空间光-光纤耦合技术进展与实验研究_梁静远.pdf

第 44 卷 第 4 期2023 年 4 月 激光杂志LASER JOURNALVol.44,No.4April,2023http /收稿日期:2022-09-19基金项目:陕西省教育厅科研计划项目(No.18JK0341)、陕西省重点产业创新项目(No.2017ZDCXL-GY-06-01)、西安市科技计划项目(No.2020KJRC0083)作者简介:梁静远(1989-),女,硕士,助理工程师,主要研究方向:无线光通信系统调制解调技术。E-mail:ljy 通讯作者:柯熙政(1962-),男,教授,博士生导师,主要研究方向:无线激光通信理论与技术。E-mail:xzke 综合评述空间光-光纤耦合技术进展与实验研究梁静远,惠玉泽,董 可,柯熙政西安理工大学自动化与信息工程学院通信工程系,西安 710048摘 要: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。关键词:无线光通信;光纤耦合;自动对准;模式转换;波前校正中图分类号:TN929.1 文献标识码:A doi:10.14016/ki.jgzz.2023.04.001Research progress of space optical-fiber coupling technology in opticalwireless communicationLIANG Jingyuan,HUI Yuze,DONG Ke,KE XizhengDepartment of Communication Engineering,School of Automation and Information Engineering,Xian University of Technology,Xian 710048,ChinaAbstract:This paper summarizes the research progress of spatial light to optical fiber coupling technology in aims to improve the coupling efficiency in wireless optical communication,and introduces the research work of Xian Univer-sity of Technology in this field,including the automatic alignment in spatial light to optical fiber coupling,optical mode conversion in free-space,adaptive optics wavefront correction in spatial light to optic fiber coupling,and design of the Maksutov-Cassegrain integrated transceiver antenna.In addition,the research progress of coupling performance by u-sing lens array to single-mode fiber and Maksutov-Cassegrain receiving antenna in atmospheric turbulence are intro-duced.Finally,the development of spatial light to optical fiber coupling technology in wireless optical communication is prospected.Key words:optical wireless communication;fiber coupling;automatic alignment;mode conversion;wavefront correction1 引言无线光通信是以光波为载波进行高速数据传播的一种无线通信方式,它融合了光纤通信和微波通信等传统无线通信的优势,拓展了光通信的适用范围。信号光从自由空间到光纤的有效耦合是现代无线光通信系统的基本前提,可以更容易地与有源和无源光纤耦合组件进行系统集成,为相干光通信提供有效的光场混频。