单波长激光通信终端的隔离度.pdf

文章编号2097-1842（2023）05-1137-12单波长激光通信终端的隔离度高伟饶1,2，董科研1,2*，江伦1,2（1.长春理工大学光电工程学院,吉林长春130022；2.长春理工大学空间光电技术研究所,吉林长春130022）摘要：单波长激光通信终端之间数据通信时，信号传输与接收间良好的隔离性能是建立双工双向激光通信的关键。本文针对单个激光波长激光通信端机的传输与接收方案，以及激光通信终端整体的通信性能，分析了关键元器件的表面粗糙度和表面清洁度水平对激光通信终端隔离性能的影响。通过 Harvey 模型、ABg 模型推导模型参数。利用 TracePro 软件对所设计的方案进行分析。得出以下结论：当信号传输通道中/2 波片、/4 波片和光学天线结构的表面粗糙度变好或者表面清洁度提升时，元件带来的后向散射会降低信号传输通道内的隔离性能。同时，激光通信终端隔离度的测量结果为 77.86dB，与软件仿真结果 78.35dB 基本一致，这一结果可以应用于激光通信系统。关键词：激光通信；杂散光分析；隔离度；表面粗糙度；表面清洁度中图分类号：TN929.13文献标志码：Adoi：10.37188/CO.2022-0253IsolationofsinglewavelengthlasercommunicationterminalsGAOWei-rao1,2，DONGKe-yan1,2*，JIANGLun1,2（1.School of Photoelectric Engineering,Changchun University of Science and Technology,Changchun 130022,China；2.Institute of Space Optoelectronic Technology,Changchun University of Science andTechnology,Changchun 130022,China）*Corresponding author，E-mail:Abstract:Fordatacommunicationbetweensinglewavelengthlasercommunicationterminals,goodisola-tionbetweensignaltransmissionandreceptionisthekeytoestablishingduplexbidirectionallasercommu-nication.Inthispaper,withrespecttothetransmissionandreceptionschemeofasinglelaserwavelengthlasercommunicationterminalanditsoverallcommunicationperformance,theinfluenceofthesurfacerough-nessandcontaminationlevelofkeycomponentsontheisolationperformanceofthelasercommunicationter-minalisanalyzed.ThemodelparametersarederivedfromHarveymodelandABgmodel,andthedesignedschemeisanalyzedusingTraceProsoftware.Whenthesurfaceroughnessorcontaminationlevelof/2waveplate,/4waveplateandopticalantennastructureinthesignaltransmissionchannelisimproved,thebacks-catteringcausedbytheseelementswillreducetheisolationperformanceinthesignaltransmissionchannel.收稿日期：2022-12-12；修订日期：2023-01-06基金项目：国家自然科学基金资助项目（No.U2141231，No.91838301）SupportedbyNationalNaturalScienceFoundationofChina(No.U2141231,No.91838301)第16卷第5期中国光学（中英文）Vol.16No.52023 年 9 月ChineseOpticsSept.2023Atthesametime,themeasurementresultoflasercommunicationterminalisolationis77.86dB,whichisba-sicallyconsistentwiththesoftwaresimulationresultof78.35dB.Thiscanbeappliedinlasercommunica-tionsystem.Keywords:lasercommunication；straylightanalysis；isolation；roughness；contaminationlevel1引言空间激光通信具有通信频带宽、数据传输速度快、良好的性价比、易于部署和通信安全等优点，系统整体体积小、重量轻、功耗低，在很多领域均有需求1-3。