本发明涉及一种用于光通信的光通信终端，该光通信终端使用激光束来传输光通信信号或用于量子密钥分发(qkd)的量子密钥。
背景技术：
1、一种通信系统包括两个或多个相互通信的光通信终端。这些光通信终端组装在固定平台、移动平台或有人或无人飞行平台上。光通信终端之间的通信链路可以是光通信终端的端到端连接或网络，其中一些光通信终端可以充当中继站。光通信是对基于无线电频率的通信的补充和/或替代。光通信提供比传统射频传输更高的数据速率。与传统的射频终端相比，光通信终端oct固有地支持低尺寸、低重量和低功率(swap)。因此，可以通过光通信终端的宽带信道有效地传输大量数据。
2、图1示意性地显示了通信系统sys，包括位于地面的不同类型的终端，适用于与集成在不同类型的载人或无人飞行平台中的非地面通信终端进行通信。电信系统还可以包括平台间链路。高空平台系统haps可以通过相关的通信终端相互通信。飞机可以直接与地面终端通信，也可以通过中继通信终端间接通信，如图1所示。地面终端可以位于固定位置，也可以集成在可移动物体或车辆中，如图1所示的火车、车辆等。手持移动用户设备ue和地面终端之间经由近地飞行通信终端的通信也是可能的，如图1所示。通信系统sys中的飞行平台也可以为地球上的任何位置提供通信接入点，即使在相应位置没有陆基电信网络可用的情况下也是如此。
3、光通信终端的对准可以通过粗指向组件cpa来提供。粗指向组件的反射镜用作光束指向结构。在传统的粗指向组件中，反射镜的旋转轴围绕其重心定位，以最小化粗指向组件的电机必须抵消的重力扭矩。然而，这种配置导致了大的cpa结构。此外，粗指向组件的反射镜的光学表面以及接收望远镜在光通信终端的非操作阶段期间长期暴露。这又增加了光敏表面的污染率，导致设备的使用寿命和性能降低。
4、因此，本发明的一个目的是提供一种用于光通信的光通信终端，该光通信终端适用于克服在其重心处具有旋转轴的反射镜的传统粗指向组件的上述缺点。
技术实现思路
1、根据本发明的第一方面，通过一种用于光通信的光通信终端来实现该目的，该光通信终端使用激光束来传输光通信信号。
2、根据本发明第一方面，提供了一种光通信终端的光学粗指向组件，所述光学粗指向组件适于在光通信终端和外部光学飞行平台之间建立和/或维护光学通信链路，其中所述光学粗指向组件具有cpa反射镜，所述cpa反射镜适于将从所述外部光学飞行平台接收的光束反射到所述光通信终端的光学头单元的望远镜中和/或将从所说光通信终端光学头单元的望远镜接收的光束反映到所述外部光飞行平台，其中所述光学粗指向组件的cpa反射镜可围绕位于偏离所述cpa反射镜的重心的仰角轴枢转。
3、根据本发明第一方面的光学粗指向组件的优点在于cpa结构的尺寸最小，便于光通信终端的运输。此外，cpa反射镜和其他光学部件的光学反射表面可以在任务的非操作阶段得到保护。cpa反射镜在其关闭位置减少了光敏表面的污染率，并增加了光通信终端的操作寿命和性能。
4、在根据本发明第一方面的光学粗指向组件的可能实施例中，cpa反射镜可通过可控驱动结构绕仰角轴枢转。
5、在根据本发明第一方面的光学粗指向组件的另一可能实施例中，cpa反射镜围绕仰角轴的枢转角度可通过适于控制cpa反射镜的驱动结构的控制单元进行调节。
6、在根据本发明第一方面的光学粗指向组件的又一可能实施例中，cpa反射镜的可控驱动结构包括绞盘驱动结构或齿轮驱动结构。
7、在根据本发明第一方面的光学粗指向组件的另一个可能的实施例中，cpa反射镜包括具有反射光学表面层的镜体，反射光学表面位于可枢转的基部元件上，该基部元件由cpa反射镜的可控驱动结构驱动。