光纤在无线光通信的发展中也起到了至关重要的作用,通过海底光缆实现了全球范围内的快速信息传输,使世界连为一个整体。将空间光耦合进入光纤,就可以实现全光网络的传输。因此,空间光-光纤耦合技术是无线光通信系统最为重要的技术之一,该技术可以为无线光通信带来许多便捷,提高无线光通信速率;可以控制光纤中信号光束的特性;促http /进无线光通信系统模块化,提升系统互换性1等优点,在军事和民用领域都有着广泛的应用前景。在无线光通信系统中,光纤耦合的耦合效率是制约光通信发展的一个重要因素,而单模光纤纤芯直径很小,加剧了空间光耦合进光纤的难度,并且大气湍流影响下的到达角起伏、光纤静态角偏差等都会影响光纤的耦合效率2。因此,如何提高空间光耦合进入光纤的效率从而提高无线光通信系统的稳定性,成为无线光通信领域的重要课题之一。2 国外研究进展随着无线光通信的蓬勃发展,空间光-光纤耦合技术作为无线光通信领域的一项核心技术,国内外研究者们在该领域的积极探索下取得了不少的研究成果。1990 年2000 年,空间光-单模光纤耦合技术的应用主要是运用在天文学领域。1988 年,Stuart S 等人研究了将星光耦合进单模光纤,经计算,光瞳处80%的入射功率可以耦合到位于焦平面中轴上的单模光纤中。在 D/r0=4 时,(D:耦合透镜直径,r0:大气相干长度)耦合功率提高了 3.6 倍3。此后,空间光-光纤耦合技术逐渐应用于激光雷达领域。1994 年,Wright P 等人在激光雷达系统的光纤耦合模块之前配置了掺铒光纤放大器(EDFA),使光纤耦合效率增加了 20.0%4。1998 年,Winzer P J等人将推导得出的单色光通过透镜后将其耦合到光纤的耦合效率表达式应用于光纤激光雷达领域中,数值仿真结果表明,系统的最大耦合效率为 42.0%5。大气湍流对于空间光到光纤的耦合效率也有着显著的影响,并发生不同程度的衰落。大多数学者采用自适应光学系统补偿波前畸变,将耦合端面的光波修正为高斯分布平面波,以此提高光纤耦合效率。1998 年,Ruilier C 等人研究了在大气湍流条件影响下,提出采用自适应光学技术来提高空间光-单模光纤的耦合效率6。2002 年,Weyrauch T 等人采用变形镜对自适应光纤耦合方面进行了研究,通过耦合光功率的变化来确定光纤位置误差,并结合随机并行梯度下降(Sto-chastic Parallel Descent Algorithm,SPGD)算法进一步提高空间光-光纤耦合效率。结果表明,单模光纤耦合中得到了 60.0%的最大耦合效率,多模光纤耦合中得到了 70.0%的最大耦合效率7。2005 年,Dikmelik 等人对大气湍流引起的空间光耦合效率的影响进行了实验分析,计算出当耦合效率小于 5.0%时,在强湍流条件下,通信距离可达 100 m左右;在中强湍流条件下,通信距离可达 800 m 左右;在弱湍流条件下,通信距离超过 1 000 m8。2006 年,Toyoshima M 等人分析了大气湍流造成的随机角抖动情况下,艾里斑尺寸和光纤模场大小之间的最佳关系对空间光-光纤耦合效率的影响,结果表明归一化随机角抖动与模场半径的比值大于 0.3时,系统平均误码率显著下降,大约从 10-1下降到10-49。2019 年,Carrizo C.E 等人通过迭代更新单个焦平面散斑的相位来校正波前相位以提高耦合到光纤中的功率,实验结果表明:在湍流条件下,在小于 60 次功率测量的迭代情况下功率提高了 60.2%10。在星地激光通信中,大气湍流对激光载波信号传输的影响至关重要。在克服大气湍流对星地激光通信影响的原理和方法方面,学者们进行了深入的研究。2008 年,Fidler F 等人研究了地球静止卫星、高空平台、光学陆地站的不同场景下,由大气湍流引起的相位畸变对激光束耦合到单模光纤中的耦合效率的影响,证明了在校正倾斜分量时,地球静止卫星到高空平台通信可以接近衍射极限的性能11。2010 年,Hiderki T 等人研究了大气湍流影响下星地激光通信链路光纤耦合效率损耗,结果表明在大气湍流条件下,光纤耦合损耗在 10 dB 以上12。2012 年,Takenaka H 等人研究了在大气湍流条件影响下可以进行高频工作的快速反射镜,并在星地激光通信实验中验证了其光斑位置的跟踪性能。