自适应光学校正下空间光通信的光纤耦合效率及斯特列尔比

采用光纤部件的自由空间光通信系统需要把接收到的光束耦合进单模光纤中,然而由于大气湍流的影响,使光纤耦合效率下降。自适应光学能够减小大气湍流效应,提高光纤耦合效率,根据大气湍流参数的空间光到单模光纤耦合效率表达式,得到了自适应光学校正下单模光纤耦合效率表达式,仿真结果显示:自适应光学能够增加空间相干长度,从而有效提高光纤耦合效率。同时还研究了斯特列尔比与耦合效率的关系,结果表明:无论有无自适应光学校正,两者都具有很好的拟合关系,因此在实际中可以用比较简单的斯特列尔比近似估计耦合效率。     

基于SPGD算法的自适应光纤耦合器阵列技术研究

自适应光纤耦合器(AFC)是一种可实现高稳定、高效的空间光至光纤耦合的新型自适应光学器件。研究了AFC阵列作为空间激光通信系统接收光端机的可行性。在不同的大气湍流强度下, 利用SPGD算法, 仿真研究了不同子孔径数AFC阵列的闭环控制过程。研究结果表明, AFC阵列技术可缓解大气湍流影响, 改善光纤耦合效率并提高耦合过程的稳定性;当等效接收口径一定时, 随着阵列子孔径数的增加, 光纤耦合效率及控制算法收敛速率都相应提升。     

光纤偏移对空间光-单模光纤耦合效率的影响

空间光-单模光纤耦合的关键技术是怎样确保耦合系统中光纤的准确定位。基于电磁场模场匹配理论,讨论了光纤偏移对空间光-单模光纤耦合效率的影响,结果显示耦合效率随着光纤偏移的增大显著下降。采用光纤调整架以及微透镜光纤可以显著改善耦合效率,讨论结果有助于空间光-单模光纤耦合器件的优化设计。     

空间光通信光纤耦合效率及补偿分析

受大气湍流影响,空间光通信系统中接收光至单模光纤耦合效率降低,根据弱湍流理论,推导了Kolmogorov湍流信道情况下准直高斯光束至单模光纤平均耦合效率表达式,仿真了1 km传输距离下不同接收孔径下平均耦合效率与湍流强度的关系,结果表明:当大气折射率结构常数达到10-12时,耦合效率降到0.1以下,且耦合效率随接收孔径增大而降低。采用37单元自适应光学系统（AO）进行补偿实验,对畸变波前进行重构再利用反射变形镜进行修正的方法,对比不同AO状态下波面图质量及远场长曝光成像及质心位置漂移,发现AO进行低阶像差校正后,波面峰-谷值及标准差减小、斯特列尔比（SR）及耦合效率增加,进行高阶校正后情况进一步改善。     

基于CCD的光斑能量分布测量及特性分析

光纤技术应用于自由空间激光通信系统有诸多优点,而且应用前景广阔。空间光与光纤的耦合效率问题是其应用中的首要问题。本文论述了光斑半径与耦合效率的关系,对有无大气影响时的光斑形状进行的仿真,分析了大气湍流对光斑形状以及半径的影响,采用CCD对激光光斑进行测量,分析CCD采集到的激光光斑的能量分布、光斑半径等特性,特别针对当采集到的光斑中央最大光功率超出CCD的探测范围,根据已知的光斑能量分布,推算出光斑中央的光功率,用以拟合出实际光斑能量分布,确定光斑半径大小。对光斑半径大小的研究有助于合理选择光纤的芯径及数值孔径,评估空间光到光纤的耦合效率。     

空间光-光纤耦合技术进展与实验研究

总结了国内外空间光-光纤耦合技术在无线光通信中的研究进展,以提高空间光-光纤耦合效率为主线,介绍了西安理工大学在该领域的工作,包括空间光光纤耦合自动对准技术、自由空间光模式转换技术、空间光光纤耦合自适应光学波前校正技术、马卡天线的收发一体化技术。介绍了大气湍流中透镜阵列和单透镜耦合至单模光纤的耦合性能、大气湍流中马卡天线作为接收天线时的空间光耦合性能方面的研究进展。最后展望了无线光通信中的空间光-光纤耦合技术的发展前景。     

基于MPLC提高空间光-单模光纤耦合效率技术研究

在空间激光通信实际应用过程中，受到对准误差的影响，单模光纤耦合效率低，需要对其进行精确校正。在理想条件下，首先分析不存在对准误差及其他影响因素时平面波-单模光纤耦合效率及高斯光-单模光纤耦合效率模型，然后分别研究了光纤横向偏移和纵向偏移两种对准误差对单模光纤耦合效率的影响。在此基础上，提出了一种基于多平面光转换（MPLC）技术提高单模光纤耦合效率的方法，数值仿真了使用MPLC将平面波转化为高斯光前后及校正对准误差前后耦合效率的变化情况。仿真结果表明：使用MPLC将平面波转换为与高斯光高度相似的光束后，耦合效率会比平面波直接耦合进入单模光纤提高18.54%；使用MPLC分别校正横向偏移和纵向偏移后，耦合效率均提升至99%以上。该方法突破了空间光与单模光模式不匹配的限制，可以有效校正对准偏移误差，对于提高空间光到单模光纤的耦合效率具有一定的理论意义。     

单模光纤章动跟踪耦合系统设计

在光纤激光通信系统中,为了克服准误差、随机角抖动误差、大气湍流像差对单模光纤耦合效率的影响,本文设计了单模光纤章动跟踪耦合系统。首先基于模场匹配原理,分析了径向偏差和光斑大小对耦合效率的影响。其次在理论分析的基础上,对激光章动跟踪系统进行了设计,主要包括激光器、准直镜、快速反射镜、耦合透镜以及光电探测器,并以光电探测器的能量反馈完成了激光章动跟踪算法设计。最后搭建了实验平台,对系统进行了实验测试。通过实验测试得到,在激光章动跟踪时单模光纤的耦合效率为53.5%,并测试了径向偏差以及光斑大小对耦合效率的影响,得到了相应的曲线。耦合效率满足系统要求,并且实验测试曲线与理论分析的仿真曲线基本一致。     

基于激光章动的空间光到单模光纤的耦合方法

基于模场匹配原理,分析了耦合效率与抖动幅度、艾里斑半径和单模光纤模场半径比值的关系。为了减小随机角抖动对耦合效率的影响,提出了基于激光章动的空间光到单模光纤的自动耦合方案,利用数据采集卡算出脱靶量并输出补偿电压。分析了算法精度的影响因素、激光章动信号频率与抖动频率的关系,用Matlab仿真及实验验证了算法的可行性。实验得到脱靶量角度精度约为3μrad,结合空间激光通信系统验证了系统的可行性。没有扰动时系统的耦合效率为67%;引入扰动并用控制系统进行扰动补偿后,系统的耦合效率提高了6.5%,响应速度为40Hz。耦合系统结构简单,控制算法精度高,控制器信号处理速度快,对空间光到单模光纤的耦合具有重要意义。     

大气湍流中透镜阵列的空间光耦合效率研究

比较研究了基于Von Karman折射率谱下大气湍流中单透镜和与单透镜直径相同的透镜阵列的空间光到单模光纤耦合效率,并给出了相应表达式。设计了小口径透镜阵列的空间光-单模光纤耦合结构,证明采用阵列中每个透镜直径是空间相干半径2~3倍的结构具有最好的耦合效果。理论分析和实验结果表明:当通信距离足够远时,透镜阵列的耦合效果优于等口径耦合效果单透镜。