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。     

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。     

湍流扰动单模光纤耦合效率概率分布研究

为了研究大气激光通信中单模光纤耦合接收效率起伏概率分布特性,建立了受大气湍流扰动的瞬态耦合效率计算模型,据此得出影响光纤耦合效率统计分布的最少无量纲参数.通过研究发现:随着孔径半径-大气相干长度比的增大,耦合效率逐渐减小;随着耦合几何参数的增大,耦合效率先增大后减小,在某一点取得最大值.通过对空间光到单模光纤的瞬态耦合效率进行蒙特卡罗模拟与分布特征分析,提出使用双Johnson SB;分布来拟合瞬态耦合效率的概率密度函数,并用实验测量数据进行了验证.研究结果可以为不同大气湍流条件下的空间光到单模光纤耦合系统参数优化设计提供参考,有助于实现光纤耦合的大气激光通信系统.     

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。     

基于FPGA硬件控制平台的单模光纤自适应耦合技术

提出了基于现场可编程逻辑门阵列(FPGA)硬件控制平台将空间激光耦合至单模光纤(SMF)的自适应耦合技术。将自适应光纤耦合器作为激光接收器件和像差校正器件,使用基于随机并行梯度下降(SPGD)算法的FPGA硬件控制平台实现SMF端面对聚焦光斑的自适应跟踪,算法的双边迭代速率达到了3kHz。实验结果表明,该控制系统可补偿SMF接收端面最大约9μm的静态对准偏差(对应空间光束的最大可校正静态角偏差为600μrad),对于模拟大气湍流造成的耦合效率下降具有150Hz的校正带宽。     

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。     

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。     

大气湍流位相畸变自适应光学校正的数值分析

实现了适应光学系统校正激光大气湍流位相畸变的数值模拟,研究了自适应光学系统的校正效率随湍流强度的变化规律以及横向风速对自适应光学校正效果的影响。结果表明,自适应光学系统能够校正湍流造成的激光波前位相畸变,提高靶面激光峰值功率密度,降低靶面激光强度起伏。湍流强度对于自适应光学系统的校正效率有比较大的影响,湍流强度较弱和较强,自适应光学系统的校正效率均不高;只有中等强度的湍流,校正效率最高。此外,横向风速对于自适应光学系统的校正效果也有比较大的影响．随着横向风速的增大,自适应光学系统的校正效果不断变差。     

空间光耦合自动对准方法与实现

空间光-单模光纤耦合的关键技术是精确定位耦合光斑在光纤端面上的位置。基于光纤偏移与空间光-单模光纤耦合效率之间的关系,研制了由二维压电陶瓷、驱动器、控制器、光电探测器及耦合透镜组成闭环控制系统,结合模拟退火算法实现空间光-光纤的自动对准耦合。理论分析了空间激光与光纤的耦合效率并阐述了模拟退火算法原理。实验结果表明:通过模拟退火算法可以在较短时间内实现耦合到最佳位置的自动对准定位,耦合效率达到了51.4%,相对于没有自动对准之前提高了6.5%。该方案切实可行,对空间光-单模光纤的自动耦合方案的研究具有重要的意义。     

自适应光学校正空地光通信到达角起伏的研究

介绍了用自适应光学来校正到达角起伏的方法.通过数值计算对这一校正效果进行了分析研究.仿真结果表明:自适应光学能够很好地校正由大气湍流引起的到达角起伏方差.同时也证明了自适应光学系统的补偿效果与激光传输的距离和收、发孔径的大小有关系.     

一种新的自适应增益盲优化算法提高自由空间光通信性能

由于大气湍流的影响,光束在大气中传输时产生 严重畸变,造成自由空间光(FSO)通信链路 性能恶化。为了提高系 统性能,构建了基于盲优化自适应光学的FSO通信系统,提出了一种新的自适应 增益随机并行梯度下降(SPGD)优化 算法。数值模拟结果表明,本文算法对大气湍流引起的波前误差进行实时补偿,能 够达到 很好的校正效果,比固定增益优化算法具有更好的收敛速度和精度。     

大气扰动的空时特征与相位畸变的自适应光学校正

本文分析了大气扰动的空时特征与自适应光学系统各参数的关系,首先给出了大气湍流和风速的高度分布模型,并据此用经典理论计算了相干长度、相干时间和等晕角,其次对自适应光学系统的各项内部误差作了讨论,给出了诸误差的典型值,最后考虑了自适应光学系统的strehl比。     