实验结果表明,星地激光通信链路的耦合效率衰落在10 dB19 dB 之间,与 17 dB 的理论计算结果相符13。2016 年,美国宇航局进行了星地激光实验来测试两个地面站的光学系统,光束耦合进单模光纤时由于受到大气湍流的影响,因此,采用双变形镜设计的自适应光学系统进行补偿。结果表明,在普通的大气环境条件下,平均耦合效率高于 50.0%14-15。由于单模光纤纤芯极小,空间光耦合到单模光纤的要求高且难度大,为了进一步提高空间光-光纤耦合效率,学者们采用自动耦合对准控制系统,实时地将光纤位置调整到最佳的耦合位置,减少一定程度的耦合效率损耗。1990 年,林肯实验室研究出了一个采用自由空间光通信的光纤章动的有源耦合方法。完成了空间光-单模光纤的自动耦合对准,降低了耦合效率损耗16。2001 年,Sayan.K 等人在多信道复用的光码分多址实验中,通过位置传感器的反馈来确定入射光束角2梁静远,等:空间光-光纤耦合技术进展与实验研究http /度的变化,并且调整快速倾斜镜来补偿误差,获得了约 50.0%的耦合效率17。微透镜技术在提高空间光-光纤耦合效率研究中也起到了关键性作用,其具有改变光斑尺寸、可加入控制算法等优点,因此,利用透镜技术提高耦合效率也被广泛应用于光纤耦合中。1995 年,Modavis.R 等人建立了一个基于激光和光场的高斯理论模型,对激光二极管和单模光纤之间的变形光纤微透镜的耦合性能进行了分析,并通过实验测得该透镜的平均耦合效率为 78.0%18。2002 年,Oswald.W 等人讨论了光纤相对于透镜焦点存在未对准误差的情况下,平面波耦合进单模光纤的耦合效率。研究表明,采用准直系统可以减小该误差使耦合效率达到 61.0%19。同年,Sherman M P等人设计使用了具有非球面镜的 Ritchey-Chretien(RC)望远镜的无线光通信系统,此系统可以将 nn光纤阵列位于 Ritchey-Chretien 光学望远镜的焦平面上,从而实现与单个光学望远镜的点对多点通信20。2010 年,Danuel V H 等人设计了一种空间光通过光纤阵列进行耦合的方法,使用了压电陶瓷驱动将微透镜的位置采用输出能量最大的控制算法,实验测得输出光功率提升了 39 dB,光纤耦合效率得以提高21。2018 年,Hottinger P 设计了一种基于微透镜的单模光纤耦合角度传感器,可以检测光纤中光能的变化,从而确定光纤的位置误差,提高耦合效率22。近年来,学者们在多模光纤、少模光纤以及特殊设计光纤的耦合效率方面进行了广泛的研究,以此来改善单模光纤纤芯小导致空间光束的耦合效率低的缺点。1997 年,Keming D 等人研究了一种将高功率二极管激光器的输出耦合到一根多模光纤中的技术,该技术包括两个用于光束整形的微透镜。实验得出二极管激光器到光纤的整体耦合效率为 71.0%23。2007 年,Horton A J 等人研究了衍射对于单模光纤和少模光纤耦合效率的影响。结果表明,少模光纤具有更高的最大耦合效率(90.0%)24。2013 年,美国宇航局开展并进行了月地激光通信演示实验,在本次实验中,接收端采用了多模光纤将空间光进行耦合,结果表明,空间光多模光纤在大气湍流条件下的耦合效率可达 92.0%25-26。由于信号光经过多模光纤传输后再耦合进单模光纤的过程中会有不同程度的效率损耗,因此,在2014 年,Carl M 等人提出了一种改进的自由空间光耦合到单模光纤的新装置。它由一个光纤锥体组成,锥体充当模式过滤器过滤掉高阶模式进而将其余模式耦合进单模光纤中,功率损耗了 42.0%27。表 1 国外研究进展年份人物/组织研究进展1988Stuart Shaklan/National Optical Astronomy Observation将星光耦合进入单模光纤1990Boroson D M/Lincoln Laboratory应用于激光通信领域的基于光纤章动的有源耦合方案1995RA Modavis/Coming,Inc.,Coming,NY 14831 USA建立激光和光纤场的标量衍射和高斯模式形状的理论模型1998Winzer PJ/Institut fur Nachrichtentechnik und Hochfrequenztechnik优化接收孔径大小提高耦合效率2002Oswald.W/Vienna University of Technology,采用准直系统能够增大耦合效率2002T