单波长激光通信终端的隔离度.pdf
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1、文章编号2097-1842(2023)05-1137-12单波长激光通信终端的隔离度高伟饶1,2,董科研1,2*,江伦1,2(1.长春理工大学光电工程学院,吉林长春130022;2.长春理工大学空间光电技术研究所,吉林长春130022)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
2、以下结论:当信号传输通道中/2 波片、/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 77.86dB,与软件仿真结果 78.35dB 基本一致,这一结果可以应用于激光通信系统。关键词:激光通信;杂散光分析;隔离度;表面粗糙度;表面清洁度中图分类号:TN929.13文献标志码:Adoi:10.37188/CO.2022-0253IsolationofsinglewavelengthlasercommunicationterminalsGAOWei-rao1,2,DONGKe-yan1,2*,JI
3、ANGLun1,2(1.School of Photoelectric Engineering,Changchun University of Science and Technology,Changchun 130022,China;2.Institute of Space Optoelectronic Technology,Changchun University of Science andTechnology,Changchun 130022,China)*Corresponding author,E-mail:Abstract:Fordatacommunicationbetweens
4、inglewavelengthlasercommunicationterminals,goodisola-tionbetweensignaltransmissionandreceptionisthekeytoestablishingduplexbidirectionallasercommu-nication.Inthispaper,withrespecttothetransmissionandreceptionschemeofasinglelaserwavelengthlasercommunicationterminalanditsoverallcommunicationperformance
5、,theinfluenceofthesurfacerough-nessandcontaminationlevelofkeycomponentsontheisolationperformanceofthelasercommunicationter-minalisanalyzed.ThemodelparametersarederivedfromHarveymodelandABgmodel,andthedesignedschemeisanalyzedusingTraceProsoftware.Whenthesurfaceroughnessorcontaminationlevelof/2wavepla
6、te,/4waveplateandopticalantennastructureinthesignaltransmissionchannelisimproved,thebacks-catteringcausedbytheseelementswillreducetheisolationperformanceinthesignaltransmissionchannel.收稿日期:2022-12-12;修订日期:2023-01-06基金项目:国家自然科学基金资助项目(No.U2141231,No.91838301)SupportedbyNationalNaturalScienceFoundation
7、ofChina(No.U2141231,No.91838301)第16卷第5期中国光学(中英文)Vol.16No.52023 年 9 月ChineseOpticsSept.2023Atthesametime,themeasurementresultoflasercommunicationterminalisolationis77.86dB,whichisba-sicallyconsistentwiththesoftwaresimulationresultof78.35dB.Thiscanbeappliedinlasercommunica-tionsystem.Keywords:lasercom
8、munication;straylightanalysis;isolation;roughness;contaminationlevel1引言空间激光通信具有通信频带宽、数据传输速度快、良好的性价比、易于部署和通信安全等优点,系统整体体积小、重量轻、功耗低,在很多领域均有需求1-3。因此,一对一、一对多的空间激光通信得到了高速发展4-6。目前,空间激光通信多采用收发一体式的双工通信,即信号的接收和发射使用共同的光学天线。这种方法既节省了空间又提高了通信效率7。但在通信发射阶段整体光学系统内的光机等器件会产生后向散射光,杂散光会通过光路返回并进入探测器,从而造成信噪比降低,甚至直接吞灭接收到的信
9、号,严重影响通信质量。吕博8等人针对同轴两反射镜在未使用主镜筒外遮光罩的前提下,对次镜遮光罩进行优化设计以实现杂散光抑制。验证了紧凑型大视场折反射光学杂散光抑制结构的可行性。夏方圆9等人通过对卡塞格伦光学天线的次镜打孔和在光路中增加光陷阱的方式抑制后向散射,提高系统隔离度。曲杨10等人在 3D 激光视觉系统中,利用偏振分光隔离的方法,以及通过旋转一定角度来降低/4 波片表面反射杂散光,上述方法均达到了较好的隔离效果。然而,目前针对激光通信系统中光学单元的加工工艺与光学设计结构相结合的研究相对较少,因此有必要通过激光通信系统中光学单元的加工工艺要求与光学设计结构对共口径通信结构的隔离效果进行详细