因此，一对一、一对多的空间激光通信得到了高速发展4-6。目前，空间激光通信多采用收发一体式的双工通信，即信号的接收和发射使用共同的光学天线。这种方法既节省了空间又提高了通信效率7。但在通信发射阶段整体光学系统内的光机等器件会产生后向散射光，杂散光会通过光路返回并进入探测器，从而造成信噪比降低，甚至直接吞灭接收到的信号，严重影响通信质量。吕博8等人针对同轴两反射镜在未使用主镜筒外遮光罩的前提下，对次镜遮光罩进行优化设计以实现杂散光抑制。验证了紧凑型大视场折反射光学杂散光抑制结构的可行性。夏方圆9等人通过对卡塞格伦光学天线的次镜打孔和在光路中增加光陷阱的方式抑制后向散射，提高系统隔离度。曲杨10等人在 3D 激光视觉系统中，利用偏振分光隔离的方法，以及通过旋转一定角度来降低/4 波片表面反射杂散光，上述方法均达到了较好的隔离效果。然而，目前针对激光通信系统中光学单元的加工工艺与光学设计结构相结合的研究相对较少，因此有必要通过激光通信系统中光学单元的加工工艺要求与光学设计结构对共口径通信结构的隔离效果进行详细分析。本文设计了一个由抛物面反射镜和透镜组成的离轴抛物面反射式光学结构，对结构中透镜元件的表面粗糙度和透镜元件表面清洁度两方面展开研究，并对激光通信终端进行仿真分析。最后得出以下结论：终端内关键元件表面粗糙度会影响隔离性能，隔离度随粗糙度的增大逐渐变小。同时，在同等条件下，随着各个元件表面清洁度水平的提高，激光通信终端内隔离性能也会逐渐降低。2整体结构设计为满足激光通信系统的设备要求，本文设计了一种收发一体的双工通信模式，如图 1 所示。本方案中使用 56偏振分光棱镜进行偏振分光。常用的 45偏振分光棱镜以 45角入射，反射光与入射光成 90角，本方案与其不同。本方案中，光束以布儒斯特角入射，反射光与折射光互相垂直。这样可以相对减少由棱镜透射的部分偏振光在通道壁反射后的回光对信号接收端的影响。ReflectingmirrorReflectingmirrorReflectingmirrorPolarizationanalyzer56 PBSBeamsplitterSignal lightCommunicationreceivingSignalreceivingReflectingmirrorOpticalantenna1/2 wave plate1/2 wave plate1/4 wave plate图1激光通信整体结构Fig.1Structureofthelasercommunicationsystem同时，由图 1 可以看出整体的工作情况如下：信号光通过/2 波片调整偏振方向，S 线偏振光经 56偏振分光棱镜反射到/2 波片、/4 波片，偏振态转换为圆偏振光，由光学天线发射信号。信号接收时，光学天线接收到圆偏振光后，经过/2 波片、/4 波片转换为 P 线偏振光，最后由56偏振分光棱镜和检偏器同时对 P 线偏振光以外的杂散光进行隔离，并由信号接收机对信号进行接收分析。但在信号传输过程中，其他光学元件和天线结构所产生的表面散射仍然会以杂散光的形式到达信号接收端，导致信噪比下降。所以需要分析光学天线和整体结构中的影响因素，提高系统通道内的隔离度。1138中国光学（中英文）第16卷3杂散光分析理论基础3.1隔离度模型定义本文主要研究信号光在传输过程中对信号接收端的影响。根据信号光收发通道隔离的定义，隔离度可以写为11：IS=10log(ErEi),（1）EiEr其中：表示信号光的发射功率，表示信号接收端的杂散光功率。设发射信号光 S 线偏振光琼斯矢量为：E1=01,（2）信号光在系统中传输的过程中，信号接收端接收到的光学系统中的后向辐射杂散光功率可表述为11：Pr=IrFBRDF,（3）IrFBRDF式中：表示信号接收端接收到的杂光光强，表示信号接收的立体角，表示光学系统中光学元件表面的双向反射函数。使用 Kirchhof 理论对双向反射分布函数(Bi-directionalReflectanceDistributionFunction,BRDF)建模，表示元件表面反射及散射情况12。则粗糙元件表面反射光可以表示为：FBRDF=Fsp+Fdd+Fud,（4）FspFddFudFud一般包括镜面反射，表示漫反射或者说是镜面反射和漫反射之间的反射，表示均匀漫反射。通常，镜面反射是部分偏振的，并且相对于照明区域的局部表面法线指向镜面方向。但是当镜面反射的一部分光入射到材料表面的另一部分上时，则会产生镜面反射偏振的部分偏振，并且再次指向相对于该照明区域的局部表面法线的镜面方向。重复多次会导致散射，该散射是非偏振的。所以本文只考虑均匀漫反射产生的偏振相关杂光对信号接收端的影响。公式(4)可写为：FBRDF=Fud.（5）总积分反射(TotalIntegratedScatter,TIS)13作为元件材料表面的一个重要光学特性，可以表达元件表面的均方粗糙度。