Weyrauch/U.S.Army Research Laboratory研究了变形镜用于自适应光纤耦合2002Smolyaninov/University of MarylandEDFA 作为接收前置光放大器耦合至单模光纤中2005Dikmelik/Johns Hopkins University相干光纤阵列提高光纤的耦合效率2006Toyoshima M/Johns Hopkins University大气湍流引起的空间光耦合效率2007Horton AJ/MIT Lincoln Laboratory衍射对于单模光纤和少模光纤的耦合效率的影响2008Fidler F/Vienna University of Technology不同场景的波前畸变对耦合效率的影响2010Hiderki T/University of Electro-Communications存在随机角抖动时的最大光纤耦合效率2010Danuel V H/The Johns Hopkins University Applied Physics laboratory微透镜中加入算法提高耦合效率2012Takenaka H/Space Communication System Laboratory补偿抖动误差来提高光纤耦合效率2013NASA月地激光通信演示实验2014Carl M/Telecommunications Heinrich Hertz Institute多模和单模之间加入锥形光纤提高耦合效率2016NASA采用自适应光学系统补偿大气湍流并将光束耦合入单模光纤2018Hottinger P/Astronomie der Universitat Heidelberg使用角度传感器实现空间光光纤耦合对准2019Carrizo C.E/Institute of communication and Navigation迭代更新各个焦平面散斑的相位来校正波前提高耦合效率3梁静远,等:空间光-光纤耦合技术进展与实验研究http /3 国内研究进展在空间光-光纤耦合技术方面,国内学者同样也进行了深入的研究并取得了较大的进展。由于空间光信道传输的复杂性,大气湍流的强弱程度同样影响着空间光-光纤耦合效率。2006 年,向劲松等人研究了空间光耦合至单模光纤耦合效率的情况,在考虑多个因素影响下,分析了光功率的变化。研究发现,光耦合效率受上行链路的影响较小;对于下行链路,当受到孔径平均效应时相对功率会降低,当受到湍流影响时相对功率会升高28。2009 年,马晶等人研究了到达角起伏对光纤耦合效率的影响,得到了存在随机抖动时光纤耦合光学系统设计参数最优值,即孔径半径与光纤模场半径之比=1.121 时,得到 81.0%的最大耦合效率29。2018 年,刘禹彤等人研究了光纤耦合效率受到光纤对准误差和随机角抖动两个因素的影响,并得到62.0%的最大耦合效率30。2021 年,宋佳雪等人建立了一种计算瞬态耦合效率的模型,得到了耦合效率随孔径半径与大气相干长度的比值,以及耦合几何参数改变的变化规律31。然而,由于大气湍流引起的光束波前相位畸变导致空间光-光纤耦合效率大大降低,从而严重影响了通信质量。为了抑制大气湍流对空间光-光纤耦合效率的影响,学者们利用自适应光学系统进一步提升光纤的耦合效率。2010 年,吴汉凌等人提出了一种将自适应光学技术和相干光纤阵列技术相结合的方法来提高空间光耦合效率。结果表明该方法可以将信号光经大气湍流后耦合进光纤的效率从 3.0%提高到 38.0%32。2011 年,韩立强等人提出了一种无模型盲优化波前校正技术来提高在大气湍流影响下的空间光耦合效率,结果表明,单模光纤耦合效率从 6.0%提高到60.0%左右33。2012 年,杨清波等人利用波前相位模式补偿受大气湍流影响的光束,使其耦合进单模光纤,得到了约81.0%的耦合效率34。2013 年,熊准等人采用 37 单元自适应光学系统补偿大气湍流像差。研究表明,当斯特列尔比从 0.16增加到 0.35 时,耦合效率提高了 20.0%35。2014 年,罗文发现光纤耦合效率会受到单一像差所产生的波相差的影响。通过使用自适应光纤光源准直器进行补偿,平均耦合效率从 30.1%提高到61.7%36。2015 年,李枫团队研制出自适应光纤耦合器,并将 SPGD 算法与所研制自适应光纤耦合器结合,选取几种不同大气湍流条件下的系统实施闭环控制。