CN115499064B - 基于可变光轴的小型化多芯收发激光通信装置及设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于可变光轴的小型化多芯收发激光通信装置及设计方法，该基于可变光轴的小型化多芯收发激光通信装置，包括信号光发射光路、信标光发射光路、信号光接收光路、信标光接收光路，其特征在于，其中所述信号光接收光路中采用多芯光纤耦合器，耦合到多芯光纤端面，所述多芯光纤耦合器包括若干个单模光纤芯和若干个多模光纤芯安装在一个统一的光纤包层内，其中每个单模光纤芯和每个多模光纤芯均通过各自对应的一个光纤滤波器接入对应的信号光探测器，形成多通道的信号光接收光路。本发明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。

Description

基于可变光轴的小型化多芯收发激光通信装置及设计方法

技术领域

本发明属于光学设备技术领域，具体涉及一种基于可变光轴的小型化多芯收发激光通信装置及设计方法。

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***，激光通信***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。

传统光学天线内均为空间光器件，如图1所示，包括扩束天线1，快速反射镜一2，分色镜3，分光镜一4，接收信标光镜组5，信标光探测器6，快速反射镜二7，多芯光纤耦合器8，滤波器9，信号探测器10，快速反射镜三11，分光镜二12，发射信标光镜组13，信标激光器14，发射信号光镜组15，信号激光器16。

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。

发明内容

为解决上述问题，本发明公开了一种基于可变光轴的小型化多芯收发激光通信装置及设计方法，利用精密快反镜、多芯光纤器件、光纤滤波器等器件，实现对不同接收光纤接收面的复用，实现相干保偏、高速单模、低速多模的时分接收，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***器件成本。

为达到上述目的，本发明的技术方案如下：

一种基于可变光轴的小型化多芯收发激光通信装置，包括信号光发射光路、信标光发射光路、信号光接收光路、信标光接收光路，其中所述信号光接收光路中采用多芯光纤耦合器，耦合到多芯光纤端面，所述多芯光纤耦合器包括若干个单模光纤芯和若干个多模光纤芯安装在一个统一的光纤包层内，其中每个单模光纤芯和每个多模光纤芯均通过各自对应的一个光纤滤波器接入对应的信号光探测器，形成多通道的信号光接收光路。

进一步地，所述基于可变光轴的小型化多芯收发激光通信装置，包括扩束天线、快速反射镜一、分色镜、分光镜一、接收信标光镜组、信标光探测器、快速反射镜二、多芯光纤耦合器、光纤滤波器、信号探测器、快速反射镜三、分光镜二、发射信标光镜组、信标激光器、发射信号光镜组、信号激光器，其中：

信号光发射光路：信号光激光器发射信号光，经由发射信号光镜组整形后，经由分光镜二与信标光合束，再经过快速反射镜三、分色镜与接收光束合束，再经过快速反射镜一进入扩束天线，形成信号光发射光路；

信标光发射光路：信标光激光器发射信标光，经由发射信标光镜组整形后，经由分光镜二与信号光合束，再经过快速反射镜三、分色镜后与接收光束合束，再经过快速反射镜一进入扩束天线，形成信标光发射光路；

信标接收光路：由扩束天线入射终端，整形压缩后经由快速反射镜反射一、分色镜进行反射波长分离，以及分光镜一进行功率或波长分离，再经由接收信标光镜组聚焦在信标光探测器焦平面上，形成信标光接收光路；

信号光接收光路：由扩束天线入射终端，整形压缩后经由快速反射镜反射一、分色镜进行反射波长分离，以及分光镜一进行功率或波长分离，入射快速反射镜二，通过调整快速反射镜二的角度，使得入射信号光通过多芯光纤耦光纤耦合器，耦合到多芯光纤端面，并分别通过各自的光纤滤波器，分别接入对应的信号光探测器，形成多通道的信号光接收光路。

上述基于可变光轴的小型化多芯收发激光通信装置的设计方法，包括但不限于如下步骤：

（a）根据设计要求选择多芯光纤耦合器，所述多芯光纤耦合器包括若干个单模光纤芯和若干个多模光纤芯安装在一个统一的光纤包层内；令所述多芯光纤耦合器中A为保偏光纤、B为单模光纤、K为多模光纤，其半径分别为 r _A、 r _B、 r _K ，AB、AK、BK之间的间距分别为 d1、 d2和 d3，设计中以A、B和K纤芯的数值孔径NA最小值为设计依据，设计多芯光纤耦合器L，须满足：