其与粗糙度之间的关系可表示为：TIS=2ncosi2,（6）inn其中：为镜面均方粗糙度；表示波长；为反射角；为元件界面折射率差(=2 为反射镜面)。基于 Lambert 散射模型的定义，光学系统中各元件表面上的双向反射率分布函数(FBRDF)与TIS 之间的关系可以写成：FBRDF=TIS.（7）DL1波信号接收立体角可以通过接收端光学孔径和光学子系统后截距表述：=D216L21.（8）根据图 1 所示路径可知，信号光到达光学天线抛物面的光强可以表示为：E2=J3J2J1JhwpJqwpJpbsE1=r1r2r3r4121i,（9）J3、J2、J1Jhwp、Jqwp、Jpbsr1、r2、r3、r4其中：表示反射镜琼斯矩阵；分别表示二分之一波片、四分之一波片、偏振分光棱镜的琼斯矩阵；表示反射系数。通过穆勒矩阵对后向反射光推导到达探测器的光强，则经归一化的自然光斯托克斯矢量为：ER=rbMpMpbsMqwpMhwpr1r2r3Es,（10）ER=2rbr4r21r22r23(1+21221212200)T,（11）rbMp、Mpbs、Mqwp、Mhwpr1、r2、r3、r4其中：表示能量分光镜的反射系数；检偏器、偏振分光棱镜、四分之一波片、二分之一波片的穆勒矩阵分别为；反射镜的反射系数分别。所以后向反射杂光到达信号接收端的杂光光强为：Ir=2rbr4r21r22r23(1+2122).（12）将公式(12)代入公式(3)后与公式(1)联立得到激光通信终端信号发收隔离度公式为：第5期高伟饶,等:单波长激光通信终端的隔离度1139IS=10lg2rbr4r21r22r23(1+2122)D216L21(2ncosi)2.（13）鉴于各个光学元件的反射系数、消光比以及接收立体角均为已知的固定数值，并且波片的旋转角度对隔离度影响较小，所以本文使用 Tra-cePro 软件对光路中的光学元件表面粗糙度进行隔离度仿真分析。同时，通过光学元件的表面清洁度对隔离度的大小进行仿真分析。3.2基础理论模型本文针对光学望远单元中离轴抛物面、离轴反射镜、准直透镜组和系统中/2 波片、/4 波片的表面粗糙度和表面清洁度进行仿真分析。通过 Harvey 模型与 ABg 模型对望远单元和通信支路中的各个元件进行 BRDF 建模，并通过 Tra-cePro 软件模拟隔离度的变化。3.2.1表面粗糙度模型双向散射分布函数(BidirectionalScatteringDistributionFunction,BSDF)表示结构中各个单元的散射特性14-15。本文在杂散光分析中主要考虑光学单元的反射特性，所以使用 BRDF 代替BSDF。杂散光的强弱与 BRDF 有直接关系。降低 BRDF，可以降低信号通道内的杂光传输。所以本文主要建立 BRDF 模型。Harvey 模型是对光学表面 BRDF 进行建模的常见方法，并得到了大多数杂散光软件的支持。ABg 模型与 Harvey 模型非常相似，可以利用 Harvey 模型对 ABg 模型参数进行计算仿真。ABg 模型是直接应用 TracePro 软件的一种模型计算方式，其函数形式为：BRDF=AB+|0|g,（14）、0其中：A、B、g 为待定参数，为反射方向和入射方向的方向余弦。Harvey 模型对于镜面的散射表达式为：BRDF(|sinssini|)=b01+(|sinssini|L2)2s/2,（15）s、i其中：分别为散射角和镜面反射角，是常数，L2的翻转角，通常在 0.001 量级或者更小量级，s 表示 Harvey 模型取值大于 L2时的斜率因子，用于表示镜面散射分布程度。获得数据拟合时，Harvey 模型中的常数可以通过 TIS 计算得到16：TIS?2b100ss+2.（16）当取得典型值，波长为测试波长（632.8nm）时，Harvey 模型与 ABg 模型可以通过相应的公式得出与其对应的 ABg 模型参数，如图 2（彩图见期刊电子版）所示。公式如下17：A=b0B,（17）B=Ls2,（18）g=s.（19）本文中，系统工作波段为 1550nm，对于系统光路中/2 波片、/4 波片及准直透镜组，选取表面粗糙度分别为 3、6、9、12、15nm，分析隔离度的变化。BRDFHarveyABg102102101100102104104103102101100106108|sinssini|图2Harvey 模型与 ABg 模型Fig.2HarveyandABgmodels不同均方粗糙度下的 ABg 散射模型参数见表 1。表1不同表面粗糙度 ABg 模型参数Tab.1ABg model parameters for different surfaceroughnesses表面粗糙度（nm）ABg34.23651054.44151051.5561.69401044.44151051.5593.81301044.44151051.55126.77871044.44151051.55151.05801034.44151051.55已知光轴的入射角，通过公式(6)计算得到光学天线中离轴抛物面与离轴反射镜的表面粗糙1140中国光学（中英文）第16卷度分别为 3、6、9、12、15nm 时的 TIS 数值。