结果表明当选取最佳 SPGD 控制参数时,光纤耦合效率显著 提 高,从 收 敛 前 的 40.0%提 升 至 收 敛 后 的76.0%37。大气湍流不仅会引起光束波前相位畸变,而且还会造成光束模式的退化,导致与接收端单模光纤模场不完全匹配。利用模式转换法可以使光束的能量分布集中,转换后的基模形式能很好地被单模光纤所收集,从而提高耦合效率。2015 年,齐晓莉等人使用 SLM 将 LP01模式转换为高阶模式,该方法系统简易、容易实现、对器件的要求低,并且可重复性高38。2017 年,涂佳静等人设计了一种基于三芯光纤的复用/解复用器,并支持三种空间模式的 LP01、LP11a和 LP11b传输。对 LP11a模与 LP01模、LP11b模与 LP01模之间的功率转换进行了仿真分析,得到模式转换效率为 90.0%39。2018 年,申东娅等人提出了一种采用双锥结构组合的新型光波导 LP01-LP02 模转换器。该模式转换器的转换效率为 90.0%,很大程度上减小了与其他模式之间的串扰40。另外,由于单模光纤纤芯极小,耦合过程要求高且难度大,对此空间光-光纤耦合自动对准技术的研究很大程度上解决了这一难题。2007 年,高皓等人通过自主设计的一套闭环控制系统完成自动耦合。实验表明该方法极大缩短了自动对准时间,得到 59.2%的最大耦合效率41。2017 年,吴子开等人提出了一种 SPGD 算法和基于光栅螺旋扫描算法的方案以提高空间光-光纤耦合效率,理论仿真得出空间光-光纤耦合效率高达81.0%42。2019 年,赵佰秋等人将光纤光电探测器的章动耦合算法与快速反射镜两种技术相结合在一起,在非动态条件下获得最大 59.6%的耦合效率43。2019 年,李勃等人提出了一种基于粗细激光章动技术的光通信系统自适应耦合方法。实验结果表明,在模拟大气湍流条件下,系统的平均耦合效率可以提高到 62.4%44。4梁静远,等:空间光-光纤耦合技术进展与实验研究http /2019 年,戚媛清等人提出将模式搜索法应用于空间光-光纤耦合,实现 X、Y、Z 三自由度的对准耦合,可以将对准时间缩短至 25 s 以内,对准成功率达到90.0%以上45。对于提高空间光-光纤耦合效率技术的研究,不仅体现在接收端,光源处也同样有着不可忽视的研究价值。例如半导体激光器使用光纤耦合输出方式可以改善输出光束的不对称性,并实现多个半导体光源之间的光耦合,从而提高输出功率和光纤耦合效率。2000 年,石鹏等人提出了一种实现大功率激光阵列器件的光束整型技术,利用该技术可以得到 50.0%的耦合效率46。2001 年,薄报学等人使用柱透镜收集并准直了阵列半导体激光器的输出光束,最终将输出光束耦合到多模光纤。实验得到耦合效率高达 75.0%47。2004 年,周崇喜等人推算出两组正交的准直微透镜阵列的面形公式,并进行了高功率半导体激光器与光纤耦合实验,得到大于 53.0%的耦合效率48。2010 年,王祥鹏等人研究了通过对半导体激光器列阵使用阶梯反射镜组进行光束整形的方法,研制出性能优良的光纤耦合模块,实验得出耦合效率达73.8%49。2014 年,陈赫男等人将四只 980 nm 单管半导体激光器合束后耦合进入光纤中,实验得到了 51.7%的耦合效率50。2015 年,徐丹等人利用光束整形和空间合束的方法,研制出高效率、高功率阵列光纤耦合半导体激光模块,实验结果表明,光纤的输出光功率可达到327 W,耦合效率超过 90.0%51。2015 年,刘畅等人设计了多光束光纤耦合系统,通过 ZEMAX 仿真将光束耦合进入光纤中,得到超过了 97.0%的耦合效率52。2017 年,刘小文等人利用偏振和空间耦合技术成功研制出大功率半导体激光器光纤耦合模块,实验得出光纤耦合效率为 60.0%53。由于光纤透镜可以改变光纤模场大小、形状。微透镜具有改变光斑尺寸、可加入控制算法等优点,因此,利用光纤透镜或透镜技术提高耦合效率也被广泛应用于光纤耦合中。2002 年,王晓薇等人利用孔径小的多模光纤代替微透镜,将激光二极管线阵列的输出光束耦合进多模光纤阵列中。实验测得耦合效率为 75.0%54。2002 年,卢栋等人研究了将光纤微透镜置于半导体激光器与光纤之间的耦合方法,实验测得耦合效率达到 80.0%55。2003 年,魏荣等人提出利用望远镜准直系统提高光纤耦合效率,实验测得保偏光纤与单模光纤的耦合效率分别为 67.0%与 70.0%56。