小型光学天线系统光传输特性测试平台研究

利用牛顿反射式光学天线对接系统构建了光传输测试平台,重点研究了高精度准直,牛顿反射式光学天线及其光传输特性等主要内容;得到了激光632.8 nm波长的天线效率、天线耦合效率和光纤耦合岀射三维光斑测试结果与仿真验证.为实际研究大气激光通信系统中光学天线光传输特性提供了实验依据.     

半导体激光器大气传输激光通信研究

描述一种激光大气传输通信系统。采用光作为载体,将声音和数据信息发送给接收器。与该系统相连的计算机能够通过一此接口与其它计算机连接。这种激光大气传输系统有体积小、重量轻、适应性强、便利、安全和抗干扰的特点。     

大气激光通信用直锥形光纤发射天线

 提出采用直锥形光纤作为大气激光通信的发射天线,将多模光纤输出的部分相干发散光束变换为准平行光束的方案,既能得到发散角很小的部分相干激光光束,又能保证激光器输出能量的完全传输。采用光线追迹法分析了任意光束从锥形光纤小端面输入、大端面输出的发散角。结果表明,当直锥形光纤长度大于某一特定值时,从小端面输入的入射角小于数值孔径角的所有光线理论上都可以变换为出射角度小于光纤半锥角的光线,因此直锥形光纤可以作为部分相干光源的准直透镜,代替传统的凸透镜,用于改善光束的发散角。对远场光斑进行了数值模拟和实验研究,结果显示：直锥形光纤透镜对朗伯光源的准直光束比传统凸透镜的准直光束发散角小,光斑半径小且均匀性好,证明用此方法可以得到低发散、低空间相干性的光斑。     

激光变倍准直扩束系统设计

激光准直扩束系统可应用在激光测距,激光切割,空间光学激光干涉仪等各个领域。其主要作用是通过改善激光束的空间发散角,提高光束的准直性,使激光束达到对孔径的要求。基于无焦变倍原理运用Zemax软件模拟设计了一激光准直扩束系统,入射激光波长为1064 nm,发散角小于5 mrad,入射直径为1 mm,准直扩束系统的扩束比4~24倍连续可调,可实现压缩光束的发散角(出射光发散角可压缩至0.208 mrad),扩大光斑尺寸,达到对激光准直和扩束的目的。不同倍率下波像差最大均方根(RMS)值为0.1769λ,均小于λ/4,满足像质评价要求。此设计结构简单,易于加工装调,具有较高的实际应用价值。     

激光通信

TN929.1 2004064433 155/622Mb/s多发射器激光通信系统=155/622Mb/smultiple transmitter laser communication systems[刊,中]/陈刚(中科院上海光机所.上海(201800)),董作人…∥中国激光.—2004,31(5).—583-587 报道一种采用3个发射器、具有自动跟踪功能的无线激光通信系统。描述了系统结构的总体设计、关键的光学、机械和伺服控制单元,包括多个800nm波段激光发射器,980nm信标激光发射器,光电接收器,位敏探测器,步进马达和自动跟踪微处理器等。1.3km的工作距离下的传输实验结果表明,在155Mb/s的传输速率下,     

能量收发效率对共焦点反射式光通信组网天线系统性能的影响

激光通信组网天线系统能量发射效率与接收效率的高低决定了其通信能力的强弱。针对这一问题,提出了一种新型组网天线系统基本模型,分析其能量发射效率与接收效率的算法并进行数学建模,推导出了其能量发射效率与接收效率的计算公式,深入讨论了能量发射效率和能量接收效率与旋转抛物面上下开口直径、焦距以及会聚透镜单元口径、焦距等光学结构参数的准确函数关系,相关结论可应用于激光通信组网天线光学结构的设计与优化。最后以三颗低地球轨道(LEO)卫星在距离1000km范围内、以高于2.5Gb/s的速率进行组网通信为背景,通过分析和计算得出满足通信条件的激光器最小发射功率、组网天线系统的发射效率随跟踪通信角度的变化曲线以及接收效率。     

激光引信中半导体激光器的准直及其测试

在理论上分析了单级单透镜光学系统对激光高斯光束发散角的影响。用单个平凸透镜对激光引信中的半导体激光器进行了准直，达到了激光引信光束准直的要求。通过CCD成像方法对准直后的光束发散角进行了测量，利用二阶矩算法计算出光束发散角。实验测得2个方向的发散角分别为θx=7.03°和θy=0.69°，验证了准直系统达到激光引信要求的θx＜10°和θy＜1°技术指标。     

