CN116366163A - 基于信号信标一体化集成芯片的空间激光通信收发系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于信号信标一体化集成芯片的空间激光通信收发系统，包括发射子系统与接收子系统；所述发射子系统集成芯片与发射天线；所述集成芯片包括InP基底、生成在InP基底上的第一信号光激光器、第二信号光激光器、信标光激光器、合波器和EA调制器，以及集成在InP基底底部的TEC温控电路；所述接收子系统包括接收天线、分光片、窄带滤光片、聚焦透镜、光电探测器、接收终端、反射镜、CCD相机、数控板和步进电机。本发明很大程度上压缩了发射子系统的体积及功耗，可以有效降低空间激光通信系统终端的负载压力；此外，第二信号光激光器作为备份信号光激光器的使用也可以很大程度上提升通信系统的可靠性。
Description
技术领域
本发明属于空间激光通信技术领域，具体涉及一种基于信号信标一体化集成芯片的空间激光通信收发系统。
背景技术
空间激光通信是利用激光作为载波在大气或者宇宙间进行通信的通信方式。相较于传统的微波通信，空间激光通信拥有更大的信息容量和更快的传输速率，可以满足信息时代日益增长的数据传输需求。此外，空间激光通信技术可以实现更长距离的通信，拥有着更广的通信覆盖面和更强的抗干扰能力，因此近些年空间激光通信技术成为了各国研究的重点，成为越来越重要的一种通信手段。空间激光通信系统包括通信子系统、光学系统、控制系统与光束捕获对准追踪(Acquisition,PointingandTracking,APT)系统，其中最重要的是通信子系统与APT系统。目前空间激光通信系统主要采用通信子系统与APT系统分离独立工作的方式。APT系统中，由于通信系统的信号光发散角很小，如果用信号光束进行捕获对准追踪将会是一个很困难的过程，因此一般使用信标光完成通信终端的捕获对准追踪。发射终端发送信标光对不确定角子区进行扫描，信标光进入接收终端电荷耦合器件(ChargeCoupledDevice,CCD)相机视场范围内时，接收终端探测到信标光后进行视轴调整使激光光斑到达CCD相机中心实现对准。在这个过程中，由于光速有限以及两个终端之间存在横向运动，激光光束需要按“提前瞄准角度”角度进行补偿，实现对准之后这个通信链路在整个通信过程中需要一直保持。通信链路建立完成后进行信息传输，发射终端对信号进行激光调制后发送信号光，接收终端利用光电探测器对信号光进行接收，再通过解调实现信息的获取。
通信子系统与APT系统的分离使得信标光与信号光独立进行发送，各自都需要相应的发射系统，最终导致空间激光通信系统终端结构较为复杂且体积庞大，增加了卫星的荷载压力，而且设计制造成本过于昂贵，难以做商业化普及。如何对终端进行小型化设计，压缩系统成本以应用于更多领域成为了亟待解决的问题。目前采用最多的办法是对发射终端和接收终端分别进行小型化封装，考虑极限情况不断对体积进行压缩，但是由于通信子系统和APT系统分立开来，这种方式取得的效果越来越不明显，逐渐达到瓶颈，不能满足对通信终端体积和成本的更高要求。也有采用利用波分复用器进行空间合波的方法，但是由于光学器件分立开来，对终端体积与功耗的降低幅度有限，且空间合波的方式受器件稳定性影响较大，因此并不能很好的满足空间激光通信对终端体积功耗以及成本越来越高的要求。
专利号为CN115355851A的发明中公开了一种采用波分复用器的激光收发同轴度测量装置及方法。该发明利用波分复用器将信标光发射与信号光接收合为一体，组成一个能够同时发射信标和接收信号光的模块，将该模块放置于平行光管焦面处与平行光管共同组成检测系统；被测系统具备跟踪功能，利用平行光管产生平行信标光，被测系统跟踪信标光后发射信号光，信号光经过平行光管会聚后被光纤接收。通过改变跟踪点来完成信号光的扫描，根据扫描的功率或单光子计数来寻找光斑中心位置，通过计算得到主动光电系统收发同轴度。该发明测试方法简单，装置搭建方便，通过被测系统的跟踪功能来实现激光收发同轴度的测量。但该发明涉及光学器件，难以实现芯片集成，对终端体积与功耗的降低幅度有限。
专利号为CN114422034A的发明中公开了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％。同样，该发明涉及光学器件，难以实现芯片集成，对终端体积与功耗的降低幅度有限。
