空間光通信廣角接收饋源研究進展

摘要：為了將光通信一些優越性能應用于空間光探測、空間光通信和民用個人通信，在目前光纖只有非常小的數值孔徑的情況下，需要對微弱空間光信號進行廣角接收，以便使接收角度達數十度、以致半個空間的光信號能進入光纖接收系統。然后可以對其中光信號進行光放大和處理。文章將空間光廣角接收饋源分為傳統接收饋源和耦合入纖接收饋源兩大類，著重于討論后者。前者由于受制于光學系統和傳統濾波器對視場角的限制，其靈敏度和視場角難以同時得到提高。而后者有望解除這些限制，真正實現對微弱空間光信號的非掃描式廣角接收，應該是今后的發展方向，具有廣泛應用前景。空間光廣角接收的實現將有力促進空間光通信、個人通信和光探測技術的發展，加大空間通信的帶寬，對未來通信將產生不可估量的影響。

關鍵詞：空間光通信；廣角接收饋源；耦合入纖接收

Abstract:In order to extend advantages of optical fiber communication such as optical amplification and processing to space optical detection， optical wireless communication and personal communication， it is necessary to receive weak optical signals from free-space into optical fibers in such a wide Field-of-view (FOV). In that case， FOV can be enlarged to tens of degrees; and then， half space could be received. However， this is not easy because the fiber's numerical aperture is usually small. Wide FOV receiver feeders for optical signals from free-space are categorized into conventional feeder and fiber-based feeder in this paper， with the latter expounded emphatically. Analysis shows that it is difficult to improve the sensitivity and FOV of the conventional feeder， whose FOV is limited by the optical system and conventional filters， at the same time. The fiber-based feeder， however， has a great potential to eliminate the limitations in the conventional feeder， and to realize a non-scanning wide FOV feeder. Thus， the latter is the development trend and has a wide application prospect. The realization of wide FOV receiver for optical signals from free-space will accelerate the development of optical wireless communication， personal communication and space optical detection， as well as increase the bandwidth of space communications; it also has a great influence on future communication.

Key words: space optical communication; wide FOV receiver feeder; fiber-based feeder

在星地光通信、自由空間光通信、室內光無線通信等空間光通信系統中，發射機和接收機之間為了建立一條有效的通信鏈路，往往需要將二者進行精確的對準和跟蹤。由于星地光通信和自由空間光通信的通信距離長，而且易受天氣(如大氣湍流、薄霧等)影響、強輻射(宇宙輻射和太陽光)影響和基座振動影響等，其研究主要集中在消除天氣影響、光譜濾波技術(如帶寬極窄的原子濾波器等)，以及復雜的捕獲、跟蹤和瞄準(ATP)系統。而室內光無線通信的距離短，不受天氣影響，因而人們發展了漫射光鏈接方案。漫射光鏈接方案采取廣角發射、墻壁或天花板漫反射和廣角接收技術，消除了發射機和接收機的對準問題，極大地方便了用戶的使用。

盡管精確對準的困難和ATP系統的復雜在很大程度上是由激光的高度方向性所致，接收機的視場角有限也是非常重要的原因[1]。擴展接收機的視場角則可以簡化ATP系統的復雜性，加快對準和跟蹤速度。而漫射光鏈接方案為了盡可能多地搜集被墻壁或天花板反射的漫射光，也要求接收機的視場角盡量寬。出于成本和安全的考慮，應該盡可能降低發射的激光功率，這要求接收機的靈敏度也應盡可能地高。

提高接收機靈敏度最直接、最簡單和最有效的方法是采用高靈敏度的光電探測器。然而，探測器的靈敏度是受器件水平限制的。在此限制條件下，人們試圖通過對空間光接收饋源進行合理設計，以同時提高其靈敏度和視場角。本文介紹了國內外對空間光廣角接收饋源的研究現狀，分析了其中存在的困難和原因，并對其應用前景進行了展望。

現階段，國內外對空間光信號接收饋源的研究大體上可以分為兩大類，一類是傳統接收饋源，另一類是耦合入纖接收饋源(簡稱為入纖接收饋源)。

1 傳統的空間光信號接收饋源

傳統接收饋源不包含耦合入纖過程，可以分為直接接收饋源和光外差/差拍接收饋源。它們優先提高接收靈敏度而導致視場角很小，需要通過諸如掃描等其他機制來擴展視場角，并非真正意義上的廣角接收。

1.1 直接接收饋源

直接接收饋源通過光學系統將微弱光信號聚焦在光電探測器上，直接檢測收集到的光能量，因此又被稱為非相干接收，如圖1所示。它是一種最簡單、最直接的光接收方式。為增強信號光強度而同時又盡可能減弱噪聲強度，人們采用光學系統聚光和窄帶光譜濾波相結合的技術，而這兩種技術極大地限制了系統的接收視場角。

