能减少信标光一路光路，而且不用单独设计对通信波段λ11和λ12两个波长的光反射率R＝99％以上、对信标波段λ21和λ22两个波长的光透射率T＝99％的分光镜。同时，为了进一步简化光路，本发明还可以采用收发光共光路结构。

3、本发明将多个分光元件的系统简化为一个双色分光片4加分束片6，提高了系统的模块化设计，易于后期维护及元件更替，同时提高了重复精度。

4、简化了机械调整机构，实现了分光系统的紧凑及轻小型化设计。

5、降低了自由空间激光通信系统实现的时间成本和加工成本，使其易于工程实现。

附图说明

构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为现有空间激光通信终端光路图；

图2为本发明一种通信光收发一体的空间激光通信终端结构示意图；

图3为双色片膜层设计图；

图4为双色分光片反射率曲线(双工工作)。

具体实施方式

为了更好的理解本发明，下面结合具体附图对本发明进行详细描述。以下描述中所用的技术术语具有与本发明所属领域技术人员普遍理解的相同含义。附图实例为清楚描述本发明的优选实施例进行了详细的细节描述，但并不代表本发明的唯一实施方式，本领域技术人员在不脱离该具体实施方式的情况下所作的细节结构更改也应视为在本实施例公开的范围之内。

如图2所示，本发明的激光通信终端分为跟踪瞄准单元、激光探测单元与激光收发单元，所述的跟踪瞄准单元包括：伺服转台1、光学天线2、快速反射镜3，所述的激光探测单元包括：双色分光片4、窄带滤光片5、分束镜6、粗、精跟踪探测器7、8，所述激光收发一体化单元包括：光学收发单元9。

所述伺服转台1的主要功能部件为一个与光轴成45°的反射镜，具有俯仰和方位扫描功能，用于发射、收集空间传输的信号光；

所述光学天线2是透射式望远镜头，用于放大接收的光信号；

所述快速反射镜3，用于稳定光学系统视轴或者调节光束指向的作用；

所述双色分光片4，对发射光(如λ11＝1534nm)，透射率97％以上，优选99％以上；接收光(如λ12＝1582nm)透射率80％以上，优选90％以上；经过双色分光片4后，除发射光与接收光外，其余光基本被反射，因吸收等造成的损失极小，可以忽略，因此反射率一般为：100％-透射率；

所述窄带滤光片5，作用是滤除发射光(λ11＝1534nm)的杂散光(主要为发射光的未被双色分光片4透射的反射光)，使接收信号不受干扰；

所述分束镜6，作用是将收到的信号(信标)光进行分束，分别对通信目标进行粗跟踪和精跟踪；

所述精跟踪探测系统7、粗跟踪探测系统8，分别由聚焦镜和探测器构成，用于捕获、跟踪目标，是建立空间通信链路的前提；

所述光学收发单元9，用于发送信号(信标光)、接收信号(信标)光，实现空间激光通信。

所述一种自由空间激光通信用紧凑分光模块，其工作过程如下所述，信号光发射时光束经过双色分光片4、快速反射镜3、收发光学天线2和伺服转台反射镜1为平行光出射。信号光接收时通过伺服转台反射镜1、光学天线2的平行光然后再经过快反镜3反射，所述双色分光片4的入射面与光轴成45°，少部分信号光(如10％)通过反射，经过窄带滤光片5，窄带滤光片5的入射面与光轴垂直，在经过入射面与光轴垂直的分光棱镜6，所述分光棱镜6将光信号分开的两条支线光路上，通过所述精跟踪探测系统7、粗跟踪探测系统8通过分别进行粗跟踪和精跟踪；大部分信号光(如90％)通过双色分光片4耦合到光学收发单元9，进行通信数据传输。

所述一种紧凑的自由空间激光通信系统，用一个特殊设计的双色分光片代替传统的多个相对独立的分束镜，使光收发单元一体化，降低后续装调加工难度，提高系统的稳定性，与传统的大于等于四个子光路的空间激光通信光学系统相比较优势明显。

所述一种紧凑的自由空间激光通信系统，设计了一种双色分光片4，膜系设计如图3所示；在玻璃基片上镀折射率高低分布的膜层，薄膜周期为Λ＝λ/(4*n₁)+λ/(4*n₂),n₁为低折射率介质的折射率，n₂为高折射率介质的折射率，λ为中心波长，n₂>n₁。在光学薄膜中的低折射率介质薄膜引入两个突变的腔，腔长为λ/(n₁)(式中λ＝1550nm；n₁，n₂分别表示膜系折射率)。