8、在根据本发明第一方面的光学粗指向组件的可能实施例中，仰角轴位于所述cpa反射镜的镜体的下边缘。
9、在根据本发明第一方面的光学粗指向组件的另一个可能实施例中，cpa反射镜可绕仰角轴在关闭位置和至少一个打开位置之间枢转。在关闭位置，光学头单元的望远镜被cpa反射镜覆盖。在至少一个打开位置，光束被cpa反射镜的光学表面反射，以建立和/或维持光学头单元和外部光学飞行平台之间的光学通信链路。
10、在根据本发明第一方面的光学粗指向组件的又一可能实施例中，cpa反射镜可通过光学粗指向组件的可控锁定结构锁定在关闭位置。
11、这增加了保护光敏表面免受不必要污染的安全性。
12、在根据本发明第一方面的光学粗指向组件的又一可能实施例中，粗指向组件作为可更换模块放置在所述光通信终端的光学头单元的望远镜前面。
13、这便于在光通信终端上安装粗指向组件。
14、在根据本发明第一方面的光学粗指向组件的另一个可能实施例中，粗指向组件可绕方位轴和/或仰角轴旋转，以建立和/或保持光学头单元与外部光学飞行平台之间的光学通信链路。
15、在根据本发明第一方面的光学粗指向组件的另一可能实施例中，安装的cpa反射镜的光学表面层面向所述光通信终端的光学头单元的望远镜的前表面。
16、在根据本发明第一方面的光学粗指组件的可能实施例中，cpa反射镜的光学表面层由高反射材料制成，特别是金。
17、在根据本发明第一方面的光学粗指向组件的另一可能实施例中，cpa反射镜的可枢转基座元件由物理轻质材料制成，特别是铝或微晶玻璃。
18、在根据本发明第一方面的光学粗指向组件的另一可能实施例中，cpa组件适于在光通信终端的采集模式中提供光束的基本角运动，以建立光通信终端和外部飞行平台之间的通信链路通过控制所述cpa组件的cpa反射镜的位置，在光通信终端和外部飞行平台之间建立通信链路。
19、本发明还提供了一种方法，用于通过围绕偏离所述cpa反射镜重心的仰角轴枢转所述光通信终端的光学粗略指向组件的cpa反射镜，在光通信终端和外部光学飞行平台之间建立和/或维持光通信链路。
20、传统的激光通信终端可以使用共享的望远镜孔径来发送和接收数据以及跟踪激光束。在传输路径中，可以产生激光束并将其耦合到共享的光束路径中，例如通过二向分色镜。透射光可以通过具有光学表面的望远镜射出，以将准直的透射激光束加宽到目标激光束直径。然而，一部分透射光被反向散射或反射到光学系统中，这可能会引起自盲效应，尤其是在扩展的跟踪传感器上。由于发射激光束通常比从外部对端通信终端接收的光强许多数量级，这将对跟踪和通信性能造成负面影响。
21、因此，本发明的另一个目的是提供一种光通信终端，以减少由反向散射和/或反射光引起的自盲效应。
22、根据本发明的另一个方面，该目的是通过一种光通信终端来实现的，该光通信终端包括光学望远镜，该光学望远镜适于扩大从所述光通信终端的光发射器单元接收的光束的直径，并减小从用于所述光通信终端的光学接收单元的外部光学飞行平台接收到的光束直径，其中至少一个中央遮蔽涂层设置在所述光接收器单元的光学部件的表面上，并且适于抑制由所述光通讯终端的所述光学望远镜反向散射和/或反射的光。
23、在根据本发明第二方面的光通信终端的可能实施例中，中央遮蔽涂层包括至少在光通信终端预定通信频率范围内是不透明的材料。
24、在根据本发明第二方面的光通信终端的另一可能实施例中，中央遮蔽涂层包括吸收或反射材料。
25、在根据本发明第二方面的光通信终端的又一可能实施例中，中央遮蔽涂层包括具有预定半径的圆形。
26、在根据本发明第二方面的光通信终端的另一可能实施例中，中央遮蔽涂层设置在所述光接收器单元的光学部件的中心。
