CN217443581U - 一种可变发散角的激光通信光学天线 - Google Patents
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Abstract
本实用新型属于激光通信领域，具体涉及一种可变发散角的激光通信光学天线，包括光纤连接器、准直镜组、扩束镜组和驱动机构，光纤连接器或准直镜组或扩束镜组安装在驱动机构上；驱动机构用于改变光纤连接器与准直镜组之间的距离，或用于改变扩束镜组与准直镜组之间的距离，或用于改变准直镜组的焦距，或用于改变扩束镜组的变倍比；准直镜组的入射面与光纤连接器的激光出射端面相对，扩束镜组相对准直镜组设置并位于准直镜组的出射光路上。本实用新型使激光通信系统具有更广泛的适用性，还可以使系统适应不同的工作距离，根据收发终端的实际距离自主调节信号光发散角，达到最佳的通信效果。
Description
技术领域
本实用新型涉及激光通信设备，具体涉及一种可变发散角的激光通信光学天线。
背景技术
对于空间激光通信系统，在发射端，激光信号通过光学天线以一定的发散角进行发射，接收端再通过光学天线进行接收，完成数据的传递。在通信数据传输过程中，同时需要ATP系统来完成激光通信收发两端的捕获、瞄准与动态跟踪，对于经典的空间激光通信系统，通常包含两个波段的激光，一个波段用于通信，称信号光，另一个波段用于捕获、瞄准、跟踪，称为信标光。随着激光通信技术的不断发展，其应用场景越来越广泛，搭载平台越来越丰富，由此也衍生出了不同的系统结构，其中，无信标激光通信系统就是其中之一。无信标激光通信系统只包含一种波段的激光，即信号光，没有独立的信标光，其ATP功能利用信号光来完成，因此这类系统省去了独立的信标光发射及接收系统，大大降低了体积功耗和系统复杂度。
通常，为了提高激光信号的发射增益，信号光一般都以很小的发散角进行发射，比如十微弧度或百微弧度量级，小的发散角虽然有利于提高激光通信的链路预算，但对于无信标激光通信系统，如此小的发散角给激光通信链路建立带来了更大的挑战，使得收发两端的捕获与跟踪难度大大增加。此外，虽然小发散角有利于增加链路预算，提升通信距离，但对于相对近距离的应用场景，链路预算比较充裕，对信号发射增益要求较低，需要更大的信号光发散角来增加链路的稳定性，因此，在通信距离可变的应用场景下，固定发散角的信号光发射天线就出现了应用受限、不够灵活的问题。
实用新型内容
本实用新型所要解决的技术问题是提供一种可变发散角的激光通信光学天线，解决当前激光通信信号光发射光学天线发散角不可调的问题。
本实用新型解决上述技术问题的技术方案如下：一种可变发散角的激光通信光学天线，包括光纤连接器、准直镜组、扩束镜组和驱动机构，所述光纤连接器或所述准直镜组或所述扩束镜组安装在所述驱动机构上；所述驱动机构用于改变所述光纤连接器与所述准直镜组之间的距离，或用于改变所述扩束镜组与所述准直镜组之间的距离，或用于改变所述准直镜组的焦距，或用于改变所述扩束镜组的变倍比；所述准直镜组的入射面与所述光纤连接器的激光出射端面相对，所述扩束镜组相对所述准直镜组设置并位于所述准直镜组的出射光路上。
在上述技术方案的基础上，本实用新型还可以做如下改进。
进一步，所述驱动机构包括驱动电机和传动组件，所述驱动电机的轴承与所述传动组件连接，所述光纤连接器或所述准直镜组或所述扩束镜组安装在所述传动组件上。
进一步，当所述驱动机构用于改变所述光纤连接器与所述准直镜组之间的距离或用于改变所述扩束镜组与所述准直镜组之间的距离时，所述传动组件具体为螺纹式结构或凸轮式结构或导轨式结构。
进一步，当所述驱动机构用于改变所述准直镜组的焦距或用于改变所述扩束镜组的变倍比时，所述传动组件具体为旋转圆盘；所述准直镜组或所述扩束镜组设有多组，且多组所述准直镜组的焦距各不相同，或多组所述扩束镜组的变倍比各不相同，多组所述准直镜组或多组所述扩束镜组沿同一圆周分布安装在所述旋转圆盘上。
进一步，所述光纤连接器上配设有用于固定的光纤法兰。