根据 Harvey 模型计算不同均方粗糙度相对应的 ABg模型参数，如表 2 所示。表2不同表面粗糙度光学天线 ABg 模型参数Tab.2ABg model parameters of the optical antennawithdifferentsurfaceroughnesses表面粗糙度（nm）ABg主镜33.06431054.44151051.5561.22571044.44151051.5592.75791044.44151051.55124.87371044.44151051.55157.61521044.44151051.55次镜34.04261054.44151051.5561.61711044.44151051.5593.63841044.44151051.55126.46821044.44151051.55151.01061034.44151051.553.2.2表面污染模型洁净元件表面的颗粒污染水平通常通过表面清洁度(ContaminationLevel,CL)18描述，通常使用针对洁净室规范导出的(IEST)CC1246D标准定义分布。给出了清洁度或“污染水平”的函数：N=10|log210(CL)log210(1),（20）1其中：CL 表示表面的清洁度水平；N 表示直径大于或等于微米的每平方英尺的颗粒数量。斜率常数在文中取 0.926，表示在洁净元件表面进行颗粒污染分析。图 3（彩图见期刊电子版）给出了不同CL 下，N 与之间的关系。对颗粒分布进行分析，将所有不同大小的污染颗粒的污染颗粒密度之和定义为污染颗粒覆盖率(PercentAreaCovered,PAC)16。颗粒覆盖面积百分比 PAC 计算如下：PAC=10M+|log210(CL),（21）=0.926 M=7.245式中 M 为常数，当，时，表面污染散射引起的表面总积分散射(TIS)可通过污染颗粒覆盖率(PAC)得到：TIS?PAC/100.（22）依据颗粒覆盖率和表面清洁度的关系，以及颗粒覆盖率和 BRDF 的比例关系，在 1550nm 工作波长表面清洁度分别为 200、400、600、800 时对应的污染颗粒覆盖率分别为 4.55103、0.106、0.798、3.63。通过公式(22)可得到不同清洁度(CL)水平下的颗粒污染 BRDF 数据，并将其数值用 ABg 模型进行拟合，如表 3 所示。表3不同清洁度(CL)ABg 模型参数Tab.3ABgmodelparametersfordifferentcontamina-tionlevels表面清洁度CLABg2007.2371066.1021051.54001.6851046.1021051.56001.2711036.1021051.58005.7691036.1021051.54测量实验与结果4.1整体光学设计光学天线采用离轴抛物面式设计，以提高通信收发及探测视场，而无中心遮拦的设计则降低了系统能量损耗。如表 4 所示：表中的指标参数为设计要求，中心波长采用 1550nm；系统的缩束倍率为 10 倍；出射口径为75mm；系统的最后接收视场按照信标探测的视场进行设计；设计视场为 5mrad。根据表 4 中的指标利用 Zemax 软件完成了876543210012345678910Surface contamination particle diameterNumber of particles per 0.1 m2 largerthan diameter200400600800图3CL 分别为 200、400、600、800 时对应的 N 与 1之间关系Fig.3The relationship between N and 1 when CL are200,400,600and800,respectively第5期高伟饶,等:单波长激光通信终端的隔离度1141如图 4 所示的光学设计。200 mm图4光学设计整体布局图Fig.4Overalllayoutdiagramofopticaldesign光学系统的 MTF 曲线如图 5(彩图见期刊电子版)所示。由图 5 可知，调制传递函数曲线在0视场时接近衍射极限。该光学设计中，主镜为离轴抛物面，其他的转折镜均为平面反射镜，这样可以最大限度地节省空间，实现设备的小型化。MTF1.00.80.60.40.20051015202530Spatial frequency/(lpmm1)Diffraction limitT 0.00 FIELD(0.00)S 0.00 FIELD(0.00)T 0.25 FIELD(0.03)T 0.50 FIELD(0.06)S 0.50 FIELD(0.06)T 1.00 FIELD(0.12)S 1.00 FIELD(0.12)S 0.25 FIELD(0.03)图5光学系统的 MTF 曲线Fig.5MTFofthedesignedopticalsystem对所设计光路建立整体的光机结构，如图 6 所示。