CN114374439A的发明中公开了一种多波段信标光探测设备。该探测设备包括信号光通道、设置于信号光通道内的精瞄镜、第一分光片和第二分光片，以及第一探测装置、第二探测装置和通信组件；通过第一探测装置实现宽波束信号光的捕获与跟踪，外部发射信标光束经过精瞄镜、第一分光片反射，第一滤光片滤光后，经过第一透镜组聚焦至第一探测器上成像；通过第二探测装置实现窄波束信号光的捕获与跟踪，外部信号光束经过精瞄镜反射、第一分光片透射、第二分光片透射后，经过第三透镜组聚焦至第二探测器上成像；实现多波段信号光的捕获与跟踪。进行窄波束信号光捕获与跟踪时，关闭发射端的宽波束信号光通路以及探测接收端通路，有效降低功耗。该发明主要用于实现多波段信标光的探测，不涉及终端体积的降低问题，对功耗的降低幅度也非常有限。
发明内容
解决的技术问题：本发明提出了一种基于信号信标一体化集成芯片的空间激光通信收发系统，能够满足空间激光通信对终端体积功耗以及成本越来越高的要求。
技术方案：
一种基于信号信标一体化集成芯片的空间激光通信收发系统，所述空间激光通信收发系统包括发射子系统与接收子系统；
所述发射子系统集成芯片与发射天线；所述集成芯片包括InP基底、生成在InP基底上的第一信号光激光器、第二信号光激光器、信标光激光器、合波器和EA调制器，以及集成在InP基底底部的TEC温控电路；
所述第一信号光激光器的输出端和第二信号光激光器的输出端分别通过集成光波导连接至第一合波器的两个输入端进行合波处理，所述第一合波器的输出端通过集成光波导连接至EA调制器的输入端，所述EA调制器通过改变电场调整对光信号的吸收率，以对第一信号光激光器和第二信号光激光器的合波进行调制，再将信号调制光通过集成光波导连接至第二合波器的其中一个输入端，所述第一信标光激光器通过集成光波导连接至第二合波器的另一个输入端，所述第二合波器对信号调制光和信标光进行合波处理后，将最终的合波光信号通过发射天线发送至接收子系统；
所述接收子系统包括接收天线、分光片、窄带滤光片、聚焦透镜、光电探测器、接收终端、反射镜、CCD相机、数控板和步进电机；
所述接收天线输出端连接至分光片的输入端，所述分光片对接收到的合波光信号进行分光处理，将其分成信号调制光和信标光两路光束；所述分光片的用于输出信号调制光的输出端连接至聚焦透镜的输入端，所述聚焦透镜输出端连接至第一窄带滤波片输入端，所述第一窄带滤波片输出端连接至光电探测器的输入端，所述光电探测器的输出端连接至接收终端构成信号光接收系统；所述分光片的用于输出信标光的输出端连接至反射镜输入端，所述反射镜输出端连接至第二窄带滤波片输入端，所述第二窄带滤波片输出端连接至CCD相机输入端，所述CCD相机输出端连接至数控板输入端，所述数控板输出端连接至步进电机输入端构成信标光接收系统；
其中，当信标光进入CCD相机视场内时，信标光经分光片、反射镜传递给第二窄带滤光片，滤除自由空间中的自发辐射噪声后由CCD相机接收到信标光，CCD相机对接收到的激光光斑进行处理，将光斑的位置信息以电信号的形式通过射频线传递给数控板，数控板根据得到的光斑位置信息得出实现光斑对准所需要给步进电机的脉冲数，步进电机带动接收终端转动，以实现接收终端的对准；对准过程完成后，信号调制光经分光片、聚焦透镜传递至第一窄带滤光片滤除自由空间中的自发辐射噪声，再经光电传感器传递给接收终端进行信息的解调，得到所需的信息。
进一步地，所述第一信号光激光器与第二信号光激光器均为半导体DFB激光器，输出波长为1550nm；所述信标光激光器为半导体DFB激光器，输出波长为850nm。
进一步地，所用分光片对850nm激光光束全反射，对1550nm激光光束全透射。
进一步地，所述第二信号光激光器作为备用信号光激光器，仅在第一信号光激光器无法正常工作时开启，第一信号光激光器和第二信号光激光器通过第一合波器进行连接，为信号提供激光载波。
进一步地，所述分光片与聚焦透镜之间、聚焦透镜与第一窄带滤波片之间、第一窄带滤波片与光电探测器之间、分光片与反射镜之间、反射镜与第二窄带滤波片之间、第二窄带滤波片与CCD相机之间均以空气作为传输介质。
进一步地，所述光电探测器与接收终端之间、CCD相机与数控板之间、数控板与步进电机之间均以射频线连接。