根据耦合模式理论：

当两个腔的本征模式相等时，两个腔会发生耦合，其本征频率如下：

可以求解出来两个模式ω₁和ω₂，

式中：a_n(n＝1，2)是两个腔中的电场强度；t为时间；j为虚数单位；ω_n(n＝1，2)为模式角频率(

c为光速，λ_n是对应的光波长)；κ为：耦合系数。

双色分光片4的反射率特性(入射光角度45°)，膜系对这两个模式的波长λ11和λ12(1534nm，1582nm)的光高透射率，双色滤光片对1534nm光透射率99％，对1582nm光透射率90％，其余的模式光高反射(99％)。通过改变中间膜系改变两个腔的距离，调节耦合系数κ(耦合系数跟两个腔的距离成反比)，可以改变本征频率ω，进而调节双通滤光片的中心波长。

下面提供上述双色分光片4的一种具体的制备实例。

原子层沉积技术由于其沉积参数的高度可控型(厚度，成份和结构)，优异的沉积均匀性和一致性等优点，本发明通过原子层沉积(ALD)是通过将气相前驱体脉冲交替地通入反应器并在沉积基体上化学吸附并反应而形成沉积膜。

低折射率材料：SiO2(L层)折射率n1＝nL＝1.45

高折射率材料：氧化Ta2O5(H层)折射率n2＝nH＝2.1

基片材料：K9玻璃，折射率n＝1.516

选择交替层厚度的条件是L＝λ/(4*n)λ表示中心波长，而n表示相应的折射率(nL或nH)，引入两个腔长L1＝λ/(nL)，这样的多层结构的反射系数会随着nH/nL比率和具有高低折射率的成对层的数目增加而增加，带通-透射滤光片的截止就越尖锐。基片可以由光学透明材料制成。

表1列出了一种具有以下层顺序的双色滤光片:H-L-H-L-H-L-H-L-H-4*L-H-L-H-4*L-H-L-H-L-H-L-H-L-H....其中H表示高折射率层厚度，L表示低折射率层厚度。

表1

层数目	材料	折射率	厚度(nm)
				1	Ta2O5	2.1	184
2	SiO2	1.45	267
				3	Ta2O5	2.1	184
4	SiO2	1.45	267
				5	Ta2O5	2.1	184
6	SiO2	1.45	267
				7	Ta2O5	2.1	184
8	SiO2	1.45	267
				9	Ta2O5	2.1	184
10	SiO2	1.45	1068
				11	Ta2O5	2.1	184
12	SiO2	1.45	267
				13	Ta2O5	2.1	184
14	SiO2	1.45	1068
				15	Ta2O5	2.1	184
16	SiO2	1.45	267
				17	Ta2O5	2.1	184
18	SiO2	1.45	267
				19	Ta2O5	2.1	184
20	SiO2	1.45	267
				21	Ta2O5	2.1	184
22	SiO2	1.45	267
				23	Ta2O5	2.1	184
24	基片	1.516	-

图4是表1所示的一种双色分光片4的反射率特性曲线。空间通信终端工作过程是双工通信，两个终端之间光收发要对应。终端1发射的光是终端2接收的光，所以终端1发射端λ11＝1534nm光透射率98％，接收端λ12＝1582nm光透射率90％，对应的终端2接收端λ11＝1534nm光透射率90％，发射端λ12＝1582nm光透射率98％，所以双色分光镜4波长设计要根据空间激光通信终端工作状态设计。如图4中的A图所示(入射光角度45°)，膜系对这两个模式的波长λ11和λ12(1534nm，1582nm)的光高透射率，双色滤光片4对λ11＝1534nm光透射率98％，；对λ12＝1582nm光透射率90％，反射率10％，这个双色镜用于空间激光通信终端1；如图4中的B图所示(入射光角度45°)，膜系对这两个模式的波长λ11和λ12(1534nm，1582nm)的光高透射率，双色滤光片4对λ11＝1534nm光透射率90％，反射率10％；对λ12＝1582nm光透射率98％，用于空间激光通信终端2。

激光通信终端的10％反射光经过窄带滤波片5后通过分束镜6分别传输给精跟踪探测单元7和粗跟踪探测单元8，其余的模式光高反射(99％)。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种通信光收发一体的空间激光通信终端，包括：

