CN210780813U - 一种高隔离度收发同偏振态的同频空间激光通信光路 - Google Patents

Abstract

本实用新型提出了一种高隔离度收发同偏振态的同频空间激光通信光路。该空间激光通信光路由λ/4波片、偏振分光片、能量分光片、信号通信接收通道、信号跟踪捕获通道、信号光发射通道、磁致旋光器、光陷阱等组件组成。本实用新型的实用新型光路通过磁致旋光器与波片等组件的配合实现收发光束偏振态相同，并使一次后向散射/反射的杂散光偏振态与接收光偏振态不同从而能够使用偏振分光技术减小杂散光能量；通过使用光陷阱抑制打向机械壁的发射杂散光。

Description

一种高隔离度收发同偏振态的同频空间激光通信光路

技术领域

本实用新型涉及空间激光通信领域，具体涉及一种高隔离度收发同偏振态的同频空间激光通信光路。

背景技术

空间激光通信(星间、星地或地基之间激光通信链路)是一种远距离弱能量探测系统，通信接收到的信号光强度非常微弱，而发射光束的能量很强，两者功率相差可达90dB以上。因此发射和接收之间必须进行高度隔离，否则发射光经过光学元件的后向反射或者散射后会到达通信或捕获接收器上，对信号产生严重影响，甚至会直接湮没接收信号，导致系统不能正常工作。发射和接收之间影响通常用隔离度来衡量，隔离度是指干扰发射机到被干扰接收机的能量总损耗。

目前能够解决收发隔离问题的方案主要有两种，分别是波长分光方案和偏振分光方案。

波长分光方案是通过收发光束波长的不同，通过干涉分光片将收发两束光隔离。目前空间激光通信系统多采用该方法，例如《自由空间光通信APT系统信标探测技术》和《多点同时空间激光通信系统高效偏振分光技术研究》两份公开文献都有相关技术的记载。

但波长分光的方案具有很大的局限性，主要体现在：

1、器件和激光器的波长特性是难以改变的，使通信终端只能与与其对应的终端通信，大大限制了通信链路间的灵活性；

2、某些调制解调技术要求在特定频段进行通信，而该频段的波长间隔很窄，难以使用波长分光，例如BPSK调制解调技术一般工作在1550nm频段(1530nm～1570nm)，其频段宽仅为40nm，很难使用波长分光进行隔离。

另一种是偏振分光方案，发射和接收光束偏振态正交，可利用偏振分光镜完成收发光束分离。基于以上原因，偏振分光是解决收发隔离问题的唯一方案，但是目前偏振分光方案难以实现较高的收发隔离度(一般低于60dB)，如中国专利，申请号为：201710443937.X，专利名称为《一种将空间激光通信信号光收发同频率的光束进行高精度分离的方法》提出的隔离方案仅能达到60dB，但在远距离通信时收发能量相差可达100dB以上，杂光能量比信号能量高40dB，无法满足远距离通信需求。

目前收发同频激光通信光路几乎都采用与该专利相似的光路，在该光路中有两种主要杂散光难以去除。如图1所示，该光路包括前置光学系统的后向反射面101，λ/4波片102，偏振分光片103，能量分光片104，信号通信接收支路105，信号跟踪捕获支路106，为信号光发射支路107以及激光通信终端结构框体108。

如图1、图2所示为采用偏振分光的空间激光通信收发光路的两种主要杂光路径，图1为经过λ/4波片102后的前置光学系统一次后向散射/反射杂光路径，一次散射/反射杂散光偏振态与接收光相同，导致偏振隔离不起效果；图2为发射光经过偏振分光片103后打在激光通信终端结构框体108的机械壁上产生的后向散射路径，这两种路径使收发隔离度大幅降低。

