CN115842592A - 空间激光通信基于光学相控阵大范围光束扫描系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种空间激光通信基于光学相控阵大范围光束扫描系统，包括：波长可调谐激光器用于产生种子源激光信号，并将其输入至电光调制器；电光调制器，用于对输入的种子源激光信号进行调制，并将其输入至光纤放大器；光纤放大器，用于对输入的调制后的种子源激光信号进行功率放大，并将其发送至光波导相控阵；光波导相控阵，用于将输入的功率放大后的激光信号转为空间光发射；光束扫描控制器，用于控制所述光波导相控阵发射的空间光在空间方向上的偏转。基于硅基光学相控阵与液晶偏振光栅级联的空间激光通信光学相控阵大范围光束扫描系统，实现大范围的光束扫描控制。

Description

空间激光通信基于光学相控阵大范围光束扫描系统和方法

技术领域

本发明涉及激光通信技术领域，具体涉及一种空间激光通信基于光学相控阵大范围光束扫描系统。

背景技术

激光通信相比于传统的微波通信，具有带宽高、束散角小、抗电磁干扰等特点，由于激光通信具有更高的传输速率，更好的通信保密性等优势。因此激光通信被广泛的应用于通信领域中。

目前空间激光通信系统中的光束扫描功能一般由二维机械万向转台和二维快速扫描镜协同工作完成。该方案存在以下问题：1.单元组成元器件多，尺寸重量大，装配精度要求高，故障概率高；2.系统转动惯量大，光速扫描指向速度慢，点对多点通信困难；3.不易与安装平台共形设计。针对上述问题虽然已有提出采用硅基光学相控阵这种非机械伺服方式替代二维机械万向转台和二维快速扫描镜协同工作的方式，从而实现光束非机械快速扫描。但是由于硅基光学相控阵垂直方向的光束指向调节需采用入射光波长调谐的方式，受到空间激光通信系统中的其他光学器件通过波长带宽的限制，导致该方法在激光通信系统中只能实现垂直方向小角度偏转，因此在空间激光通信系统应用该方法存在局限性。

上述问题是目前亟待解决的。

发明内容

本发明要克服现有技术的上述至少一个缺点，一方面，提供了一种空间激光通信基于光学相控阵大范围光束扫描系统，所述系统包括：波长可调谐激光器、电光调制器、光线放大器、光波导相控阵以及光束扫描控制器，其中所述波长可调谐激光器、电光调制器、光线放大器、光波导相控阵依次电连接，所述光束扫描控制器分别与所述光波导相控阵和波长可调谐激光器电连接；其中波长可调谐激光器用于产生种子源激光信号，并将其输入至电光调制器；电光调制器，用于对输入的种子源激光信号进行调制，并将其输入至光纤放大器；光纤放大器，用于对输入的调制后的种子源激光信号进行功率放大，并将其发送至光波导相控阵；光波导相控阵，用于将输入的功率放大后的激光信号转为空间光发射；光束扫描控制器，用于控制所述光波导相控阵发射的空间光在空间方向上的偏转。

可选的，所述波长可调谐激光器还用于将产生的种子源激光信号通过光纤耦合至电光调制器中；所述电光调制器还用于将调制后的种子源激光信号通过光纤耦合至光纤放大器中；所述光纤放大器还用于将功率放大后的激光信号通过光纤耦合至光波导相控阵。

可选的，所述系统还包括通信编码器，所述通信编码器与所述电光调制器电连接，用于驱动所述电光调制器对输入的种子源激光信号进行调制。

可选的，所述电光调制器还用于对输入的种子源激光信号进行调制，产生 10Gbps的光通信信号。

可选的，所述控制所述光波导相控阵发射的空间光在空间方向上的偏转包括控制所述空间光在水平方向的偏转以及在垂直方向的偏转。

可选的，所述光束扫描控制器还用于控制光波导相控阵各阵元的移相器使空间光在水平方向上进行扫描。

可选的，所述光束扫描控制器还用于控制所述波长可调谐激光器发射的种子源激光信号输出的激光波长，使其经过光波导相控阵发射后在垂直方向上进行扫描。

可选的，所述系统还包括在所述光学导相控阵的后方空间光路级联一个偏振光栅器件，所述偏振光栅器件用于使接收到的入射光在大角度范围内离散偏转；使经过所述偏振光栅器件后的发射光在垂直方向上形成扫描选择区域。

