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空间光子学:卫星系统的平台技术

发布:HPLSElaser阅读:1190时间:2017-10-13 11:51:50

光子学作为新兴的激光通信市场的关键技术,其独特的性能将为通信行业带来新型带宽需求应用,并大大拓展下游通信行业的发展空间。

光子学的迅速发展有利于航天领域中相互影响的多元化市场的形成,其中包括:导航、遥感和远程通信,以及开创性的行星科学的探索任务。光子子系统具有带宽、质量、功耗、光束尺寸以及抗电磁干扰等方面的优点,将使用于导航卫星系统、地球观测卫星、近地轨道(LEO)卫星以及电信卫星有效载荷的研究。


图为欧洲航天局研发的土壤湿度和海洋盐度(SMOS)监测卫星MIRAS在2007年测试期间的照片。其使用名为MOHA的光纤数字网络进行主时钟信号、本地振荡器以及接收到的数字化数据的传输。图片来源:A.Le Floc’h/欧洲航天局。

光子学在实验室以及太空中的主要测试任务包括激光源的稳定性、高速信号传送器、高灵敏度接收器、机载光学处理系统以及光学时钟分布。2009年于欧洲航天局(ESA)研发的土壤湿度和海洋盐度(SMOS)卫星上部署的1.55 μm熔融光纤耦合器为光子学稳健性的关键。理论上该卫星的寿命为三年(包括六个月的调试阶段),但到目前为止,SMOS已运行超过七年,并持续收集数据信息。

通信终端

卫星之间或卫星与地面之间的激光通信能够实现高速连接,并提高质量、占地面积以及功率等航天器资源的利用率。航天激光系统通过发出1064nm或1550nm的波长在近地轨道或地球静止轨道上建立高容量网络。这将使用到已实现的陆地光子技术,并且在需要时将使用波分复用技术来增加总体通道容量。


大功率分布式反馈激光器在组装时将作为激光通信终端的光源。图片来源:英国古奇休斯古公司。

激光通信终端(LCT)在航天领域中作为地面网络线路设备的应答器。LCT的主要“职责”在于“准备”数据以及“建立”通信连接。尽管空间数据系统咨询委员会(CCSDS)已提出了激光通信的标准化,但迄今为止,依旧没有统一且公开的系统定义以及太空光子硬件的多源协议。

然而,激光终端通常按照普通开放式系统互连(OSI)参考模型执行一级及二级功能。终端功能模块包括中央处理器、光纤发射和接收子系统以及用于执行指向和跟踪的自由空间组成。其中,光纤发射和接收子系统包括激光器、电光调节器、放大器和光电探测器,分别实现激光发射、编码、放大和接收的功能。


图为激光通信中继演示(LRCD)模块中的光学模块,由孔径直径为10.7cm的固定惯性稳定望远镜组成。图片来源:NASA戈达德太空飞行中心, Donald Cornwell博士。

与地面远程通信组件相比,航空领域中使用的光子学部件需要额外的性能评估,即在最差的降解因素下使用周期结束时的参数。在一些情况下,由美国卓讯科技(Telcordia)认证的组件能够设计成具有额外定制、进一步的空间分配评估以及升级筛选的系统。在其他情况下,由于所使用的材料或地面远程通信组件制造方法的固有限制,需要设计出全新的组件。然而,最重要的是,组件、模块以及相应的系统能够在辐射下正常运行,因为对于电子或光子来说地球轨道为其不适宜生存的环境。

围绕地球转动的卫星处于近地轨道或地球静止轨道时将分别运行于或接近于范艾伦(Van Allen)辐射带的内部和外部。由于地球磁场的存在,贯穿银河系的辐射和太阳宇宙射线将被困在这些区域内。这些辐射由电子、质子以及较重的离子组成。卫星运行轨道不同,产生辐射的类型不同,因此,所激活的降解机制也不同。为了创造更具有挑战性的使用环境,将根据部件特征,例如材料类别和特征尺寸,形成不同的基于轨道位置的辐射。


图中工程师手中的器件为用于卫星通信的大功率激光二极管组件。图片来源:古奇休斯古公司,M. Tuci。

因此,任何航天领域光子学硬件发展的关键在于量化不同辐射类型下的降解性能,即计算在最差情况下系统寿命结束时的性能。

航天级光纤

光电子元件是卫星激光通信系统和电信卫星有效载荷内卫星内部链接的关键组成部分。半导体激光器主要产生用于传输的特定波长的光,以及掺杂光纤或玻璃(用于产生和放大信号)中使用的光。在结构设计方面,激光器需要完全密封并符合机械、热量和辐射等方面的条件,以确保在发射和运行阶段的正常工作。除了明确和严格控制生产流程外,激光器还需要使用完全可追踪的材料和组件,以遵循与任务相关的产品保证需求。