其中D为多芯光纤耦合器入射端光束直径；

（b）根据步骤（a）得到的多芯光纤耦合器焦距，选择快速反射镜二，相应的偏转范围M需要满足：

（c）光纤滤光器：根据信号光波长，选择符合ITU协议的光纤滤波器，对光电探测器输入的信号光进行窄带滤波，同等情况下滤波带宽越小越好；

（d）光电探测器：根据不同通信***的需求进行选择不同的多芯光纤，对于相干通信终端选择PM保偏光纤，对于高速非相干通信终端选择单模光纤，对于低速非相干通信终端选择多模光纤；

（e）使用中需要首先进行标定，标定的具体方法是：

在分色镜与分光镜一之间***角反射棱镜，将信号光激光器分别替换信号光探测器并发光，光束经角反射棱镜后，反射信标光接收光路，并在信标光探测器上成像；

调节快速反射镜二，使得不同信号光探测器输出在信标光探测器焦平面上的光斑坐标与通信终端的通信中心点对应，并分别记录不同不同信号光探测器输出时快速反射镜二的偏转值（X_Ai、Y_Ai），（X_Bi、Y_Bi），（X_Ki、Y_Ki）,分别对应多芯光纤耦合器中的保偏光纤A、单模光纤B、多模光纤K；

在终端工作中，根据本次工作需要完成的工作，控制快速反射镜二分别预偏置（X_Ai、Y_Ai）/（X_Bi、Y_Bi）/（X_Ki、Y_Ki）即可完成信号光接收光束的切换。

本发明的有益效果为：

本发明利用精密快反镜、多芯光纤器件、光纤滤波器等器件，实现对不同接收光纤接收面的复用，实现相干保偏、高速单模、低速多模的时分接收，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***器件成本。具体的，该***相对于传统空间光光路激光通信天线，信号光接收光路仅为2.2kg，远远小于传统激光天线重量8~9kg，随着负载的减轻，转台也降重20kg以上；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35天完成；由于采用该技术，研制成本由传统光路的25万元降低为9万元（不含CCD费用）。

附图说明

图1为背景技术中提到的现有技术中的激光通信终端光学天线光路图；

图2为本发明的多芯收发激光通信装置；

图3为本发明的多芯光纤耦合器断面图；

图4为实测案例中的多芯光纤耦合器断面图；

图5为本发明的标校原理图。

附图标识列表：

1扩束天线，2快速反射镜一，3分色镜，4分光镜一，5接收信标光镜组，6信标光探测器，7快速反射镜二，8多芯光纤耦合器，9光纤滤波器，10信号探测器，11快速反射镜三，12分光镜二，13发射信标光镜组，14，信标激光器，15发射信号光镜组，16信号激光器，17角反射棱镜。

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，本实施例的一种基于可变光轴的小型化多芯收发激光通信装置，包括信号光发射光路、信标光发射光路、信号光接收光路、信标光接收光路，其中所述信号光接收光路中采用多芯光纤耦合器8，耦合到多芯光纤端面，所述多芯光纤耦合器包括若干个单模光纤芯和若干个多模光纤芯安装在一个统一的光纤包层内，如图3所示，其中每个单模光纤芯和每个多模光纤芯均通过各自对应的一个光纤滤波器接入对应的信号光探测器9，形成多通道的信号光接收光路。

进一步地，所述基于可变光轴的小型化多芯收发激光通信装置，包括扩束天线1、快速反射镜一2、分色镜3、分光镜一4、接收信标光镜组5、信标光探测器6、快速反射镜二7、多芯光纤耦合器8、光纤滤波器9、信号探测器10、快速反射镜三11、分光镜二12、发射信标光镜组13、信标激光器14、发射信号光镜组15、信号激光器16，其中：

信号光发射光路：信号光激光器16发射信号光，经由发射信号光镜组15整形后，经由分光镜二12与信标光合束，再经过快速反射镜三11、分色镜3与接收光束合束，再经过快速反射镜一2进入扩束天线1，形成信号光发射光路；

信标光发射光路：信标光激光器14发射信标光，经由发射信标光镜组13整形后，经由分光镜二12与信号光合束，再经过快速反射镜三11、分色镜3后与接收光束合束，再经过快速反射镜一2进入扩束天线1，形成信标光发射光路；

信标接收光路：由扩束天线1入射终端，整形压缩后经由快速反射镜反射一2、分色镜3进行反射波长分离，以及分光镜一4进行功率或波长分离，再经由接收信标光镜组5聚焦在信标光探测器6焦平面上，形成信标光接收光路；

