专利名称：一种兼容激光通信的量子通信系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及星地光通信领域，具体涉及一种兼容经典激光通信的量子通信系统。 该系统可以使卫星通过同一套光学收发系统和跟踪瞄准系统(包括粗跟踪和精跟踪)与地面终端之间同时进行量子通信和激光通信。
背景技术：
星地量子通信技术和星地激光通信技术均是当前国际新技术研究的热点，目前多个国家均在有计划的进行激光通信卫星和量子通信卫星的研制，开展星地激光通信和量子通信试验。经典的激光通信和量子通信的不同之处在于其通信载体，激光通信的载体是经过编码的强激光信号，而量子通信的载体是经过编码的单光子信号，二者在通信光的产生，接收和编解码的装置和方法上有所区别。因此现有的星地激光通信装置或量子通信装置均设计为独立的卫星载荷，即一套装置只能实现激光通信或量子通信中的一种功能。星地激光通信装置和量子通信装置在设计上又具有一些相似之处。二者都需要光学接收和发射装置进行通信光的收发，由于卫星和地面之间的高速相对运动，二者都需要捕获，跟踪，瞄准装置来进行稳定通信链路的建立和保持。由于卫星载荷的成本巨大，尤其是大口径的光学收发装置和高精度捕获跟踪瞄准装置，其实现具有较高的技术难度，需要投入大量的人力物力；同时卫星上的空间资源，电力资源以及和地面站之间的轨道时间资源都非常宝贵。因此，对于卫星载荷，如果能够使用同一套光学收发装置和捕获跟踪瞄准装置，在同一次过轨时，同时和地面终端之间进行激光通信和量子通信，实现两套卫星载荷的功能，将可以节约巨大的成本和卫星资源，完成更多的通信功能，其有益效果相当明显。
发明内容
本发明的目的在于使卫星量子通信载荷同时具有实现星地激光通信的能力，所发明的装置可使用同一套光学收发系统和捕获跟踪瞄准系统，同时实现星地之间的量子通信和激光通信，完成两套卫星载荷的功能。本发明的技术解决方案如下该装置由光学望远镜1，粗跟踪转台2，精跟踪快速指向镜3，分色片4，量子通信窄带滤光片5，量子通信模块6，分光棱镜7，精跟踪相机8，激光通信窄带滤光片9和激光通信模块10构成。所述的光学望远镜1为反射式望远镜或消色差的透射式望远镜，作为量子通信和激光通信的接收和发射器；所述的粗跟踪转台2为二维转台，由步进电机或力矩电机控制， 可在水平和俯仰两个方向上转动；所述的精跟踪快速指向镜3为由运动部件和固定在其上的光学反射镜组成，反射镜在运动部件的带动下可在小角度范围内(3度以内)做快速的角度运动，运动部件为压电陶瓷或者音圈电机；所述的分色片4对量子通信单光子的波段反射，对激光通信信号光的波段透射；所述的量子通信窄带滤光片5为光学上常用的窄带滤光片，对量子通信单光子所处波段透射，对其他波段进行滤除；所述的量子通信模块6为进行量子通信单光子收发，编码解码工作的模块；所述的分光棱镜7按照8 2的能量比例对入射光分进行透射和反射；所述的精跟踪相机8是带有镜头的工业级CMOS或CCD相机，其功能是对入射光进行成像，根据成像光斑的质心位置计算出入射光的方向；所述的激光通信窄带滤光片9为光学上常用的窄带滤光片，它仅允许激光通信信号光的波段透过，对其他波长的光进行滤除；所述的激光通信模块10为对激光通信光信号进行接收发射，编码解码的模块。