本發(fā)明屬于空間激光通信技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種偏振隔離收發(fā)一體光學(xué)天線。

背景技術(shù)：

現(xiàn)階段，隨著空間應(yīng)用領(lǐng)域的發(fā)展和各種信息需求量的大幅增加，特別是衛(wèi)星激光通信技術(shù)成為大容量高速率空間通信領(lǐng)域的重要研究方向。該技術(shù)是以激光作為信息載體進(jìn)行信息交換和傳輸，具有廣闊的軍用和民用應(yīng)用前景。由于在傳輸速率、容量、體積、重量和功耗等方面占有很大優(yōu)勢(shì)，美國(guó)、歐洲、日本等國(guó)家已經(jīng)全面展開(kāi)了對(duì)該領(lǐng)域的研究工作，已完成多次星地和星間激光通信實(shí)驗(yàn)。

只有通過(guò)激光星間鏈路使得多個(gè)小衛(wèi)星組成空間光通信網(wǎng)絡(luò)，才能夠充分利用空間資源。衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)只有通過(guò)足夠數(shù)量的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)和其間的相應(yīng)鏈路才能獲得優(yōu)良通信流量的分配，增強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)克服鏈路或節(jié)點(diǎn)故障的能力。

由于收發(fā)分離的光學(xué)系統(tǒng)體積和重量較大，難以滿(mǎn)足小衛(wèi)星載荷的要求，故衛(wèi)星光通信中較少使用。目前的衛(wèi)星光通信終端大部分采用收發(fā)同軸光學(xué)系統(tǒng)，為了實(shí)現(xiàn)收發(fā)隔離，發(fā)射信號(hào)光和接收信號(hào)光多采用不同波長(zhǎng)，或者上行鏈路和下行鏈路不對(duì)稱(chēng)，這使得光學(xué)通信終端的兼容性受到了極大限制。故需要研制一種接收光和發(fā)射光能夠有效隔離且收發(fā)一體的光學(xué)天線。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是為了克服上述技術(shù)和方法的不足和缺點(diǎn)，設(shè)計(jì)一種偏振隔離收發(fā)一體光學(xué)天線，利用偏振光學(xué)技術(shù)隔離接收光和發(fā)射光，實(shí)現(xiàn)收發(fā)一體光學(xué)天線。本發(fā)明與收發(fā)分離結(jié)構(gòu)的光學(xué)天線相比大大減小了系統(tǒng)質(zhì)量和體積，與采用不同收發(fā)波長(zhǎng)的光學(xué)天線相比，實(shí)現(xiàn)了任意兩點(diǎn)間的通信互聯(lián)，從而極大提高了光通信網(wǎng)的可靠性和有效性。

本發(fā)明設(shè)計(jì)的一種偏振隔離收發(fā)一體光學(xué)天線包括一個(gè)激光發(fā)射模塊，一個(gè)光接收模塊和一個(gè)光學(xué)天線，激光發(fā)射模塊發(fā)出的激光束通過(guò)由一個(gè)λ/4波片和第二λ/2波片構(gòu)成的波片組，激光束變?yōu)閟偏振的線偏振光，然后通過(guò)一個(gè)偏振分束器，s偏振光無(wú)損耗反射或者透射輸出到第一λ/2波片，第一λ/2波片的快軸方向和s偏振光的偏振方向夾角為22.5°，通過(guò)第一λ/2波片出射的偏振光的偏振方向被調(diào)制為和原偏振方向呈45°角的線偏振光。λ/2波片使入射方位角為θ的偏振光的偏振角度旋轉(zhuǎn)為2θ。通過(guò)第一λ/2波片出射的偏振光的偏振方向被調(diào)制為和對(duì)端的第一λ/2波片快軸方向呈67.5°角的線偏振光，將發(fā)射的偏振光經(jīng)準(zhǔn)直鏡后通過(guò)光學(xué)天線發(fā)射。

所述光學(xué)天線接收信號(hào)時(shí)，光學(xué)天線接收的入射光信號(hào)經(jīng)準(zhǔn)直鏡后達(dá)到第一λ/2波片，接收信號(hào)光經(jīng)第一λ/2波片透射后，被調(diào)制為p偏振的線偏振光，再通過(guò)偏振分束器無(wú)損耗輸出，經(jīng)聚光鏡達(dá)到光接收模塊被其探測(cè)器接收；偏振分束器輸出接收光的方式與發(fā)射光通過(guò)偏振分束器的方式不同，偏振分束器輸出的接收光的光路與進(jìn)入偏振分束器發(fā)射光光路相互垂直。

在接收端，光學(xué)天線的結(jié)構(gòu)和發(fā)射端相同，接收端和發(fā)射端的光學(xué)天線相對(duì)放置,二光學(xué)天線的第一λ/2波片快軸方向成45°。

