空间光-光纤耦合技术进展与实验研究_梁静远.pdf
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1、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
2、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
3、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
4、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,includi
5、ng 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
6、 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 communic
7、ation;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。
8、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-
9、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。19
10、98 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
11、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
12、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
13、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
14、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
15、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
16、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,Hot
17、tinger 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
18、.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 As
19、tronomy 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
20、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/Vienn
21、a 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/Telecommun
22、ications 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
23、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
24、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
25、,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
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