本实用新型的有益效果是：本实用新型一种可变发散角的激光通信光学天线通过驱动机构改变所述光纤连接器与所述准直镜组之间的距离，或改变所述扩束镜组与所述准直镜组之间的距离，或改变所述准直镜组的焦距，或改变所述扩束镜组的变倍比，以改变激光通信光学天线的发散角，使激光通信系统具有更广泛的适用性，对于无独立信标光的激光通信系统，在激光链路建立阶段，可通过调大发散角，增加捕获与跟踪的概率，缩短建链时间，提升ATP系统工作效率，成功建链后，将发散角调小，增加信号光的链路增益，提升通信质量，降低通信误码率；另外，使用发散角可调的激光通信光学天线，还可以使系统适应不同的工作距离，根据收发终端的实际距离自主调节信号光发散角，达到最佳的通信效果。
附图说明
图1为本实用新型一种可变发散角的激光通信光学天线的一种结构示意图；
图2为具有可变发散角的激光通信光学天线的激光通信系统示意图；
图3为扩束镜组的光学结构示意图；
图4为本实用新型一种可变发散角的激光通信光学天线的另一种结构示意图。
附图中，各标号所代表的部件列表如下：
1、光纤连接器，2、准直镜组，3、扩束镜组，4、驱动机构，5、光纤法兰，6、第一分光镜，7、第二分光镜，8、反射镜，9、精跟踪快反镜，10、信号光接收单元，11、精跟踪探测单元。
具体实施方式
以下结合附图对本实用新型的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本实用新型，并非用于限定本实用新型的范围。
如图1所示，一种可变发散角的激光通信光学天线，包括光纤连接器1、准直镜组2、扩束镜组3和驱动机构4，所述光纤连接器1或所述准直镜组2或所述扩束镜组3安装在所述驱动机构4上；所述驱动机4构用于改变所述光纤连接器1与所述准直镜组2之间的距离，或用于改变所述扩束镜组3与所述准直镜组2之间的距离，或用于改变所述准直镜组2的焦距，或用于改变所述扩束镜组3的变倍比；所述准直镜组2的入射面与所述光纤连接器1的激光出射端面相对，所述扩束镜组3相对所述准直镜组2设置并位于所述准直镜组2的出射光路上。另外，所述光纤连接器1上配设有光纤法兰5，光纤法兰5用于固定所述光纤连接器1。
由于驱动机构4的功能，进一步的，决定了驱动机构4包含有驱动电机和传动组件，所述驱动电机的轴承与所述传动组件连接，所述光纤连接器1或所述准直镜组2或所述扩束镜组3安装在所述传动组件上。
其中，驱动电机可以为步进电机、直流电机或者直线型电机；当所述驱动机4构用于改变所述光纤连接器1与所述准直镜组2之间的距离或用于改变所述扩束镜组3与所述准直镜组2之间的距离时：若驱动电机为步进电机或者直流电机时，传动组件应为螺纹式结构或者凸轮式结构；若驱动电机为直线电机时，传动组件应为导轨式结构；这些驱动技术或结构相对成熟，本方案只做使用说明，不做详细介绍。
若只需改变所述光纤连接器1与所述准直镜组2之间的距离时，则将所述光纤连接器1通过光纤法兰5安装在传动组件上；传动组件在驱动电机的驱动下带动光纤连接器1沿直线移动，由于准直镜组2是固定的，当光纤连接器1移动时，光纤连接器1与准直镜组2之间的距离就会改变。
若只需改变所述扩束镜组3与所述准直镜组2之间的距离时，则将扩束镜组3安装在传动组件上；传动组件在驱动电机的驱动下带动扩束镜组3沿直线移动，由于准直镜组2是固定的，当扩束镜组3移动时，扩束镜组3与准直镜组2之间的距离就会改变。
当所述准直镜组2安装在所述传动组件上时，传动组件在驱动电机的驱动下带动准直镜组2沿直线移动，由于准直镜组2是位于光纤连接器1和扩束镜组3之间的，所以准直镜组2移动时，所述光纤连接器1与所述准直镜组2之间的距离以及所述扩束镜组3与所述准直镜组2之间的距离均会改变。
图1示出了通过驱动机构改变所述光纤连接器1与所述准直镜组2之间的距离来实现激光通信光学天线发散角可变的结构；其中，光纤连接器1的一端光纤与激光器相连接(激光器在图中没有体现)，另一端为光纤连接器1，是激光的出射端面，光纤法兰5用于固定光纤连接器1，准直镜组2用于将光纤连接器1出射的激光进行准直，将激光发散角压缩到比较小的量级，扩束镜组3将细光束扩展为较粗的光束，同时将激光发散角进行进一步压缩，使激光束以更小的发散角出射，能量更加集中，作用距离更远，驱动机构4主要用于控制光纤法兰5到准直镜组2的距离，即光纤出射端面距准直镜组2的距离，该距离直接决定了激光束经过准直镜组2后的发散角大小，进而影响经过扩束镜组3后的最终出射发散角。
