CN114422034B - 一种超小型可扩展双向激光通信装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种超小型可扩展双向激光通信装置，包括空间光部分以及光纤光路部分，所述空间光部分用于对发射光束和接收光束进行分离，并对接收信标光进行定位；所述光纤光路部分用于对发射信号光、信标光的合束以及对接收信号光的分离；所述空间光部分包括整形扩束望远镜、反射镜、分光镜、信标光探测器、光纤耦合器，所述光纤光路部分包括光纤分束器一、光纤分束器二、光纤隔离器一、光纤隔离器二、信号激光器、信标激光器、信号光探测器；所述空间光部分和光纤光路部分共同组成了信号光发射光路、信标光发射光路、信号光接收光路、信标光接收光路。相对于传统双向激光通信系统空间光光路减少了50%，空间光器件减少50%，重量降低40%。

Description

一种超小型可扩展双向激光通信装置

技术领域

本发明属于光学设备技术领域，具体涉及一种超小型可扩展双向激光通信装置。

背景技术

与现有的微波通信技术相比，卫星激光通信技术具有数据率高、抗干扰和保密性好等显著优点，是今后卫星通信的有效补充技术手段。目前，国内外已开展了多项卫星光通信在轨试验，正在逐步开展军事和商业航天应用。

相对于传统微波通信系统，激光通信系统优于采用了光波波段作为信息载波（载波10~400THz），具有极高的通信带宽，同时具有重量轻、体积小、功耗低的突出优点。

从形态上与微波射频天线最大的确保是需要一个高度集成、复杂的光学天线，一般包括信号光发射光路、信号光接收光路、信标光发射光路、信标光接收光路及相应的扩束天线。一般激光通信终端及时采用了收发共光学天线设计、无信标设计等小型化方法，仍然需要存在信号光发射后光路、信号光接收后光路、信标光发射/接收后光路等独立空间光光路，这些光路要求利用空间镜片实现同轴度优于10μrad以下的同轴度装配，优于多光轴、高精度空间光路要求，造成其体积重量难以进一步缩小，也给装配和维护带来了一些列问题。

发明内容

为解决上述问题，本发明公开了一种超小型可扩展双向激光通信装置，利用光纤分束器对信号光和信标光进行基于（密集）波分/解波分复用的分光和合光，利用密集波分复用器的解波分复用特点实现对窄带信号光的分数合束，实现信号光发射/接收、信标光发射的光路光纤化，极大的减少了空间光光路数量要求，简化空间光光路设计，在降低了光学天线体积重量的同时，减少了生产、维护难度和成本，降低了光学天线对环境控制的要求，并且采用批量化生产的光纤器件，可以降低系统器件成本。相对于传统双向激光通信系统空间光光路减少了50%，空间光器件减少50%，重量降低40%。

为达到上述目的，本发明的技术方案如下：

一种超小型可扩展双向激光通信装置，包括空间光部分以及光纤光路部分，所述空间光部分用于对发射光束和接收光束进行分离，并对接收信标光进行定位；所述光纤光路部分用于对发射信号光、信标光的合束以及对接收信号光的分离；所述空间光部分包括整形扩束望远镜、反射镜、分光镜、信标光探测器、光纤耦合器，所述光纤光路部分包括光纤分束器一、光纤分束器二、光纤隔离器一、光纤隔离器二、信号激光器、信标激光器、信号光探测器；所述空间光部分和光纤光路部分共同组成了信号光发射光路、信标光发射光路、信号光接收光路、信标光接收光路，其中：

信号光发射光路：由信号激光器发射信号光，经由分束器二与信号接收光合束，再经过隔离器一和分束器一与信标发射光合束后经过光纤耦合器进入光学天线，经过分光片与信标接收光合束，通过反射镜、整形扩束望远镜，形成信号光发射光路；

信标光发射光路：经由信标光激光器发射信标光，经由分束器一与信号光发射/接收光合束后经过光纤耦合器进入光学天线，经过分光片与信标光接收合束，通过反射镜、整形扩束望远镜，形成信标光发射光路；

信号光接收光路：由整形扩束望远镜入射终端，整形压缩后经由反射镜反射，分光镜进行投射波长分离，经由分束器一进行波长分离，隔离器一进行波长滤波，实现与信标光发射的隔离，再经由分束器二和隔离器二进行滤波，实现与信号光发射的隔离，最终入射信号光探测器，形成信号光接收光路；