可选的，所述光束扫描控制器与所述偏振光栅器件电连接，用于调控偏振光栅器件上的入射光的相位与偏振态，使所述入射光在大角度范围内离散偏转。

另一方面，本申请提供了一种空间激光通信基于光学相控阵大范围光束扫描方法，所述方法包括：波长可调谐激光器产生种子源激光信号，通过光纤耦合至电光调制器中；通信编码器驱动电光调制器对输入的种子源激光信号进行调制；将调制后的激光信号通过光纤耦合至光纤放大器对光通信进行功率放大；功率放大后的激光信号通过光纤耦合至光波导相控阵后转为空间光发射；发射后的光束基于光束扫描控制器控制使光束水平和垂直方向进行大范围偏转。

本发明的有益效果是：本发明提供一种空间激光通信基于光学相控阵大范围光束扫描系统，其特征在于，所述系统包括：波长可调谐激光器、电光调制器、光线放大器、光波导相控阵以及光束扫描控制器，其中所述波长可调谐激光器、电光调制器、光线放大器、光波导相控阵依次电连接，所述光束扫描控制器分别与所述光波导相控阵和波长可调谐激光器电连接；其中波长可调谐激光器用于产生种子源激光信号，并将其输入至电光调制器；电光调制器，用于对输入的种子源激光信号进行调制，并将其输入至光纤放大器；光纤放大器，用于对输入的调制后的种子源激光信号进行功率放大，并将其发送至光波导相控阵；光波导相控阵，用于将输入的功率放大后的激光信号转为空间光发射；光束扫描控制器，用于控制所述光波导相控阵发射的空间光在空间方向上的偏转。本发明通过光波导相控阵器件与液晶偏振光栅级联的方式，可以在激光波长小范围调节条件下，实现垂直方向的大范围角度偏转，有效的提高了垂直方向角度调节范围，进一步提升光波导相控阵天线在激光通信系统应用效能，是实现激光通信系统中光束大范围快速扫描的新方法。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

图1是本发明实施例所提供的一种空间激光通信基于光学相控阵大范围光束扫描系统结构图。

图2是本发明实施例所提供的一种空间激光通信基于光学相控阵大范围光束扫描方法流程图。

具体实施方式

在更加详细地讨论示例性实施例之前应当提到的是，一些示例性实施例被描述成作为流程图描绘的处理或方法。虽然流程图将各项操作描述成顺序的处理，但是其中的许多操作可以被并行地、并发地或者同时实施。此外，各项操作的顺序可以被重新安排。当其操作完成时所述处理可以被终止，但是还可以具有未包括在附图中的附加步骤。所述处理可以对应于方法、函数、规程、子例程、子程序等等。

应当理解的是，虽然在这里可能使用了术语“第一”、“第二”等等来描述各个单元，但是这些单元不应当受这些术语限制。使用这些术语仅仅是为了将一个单元与另一个单元进行区分。举例来说，在不背离示例性实施例的范围的情况下，第一单元可以被称为第二单元，并且类似地第二单元可以被称为第一单元。这里所使用的术语“和/或”包括其中一个或更多所列出的相关联项目的任意和所有组合。

