波长快速可调谐的空间激光通信终端的制作方法

本发明属于空间激光通信领域，涉及一种波长快速可调谐的空间激光通信终端。

背景技术

相比于其它空间通信手段，激光通信技术具有通信容量大、数据传输速率高、收发系统体积小以及抗电磁干扰能力强等优势。随着激光通信技术和空间光网络的快速发展，空间激光通信终端需要具备波长可调谐和快速切换的能力，以提升整个空间光通信链路的动态配置能力，提高全网工作的灵活性和可靠性。因此，基于可调谐半导体激光器的一种波长快速可调谐的空间激光通信终端被提出来。

目前关于可调谐半导体激光器本身的研究比较多，但是将其应用于空间激光通信的研究比较少。现有空间激光通信终端一般采用两个或多个分立的激光器作为发射光源，以实现两个或多个波长间的切换通信。专利“一种空间激光通信组网的收发终端及运行方法”(cn201611247083.x)公开了一种配有双波长激光信号源和窄带探测器的光通信终端，可自动识别接收光波长，从而选择与接收光波长不同的发射光波长。由于该终端采用的是两个独立的激光信号源，只能在两个发射波长之间进行切换，因此波长灵活性差，切换速度较慢。专利“光通信终端”(cn201580022488.0)公开了一种可工作在两个互补模式的光通信终端，在一个模式中，可发射第一波长的光并接收第二波长的光，在另一模式中，可发射第二波长的光并接收第一波长的光。由于需要两对空间上分立的发射器/检测器，增加了系统的复杂度，灵活性较差。

采用空间分立的两个或多个激光器作为光源，只能利用有限固定的几个波长通道，波长调谐能力差、切换速度慢且系统复杂。在空间激光通信终端中，使用可调谐半导体激光器代替分立激光器或作为它们的备份光源可以解决上述不足，降低系统成本。通过国内外专利和文献检索，未见有关于基于可调谐半导体激光器的波长快速可调谐空间激光通信终端的报道。

技术实现要素：

发明所要解决的课题是，提供一种波长快速可调谐的空间激光通信终端，该激光通信终端可以解决空间激光通信终端波长单一、灵活性差等缺点，使空间光网络交换节点具备波长路由和波长可重构等功能。

用于解决课题的技术手段是，本发明提出一种波长快速可调谐的空间激光通信终端，包括：控制单元、激光器控制驱动、可调谐半导体激光器、调制/解调模块、光放大器、准直器、分束器、指向对准系统、望远镜系统、伺服驱动、可调谐滤波器、聚焦透镜、光电探测模块；所述终端作为信号发射端时，控制单元发出的指令通过激光器控制驱动对可调谐半导体激光器的输出功率和波长进行控制，可调谐半导体激光器的输出光经调制/解调模块被加载上电调制信号，及调制/解调模块输出的调制信号经光放大器放大之后通过准直器以平行光出射，经过分束器分束到达指向对准系统后由望远镜系统发射到自由空间；所述终端作为信号接收端时，控制单元通过伺服驱动调整指向对准系统内置反射镜的角度和位置，使光束发生偏转并且搜寻和对准通信目标；所述通信目标发射的反馈光信号经望远镜系统、指向对准系统和分束镜到达可调谐滤波器，可调谐滤波器的中心频率根据不同的通信波长进行自动调整，并且通过可调谐滤波器输出的光信号经聚焦透镜汇聚到光电探测模块进行探测，由光电探测模块将光信号转变电信号并经过调制/解调模块解调后到达控制单元。

进一步地，作为本发明的一种优选技术方案：所述激光器控制驱动包括fpga芯片、功率控制电路、波长调谐/切换控制电路和温度控制电路，其中fpga芯片用于通过功率控制电路使可调谐半导体激光器发射激光并对光功率进行控制，及通过波长调谐/切换控制电路对可调谐半导体激光器波长进行调谐以切换至指定的通信波长，及通过温度控制电路控制可调谐半导体激光器的温度。

进一步地，作为本发明的一种优选技术方案：所述可调谐滤波器选择当前接收的反馈光信号波长进行频率调整并对其它干扰光进行抑制。

进一步地，作为本发明的一种优选技术方案：所述可调谐半导体激光器为单片集成的分布式布拉格反射型激光器。

进一步地，作为本发明的一种优选技术方案：所述可调谐滤波器为窄带滤波器。

发明效果为：

本发明的波长快速可调谐的空间激光通信终端，与现有技术相比具有如下优点：

1.本发明采用了可调谐半导体激光器和可调谐滤波器，具备多个波长通道的快速切换能力，切换速度达10mhz以上，同时也可接收不同的波长信号。可实现空间光网络交换节点的可重构，提高网络配置的灵活性。

2.本发明采用的可调谐半导体激光器，既可单独作为光源，也可代替多个不同波长的激光器作为备份光源用于空间波分复用系统，降低整个系统的成本。

3.本发明采用可调谐半导体激光器作为光源，可实现不同波长之间的信号转换，用于波长路由，实现动态光网络。

附图说明

图1为本发明系统结构示意图。

图2为本发明中可调谐半导体激光器的控制示意图。

图3为本发明应用于空间激光通信的工作示意图。

具体实施方式

以下，基于附图针对本发明进行详细地说明。

如图1所示，本发明设计了一种波长快速可调谐的空间激光通信终端，包括：控制单元101、激光器控制驱动102、可调谐半导体激光器103、调制/解调模块104、光放大器105、准直器106、分束器107、指向对准系统108、望远镜系统109、可调谐滤波器110、聚焦透镜111、光电探测模块112和伺服驱动113组成。