27、在根据本发明第二方面的光通信终端的又一可能实施例中，光学部件包括所述光通信终端中的光接收器单元的光学透镜。
28、在根据本发明第二方面的光通信终端的又一可能实施例中，光通信终端中的光学望远镜包括没有中心遮蔽的轴上透镜望远镜。
29、在根据本发明第二方面的光通信终端的又一可能实施例中，轴上透镜望远镜包括在光通信终端预定通信频率范围内的由透明材料制成的单片光学透镜或多片透镜。
30、在根据本发明第二方面的光通信终端的另一可能实施例中，单片光学透镜或多片光学透镜的材料由均匀材料制成。
31、在根据本发明第二方面的光通信终端的可能实施例中，单片光学透镜或多片光学透镜的材料可以包括硅或锗。
32、在根据本发明第二方面的光通信终端的另一可能实施例中，光学望远镜透镜包括非球面凸前表面和球面或非球面凹后表面。
33、在根据本发明第二方面的光通信终端的可能实施例中，光学望远镜透镜被设计于扩大由收发器的光学发射单元发射并经过光学望远镜透镜的后表面的激光束，并且被设计于减小经过光学望远镜透镜的前表面接收的激光束直径，其中减小的光束通过光束过滤单元经由光学望远镜透镜的后表面输出到收发器的光学接收单元。
34、在根据本发明第二方面的光通信终端的另一可能实施例中，中央遮蔽涂层设置在所述光学接收单元的组件的表面，适于屏蔽所述光通信终端的收发器的光接收器单元中的跟踪传感器，使其不受由所述光学通讯终端的光学望远镜反向散射和/或反射的光的影响。
35、在根据本发明第二方面的光通信终端的另一个可能的实施例中，中央遮蔽涂层提供了取决于中央遮蔽涂层的半径与接收到的光束的光束半径之间的比率的衰减。
36、在根据本发明第二方面的光通信终端的又一可能实施例中，光学望远镜透镜的锥形部分的侧表面包括多个抑制步骤，这些抑制步骤适于抑制反向散射和/或反射的光。
37、在根据本发明第二方面的光通信终端的又一可能实施例中，望远镜透镜的前表面适于接收来自所述光通信终端粗指向组件的激光束。
38、传统的光通信系统可以使用共享的望远镜组件来发射和接收激光束，以减小光通信终端的尺寸、重量和功耗。放大的激光可以在发射机侧的掺铒光纤放大器edfa中产生。然而，由于掺铒光纤放大器中光放大的物理性质，除了所需的模拟发射之外，还产生了不需要的放大自发发射(ase)噪声。放大的光信号被引导朝向点前组件并引导至二向色分束器，该二向色光束分离器的任务是在精指向组件fpa处反射透射光之后将透射光引导至望远镜组件。然而，并不是所有的透射光都被引导出望远镜。光的一部分被反射回光学系统。这可能是由于望远镜表面的非理想防反射涂层以及污染造成的。反射光到达二向色分束器并朝向接收路径通过，在接收路径处可以存在滤波器以抑制背景光。这些滤波器以接收波长为中心，可以抑制传输光，然而，由升压edfa产生的放大的自发噪声存在于接收波长，并且可以通过这些滤波器到达高灵敏度跟踪传感器。因此，跟踪传感器可能饱和，而这也确实阻碍了跟踪的正常操作。在最坏的情况下，如果透射光的强度过高，跟踪传感器甚至可能损坏。由反向反射的ase噪声引起的另一个问题是它可能严重干扰微弱的接收通信信号。
39、因此，本发明的另一个目的是提供一种光收发器，该光收发器能够减少放大的自发发射噪声(ase)，使得ase噪声不再使提供给接收器单元的传感器失明，和/或使得ase噪声不干扰接收到的通信信号。