进一步地，所述步进电机分为X轴步进电机与Y轴步进电机，两者共同组成跟踪转台；所述步进电机为五相步进电机，步距角大于等于0.36°。
进一步地，所述发射子系统和接收子系统均为单端结构。
进一步地，所述TEC电路包括三个热敏电阻，三个热敏电阻分别与第一信号光激光器、第二信号光激光器、信标光激光器连接，通过调整自身阻值对第一信号光激光器、第二信号光激光器、信标光激光器的温度进行调节。
有益效果：
第一，本发明的基于信号信标一体化集成芯片的空间激光通信收发系统，对发射子系统进行了芯片集成，集成了信号光信标光以及调制器，以在芯片上合波替代了在空间合波，通过芯片电路一体控制多个集成件，实现信息更稳定发送传输，克服了现有空间激光通信收发系统结构复杂，成本较高的问题。集成芯片只有几平方厘米大小，相较于传统的小型化封装以及空间合波的方式，很大程度上压缩了发射子系统的体积及功耗，可以有效降低空间激光通信系统终端的负载压力。
第二，本发明的基于信号信标一体化集成芯片的空间激光通信收发系统，采用的芯片集成方式可以大大减小收发终端的体积与功耗，减小系统的负载压力。
第三，本发明的基于信号信标一体化集成芯片的空间激光通信收发系统，在集成芯片中集成了两个信号光激光器，在信号光激光器受损无法正常使用的情况下，可以启动备用信号光激光器进行信息正常传输，可以提高空间激光通信系统的可靠性。
第四，本发明的基于信号信标一体化集成芯片的空间激光通信收发系统，在InP基底底部加入了TEC温控电路，可以保持激光器处于工作温度状态，可以提高空间激光通信系统的抗干扰能力。
附图说明
图1为本发明实施例的基于信号信标一体化集成芯片的空间激光通信收发系统结构示意图；
图2为InP基底与TEC温控电路结构图；
图3为本发明实施例在全双工空间通信系统中的信息传输示意图。
具体实施方式
下面的实施例可使本专业技术人员更全面地理解本发明，但不以任何方式限制本发明。
本实施例提供一种基于信号信标一体化集成芯片的空间激光通信收发系统，如图1所示，包括发射子系统和接收子系统。
所述发射子系统包括集成芯片与发射天线1-9。
所述集成芯片包括第一信号光激光器1-1、第二信号光激光器1-2、信标光激光器1-3、TEC温控电路1-4、InP基底1-5、第一合波器1-6、EA调制器1-7、第二合波器1-8。
所述第一信号光激光器1-1，第二信号光激光器1-2输出端分别通过集成光波导连接至第一合波器1-6两个输入端，所述第一合波器1-6输出端通过集成光波导连接至EA调制器1-7输入端，所述EA调制器1-7输出端通过集成光波导连接至第二合波器1-8其中一个输入端，所述第一信标光激光器1-3通过集成光波导连接至第二合波器1-8另一个输入端，所述第二合波器1-8输出端连接至发射天线1-9，所述以上器件均集成在InP基底1-5上同InP基底1-5底部TEC温控电路1-4一同构成集成芯片。
所述接收子系统包括接收天线2-1、分光片2-2、聚焦透镜2-3、第一窄带滤光片2-4、光电传感器(PD)2-5、接收终端2-6、反射镜2-7、第二窄带滤光片2-8、CCD相机2-9、数控板2-10、步进电机2-11。
所述接收天线2-1输出端连接至分光片2-2输入端，所述分光片2-2其中一个输出端连接至聚焦透镜2-3输入端，所述聚焦透镜2-3输出端连接至第一窄带滤波片输入端，所述第一窄带滤波片输出端连接至PD2-5输入端，所述PD2-5输出端连接至接收终端2-6构成信号光接收系统，所述分光片2-2另一个输出端连接至反射镜2-7输入端，所述反射镜2-7输出端连接至第二窄带滤波片输入端，所述第二窄带滤波片输出端连接至CCD相机2-9输入端，所述CCD相机2-9输出端连接至数控板2-10输入端，所述数控板2-10输出端连接至步进电机2-11输入端构成信标光接收系统。
工作过程中，首先仅打开信标光激光器1-3，激光光束经过第二合波器1-8，由发射天线1-9发射出信标光，对不确定角的各个子区进行扫描。当信标光进入接收子系统CCD相机2-9视场内时，接收子系统通过接收天线2-1接收到信标光，信标光经分光片2-2全反射，再经由反射镜2-7传递给第二窄带滤光片2-8，滤除自由空间中的自发辐射噪声后由CCD相机2-9接收到信标光，CCD相机2-9对接收到的激光光斑进行处理后，将光斑的位置信息以电信号的形式通过射频线传递给数控板2-10，数控板2-10根据得到的光斑位置信息得出实现光斑对准所需要给步进电机2-11的脉冲数，然后将所需的脉冲数输入给X轴步进电机2-11和Y轴步进电机2-11，步进电机2-11带动终端X轴和Y轴的转动，最终实现终端的对准。