图中的科学家们正在进行近地轨道或地球静止轨道温度下大功率放大器的功能性能验证。图片来源:古奇休斯古公司。

效率保持

非电离辐射有害于光电子元件,将引起晶格结构内的位移损伤。如果晶格结构存在缺陷,可能会导致非辐射复合,并降低设备的效率。激光二极管中的位移损伤通常表现为阈值电流变化。而光电探测器中的位移损伤则表现为响应度(即由特定入射数量的光子产生的电流量)的下降。

欧洲委员会Horizon 2020项目中HIPPO的框架内含有分布式反馈(DFB)激光器、高速探测器以及泵浦激光器。DFB激光器的测量结果显示,在使用60Mev的能量,累积影响范围为1012p/cm2的极限情况下,存在一个小于5%的阈值变动。高速接收器响应度的降低小于3%,而暗电流则从40nA增长至50nA。高亮度和低亮度泵浦激光器均观测到降解的最小化至消失的过程。对于地球同步轨道(GEO)和近地轨道代表性累积影响等级1010p/cm2和1011p/cm2 存在最小降解,即传输和接收时分别小于1%的阈值变动和响应度降低。

熔融光纤组件是各种通信子系统的必要组成部分,用于光纤组件内的组合、分离和滤光。除了用于克服振动和冲击的热机械性能要求外,被动元件需要在热真空下运行并且具有耐辐射性。石英光纤组件的辐射降解以色心的形式出现,有效地在信号中引入传播损耗。在G&H偏振保持(PM)和非PM融合耦合器及组合器中使用ESA标准(ESCC 22900)后进行伽马辐射测试,测试结果表明在极限情况下,即100krad的总电离剂量(TID),插入损耗降解为1%至4%。

将高可靠性的兼容组件集成至LCT的功能系统中需要检验单元级别的组装过程。通过实验验证光放大器的辐射性能需要精心设计的测试策略和硬件配置,以产生代表指定目标的真实结果。


图中为用于近地轨道直接下行链路的光放大器单元,其正准备进行真空温度循环测试。图片来源:古奇休斯古公司。

如果活性纤维没有在正确的放大器配置中进行测试,那么在活性掺杂纤维和辐射诱导吸收的光放大过程中,复合增益动力学的组合可能会导致错误的和误导性的结果,从而掩盖了真实的降解过程。此外,测试参数也可能引入误差来源,从而改变真实性能。

满足航天要求的系统

光纤和激光器的集成需要成功通过依据ESA或NASA标准制定的航天级别单元测试,例如ECSS-E-10-03,其为系统及其组成部分提供标准的环境和性能测试要求。除了完整的功能性能测试和电磁兼容性(EMC)测试之外,子系统还需要通过热机械测试,包括真空中的冲击、振动和热循环。这些具有特定序列的测试能够模拟发射和轨道运行的过程,因此能够激活在运行过程中出现的任何故障或降解源。


图为位于西班牙塞维利亚的测试公司ALTER和测试设备CNA使用Co60光源照射光学放大器组件,用于测量光增益下降以及高达100krad总电离剂量的噪声系数演变。图片来源:古奇休斯古公司。

G&H遵循ECSS的单元级别计划,将符合要求的中等功率助推放大器用于直接下行链路,且用于偏振保持的光纤放大器的增益模块包括G&H的HI-REL熔融部件和光电元件。该部分在2500g的冲击和19g的均方根振动下通过测试。其在真空中的运行没有出现任何故障,证明单元级别的组装和集成过程适合于航天领域的应用。在对增益模块进行测试后,完整的多通道放大器系统在真空中通过了1000g的机械冲击测试,19.3g的均方根振动测试以及热循环测试,并准备进入轨道演示阶段。

若要在航天领域中充分利用光学和光子学,则需要支持航天领域的过渡,同时通过电信行业和其他工业领域的技术研究,增加具有成本效益的卫星间网络和大型航天器的部署。高可靠性电信应用的制造流程可以被视为技术基准,并通过改变过程控制和组装流程,形成高容量的光子学单元组装、集成和测试方法。

来源: https://www.photonics.com/Article.aspx?AID=62298&PID=2&VID=143&IID=954

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