40、根据第三方面，该目的是通过光通信终端的光收发器实现的，该光收发器具有适于在至少一个预定通信频率范围内发送光通信信号的光发射器单元和适于在预定通信频率范围内接收光通信信号的光接收器单元，其中所述光发射器单元包括激光二极管，所述激光二极管适于产生由所述光发射器单元的升压掺铒光纤放大器(edfa)放大的激光束，其中降低所述升压edfa的放大增益以减少由所述升压edfa产生的宽带edfa放大的自发发射噪声ase，其中通过由所述激光二极管产生的激光束的输出功率的相应增加来补偿所述升压edfa降低的放大增益。
41、在根据本发明第三方面的光收发器的可能实施例中，光发射器单元适于在光通信终端的预定通信频率范围内以预定传输波长发送光传输信号。
42、在根据本发明第三方面的光收发器的另一可能实施例中，光接收器单元适于在光通信终端的预定通信频率范围内接收预定接收波长的光接收信号。
43、在根据本发明第三方面的光收发器的又一可能实施例中，光发射器单元的光传输信号通过点前组件、二向色分束器和精指向组件提供给所述光通信终端的望远镜。
44、在根据本发明第三方面的光收发器的另一个可能的实施例中，光通信终端的光接收器单元包括至少一个光带通滤波器，其适于抑制以光接收器单元的接收波长为中心的接收滤波器频带外的光。
45、在根据本发明第三方面的光收发器的另一可能实施例中，光接收器单元的光带通滤波器适于抑制所述光通信终端的光发射器单元的传输波长处的反射光。
46、在根据本发明第三方面的光收发器的又一可能实施例中，由光发射器单元的升压edfa产生的edfa-ase噪声包括与所述光通信终端的光接收器单元的至少一个光带通滤波器的接收滤波器频带的频谱重叠。
47、在根据本发明第三方面的光收发器的又一可能实施例中，通过光接收器单元的光带通滤波器的光接收信号被分束器分为提供给光接收器单元跟踪传感器的第一光信号和通过单模光纤和edfa前置放大器提供给所述光通信终端的光接收器单元光信号解调器的第二光信号。
48、在根据本发明第三方面的光收发器的另一可能实施例中，在光通信终端的校准模式中，通过光发射器单元的控制单元来执行光发射器单元升压edfa的放大增益的调整以及光发射器单元激光二极管输出功率的相应调整以降低edfaase噪声。
49、在根据本发明第三方面的光收发器的另一可能实施例中，该望远镜包括由均匀材料制成的光学望远镜透镜，该均匀材料在光通信终端的通信频率范围内是透明的并且具有高折射率。
50、在根据本发明第三方面的光收发器的又一可能实施例中，光学望远镜透镜被设计来扩展由光发射器单元发射的通过光学望远镜透镜的后表面进入的激光束，并且被设计来减小通过光学望远镜镜头的前表面接收的激光束的直径，其中减小的激光束通过光学望远镜透镜的后表面输出到所述光通信终端的光接收器单元。
51、在根据本发明第三方面的光收发器的另一可能实施例中，望远镜的光学望远镜透镜包括非球面凸前表面和球面或非球面凹后表面。
52、在根据本发明第三方面的光收发器的又一可能实施例中，望远镜的光学望远镜透镜由均匀材料制成。在可能的实施方式中，这种均匀材料可以包括硅或锗。
53、在根据本发明第三方面的光收发器的又一可能实施例中，望远镜的光学望远镜透镜包括圆锥形部分和/或圆柱形部分，其中光学望远镜透镜的圆锥形部分的侧表面包括多个抑制步骤，这些抑制步骤适于抑制反向散射或反射的光学信号。
54、在根据本发明第三方面的光收发器的又一可能实施例中，光接收器单元包括至少一个光学部件，该光学部件具有适于抑制由光通信终端的光学望远镜反向散射和/或反射的光的中央遮蔽涂层。
55、光通信终端对飞行平台上产生的振动和施加在硬件上的机械力很敏感。此外，用于运输光通信终端的运输空间非常有限。
56、因此，本发明的另一个目的是提供一种光通信终端，该终端在运输期间对机械力具有适应性，并且在运输期间不占用太多运输空间。