精跟踪快速指向镜3、分色片4、量子通信窄带滤光片5、量子通信模块6、分光棱镜 7、精跟踪相机8、激光通信窄带滤光片9和激光通信模块10位于光学望远镜1的后光路上， 光学望远镜1及其后光路上的元部件被安装在粗跟踪转台2上，由粗跟踪转台2带动可实现二维转动，在卫星运动时，粗跟踪转台控制光学收望远镜的口径始终指向地面终端，可以与地面之间进行量子通信和激光通信的接收和发射。系统激光通信工作模式如下系统接收光信号时，来自远方的通信光被系统中的光学望远镜1接收后，进入其后光路，在后光路上首先被精跟踪快速指向镜3反射，进入分色片4，分色片对激光通信所在波长进行透射，进入分光棱镜7，分光棱镜的反射光作为本通信系统的信标光用于完成跟踪瞄准，进入精跟踪相机8，在相机上成像，控制电路计算出精跟踪相机成像光斑的质心位置，进而计算出光路的偏转方向，闭环控制精跟踪快速指向镜3的压电陶瓷或音圈电机，带动光学反射镜进行偏转，将光引入精跟踪相机的中心。在光路设计上令量子通信模块6和激光通信模块10均与精跟踪相机的中心同轴，则精跟踪快速指向镜同时也将光路引入了量子通信模块6和激光通信模块10，即调整了整个通信系统的后光路，完成了精跟踪瞄准的过程。分光棱镜的透射光作为激光通信的接收光，进入激光通信窄带滤光片9，滤除可能对激光通信带来影响的各种杂散光后，进入激光通信模块10，对接收到的激光通信信号光进行解码，完成激光通信接收过程。系统发射光信号时，系统的光通信模块10发射的通信光经过激光通信窄带滤光片9，分光棱镜7和分色片4的透射后，被精跟踪快速指向镜3反射，由光学望远镜1发射给远距离外的接收端。系统量子通信工作模式如下系统接收量子光信号时，来自远方的量子通信单光子被光学望远镜1接收后，进入其后光路，在后光路上首先被精跟踪快速指向镜3反射进入分色片4，分色片对量子通信所处的波段进行反射，进入量子通信窄带滤光片5，滤除杂散光后，进入量子通信模块6，进行解码过程，完成量子通信的接收。系统发射量子光信号时， 量子通信模块6发出的单光子，经过量子通信窄带滤光片5后被分色片4反射进入精跟踪快速指向镜3，再经精跟踪快速指向镜反射，由光学望远镜1发射出去，被远距离外的接收端所接收。整个装置实现星地量子通信和激光通信的工作流程如下1.地面终端根据卫星的轨道预报向卫星发射用于量子通信的单光子和用于激光通信的通信光。2.卫星上，该装置的粗跟踪转台带动光学望远镜转动，使光学望远镜的口径指向地面终端，将地面发射的单光子和通信光接收进入后光路。3.激光通信的通信光在经过分光棱镜后，一部分被反射进入精跟踪相机，精跟踪相机根据成像光斑的位置控制精跟踪快速指向镜，调整光路方向，完成精跟踪。
4.地面向星上发射的量子通信单光子在经过精跟踪快速指向镜后，绝大部分被分色镜反射，经过窄带滤光片，进入量子通信模块，被量子通信模块接收并解码，完成地面对卫星的量子通信；或者由量子通信模块发射经过编码的单光子，被分色镜反射，由光学望远镜从星上向地面发射，被地面终端接收，完成卫星对地面的量子通信。5.地面向星上发射的激光通信的信号光在经过精跟踪快速指向镜后，绝大部分被分色镜透射，经过窄带滤光片，被激光通信模块接收并解码，完成地面对卫星的激光通信； 或者由星上激光通信模块发射通信光，透过分色镜，由光学望远镜从星上向地面发射，被地面终端接收，完成卫星对地面的激光通信。6.量子通信和激光通信互不干扰，在卫星轨道经过地面站的时间内，可同时实现卫星和地面之间的量子通信和激光通信。
附图1给出本发明装置的系统结构图。图中1为光学望远镜，2为粗跟踪转台，3 为精跟踪快速指向镜，4为分色镜，5为量子通信窄带滤光片，6为量子通信模块，7为分光棱镜，8为精跟踪相机，9为激光通信窄带滤光片，10为激光通信模块。