信标光接收光路：由整形扩束望远镜入射终端，整形压缩后经由反射镜反射，分光镜进行反射波长分离，反射聚焦到信标光探测器焦平面上，形成信标光接收光路。

进一步地，所述空间光部分还包括接收信标光镜组，设置在所述的分光镜与信标光探测器之间。

进一步地，所述信号激光器选择相邻信道波长差值不小于0.4nm的信号激光器。

进一步地，所述光纤耦合器选择器件相邻信道串扰大于40dB的窄带光纤分束器。

进一步地，所述光纤隔离器一、光纤隔离器二选择不低于60dB的隔离度的光纤隔离器或者通过双级隔离方式实现不低于60dB的隔离度。

进一步地，所述双向激光通信装置的综合隔离度需要满足于以下计算公式：

其中，

为最大输出信号光功率，

为探测器最小功率输入功率，

为光纤耦合器发射光与接收光的隔离度，

为光纤隔离器一、光纤隔离器二的总隔离度。

本发明的有益效果为：

本发明利用光纤分束器对信号光和信标光进行基于（密集）波分/解波分复用的分光和合光，利用密集波分复用器的解波分复用特点实现对窄带信号光的分数合束，实现信号光发射/接收、信标光发射的光路光纤化，极大的减少了空间光光路数量要求，简化空间光光路设计，在降低了光学天线体积重量的同时，减少了生产、维护难度和成本，降低了光学天线对环境控制的要求，并且采用批量化生产的光纤器件，可以降低系统器件成本。相对于传统双向激光通信系统空间光光路减少了50%，空间光器件减少50%，重量降低40%。

附图说明

图1为本发明的实施例所述超小型可扩展双向激光通信装置的光路图。

图2为传统激光通信终端光学天线光路图。

附图标识列表：

1、整形扩束望远镜，2、反射镜，3、分光镜，4、接收信标光镜组，5、信标光探测器，6、光纤耦合器，7、光纤分束器一，8、光纤隔离器一，9、信标激光器，10、光纤分束器二，11、信号激光器，11.1—11.n、信号激光器组，12、光纤隔离器二，12.1—12.n、光纤隔离器组，13、信号光探测器；13.1—13.n、信号光探测器组；14、分光片一，15、发射信标光镜组，16、分光片二，17、发射信号光镜组，18、滤光片。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式，进一步阐明本发明，应理解下述具体实施方式仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。

如附图2所示，传统光学天线内均为空间光器件，包括整形扩束望远镜1，反射镜2，分光镜3，接收信标光镜组4，信标光探测器5，分光片一14，发射信标光镜组15，信标激光器9，分光片二16，发射信号光镜组17，信号激光器11，光纤耦合器6，滤光片18，信号光探测器13，然而目前终端空间光后光路方式存在以下问题：1）器件成本高；2）加工装配难度大，周期长；3）故障维护维修困难；4）体积重量大；5）不易于批量生产；6）波长不可扩展。

针对传统激光通信终端中基于空间光的光学系统存在的问题，本实施例提供一种超小型可扩展双向激光通信装置，如图1所示，包括空间光部分A以及光纤光路部分B，所述空间光部分A用于对发射光束和接收光束进行分离，并对接收信标光进行定位；所述光纤光路部分B用于对发射信号光、信标光的合束以及对接收信号光的分离；所述空间光部分A包括整形扩束望远镜1、反射镜2、分光镜3、信标光探测器5、光纤耦合器6，所述光纤光路部分B包括光纤分束器一7、光纤分束器二10、光纤隔离器一8、光纤隔离器二12、信号激光器11、信标激光器9、信号光探测器13；所述空间光部分和光纤光路部分共同组成了信号光发射光路、信标光发射光路、信号光接收光路、信标光接收光路，其中：

信号光发射光路：由信号激光器发射信号光，经由分束器二与信号接收光合束，再经过隔离器一和分束器一与信标发射光合束后经过光纤耦合器进入光学天线，经过分光片与信标接收光合束，通过反射镜、整形扩束望远镜，形成信号光发射光路；

信标光发射光路：经由信标光激光器发射信标光，经由分束器一与信号光发射/接收光合束后经过光纤耦合器进入光学天线，经过分光片与信标光接收合束，通过反射镜、整形扩束望远镜，形成信标光发射光路；

信号光接收光路：由整形扩束望远镜入射终端，整形压缩后经由反射镜反射，分光镜进行投射波长分离，经由分束器一进行波长分离，隔离器一进行波长滤波，实现与信标光发射的隔离，再经由分束器二和隔离器二进行滤波，实现与信号光发射的隔离，最终入射信号光探测器，形成信号光接收光路；