通过平面反射镜转折光路将整个系统放置在一个平板的左右两侧，充分利用了整体空间。图 6(a)为光学天线的缩束系统，图 6(b)为光学系统的子光路，信号的发射端、接收端、56偏振分光棱镜、/2 波片、/4 波片等元件。且在使用 TracePro 软件进行分析时，端机的材料设置为铝材料，并进行涂黑漆处理，透镜元件按照设计提供的材料和计算出的模型参数进行设置。(a)光学天线(a)Optical antenna(b)光学系统的子光路(b)Sub-optical path of optical systemReflectingmirrorReflectingmirrorOpticalantennaReflectingmirrorCollimating lens1/2 waveplate1/3 waveplate56 PBSSignal lightCommunicationreceving图6光学机械结构Fig.6Optical-mechanicalstructures4.2系统中镜面粗糙度对端机隔离度的影响在 TracePro 中设置表 1，表 2 中换算得到的ABg 模型参数，改变/2 波片、/4 波片及光学天线表面的 ABg 模型参数，分析不同粗糙度对隔离度的影响，同时，确定表面清洁度水平为 CL=400，本文设置为洁净元件表面进行颗粒污染分析，且表4光学设计指标Tab.4Opticaldesignindexes指标参数倍率10入瞳直径/mm75设计波长/nm1550最大接收视场/mrad5激光发射功率/dBm33接收器灵敏度45dBm10Gbps1142中国光学（中英文）第16卷CL=500以下的颗粒污染的 BRDF 要远小于洁净镜面的 BRDF，其对颗粒污染镜面 BRDF 的贡献相对减少15。在 1550nm 工作波长下，表面清洁度在 400 时对应的污染颗粒覆盖率为 0.106，相应参数如表 3 所示。探测器接收端接收的回光仿真结果如图 7 所示。TracePro 中设置发射总光线数为 70 万，总光通量为 1W，光线追迹阈值为1107。(3)9 nm(5)15 nmW/m2Z/mmY/mmZ/mm0.01712.71520253035404512.7152025303540450.0160.0150.0140.0130.0120.0110.0100.0090.0080.0070.0060.0050.0040.0030.0020.0010W/m20.0170.0180.0190.0160.0150.0140.0130.0120.0110.0100.0090.0080.0070.0060.0050.0040.0030.0020.0010125(a)(b)(d)(e)(c)120115110105100951251201151101051009592.192.1最小值:0,最大值:0.016 866,平均值:0.000 113 55总光通量:9.711 6108 W,光通量/发射光通量:9.711 6108,1 383 Incident 条光线Y/mm12.71520253035404512.715202530354045125120115110105100951251201151101051009592.192.1最小值:0,最大值:0.018 177,平均值:0.000 589 02总光通量:5.037 9107 W,光通量/发射光通量:5.037 9107,2 104 Incident 条光线W/m2Z/mmY/mmZ/mm0.02412.71520253035404512.7152025303540450.0220.0200.0180.0160.0140.0120.0100.0080.0060.0040.00200.0240.0260.0280.0220.0200.0180.0160.0140.0120.0100.0080.0060.0040.0020W/m2125120115110105100951251201151101051009592.192.1最小值:0,最大值:0.022 335,平均值:0.001 991总光通量:1.702 9106 W,光通量/发射光通量:1.702 9106,6 660 Incident 条光线Y/mm12.71520253035404512.715202530354045125120115110105100951251201151101051009592.192.1最小值:0,最大值:0.027 338,平均值:0.004 007 9总光通量:3.427 9106 W,光通量/发射光通量:3.427 9106,7 325 Incident 条光线Z/mmW/m20.0180.0200.0220.0160.0140.0120.0100.0080.0060.0040.0020Y/mm12.71520253035404512.715202530354045125120115110105100951251201151101051009592.192.1最小值:0,最大值:0.020 203,平均值:0.001 344 8总光通量:1.150 2106 W,光通量/发射光通量:1.150 2106,5 526 Incident 条光线(1)3 nm(2)6 nm(4)12 nm图7不同表面粗糙度下的端机接收面光通量。