(1)光學系統對視場角的限制

為了分析光學系統對視場角的限制，我們以二維光學系統(如圖2所示)為例。圖中2a、2a′分別為入瞳、出瞳的孔徑，θ、θ'分別為相應的視場半角，入瞳與出瞳的孔徑-視場角乘積滿足集光率守恒定律[2]：

na sinθmax =n′a′sinθ′max(1)

由于出瞳的孔徑和視場角均有限，為盡可能增加收集到的信號光能量，需要增大光學系統的入瞳孔徑。而根據公式(1)，增大入瞳孔徑將減小系統的接收視場角，并且也會帶來更多的背景噪聲。

目前大多數直接接收饋源采用的都是成像光學系統，然而對于光強度檢測的直接接收方式而言，關心的重點是收集到盡可能多的光子，而成像質量的好壞卻并不重要。近年來發展起來的非成像光學則更好地兼顧了孔徑和視場角，在遵守物理守恒定律條件下可以取得聚光比(a /a′)的理論最大值，并且能對光的波前進行控制[2]。因此，非成像光學系統逐漸被應用于直接接收饋源中，并作為減輕大氣擾動影響的一種有效方法[3]。

(2)窄帶濾波器對視場角的限制

不論是采用成像光學系統還是非成像光學系統，為了減小雜散光的噪聲干擾，提高系統信噪比，必須減小視場角或使用窄帶光譜濾波器。

目前常用的窄帶光譜濾波器有兩種：干涉型濾波器(包括多層薄膜濾波器、聲光濾波器、FP濾波器等)和原子濾波器。盡管原子濾波器的帶寬極窄(可達到0.001 nm)，但透過率很低(一般低于50%)、響應時間長(一般大于微秒量級)[4]。因此目前最常用的還是干涉型濾波器(帶寬一般為納米或亞納米量級，透過率可達近90%)。然而，這種濾波器的傳輸特性對入射角度十分敏感。如圖3所示，隨著入射角的增加，濾波器的中心波長和通帶范圍均向短波長方向移動，發生“藍移”[5]。這一特性將極大地限制接收視場角。

綜上所述，在直接接收饋源中，由于光學系統的通光孔徑與視場角之間、窄帶光譜濾波技術與大視場接收之間存在不可克服的矛盾，高靈敏度必然導致系統的接收視場角很小。

1.2 光外差/差拍接收饋源

光外差/差拍接收通過將微弱信號光與較強的本地光混頻/差拍產生用于光電轉換的中頻/拍信號，因此又被稱為相干接收，接收機構成如圖4所示。外差/差拍接收可得到比直接接收高7～8個數量級的接收靈敏度，接近量子極限[6]。

然而，為了使外差/差拍效率最大化，本振光與信號光必須具有高度的單色性和頻率穩定性，另外還要滿足空間相干性條件：兩束光具有相同的偏振態、徑向強度分布盡量相似、波前曲率相等、兩束光之間的空間位移很小、角誤差很小等[7]。這些要求使相干接收饋源的實現十分復雜和困難，其中對空間相干性的苛刻要求極大地限制了饋源的視場角。A.E. Siegman最早提出：相干激光雷達的接收視場應該限制在立體角Ω≈λ2 /A范圍內(其中λ為接收信號光的波長，A為入射光瞳的面積)，超過該限制條件，將無法進行相干接收[8]。這個對接收視場角的限制對相干空間光通信同樣有效。為減小對視場角的嚴格限制，A.W. Field提出了改變系統結構和采用檢測器陣列的方法[9]，但并沒有從根本上解決相干接收視場角小的問題。

1.3 接收饋源視場角的擴展方法

不論是直接接收還是外差/差拍接收，饋源本身的視場角非常小。為了實現廣角接收，人們采用了增加掃描系統、采用非掃描方式的多元檢測器陣列等多種方法來擴展接收機的視場角[10-11]：

電光、聲光掃描方式：采用電光效應或聲光效應可以實現無慣性掃描，掃描速度快、效率高，但是掃描視場角小，要保證掃描的均勻性有一定困難。

光柵掃描方式：采用全息光柵的一維轉動來實現二維掃描，減少了機械運動，掃描視場大、效率高、慣性小，但由于其衍射效率低影響了掃描系統的透過效率。

光機掃描方式：這種技術已經非常成熟，且為大多數掃描系統所采用。通過轉動平面反射鏡、反射鏡鼓或折射棱鏡，或轉動整個鏡組，使接收饋源可以依次接收來自不同空間方向的輻射。但由于機械慣性，光機掃描方式的掃描效率低，不適合大角度的快速掃描。

