基于信号信标一体化集成芯片的空间激光通信收发系统技术方案

本发明专利技术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。本发明专利技术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。提升通信系统的可靠性。提升通信系统的可靠性。

【技术实现步骤摘要】
基于信号信标一体化集成芯片的空间激光通信收发系统


[0001]本专利技术属于空间激光通信
，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。

技术介绍

[0002]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。
[0003]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。
[0004]专利号为CN115355851A的专利技术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。该专利技术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。该专利技术测试方法简单，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。但该专利技术涉及光学器件，难以实现芯片集成，对终端体积与功耗的降低幅度有限。
[0005]专利号为CN114422034A的专利技术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，该专利技术涉及光学器件，难以实现芯片集成，对终端体积与功耗的降低幅度有限。
[0006]CN114374439A的专利技术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。该专利技术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。

技术实现思路

[0007]解决的技术问题：本专利技术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。
[0008]技术方案：
[0009]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；
[0010]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；
[0011]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；
[0012]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；
[0013]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，所述第二本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
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，...

【专利技术属性】
技术研发人员：李密，张越行，苏致元，施跃春，陈向飞，
申请(专利权)人：南京大学，
类型：发明
国别省市：