信标光接收光路：由整形扩束望远镜入射终端，整形压缩后经由反射镜反射，分光镜进行反射波长分离，反射聚焦到信标光探测器焦平面上，形成信标光接收光路。

进一步地，所述空间光部分还包括接收信标光镜组4，设置在所述的分光镜与信标光探测器之间。

所述信号激光器在设计过程中，优于选择光纤器件作为分光或合束的功能部件，因此激光器选择应遵循ITU标准，选择相邻信道波长差值不小于0.4nm的信号激光器。

进一步地，所述光纤耦合器选择器件相邻信道串扰大于40dB的窄带光纤分束器。

进一步地，所述光纤隔离器一、光纤隔离器二选择不低于60dB的隔离度的光纤隔离器，若单级隔离成本较高，可以采用双级隔离方式实现不低于60dB的隔离度。

为了防止发射光束对接收光束的干扰，本实施例中所述双向激光通信装置的综合隔离度需要满足于以下计算公式：

其中，

为最大输出信号光功率，

为探测器最小功率输入功率，

为光纤耦合器发射光与接收光的隔离度，

为光纤隔离器一、光纤隔离器二的总隔离度。

实测案例：

如图1所示，本实施例中，信号激光器11可以采用信号激光器组11.1—11.n组成，本实施例中11.1选择C45，11.2选择C48，经过放大器输出功率均为100mW，探测器输入最小信号为-45dBm，需要总隔离度为65dB；光纤隔离器二12可以采用光纤隔离器组12.1—12.n组成，本实施例中12.1选择C20，12.2选择C23，单级隔离度为35dB，采用双级实现70dB隔离；信号光探测器13可以采用信号光探测器组13.1—13.n组成，均为C波段宽谱接收探测器；波分复用器10位覆盖C波段，从C50~C18可使用，相邻信道隔离度大于20dB，发射与接收隔离度优于90dB隔离度，大于65dB隔离度要求，设备重量（不含EDFA重量），仅为370g，造价约13300元（不含CCD费用）。

相对于传统空间光光路激光通信天线，该方法光路重量近370g，远远小于传统激光天线重量（3~5kg）；

由于采用光纤连接，研制器件生产到整机装配周期由原计划120天，缩短为30天完成；

由于采用光纤连接方式，研制成本由传统光路的30万元降低为13300元（不含CCD费用）。

需要说明的是，以上内容仅仅说明了本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰均落入本发明权利要求书的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种超小型可扩展双向激光通信装置，其特征在于，包括空间光部分以及光纤光路部分，所述空间光部分用于对发射光束和接收光束进行分离，并对接收信标光进行定位；所述光纤光路部分用于对发射信号光、信标光的合束以及对接收信号光的分离；所述空间光部分包括整形扩束望远镜、反射镜、分光镜、信标光探测器、光纤耦合器，所述光纤光路部分包括光纤分束器一、光纤分束器二、光纤隔离器一、光纤隔离器二、信号激光器、信标激光器、信号光探测器；所述空间光部分和光纤光路部分共同组成了信号光发射光路、信标光发射光路、信号光接收光路、信标光接收光路，其中：

信号光发射光路：由信号激光器发射信号光，经由分束器二与信号接收光合束，再经过隔离器一和分束器一与信标发射光合束后经过光纤耦合器进入光学天线，经过分光片与信标接收光合束，通过反射镜、整形扩束望远镜，形成信号光发射光路；

信标光发射光路：经由信标光激光器发射信标光，经由分束器一与信号光发射/接收光合束后经过光纤耦合器进入光学天线，经过分光片与信标光接收合束，通过反射镜、整形扩束望远镜，形成信标光发射光路；

信号光接收光路：由整形扩束望远镜入射终端，整形压缩后经由反射镜反射，分光镜进行投射波长分离，经由分束器一进行波长分离，隔离器一进行波长滤波，实现与信标光发射的隔离，再经由分束器二和隔离器二进行滤波，实现与信号光发射的隔离，最终入射信号光探测器，形成信号光接收光路；

信标光接收光路：由整形扩束望远镜入射终端，整形压缩后经由反射镜反射，分光镜进行反射波长分离，反射聚焦到信标光探测器焦平面上，形成信标光接收光路。

2.根据权利要求1所述的超小型可扩展双向激光通信装置，其特征在于，所述空间光部分还包括接收信标光镜组，设置在所述的分光镜与信标光探测器之间。

3.根据权利要求1所述的超小型可扩展双向激光通信装置，其特征在于，所述信号激光器选择相邻信道波长差值不小于0.4nm的信号激光器。

4.根据权利要求1所述的超小型可扩展双向激光通信装置，其特征在于，所述光纤耦合器选择器件相邻信道串扰大于40dB的窄带光纤分束器。

5.根据权利要求1所述的超小型可扩展双向激光通信装置，其特征在于，所述光纤隔离器一、光纤隔离器二选择不低于60dB的隔离度的光纤隔离器或者通过双级隔离方式实现不低于60dB的隔离度。

6.根据权利要求1所述的超小型可扩展双向激光通信装置，其特征在于，所述双向激光通信装置的综合隔离度需要满足于以下计算公式：

其中，

为最大输出信号光功率，

为探测器最小功率输入功率，

为光纤耦合器发射光与接收光的隔离度，

为光纤隔离器一、光纤隔离器二的总隔离度。

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