现在结合附图对本发明作详细的说明。此图为简化的示意图，仅以示意方式说明本发明的基本结构，因此其仅显示与本发明有关的构成。

实施例1

请参阅图1，本发明实施例所提供的一种空间激光通信基于光学相控阵大范围光束扫描系统，为了便于理解，本发明的整体发明构思是，首先，利用光束扫描控制器控制波长可调谐激光器产生的种子源激光信号的波长来使得最终经过光波导相控阵的光信号的空间光的垂直方向上的连续偏转，再利用光束扫描控制器控制光波导相控阵各阵元的移相器实现经过光波导相控阵的光信号的空间光的水平方向上的连续偏转，然而由于垂直方向上的偏转如果只通过光波导相控阵来控制的话会使得垂直方向偏转的角度范围较小，不利于空间激光通信的大范围指向扫描。因此，在在光学相控阵的后方空间光路级联液晶偏振光栅器件，利用光束扫描控制器改变偏振光栅中液晶的取向,从而调控入射光的相位与偏振态，实现对入射光束的大角度范围离散偏转，将出射光束在垂直方向上形成扫描选择区域。再利用上述基于激光波长调谐的光学相控阵垂直方向角度控制方式在扫描选择区域内进行连续扫描，完成对扫描区域的光束指向填充。

具体实施方式如下：

作为示例，所述系统包括：波长可调谐激光器1、电光调制器2、光线放大器3、光波导相控阵4以及光束扫描控制器5，其中所述波长可调谐激光器1、电光调制器2、光线放大器3、光波导相控阵4依次电连接，所述光束扫描控制器5分别与所述光波导相控阵4和波长可调谐激光器1电连接。

作为示例，波长可调谐激光器1用于产生种子源激光信号，并将其输入至电光调制器2。

可选的，波长可调谐激光器1产生种子源激光信号，通过光纤耦合至电光调制器2中。

作为示例，电光调制器2用于对输入的种子源激光信号进行调制，并将其输入至光纤放大器3。

可选的，电光调制器2还用于将调制后的种子源激光信号通过光纤耦合至光纤放大器中3。

可选的，所述系统还包括通信编码器6，所述通信编码器6与所述电光调制器2电连接，用于驱动所述电光调制器2对输入的种子源激光信号进行调制。具体地，由通信编码器6驱动电光调制器2对输入的种子源激光信号进行调制，产生10Gbps的光通信信号。

作为示例，光纤放大器3，用于对输入的调制后的种子源激光信号进行功率放大，并将其发送至光波导相控阵4。

作为示例，光波导相控阵4，用于将输入的功率放大后的激光信号转为空间光发射。

可选的，功率放大后的通信光信号通过光纤耦合至光波导相控阵4后转为空间光发射。

作为示例，光束扫描控制器5，用于控制所述光波导相控阵发射的空间光在空间方向上的偏转。

可选的，所述控制所述光波导相控阵发射的空间光在空间方向上的偏转包括控制所述空间光在水平方向的偏转以及在垂直方向的偏转。也即发射后的光束可以利用光束扫描控制器5控制相应的器件实现光束水平和垂直方向的偏转。具体地，基于光束扫描控制器5一端与光波导相控阵4之间电连接，利用光束扫描控制器5可以控制光波导相控阵4各阵元的移相器实现±60°范围的光束扫描，进而实现了基于光束扫描控制器5控制空间光束在水平方向上的偏转。基于光束扫描控制器5第二端与波长可调谐激光器1之间电连接，利用光束扫描控制器5可以控制波长可调谐激光器1输出的激光波长，其激光波长调节范围为1530nm至1570nm，这样经过光波导相控阵4发射后的空间光实现±4°的角度连续偏转，进而实现了基于光束扫描控制器5控制空间光束在垂直方向上的偏转。

然而，由于垂直方向上的偏转如果只通过光波导相控阵来控制的话会使得垂直方向偏转的角度范围较小，不利于空间激光通信的大范围指向扫描。因此，在光学相控阵的后方空间光路级联液晶偏振光栅器件7，利用光束扫描控制器5 改变偏振光栅器件7中液晶的取向,从而调控入射光的相位与偏振态，实现对入射光束的大角度范围离散偏转，将出射光束在垂直方向上形成扫描选择区域，如图所示的扫描选择区域1至扫描选择区域4。再利用上述基于激光波长调谐的光学相控阵垂直方向角度控制方式在扫描选择区域内进行连续扫描，完成对扫描区域的光束指向填充，如图中所示的光学相控阵扫描填充区域。这样可以使得经过偏振光栅的出射光垂直扫描范围不仅增大，也使得在大范围的扫描区域内不会出现扫描空缺的区域存在，也即，使经过偏振光栅的出射光是在大范围内连续扫描的。

