[发明专利]用于卫星相干光通信的偏振无关反射结构及其控制算法

说明书

本发明涉及一种用于卫星相干光通信系统的偏振无关反射结构及其控制算法。属于相干光通信系统的精跟踪反射系统的设计方法技术领域。用于卫星相干光通信的偏振无关反射结构，包括第一旋光晶体、第一反射镜、第二旋光晶体、第二反射镜，所述反射结构按照第一旋光晶体、第一反射镜、第二旋光晶体、第二反射镜的顺序依次放置。控制算法为根据入射光矢量和出射光矢量方向，计算和控制两面反射镜的法线指向和反射角。通过控制反射镜反射方向，在保证出射光矢量指向方向的实际需求下，实现两面反射镜上反射角和反射面相等，最大限度的保证出射光偏振态与入射光偏振态相等。

技术领域

本发明涉及一种用于卫星相干光通信系统的偏振无关反射结构及其控制算法。属于相干光通信系统的精跟踪反射系统的设计方法技术领域。

背景技术

根据调制方式和检测方式的不同，光通信系统大致分为两类:强度调制/直接检测(IM/DD)通信系统和相干光通信系统。对应于这两种通信系统的接收方式分别为直接接收和相干接收。目前使用最为普遍的是直接检测光接收机，通常简称光接收机。这种方案把光作为载波，信号对光载波进行强度调制，接收时对光载波直接进行包络检测，恢复发送的信号，完成通信。强度调制中仅与光波的强度信息有关，其相位、偏振等方面的光子态都不需要用到。这种方法经济简单实用，因此被广泛采用。

在光载波的光频范围内，频率远比信号谱宽。这意味着光载波的频段还未被充分利用。相干光通信具有选择性好，灵活度高的优点。例如，信道间隔为0.2nm时，在波长为1550±40nm的频带内可容纳几百信道，可传输THz量级的信息，其通信接收灵敏度比直接检测高18dB。因此，在远距离的自由空间传输系统中，例如卫星光通信系统，相干光通信技术是极具发展潜力的选择。

在相干光通信系统中，为了使信号光与本振光发生相干耦合，它们应该具有相同的偏振状态。本振光的偏振态由光源决定，但是经过星载系统中各种反射镜的反射，信号光的偏振态容易受到影响，导致偏振态随反射镜的偏振特性而变化。偏振态发生变化的信号光与偏振态保持恒定的本振光混合时，就形成了随机变化的偏振噪声。偏振噪声严重时，即本振光偏振态和信号光偏振态正交时，信号将会无法解调。由此可知，在相干光通信系统中偏振噪声是对系统性能影响非常大的。因此，在相关光通信系统中，必须设法减小偏振噪声。研究用于消除反射镜偏振噪声的技术在星载相干光通信系统中是不可或缺的。

目前消除反射镜偏振效应的主要办法有两个，一是利用镀膜技术。但是该技术仅能在某一特定的入射角范围内有效，并且消偏振镀膜需要近百层的各种材料膜系，这一复杂的结构很难保证在卫星的发射及运行过程中保持长时间的稳定。另有一种利用正交放置的反射镜消除偏振效应的结构在航天活动中被用于偏振遥感器之中。正交反射镜结构利用两面完全相同的反射镜正交放置，通过调整两个反射面互相垂直而利用反射镜本身的偏振效应互相进行补偿，使得入射光和出射光的偏振态保持一致。但是这一结构的缺点是必须保证反射镜的相对位置保持固定且入射光与出射光有较严格的相对关系。

发明内容

因此，针对现有技术的上述不足，本发明针对星载相干光通信系统中反射镜的使用情况，提出了一种基于旋光晶体和双反射镜实现的偏振无关的反射结构，该结构能够有效消除一般反射镜中的偏振效应。结合精跟踪系统工作特点，同时提出了一种适用于反射镜偏转控制算法，能够控制两个反射镜上的反射面处于同一平面，从而最大限度的降低偏振态的变化。

具体的，用于卫星相干光通信的偏振无关反射结构，包括第一旋光晶体、第一反射镜、第二旋光晶体、第二反射镜，所述反射结构按照第一旋光晶体、第一反射镜、第二旋光晶体、第二反射镜的顺序依次放置，两个旋光晶体表面均与入射光方向垂直，第一反射镜与第二反射镜上的反射角相等，第一反射镜及第二反射镜均可做二维转动，第一反射镜及第二反射镜均用于实现光束90°的偏转。

入射光首先被第一旋光晶体将偏振态旋转90°，旋转后的脉冲光被第一反射镜反射，其偏振态受反射镜影响，x方向和y方向的偏振光强度分别被改变。