57、根据第四方面，本发明为光通信提供了一种使用激光束传输光通信信号的光通信终端，所述光通信终端包括：光收发器和光学头单元，所述光收发器具有适于在至少一个预定通信频率范围内发送光通信信号的光发射器单元和适于在所述预定通信频率范围内接收光通信信号的光接收单元，所述光学头单元具有望远镜用于收集光功率和调整激光束直径，其中望远镜包括单片光学望远镜透镜，该透镜由在通信频率范围内透明且具有高折射率的均匀材料制成。
58、在根据本发明第四方面的光通信终端的可能实施例中，光学望远镜透镜包括前表面和后表面。
59、在一个优选实施例中，光学望远镜透镜包括非球面凸前表面。在一个可能的实施例中，光通信终端还包括球面或非球面的凹后表面。
60、在根据本发明第四方面的光通信终端的可能实施例中，光学望远镜透镜被设计来扩展由光发射器单元发射的通过光学望远镜透镜的后表面进入的激光束，并且被进一步设计来减小通过光学望远镜透镜镜头的前表面接收的激光束的直径，其中减小的激光束通过光学望远镜透镜的后表面输出到光接收器单元。
61、在根据本发明第四方面的光通信终端的又一实施例中，光学望远镜透镜的同质材料可以包括高导热性。特别地，当使用硅作为均匀材料时，可以实现高导热性。
62、在根据本发明第四方面的光通信终端的另一个可能的实施例中，光学望远镜透镜的同质材料可以包括吸收特性，该吸收特性屏蔽了频率在预定通信频率范围之外的光信号，以最小化光接收器单元中的光噪声。
63、在根据本发明第四方面的光通信终端的另一个可能的实施例中，光学望远镜透镜可以包括至少一个具有周围旋转对称部分的侧表面。
64、在根据本发明第四方面的光通信终端的另一可能实施例中，光学望远镜透镜可以包括圆锥形部分和/或圆柱形部分。
65、在根据本发明第四方面的光通信终端的又一可能实施例中，光学望远镜透镜的锥形部分的侧表面可以包括多个抑制步骤，这些抑制步骤适于抑制反向散射或反射的光信号。
66、在根据本发明第四方面的光通信终端的另一可能实施例中，光学望远镜透镜的均匀材料包括硅。
67、在另一个可能的替代实施例中，光学望远镜透镜的均匀材料可以包括锗。
68、在另一个可能的替代实施例中，光学望远镜透镜的均匀材料也可以包括玻璃。
69、在根据本发明第四方面的光学通信终端的另一可能实施例中，光学望远镜透镜是在车削制造过程中制造的。
70、在根据本发明第四方面的光通信终端的又一可能实施例中，光学望远镜透镜也可以在研磨过程中制造的。
71、在根据本发明第四方面的光通信终端的又一可能实施例中，光学望远镜透镜是在增材制造工艺中制造的。
72、在根据本发明第四方面的光通信终端的又一可能实施例中，光接收器单元可以包括单片或复合滤光器和分束器透镜，以将接收到的光信号提供给所述光收发器的跟踪传感器。
73、在根据本发明第四方面的光通信终端的另一可能实施例中，光学望远镜透镜的非球面凸前表面适于接收来自所述光通信终端粗指向组件cpa的激光束。
74、在根据本发明第四方面的光通信终端的又一可能实施例中，用于安装光通信终端中的光收发器和/或光学头单元的框架结构是在增材制造工艺中制造的。
75、在根据本发明第四方面的光通信终端的另一可能实施例中，光学头单元可以包括点前组件paa、精指向组件fpa和/或二向分色镜cbs。
76、在光通信终端的一个可能实施例中，二向分色镜被设计为通过各自的波长特性将接收到的光束和来自发射单元的光束分离。
77、在根据本发明第四方面的光通信终端的又一可能实施例中，光通信终端集成在包括高空平台、航空飞机或无人机等的移动飞行站中，或者可以集成在地面站中，用于提供塔对塔通信。
78、本发明不同方面的特征可以相互结合。