如图2所示，本分明中的激光器控制驱动102包括fpga芯片201、功率控制电路202、波长调谐/切换控制电路203和温度控制电路204四部分，主要用于控制可调谐半导体激光器的输出功率、波长调谐、波长快速切换和温度。可调谐半导体激光器及激光器控制驱动，用于提供波长可精确、快速切换的稳定激光输出；根据可调谐半导体激光器的工作原理设计控制驱动电路，可使输出波长以10mhz以上的速度进行切换。其中，fpga芯片201用于通过功率控制电路202使可调谐半导体激光器103发射激光并对光功率进行控制，及通过波长调谐/切换控制电路203对可调谐半导体激光器103波长进行调谐以切换至指定的通信波长，及通过温度控制电路204控制可调谐半导体激光器103的温度。

本发明所描述的一种波长快速可调谐的空间激光通信终端的工作原理为：

所述终端作为信号发射端时，控制单元101发出的指令通过激光器控制驱动102对可调谐半导体激光器103的输出功率和波长进行控制，可调谐半导体激光器103的输出光经调制/解调模块104被加载上电调制信号，及调制/解调模块104输出的调制信号经光放大器105放大之后通过准直器106将高斯光束进行整形扩束，准直为平行光出射，并经过分束器107进行分束，到达指向对准系统108后由望远镜系统109发射到自由空间。

所述终端作为信号接收端时，控制单元101通过伺服驱动113调整指向对准系统108内置反射镜的角度和位置，使光束发生偏转并且搜寻和对准通信目标，根据通信目标的空间位置调整内置反射镜的旋转角度，实现指向对准和跟踪；所述通信目标发射的反馈光信号经望远镜系统109、指向对准系统108和分束器107到达可调谐滤波器110，可调谐滤波器110的中心频率根据不同的通信波长进行自动调整，所述可调谐滤波器110为窄带滤波器，用于选择当前接收的反馈光信号波长并对其它干扰光进行抑制。并且通过可调谐滤波器110输出的光信号经聚焦透镜111汇聚到光电探测模块112进行探测，由光电探测模块112将光信号转变电信号并经过调制/解调模块104解调后到达控制单元101。

优选地，所述可调谐半导体激光器103为单片集成的分布式布拉格反射型激光器。并且，所述的可调谐半导体激光器103可以为全电控的激光器，可进行波长的粗调谐和精细调谐，波长切换速度可达10mhz以上。

本发明提供的一种波长快速可调谐的空间激光通信终端，其实施流程包括以下步骤：

步骤1：波长调谐与切换。控制单元101发出指令给激光器控制驱动102，fpga芯片201通过功率控制电路202使可调谐半导体激光器103发射激光并对光功率进行控制；通过波长调谐/切换控制电路203，对激光器波长进行粗调谐和精细调谐，以10mhz以上的波长切换速度准确切换至指定的通信波长；通过温度控制电路204保证激光器的温度稳定，避免波长漂移和功率抖动。

步骤2：信号发射。可调谐半导体激光器103的输出光经调制/调制模块104被加载上电调制信号，经光放大器105放大之后进入准直器106，准直器106对光束进行整形扩束后以平行光出射，后经过分束器107分束后到达指向对准系统108，最后经望远镜系统109发射到自由空间。

步骤3：指向对准。控制单元101通过控制伺服驱动113调整指向对准系统108内置反射镜的角度和位置，使光束发生偏转，搜寻并对准通信目标；当对方通信目标接收到本终端发送的信号光时，发射反馈光信号。

步骤4：信号接收。来自通信目标的信号光或反馈光信号经望远镜系统109、指向对准系统108和分束器107到达可调谐滤波器110；可调谐滤波器110为窄带滤波器，可根据当前的通信波长自动调整其中心频率至通信波长，使光信号通过，干扰光被抑制；通过可调谐滤波器的光信号经聚焦透镜111汇聚到光电探测器112，将光信号转变电信号，最后经过调制/解调模块104解调到达控制单元101。

步骤5：通信链路建立。控制单元101根据步骤3和步骤4对接收到的反馈光信号进行识别分析，发送指令给伺服驱动113，按照设定的算法调整指向对准系统内置反射镜的角度和位置，直至接收到来自通信目标的反馈光，通信链路完成建立。

图3是本发明应用于空间激光通信的工作示意图。如图3所示，激光通信链路由终端a和终端b来实现，终端a和终端b均为波长快速可调谐的空间激光通信终端。假设可调谐半导体激光器的波长调谐范围为λ1～λn，在进行通信时，终端a可发射λ1到λn之间的任意一个波长信号λa给终端b，终端b通过可调谐滤波器和光电探测模块进行接收。同时，终端b发射λ1到λn之间任意一个波长信号λb(λa≠λb)给终端a，终端a也通过可调谐滤波器和光电探测模块完成信号接收。

综上，本发明提供的空间光通信终端，采用可调谐半导体激光器作为光源，可以实现波长的精确调谐和快速切换，提升了空间激光通信链路的动态配置能力。

需要说明的是，以上说明仅是本发明的优选实施方式，应当理解，对于本领域技术人员来说，在不脱离本发明技术构思的前提下还可以做出若干改变和改进，这些都包括在本发明的保护范围内。