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单波长激光通信终端的隔离度

高伟饶 董科研 江伦

高伟饶, 董科研, 江伦. 单波长激光通信终端的隔离度[J]. 中国光学(中英文), 2023, 16(5): 1137-1148. doi: 10.37188/CO.2022-0253
引用本文: 高伟饶, 董科研, 江伦. 单波长激光通信终端的隔离度[J]. 中国光学(中英文), 2023, 16(5): 1137-1148. doi: 10.37188/CO.2022-0253
GAO Wei-rao, DONG Ke-yan, JIANG Lun. Isolation of single wavelength laser communication terminals[J]. Chinese Optics, 2023, 16(5): 1137-1148. doi: 10.37188/CO.2022-0253
Citation: GAO Wei-rao, DONG Ke-yan, JIANG Lun. Isolation of single wavelength laser communication terminals[J]. Chinese Optics, 2023, 16(5): 1137-1148. doi: 10.37188/CO.2022-0253

单波长激光通信终端的隔离度

doi: 10.37188/CO.2022-0253
基金项目: 国家自然科学基金资助项目(No. U2141231,No. 91838301)
详细信息
    作者简介:

    高伟饶(1993—),男,吉林长春人,硕士研究生,2023年于长春理工大学光电工程学院获得硕士学位,主要研究方向为空间激光通信。E-mail:1195671019@qq.com

    董科研(1980—),男,吉林长春人,博士,研究员,博士生导师,主要从事光学系统设计、激光通信和光谱仪器设计等方面的研究。E-mail:dongkeyan@163.com

    江 伦(1984—),男,吉林长春人,博士,副研究员,博士生导师,2012于中国科学院长春光学精密机械与物理研究所获得博士学位,主要从事光学系统设计、空间光学与空间光通信技术的研究。E-mail:jlciomp @163.com

  • 中图分类号: TN929.13

Isolation of single wavelength laser communication terminals

Funds: Supported by National Natural Science Foundation of China (No.U2141231, No.91838301)
More Information
  • 摘要:

    单波长激光通信终端之间数据通信时,信号传输与接收间良好的隔离性能是建立双工双向激光通信的关键。本文针对单个激光波长激光通信端机的传输与接收方案,以及激光通信终端整体的通信性能,分析了关键元器件的表面粗糙度和表面清洁度水平对激光通信终端隔离性能的影响。通过Harvey模型、ABg模型推导模型参数。利用TracePro软件对所设计的方案进行分析。得出以下结论:当信号传输通道中λ/2波片、λ/4波片和光学天线结构的表面粗糙度变好或者表面清洁度提升时,元件带来的后向散射会降低信号传输通道内的隔离性能。同时,激光通信终端隔离度的测量结果为77.86 dB,与软件仿真结果78.35 dB基本一致,这一结果可以应用于激光通信系统。

     

  • 图 1  激光通信整体结构

    Figure 1.  Structure of the laser communication system

    图 2  Harvey模型与ABg模型

    Figure 2.  Harvey and ABg models

    图 3  CL分别为200、400、600、800时对应的Nβ1之间关系

    Figure 3.  The relationship between N and β1 when CL are 200, 400, 600 and 800, respectively

    图 4  光学设计整体布局图

    Figure 4.  Overall layout diagram of optical design

    图 5  光学系统的MTF曲线

    Figure 5.  MTF of the designed optical system

    图 6  光学机械结构

    Figure 6.  Optical-mechanical structures

    图 7  不同表面粗糙度下的端机接收面光通量。(a)3 nm;(b)6 nm;(c)9 nm;(d)12 nm;(e)15 nm

    Figure 7.  The luminous flux of the receiving surfaces under different surface roughnesses. (a) 3 nm; (b) 6 nm; (c) 9 nm; (d) 12 nm; (e) 15 nm

    图 8  不同表面粗糙度下的端机隔离度曲线

    Figure 8.  Isolation curve under different surface roughnesses

    图 9  不同表面粗糙度端机隔离度Matlab曲线

    Figure 9.  Matlab curve of end machine’s isolation with surface roughness

    图 10  不同的清洁度水平端机接收面光通量。(a)CL=200;(b)CL=400;(c)CL=600;(d)CL=800

    Figure 10.  The luminous flux of the receiving surface with different contamination levels. (a) CL=200; (b) CL=400; (c) CL=600; (d) CL=800

    图 11  不同清洁度水平的隔离度曲线

    Figure 11.  Isolation curve of different contamination level

    图 12  不同清洁度水平的隔离度Matlab曲线

    Figure 12.  Matlab curve of isolation with different contamination levels

    图 13  激光通信终端隔离度双变量分析图

    Figure 13.  Two-variable analysis diagram of laser communication terminal isolation

    图 14  不同表面清洁度BRDF曲线

    Figure 14.  BRDF curves of different contamination levels

    图 15  粗糙度为0.5 nm端机接收面光通量

    Figure 15.  Terminal’s receiving surface light flux with surface roughness of 0.5 nm

    图 16  隔离度测试端机

    Figure 16.  Isolation test setup

    表  1  不同表面粗糙度ABg模型参数

    Table  1.   ABg model parameters for different surface roughnesses

    表面粗糙度(nm)ABg
    34.2365×10−54.4415×10−51.55
    61.6940×10−44.4415×10−51.55
    93.8130×10−44.4415×10−51.55
    126.7787×10−44.4415×10−51.55
    151.0580×10−34.4415×10−51.55
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    表  2  不同表面粗糙度光学天线ABg模型参数

    Table  2.   ABg model parameters of the optical antenna with different surface roughnesses

    表面粗糙度(nm)ABg
    主镜33.0643×10−54.4415×10−51.55
    61.2257×10−44.4415×10−51.55
    92.7579×10−44.4415×10−51.55
    124.8737×10−44.4415×10−51.55
    157.6152×10−44.4415×10−51.55
    次镜34.0426×10−54.4415×10−51.55
    61.6171×10−44.4415×10−51.55
    93.6384×10−44.4415×10−51.55
    126.4682×10−44.4415×10−51.55
    151.0106×10−34.4415×10−51.55
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    表  3  不同清洁度(CL)ABg模型参数

    Table  3.   ABg model parameters for different contamination levels

    表面清洁度CLABg
    2007.237×10−66.102×10−51.5
    4001.685×10−46.102×10−51.5
    6001.271×10−36.102×10−51.5
    8005.769×10−36.102×10−51.5
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    表  4  光学设计指标

    Table  4.   Optical design indexes

    指标参数
    倍率10×
    入瞳直径/mm75
    设计波长/nm1550
    最大接收视场/mrad5
    激光发射功率/dBm33
    接收器灵敏度−45 dBm@10 Gbps
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    表  5  隔离度测试结果

    Table  5.   Test results of isolation

    123平均值
    发射功率/dBm282930
    通信接收功率/dBm−49.8−49.0−47.8
    隔离度/dB77.878.077.877.86
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出版历程
  • 收稿日期:  2022-12-12
  • 修回日期:  2023-01-06
  • 录用日期:  2023-04-04
  • 网络出版日期:  2023-05-05

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