新型光子晶体光学天线设计及光传输性能研究

By the use of photonic crystal self-collimation property and Cassegrain antenna which realizes by subreflector with center hole，we design a novel photonic crystal optical antenna structure.By carring out theoretical modeling and optimal design，the transmit accuracy and transmission efficiency of the optical antenna will be enhanced.Details as following: .(1) We explore the pre-collimation system base on the photonic crystal self-collimation property. Photonic crystal high accuracy collimator will be designed；.（2）Base on the transmission theory of Gaussian laser beam，we theoretically analyze the novel optical antenna system structure，optimize the transmission property of light beam，and enhance the transmission efficiency；.（3） By the use of slow light effect of the photonic crystal,we induce a phase difference to the center hole of the subreflector，processing the phase compensator design；.（4）A three-dimentional off-axis structure of the optical antenna will be theoretically modeling, and the effect of the off-axis on the light propagation property will be investigated；.（5）Manufacturing, experimental testing and verification of the novel photonic crystal antenna . .The investigation results will offer the fundamental research for the collimation accuracy and propagation efficiency enhancement of the free space optical communication. It has significance of theoretical and application perspective.

利用光子晶体自准直特性与具有次镜中心开孔的卡塞格伦光学天线相结合，构建新型结构的光子晶体光学天线，进行理论建模和优化设计，提高光学天线的发射精度和光传输效率。具体包括：.（1）应用光子晶体的自准直特性，探究光子晶体在光学天线预准直系统中的应用，设计光子晶体高精度准直器；（2）基于高斯光束的激光传输理论，对新型结构的光学天线系统，进行理论分析，优化光传输性能，提高传输效率；（3）应用光子晶体的慢光效应对次镜中心开孔引入的相位差，进行相位补偿器设计；（4）对光学天线系统三维偏轴进行理论建模，研究偏轴对光传输特性的影响；（5）加工制作、实验测试与验证。.本研究将为空间光通信提高准直精度、增加传输效率提供应用研究基础。在光通信技术领域具有重要的理论研究意义。

无线光通信具有小的波束发散角和稳定的方向使其具有良好保密性，但也使得光束的捕获变得困难，目前光通信技术面临的关键技术问题是：高精度预准直技术和高效率的光学天线发射、接收技术；高精度光学天线发射、接收技术是确保实现远距离空间激光通信的关键技术。本项目主要针对光通信的关键技术进行研究，利用光子晶体自准直特性与新型结构的光学天线相结合，提高光学天线的光传输效率。具体包括：.（1）应用表面调制的光子晶体的自准直特性，探究了光子晶体在光学天线预准直系统中的应用，设计了光子晶体高精度准直器；设计了非球面柱透镜组高精度准直系统；设计了接近衍射极限的理想非球面高精度准直系统和同轴高精度准直系统；.（2）设计了主、次镜具有一维光子晶体全反射膜层的新型光子晶体光学天线；设计了次镜中心开孔的卡塞格伦光学天线；设计了抛物与双曲组合的主镜结构光学发射天线；设计了旋转椭球面次镜和共焦抛物面主镜构成的光学发射天线；.（3）应用光子晶体的慢光效应对次镜中心开孔引入的相位差，进行了相位补偿器设计；.（4）研究了空心光束产生的新方法及其在光学天线系统中的传输特性，进行理论建模和优化设计，提高光学天线的发射精度和光传输效率。得到了三维偏轴对天线传输效率的影响曲线。.（5）对光通信实验平台进行了实验测试。.研究结果表明：预准直发散角在子午和弧矢面内均小于0.115 mrad，再经光学天线可进一步压缩发散角。为了实现超远距离光通信，设计了接近衍射极限的理想非球面预准直系统和同轴高精度预准直系统，研究了多种光学天线结构对传输效率的影响，得出传输效率最大值为91.6%。构建了光通信实验平台，实现了光信息传输，对光传输特性进行了实验测试，得到了偏轴对天线传输效率的影响曲线。随着国内高精度非球面加工技术的进一步完善，可望能实现更高精度的预准直、更高传输效率光学天线。本研究将为超远距离空间光通信提高准直精度、增加传输效率提供应用研究基础。在光通信技术领域具有重要的应用前景和社会经济效益。.通过本项目研究，发表相关SCI研究论文25篇，中文论文10篇，申请国家发明专利4项，获得四川省教学成果奖二等奖1项。