[发明专利]一种星载空间光开关及实现方法

说明书

技术领域

本发明属于卫星通信领域，具体涉及一种用于星载光终端上的光开关。 

背景技术

卫星激光通信终端设计采用以链路方程为核心的设计方法，其最重要的要求是确保终端的捕获、跟踪以及通信支路都具有足够的链路预算。当前常用的提高卫星激光通信终端的链路裕量的方法主要有：（1）功能融合以减少系统光学支路。通过提高技术复杂度来降低系统复杂度，并能提高光学支路的光功率密度，比如采用通信跟踪一体化的方法将终端的跟踪与通信功能融合在一条光学支路上，例如德国TESAT公司为TerraSAR-X卫星研制的激光相干通信终端即采用二元探测器，将通信与跟踪支路集成在一起，为系统削减了一条跟踪支路。（2）功率融合以提高光学支路的功率密度。在终端的不同工作阶段(捕获、跟踪、通信)利用合适的光开关器件和选通策略，将光功率集中到当前工作支路上以提高该支路的链路预算，并实现工作支路之间的平滑过渡。 

在提高光学支路的功率密度的方式中，空间光开关的应用可以提升捕获支路的预算10dB以上，有助于极大的提高捕获概率，降低捕获时间。目前广义的光开关类型多样，但是都不能满足卫星激光通信终端的要求。比如传统的机械光开关存在回跳抖动和重复性较差的问题，无法满足卫星激光通信终端的高精度光轴稳定要求；微机械开关和光纤/波导类开关则无法满足卫星激光通信系统的宽光束要求；液晶光开关则会改变光束的偏振态。 

当前，已经在轨测试或运行的卫星激光通信终端（如日本的LUCE，法国的ARTEMIS光载荷，德国的TerraSAR-X卫星LCT载荷，中国的海洋2号卫星LCT载荷以及国际空间站激光通信载荷）未采用光开关来进行捕获-跟踪通信支路的动态分光与光路切换，因为广泛应用于光纤系统中的光开关（波导型或自由空间型）都无法移植到如卫星激光通信终端的星载光终端中，这些光开关都首先需要将光耦合到光纤内部，而星载环境下的空间光到光纤的耦合效率和稳定性都极差，无法在卫星激光通信终端的整个工作年限内保持高可靠性要求。因此需要一种适用于宽光束口径的星载空间光开关来完成光路选通的功能。 

虽然基于双棱镜倏逝波耦合的光开关已有大量的研究，若将其应用于星载光终端上，其光能透过率与可靠性之间有不可调和的矛盾。为了保持大于97%的光能量转移，必须将棱镜间隙控制到亚波长量级；而当两个棱镜间隙小于0.1个波长，两个棱镜局部表面之间的分子力会吸引两个棱镜直接胶合在一起(这一过程被称为光胶现象)，破坏开关过程的动力学，不能满足星载条件下的可靠性要求。 

发明内容

本发明的发明目的在于：针对上述存在的问题，提供一种在较大的棱镜间隙和低精度的位移驱动器条件下完成高抑制比的星载光开关。 

本发明的星载空间光开关，包括第一直角棱镜1和第二直角棱镜2、以及微位移驱动器3、连接件4； 

连接件4一端固定连接第一直角棱镜1，一端固定连接星载光终端，且第一直角棱镜1的斜面与星载光终端的入射光束光轴成45°夹角；所述微位移驱动器3固定连接第二直角棱镜2，控制第二直角棱镜2在垂直于斜面的方向上做往复运动； 

第一直角棱镜1和第二直角棱镜2的斜面的对应位置设置通光区域5，所述通光区域5的表面接触角小于90°，最小边距大于星载光终端的入射光束直径，斜面的非通光区域6的表面为超疏油表面，且各直角面设置有增透膜； 

所述第一直角棱镜1和第二直角棱镜2的折射率相等，通光区域5上置有对应直角棱镜折射率的折射率匹配液7，当微位移驱动器3控制第二直角棱镜2靠近第一直角棱镜1时，第一直角棱镜1和第二直角棱镜2上的折射率匹配液7相融合；第二直角棱镜2远离第一直角棱镜1时，融合的折射率匹配液7分离，并吸附于各通光区域5上。 

同时，本发明还提出了一种星载空间光开关的实现方法，包括下列步骤： 

S1：对折射率相等的第一直角棱镜、第二直角棱镜进行预处理： 

对各直角面进行精密抛光和镀增透膜； 

将各斜面相对应位置确定为通光区域，所述通光区域的最小边距大于星载光终端的入射光束直径，并对通光区域进行表面微结构处理，使其表面接触角小于90°； 

对各斜面的非通光区域进行表面微结构处理、化学修饰处理，使其表面为超疏油表面；