多点同时空间激光通信系统高效偏振分光技术研究

王春萌，江伦 ，曹海帅，2，姜会林

（1.长春理工大学 空地激光通信技术国防重点学科实验室，长春 130022；

2.长春理工大学 光电工程学院，长春 130022；3.长春中国光学科学技术馆，长春 130117）

随着信息传输量的飞速增长，微波通信已经无法满足未来发展需要，在军事国防、空间科学探索等方面，对大容量、高速率信息传输技术和通信网络有着迫切需求。空间激光通信应运而生、快速发展，以其速率高、容量大、抗干扰、轻小低耗等优点，或将成为空间数据传输的主流通信方式［1，2］。

目前世界各国已成功开展的在轨激光通信试验基本上都是点对点的，但欧洲、美国及日本都已经部署了空间激光通信组网的发展计划，如欧空局在2012年开始设计实施EDRS（欧洲数据中继系统）计划，构想以近地轨道卫星——中继卫星——地面站为链路建立覆盖全球的通信网络。我国对于激光通信组网的建设还处于理论与关键技术研究的初期阶段，多点同时空间激光通信相关技术的研究将对组网建设起着重要作用［3］。

在多点同时空间激光通信系统中，主光端机为收发共口径双工工作，同时可与三个子光端机进行激光通信，采用常用的波长分光方式需要分配12个系统波长，波长分光片的镀膜难度较大，且不利于通信终端轻量化。而采用偏振分光方式，以左旋/右旋圆偏振光作为通信（信标）信号光，利用偏振分光棱镜（PBS）将其加以分离，可有效的将系统波长数量减少一半。美国的STVR2激光通信系统就使用了偏振分光的方法［4，5］。然而，激光器发射功率通常在几十毫瓦到瓦级左右，接收探测器的灵敏度却在纳瓦量级，由于PBS自身性能限制，信号光经过偏振分光棱镜作用时并不能达到绝对的透射与反射，杂光对高灵敏度探测器存在严重的信号干扰，这也是偏振分光很少被采用的原因。

对此，本文设计了多点同时空间激光通信系统中的收发分光分系统，在采用偏振分光方式的同时，对隔离度进行实验验证，针对杂光产生的原因制作异形偏光分光棱镜，使偏振隔离度得到了提高。

1 偏振分光原理

1.1 主光端机系统组成

主光端机为激光通信系统的核心单元，从功能上可分为：光束捕获、跟踪、对准（ATP）分系统；激光通信发射、接收分系统和光学分系统三个组成部分。其中光学分系统又包括收发光学天线、中继光学分系统和收发分光分系统三部分。其工作原理示意图如图1所示。

图1 主光端机光学系统工作原理

光学天线采用旋转抛物面多反射镜拼接结构，每片反射镜均由ATP执行机构控制，完成目标的稳定跟踪和通信，不同入射角度的信号光将被与之匹配的反射镜以平行光反射，到达卡式中继光学系统进行缩束，随后进入收发分光分系统。

收发分光分系统包括三路，每路中都包括粗跟踪单元、精跟踪单元、信标发射单元、通信收发单元和所有光机组件，是系统的重要组成部分。以其中一路为例：信标收发信号采用相同波长λ1的右旋及左旋圆偏振光，通信收发信号采用相同波长λ2的右旋及左旋圆偏振光，通过45°放置的双色波长分光片将λ1和λ2进行分离后，再通过偏振分光棱镜（PBS）实现信标/通信支路右旋及左旋圆偏振光信号的有效隔离。

1.2 偏振分光方案

偏振分光棱镜利用了反射和折射原理来产生偏振光。在两个直角玻璃棱镜之间镀上高、低折射率交替的多层介质薄膜，使光在相邻介质上的入射角为布儒斯特角，然后再胶合起来。当任意偏振态的入射光垂直于棱镜表面，既以45度角入射多层介质薄膜时，将被分成相互垂直的两束线偏振光——P光与S光，其中P光振动面与纸面平行透射；S光振动方向与纸面垂直、以45度角被反射。

在收发分光分系统中，利用偏振分光棱镜P光通过，S光反射的原理，将信号光以不同的偏振态（左旋圆偏振、右旋圆偏振）加以分离，实现信标发射和接收、通信发射和接收支路的高度隔离。