信号光接收光路：由扩束天线1入射终端，整形压缩后经由快速反射镜反射一2、分色镜3进行反射波长分离，以及分光镜一4进行功率或波长分离，入射快速反射镜二7，通过调整快速反射镜二7的角度，使得入射信号光通过多芯光纤耦光纤耦合器8，耦合到多芯光纤端面，并分别通过各自的光纤滤波器9，分别接入对应的信号光探测器10，形成多通道的信号光接收光路。

上述基于可变光轴的小型化多芯收发激光通信装置的设计方法，包括但不限于如下步骤：

（a）根据设计要求选择多芯光纤耦合器，所述多芯光纤耦合器包括若干个单模光纤芯和若干个多模光纤芯安装在一个统一的光纤包层内；令所述多芯光纤耦合器中A为保偏光纤、B为单模光纤、K为多模光纤，其半径分别为 r _A、 r _B、 r _K ，AB、AK、BK之间的间距分别为 d1、 d2和 d3，设计中以A、B和K纤芯的数值孔径NA最小值为设计依据，设计多芯光纤耦合器L，须满足：

其中D为多芯光纤耦合器入射端光束直径；

（b）根据步骤（a）得到的多芯光纤耦合器焦距，选择快速反射镜二，相应的偏转范围M需要满足：

（c）光纤滤光器：根据信号光波长，选择符合ITU协议的光纤滤波器，对光电探测器输入的信号光进行窄带滤波，同等情况下滤波带宽越小越好；

（d）光电探测器：根据不同通信***的需求进行选择不同的多芯光纤，对于相干通信终端选择PM保偏光纤，对于高速非相干通信终端选择单模光纤，对于低速非相干通信终端选择多模光纤；

（e）使用中需要首先进行标定，标定的具体方法是：

在分色镜与分光镜一之间***角反射棱镜17，将信号光激光器分别替换信号光探测器10并发光，光束经角反射棱镜后，反射信标光接收光路，并在信标光探测器上成像；

调节快速反射镜二，使得不同信号光探测器输出在信标光探测器焦平面上的光斑坐标与通信终端的通信中心点对应，并分别记录不同不同信号光探测器输出时快速反射镜二的偏转值（X_Ai、Y_Ai），（X_Bi、Y_Bi），（X_Ki、Y_Ki）,分别对应多芯光纤耦合器中的保偏光纤A、单模光纤B、多模光纤K；

在终端工作中，根据本次工作需要完成的工作，控制快速反射镜二分别预偏置（X_Ai、Y_Ai）/（X_Bi、Y_Bi）/（X_Ki、Y_Ki）即可完成信号光接收光束的切换。

实测案例：

多芯光纤：本实测案例中，地面站采用了三芯光纤（PM155保偏光纤、SFM28单模光纤、62.5多模光纤）作为信号接收端；相邻光纤彼此距离40μm；如图4所示，多芯耦合器：A纤10.5μm，NA为0.14，B纤10.5μm，NA为0.14，K纤62.5μm，NA为0.22，光斑直径9mm，L最小为20.45mm，实际选择27mm。

快速反射镜二选择：最大偏转距离为（31.25+40+5.25）μm，最大偏转角度为：2mrad。

光纤滤光器：根据信号光波长，A芯和B芯选择C46信道滤波器，滤波带宽0.8nm，K芯选择滤波器带宽为1.6nm。

光电探测器：A芯接入保偏放大EDFA，B芯接入非保偏放大EDFA，K芯直接接入多模探测器进行直接解调。

使用中需要首先进行标定，如图5所示，在分色镜3与分光镜一4之间***角反射棱镜17，将信号光激光器分别替换信号光探测器并发光，光束经过角反射棱镜17后，反射信标光接收光路，并在信标光探测器6上成像；调节快速反射镜二7，使得用于替换信号光探测器的不同激光器输出在信标光探测器6焦平面上的光斑坐标与通信终端的通信中心点对应，并分别记录不同光束时快速反射镜二7的偏转值（220、100），（1552、117），（884、2170）,分对应如图4中的A、B、K光纤纤芯；在终端工作中，根据本次工作需要完成的工作，控制7快反镜分别预偏置（220、100）/（1552、117）/（884、2170）即可完成信号光接收光速的切换。

该***相对于传统空间光光路激光通信天线，信号光接收光路仅为2.2kg，远远小于传统激光天线重量8~9kg，随着负载的减轻，转台也降重20kg以上；

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35天完成；

由于采用该技术，研制成本由传统光路的25万元降低为9万元（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 (1)