图2为具有图1所示可变发散角的激光通信光学天线的激光通信系统示意图。当前，空间激光通信系统的发射分系统多是以光纤耦合型激光器作为激光发射光源，这种激光发射系统一般由光纤耦合激光器与光学发射天线组成，再辅以快速反射镜作为精跟踪闭环，精确控制激光出射方位，有些系统采用收发共用光路，则光路系统中还包括激光信号接收单元、精跟踪探测单元、精跟踪快速反射镜等；本方案以典型的收发共光路的激光通信系统来进行说明，如图2所示，准直镜组2与扩束镜组3之间的光路上依次设有第一分光镜6、第二分光镜7、反射镜8和精跟踪快反镜9；第二分光镜7位于第一分光镜6的一分光光路上，反射镜8位于第二分光镜7的一分光光路上，精跟踪快反镜9位于反射镜8的反射光路上；第一分光镜6的另一分光光路上设有信号光接收单元10，第二分光镜7的另一分光光路上设有精跟踪探测单元11。光纤连接器1出射的激光经过准直镜组2进行准直，将激光发散角压缩到比较小的量级；准直镜组2出射的光信号经过第一分光镜6分成两路，其中一路射向第二分光镜7，另一路由信号光接收单元10接收；射向第二分光镜7的光信号被第二分光镜7分成两路光信号，其中一路射向反射镜8，另一路由精跟踪探测单元11接收；射向反射镜8的光信号被反射镜8反射至精跟踪快反镜9，并由精跟踪快反镜9射向扩束镜组3，扩束镜组3将细光束扩展为较粗的光束，同时将激光发散角进行进一步压缩，使激光束以更小的发散角出射，能量更加集中，作用距离更远。驱动机构4控制光纤法兰5到准直镜组2的距离，即光纤出射端面距准直镜组2的距离，该距离直接决定了激光束经过准直镜组2后的发散角大小，进而影响经过扩束镜组3后的最终出射发散角。
下面以单模光纤出射为例，说明本实用新型发散角可调的工作原理。图1中，ω0为单模光纤的模场半径，也即出射激光束的束腰半径，ω为到达准直镜组2的激光束半径，ω1为激光束经过准直镜组2后的激光束腰半径，θ1为激光束经准直镜组2之后的发散角，ω3为激光束经扩束镜组3的前镜组之后的束腰半径，ω4为激光束经扩束镜组3出射后的束腰半径，θ2为可变发散角光学发射天线的最终出射光束发散角，l为光纤出射端面距准直镜组2入射面的距离，f为准直镜组2的焦距，l1为ω1到扩束镜组3入射面的距离，f1为扩束镜组3前镜组的焦距，f2为扩束镜组3后镜组的焦距。
其中，θ1、θ2两者之间有如下关系：
式中，M为扩束镜组3的放大因子，由下式得到：
M′为扩束镜组3的扩束比,θ1的计算公式如下：
根据高斯光束传播理论，可得到如下表达式：
其中，z1为ω1的瑞利距离，z0为ω0的瑞利距离，l1可由准直镜组2到扩束镜组3入射面的距离减去f得到，由以上各式，可得到最终出射发散角的表达式如下：
上式中，除l外，其余均为常量，由系统设计参数确定，距离l通过驱动机构4控制改变大小，最终实现光学天线出射激光束发散角连续可调的目的。
其中，图1中准直镜组2只画出了一片光学透镜，是为了说明该组件的光学属性，实际应用时，准直镜组2可根据功能要求包含多种光学透镜，以能实现激光准直目的为准；扩束镜组3画出的是开普勒式结构，实际还可以是伽利略式望远镜结构(图3左所示)或者反射式望远镜结构(图3右所示)以及其他类型的光学结构，如图3所示；本方案只以开普勒式望远镜结构来进行说明，并不做为对扩束镜组3结构形式的限制。
由上述推导过程可知，在其他参数确定的情况下，改变所述光纤连接器1与所述准直镜组2之间的距离或/和所述扩束镜组3与所述准直镜组2之间的距离，均可以改变光学天线最终出射的发散角。由于所述光纤连接器1与所述准直镜组2之间的距离以及所述扩束镜组3与所述准直镜组2之间的距离是连续可调的。因此，通过改变所述光纤连接器1与所述准直镜组2之间的距离或/和所述扩束镜组3与所述准直镜组2之间的距离实现的可变发散角激光通信光学天线的发散角是连续可调的。
由上述推导过程还可知，改变准直镜组2的焦距或者改变扩束镜组3的变倍比也可实现发散角可调的目的；另外也可以使用变倍比可调的激光扩束光学结构来实现发散角可调的目的。
当所述驱动机构4用于改变所述准直镜组2的焦距或用于改变所述扩束镜组3的变倍比时，所述传动组件具体为旋转圆盘；所述准直镜组2或所述扩束镜组3设有多组，且多组所述准直镜组2的焦距各不相同，或多组所述扩束镜组3的变倍比各不相同，多组所述准直镜组2或多组所述扩束镜组3沿同一圆周分布安装在所述旋转圆盘上，具体参见图4所示。