一种基于运动式发射天线的光学接收天线设计

设计一款应用于多发射天线多接收天线自由空间激光通信系统中的折射式光学接收天线。天线焦距120.02 mm,相对孔径1∶1.13,工作波长为850 nm,波长范围覆盖820 nm ~880 nm,在50 lp/mm频率处0视场的MTF为0.5。接收天线可以在发射天线移动48 mm范围内利用光敏面直径为0.5 mm的雪崩光电二极管（APD）接收3 mrad发散角的光信号。该天线由两组、共4片球面透镜组成,结构简单,可实现对运动式发射天线的光信号的接收。     

一种X射线聚焦光学及其在X射线通信中的应用

基于栅控脉冲发射X射线源与单光子探测技术的X射线通信已经实现了实验室语音通信验证,并对通信系统的误码率性能进行了分析,为探索未来X射线深空应用打下了坚实的基础.针对目前X射线通信面临的信号发散角大、通信距离短、难以实现工程化应用的情况,迫切需要对X射线通信天线系统进行深入研究.为了提高信号增益、增大X射线通信的距离,提出了多层嵌套式X射线聚焦光学作为X射线通信的"收发天线",理论分析了X射线聚焦光学用于X射线通信"收发天线"的可行性,分析了X射线聚焦光学的理论基础与结构设计,对"发射天线"发散角、"接收天线"有效面积与焦斑尺寸、信号增益等性能做了探讨.结果表明:在信号发射端,"天线"的发散角为3 mrad左右,发射增益23 d B;在信号接收端,"接收天线"的有效面积5700 mm2@1.5 keV,焦斑直径为4.5 mm,接收增益为25 d B,通信系统总的增益可达48 d B.     

准直高功率激光束斜程大气传输中的非线性热畸变效应

本文根据波动光学理论,利用实际大气参数对准直高功率激光在斜程上行大气传输中的非线性热畸变效应进行了数值分析,结果表明,在上行大气传输中,尽管大气气体吸收系数较小,从而产生的热畸变效应也较弱,但它将导致激光光束位相畸变和发散角的显著增大,因此对远距离传输的光束将产生非常严重的不利影响。     

成像与激光发射系统的共口径设计与实验

将成像光学系统同时用作激光发射天线的共口径设计可有效减轻卫星载荷质量和应对各种突发状况。首先根据激光通信的能量计算链路,分析了激光发射天线的设计要求,明确了激光发射天线与成像光学系统的不同;然后根据特定的成像光学系统给出了3种具有普适性的共口径设计方法,并对这3种方法的性能进行了分析和比较,给出了它们的优缺点和适用范围;最后对所设计的共口径系统进行了发射光束仿真,经过对设计系统加工、装调后进行了室内的成像、通信实验,结果显示发射激光的最小束散角可达18.2 μrad,接近系统衍射极限,出射光斑质量良好,接收到的图像与成像系统所成图像肉眼观测无失配。初步证实该共口径设计可实现光学系统的成像和通信任务要求。     

基于2D微电子机械系统(MEMS)镜全向激光雷达光学系统设计

为了满足全向激光探测的需求,提出一种基于2DMEMS镜扫描的激光雷达结构。激光器通过1×6高速光开关分时地给6个扫描子系统提供光信号,6个扫描子系统探测视场叠加起来可实现360°激光探测。每个扫描子系统的扫描范围为60°×30°,其中包含一个扩展MEMS镜扫描角度的发射光学天线和一个大视场有增益的接收光学天线。发射光学天线将MEMS镜±10°的扫描角扩展到±30°,发散度小于0.2mrad;接收视场内的激光波经过接收天线在探测器上所成的半像高小于1mm,接收增益为3.65。通过计算修正后的激光雷达方程可得到发射功率20 W的激光束在工作距离100 m内的回波功率≥1 nW,结果表明该光学系统可适用于激光雷达系统。     

Analysis of space off-axis and performance of Cassegrain optical antenna system

The research of optical antenna is of greatest importance in the field of modern optical communication. For optical antenna, alignment of optical system is a significant factor, which influences the transmission quality of optical antenna system. Antenna off-axis is one of the important factors influencing the transmission quality of optical antenna system. In this paper, we analyze and numerically simulate how power attenuation ratio and gain of Cassegrain antenna vary with the antenna deflection angle and the distance that the central axis of receiving antenna deviates from z-axis, when space off-axis happens to the system. Finally, the coupling efficiency of Cassegrain antenna is tested experimentally, and the results show that the coupling efficiency of the Cassegrain antenna dramatically reduces in the case of off-axis. These studies provide a theoretical basis for optical antenna system to achieve accurate alignment in optical communication.     