可选的，所述系统还包括在所述光学导相控阵的后方空间光路级联一个偏振光栅器件7，所述偏振光栅器件7用于使接收到的入射光在大角度范围内离散偏转；使经过所述偏振光栅器件7后的发射光在垂直方向上形成扫描选择区域。

可选的，所述光束扫描控制器5与所述偏振光栅器件7电连接，用于调控偏振光栅器件7上的入射光的相位与偏振态，使所述入射光在大角度范围内离散偏转。具体地，偏振光栅器件7为液晶偏振光栅，型号为透射式液晶偏振光栅16BNS-1550nm，液晶偏振光栅7与机械式偏转器件相比，体积较小，重量轻，功耗低，液晶偏振光栅7的级联数决定了其偏转角度的分段数，在此处可采用四级液晶偏振光栅7级联。需要说明的是，本申请并不限制上述偏振光栅的型号，相关技术人员可以基于实际需求选择不同型号的偏振光栅。

本系统通过在光学相控阵的后方空间光路级联液晶偏振光栅器件，利用光束扫描控制器改变偏振光栅中液晶的取向,从而调控入射光的相位与偏振态，实现对入射光束的大角度范围离散偏转，将出射光束在垂直方向上形成扫描选择区域。再利用上述基于激光波长调谐的光学相控阵垂直方向角度控制方式在扫描选择区域内进行连续扫描，完成对扫描区域的光束指向填充。基于以上原理，扩展了利用激光波长调谐方式对于垂直方向角度的调节范围。

实施例2

请参阅图2，本实施例提供了一种空间激光通信基于光学相控阵大范围光束扫描方法流程图。所述方法包括：

S210：波长可调谐激光器产生种子源激光信号，通过光纤耦合至电光调制器中。

S220：通信编码器驱动电光调制器对输入的种子源激光信号进行调制。

作为示例，由通信编码器驱动电光调制器对输入的种子源激光信号进行调制，产生10Gbps的光通信信号。

S230：将调制后的激光信号通过光纤耦合至光纤放大器对光通信进行功率放大。

S240：功率放大后的激光信号通过光纤耦合至光波导相控阵后转为空间光发射。

S250：发射后的光束基于光束扫描控制器控制使光束水平和垂直方向进行大范围偏转。

作为示例，发射后的光束可以利用光束扫描控制器控制相应的器件实现光束水平和垂直方向的偏转。水平方向的光束偏转利用光束扫描控制器控制光波导相控阵各阵元的移相器实现±60°范围的光束扫描。垂直方向利用光束扫描控制器控制波长可调谐激光器输出的激光波长，激光波长调节范围为1530nm至 1570nm，经过光波导相控阵发射后实现±4°的角度连续偏转。

作为示例，所述方法还包括：在光学相控阵的后方空间光路级联液晶偏振光栅器件，利用光束扫描控制器改变偏振光栅中液晶的取向,从而调控入射光的相位与偏振态，实现对入射光束的大角度范围离散偏转，将出射光束在垂直方向上形成扫描选择区域。再利用上述基于激光波长调谐的光学相控阵垂直方向角度控制方式在扫描选择区域内进行连续扫描，完成对扫描区域的光束指向填充。基于以上原理，扩展了利用激光波长调谐方式对于垂直方向角度的调节范围。

以上所述的仅是本发明的实施例，方案中公知的具体结构及特性等常识在此未作过多描述，所属领域普通技术人员知晓申请日或者优先权日之前发明所属技术领域所有的普通技术知识，能够获知该领域中所有的现有技术，并且具有应用该日期之前常规实验手段的能力，所属领域普通技术人员可以在本申请给出的启示下，结合自身能力完善并实施本方案，一些典型的公知结构或者公知方法不应当成为所属领域普通技术人员实施本申请的障碍。应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明结构的前提下，还可以作出若干变形和改进，这些也应该视为本发明的保护范围，这些都不会影响本发明实施的效果和专利的实用性。本申请要求的保护范围应当以其权利要求的内容为准，说明书中的具体实施方式等记载可以用于解释权利要求的内容。

