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空间光通信广角接收馈源的研究进展

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来源: 作者: 2018-10-25 12:18:05

为了将光通信一些优越性能应用于空间光探测、空间光通信和民用个人通信,在目前光纤只有非常小的数值孔径的情况下,需要对微弱空间光信号进行广角接收,以便使接收角度达数十度、以致半个空间的光信号能进入光纤接收系统。然后可以对其中光信号进行光放大和处理。文章将空间光广角接收馈源分为传统接收馈源和耦合入纤接收馈源两大类,着重于讨论后者。前者由于受制于光学系统和传统滤波器对视场角的限制,其灵敏度和视场角难以同时得到提高。而后者有望解除这些限制,真正实现对微弱空间光信号的非扫描式广角接收,应该是今后的发展方向,具有广泛应用前景。空间光广角接收的实现将有力促进空间光通信、个人通信和光探测技术的发展,加大空间通信的带宽,对未来通信将产生不可估量的影响。

在星地光通信、自由空间光通信、室内光无线通信等空间光通信系统中,发射机和接收机之间为了建立一条有效的通信链路,往往需要将二者进行精确的对准和跟踪。由于星地光通信和自由空间光通信的通信距离长,而且易受天气(如大气湍流、薄雾等)影响、强辐射(宇宙辐射和太阳光)影响和基座振动影响等,其研究主要集中在消除天气影响、光谱滤波技术(如带宽极窄的原子滤波器等),以及复杂的捕获、跟踪和瞄准(ATP)系统。而室内光无线通信的距离短,不受天气影响,因而人们发展了漫射光链接方案。漫射光链接方案采取广角发射、墙壁或天花板漫反射和广角接收技术,消除了发射机和接收机的对准问题,极大地方便了用户的使用。

尽管精确对准的困难和ATP系统的复杂在很大程度上是由激光的高度方向性所致,接收机的视场角有限也是非常重要的原因[1]。扩展接收机的视场角则可以简化ATP系统的复杂性,加快对准和跟踪速度。而漫射光链接方案为了尽可能多地搜集被墙壁或天花板反射的漫射光,也要求接收机的视场角尽量宽。出于成本和安全的考虑,应该尽可能降低发射的激光功率,这要求接收机的灵敏度也应尽可能地高。

提高接收机灵敏度最直接、最简单和最有效的方法是采用高灵敏度的光电探测器。然而,探测器的灵敏度是受器件水平限制的。在此限制条件下,人们试图通过对空间光接收馈源进行合理设计,以同时提高其灵敏度和视场角。本文介绍了国内外对空间光广角接收馈源的研究现状,分析了其中存在的困难和原因,并对其应用前景进行了展望。

现阶段,国内外对空间光信号接收馈源的研究大体上可以分为两大类,一类是传统接收馈源,另一类是耦合入纤接收馈源(简称为入纤接收馈源)。

1传统的空间光信号接收馈源

传统接收馈源不包含耦合入纤过程,可以分为直接接收馈源和光外差/差拍接收馈源。它们优先提高接收灵敏度而导致视场角很小,需要通过诸如扫描等其他机制来扩展视场角,并非真正意义上的广角接收。

1.1直接接收馈源

直接接收馈源通过光学系统将微弱光信号聚焦在光电探测器上,直接检测收集到的光能量,因此又被称为非相干接收,如图1所示。它是一种最简单、最直接的光接收方式。为增强信号光强度而同时又尽可能减弱噪声强度,人们采用光学系统聚光和窄带光谱滤波相结合的技术,而这两种技术极大地限制了系统的接收视场角。

(1)光学系统对视场角的限制

为了分析光学系统对视场角的限制,我们以二维光学系统(如图2所示)为例。图中2a、2a'分别为入瞳、出瞳的孔径,θ、θ'分别为相应的视场半角,入瞳与出瞳的孔径-视场角乘积满足集光率守恒定律[2]:

nasinθmax=n'a'sinθ'max(1)

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