10、分析。本文设计了一个由抛物面反射镜和透镜组成的离轴抛物面反射式光学结构,对结构中透镜元件的表面粗糙度和透镜元件表面清洁度两方面展开研究,并对激光通信终端进行仿真分析。最后得出以下结论:终端内关键元件表面粗糙度会影响隔离性能,隔离度随粗糙度的增大逐渐变小。同时,在同等条件下,随着各个元件表面清洁度水平的提高,激光通信终端内隔离性能也会逐渐降低。2整体结构设计为满足激光通信系统的设备要求,本文设计了一种收发一体的双工通信模式,如图 1 所示。本方案中使用 56偏振分光棱镜进行偏振分光。常用的 45偏振分光棱镜以 45角入射,反射光与入射光成 90角,本方案与其不同。本方案中,光束以布儒斯特角入射,
11、反射光与折射光互相垂直。这样可以相对减少由棱镜透射的部分偏振光在通道壁反射后的回光对信号接收端的影响。ReflectingmirrorReflectingmirrorReflectingmirrorPolarizationanalyzer56 PBSBeamsplitterSignal lightCommunicationreceivingSignalreceivingReflectingmirrorOpticalantenna1/2 wave plate1/2 wave plate1/4 wave plate图1激光通信整体结构Fig.1Structureofthelasercommunic
12、ationsystem同时,由图 1 可以看出整体的工作情况如下:信号光通过/2 波片调整偏振方向,S 线偏振光经 56偏振分光棱镜反射到/2 波片、/4 波片,偏振态转换为圆偏振光,由光学天线发射信号。信号接收时,光学天线接收到圆偏振光后,经过/2 波片、/4 波片转换为 P 线偏振光,最后由56偏振分光棱镜和检偏器同时对 P 线偏振光以外的杂散光进行隔离,并由信号接收机对信号进行接收分析。但在信号传输过程中,其他光学元件和天线结构所产生的表面散射仍然会以杂散光的形式到达信号接收端,导致信噪比下降。所以需要分析光学天线和整体结构中的影响因素,提高系统通道内的隔离度。1138中国光学(中英文)
13、第16卷3杂散光分析理论基础3.1隔离度模型定义本文主要研究信号光在传输过程中对信号接收端的影响。根据信号光收发通道隔离的定义,隔离度可以写为11:IS=10log(ErEi),(1)EiEr其中:表示信号光的发射功率,表示信号接收端的杂散光功率。设发射信号光 S 线偏振光琼斯矢量为:E1=01,(2)信号光在系统中传输的过程中,信号接收端接收到的光学系统中的后向辐射杂散光功率可表述为11:Pr=IrFBRDF,(3)IrFBRDF式中:表示信号接收端接收到的杂光光强,表示信号接收的立体角,表示光学系统中光学元件表面的双向反射函数。使用 Kirchhof 理论对双向反射分布函数(Bi-dire
14、ctionalReflectanceDistributionFunction,BRDF)建模,表示元件表面反射及散射情况12。则粗糙元件表面反射光可以表示为:FBRDF=Fsp+Fdd+Fud,(4)FspFddFudFud一般包括镜面反射,表示漫反射或者说是镜面反射和漫反射之间的反射,表示均匀漫反射。通常,镜面反射是部分偏振的,并且相对于照明区域的局部表面法线指向镜面方向。但是当镜面反射的一部分光入射到材料表面的另一部分上时,则会产生镜面反射偏振的部分偏振,并且再次指向相对于该照明区域的局部表面法线的镜面方向。重复多次会导致散射,该散射是非偏振的。所以本文只考虑均匀漫反射产生的偏振相关杂光对
15、信号接收端的影响。公式(4)可写为:FBRDF=Fud.(5)总积分反射(TotalIntegratedScatter,TIS)13作为元件材料表面的一个重要光学特性,可以表达元件表面的均方粗糙度。其与粗糙度之间的关系可表示为:TIS=2ncosi2,(6)inn其中:为镜面均方粗糙度;表示波长;为反射角;为元件界面折射率差(=2 为反射镜面)。基于 Lambert 散射模型的定义,光学系统中各元件表面上的双向反射率分布函数(FBRDF)与TIS 之间的关系可以写成:FBRDF=TIS.(7)DL1波信号接收立体角可以通过接收端光学孔径和光学子系统后截距表述:=D216L21.(8)根据图 1
16、 所示路径可知,信号光到达光学天线抛物面的光强可以表示为:E2=J3J2J1JhwpJqwpJpbsE1=r1r2r3r4121i,(9)J3、J2、J1Jhwp、Jqwp、Jpbsr1、r2、r3、r4其中:表示反射镜琼斯矩阵;分别表示二分之一波片、四分之一波片、偏振分光棱镜的琼斯矩阵;表示反射系数。通过穆勒矩阵对后向反射光推导到达探测器的光强,则经归一化的自然光斯托克斯矢量为:ER=rbMpMpbsMqwpMhwpr1r2r3Es,(10)ER=2rbr4r21r22r23(1+21221212200)T,(11)rbMp、Mpbs、Mqwp、Mhwpr1、r2、r3、r4其中:表示能量分
17、光镜的反射系数;检偏器、偏振分光棱镜、四分之一波片、二分之一波片的穆勒矩阵分别为;反射镜的反射系数分别。所以后向反射杂光到达信号接收端的杂光光强为:Ir=2rbr4r21r22r23(1+2122).(12)将公式(12)代入公式(3)后与公式(1)联立得到激光通信终端信号发收隔离度公式为:第5期高伟饶,等:单波长激光通信终端的隔离度1139IS=10lg2rbr4r21r22r23(1+2122)D216L21(2ncosi)2.(13)鉴于各个光学元件的反射系数、消光比以及接收立体角均为已知的固定数值,并且波片的旋转角度对隔离度影响较小,所以本文使用 Tra-cePro 软件对光路中的光学