另外，目前的收发同频激光通信光路在组网通信时还存在需在轨切换工作模式的问题。卫星同频激光通信终端是点对点的通信，一台终端需要与多个终端进行组网通信。目前的收发同频激光通信光路其收发光束偏振态不同，一般会设置两种工作模式，模式A：发射左旋圆偏振，接收右旋圆偏振光，模式B：发射右旋圆偏振光，接收左旋圆偏振光。如图3所示，假设空间激光通信终端1、2、3、4四个终端进行组网，终端1和终端2工作在模式A，终端3和终端4工作在模式B。此时，终端1可以和终端3、终端4组网通信，但终端1与终端2、终端3与终端4之间无法组网通信。当终端3需要与终端4 通信时，则需要切换工作模式，在轨转动1/4波片实现收发光束偏振态的互换，这种组网通信的方法增加了在轨工作的风险和资源的消耗。

实用新型内容

为了解决现有空间激光通信光路收发隔离度不高，同时受到杂散光影响较大的问题，本实用新型提出了一种高隔离度收发同偏振态的同频空间激光通信光路。

本实用新型的基本设计原理：

本实用新型的空间激光通信光路通过光陷阱用于吸收打向机械壁的主要杂散光，减少机械壁的散射；磁致旋光器用于改变一次后向散射/反射杂散光的偏振态，使一次后向散射/反射的杂散光偏振态由原来光路的P光转为S光，使一次后向散射/反射的杂散光偏振态与接收光偏振态不同，从而增加了偏振隔离效果。

本实用新型的具体技术方案是：

本实用新型提出了一种高隔离度收发同偏振态的同频空间激光通信光路包括激光通信终端结构框体、前置光学系统的后向反射面、λ/4波片、偏振分光片、能量分光片、信号通信接收通道，信号跟踪捕获通道、以及信号光发射支路；其改进之处在于：

还包括磁致旋光器以及光陷阱；

所述磁致旋光器设置在λ/4波片与所述偏振分光片之间；λ/4波片为0°λ/4波片或90°λ/4波片；磁致旋光器能够使线偏振光的偏振角度发生偏转，偏转角度β为45°；

光陷阱安装在激光通信终端结构框体上，且正对所述偏振分光片的透射光路设置。

进一步地，磁致旋光器由磁场产生装置和磁光介质组成，偏转角度β的具体技术公式为：

β＝VBL＝45°

其中，V是磁光介质材料的维尔德常数，B为磁通量，L是磁光介质的长度。

进一步地，上述光陷阱包括反射体，反射体上开设有一个截面为锥形的反射腔；反射体对入射光每次反射的吸收率ε＞95％；

反射腔的锥度为2α；其中，8°＜α≤16.36°；

反射体的杂光抑制比为：

n_max为反射腔对光的最大反射次数。

进一步地，上述反射腔有两种形式：

一是：反射腔为一个圆锥形腔室。

二是：反射腔为由两个相交的，且倾斜角相同的斜面构成，斜面的倾斜角为α，该种形式中反射体为两个楔形件拼接而成。

进一步地，上述反射腔对光的最大反射次数n_max的具体计算公式为：n_max＝roundup(90/α-0.5)，式中roundup()为向上取整函数。

进一步地，上述光陷阱的构成形式有两种：

1、反射体采用金属铝材料制作，反射体的反射腔表面抛光成镜面，其粗糙度均方根值小于3nm；反射腔表面镀设有吸收膜层，吸收膜层为铬加介质增透膜。

2、反射体采用有色吸收玻璃制作，有色吸收玻璃在工作波长的每毫米内部透过率小于0.01％；反射体的反射腔表面抛光成镜面，其粗糙度均方根值小于3nm；反射腔表面镀设有增透膜。

进一步地，上述偏振分光片由平板玻璃镀偏振分光膜实现，其消光比大于800∶1；能量分光片由平板玻璃镀能量分光膜实现，其分光比由镀膜决定。

进一步地，上述信号通信接收通道由接收镜头和接收光纤组件构成；所述信号跟踪捕获通道由接收镜头和捕获探测器构成，捕获探测器为CMOS或CCD或四象限光电器件；信号光发射支路由准直镜头和发射激光器组件构成，其发出偏振态为S的线偏振信号光。

