多點同時空間激光通信系統(tǒng)高效偏振分光技術(shù)研究

王春萌，江倫 ，曹海帥，2，姜會林

（1.長春理工大學(xué) 空地激光通信技術(shù)國防重點學(xué)科實驗室，長春 130022；

2.長春理工大學(xué) 光電工程學(xué)院，長春 130022；3.長春中國光學(xué)科學(xué)技術(shù)館，長春 130117）

隨著信息傳輸量的飛速增長，微波通信已經(jīng)無法滿足未來發(fā)展需要，在軍事國防、空間科學(xué)探索等方面，對大容量、高速率信息傳輸技術(shù)和通信網(wǎng)絡(luò)有著迫切需求。空間激光通信應(yīng)運(yùn)而生、快速發(fā)展，以其速率高、容量大、抗干擾、輕小低耗等優(yōu)點，或?qū)⒊蔀榭臻g數(shù)據(jù)傳輸?shù)闹髁魍ㄐ欧绞剑?，2］。

目前世界各國已成功開展的在軌激光通信試驗基本上都是點對點的，但歐洲、美國及日本都已經(jīng)部署了空間激光通信組網(wǎng)的發(fā)展計劃，如歐空局在2012年開始設(shè)計實施EDRS（歐洲數(shù)據(jù)中繼系統(tǒng)）計劃，構(gòu)想以近地軌道衛(wèi)星——中繼衛(wèi)星——地面站為鏈路建立覆蓋全球的通信網(wǎng)絡(luò)。我國對于激光通信組網(wǎng)的建設(shè)還處于理論與關(guān)鍵技術(shù)研究的初期階段，多點同時空間激光通信相關(guān)技術(shù)的研究將對組網(wǎng)建設(shè)起著重要作用［3］。

在多點同時空間激光通信系統(tǒng)中，主光端機(jī)為收發(fā)共口徑雙工工作，同時可與三個子光端機(jī)進(jìn)行激光通信，采用常用的波長分光方式需要分配12個系統(tǒng)波長，波長分光片的鍍膜難度較大，且不利于通信終端輕量化。而采用偏振分光方式，以左旋/右旋圓偏振光作為通信（信標(biāo)）信號光，利用偏振分光棱鏡（PBS）將其加以分離，可有效的將系統(tǒng)波長數(shù)量減少一半。美國的STVR2激光通信系統(tǒng)就使用了偏振分光的方法［4，5］。然而，激光器發(fā)射功率通常在幾十毫瓦到瓦級左右，接收探測器的靈敏度卻在納瓦量級，由于PBS自身性能限制，信號光經(jīng)過偏振分光棱鏡作用時并不能達(dá)到絕對的透射與反射，雜光對高靈敏度探測器存在嚴(yán)重的信號干擾，這也是偏振分光很少被采用的原因。

對此，本文設(shè)計了多點同時空間激光通信系統(tǒng)中的收發(fā)分光分系統(tǒng)，在采用偏振分光方式的同時，對隔離度進(jìn)行實驗驗證，針對雜光產(chǎn)生的原因制作異形偏光分光棱鏡，使偏振隔離度得到了提高。

1 偏振分光原理

1.1 主光端機(jī)系統(tǒng)組成

主光端機(jī)為激光通信系統(tǒng)的核心單元，從功能上可分為：光束捕獲、跟蹤、對準(zhǔn)（ATP）分系統(tǒng)；激光通信發(fā)射、接收分系統(tǒng)和光學(xué)分系統(tǒng)三個組成部分。其中光學(xué)分系統(tǒng)又包括收發(fā)光學(xué)天線、中繼光學(xué)分系統(tǒng)和收發(fā)分光分系統(tǒng)三部分。其工作原理示意圖如圖1所示。

圖1 主光端機(jī)光學(xué)系統(tǒng)工作原理

光學(xué)天線采用旋轉(zhuǎn)拋物面多反射鏡拼接結(jié)構(gòu)，每片反射鏡均由ATP執(zhí)行機(jī)構(gòu)控制，完成目標(biāo)的穩(wěn)定跟蹤和通信，不同入射角度的信號光將被與之匹配的反射鏡以平行光反射，到達(dá)卡式中繼光學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行縮束，隨后進(jìn)入收發(fā)分光分系統(tǒng)。

收發(fā)分光分系統(tǒng)包括三路，每路中都包括粗跟蹤單元、精跟蹤單元、信標(biāo)發(fā)射單元、通信收發(fā)單元和所有光機(jī)組件，是系統(tǒng)的重要組成部分。以其中一路為例：信標(biāo)收發(fā)信號采用相同波長λ1的右旋及左旋圓偏振光，通信收發(fā)信號采用相同波長λ2的右旋及左旋圓偏振光，通過45°放置的雙色波長分光片將λ1和λ2進(jìn)行分離后，再通過偏振分光棱鏡（PBS）實現(xiàn)信標(biāo)/通信支路右旋及左旋圓偏振光信號的有效隔離。

1.2 偏振分光方案

偏振分光棱鏡利用了反射和折射原理來產(chǎn)生偏振光。在兩個直角玻璃棱鏡之間鍍上高、低折射率交替的多層介質(zhì)薄膜，使光在相鄰介質(zhì)上的入射角為布儒斯特角，然后再膠合起來。當(dāng)任意偏振態(tài)的入射光垂直于棱鏡表面，既以45度角入射多層介質(zhì)薄膜時，將被分成相互垂直的兩束線偏振光——P光與S光，其中P光振動面與紙面平行透射；S光振動方向與紙面垂直、以45度角被反射。