18、元件表面粗糙度进行隔离度仿真分析。同时,通过光学元件的表面清洁度对隔离度的大小进行仿真分析。3.2基础理论模型本文针对光学望远单元中离轴抛物面、离轴反射镜、准直透镜组和系统中/2 波片、/4 波片的表面粗糙度和表面清洁度进行仿真分析。通过 Harvey 模型与 ABg 模型对望远单元和通信支路中的各个元件进行 BRDF 建模,并通过 Tra-cePro 软件模拟隔离度的变化。3.2.1表面粗糙度模型双向散射分布函数(BidirectionalScatteringDistributionFunction,BSDF)表示结构中各个单元的散射特性14-15。本文在杂散光分析中主要考虑光学单元的反射特
19、性,所以使用 BRDF 代替BSDF。杂散光的强弱与 BRDF 有直接关系。降低 BRDF,可以降低信号通道内的杂光传输。所以本文主要建立 BRDF 模型。Harvey 模型是对光学表面 BRDF 进行建模的常见方法,并得到了大多数杂散光软件的支持。ABg 模型与 Harvey 模型非常相似,可以利用 Harvey 模型对 ABg 模型参数进行计算仿真。ABg 模型是直接应用 TracePro 软件的一种模型计算方式,其函数形式为:BRDF=AB+|0|g,(14)、0其中:A、B、g 为待定参数,为反射方向和入射方向的方向余弦。Harvey 模型对于镜面的散射表达式为:BRDF(|sinss
20、ini|)=b01+(|sinssini|L2)2s/2,(15)s、i其中:分别为散射角和镜面反射角,是常数,L2的翻转角,通常在 0.001 量级或者更小量级,s 表示 Harvey 模型取值大于 L2时的斜率因子,用于表示镜面散射分布程度。获得数据拟合时,Harvey 模型中的常数可以通过 TIS 计算得到16:TIS?2b100ss+2.(16)当取得典型值,波长为测试波长(632.8nm)时,Harvey 模型与 ABg 模型可以通过相应的公式得出与其对应的 ABg 模型参数,如图 2(彩图见期刊电子版)所示。公式如下17:A=b0B,(17)B=Ls2,(18)g=s.(19)本文
21、中,系统工作波段为 1550nm,对于系统光路中/2 波片、/4 波片及准直透镜组,选取表面粗糙度分别为 3、6、9、12、15nm,分析隔离度的变化。BRDFHarveyABg102102101100102104104103102101100106108|sinssini|图2Harvey 模型与 ABg 模型Fig.2HarveyandABgmodels不同均方粗糙度下的 ABg 散射模型参数见表 1。表1不同表面粗糙度 ABg 模型参数Tab.1ABg model parameters for different surfaceroughnesses表面粗糙度(nm)ABg34.2365
22、1054.44151051.5561.69401044.44151051.5593.81301044.44151051.55126.77871044.44151051.55151.05801034.44151051.55已知光轴的入射角,通过公式(6)计算得到光学天线中离轴抛物面与离轴反射镜的表面粗糙1140中国光学(中英文)第16卷度分别为 3、6、9、12、15nm 时的 TIS 数值。根据 Harvey 模型计算不同均方粗糙度相对应的 ABg模型参数,如表 2 所示。表2不同表面粗糙度光学天线 ABg 模型参数Tab.2ABg model parameters of the optica
23、l antennawithdifferentsurfaceroughnesses表面粗糙度(nm)ABg主镜33.06431054.44151051.5561.22571044.44151051.5592.75791044.44151051.55124.87371044.44151051.55157.61521044.44151051.55次镜34.04261054.44151051.5561.61711044.44151051.5593.63841044.44151051.55126.46821044.44151051.55151.01061034.44151051.553.2.2表面污染模
24、型洁净元件表面的颗粒污染水平通常通过表面清洁度(ContaminationLevel,CL)18描述,通常使用针对洁净室规范导出的(IEST)CC1246D标准定义分布。给出了清洁度或“污染水平”的函数:N=10|log210(CL)log210(1),(20)1其中:CL 表示表面的清洁度水平;N 表示直径大于或等于微米的每平方英尺的颗粒数量。斜率常数在文中取 0.926,表示在洁净元件表面进行颗粒污染分析。图 3(彩图见期刊电子版)给出了不同CL 下,N 与之间的关系。对颗粒分布进行分析,将所有不同大小的污染颗粒的污染颗粒密度之和定义为污染颗粒覆盖率(PercentAreaCovered,
25、PAC)16。颗粒覆盖面积百分比 PAC 计算如下:PAC=10M+|log210(CL),(21)=0.926 M=7.245式中 M 为常数,当,时,表面污染散射引起的表面总积分散射(TIS)可通过污染颗粒覆盖率(PAC)得到:TIS?PAC/100.(22)依据颗粒覆盖率和表面清洁度的关系,以及颗粒覆盖率和 BRDF 的比例关系,在 1550nm 工作波长表面清洁度分别为 200、400、600、800 时对应的污染颗粒覆盖率分别为 4.55103、0.106、0.798、3.63。通过公式(22)可得到不同清洁度(CL)水平下的颗粒污染 BRDF 数据,并将其数值用 ABg 模型进行拟
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