进一步地，上述激光通信终端结构框体采用钛合金或铝基碳化硅材料加工，其表面做黑色阳极化处理，黑色阳极化表面在1550nm近红外通信波段的吸收率不低于80％。

本实用新型的有益效果是：

1、本实用新型所提供的空间激光通信光路，通过设置磁致旋光器和以及改变λ/4波片的偏振角度，并将两个偏振元器件的巧妙的配合，使得一次后向杂散光为S光，与接收光(P光)的偏振态不同，增加了偏振隔离效果。

2、本实用新型所提供的空间激光通信光路，通过光陷阱大幅抑制了信号光发射支路的出射光经偏振分光片透射后在机械壁上造成的光散射，避免了杂散光的干扰。

3、采用本实用新型空间激光通信光路的任意两台激光通信终端可以直接通信，与现有光路比较接收偏振态和发射偏振态不同，本实用新型接收偏振态和发射偏振态相同(同时为左旋圆偏振光或右旋圆偏振光)，任意两台使用该光路的激光通信终端可直接通信，不需要切换偏振态，更容易实现组网通信。

附图说明

图1为一次后向散射杂光进入现有收发同频空间激光通信光路时的示意图。

图2为现有收发同频空间激光通信光路的发射光经过偏振分光片后打在机械壁上产生的后向散射杂光的示意图；

图3为现有收发同频空间激光通信光路组网通信示意图。

附图标记如下：

101-前置光学系统的后向反射面、102-λ/4波片、103-偏振分光片、104-能量分光片、105-信号通信接收支路、106-信号跟踪捕获支路、 107-信号光发射支路、108-为激光通信终端结构框体；

图4为本实用新型的光路图；

图5为本实用新型中反射腔为圆锥形腔室时光陷阱的结构示意图；

图6为本实用新型中反射腔为两个斜面时光陷阱的结构的示意图；

图7为本实用新型吸收膜的吸收率曲线；

图8为本实用新型抑制一次后向散射杂光的原理图；

图9为光陷阱的杂光抑制原理图。

图10为本实用新型光路组网通信示意图。

附图标记如下：

201-前置光学系统的后向反射面，202-λ/4波片，203-偏振分光片，204-能量分光片，205-信号通信接收通道，206-信号跟踪捕获通道， 207-信号光发射支路，208-激光通信终端结构框体，209-磁致旋光器， 210-光陷阱；

301-反射体、302-圆锥形腔室、303-斜面、304-楔形件。

具体实施方式

为使本实用新型的目的、优点和特征更加清楚，以下结合附图和具体实施例对本实用新型提出的一种高隔离度收发同偏振态的同频空间激光通信光路作进一步详细说明。根据下面说明和权利要求书，本实用新型的优点和特征将更清楚。需要说明的是：附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本实用新型实施例的目的；其次，附图所展示的结构往往是实际结构的一部分。

如图4所示，本实用新型的光路包括激光通信终端结构框体208，设置在激光通信终端结构框体208内部的前置光学系统的后向反射面201，λ/4波片202，偏振分光片203，能量分光片204，信号通信接收通道205，信号跟踪捕获通道206，信号光发射支路207，磁致旋光器209以及光陷阱210；

下面分别对该光路中每个光学器件进行介绍：

前置光学系统的后向反射面201包含多个面，例如望远目镜由四个透镜组成，则其包含8个反射面。前置光学系统的后向反射面201 的反射矩阵可表示为：

λ/4波片202为0°λ/4波片或90°λ/4波片，即就是要求该λ/4 波片的快轴方向平行于或垂直于纸面(具体来说就是：0°λ/4波片对应快轴方向平行于纸面，90°λ/4波片对应快轴方向垂直于纸面)；快轴方向垂直于纸面时，其琼斯传输矩阵可以表示为：