在收發(fā)分光分系統(tǒng)中，利用偏振分光棱鏡P光通過，S光反射的原理，將信號光以不同的偏振態(tài)（左旋圓偏振、右旋圓偏振）加以分離，實現(xiàn)信標(biāo)發(fā)射和接收、通信發(fā)射和接收支路的高度隔離。

圖2 偏振分光原理圖

圖2為收發(fā)分光子光路中偏振分光工作原理。通信（信標(biāo)）發(fā)射激光器所發(fā)出的線偏振光經(jīng)二分之一波片調(diào)整偏振方向后透過偏振分光棱鏡，再經(jīng)過雙四分之一波片進(jìn)行偏振調(diào)整，使得經(jīng)天線發(fā)射的信號光為左旋圓偏振光，目標(biāo)光端機(jī)發(fā)射的右旋圓偏振光信號由主光端機(jī)光學(xué)天線接收，經(jīng)過雙四分之一波片轉(zhuǎn)換為相對于偏振分光棱鏡為S光的線偏振光，被偏振分光棱鏡反射后由通信（信標(biāo)）接收探測器所接收，實現(xiàn)偏振態(tài)分離。

但由于偏振分光棱鏡的透射與反射率都并非百分之百，出射光束（P光）經(jīng)過分光棱鏡的M與N面反向散射到達(dá)S光方向的接收探測器，會對有效信號（S光）產(chǎn)生很大干擾，以致淹沒有效信號，使系統(tǒng)無法正常工作。如圖3所示，當(dāng)P光通過偏振分光面時，若透過率為95%，則另5%的雜光將在棱鏡內(nèi)部反射，其中部分雜光1、2經(jīng)過M與N面反射會到達(dá)接收探測器，影響探測器工作，因此，需要對系統(tǒng)偏振隔離度進(jìn)行驗證，并采取應(yīng)對措施。

圖3 棱鏡內(nèi)部雜光散射示意圖

2 偏振分光實驗

由于在偏振分光方案中，考慮到P光通過棱鏡時產(chǎn)生的雜光對接收探測器的影響，為檢驗其實際偏振分光效率，設(shè)計此偏振分光實驗。

2.1 實驗示意圖

圖4為實驗示意圖。激光器通過保偏光纖準(zhǔn)直器輸出，保持光線的線偏振狀態(tài)與高偏振度，用二分之一波片將偏振方向調(diào)整為P光，再通過偏振分光棱鏡1提高P光偏振度，最終透過待測棱鏡，為降低干擾在待測棱鏡下方放置檢偏器，僅使垂直方向的雜光通過，濾掉其他方向雜光。

圖4 偏振分光實驗示意圖

其中激光發(fā)射波長1550nm，通過保偏光纖準(zhǔn)直器，其插入損耗0.2dB，回波損耗大于60dB，W.D：20mm；二分之一波片為大恒光電生產(chǎn)，型號GCL-060657，波長1550nm，材料為石英晶體，直徑25.4mm，相位延遲1/2，延遲精度λ/100；檢偏器為茂豐光電生產(chǎn)，偏振片型號MPDN-25C-1550，波長1550nm，材料為石英晶體，有效尺寸22mm，效率TP＞95%，Rs＞99%，消光比TP/TS＞500∶1，激光損傷閾值5mw/cm2。

2.2 實驗過程

為檢驗偏振分光隔離度，根據(jù)圖4偏振分光原理圖設(shè)計實驗，如圖5所示。由激光器發(fā)射的線偏振光經(jīng)過其前面的二分之一波片，依次透過偏振分光棱鏡1、待測棱鏡；調(diào)整激光器前的二分之一波片，使得發(fā)出的線偏振光偏振態(tài)為P光；測得A處P光透射功率為10.02dBm，B處反射到探測器功率為-47.25dBm。

圖5 實驗裝置圖

2.3 實驗結(jié)果與分析

經(jīng)計算偏振隔離度為-57.27dB，即采用普通棱鏡的偏振隔離度較低，不能達(dá)到系統(tǒng)要求，需要對普通偏振分光棱鏡進(jìn)行改進(jìn)，以應(yīng)對如圖3所示的光經(jīng)過棱鏡非工作面M和N反向散射到達(dá)S光方向?qū)邮仗綔y器的影響。

3 偏振分光改進(jìn)措施及實驗

3.1 異形偏振分光鏡

考慮到當(dāng)激光器發(fā)射出的光通過偏振分光棱鏡時，散射出的雜光經(jīng)非工作面M及N反射到探測器中，對普通棱鏡進(jìn)行改進(jìn)。將非工作面M、N制成斜面，得到異形分光棱鏡，減少平行于S光方向照射探測器的雜光，重新進(jìn)行偏振分光實驗，如圖6所示。

圖6 改進(jìn)后的異形分光棱鏡及實驗整體圖

3.2 實驗結(jié)果

采用異形偏振分光棱鏡后，測得A處P光透射功率11.17dBm，B處反射到探測器功率-52.93dBm，隔離度為-64.1dB，與采用普通棱鏡相比偏振隔離度有一定的提高。

4 結(jié)論

設(shè)計了多點同時空間激光通信系統(tǒng)中收發(fā)分系統(tǒng)的偏振分光部分，采用此分光方式，可以有效減少系統(tǒng)波長；考慮到激光器發(fā)射的光束經(jīng)過偏振分光棱鏡作用時并非100%透射，為減少其雜光的反向散射對高靈敏度探測器的干擾，采用異形分光棱鏡，經(jīng)實驗測算偏振隔離度可達(dá)到-64.1dB。該研究為多點同時激光通信等共孔徑收發(fā)系統(tǒng)的多光束隔離提供理論依據(jù)及技術(shù)支持。

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