微角錐棱鏡陣列在逆向調(diào)制激光通信中的應(yīng)用

陳少欽，楊國(guó)偉，畢美華，李長(zhǎng)盈，李 晶，李 娜，耿虎軍

(1.杭州電子科技大學(xué) 通信工程學(xué)院，浙江 杭州 310018； 2.中國(guó)電子科技集團(tuán)公司航天信息應(yīng)用技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北 石家莊050081)

0 引言

傳統(tǒng)的FSO系統(tǒng)鏈路兩端需要裝載激光發(fā)射/接收系統(tǒng)和復(fù)雜的跟蹤捕獲(ATP)系統(tǒng)，具有較高速率、安全性高，無需鏈路許可證等優(yōu)勢(shì)。但傳統(tǒng)FSO系統(tǒng)的重量、體積和功耗等是限制FSO技術(shù)發(fā)展的重要因素[1-2]。MRR FSO系統(tǒng)是將傳統(tǒng)FSO系統(tǒng)中的一個(gè)終端替換成MRR端構(gòu)成的非對(duì)稱FSO系統(tǒng)，免去了FSO鏈路中一個(gè)終端激光發(fā)射器和ATP系統(tǒng)，并具備雙工模式[3]。其中，MRR模塊通常由光調(diào)制器和無源逆向反射器2部分組成。光調(diào)制器經(jīng)過多年的發(fā)展，目前，主要有基于液晶光開關(guān)(LC)、微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)、多量子肼(MQW)和壓電陶瓷(PZT)的光調(diào)制器[4-5]。目前，較為常用的逆向反射器是角錐棱鏡(CCR)和貓眼反射器(CER)[6]，由低功耗的光調(diào)制器和相應(yīng)逆向反射器構(gòu)成的MRR FSO系統(tǒng)充分利用MRR的逆向反射特性，使得MRR端具有無需激光器和復(fù)雜的ATP系統(tǒng)、尺寸小、功耗低及結(jié)構(gòu)穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)。

到目前為止的大量工作驗(yàn)證了MRR FSO系統(tǒng)在多種應(yīng)用環(huán)境中的可行性和穩(wěn)定性，更加明確了MRR FSO系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用前景[7-8]。但對(duì)于自由空間光通信而言，光束在大氣中傳輸時(shí)易受到大氣湍流的影響[9-10]，大氣湍流效應(yīng)導(dǎo)致傳輸光束波前隨機(jī)起伏，造成光斑漂移、強(qiáng)度閃爍，大氣湍流效應(yīng)導(dǎo)致MRR FSO系統(tǒng)鏈路性能惡化，嚴(yán)重地影響通信系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性[11-12]。為了提升通信鏈路信號(hào)傳輸質(zhì)量，加大傳輸距離，采用微角錐棱鏡陣列(MCCRAs)來代替MRR FSO系統(tǒng)中的CCR[13]。微角錐棱鏡陣列的偽相位共軛特性可以用來提供波前補(bǔ)償效果，可以較好地抵抗大氣湍流效應(yīng)對(duì)通信鏈路的影響。

重點(diǎn)研究工作是將單個(gè)大尺寸反射器(角錐棱鏡)和多個(gè)微型尺寸反射器組成的反射器(微角錐棱鏡陣列)應(yīng)用在MRR FSO系統(tǒng)中，通過仿真分析和實(shí)驗(yàn)對(duì)比，研究了在減弱大氣湍流對(duì)FSO通信性能和質(zhì)量造成影響的情況下MCCRAs的作用。通過將微角錐棱鏡陣列應(yīng)用在MRR FSO系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，為最終實(shí)現(xiàn)星地間MRR FSO通信做好前期技術(shù)準(zhǔn)備。

1 MCCRAs的工作原理

1. 1 角錐棱鏡的基本光學(xué)原理

CCR器件的基本構(gòu)造原理和光學(xué)特性已經(jīng)被廣泛研究[14]，同時(shí)關(guān)于它的反射特性已經(jīng)建立了一些幾何模型[15]。如圖1所示，一個(gè)CCR由3個(gè)互相垂直的反射平面組成，進(jìn)入CCR底面的入射光線依次經(jīng)過3個(gè)垂直平面的反射后以相反于入射光線的方向射出。正是因?yàn)镃CR的這一特性，該器件被廣泛用作MRR FSO系統(tǒng)的MRR端無源反射光器件。