由于多组所述准直镜组2的焦距以及多组所述扩束镜组3的变倍比并不是连续变化的，而是分档的。因此，通过改变改变准直镜组2的焦距或者改变扩束镜组3的变倍比实现的可变发散角激光通信光学天线的发散角是分档可调的，即在某几个固定的发散角之间进行切换。
在通过改变准直镜组2的焦距实现的可变发散角激光通信光学天线的发散角分档可调的结构中，准直镜组2的中心与转动轴之间的距离为r，光纤连接器1出射端口的中心与转动轴的垂直距离也为r，当圆盘转动时，不同的准直镜组将分别与光纤连接器进行搭配，组成具有不同准直效果的激光准直单元；此时，图1中的l保持不变，f的变化导致ω1发生改变，相应的z1也发生了改变，因此最终的激光发散角θ2也随之改变。同理，可推导通过改变扩束镜组3的变倍比实现的可变发散角激光通信光学天线的发散角分档可调的原理。这种分档可调的光学天线适用于对激光发散角要求比较明确的激光通信系统。
本实用新型一种可变发散角的激光通信光学天线通过驱动机构改变所述光纤连接器与所述准直镜组之间的距离，或改变所述扩束镜组与所述准直镜组之间的距离，或改变所述准直镜组的焦距，或改变所述扩束镜组的变倍比，以改变激光通信光学天线的发散角，使激光通信系统具有更广泛的适用性，对于无独立信标光的激光通信系统，在激光链路建立阶段，可通过调大发散角，增加捕获与跟踪的概率，缩短建链时间，提升ATP系统工作效率，成功建链后，将发散角调小，增加信号光的链路增益，提升通信质量，降低通信误码率；另外，使用发散角可调的激光通信光学天线，还可以使系统适应不同的工作距离，根据收发终端的实际距离自主调节信号光发散角，达到最佳的通信效果。
以上所述仅为本实用新型的较佳实施例，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种可变发散角的激光通信光学天线，其特征在于：包括光纤连接器、准直镜组、扩束镜组和驱动机构，所述光纤连接器或所述准直镜组或所述扩束镜组安装在所述驱动机构上；所述驱动机构用于改变所述光纤连接器与所述准直镜组之间的距离，或用于改变所述扩束镜组与所述准直镜组之间的距离，或用于改变所述准直镜组的焦距，或用于改变所述扩束镜组的变倍比；所述准直镜组的入射面与所述光纤连接器的激光出射端面相对，所述扩束镜组相对所述准直镜组设置并位于所述准直镜组的出射光路上。
2.根据权利要求1所述的可变发散角的激光通信光学天线，其特征在于：所述驱动机构包括驱动电机和传动组件，所述驱动电机的轴承与所述传动组件连接，所述光纤连接器或所述准直镜组或所述扩束镜组安装在所述传动组件上。
3.根据权利要求2所述的可变发散角的激光通信光学天线，其特征在于：当所述驱动机构用于改变所述光纤连接器与所述准直镜组之间的距离或用于改变所述扩束镜组与所述准直镜组之间的距离时，所述传动组件具体为螺纹式结构或凸轮式结构或导轨式结构。
4.根据权利要求2所述的可变发散角的激光通信光学天线，其特征在于：当所述驱动机构用于改变所述准直镜组的焦距或用于改变所述扩束镜组的变倍比时，所述传动组件具体为旋转圆盘；所述准直镜组或所述扩束镜组设有多组，且多组所述准直镜组的焦距各不相同，或多组所述扩束镜组的变倍比各不相同，多组所述准直镜组或多组所述扩束镜组沿同一圆周分布安装在所述旋转圆盘上。
5.根据权利要求1至4任一项所述的可变发散角的激光通信光学天线，其特征在于：所述光纤连接器上配设有用于固定的光纤法兰。
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Cited By (2)
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|---|---|---|---|---|
| CN115453766A (zh) * | 2022-11-11 | 2022-12-09 | 南京英田光学工程股份有限公司 | 一种变高宽比扩束镜头以及含有该镜头的激光通信终端 |
| CN117849977A (zh) * | 2023-11-30 | 2024-04-09 | 北京极光星通科技有限公司 | 变发散角装置及激光通信端机 |
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