光通信中的功率计算与通信距离等效验证

光通信具有设备体积小、重量轻等优点, 为了保证长距离通信的顺畅进行, 需要对发射功率进行安全系数较高的计算。分析了发射功率、光束发散角和接收灵敏度对系统通信距离与性能的限制。针对光通信中发射功率计算提出了一种安全系数更高的计算公式, 计算公式表明需要求出最小探测功率, 当通信所要求的误码率确定时, 探测器所需最小探测功率可以通过信噪比与接收器所需最小探测功率的关系计算得出, 在实际通信系统中, 探测灵敏度可以测出, 实际通信系统的透过率也可以测出, 探测器所需最小探测功率也可以通过检测得出, 通过实践验证两者结果吻合, 从而验证了发射功率计算公式的可行性。通过计算公式对安全系数最大情况下所能达到的通信距离进行了模拟验证。     

LED准直器设计中复合抛物面同步多曲面方法

利用非成像光学中流线法和同步多曲面(SMS)法,设计一种具有发散角小、均匀度好和光效高的LED准直器。设计中由复合抛物面(CPC)完成初级配光,将朗伯光源±90°的发散角缩小到±45°,再以SMS法设计的多重自由反射曲面实现准直均匀配光,并由光学扩展量给出准直器的理论光效,最后引入平顶宽度、平顶光效和平顶均匀度等的定义,以更好地反映准直光束质量。光学仿真结果表明,准直器的发散角小于±2.26°,整体光效达到0.79,理论与仿真光效的误差小于2.5%,在0.9平顶宽度范围内光斑均匀度大于等于0.9,平顶光效为0.56,效果良好。     

室内可见光通信发光二极管阵列发射性能的研究

提出了一种基于Lambert辐射模型的发光二极管光源阵列发射天线光照度计算模型,对室内可见光通信发射天线进行了优化设计.分析了光源的空间分布形式、光源间距、光源中心光束与系统光轴夹角以及空间分布层间距等因素对光照度均匀性的影响.通过仿真模拟和分析,得到了圆形阵列天线在照度均匀性和通信传输信号稳定性方面都优于相同光源数目的矩形阵列天线,并且提高了10%左右;同时得出了在满足室内照明情形下,发光二极管阵列发射天线照度均匀度随光源间距及光源中心光束与系统光轴夹角的增加均呈现出先增加后减小的变化趋势,因此,光源间距和光源中心光束与系统光轴夹角均存在最优值;照度均匀度随空间分布层间距的减小而增加,并给出了5 m×5 m×3 m普通房间内发射天线阵列设计参数的最优值,使发射性能得到了优化,同时节省光源数13%,降低了成本.这些研究为发射天线系统的设计提供了理论依据,具有实用价值.     

Collimation Characteristics of Planar Microlens for Parallel Optical Interconnect

We evaluated the collimated beam quality of a planar microlens (PML) for parallel optical interconnect systems. It has been confirmed that the divergence beam from a single mode fiber was collimated by single PML and propagated with good beam quality by about 10 mm, which is the nominal length of microoptics components considered. The divergence beam from a vertical cavity surface emitting laser was collimated using stacked PML and the collimated beam width of 100 μm was obtained. The collimated beam profile was good enough for low loss beam interconnect in a micro-optical bench scheme.     

基于变芯径光纤的光学系统在光造型中的应用

光学系统采用变芯径光纤，可大幅度提高光的传输效率，增加光学子系统柔性。描述了光造型工作原理及其理论依据，在介绍所研制的光的成型系统光学子系统的基础上，阐述了紫外光源的选择与设计，及变芯径光纤的设计、传输、耦合与聚焦等技术。该套基于变芯径光纤的光学子系统成本低、体积小、效率高，巳成功应用于所研制的台式低成本快速成型系统中，为该系统的进一步推广奠定了技术基础。     

DOE effect on BER performance in MSK space uplink chaotic optical communication

With the increasing demand for space optical communication security, space chaotic optical communication has attracted a great amount of attention. Compared with traditional space optical communication, a chaotic optical communication system has a higher bit error rate(BER) for its complex system design. In order to decrease the BER of space chaotic optical communication systems, we introduce two diffractive optical elements(DOEs)at a transmitting terminal(Tx). That is because the commonly used reflective optical antenna at Tx blocks the central part of the transmission beam, which leads to a great amount of power consumption. Introducing the DOEs into the optical subsystem at Tx can reshape the transmission beam from a Gaussian distribution to a hollow Gaussian distribution so that the block of the secondary mirror in the reflective optical antenna can be avoided. In terms of the DOE influence on communication quality, we give a BER model based on a minimumshift-key(MSK) space uplink chaotic optical communication system to describe the DOE function. Based on the model, we further investigate the effect of the DOEs through analyzing the BER relationship versus basic system parameters based on the BER model. Both different mismatch conditions of chaotic systems and different atmospheric turbulence conditions are considered. These results will be helpful for the scheme design of space uplink chaotic optical communication systems.