本發(fā)明的光學(xué)天線集發(fā)射天線和接收天線為一體，實(shí)現(xiàn)了收發(fā)信號(hào)光的分離。

本發(fā)明用偏振光學(xué)技術(shù)隔離接收光和發(fā)射光，本端發(fā)射的信號(hào)光盡可能的少進(jìn)入本端的接收系統(tǒng)。本發(fā)明設(shè)計(jì)的收發(fā)一體光學(xué)天線中的半波片的前后表面雖有反射光，本設(shè)計(jì)可抑制各半波片表面的反射光進(jìn)入本端接收系統(tǒng)。具體分析如下：

第一λ/2波片靠近偏振分束器的前表面反射光的偏振方向和發(fā)射光方向一致，該反射光不會(huì)到達(dá)探測(cè)器。反射光矩陣表達(dá)式為：

透過(guò)第一λ/2波片前表面的發(fā)射光經(jīng)過(guò)第一λ/2波片，到達(dá)第一λ/2波片后表面部分被反射，后表面反射的光的偏振狀態(tài)由矩陣及決定，即正向透過(guò)第一λ/2波片及后向反射回第一λ/2波片的瓊斯矩陣。第一λ/2波片靠近天線的后表面反射的光的偏振方向和發(fā)射光方向一致，該反射光也不能到達(dá)探測(cè)器，反射光矩陣表達(dá)式為：

同理，本天線其他光學(xué)元件表面反射的光的偏振方向和發(fā)射光方向也一致，故各光學(xué)元件表面反射的光均不能到達(dá)探測(cè)器。

本發(fā)明的另一方案為：所述由一個(gè)λ/4波片和第二λ/2波片構(gòu)成的波片組替換為一個(gè)調(diào)制s偏振線偏振光的起偏器。

所述激光發(fā)射模塊發(fā)出的激光束波長(zhǎng)λ范圍為760nm～1650nm。

所述激光發(fā)射模塊發(fā)出的激光束先通過(guò)一個(gè)第二準(zhǔn)直鏡再進(jìn)入由一個(gè)λ/4波片和第二λ/2波片構(gòu)成的波片組，或者進(jìn)入起偏器。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明一種偏振隔離收發(fā)一體光學(xué)天線的優(yōu)點(diǎn)為：1、與傳統(tǒng)的收發(fā)分離天線相比，大大減輕了系統(tǒng)重量和體積，對(duì)功耗的要求更低；2、與收發(fā)天線采用不同波長(zhǎng)的光學(xué)天線相比，具有組網(wǎng)更方便，可靠性更高；3、與傳統(tǒng)的基于偏振隔離的技術(shù)相比，實(shí)現(xiàn)發(fā)射信號(hào)光與接收信號(hào)光的分離，并實(shí)現(xiàn)對(duì)反射信號(hào)光更加優(yōu)越的隔離，極大提高了系統(tǒng)的接收信噪比；4、因本發(fā)明重量和體積小，且可靠性提高，特別適宜用于衛(wèi)星光通信，實(shí)現(xiàn)任意兩顆衛(wèi)星的互聯(lián)通信。

附圖說(shuō)明

圖1為本偏振隔離收發(fā)一體光學(xué)天線實(shí)施例1結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為本偏振隔離收發(fā)一體光學(xué)天線實(shí)施例1從本端發(fā)射光傳播方向看過(guò)去，第一λ/2波片快軸與s線偏振光的偏振方向的夾角示意圖；

圖3為本偏振隔離收發(fā)一體光學(xué)天線實(shí)施例2結(jié)構(gòu)示意圖。

圖中標(biāo)號(hào)為：

1、光學(xué)天線，2、準(zhǔn)直鏡，3、第一λ/2波片，4、偏振分束器，5、聚光鏡，6、光接收模塊，7、第二λ/2波片，8、λ/4波片，9、第二準(zhǔn)直鏡，10、激光發(fā)射模塊，11、起偏器。

①接收端接收的信號(hào)光通過(guò)其第一λ/2波片后的偏振方向，②接收端的第一λ/2波片快軸方向，③發(fā)射端經(jīng)過(guò)波片組后的s偏振光的偏振方向，④發(fā)射端第一λ/2波片快軸方向，⑤發(fā)射端的發(fā)射信號(hào)光通過(guò)第一λ/2波片后的偏振方向。

具體實(shí)施方式

為了使本發(fā)明技術(shù)方案更加清晰，下面結(jié)合附圖，對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步的詳細(xì)說(shuō)明。