具体实施例方式下面结合附图1给出本发明的一项具体实施例。在该实例中，量子通信采用波长为850nm的单光子，激光通信采用波长为1550nm的通信光。光学望远镜设计为消色差的透射式望远镜。粗跟踪转台使用两台步进电机进行驱动，光学望远镜和整个后光路都安装在粗跟踪转台上。粗跟踪转台根据卫星轨道位置和地面站位置，控制光学望远镜的方位和俯仰转动，完成卫星上光学望远镜对地面通信端的粗指向。在望远镜的后光路上，精跟踪快速指向镜由音圈电机和固定在其上的平面反射镜构成。本实例采用newport公司的FSM330 型音圈电机，可以实现在电信号的控制下带动反射镜完成最大幅度为2.62°的快速角度变化。精跟踪的控制电路根据精跟踪相机上的光斑图像控制音圈电机的运动，调整光路方向，将光路引入精跟踪相机的中心，同时也是激光通信模块和量子通信模块的中心。本实例中的精跟踪相机使用高帧频CMOS探测器完成光斑的探测。在精跟踪后，分色片设计为对 850nm波段的量子通信单光子进行反射，对1550nm波段的激光通信通信光进行透射，将光路分为量子通信光路和激光通信光路两部分。在量子通信光路上，通过窄带滤光片对杂散光进行滤除，该窄带滤光片中心波长为850nm，截止带宽为lOnm，波长为850nm的单光子可透过该滤光片，进入量子通信模块，完成地面对卫星的量子通信过程。也可通过量子通信模块发射经过量子编码的单光子，经过量子通信光路，由光学望远镜向地面发射，完成卫星对地面的量子通信过程。在激光通信光路上，通信光首先经过分光棱镜。分光棱镜设计为透射率80%，反射率20% (理想情况，实际的分光棱镜会有少量能量损耗)，即入射光能量的80%透过该棱镜进入激光通信模块，其它能量反射进入精跟踪相机。在其反射光路上，使用精跟踪相机对其进行成像。在其透射光路上，通过窄带滤光片对杂散光进行滤除，该窄带滤光片中心波长为1550nm，截止带宽为lOnm，波长为1550nm的激光通信通信光可透过该滤光片，进入激光通信模块，完成地面对卫星的激光通信过程。也可通过激光通信模块发射经过编码的通信光，经过激光通信光路，由光学望远镜向地面发射，完成卫星对地面的激光通信过程。
权利要求
1.一种兼容经典激光通信的星地量子通信系统，它由光学望远镜(1)、粗跟踪转台(2)、精跟踪快速指向镜(3)、分色片⑷、量子通信窄带滤光片(5)、量子通信模块(6)、分光棱镜(7)、精跟踪相机(8)、激光通信窄带滤光片(9)和激光通信模块(10)构成，其特征在于精跟踪快速指向镜(3)、分色片G)、量子通信窄带滤光片(5)、量子通信模块(6)、分光棱镜(7)、精跟踪相机(8)、激光通信窄带滤光片(9)和激光通信模块(10)位于光学望远镜 (1)的后光路上，光学望远镜(1)及其后光路上的元部件安装在粗跟踪转台( 上；系统激光通信工作模式如下系统接收光信号时，来自远距离外的发射端的通信光被系统中的光学望远镜(1)接收后，进入其后光路，在后光路上首先被精跟踪快速指向镜(3) 反射，进入分色片G)，分色片对激光通信所在波长进行透射，进入分光棱镜(7)，分光棱镜的反射光作为本通信系统的信标光用于完成跟踪瞄准，进入精跟踪相机(8)，在相机上成像，控制电路计算出精跟踪相机成像光斑的质心位置，进而计算出光路的偏转方向，闭环控制精跟踪快速指向镜(3)的压电陶瓷或音圈电机，带动光学反射镜进行偏转，调整整个通信系统的后光路，完成精跟踪瞄准工作；分光棱镜的透射光作为激光通信的接收光，进入激光通信窄带滤光片(9)，滤除可能对激光通信带来影响的各种杂散光后，进入激光通信模块 (10)，对接收到的激光通信信号光进行解码，完成激光通信接收过程；系统发射光信号时， 系统的光通信模块(10)发射的通信光经过激光通信窄带滤光片(9)，分光棱镜(7)和分色片(4)的透射后，被精跟踪快速指向镜C3)反射，由光学望远镜(1)发射给远距离外的接收端；系统量子通信工作模式如下系统接收量子光信号时，来自远距离外发射端的量子通信单光子被光学望远镜(1)接收后，进入其后光路，在后光路上首先被精跟踪快速指向镜(3)反射，进入分色片G)，分色片对量子通信所处的波段进行反射，进入量子通信窄带滤光片(5)，滤除杂散光后，进入量子通信模块(6)，进行解码过程，完成量子通信的接收；系统发射量子光信号时，量子通信模块(6)发出的单光子，经过量子通信窄带滤光片(5)后被分色片(4)反射进入精跟踪快速指向镜(3)，再经精跟踪快速指向镜反射，由光学望远镜 (1)发射出去，被远距离外的接收端所接收。
2.根据权利要求1所述的一种兼容经典激光通信的星地量子通信系统，其特征在于 所述的量子通信模块(6)所使用的单光子波长和激光通信模块(10)所使用的通信光的波长各不相同。
3.根据权利要求1所述的一种兼容经典激光通信的星地量子通信系统，其特征在于 所述的光学望远镜(1)为反射式望远镜或消色差的透射式望远镜。
4.根据权利要求1所述的一种兼容经典激光通信的星地量子通信系统，其特征在于 所述的粗跟踪转台G)为二维转台，由步进电机或力矩电机控制，可在水平和俯仰两个方向上转动。
5.根据权利要求1所述的一种兼容经典激光通信的星地量子通信系统，其特征在于 所述的精跟踪快速指向镜C3)为由运动部件和固定在其上的光学反射镜组成，反射镜在运动部件的带动下可在3度以内的小角度范围内做快速的角度运动，运动部件为压电陶瓷或者音圈电机。
6.根据权利要求1所述的一种兼容经典激光通信的星地量子通信系统，其特征在于所述的分色片(4)对量子通信单光子的波段反射，对激光通信信号光的波段透射。
7.根据权利要求1所述的一种兼容经典激光通信的星地量子通信系统，其特征在于 所述的分光棱镜(7)按照8 :2的能量比例对入射光分进行透射和反射。
8.根据权利要求1所述的一种兼容经典激光通信的星地量子通信系统，其特征在于 所述的精跟踪相机(8)是带有镜头的工业级CMOS或CCD相机。
全文摘要
本发明公开一种兼容经典激光通信的星地量子通信系统，该系统作为卫星载荷，在与地面终端之间完成通信链路建立，进行星地量子通信时，可同时与相同地面终端进行星地经典激光通信。该装置由光学望远镜，粗跟踪转台，精跟踪快速指向镜，分色片，量子通信窄带滤光片，量子通信模块，分光棱镜，精跟踪相机，激光通信窄带滤光片和激光通信模块构成，利用量子通信单光子和经典激光通信信号光之间波长的区别，使用分色镜对其进行空间隔离，设计合理可行的光机结构，最终实现使用一套光学收发系统和跟踪瞄准系统，实现在星地之间同时进行量子通信和经典激光通信。
文档编号H04B10/30GK102195717SQ20111013562
公开日2011年9月21日 申请日期2011年5月24日 优先权日2011年5月24日
发明者吴金才, 张亮, 张明, 强佳, 江昊, 王建宇, 贾建军, 钱锋 申请人:中国科学院上海技术物理研究所