上海光機(jī)所在矢量光學(xué)相控陣激光通信研究中取得突破進(jìn)展

中國(guó)科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所信息傳輸與探測(cè)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)孫建鋒研究員團(tuán)隊(duì)提出了空間激光通信矢量光學(xué)相控陣波束新概念，采用矢量相位控制代替標(biāo)量相位控制，成功實(shí)現(xiàn)將光學(xué)相控陣的單元數(shù)目降低到數(shù)百級(jí)，并率先完成矢量相控陣光學(xué)多維空間激光通信技術(shù)原理的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，使光學(xué)相控激光通信技術(shù)成為可能。相關(guān)研究成果以“Multi-dimensional and large-sized optical phased array for space laser communication”為題發(fā)表于Optics Express。

標(biāo)量相控陣要求單元尺寸足夠小，且單元間距小于半個(gè)工作波長(zhǎng)；對(duì)于空間激光通信中對(duì)發(fā)射光束的大掃描角和高增益的需求，需要大數(shù)目的陣元，極大增加了系統(tǒng)復(fù)雜度和實(shí)現(xiàn)難度。

矢量光學(xué)相控陣?yán)美迕准?jí)大尺寸陣元稀疏排列，采用tip/tilt/piston（TTP）三維度相控，創(chuàng)造性地發(fā)展了自主的光學(xué)相控陣原理。在等效光學(xué)孔徑200mm條件下，將2維相控單元數(shù)從百億級(jí)降低到幾百級(jí)，在大偏轉(zhuǎn)角的情況下仍能夠獲得較高的增益，光學(xué)相控陣在工程實(shí)現(xiàn)上成為可能。

本項(xiàng)工作從可用掃描角度，光學(xué)增益及可分辨點(diǎn)數(shù)三個(gè)方面與傳統(tǒng)光學(xué)相控陣性能進(jìn)行對(duì)比。數(shù)值仿真和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果表明，在同樣的條件下，多維大尺寸光學(xué)相控陣的可用掃描角度遠(yuǎn)大于傳統(tǒng)一維相控陣，可分辨點(diǎn)數(shù)高出近4個(gè)數(shù)量級(jí)。2*2陣列空間光束在±20mrad掃描范圍內(nèi)不同角度下發(fā)射相位鎖定效率均優(yōu)于74%，發(fā)射增益高于80.40 dB，這是傳統(tǒng)相控陣角度的112.4倍。

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Fig. 2　Phase distribution of beams(x-direction as example). (a. conventional type;b proposed phased array).

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Fig. 6　Optical gain of main peak at different angles

本研究工作將顯著提高空間通信帶寬和組網(wǎng)能力，實(shí)現(xiàn)激光通信終端的小型化、輕量化，使我國(guó)空間激光通信技術(shù)達(dá)到世界領(lǐng)先水平。