图2 偏振分光原理图

图2为收发分光子光路中偏振分光工作原理。通信（信标）发射激光器所发出的线偏振光经二分之一波片调整偏振方向后透过偏振分光棱镜，再经过双四分之一波片进行偏振调整，使得经天线发射的信号光为左旋圆偏振光，目标光端机发射的右旋圆偏振光信号由主光端机光学天线接收，经过双四分之一波片转换为相对于偏振分光棱镜为S光的线偏振光，被偏振分光棱镜反射后由通信（信标）接收探测器所接收，实现偏振态分离。

但由于偏振分光棱镜的透射与反射率都并非百分之百，出射光束（P光）经过分光棱镜的M与N面反向散射到达S光方向的接收探测器，会对有效信号（S光）产生很大干扰，以致淹没有效信号，使系统无法正常工作。如图3所示，当P光通过偏振分光面时，若透过率为95%，则另5%的杂光将在棱镜内部反射，其中部分杂光1、2经过M与N面反射会到达接收探测器，影响探测器工作，因此，需要对系统偏振隔离度进行验证，并采取应对措施。

图3 棱镜内部杂光散射示意图

2 偏振分光实验

由于在偏振分光方案中，考虑到P光通过棱镜时产生的杂光对接收探测器的影响，为检验其实际偏振分光效率，设计此偏振分光实验。

2.1 实验示意图

图4为实验示意图。激光器通过保偏光纤准直器输出，保持光线的线偏振状态与高偏振度，用二分之一波片将偏振方向调整为P光，再通过偏振分光棱镜1提高P光偏振度，最终透过待测棱镜，为降低干扰在待测棱镜下方放置检偏器，仅使垂直方向的杂光通过，滤掉其他方向杂光。

图4 偏振分光实验示意图

其中激光发射波长1550nm，通过保偏光纤准直器，其插入损耗0.2dB，回波损耗大于60dB，W.D：20mm；二分之一波片为大恒光电生产，型号GCL-060657，波长1550nm，材料为石英晶体，直径25.4mm，相位延迟1/2，延迟精度λ/100；检偏器为茂丰光电生产，偏振片型号MPDN-25C-1550，波长1550nm，材料为石英晶体，有效尺寸22mm，效率TP＞95%，Rs＞99%，消光比TP/TS＞500∶1，激光损伤阈值5mw/cm2。

2.2 实验过程

为检验偏振分光隔离度，根据图4偏振分光原理图设计实验，如图5所示。由激光器发射的线偏振光经过其前面的二分之一波片，依次透过偏振分光棱镜1、待测棱镜；调整激光器前的二分之一波片，使得发出的线偏振光偏振态为P光；测得A处P光透射功率为10.02dBm，B处反射到探测器功率为-47.25dBm。

图5 实验装置图

2.3 实验结果与分析

经计算偏振隔离度为-57.27dB，即采用普通棱镜的偏振隔离度较低，不能达到系统要求，需要对普通偏振分光棱镜进行改进，以应对如图3所示的光经过棱镜非工作面M和N反向散射到达S光方向对接收探测器的影响。

3 偏振分光改进措施及实验

3.1 异形偏振分光镜

考虑到当激光器发射出的光通过偏振分光棱镜时，散射出的杂光经非工作面M及N反射到探测器中，对普通棱镜进行改进。将非工作面M、N制成斜面，得到异形分光棱镜，减少平行于S光方向照射探测器的杂光，重新进行偏振分光实验，如图6所示。

图6 改进后的异形分光棱镜及实验整体图

3.2 实验结果

采用异形偏振分光棱镜后，测得A处P光透射功率11.17dBm，B处反射到探测器功率-52.93dBm，隔离度为-64.1dB，与采用普通棱镜相比偏振隔离度有一定的提高。

4 结论

设计了多点同时空间激光通信系统中收发分系统的偏振分光部分，采用此分光方式，可以有效减少系统波长；考虑到激光器发射的光束经过偏振分光棱镜作用时并非100%透射，为减少其杂光的反向散射对高灵敏度探测器的干扰，采用异形分光棱镜，经实验测算偏振隔离度可达到-64.1dB。该研究为多点同时激光通信等共孔径收发系统的多光束隔离提供理论依据及技术支持。

［1］姜会林，安岩，张雅琳，等.空间激光通信现状、发展趋势及关键技术分析［J］.飞行器测控学报，2015，34（3）：207-217.

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［11］王春萌.多点同时空间激光通信系统中偏振分光技术研究［D］.长春：长春理工大学，2017.