圖1 CCR的內(nèi)部光線軌跡

1. 2 微角反射器陣列的波前補(bǔ)償原理

正如文獻(xiàn)[16]所述一系列CCR晶胞組成了MCCRAs，不同類型的CCR晶胞可以構(gòu)成不同的MCCRAs。由完全相同的角反射器晶胞規(guī)律排布在z=0的平面上構(gòu)成的陣列為一致性陣列，而組成陣列的晶胞并非完全一致，更具一般性的、帶有加工誤差的陣列模型被稱為非一致性陣列，這種誤差會(huì)導(dǎo)致出射光線的相移和強(qiáng)度誤差。MCCRAs的波前補(bǔ)償效果如圖2所示。

圖2 MCCRAs的波前補(bǔ)償效果

被陣列反射的光波等相位面可以近似為一系列直線段。偽相位共軛光波回射至畸變介質(zhì)，這個(gè)過程補(bǔ)償了之前的傾斜誤差。這個(gè)平衡效果在一些光學(xué)畸變十分嚴(yán)重的特定場(chǎng)合十分有效，如大氣湍流或者玻璃介質(zhì)中。為簡(jiǎn)單起見，考慮一致性陣列，假設(shè)入射光線進(jìn)入畸變介質(zhì)之前是平面波，所以相應(yīng)的表達(dá)式為：

Eix，y=Ax，y{expiωt-kz+c.c.}，

(1)

式中，Ax，y代表光線的幅度；ω為信號(hào)頻率；k=2π/λ為波數(shù)；c.c.為共軛復(fù)數(shù)?？梢缘玫浇?jīng)過畸變介質(zhì)的光線表達(dá)式為：

(2)

式中，φx，y是由畸變介質(zhì)造成的附加相位，根據(jù)MCCRAs的特性，可以得到反射后的光線：

ωt-kz+c.c.}。

(3)

如果場(chǎng)幅度在橫向和縱向上沒有變化，即意味著dA/dx=dA/dy=0，并且假設(shè)相位損失函數(shù)φx，y是奇對(duì)稱的，式(3)可以變?yōu)槿肷湎辔还曹椆馐暮笙蚬馐磉_(dá)式：

Erx，y={expi(-φx，y+ωt-kz)+c.c.}。

(4)

當(dāng)后向光束再次經(jīng)過畸變介質(zhì)，

(5)

可以消除由失真介質(zhì)引起的增量相位。

由于實(shí)際制作的MCCRAs在加工過程中存在著面形誤差和二面角誤差[ 17]，導(dǎo)致入射進(jìn)CCR晶胞的光束會(huì)被角錐棱鏡部分反射。一部分光束僅僅經(jīng)過1次或2次反射，在進(jìn)行第3次反射時(shí)已經(jīng)被反射出角錐棱鏡，這部分光并不會(huì)成為反射回收發(fā)機(jī)端的光束，所以存在一定的能量損耗。在下面的仿真與實(shí)驗(yàn)過程中，采用由三角形的CCR晶胞構(gòu)成的MCCRAs，經(jīng)電子顯微鏡觀察，如圖3所示，在MCCRAs中，每個(gè)三角形晶胞的間距為100 μm。

圖3 三角形的CCR晶胞構(gòu)成的MCCRAs

2 湍流模型與實(shí)驗(yàn)環(huán)境

2. 1 湍流模型

光波在大氣湍流中傳輸時(shí)，受大氣隨機(jī)浮動(dòng)影響導(dǎo)致折射率的隨機(jī)變化，實(shí)驗(yàn)中的大氣湍流的強(qiáng)度由折射率結(jié)構(gòu)參數(shù)來衡量，該參數(shù)可以使用溫度結(jié)構(gòu)參數(shù)和大氣壓P來描述[18]：

(6)

式中，P為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓強(qiáng)；T為開爾文溫度。溫度結(jié)構(gòu)參數(shù)與溫度的變化程度相關(guān)，

(7)

(8)

2. 2 實(shí)驗(yàn)環(huán)境

圖4(a)顯示了實(shí)驗(yàn)FSO鏈路示意圖，整個(gè)光路過程為FPGA產(chǎn)生一組信息碼元，將信息加載在635 nm的激光器發(fā)送出去，經(jīng)湍流信道模擬箱，由反射器反射回湍流信道模擬箱，而后分光棱鏡反射至光探測(cè)器，最后光探測(cè)器將光信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)經(jīng)FPGA處理，計(jì)算誤碼率等相關(guān)參數(shù)。其中，湍流信號(hào)模擬箱長(zhǎng)7 m，寬度和高度均為50 cm，在箱體兩端分別放置一個(gè)暖風(fēng)機(jī)，每隔固定距離設(shè)置通風(fēng)口，構(gòu)建湍流環(huán)境。湍流模擬箱的實(shí)物圖如圖4(b)所示。其他一些關(guān)鍵器件的參數(shù)如表1所示。

