一种小型化星间激光通信光学系统技术方案

本发明专利技术公开了一种小型化星间激光通信光学系统，包括光学天线主镜、次镜、快速反射镜、四分之一波片、分光镜、偏振分光棱镜、超前瞄准镜和偏振片，所述光学天线主镜与次镜的光轴平行且离轴安装，所述光学天线主镜为凹抛物面，所述次镜为凸抛物面，所述快速反射镜位于次镜之后倾斜45

【技术实现步骤摘要】
一种小型化星间激光通信光学系统


[0001]本专利技术属于激光通信
，具体是指一种小型化星间激光通信光学系统。

技术介绍

[0002]随着社会的快速发展，通信技术中的数据传输量呈指数级增长，各种传输网络系统面临着信道传输速率更快、通信容量更大、通信安全等级更高的使用要求，传统的微波通信已无法满足这些需求。而激光通信以激光作为载波进行信息的传输与交换，可实现相距数千公里的两终端间的高速率数据传输，并且具有容量大、功耗低、速率高、保密性良好以及抗干扰能力强等优势而备受关注，成为国内外研究热点。
[0003]在卫星搭载用的激光通信系统的研究中，对搭载的激光通信载荷提出了传输速率更快、体积重量更小、功耗更低的要求。同时为了实现激光通信技术的商业化应用，对卫星搭载的激光通信载荷成本也提出了限制。激光通信终端结构主要由粗瞄单元，光学天线，精瞄单元，超前瞄准单元，粗瞄传感器，精瞄传感器，光放大器、激光器、光电探测器以及信号处理和控制电路等组成。其中光学系统是激光通信终端的主体部分，其主要作用为由激光发射终端将需要传输的光信号发向激光接收终端，再接收终端接收发射终端传输过来的信号光。
[0004]目前的激光通信终端的光学系统主要分为发射光学系统和接收光学系统。发射光学系统通常由发射激光器、激光准直透镜组、精跟踪瞄准镜和发射光学天线组成。接收光学系统通常由接收光学天线、激光聚焦透镜组、分光镜、滤光片和接收探测器组成。光学天线在发射光路中起到压缩发射光束散角的作用，在接收光路中起到扩大接收口径的作用。该激光通信光学系统终端结构的体积十分庞大，严重限制了其在卫星平台上应用，并且复杂的光路也增加了光学装调难度及工程制造成本，减缓了激光通信技术发展的商业化进程。因此，现有技术中亟需一种小型化星间激光通信光学系统来解决这一问题。