2003 年,赵发英等人建立了锥端球透镜光纤与平端光纤耦合的理论模型,结果表明当球面半径为25.6 m、圆 锥 角 为 110 度 时,最 大 耦 合 效 率 为78.3%57。2014 年,刘洋洋等人将光纤端面加工成楔形微透镜,发现半导体激光器和光纤之间的耦合即可满足相位匹配以及模场匹配,实验得到最大耦合效率为81.3%58。2016 年,石科仁等人运用几何光学方法分别对柱透镜、非球面透镜进行了设计,并利用 ZEMAX 仿真软件仿真验证了所设计的透镜系统,仿真结果表明耦合效率提升了约 11.0%59。对于自身耦合系统的优化、光纤结构的优化,使其系统更加易于加工设计,抗干扰能力更强,以此提高光纤耦合效率。1981 年,李书全等人使用发光管与球端光纤进行耦合,最终实验得到了最大 13.0%的耦合效率60。2008 年,冯涛等人通过一种新型光学天线通信系统模拟高斯光束与多模光纤的耦合。理论计算得出当激光器的波长分别为 1 310 nm 与 1 550 nm 时,得到最大耦合效率分别为 81.5%与 82.5%61。2011 年,王志勇等人通过特殊设计的小型化光学天线来降低湍流大气对通信质量的影响。结果表明在一定的通信距离和通信速率条件下,此系统的接收灵敏度大于-35 dBm62。2013 年,胡欣等人建立了锥形多模光纤传输模型,经理论计算可获得近 80.0%的耦合效率63。2014 年,张世强等人提出先将大纤芯的单模光纤与小纤芯的单模光纤进行熔接,然后将空间光束从大纤芯一侧耦合进入,实验表明该方法可以得到 60.0%的光纤耦合效率64。2019 年,闫宝罗等人提出了在无线光通信耦合系统中了采用锥形光纤具有提高横向偏移容量差,增大耦合效率的优点65。2021 年,任兰旭等人设计了一种前端法兰对称式结构,该结构适应高温环境,且耦合效率较高。仿真5梁静远,等:空间光-光纤耦合技术进展与实验研究http /表明,当温度场为 40,相较于底部安装式结构,前端法 兰 对 称 式 结 构 的 耦 合 效 率 损 耗 减 少 了 约61.0%66。实际上,在空间光-光纤耦合系统中,除了外界因素会影响光纤耦合效率之外,入射光波与光纤端面也会存在着许多的静态误差,并且同样影响空间光光纤耦合效率。2013 年,张银超等人发现耦合透镜的中心轴线与单模光纤发生偏离、入射光波模式与单模光纤匹配度低两种因素会导致单模光纤耦合效率下降。并通过仿真发现耦合效率受倾斜偏差以及横向偏差的影响大于离焦对其的影响67。2013 年,罗志华等人分析发现当卡塞格伦天线的多模光纤与出射光束的偏轴量低于 4.64 m,同时天线的偏轴角小于 0.055 rad 时,耦合效率大于 80.0%。当偏轴角或轴量增大时,耦合效率均降低68。表 2 国内研究进展年份人物/组织研究进展2000石鹏/中国科学院微片棱镜堆实现大功率激光二极管线列阵器件的光束整型20022003王晓薇/中国科学院魏荣/中国科学院激光二极管线列阵的输出光束耦合到多模光纤列阵中用望远镜准直系统提高激光光纤耦合效率2003赵发英/浙江大学平端光纤与锥端球透镜光纤耦合的理论模型2004周崇喜/中国科学院高功率半导体激光器阵列光束提高耦合效率2009马晶/哈尔滨工业大学到达角起伏对光纤耦合效率影响2010吴汉凌/斯克莱德大学自适应光学系统和相干光纤阵列技术的混合技术2011韩立强/哈尔滨工业大学无模型盲优化波前校正技术提高耦合效率2012杨清波/哈尔滨工业大学采用波前相位模式对经过大气湍流的光束进行补偿2013罗志华/电子科技大学卡塞格伦系统准直和偏轴时的耦合效率2014罗文/中国科学院单一像差带来的波相差对耦合效率的影响2014刘洋洋/河北工业大学单模光纤与半导体激光器的耦合2018刘禹彤/长春理工大学随机角抖动与光纤对准误差对耦合效率的影响2019赵佰秋/长春理工大学快速反射镜与光纤激光章动算法相结合提高耦合效率2021任兰旭/中国空间技术研究院前端法兰对称式结构提高耦合效率4 空间光-光纤耦合术研究进展2000 年至今,西安理工大学柯熙政教授团队在通信系统光学设计69、信号传输编码调制技术70、无线光相干探测技术71-72、自适应光学技术73等方面进行了广泛的研究,并取得了卓越的成绩。团队还成功开发了 DPSK 调制的相干探测系统终端,成功构建了距离 600 m、1.3 km、10 km 的通信链路,实现了高清视频的传输。