其中，所述激光探测单元包括一双色分光片（4），能够对发射信号光和接收信号光具有高透过率，其余光具有高反射率；

所述双色分光片（4）具有高低折射率交替分布的膜层，低折射率膜层厚度为

，高折射率膜层厚度为/>

，n₁为低折射率介质的折射率，n₂为高折射率介质的折射率，

为中心波长，n₂>n₁；在低折射率膜层中引入两个突变的腔，腔长为/>

，n₁为低折射率介质的折射率，/>

为中心波长；两个突变的腔使双色分光片（4）将中心波长的光分裂为两个模式，分别在发射光和接收光的波长上形成高透过率。

2.根据权利要求1所述的通信光收发一体的空间激光通信终端，其特征在于，所述信号光的波长分别为λ11=1534nm和λ12=1582nm，两种不同波长的信号光分别作为发射光/接收光和接收光/发射光，信号光中心波长λ=1550nm。

3.根据权利要求1所述的通信光收发一体的空间激光通信终端，其特征在于，所述双色分光片（4）对发射光，透射率97%以上，或者透射率99%以上；对接收光透射率80%以上，或者透射率90%-95%以上；经过双色分光片（4）后，除发射光与接收光外，其余光的反射率80%以上，或者反射率90%以上，或者反射率99%以上。

4.根据权利要求1所述的通信光收发一体的空间激光通信终端，其特征在于，所述双色分光片（4）上，低折射率材料L层为SiO2，折射率n₁=nL=1.45，高折射率材料H层为氧化Ta2O5，折射率n₂=nH=2.1；其中，nL 表示L层折射率，nH 表示H层折射率。

5.根据权利要求1所述的通信光收发一体的空间激光通信终端，其特征在于，所述双色分光片（4）的结构具有以下层顺序:H-L-H-L-H-L-H-L-H-4*L-H-L-H-4*L-H-L-H-L-H-L-H-L-H，其中H表示高折射率层厚度，材料为Ta2O5，折射率为2.1，厚度为184nm；L表示一种低折射率层厚度，材料为SiO2，折射率为1.45，厚度为267nm；4*L表示另一种低折射率层厚度，材料为SiO2，折射率为1.45，厚度为1068nm。

6.根据权利要求1所述的通信光收发一体的空间激光通信终端，其特征在于，所述跟踪瞄准单元包括顺序连接的：

伺服转台（1），具有一个与光轴成45°的反射镜，该反射镜能够俯仰并进行方位扫描，

光学天线（2），为透射式望远镜头，用于放大接收的光信号，

快速反射镜（3），用于稳定光学系统视轴或者调节光束指向的作用；

其中，所述激光探测单元还包括：与所述双色分光片（4）顺序连接的窄带滤光片（5）、分束镜（6），以及与分束镜（6）分别连接的精跟踪探测系统（7）和粗跟踪探测系统（8），

所述窄带滤光片（5）用于滤除双色分光片（4）反射光中的杂散光，

所述分束镜（6）用于将经过窄带滤光片（5）滤过后的信号光进行分束，分束后的信号光分别进入与分束镜连接的精跟踪探测系统（7）和粗跟踪探测系统（8）。

7.一种双色分光片，对发射信号光和接收信号光具有高透过率，其余光具有高反射率；

具有高低折射率交替分布的膜层，低折射率膜层厚度为

，高折射率膜层厚度为/>

，n₁为低折射率介质的折射率，n₂为高折射率介质的折射率，/>

，n₁为低折射率介质的折射率，/>

为中心波长；两个突变的腔使双色分光片（4）将中心波长的光分裂为两个模式，分别在发射光和接收光的波长上形成高透过率；

低折射率材料L层为SiO2，折射率n₁=nL=1.45，高折射率材料H层为氧化Ta2O5，折射率n₂=nH=2.1；其中，nL 表示L层折射率，nH 表示H层折射率；

所述双色分光片（4）的结构具有以下层顺序:H-L-H-L-H-L-H-L-H-4*L-H-L-H-4*L-H-L-H-L-H-L-H-L-H，其中H表示高折射率层厚度，材料为Ta2O5，折射率为2.1，厚度为184nm；L表示一种低折射率层厚度，材料为SiO2，折射率为1.45，厚度为267nm；4*L表示另一种低折射率层厚度，材料为SiO2，折射率为1.45，厚度为1068nm。

8.根据权利要求7所述的分光片，其特征在于，信号光的波长分别为λ11=1534nm和λ12=1582nm，两种不同波长的信号光分别作为发射光/接收光和接收光/发射光，信号光中心波长λ=1550nm；

双色分光片对发射光，透射率97%以上，优选99%以上；对接收光透射率80%以上，优选90%-95%以上；经过双色分光片（4）后，除发射光与接收光外，其余光的反射率80%以上，优选90%以上，最优选99%以上。