技术实现思路

[0005]为了解决上述难题，本专利技术提供了一种通过单模光纤连接收发一体激光模块和主光路模块，由于光纤可弯曲灵活性较好，为系统布局提供了更大的自由度，可使系统结构更加紧凑体积更小，有利于激光通信终端的组装和调试；同时，单模光纤的使用将收发一体激光模块和主光路模块分割，提高了系统的模块化设计，降低成本的小型化星间激光通信光学系统。
[0006]为了实现上述功能，本专利技术采取的技术方案如下：一种小型化星间激光通信光学系统，包括光学天线主镜、次镜、快速反射镜、四分之一波片、分光镜、偏振分光棱镜、超前瞄准镜和偏振片，所述光学天线主镜与次镜的光轴平行且离轴安装，镜面中心水平相距80mm，离轴偏移量为10mm，所述光学天线主镜为凹抛物面，所述次镜为凸抛物面，光学放大倍率为5倍，所述快速反射镜位于次镜之后倾斜45
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安装，使从次镜传输过来的接收光偏转90
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以及发射光偏转90
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进入光学天线，所述分光镜倾斜45
°
安装，所述偏振分光棱镜与分光镜和四
分之一波片共轴，偏振分光棱镜对不同偏振态的激光产生分光效应，其中，P偏振光透过，S偏振光反射，所述超前瞄准镜倾斜45
°
安装，所述偏振分光棱镜位于分光镜与超前瞄准镜之间，用于折转出射信号光，所述偏振片位于超前瞄准镜后竖直安装，所述偏振片为P偏振片，允许P偏振光透过，而对S偏振光反射，降低杂光对激光通信质量的影响。
[0007]所述偏振片之后设有准直透镜，所述准直透镜为非球面透镜，对发射信号光进行光束散角的压缩，并有效降低了像差，所述准直透镜之后设有单模光纤一，所述单模光纤一发射端面在准直透镜的焦平面处，所述单模光纤一后设有信号光激光器，所述偏振分光棱镜后设有窄带滤光片一，所述窄带滤光片一后设有聚焦透镜，所述聚焦透镜为非球面透镜，通信激光经光学天线、光传输系统后，由非球面透镜耦合到单模光纤中，所述聚焦透镜后设有单模光纤二，所述单模光纤二的接收端面位于聚焦透镜的焦平面处，所述单模光纤二后安装有信号光接收探测器，所述分光镜后设有窄带滤光片二，所述窄带滤光片二后安装有精跟踪相机镜头，精跟踪相机镜头将经过光学天线、滤光片的信标光聚焦在信标光探测器的焦平面上，获得另一端通信激光终端的位置，所述精跟踪相机镜头的焦平面处安装有信标光探测器一，所述光学天线主镜光轴平行处设有小口径透镜，所述小口径透镜的焦平面处设有信标光探测器二，小口径透镜用于信标光束散角的控制，通过对半导体激光器出射激光的整形，获得合适角度的发射信号光。
[0008]优选地，所述分光镜为波长分光镜，808nm波长光在此分光镜片上反射，1560nm和1540nm波长光在此分光镜片上透射。
[0009]优选地，所述快速反射镜为激光通信跟踪瞄准调整机构，可改变光束传播方向，对光束偏转角度进行控制，所述超前瞄准镜为预瞄调整机构，对激光通信终端相对运动产生的微小角度偏差进行补偿。
[0010]优选地，所述四分之一波片位于快速反射镜和分光镜之间水平安装，所述四分之一波片为偏振光相位调整元件，由一端激光通信终端发射出的信号光，被另一端激光通信终端接收时，经过两次四分之一波片，相位改变二分之一，变为偏振方向与原偏振方向垂直的偏振光。
[0011]优选地，所述单模光纤一和单模光纤二的参数相同，数值孔径为0.12，纤芯直径为8.2μm，中心波长为1550nm。
[0012]优选地，所述信号光激光器和信号光接收探测器为半导体收发一体激光器模块，光收发模块工作的中心波长分为1540nm和1560nm。
[0013]优选地，所述窄带滤光片一和窄带滤光片二的中心波长分别1560nm和808nm，通过滤除杂光使得探测器探测到的光信号更准确。
[0014]优选地，所述信标光探测器一为CMOS光电探测器，探测波长范围为400～1000nm，峰值响应度为0.19A/W。
[0015]优选地，所述信标光探测器二为半导体激光器，工作中心波长为808nm。
[0016]本专利技术采取上述结构取得有益效果如下：本专利技术提供的一种小型化星间激光通信光学系统，1、采用激光收发共光路设计，信号光发射光路和信号光接收光路共用一组光学天线，相比于收发分离光路，此结构布局更加简单；并且光学天线采用离轴两反式结构，相比于透射式的光学天线，可避免光学色差的产生，降低了后续光学系统的装调要求，有利光信号的精确探测；离轴式的光学天线结构也避免了共轴的遮挡，具有更高的光学效率；2、将
激光信标光发射光路移至主光路外部，简化了激光通信光学系统，有效避免了信标光经过分光镜、反射镜、光学天线等一系列光学元件产生的损失，提升了信标光发射效率，有利于激光通信空间链路的快速建立；3、采用了紧凑的分光设计，结合偏振分光方式和波长分光方式，实现了激光通信终端的轻小型化，简化了光学系统相应支撑结构的设计，并且降低了后续光学系统装调加工的难度，有利于产品的快速组装和批量生产，此外，光路中所含光学元件少，有利于激光通信终端的组装和调试，降低生产成本，提升产品生产效率；4、通过单模光纤连接收发一体激光模块和主光路模块，由于光纤可弯本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种小型化星间激光通信光学系统，其特征在于：包括光学天线主镜(1)、次镜(2)、快速反射镜(3)、四分之一波片(4)、分光镜(5)、偏振分光棱镜(6)、超前瞄准镜(7)和偏振片(8)，所述光学天线主镜(1)与次镜(2)的光轴平行且离轴安装，所述光学天线主镜(1)为凹抛物面，所述次镜(2)为凸抛物面，所述快速反射镜(3)位于次镜(2)之后倾斜45
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安装，所述分光镜(5)倾斜45
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安装，所述偏振分光棱镜(6)与分光镜(5)和四分之一波片(4)共轴，所述超前瞄准镜(7)倾斜45
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安装，所述偏振分光棱镜(6)位于分光镜(5)与超前瞄准镜(7)之间，所述偏振片(8)位于超前瞄准镜(7)后竖直安装，所述偏振片(8)为P偏振片。2.根据权利要求1所述的一种小型化星间激光通信光学系统，其特征在于：所述偏振片(8)之后设有准直透镜(9)，所述准直透镜(9)为非球面透镜，所述准直透镜(9)之后设有单模光纤一(10)，所述单模光纤一(10)发射端面在准直透镜(9)的焦平面处，所述单模光纤一(10)后设有信号光激光器(11)，所述偏振分光棱镜(6)后设有窄带滤光片一(12)，所述窄带滤光片一(12)后设有聚焦透镜(13)，所述聚焦透镜(13)为非球面透镜，所述聚焦透镜(13)后设有单模光纤二(14)，所述单模光纤二(14)的接收端面位于聚焦透镜(13)的焦平面处，所述单模光纤二(14)后安装有信号光接收探测器(15)，所述分光镜(5)后设有窄带滤光片二(16)，所述窄带滤光片二(16)后安装有精跟踪相机镜头(17)，所述精跟踪相机镜头(17)的焦平面处安装有信标光探测器一(18)，...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴季，韩五月，安军社，
申请(专利权)人：苏州中科光桥空间技术有限公司，
类型：发明
国别省市：