1.一种光学通信终端oct，(1)包括光学望远镜(tla)，所述光学望远镜适于扩大从所述光学通信终端oct(1)的光发射器单元(2a)接收的光束直径并减小从用于所述光学通讯终端oct(1)中的光接收器单元(2b)的外部光学飞行平台接收的光束直径，其中至少一个中央遮蔽涂层(11)设置在所述光接收器单元的光学部件(10)的表面上，并且适于抑制由所述光学通信终端oct的所述光学天文望远镜(tla)反向散射和/或反射的光。
2.根据权利要求1所述的光通信终端，其中，所述中央遮蔽涂层(11)包括在所述光通信终端oct(1)的预定通信频率范围内不透明的材料。
3.根据权利要求1或2所述的光通信终端，其中，所述中央遮蔽涂层(11)包括吸收材料或反射材料。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的光通信终端，其中，所述中央遮蔽涂层(11)包括具有预定半径r的圆形。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的光通信终端，其中，所述中央遮蔽涂层(11)设置在所述光接收器单元(2b)的光学部件(10)的中心处。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的光通信终端，其中，所述光学部件(10)包括所述光通信终端oct(1)的光接收器单元(2b)的光学透镜。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的光通信终端，其中，所述光通信终端(1)的光学望远镜(tla)包括没有中心遮蔽的轴上透镜望远镜。
8.根据权利要求7所述的光通信终端，其中，所述轴上透镜望远镜(tla)包括单片光学透镜(3a)或由透明材料制成的多片光学透镜，所述透明材料在所述光通信终端oct(1)的预定通信频率范围内是透明的。
9.根据权利要求8所述的光通信终端，其中，所述单片光学透镜(3a)的材料包括硅或锗或其他均匀材料。
10.根据权利要求7至9中任一项所述的光通信终端，其中，所述望远镜(tla)的光学望远镜透镜(3a)包括非球面凸前表面(fsur)和球面或非球面凹后表面(rsur)。
11.根据权利要求10所述的光学通信终端，其中，所述光学望远镜透镜(3a)被设计成扩大由所述光收发器单元(2a)发射并穿过所述光学望远镜透镜(3a)的后表面(rsur)的激光束，并且被设计成减小通过所述光学望远镜透镜(3a)的前表面(fsur)接收的激光束的直径，其中所述减小的激光束通过所述光学望远镜透镜(3a)的后表面(rsur)经由二向分色镜(3d)输出到所述光接收器单元(2b)。
12.根据权利要求1至11中任一项所述的光通信终端，其中，设置在所述光接收器单元(2b)的部件(10)的表面上的所述中央遮蔽涂层(11)适于遮蔽所述光通信终端oct(1)的所述光接收器单元(2b)中的跟踪传感器(8)，对抗由所述光学通信终端oct(1)的光学望远镜(tla)反向散射和/或反射的光。
13.根据权利要求1至12中任一项所述的光通信终端，其中，所述中央遮蔽涂层(11)提供取决于所接收光束的中央遮蔽半径r和光束半径r之间的比率衰减。
14.根据权利要求中任一项所述的光通信终端，其中，所述光学望远镜透镜(3a)的锥形部分的侧表面包括n个抑制步骤，所述n个抑制步骤适于抑制反向散射和/或反射的光。
15.根据权利要求10至14中任一项所述的光通信终端oct(1)，其中，所述望远镜透镜(3a)的前表面(fsur)适于接收来自所述光通信终端(1)的粗指向组件(4)的激光束。