（a）3nm；（b）6nm；（c）9nm；（d）12nm；（e）15nmFig.7The luminous flux of the receiving surfaces under different surface roughnesses.(a)3 nm;(b)6 nm;(c)9 nm;(d)12nm;(e)15nmi通过图中光通量可计算出在不同粗糙度情况下激光通信终端内部的隔离度，如折线图 8 所示。由图 8 可知，在各个元件参数相同的情况下，改变/2 波片、/4波片及光学天线镜面粗糙度参数，相比于 3nm 镜面粗糙度，当镜面表面粗糙度为 15nm 时，隔离度降低了 13.28dB。同时，使用 Matlab 软件绘制公式(13)隔离度曲线图。式中反射系数设置为 0.99，偏振分光棱镜的消光比设置为 0.001，设置为 0.02rad，最终与表面粗糙度相关的隔离度曲线如图 9 所示。通过对比两折线图可以发现表面粗糙度在 3nm 至 15nm 区间变化时其隔离度的降低趋势基本一致。两种计算方式中，Matlab 软件是利用文中公式(13)模型进行的隔离度计算，公式中的反射系数、琼斯矩阵等模型考虑了根据 Zemax 设计计算光学元件带来的影响，所以其计算过程不考虑激光通信终端内其他机械器件散射情况，结果更趋近于理想情况。Tracepro 软件是依据设计的整体激光通信终585654525048464442Isolation/dBX 3Y 56.61X 6Y 51.25X 9Y 48.17X 12Y 46.41X 15Y 43.33246810121416Surface roughness/nm图8不同表面粗糙度下的端机隔离度曲线Fig.8Isolationcurveunderdifferentsurfaceroughnesses第5期高伟饶,等:单波长激光通信终端的隔离度1143端模型进行仿真，仿真中对于机械结构组件会设置材料属性，光线追迹时会模拟设置阈值、随机光线数、随机乱数种子，所以在 Tracepro 软件计算过程中，机械结构组件的散射情况也会添加到隔离效果的计算中，导致两种方法存在一定差别。4.3系统中镜面污染对端机隔离度的影响对镜面污染仿真首先假定镜面的污染分布均匀，且颗粒之间的间隔远大于颗粒半径。在 Tra-cePro 中设置如表 3 所示的元件表面 ABg 模型，改变清洁度水平，以分析不同污染程度对端机内隔离度的影响。在进行分析时各表面粗糙度均设置为 5nm。由公式(6)可计算出表面粗糙度为5nm 对应的 TIS 数值为 1.61103，ABg 模型参数 A=1.152104。图 10 为清洁度分别为 200、400、600、800 时 TracePro 仿真得到光通量图。TracePro 中同样设置发射总光线数 70 万，总光通量为 1W，光线追迹阈值为 1107。W/m2Z/mmY/mm12.71520253035404512.715202530354045125 120 115 110 105 10095125 120 115 110 105 1009592.192.1最小值:0,最大值:0.085 233,平均值:0.000 316 12总光通量:2.703 107 W,光通量/发射光通量:2.703 8107,1 431 Incident 条光线0.0900.0850.0800.0750.0700.0650.0600.0550.0500.0450.0400.0350.0300.0250.0200.0150.0100.00500.0900.0850.0800.0750.0700.0650.0600.0550.0500.0450.0400.0350.0300.0250.0200.0150.0100.0050W/m2Z/mmY/mm12.71520253035404512.715202530354045125 120 115 110 105 10095125 120 115 110 105 1009592.192.1最小值:0,最大值:0.086 253,平均值:0.005 511 6总光通量:4.714106 W,光通量/发射光通量:4.714106,6 438 Incident 条光线W/m2Z/mmY/mm12.71520253035404512.715202530354045125 120 115 110 105 10095125 120 115 110 105 1009592.192.1最小值:0,最大值:0.206 26,平均值:0.055 496总光通量:4.746 5105 W,光通量/发射光通量:4.746 5105,314 198 Incident 