对准过程完成后，开启通信子系统进行信息传输。具体方式为打开第一信号光激光器1-1，激光光束经第一合波器1-6传输到EA调制器1-7，在EA调制器1-7上实现信号的加载调制，信号通过EA调制器1-7的射频口加载进激光载波，然后信号光经过第二合波器1-8由发射天线1-9发射，集成芯片底部的TEC温控电路1-4可以对信号光激光器的温度进行调节，使其一直处于正常工作状态。接收子系统通过接收天线2-1接收到信号光，经分光片2-2全透射，再经聚焦透镜2-3进行聚焦，然后通过第一窄带滤光片2-4滤除自由空间中的自发辐射噪声，由PD2-5接收后传递给接收终端2-6进行信息的解调，最终得到所需的信息。
在本实施例中，第一信号光激光器1-1，第二信号光激光器1-2以及信标光激光器1-3可以通过重构等效啁啾(Reconstruction-Equivalent-Chirp,REC)技术实现精确波长输出，通过设计均匀光栅的取样模板，仅需全息曝光与微米级的光刻技术即可灵活地实现复杂的结构，从而精准的输出1550nm与850nm波长的激光光束，理论上波长精度可以比传统电子书刻写高出两个数量级。
在本实施例中，EA调制器1-7相当于一个门，由电压控制门开的大小，可以通过改变电场的大小来调整对光信号的吸收率，从而做到对信息进行调制。EA调制器1-7与信号光激光器组成电吸收调制(Electlro-absorptionModulatedLaser,EML)激光器，具有低频率啁啾，大调制带宽的特点。可以通过介质膜区域选择性外延、对接生长、选择区域刻蚀等集成工艺方案来实现信号光激光器与EA调制器1-7的波长匹配，来保证在零调制偏压状态下激光器的输出光无损通过调制器，从而进行更高速率和更远距离的数据传输。
本实施例中，InP载体与TEC温控电路1-4的结构如图2所示，TEC电路中包含热敏电阻，与激光器驱动电路相连，通过热敏电阻的阻值大小对激光器温度进行调节，使其一直处于正常工作温度，信息由信号源从EA调制器1-7信号源射频接口输入。
以上介绍均为空间激光通信系统中单端收发系统的工作流程，实际的空间激光通信应该是全双工的信息传输，此时系统的结构如图3所示，A端与B端分别代表两个终端，两个终端的收发系统结构对称，一个终端发送信号光或者信标光时，在另一个终端实现信号光或信标光的接收，从而实现两个终端之间全双工的信息传输。
综上可知，当空间激光通信收发系统按照上述方案设计时，可以有效地减小发射系统的体积与功耗，降低终端的设计制造成本，同时备份信号光激光器的设计也可以在信号光激光器受损无法正常工作的情况下保证信息的正常传输，有效地提升空间激光通信系统的鲁棒性。
以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，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前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。
Claims (9)
1.一种基于信号信标一体化集成芯片的空间激光通信收发系统，其特征在于，所述空间激光通信收发系统包括发射子系统与接收子系统；
所述发射子系统集成芯片与发射天线；所述集成芯片包括InP基底、生成在InP基底上的第一信号光激光器、第二信号光激光器、信标光激光器、合波器和EA调制器，以及集成在InP基底底部的TEC温控电路；
所述第一信号光激光器的输出端和第二信号光激光器的输出端分别通过集成光波导连接至第一合波器的两个输入端进行合波处理，所述第一合波器的输出端通过集成光波导连接至EA调制器的输入端，所述EA调制器通过改变电场调整对光信号的吸收率，以对第一信号光激光器和第二信号光激光器的合波进行调制，再将信号调制光通过集成光波导连接至第二合波器的其中一个输入端，所述第一信标光激光器通过集成光波导连接至第二合波器的另一个输入端，所述第二合波器对信号调制光和信标光进行合波处理后，将最终的合波光信号通过发射天线发送至接收子系统；