Claims (10)

1.一种空间激光通信基于光学相控阵大范围光束扫描系统，其特征在于，所述系统包括：波长可调谐激光器、电光调制器、光线放大器、光波导相控阵以及光束扫描控制器，其中所述波长可调谐激光器、电光调制器、光线放大器、光波导相控阵依次电连接，所述光束扫描控制器分别与所述光波导相控阵和波长可调谐激光器电连接；其中

波长可调谐激光器用于产生种子源激光信号，并将其通过光纤输入至电光调制器；

电光调制器，用于对输入的种子源激光信号进行调制，并将其输入至光纤放大器；

光纤放大器，用于对输入的调制后的种子源激光信号进行功率放大，并将其发送至光波导相控阵；

光波导相控阵，用于将输入的功率放大后激光信号转为空间光发射；

光束扫描控制器，用于控制所述光波导相控阵发射的空间光在空间方向上的偏转。

2.根据权利要求1所述的空间激光通信基于光学相控阵大范围光束扫描系统，其特征在于，所述波长可调谐激光器还用于将产生的种子源激光信号通过光纤耦合至电光调制器中；

所述电光调制器还用于将调制后的种子源激光信号通过光纤耦合至光纤放大器中；

所述光纤放大器还用于将功率放大后的激光信号通过光纤耦合至光波导相控阵。

3.根据权利要求1所述的空间激光通信基于光学相控阵大范围光束扫描系统，其特征在于，所述系统还包括通信编码器，所述通信编码器与所述电光调制器电连接，用于驱动所述电光调制器对输入的种子源激光信号进行调制。

4.根据权利要求1所述的空间激光通信基于光学相控阵大范围光束扫描系统，其特征在于，所述电光调制器还用于对输入的种子源激光信号进行调制，产生10Gbps的光通信信号。

5.根据权利要求1所述的空间激光通信基于光学相控阵大范围光束扫描系统，其特征在于，所述控制所述光波导相控阵发射的空间光在空间方向上的偏转包括控制所述空间光在水平方向的偏转以及在垂直方向的偏转。

6.根据权利要求1所述的空间激光通信基于光学相控阵大范围光束扫描系统，其特征在于，所述光束扫描控制器还用于控制光波导相控阵各阵元移相器的相位，使空间光在水平方向上进行扫描。

7.根据权利要求1所述的空间激光通信基于光学相控阵大范围光束扫描系统，其特征在于，所述光束扫描控制器还用于控制所述波长可调谐激光器发射的种子源激光信号输出的激光波长，使其经过光波导相控阵发射后在垂直方向上进行扫描。

8.根据权利要求1所述的空间激光通信基于光学相控阵大范围光束扫描系统，其特征在于，所述系统还包括在所述光学导相控阵的后方空间光路级联一个偏振光栅器件，所述偏振光栅器件用于使接收到的入射光在大角度范围内离散偏转；使经过所述偏振光栅器件后的发射光在垂直方向上形成扫描选择区域。

9.根据权利要求8所述的空间激光通信基于光学相控阵大范围光束扫描系统，其特征在于，所述光束扫描控制器与所述偏振光栅器件电连接，用于调控偏振光栅器件上的入射光的相位与偏振态，使所述入射光在大角度范围内离散偏转。

10.一种空间激光通信基于光学相控阵大范围光束扫描方法，其特征在于，所述方法包括：

波长可调谐激光器产生种子源激光信号，通过光纤耦合至电光调制器中；

通信编码器驱动电光调制器对输入的种子源激光信号进行调制；

将调制后的激光信号通过光纤耦合至光纤放大器对光通信进行功率放大；

功率放大后的激光信号通过光纤耦合至光波导相控阵后转为空间光发射；

发射后的光束基于光束扫描控制器控制使光束水平和垂直方向进行大范围偏转，垂直方向大角度偏转采用光学相控阵波长调谐与液晶偏振光栅级联的方法。

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