非均匀关联光束在湍流中的单模光纤耦合效率（特邀）

研究了非均匀关联光束经过大气湍流后的光纤耦合效率。研究结果表明,大气湍流中非均匀关联光束的光纤耦合效率优于传统高斯谢尔模光束;且调控光束相干长度可以提高光纤耦合效率;针对不同传输距离的情况,可以通过调控光束相干长度实现耦合效率的最优化。同时,文中还讨论了光源参数:束腰和波长;耦合透镜参数:接收孔径和焦距;湍流强度对光纤耦合效率的影响。该研究成果证明光场相干结构调控技术在提升光纤耦合效率中的应用,在自由空间激光通信研究领域存在重要价值。     

曲率探测的自适应光学Zernike模式的闭环校正

提出了一种更为简单的基于曲率探测的自适应光学闭环算法.首先,对算法的原理和闭环过程做了详细分析.然后,建立了一个自适应光学仿真模型,针对Kolmogorov特性的大气湍流相位畸变做了闭环校正.仿真结果表明,该闭环模型对大气湍流引起的波前畸变具有很高的校正精度.在此基础上,利用液晶空间光调制器作为波前校正器,搭建了相应的...     

湍流强度对激光大气传输及其自适应光学校正的影响

利用激光大气传输及其相位校正四维程序,计算了不同的发射和传输条件对平台聚焦光束水平大气传输及其自适应光学校正的影响。结果表明：自适应光学系统开环时,在弱湍流效应条件下,以D／r0为特征参量可以很好地表征湍流效应的强弱,SR值满足关系式SR=exp[-0．2（D／r0）^2],不考虑系统像差时,光束质量因子满足关系式β2=1＋1．2（D／r0）^2;随着湍流强度或传输距离的增加,要考虑闪烁效应和相位不连续性对光束质量的影响,以D／r0为特征参量就不足以表征湍流效应的强弱。另外,对于不同的发射和传输条件,自适应光学系统对激光大气传输的校正范围是不同的,且存在一阈值,条件不同其阈值是不同的。     

自适应光学技术在大气光通信系统中的应用进展

大气光通信中大气湍流引起的相位噪声和光强起伏噪声会严重影响通信系统的通信质量,自适应光学补偿可在一定程度上解决问题.常规自适应光学技术对于解决上行链路、下行链路中的湍流扰动问题得到了理论和实验验证.强闪烁现象的存在使得常规自适应光学技术在水平链路中的应用受限,不使用波前传感器的自适应光学技术则为这一问题的解决提供了可能方案.随机并行梯度下降算法是该类自适应光学技术中一种较有应用前途的控制算法.     

一种基于Shack-Hartmann传感器的自适应波前重建算法

波前重建是自适应光学系统中的一个重要环节,对系统性能影响明显。研究了一种无参考输入光条件下,基于Shack-Hartmann波前传感器的自适应波前重建算法,能根据实际光斑图的特点,自动确定探测窗口、计算实际质心、参考质心、选择重建区域和获取入射波前的Zernike模式系数,讨论了参考质心选择对波前重建结果的影响。搭建自适应光学系统,通过测量和校正模拟大气像差对重建算法进行了验证。实验结果表明,基于该重建算法的自适应光学系统可以把大气扰动引起的波前像差校正到0.1 λ以下,获得接近衍射极限的成像质量,说明该重建算法具有可靠性与实用性。     

自适应光学技术提高FSO性能的实验验证

搭建了一套37单元的自适应光学系统和155M/2.5G大气激光通信系统室内实验平台。结果显示:大气湍流对激光通信性能影响很大。使用芯径为62.5μm的多模接收光纤时,自适应开闭环误码率最大改善超过4个数量级;使用芯径为10μm的单模接收光纤时,可以很明显地观测到接收端信号的深度衰落现象,且衰落程度与误码率一一对应。自适应光学闭环后,深度衰落得到了抑制,也极大地降低了系统误码率。     

基于光场相机结构的自适应光学系统仿真研究

在自适应光学系统中,采用传统的哈特曼波前传感器只能在较小视场范围内对大气湍流进行有效校正,而以光场相机作为波前探测器具有视场大、一次曝光可获得多视角方向湍流信息等特点,可以替代传统多层共轭自适应光学（MCAO）系统中的多个波前探测器,达到简化系统,节约成本的效果。文中采用自主研发的光学系统仿真软件Seelight中的光场相机模块,结合光场数字重聚焦技术、模式法大气层析技术,复原了大视场完整波前,并搭建了自适应光学仿真系统,模拟与89单元变形镜配合实现在闭环工作模式下对大视场的大气湍流引起波前畸变的有效校正。