所述接收子系统包括接收天线、分光片、窄带滤光片、聚焦透镜、光电探测器、接收终端、反射镜、CCD相机、数控板和步进电机；
所述接收天线输出端连接至分光片的输入端，所述分光片对接收到的合波光信号进行分光处理，将其分成信号调制光和信标光两路光束；所述分光片的用于输出信号调制光的输出端连接至聚焦透镜的输入端，所述聚焦透镜输出端连接至第一窄带滤波片输入端，所述第一窄带滤波片输出端连接至光电探测器的输入端，所述光电探测器的输出端连接至接收终端构成信号光接收系统；所述分光片的用于输出信标光的输出端连接至反射镜输入端，所述反射镜输出端连接至第二窄带滤波片输入端，所述第二窄带滤波片输出端连接至CCD相机输入端，所述CCD相机输出端连接至数控板输入端，所述数控板输出端连接至步进电机输入端构成信标光接收系统；
其中，当信标光进入CCD相机视场内时，信标光经分光片、反射镜传递给第二窄带滤光片，滤除自由空间中的自发辐射噪声后由CCD相机接收到信标光，CCD相机对接收到的激光光斑进行处理，将光斑的位置信息以电信号的形式通过射频线传递给数控板，数控板根据得到的光斑位置信息得出实现光斑对准所需要给步进电机的脉冲数，步进电机带动接收终端转动，以实现接收终端的对准；对准过程完成后，信号调制光经分光片、聚焦透镜传递至第一窄带滤光片滤除自由空间中的自发辐射噪声，再经光电传感器传递给接收终端进行信息的解调，得到所需的信息。
2.根据权利要求1所述的基于信号信标一体化集成芯片的空间激光通信收发系统，其特征在于，所述第一信号光激光器与第二信号光激光器均为半导体DFB激光器，输出波长为1550nm；所述信标光激光器为半导体DFB激光器，输出波长为850nm。
3.根据权利要求2所述的基于信号信标一体化集成芯片的空间激光通信收发系统，其特征在于，所用分光片对850nm激光光束全反射，对1550nm激光光束全透射。
4.根据权利要求1所述的基于信号信标一体化集成芯片的空间激光通信收发系统，其特征在于，所述第二信号光激光器作为备用信号光激光器，仅在第一信号光激光器无法正常工作时开启，第一信号光激光器和第二信号光激光器通过第一合波器进行连接，为信号提供激光载波。
5.根据权利要求1所述的基于信号信标一体化集成芯片的空间激光通信收发系统，其特征在于，所述分光片与聚焦透镜之间、聚焦透镜与第一窄带滤波片之间、第一窄带滤波片与光电探测器之间、分光片与反射镜之间、反射镜与第二窄带滤波片之间、第二窄带滤波片与CCD相机之间均以空气作为传输介质。
6.根据权利要求1所述的基于信号信标一体化集成芯片的空间激光通信收发系统，其特征在于，所述光电探测器与接收终端之间、CCD相机与数控板之间、数控板与步进电机之间均以射频线连接。
7.根据权利要求1所述的基于信号信标一体化集成芯片的空间激光通信收发系统，其特征在于，所述步进电机分为X轴步进电机与Y轴步进电机，两者共同组成跟踪转台；所述步进电机为五相步进电机，步距角大于等于0.36°。
8.根据权利要求1所述的基于信号信标一体化集成芯片的空间激光通信收发系统，其特征在于，所述发射子系统和接收子系统均为单端结构。
9.根据权利要求1所述的基于信号信标一体化集成芯片的空间激光通信收发系统，其特征在于，所述TEC电路包括三个热敏电阻，三个热敏电阻分别与第一信号光激光器、第二信号光激光器、信标光激光器连接，通过调整自身阻值对第一信号光激光器、第二信号光激光器、信标光激光器的温度进行调节。
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2023
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Cited By (2)
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| CN117411548A (zh) * | 2023-10-23 | 2024-01-16 | 中国科学院上海光学精密机械研究所 | 一种用于激光通信终端的空间信标组件 |
| CN117411548B (zh) * | 2023-10-23 | 2024-07-16 | 中国科学院上海光学精密机械研究所 | 一种用于激光通信终端的空间信标组件 |
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