偏振分光片203由平板玻璃镀偏振分光膜实现，其消光比可达为 800∶1以上，偏振分光片203的理想反射和透射矩阵分别为：

能量分光片204由平板玻璃镀能量分光膜实现，其分光比由镀膜决定，在实际应用中其分光比决定了信号跟踪捕获与信号通信接收的能量比例。

信号通信接收通道205，由接收镜头和接收光纤组件构成，该通道接收对向激光通信终端的光束并耦合进入光纤中，光纤将光信号传入解调机解调信号。

信号跟踪捕获通道206，由接收镜头和捕获探测器构成，捕获探测器可以是CMOS、CCD或四象限光电器件等用来探测光斑位置信息的探测器。该通道接收对向激光通信终端的光束并成像在捕获探测器上，捕获探测器获取光斑的位置信息传入激光通信终端捕获跟踪处理系统。

信号光发射支路207由准直镜头和发射激光器组件构成，其发出偏振态为S的线偏振信号光，信号光的传输矩阵为：

激光通信终端结构框体208为钛合金、铝基碳化硅等材料加工的结构框体，其表面做黑色阳极化处理，但黑色阳极化表面在1550nm 等近红外通信波段的吸收率不高，一般低于80％。

磁致旋光器209由磁场产生装置和磁光介质组成。磁致旋光器能够使线偏振光的偏振角度发生偏转，偏转角度β为45°：

β＝VBL＝45°

其中V是磁光介质材料的维尔德常数，B为磁通量，L是磁光介质的长度。通过三个参量的配合保证偏转角度为45°。磁致旋光器的物理性质使其从左至右和从右至左对光的旋向变化是相反的，因此其传输矩阵不同，分别为：

如图5和图6所示，光陷阱201包括反射体301，反射体上开设有一个有一个截面为锥形的反射腔302；反射腔302的锥度为2α。其中，8°＜α≤16.36°；反射体301对入射光每次反射的吸收率ε＞95％；反射腔302有两种形式：1、反射腔302为一个整体的圆锥形腔室；2、反射腔302为由两个相交的，且倾斜角相同的斜面303构成，斜面 303的倾斜角为α。形式1更符合光学器件的要求，形式2更便于加工制作。

光陷阱在每次光线入射的时候会吸收部分光能量，经过多次反射，光能量在光陷阱的反射腔302内被多次吸收，最终出射的光能量远小于入射的光能量。(图中反射体301为两个楔形件304构成，通过两个楔形件304拼接而构成一个反射腔302，参见图6，也可以采用在一个反射体301上直接加工出一个反射腔302，参见图5。

反射体有两种实现方案：

第一种，反射体301采用金属铝材料，反射腔302表面抛光成镜面(粗糙度均方根值应小于3nm)，反射腔302表面镀针对激光器波长的吸收膜层(图中未示出)，吸收膜层在工作波长的吸收率大于90％。当激光入射在反射腔表面时部分激光能量被吸收膜层吸收，该类吸收膜层在单波长的吸收率ε可达95％以上。例如采用抛光铝材料加工反射体，反射腔内表面镀铬加介质增透膜的吸收膜层，其吸收率如图7 所示。

第二种，反射体301采用有色吸收玻璃，有色吸收玻璃在工作波长的每毫米内部透过率小于0.01％。反射腔302表面抛光成镜面(粗糙度均方根值应小于3nm)；反射腔302表面镀针对工作波长的介质增透膜，增透膜的作用是减小在反射面表面的反射，使更多的光进入有色吸收玻璃中，从而被有色吸收玻璃吸收，增透膜在工作波长的透过率应大于99.5％。例如针对1550nm波段的激光，反射体采用肖特 KG5有色吸收玻璃材料，KG5有色吸收玻璃反射体表面镀增透膜，在1550nm波段内反射体表面的反射率小于0.5％，其余的99.5％的能量进入KG5玻璃中，1550nm激光在KG5玻璃中的内部透过率仅为 4.25e-5/mm，进入玻璃内的光能量几乎全部被吸收。

反射体的两种方案各有优点，第一种方案采用金属铝材料可加工性强；第二种方案的吸收率更高杂光抑制能力更强。

光束在反射腔302内多次反射，其第1、2、3、……、n次的入射角分别为：

A₁＝90°-α (1)