在无线光通信领域,如何有效提高光纤耦合效率,提高通信质量,西安理工大学柯熙政教授团队对无线光通信中的空间光-光纤耦合技术领域进行了系统的研究。陈锦妮74分析了在弱湍流条件影响下多模光纤耦合问题,结果表明多模光纤相较于单模光纤在光斑随机抖动的影响下,耦合效率衰减程度较小。雷思琛75提出使用马卡天线阵列高斯光束离轴发射和空间光耦合技术来完成马卡天线的发送和接收一体化,实验结果表明可以将马卡天线发射效率大幅度提高。罗静2设计了一种自动对准闭环装置系统来完成耦合,该系统利用压电陶瓷控制光纤,实验表明该系统对对准定位的时间以及光纤的耦合效率均有提升效果。张旭彤76研究了耦合效率受模式转换的影响,实验表明,该方法大幅提升了光纤耦合效率。杨尚君77研究了不同距离下波前畸变对耦合效率的影响,实验结果表明,远距离修正的提升效果次于近距离修正的提升效果,远距离耦合效率数值波动大于近距离耦合效率数值波动。尹奔康78-79设计了一种基于压电陶瓷的单模光纤耦合装置系统,实验通过控制算法完成了空间光与单模光纤之间的自动对准,使耦合效率提升至 53.2%。吴加丽80设计了一种具有5 自由度耦合装置的光纤耦合器,实验结果表明,5 自由度光纤耦合器可以很好地实现不同对准偏差的校正,系统闭环后单模光纤耦合效率显著提高。4.1 大气湍流中的空间光-单模光纤耦合在大气湍流条件下,雷思琛等人比较了透镜阵列和单透镜的单模光纤耦合效率,并分析了马卡天线作为接收天线时的空间光耦合性能。6梁静远,等:空间光-光纤耦合技术进展与实验研究http /4.1.1 大气湍流中透镜阵列耦合效率图 1 为等面积透镜和透镜阵列的平面图和实物图,图(a)是直径为 DA的单透镜,图(b)是由直径为dA=DA/3 的阵列单元透镜组成的总直径为 DA的透镜阵列,从图中可以看出单透镜和透镜阵列的总面积相同,相对孔径相同。(a)透镜(b)阵列透镜图 1 等面积透镜和阵列示平面图76图 2 为在中强湍流条件下,等面积透镜及透镜阵列耦合效率曲线,其中 a 为耦合参数;C2n为大气折射率结构常数;l0为湍流内尺度;L0为湍流外尺度;为波长。可以看出,在短距离通信时,单透镜耦合效率高于透镜阵列组。这是因为透镜阵列中的透镜单元之间存在一些空隙没有被完全利用,因此,会有部分光束通过空隙无法全部耦合进光纤,发生一定程度的耦合效率损耗 81。图 2 中强湍流下透镜及透镜阵列耦合效率曲线75当通信距离逐渐增大时,受湍流强度的影响,透镜阵列的耦合效率随着通信距离的增大而缓慢下降,当传输超过一定距离时,透镜阵列的耦合效率高于等面积单透镜的耦合效率。这是因为阵列中的阵列单元直径小于单透镜,因此,阵列透镜表面的散斑数量也远小于单透镜,从而导致耦合效率下降82。图 3 为中强湍流条件下,透镜阵列相对于单透镜的功率提升系数 K 随通信距离的变化曲线。可以看出:当通信波长为 650 nm、通信距离大于 400 m 时;通信波长1 310 nm、通信距离大于1 724 m 时;通信波长1 550 nm、通信距离大于 2 413 m 时,耦合进透镜阵列的光功率超过耦合进单透镜的耦合光功率,得出和图1 较为一致的结论。图 3 中强湍流下,阵列相对于透镜的功率提升系数 K 随通信距离的变化曲线75图 4 通信距离为 5 km 时,透镜阵列相对于单透镜的功率提升系数 K 随湍流强度的变化曲线图。从图中可以看出不同的波长超过一定的湍流强度时,耦合进透镜阵列的光功率超过耦合进单透镜耦合光功率。图 4通信距离为 5 km 时,阵列相对于透镜的功提升系数 K随湍流强度的变化曲线757梁静远,等:空间光-光纤耦合技术进展与实验研究http /4.1.2 大气湍流条件下马卡天线的耦合效率图 5 为折返式马卡天线结构示意图,此结构使得马卡天线结构体积小、质量轻、容易制作,且长焦距和大口径的透镜组合系统只需要较小的尺寸就可形成。将其作为空间光耦合系统时,可以实现大口径耦合接收和强光功率汇聚技术。图 5 折返式马卡天线结构示意图75雷思琛等人研究了当马卡天线等效于透镜系统并且在大气湍流影响下使用马卡天线作为接收天线时的空间光纤耦合效率。图 6 为水平传输、弱湍流 C2n=10-16m-2/3时,不同遮拦比 b 下耦合参数 a 与耦合效率的曲线图,其中 L为通信距离,为波长,D 为马卡天线口径,l0为湍流内尺度,L0为湍流外尺度。由图看出当遮拦比一定时,随着耦合参数的增大,耦合效率先增大后减小;当耦合参数一定时,最大耦合效率随着遮拦比的增大而增大。