大氣對(duì)激光通信耦合效率影響因素研究

孟楷 孟冬 張棟 李衛(wèi)森 李勇 王慧娟

摘 要：激光通信技術(shù)以其具有體積小，重量輕，功耗低，通信速率高，組網(wǎng)方便，保密性好等一些列優(yōu)點(diǎn)而備受關(guān)注。伴隨著技術(shù)的進(jìn)步，動(dòng)態(tài)高精度跟蹤等關(guān)鍵技術(shù)已經(jīng)被突破，下一步激光通信技術(shù)又開(kāi)始朝向高速率，遠(yuǎn)距離的方向發(fā)展，使得其優(yōu)勢(shì)進(jìn)一步被發(fā)揮。為了把光纖通信中波分復(fù)用，前置光放大，全光網(wǎng)絡(luò)，分集接收等較成熟的技術(shù)引入，空間光高效耦合入光纖的難題成了亟需解決的瓶頸。由于光纖芯徑比較小，不易對(duì)準(zhǔn)，而且空間光受大氣等因素影響耦合入光纖的效率更低。文章針對(duì)大氣環(huán)境中激光通信接收技術(shù)中的空間光耦合入光纖技術(shù)進(jìn)行研究，并給出相應(yīng)結(jié)論。

關(guān)鍵詞：大氣激光通信；大氣湍流；空間光耦合

中圖分類(lèi)號(hào)：TN911 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2018）18-0070-03

Abstract： Laser communication technology has attracted much attention for its advantages such as small volume， light weight， low power consumption， high communication rate， convenient networking， good confidentiality and so on. With the progress of technology， dynamic high-precision tracking and other key technologies have been breakthrough， the next step of the laser communication technology began to move towards the direction of high speed， long-distance development， so that its advantages have been further developed. In order to introduce the mature technologies such as wavelength division multiplexing， preamplifier， all-optical network， diversity reception and so on， the problem of high-efficient coupling of spatial light into optical fiber has become a bottleneck that needs to be solved. Because the core diameter of optical fiber is relatively small， it is difficult to be aligned， and the coupling efficiency of space light is lower because of the influence of atmosphere and other factors. In this paper， the space light coupling into optical fiber in the laser communication receiving technology in atmospheric environment is studied， and the corresponding conclusions are given.

Keywords： atmospheric laser communication； atmospheric turbulence； spatial optical coupling

1 概述

大氣激光通信技術(shù)在融合光纖通信的成熟技術(shù)的同時(shí)，也引入了空間光高效耦合入光纖的新難題。由于光纖芯徑比較小，容易受對(duì)準(zhǔn)偏差、振動(dòng)、大氣等因素影響，耦合效率很低。盡量采用大芯徑的光纖，但高速光電探測(cè)器件探測(cè)面的直徑一般在100um以下，很難合適匹配，所以要在芯徑和探測(cè)面積上進(jìn)行優(yōu)化選擇。同時(shí)耦合入光纖后方便實(shí)現(xiàn)光學(xué)平臺(tái)的輕小型化，也引入了線繞力矩，通信線路的高頻干擾等問(wèn)題，所有亟需評(píng)估解決大氣激光耦合入光纖的損耗問(wèn)題，來(lái)進(jìn)一步優(yōu)化大氣激光接收技術(shù)，從而實(shí)現(xiàn)高效和高速的激光通信。

2 光纖耦合理論

理想情況下，在接收孔徑處的遠(yuǎn)場(chǎng)高斯光可以近似為平面波。光學(xué)系統(tǒng)接收到遠(yuǎn)場(chǎng)高斯光后經(jīng)過(guò)匯聚，在后焦面處形成艾里斑，其電場(chǎng)分布是接收孔徑處入射光電場(chǎng)分布的傅里葉變換。

假設(shè)入瞳和接收孔徑重合，如圖1，在焦面b處的電場(chǎng)分布為：

其中R為接收口徑的半徑，Dr為接收口徑的直徑，λ為入射的波長(zhǎng)，k為光波的波數(shù)，f為光學(xué)系統(tǒng)焦距。

由于光纖端面處的電場(chǎng)分布為零階貝塞爾函數(shù)，可以近似為高斯分布，因此光纖端面處的電場(chǎng)分布為：

其中rb為光纖纖芯的半徑，ωb為激光束腰半徑。

耦合效率為接收孔徑上入射光功率與耦合入光纖的光功率之比。把焦面處的光斑模場(chǎng)與光纖端面處的光斑模場(chǎng)取相關(guān)運(yùn)算。

假設(shè)平面波入射時(shí)，可以得到：

其中β=R/ωa=πDrωb/（2λf），所以β是一個(gè)與相對(duì)口徑有關(guān)的參量。如圖2，可以得到耦合效率與相對(duì)口徑的關(guān)系：

3 大氣對(duì)耦合效率的影響分析

最大效率的把空間激光耦合入光纖時(shí)，需要空間光入纖的NA值小于等于光纖本身的NA值，且聚焦的光斑小于等于光纖的芯徑，才能保證空間光耦合入光纖而不存在遮攔。同時(shí)還要考慮對(duì)準(zhǔn)偏差，斷面菲涅爾反射，大氣等因素對(duì)耦合的影響。

由于大氣湍流等因素影響，接收孔徑處的光波波前發(fā)生畸變，使光斑中心產(chǎn)生光斑擴(kuò)散，光束漂移等現(xiàn)象，在強(qiáng)湍流條件下，甚至產(chǎn)生光斑空洞和破碎等現(xiàn)象。大氣的散斑效應(yīng)會(huì)引起光斑光強(qiáng)分布變化，從而影響大氣激光耦合入光纖的效率。如圖3和4為仿真出的理想激光光斑和經(jīng)過(guò)大氣后的激光光斑。

大氣湍流條件下，地面激光通信鏈路中的光纖耦合效率：

如圖5，可以得到大氣折射率結(jié)構(gòu)常數(shù)與海拔高度的關(guān)系：

當(dāng)高度高于1000米時(shí)，光纖的耦合效率幾乎不變，因?yàn)楦哂?000米的高空大氣湍流較小。

如圖7，我們可以得到大氣折射率結(jié)構(gòu)常數(shù)與耦合效率的關(guān)系。

如圖8，可以得到不同湍流強(qiáng)度下傳輸距離與耦合效率的關(guān)系。

由以上仿真結(jié)果可以看到，大氣湍流限制了大氣激光通信中耦合效率的提高，嚴(yán)重影響了遠(yuǎn)距離激光通信的實(shí)現(xiàn)。特別是在C>10-13m-2/3的強(qiáng)湍流惡劣條件下，耦合效率隨著距離的增大下降的非常快。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文分析了高速大氣激光通信接收技術(shù)中的激光耦合入光纖關(guān)鍵技術(shù)，在光纖耦合理論的基礎(chǔ)上，分析了不同情況下，大氣湍流等因素對(duì)激光光耦合入光纖的影響，得出相應(yīng)仿真結(jié)果，為大氣激光通信的器件選型和新機(jī)理的采用和大氣條件下激光通信的實(shí)現(xiàn)提供仿真基礎(chǔ)和分析結(jié)果。

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