A₂＝180°-(90°-A₁)-2α-90°＝90°-3α (2)

A₃＝180°-(90°-A₂)-2α-90°＝90°-5α (3)

……

A_n＝180°-(90°-A_n-1)-2α-90°＝90°-(2n-1)α (4)

其中，当A_n＞0时，即n＜(45/α+0.5)时，光束向光陷阱的反射腔302内传播；当A_n＜0时，即n＞(45/α+0.5)时，光束开始向光陷阱的反射腔302外传播。

当90°+A_n≤2α时，即(2n+1)α≥180°，反射后的光束不再与对向反射面相交，光束将从光陷阱中出射，因此可计算出最大反射次数为：

n_max＝roundup(90/α-0.5) (5)

式中roundup()为向上取整函数。

出射角度为：

γ＝180°-2n_maxα (6)

光陷阱的楔角α设计应满足：1、尽可能多的反射次数，以吸收更多的光能量，一般反射次数应大于6次；2、出射光线的角度偏离接收光路的接收视场θ；3、为满足一定的开口大小，α不能太小，太小会造成光陷阱的长度过长，一般α应大于8°。因此得到α的限制条件为：

接收光路的接收视场一般在3°范围内，由上式可得楔角α的设计约束条件为：

8°＜α≤16.36° (8)

定义光陷阱的杂光抑制比为出射光陷阱的光能量与入射光陷阱的光能量之比，则光陷阱的杂光抑制比为：

基于对上述光路及各光路元器件的介绍，现对该光路的工作原理进行说明：

1、本实用新型的发射光路实现过程与原理

信号发射激光器207发射S线偏振光，首先经过偏振分光片203 反射，再经过磁致旋光器209旋转偏振态变为-45°线偏振光，再经过λ/4波片202偏振态变为左旋圆偏振光，最终经过望远系统出射。通过将λ/4波片快轴方向改变与横截面垂直，也可以使发射光为右旋圆偏振光。光路激光器发射S光(垂直)，最终出射光E_T为左旋圆偏振光。其计算证明过程如下：

2、本实用新型的接收光路实现过程如下：

系统接收光E_R为左旋圆偏振光，经过望远系统后进入λ/4波片 202偏振态变为45°线偏振光，再经过磁致旋光器209偏振态变为P 光，P光全部通过偏振分光片203，再经过能量分光镜204分光，其中90％的能量到达信号通信接收通道205用于信号解调，10％的能量到达信号跟踪捕获通道206用于信号光的捕获跟踪。通过将λ/4波片 202快轴方向改变与横截面垂直，也可以接收右旋圆偏振光。系统接收光E_R左旋圆偏振光，到达信号通信接收通道E_F的偏振态为P光，计算证明过程如下：

3、本实用新型光路的两条杂光路径的抑制方法与原理

A、对于一次后向散射/反射杂光，如图8所示，本光路结构通过磁致旋光器209和λ/4波片202配合，使对于一次后向散射/反射杂光最后变为S光。其过程方法为：发射的左旋(右旋)圆偏振光经一次后向散射/反射后变为右旋(左旋)圆偏振光，经过λ/4波片202后变为45°线偏振光，再经过磁致旋光器后变为S光，最后经过偏振分光片反射回信号光发射支路207。偏振分光片203的S光透过率很低，因此具有很高的隔离效果(一般优于30dB)，可以大幅降低信号通信接收通道205、信号跟踪捕获通道206等接收光组件接收到的一次后向杂光，从而提高了收发隔离度。一次后向杂散光E_Z的偏振态为S 光，其偏振态的证明如下：

B、对于发射光经过偏振分光片203后打在机械壁上产生的后向散射路径，如图9所示为光进入光陷阱后的光线追迹图，光线多次打在光陷阱上，每次光打在光陷阱上都会被吸收90％以上的能量，经过多次吸收后出射的光能量已大幅衰减，并且可以控制出射光与入射光的角度使出射光不再能进入接收视场内，大幅抑制该部分杂光。