条光线0.220.200.180.160.140.120.100.080.060.040.020W/m2Z/mmY/mm12.71520253035404512.715202530354045125 120 115 110 105 10095125 120 115 110 105 1009592.192.1最小值:0,最大值:0.775 78,平均值:0.214 02总光通量:0.000 183 05W,光通量/发射光通量:0.000 183 05106,290 432 Incident 条光线0.800.750.700.650.600.550.500.450.400.350.300.250.200.150.100.050(a)(b)(c)(d)图10不同的清洁度水平端机接收面光通量。（a）CL=200；（b）CL=400；（c）CL=600；（d）CL=800Fig.10Theluminousfluxofthereceivingsurfacewithdifferentcontaminationlevels.(a)CL=200;(b)CL=400;(c)CL=600;(d)CL=800通过图 10 光通量可计算出在不同清洁度水平下激光通信终端内部的隔离度，如折线图 11所示。由图 11 可知，在各个元件参数相同的情况下，/2 波片、/4 波片及光学天线的表面清洁度水平不断下降，导致激光通信终端内的隔离度不断下降，CL=800 时低至 37.37dB。图 12 为Matlab 软件根据式(13)、式(21)绘制的不同清洁度水平下的隔离效果变化曲线。通过两种模9085807570656055504540024681012141618Roughness/nmIsolation/dBX 3Y 57.269 7X 15Y 43.290 3图9不同表面粗糙度端机隔离度 Matlab 曲线Fig.9Matlabcurveofendmachinesisolationwithsur-faceroughness1144中国光学（中英文）第16卷型的对比可以看出表面清洁水平在 CL=200 至CL=800 之间激光通信终端的隔离效果变化趋势基本一致。两种方式的仿真结果同样存在一定偏差。这是由于 Matlab 软件是根据公式中的变量进行绘图的，不考虑终端中其他机械结构对隔离效果的影响，对 Tracepro 软件进行仿真绘图时整体端机模型均进行仿真计算，散射、反射因素会影响系统的隔离效果。X 200Y 65.68X 400Y 53.26X 600Y 43.23X 800Y 37.372003004005006007008007065605550453540Isolation/dBContamination level图11不同清洁度水平的隔离度曲线Fig.11Isolationcurveofdifferentcontaminationlevel8075706560555045354030Isolation/dBX 200Y 66.49X 800Y 37.48100 200 300 400 500 600 700 800 900Contamination level图12不同清洁度水平的隔离度 Matlab 曲线Fig.12Matlabcurveofisolationwithdifferentcontamina-tionlevels4.4激光通信终端隔离效果双因素分析在光学系统的实际工作中，表面粗糙度与表面污染程度变量会相互作用，这应该加以考虑。因此，本文深入探讨了表面粗糙度与表面污染程度对激光通信终端通道隔离的影响。i激光通信终端通道系统中的反射系数设置为 0.99，偏振分光棱镜的消光比设置为 0.001，设置为 0.02rad，考虑到非理想情况下表面清洁度水平设置为 CL=200 至 CL=800，表面粗糙度设置为 0.5nm 至 15nm 之间的值。通过在上述范围内改变这两个影响因素，分析了隔离对其变化的敏感性，并绘制了在实际工程中可实现的隔离效果变化曲面图，如图 13 所示。x 轴表示不同的表面粗糙度、y 轴表示不同表面清洁度水平、z 轴表示隔离度。两个变量(即表面粗糙度 和表面污染程度)对隔离的交叉影响相同，但隔离范围不同。具体来说，使用 1550nm 的工作波长，激光通信终端通道隔离范围为 27.9386.49dB。Isolation/dB9080706050403020800600400200 051015Contamination levelRoughness/nm图13激光通信终端隔离度双变量分析图Fig.13Two-variableanalysisdiagramoflasercommunic-ationterminalisolation本节分析的实际意义在于，在单波长的激光通信终端设计中，根据获得的隔离特征曲面图，优化终端隔离效果，可在表面粗糙度和表面污染程度之间权衡，取得最佳值。4.5优化参数提升隔离度本激光通信终端发射功率为 33dBm，通信接收机灵敏度为45dBm10Gbps，根据 4.4 节双变量分析结果，对仿真模型进行优化。如图 14