图 6 弱湍流时耦合参数与耦合效率关系曲线74图 7 为水平传输、弱湍流 C2n=10-16m-2/3时,耦合效率随着通信距离变化曲线图。从图中可以看出,随着通信距离的增大,不同波长情况下耦合效率缓慢下降,而遮拦比 b=0 时的耦合效率明显大于遮拦比 b=2 时的耦合效率,因此,在弱湍流情况下,影响耦合效率变化的最主要因素是马卡天线的遮拦比。图 7 弱湍流时通信距离与耦合效率曲线75图 8 为水平传输、中强湍流为 C2n=10-14m-2/3时,不同遮拦比 b 下耦合效率随耦合参数变化的曲线图,由图看出当遮拦比一定时,随着耦合参数的增大,耦合效率先增大后减小;并且遮拦比越小,耦合效率的最大值越大;当耦合参数一定时,最大耦合效率随着遮拦比的增大而迅速变小。图 8 中强湍流时耦合参数与耦合效率关系曲线75图 9 为水平传输、中强湍流为 C2n=10-14m-2/3时,耦合效率随通信距离变化的曲线图,可以看出随着通信距离的增大,波长越长耦合效率下降程度越小。在中强湍流情况下,影响耦合效率变化的最主要因素是传输距离。8梁静远,等:空间光-光纤耦合技术进展与实验研究http /图 9 中强湍流时通信距离与耦合效率曲线754.1.3 大气湍流条件下透镜阵列和马卡天线耦合系统比较表 3 为在大气湍流条件下,分别对单透镜、透镜阵列和马卡天线耦合系统的优缺点以及受各影响因素时耦合效率变化的研究成果进行分析比较。4.2 马卡天线的收发一体化技术如图 10 所示,为马卡天线收发一体实验示意图。此结构的有效接收区域为卡式天线的发射盲区,以发射终端角度看是:通过改变光束的束腰大小以及发散角,以此可以最大化利用有效发射区域作为发射区域。表 3 大气湍流条件下单透镜、阵列透镜、马卡天线耦合系统之间的比较透镜优点缺点耦合效率变化等面积(相比阵列透镜)透镜有效面积相对大,可以将入射到孔径平面内的光束全部耦合进光纤抑制湍流能力弱通信距离较短时,等面积透镜的耦合效率高于透镜阵列的耦合效率透镜阵列在湍流中具有较好的抑制湍流的能力有效面积为 0.778,无法将入射到孔径平面内的光束全部耦合进光纤通信距离增大、湍流强度增强时,透镜阵列的耦合效率高于等面积透镜的耦合效率马卡天线可实现大口径耦合接收技术,具有较强的汇聚光功率能力次反射镜遮挡造成能量损失弱湍流时,马卡天线的遮拦比是降低耦合效率的主要因素;强湍流时,当传输距离超过 km 量级,短波长的耦合效率降低至 20%以下图 10 收发一体实验示意图74实验表明,经准直器输出的发射光功率为14.8 mW,经马卡天线 A 输出的发射光功率为 13.9 mW,通过计算得出发射效率接近 94.0%,相较于之前所使用的沿轴发射方法,该方法可将发射效率提高 85.0%,成功解决了次反射镜遮挡导致光功率损失的问题。实验结果所示如表 4 所示。表 4 马卡天线收发一体实验数据75距离/m马卡天线 B 发射光功率/mW马卡天线 A 接收光功率/mW马卡天线 A耦合效率马卡天线 A 发射光功率/mW马卡天线 B 接收光功率/mW马卡天线 B耦合效率53.121.6%2.820.2%1514.33.020.9%14.82.920.9%302.316.1%2.215.8%分析表 4 可以得出,当马卡天线 A 和 B 之间为较近距离 5 m 或 15 m 时,接收光功率在 3 mW 上下浮动,这是因为两个天线之间距离较近,因此,接收的光斑整体位于天线有效接收区域内,所以接收光功率没有太大差异。当两天线距离为 30 m 时,发射光束就会发生发散,此时光斑整体没有全部位于天线有效接收区域内,从而导致部分功率损耗。最终,所设计的收发一体化天线还是成功完成了以单模光纤发射,多模光纤接收的功能,得到约20.0%的耦合效率。4.3 空间光耦合自动对准提高光纤耦合效率空间光耦合自动对准对耦合效率有直接的影响,罗静、尹奔康、吴加丽等人研究了将模拟退火算法2、随机并行梯度下降算法用来控制压电陶瓷上的电压进而带动光纤产生位移,实时调整光纤位置,实现光轴对准,提高耦合效率。4.3.1 模拟退火算法在空间光耦合自动对准的应用为了提高空间光到光纤的耦合效率,将光电探测器输出的电压信号作为反馈信号,通过模拟退火算法调节二维压电陶瓷上的电压以此对光纤位置进行动态调整,从而完成光轴对准。如图 11 为二维压电陶9梁静远,等:空间光-光纤耦合技术进展与实