4、组网通信的实现原理

如图10所示，本实用新型接收偏振态和发射偏振态相同(同时为左旋圆偏振光或右旋圆偏振光)，任意两台使用该光路的激光通信终端可直接通信，不需要切换偏振态，更容易实现组网通信。

Claims (10)

1.一种高隔离度收发同偏振态的同频空间激光通信光路，包括激光通信终端结构框体、设置在激光通信终端结构框体内的前置光学系统的后向反射面、λ/4波片、偏振分光片、能量分光片、信号通信接收通道，信号跟踪捕获通道以及信号光发射支路；

其特征在于：

还包括磁致旋光器以及光陷阱；

所述磁致旋光器设置在λ/4波片与所述偏振分光片之间；λ/4波片为0°λ/4波片或90°λ/4波片；磁致旋光器能够使线偏振光的偏振角度发生偏转，偏转角度β为45°；

光陷阱安装在激光通信终端结构框体上，且正对所述偏振分光片的透射光路设置。

2.根据权利要求1所述的高隔离度收发同偏振态的同频空间激光通信光路，其特征在于：所述磁致旋光器由磁场产生装置和磁光介质组成，偏转角度β的具体计算公式为：

β＝VBL＝45°

其中，V是磁光介质材料的维尔德常数，B为磁通量，L是磁光介质的长度。

3.根据权利要求2所述的高隔离度收发同偏振态的同频空间激光通信光路，其特征在于：光陷阱包括反射体，反射体上开设有一个截面为锥形的反射腔；反射体对入射光每次反射的吸收率ε＞95％；

反射腔的锥度为2α；其中，8°＜α≤16.36°；

反射体的杂光抑制比为：

n_max为反射腔对光的最大反射次数。

4.根据权利要求3所述的高隔离度收发同偏振态的同频空间激光通信光路，其特征在于：反射腔为一个圆锥形腔室。

5.根据权利要求3所述的高隔离度收发同偏振态的同频空间激光通信光路，其特征在于：反射腔为由两个相交的，且倾斜角相同的斜面构成，斜面的倾斜角为α。

6.根据权利要求3或4或5所述的高隔离度收发同偏振态的同频空间激光通信光路，其特征在于：所述反射腔对光的最大反射次数n_max的具体计算公式为：n_max＝roundup(90/α-0.5)，式中roundup()为向上取整函数。

7.根据权利要求3或4或5所述的高隔离度收发同偏振态的同频空间激光通信光路，其特征在于：反射体采用金属铝材料制作，反射体的反射腔表面抛光成镜面，其粗糙度均方根值小于3nm；反射腔表面镀设有吸收膜层，吸收膜层为铬加介质增透膜。

8.根据权利要求3或4或5所述的高隔离度收发同偏振态的同频空间激光通信光路，其特征在于：反射体采用有色吸收玻璃制作，有色吸收玻璃在工作波长的每毫米内部透过率小于0.01％；反射体的反射腔表面抛光成镜面，其粗糙度均方根值小于3nm；反射腔表面镀设有增透膜。

9.根据权利要求1所述的高隔离度收发同偏振态的同频空间激光通信光路，其特征在于：所述偏振分光片由平板玻璃镀偏振分光膜实现，其消光比大于800:1；能量分光片由平板玻璃镀能量分光膜实现，其分光比由镀膜决定；

所述信号通信接收通道由接收镜头和接收光纤组件构成；所述信号跟踪捕获通道由接收镜头和捕获探测器构成，捕获探测器为CMOS或CCD或四象限光电器件；信号光发射支路由准直镜头和发射激光器组件构成，其发出偏振态为S的线偏振信号光。

10.根据权利要求1所述的高隔离度收发同偏振态的同频空间激光通信光路，其特征在于：所述激光通信终端结构框体采用钛合金或铝基碳化硅材料加工，其表面做黑色阳极化处理，黑色阳极化表面在1550nm近红外通信波段的吸收率不低于80％。

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