實(shí)施例1

本偏振隔離收發(fā)一體光學(xué)天線實(shí)施例1如圖1所示，包括一個(gè)激光發(fā)射模塊10，第二準(zhǔn)直鏡9，由一個(gè)λ/4波片8和第二λ/2波片7構(gòu)成的波片組，偏振分束器4，第一λ/2波片3，準(zhǔn)直鏡2，聚光鏡5，一個(gè)光接收模塊6和一個(gè)光學(xué)天線1。

本例激光發(fā)射模塊10發(fā)出的激光束波長(zhǎng)λ＝1550nm，激光束通過(guò)第二準(zhǔn)直鏡9和由一個(gè)λ/4波片8和第二λ/2波片7構(gòu)成的波片組，激光束變?yōu)閟偏振的線偏振光，然后通過(guò)一個(gè)偏振分束器4的反射s偏振光無(wú)損耗輸出到第一λ/2波片3，第一λ/2波片3的快軸方向和s偏振光的偏振方向夾角為22.5°，通過(guò)第一λ/2波片3的將發(fā)射的偏振光的偏振方向、被調(diào)制為和原偏振方向呈45°角的線偏振光。即通過(guò)第一λ/2波片3的將發(fā)射的偏振光的偏振方向被調(diào)制為和對(duì)端的第一λ/2波片快軸方向呈67.5°角的線偏振光，將發(fā)射的偏振光經(jīng)準(zhǔn)直鏡2后通過(guò)光學(xué)天線1發(fā)射。

本例光學(xué)天線1接收信號(hào)時(shí)，光學(xué)天線1接收的入射光信號(hào)經(jīng)準(zhǔn)直鏡2后達(dá)到第一λ/2波片3，接收信號(hào)光經(jīng)第一λ/2波片3透射后，被調(diào)制為p偏振的線偏振光，再通過(guò)偏振分束器4無(wú)損耗透過(guò)輸出，經(jīng)聚光鏡5達(dá)到光接收模塊6被其探測(cè)器接收；偏振分束器4輸出的接收光的光路與進(jìn)入偏振分束器4的發(fā)射光光路相互垂直。

本例收發(fā)兩端的光通信的偏振隔離收發(fā)一體光學(xué)天線為相同光學(xué)結(jié)構(gòu)，相對(duì)放置，如圖2所示，沿著本端發(fā)射光的方向看過(guò)去，本端第一λ/2波片3快軸與s偏振光的偏振方向夾角為22.5°，而對(duì)端第一λ/2波片快軸與s偏振光的偏振方向夾角為-22.5°，即以快軸方向繞s偏振方向順時(shí)針旋轉(zhuǎn)的角度為正，逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)角度為負(fù)。即相對(duì)的兩個(gè)光學(xué)天線的第一λ/2波片快軸方向成45°。

本例線偏振光的偏振方向和第一λ/2波片快軸方向的夾角如圖2所示，圖2中的5個(gè)箭頭由左至右依次為①接收端的接收信號(hào)光通過(guò)第一λ/2波片后的偏振方向，②接收端的第一λ/2波片快軸方向，③發(fā)射端經(jīng)過(guò)波片組后的s偏振光的偏振方向，④發(fā)射端第一λ/2波片快軸方向，⑤發(fā)射端的發(fā)射信號(hào)光通過(guò)第一λ/2波片后的偏振方向。由圖中清晰可見(jiàn)，發(fā)射端第一λ/2波片快軸方向④與接收端的第一λ/2波片快軸方向②的夾角為45°。發(fā)射端s偏振光的偏振方向③與發(fā)射端第一λ/2波片快軸方向④的夾角為22.5°，通過(guò)第一λ/2波片后的發(fā)射信號(hào)光偏振方向⑤與原s偏振光的偏振方向③夾角為45°，且與接收端的第一λ/2波片快軸方向②成67.5°。接收端的接收信號(hào)光通過(guò)第一λ/2波片后的偏振方向①與其經(jīng)過(guò)波片組后的發(fā)射信號(hào)光的s偏振光的偏振方向③成90°?？梢?jiàn)本例集發(fā)射天線和接收天線為一體的光學(xué)天線有效實(shí)現(xiàn)了收發(fā)信號(hào)光的偏振隔離。

實(shí)施例2

本偏振隔離收發(fā)一體光學(xué)天線實(shí)施例2如圖3所示，其結(jié)構(gòu)與實(shí)施例1相似，只是實(shí)施例1中的由一個(gè)λ/4波片8和第二λ/2波片7構(gòu)成的波片組替換為一個(gè)調(diào)制s偏振線偏振光的起偏器11。

上述實(shí)施例，僅為對(duì)本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和有益效果進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明的具體個(gè)例，本發(fā)明并非限定于此。凡在本發(fā)明的公開(kāi)的范圍之內(nèi)所做的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。