空间相干光通信终端光学系统研究

发布时间：2017-10-13 17:22

  本文关键词：空间相干光通信终端光学系统研究

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【摘要】：激光通信具有高光学增益、高度抗截获抗干扰能力和高通信速率等突出优点,是解决高速通信问题的重要技术手段。自德国TESAT公司实现5.6Gbps星间相干光通信速率以来,相干光通信技术成为公认解决光通信终端小型化、轻量化、高速率的最佳方案。本文针对空间相干光通信终端光学系统的技术难点,进行了以下研究:首先,为增加混频效率,提出了对激光高斯光束整形作为本振光源的方法,推导了本振高斯光束整形前后的混频效率公式。通过数值分析,得出整形高斯光束的混频效率比未整形时高0.1左右,并得出了空间相干探测中各器件的最佳参数方案。第二,研究了空间相干光通信终端光学系统对信噪比的影响,模拟分析了光学天线系统RMS波像差、90度光混频器装配过程中光束偏移、光束倾斜和相对相移等误差对系统信噪比的影响,得出四种误差的容差分别为:λ/20、R0/20(R0为信号光束宽度)、0.1mrad和±10°。第三,确定了空间相干光通信终端光学天线系统的指标要求,并根据该指标设计了一套合理的光学天线系统。在望远系统设计时,分别采用离轴四反形式和卡塞格林形式进行了设计。第四,采用琼斯矩阵推导了90度光混频器的工作原理,使用Optisystem软件建立90度光混频器原理模型,分析了相对相移的指标误差,分析结果表明:旋转λ/4波片能够补偿相对相移误差,但会造成I、Q支路分光比的变化,通过旋转λ/2波片可以将分光比补偿回来。在分析原有90度空间光混频器结构工程缺点的基础上,提出了两种基于横向剪切干涉仪的改进结构。第五,研制了一套90度空间光混频器,并分别搭建实验平台检测了90度光混频器的插入损耗、功率不一致性、相对相移和混频效率等多项指标。检测实验结果表明所研制的90度空间光混频器I、Q支路相对相移为90.73°,信号光与本振光的插入损耗分别为0.58dB、0.53dB,混频效率损耗小于0.82dB,完全满足使用需求。
【关键词】：光通信终端 光学系统设计 光学天线 90度光混频器 混频效率 相对相移
【学位授予单位】：中国科学院研究生院(西安光学精密机械研究所)
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TN929.1
【目录】：

• 致谢4-5
• 摘要5-6
• ABSTRACT6-11
• 第1章 绪论11-31
• 1.1 研究的目的与意义11-13
• 1.2 空间激光通信系统发展现状13-28
• 1.2.1 激光通信终端及其光学天线发展现状13-23
• 1.2.2 光混频器发展现状23-28
• 1.3 论文主要研究内容28-31
• 第2章 空间相干光通信原理及其信噪比研究31-59
• 2.1 相干光通信系统工作原理及其理论信噪比31-38
• 2.1.1 BPSK零差探测系统原理31-35
• 2.1.2 本振光噪声对系统信噪比的影响35-37
• 2.1.3 相干探测的极限信噪比37-38
• 2.2 空间相干光通信系统混频效率的分析38-47
• 2.2.1 混频效率与信噪比40-41
• 2.2.2 信号光场分析41
• 2.2.3 本振光场的传播与整形41-44
• 2.2.4 混频效率分析44-47
• 2.3 空间相干光通信终端光学系统对信噪比的影响47-56
• 2.3.1 光学天线系统像差对信噪比的影响47-51
• 2.3.2 光混频器装配误差对信噪比的影响51-56
• 2.4 本章小结56-59
• 第3章 空间相干光通信光学天线系统设计研究59-85
• 3.1 光学天线系统的功能及组成59-60
• 3.2 光学天线系统的需求及其关键指标分析60-62
• 3.3 高倍率大孔径望远系统设计62-74
• 3.3.1 望远系统形式63-66
• 3.3.2 卡塞格林望远系统设计66-70
• 3.3.3 离轴四反望远系统设计70-74
• 3.4 中继光路设计74-80
• 3.4.1 分光组件设计75-76
• 3.4.2 捕跟镜组设计76-77
• 3.4.3 通信镜组设计77-78
• 3.4.4 信号发射镜组设计78-79
• 3.4.5 全系统设计布局比较79-80
• 3.5 望远系统辅助装调80-83
• 3.6 本章小结83-85
• 第4章 90度空间光混频器设计研究85-105
• 4.1 90度空间光混频器原理分析85-90
• 4.2 光混频器的指标90-91
• 4.3 90度空间光混频器结构改进91-95
• 4.3.1 传统90度空间光混频器结构的缺点91-92
• 4.3.2 基于横向剪切干涉仪的90度空间光混频器92-95
• 4.3.3 90度空间光混频器二次改进95
• 4.4 90度光混频器相对相移误差分析95-103
• 4.4.1 相对相移误差来源95-96
• 4.4.2 相对相移仿真原理96-98
• 4.4.3 旋转 λ/4 波片补偿相对相移的仿真98-100
• 4.4.4 λ/4 波片相位延迟误差仿真100-102
• 4.4.5 λ/2 波片相位延迟误差仿真102-103
• 4.5 本章小结103-105
• 第5章 90度空间光混频器检测技术研究105-119
• 5.1 90度空间光混频器样机105-106
• 5.2 能量指标检测106-108
• 5.3 相对相移检测技术108-116
• 5.3.1 相对相移检测方案108-111
• 5.3.2 相对相移实验111-114
• 5.3.3 实验结果处理114-116
• 5.4 混频效率检测116-117
• 5.5 本章小结117-119
• 第6章 总结与展望119-123
• 6.1 总结119-120
• 6.2 创新点说明120-121
• 6.3 展望121-123
• 参考文献123-131
• 作者简介及在学期间发表的学术论文与研究成果131-132

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本文编号：1026141