(a) 大氣湍流模擬箱系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

(b) 實(shí)際實(shí)驗(yàn)環(huán)境圖4 FSO實(shí)驗(yàn)環(huán)境

表1 實(shí)驗(yàn)器件的關(guān)鍵性參數(shù)

由于實(shí)驗(yàn)室內(nèi)實(shí)驗(yàn)環(huán)境的限制，實(shí)驗(yàn)采集了3組不同湍流強(qiáng)度下的溫度數(shù)值，如表2所示，根據(jù)式(6)、式(7)和式(8)，分別計(jì)算出相應(yīng)的湍流強(qiáng)度。

表2 湍流信道模擬箱溫度測(cè)量

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

首先，在不加載調(diào)制信號(hào)的情況下，觀測(cè)經(jīng)由CCR和MCCRAs反射回收發(fā)機(jī)端的光斑變化。如圖5所示，在沒有湍流的情況下，可以看到經(jīng)CCR和MCCRAs反射回的光斑幾乎沒有差別，經(jīng)MCCRAs返回的光斑，由于激光入射至晶胞之間的空縫產(chǎn)生的衍射現(xiàn)象和MCCRAs本身存在的一些加工誤差導(dǎo)致反射回的能量有一定的損耗，中心圓光斑周圍會(huì)產(chǎn)生一圈較為模糊的光斑存在。當(dāng)在湍流環(huán)境下觀測(cè)經(jīng)2種反射器件發(fā)射回的光斑時(shí)，可以看到2個(gè)光斑有了較為明顯的光斑。經(jīng)由CCR返回的光斑呈不規(guī)則形狀，而且有隨機(jī)抖動(dòng)的特點(diǎn)；但由MCCRAs返回的光斑其中心部分穩(wěn)定并保持圓形，而且光斑固定，不存在大幅度抖動(dòng)的情況。通過有無湍流環(huán)境下光斑的變化，可以得出MCCRAs有較為明顯的光波補(bǔ)償性能，經(jīng)由MCCRAs反射回的光斑可以保持一個(gè)穩(wěn)定的狀態(tài)。

(a)經(jīng)CCR反射，無湍流情況下

(b) 經(jīng)MCCRAs反射，無湍流情況下

(c) 經(jīng)CCR反射，有湍流情況下

(d) 經(jīng)MCCRAs反射，有湍流情況下

然后，在發(fā)射光束上加載了20 kHz的信號(hào)，并引入不同程度的噪聲，其不同湍流強(qiáng)度的下BER曲線如圖6所示，橫坐標(biāo)為信噪比SNR。從圖中可以看到，在SNR超過20時(shí)，使用CCR做反射器件的MRR FSO系統(tǒng)的誤碼率出現(xiàn)劇烈變化，誤碼率有逐漸增大的趨勢(shì)。而使用MCCRAs作為反射器件的MRR FSO系統(tǒng)的性能較為穩(wěn)定，BER曲線保持一致，從通信性能參數(shù)方面驗(yàn)證了MCCRAs相對(duì)于CCR的抵抗大氣湍流效應(yīng)的能力。

圖6 不同湍流環(huán)境下2種反射器件的BER曲線

4 結(jié)束語

首先在理論上介紹了微角錐棱鏡陣列MCCRAs的基本構(gòu)造，通過以往成果中的公式推導(dǎo)指出了MCCRAs的波前相位補(bǔ)償原理，然后在室內(nèi)搭建了模擬大氣湍流環(huán)境的實(shí)驗(yàn)箱，建立了一套相對(duì)完整的MRR FSO系統(tǒng)來驗(yàn)證MCCRAs在實(shí)際應(yīng)用中的補(bǔ)償性能。在室內(nèi)模擬的弱湍流環(huán)境下，觀察經(jīng)過模擬大氣湍流環(huán)境下的光斑抖動(dòng)程度和強(qiáng)度變化，從現(xiàn)象上驗(yàn)證了MCCRAs的偽相位共軛特性；在傳輸信號(hào)上加載SNR噪聲，比較不同程度SNR噪聲下誤碼率數(shù)值的變化，證明了將MCCRAs作為MRR FSO系統(tǒng)反射器件在抵抗大氣湍流效應(yīng)、增強(qiáng)鏈路穩(wěn)定性上的作用，驗(yàn)證了其應(yīng)用在未來長(zhǎng)距離星地激光通信的可行性。