1.一种基于可变光轴的小型化多芯收发激光通信装置的设计方法，所述的设计方法是针对如下的基于可变光轴的小型化多芯收发激光通信装置，包括信号光发射光路、信标光发射光路、信号光接收光路、信标光接收光路，其特征在于，其中所述信号光接收光路中采用多芯光纤耦合器，耦合到多芯光纤端面，所述多芯光纤耦合器包括若干个单模光纤芯和若干个多模光纤芯安装在一个统一的光纤包层内，其中每个单模光纤芯和每个多模光纤芯均通过各自对应的一个光纤滤波器接入对应的信号光探测器，形成多通道的信号光接收光路；

所述基于可变光轴的小型化多芯收发激光通信装置，包括扩束天线、快速反射镜一、分色镜、分光镜一、接收信标光镜组、信标光探测器、快速反射镜二、多芯光纤耦合器、光纤滤波器、信号探测器、快速反射镜三、分光镜二、发射信标光镜组、信标激光器、发射信号光镜组、信号激光器，其中：

信号光发射光路：信号光激光器发射信号光，经由发射信号光镜组整形后，经由分光镜二与信标光合束，再经过快速反射镜三、分色镜与接收光束合束，再经过快速反射镜一进入扩束天线，形成信号光发射光路；

信标光发射光路：信标光激光器发射信标光，经由发射信标光镜组整形后，经由分光镜二与信号光合束，再经过快速反射镜三、分色镜后与接收光束合束，再经过快速反射镜一进入扩束天线，形成信标光发射光路；

信标接收光路：由扩束天线入射终端，整形压缩后经由快速反射镜反射一、分色镜进行反射波长分离，以及分光镜一进行功率或波长分离，再经由接收信标光镜组聚焦在信标光探测器焦平面上，形成信标光接收光路；

信号光接收光路：由扩束天线入射终端，整形压缩后经由快速反射镜反射一、分色镜进行反射波长分离，以及分光镜一进行功率或波长分离，入射快速反射镜二，通过调整快速反射镜二的角度，使得入射信号光通过多芯光纤耦合器，耦合到多芯光纤端面，并分别通过各自的光纤滤波器，分别接入对应的信号光探测器，形成多通道的信号光接收光路；

其特征在于，该方法包括但不限于如下步骤：

(a)根据设计要求选择多芯光纤耦合器，所述多芯光纤耦合器包括若干个单模光纤芯和若干个多模光纤芯安装在一个统一的光纤包层内；令所述多芯光纤耦合器中A为保偏光纤、B为单模光纤、K为多模光纤，其半径分别为r_A、r_B、r_K，AB、AK、BK之间的间距分别为d1、d2和d3，设计中以A、B和K纤芯的数值孔径NA最小值为设计依据，设计多芯光纤耦合器L，须满足：

其中D为多芯光纤耦合器入射端光束直径；

(b)根据步骤(a)得到的多芯光纤耦合器焦距，选择快速反射镜二，相应的偏转范围M需要满足：

(c)光纤滤光器：根据信号光波长，选择符合ITU协议的光纤滤波器，对光电探测器输入的信号光进行窄带滤波，同等情况下滤波带宽越小越好；

(d)光电探测器：根据不同通信***的需求进行选择不同的多芯光纤，对于相干通信终端选择PM保偏光纤，对于高速非相干通信终端选择单模光纤，对于低速非相干通信终端选择多模光纤；

(e)使用中需要首先进行标定，标定的具体方法是：

在分色镜与分光镜一之间***17角反射棱镜，将信号光激光器分别替换10_i信号光探测器并发光，光束经角反射棱镜后，反射信标光接收光路，并在信标光探测器上成像；

调节快速反射镜二，使得不同信号光探测器输出在信标光探测器焦平面上的光斑坐标与通信终端的通信中心点对应，并分别记录不同不同信号光探测器输出时快速反射镜二的偏转值(X_Ai、Y_Ai)，(X_Bi、Y_Bi)，(X_Ki、Y_Ki),分别对应多芯光纤耦合器中的保偏光纤A、单模光纤B、多模光纤K；

在终端工作中，根据本次工作需要完成的工作，控制快速反射镜二分别预偏置(X_Ai、Y_Ai)/(X_Bi、Y_Bi)/(X_Ki、Y_Ki)即可完成信号光接收光束的切换。

Images