[发明专利]一种光通信系统的光轴自校准装置及方法

说明书

本发明公开一种光通信系统的光轴自校准装置及方法，该发明利用阵列光纤产生方向存在固定差异的两束光，分别为自校准光与通信激光，通过角锥棱镜将自校准光引入至精跟踪相机内，由于角锥棱镜的自准直功能，该光轴的变化会导致精跟踪相机内光斑质心变化，利用对该光束的光轴监测来实现对通信激光光轴的校正。仪器工作之前利用自校准光在精跟踪相机中的光斑质心，重新标定精跟踪相机的跟踪点，从而建立光通信链路。本发明结构简单，通过阵列光纤排布将通信激光、自校准光进行视场分离，利用自校准激光实现对通信激光的光轴校正，该发明还具备利用可见光相机实现红外激光光轴自校准的能力。

技术领域

本发明涉及自由空间光通信及量子通信领域，具体是指一种光通信系统的光轴自校准装置及方法。

背景技术

光通信相比于传统的微波通信而言，具有带宽高、容量大、传输速率高、抗干扰能力强、功耗低、安全性好等优点，而且激光通信终端具备更小的体积和更轻的质量，因此以激光通信作为信息载体的通信方式是星地通信的重要发展方向，也是未来星间高速通信最具潜力的重要发展方向。国际上空间激光通信的基础研究开始于上个世纪70年代，最早涉足该领域的是前苏联和美国，然后是日本和欧洲各国。直至20世纪80年代末期，随着各国对太空战略的日益重视和全球通信市场竞争日趋激烈，星地激光通信进一步受到重视，并很快在实验系统装置的研发和测试上取得突破性的重大成果。国内星地激光通信的研究从20世纪90年代开始，主要研究研究机构有哈尔滨工业大学、电子科技大学、长春理工大学等，由于我国在卫星光通信领域的起步比较晚，之前的研究基本上还停留在理论和地面实验阶段，直至近几年空间光通信的实验验证得到了快速发展，如上海技术物理研究所与科大共同研制的TG-2、“墨子号”的量子通信载荷均实现了星地之间的光通信及量子通信；其中上光所研制的“激光相干通信”系统成功实现星地之间的相干激光通信。

在自由空间光通信中，由于通信距离远、光束窄以及存在外界干扰(如大气影响、卫星振动等)，必须采用捕获(Acquisition)，跟踪(Tracking)和瞄准(Pointing)系统来建立光通信链路，在此基础上进行光通信，光通信系统采用的通信激光的发散角非常小(20μrad左右)，对光通信的ATP系统提出了很高的要求(一般要小于20μrad)。因此，量子通信捕获系统的光学校准精度必须非常高(一般需要小于1μrad)。ATP系统装配完成之后，会通过高精度地面检测系统来标定精跟踪相机跟踪点，该跟踪点与激光发射光轴高度一致。但是由于设备运输、发射振动、在轨失重、热梯度等因素会造成系统光路的细微变化，激光发散角要求越来越窄，细微的光轴变化将会导致光通信链路无法建立。中国专利CN201110071279.9中也有类似的光轴自校准方法的描述，但是该专利存在以下弊端：1、一般光通信波长为1550nm波段，而精跟踪相机为Si基阵列探测器，该种类探测器对1550nm不响应导致无法利用进行自校正；2、自校准光与通信激光的波长相隔较远，如通信激光为1550nm、自校准光为650nm，由于两种波长单模光纤的芯径不同，将两种光合束至同一根光纤，会导致650nm自校准光在光纤中处于少模输出，其出射光束模式不稳定；3、自校准光与通信激光的波长相隔较近，如通信激光为850nm、自校准光为650nm，将两种光合束至同一根光纤，由于在光纤合束时需要分光，势必会导致能量衰减。

本发明针对自由空间光通信的应用需求，同时充分考虑到中国专利CN201110071279.9所遇到的困难，利用阵列光纤产生两束方向存在固定差异的自校准光与通信激光，通过对自校准激光光轴的监测来实现对通信激光光轴的校正，从而实现最终的激光光轴自校准。

发明内容：