多元檢測器陣列：它將多個單元檢測器排成陣列放在成像光學系統的焦平面上，如CCD陣列或光電二極管陣列。每個單元檢測器面積并不增大，只對應于一小部分視場，由多元陣列合成一個較大的視場。盡管一些學者將它視為非掃描方案，但它本質上仍然是掃描的，只不過是焦平面檢測器陣列的電子掃描罷了。而且這種方法的總視場角仍將主要受前面接收饋源(光學系統和窄帶濾波器)的限制。

角度分集技術：由于單個接收機的視場角較小，為了覆蓋一個很大的接收空域，角度分集技術采用多個這樣的接收機按照一定的朝向組成陣列，每個接收機接收來自不同的方向的信號光，分別檢測，并行工作，如圖5所示(不同顏色的角度錐代表各個接收機的視場)。角度分集技術不需要任何掃描機制，可以同時覆蓋多個目標，適用于多點通信或多目標探測，但是其主要缺點是實現起來比較復雜。

不論哪種掃描方式，它只能依次掃描各個方向，終歸要受到掃描速度的限制；若采用多元檢測器陣列，則總的視場角仍受到光學系統和窄帶濾波技術的限制，并且CCD陣列還受到帶寬限制(一般小于10 MHz)。因此，這些擴展接收視場角的掃描方法均無法對廣域空間中(特別是太空中)未知方位的通信發射端實現快速而有效的捕獲。

而角度分集技術則通過多個接收機并行工作，沒有任何掃描速度限制，可快速實現通信端之間的對準和跟蹤，并可同時連接多個方向的發射端。但是，在單個接收機的視場角較小的情況下，為了覆蓋一個很大的空域，需要許多個這樣的小接收機，系統結構將過于復雜。

2 空間光信號耦合入纖接收饋源

2.1 潛在優勢

光纖作為空間光接收饋源的組成部分，最早應用于天文中的恒星探測，隨后被廣泛用于激光雷達、光無線通信等探測和通信系統中，主要還只是起引導光傳輸的作用。隨著光纖通信的發展，其中許多成熟技術，如光纖光柵濾波技術、光放大技術等，不斷地被應用于空間光入纖接收饋源中。

R.J. De Young等將光纖布拉格光柵(FBG)濾波器引入了激光雷達的接收饋源(如圖6所示)，發現可極大地降低背景噪聲的影響，使激光雷達在白天也能取得良好性能[12]。這種濾波器的通帶范圍(FWHM)可達幾十皮米，比干涉濾波器(其FWHM一般為納米量級)要窄100倍左右；最大反射率可達91%以上(干涉濾波器的透過率一般小于90%)，并且易于與光纖連接。

與光纖通信接收系統類似，在空間光接收系統中也可采用摻鉺光纖放大器作為前置放大器來提高接收靈敏度，如圖7所示。Zhang等人報道了一種高增益低噪聲的級聯光學前置放大器，它應用于中紅外波段的光無線連接接收機中，能將接收到的微弱光信號(如低達-53 dBm的光信號)凈增益8 dB～13 dB，而放大的自發輻射噪聲(ASE)卻被過濾，因此其性能可接近量子極限[13]。與外差/差拍接收相比，二者的性能相近(均可達到量子接收極限)，只是這種方式的實現更容易，是今后的發展方向[14]。

由此可見，入纖接收饋源可望利用光纖光柵等窄帶光譜濾波技術和光放大技術來提高接收性能。這種光濾波器能實現高透過率的超窄帶濾波，而且置于耦合入纖之后，不會對接收饋源的視場角增加額外的限制，從而能解除傳統光學濾波器的角度敏感性對視場角的束縛；采用光放大技術，通過對信號光進行放大而不是通過提高光學系統的收集能力來提高信號光強度，必將減小對光學系統入瞳孔徑的要求，從而有利于增大光學系統的接收視場角。因此，入纖接收饋源有望解除光學系統和傳統濾波器對視場角的限制，真正實現對微弱空間光信號的非掃描式廣角接收。

2.2 研究現狀

由于入纖接收饋源的諸多潛在優勢，國內外許多學者對此展開了大量的基礎研究，目前主要集中于入纖耦合效率方面，而對接收視場角的關注較少。

入纖耦合效率是決定入纖接收饋源的效率和靈敏度的關鍵參數，直接決定了饋源的可行性，因而從最早的入纖饋源研究開始，就一直受到人們的重視。1988年，美國Arizona大學的S.Shaklan等人對用于恒星探測的入纖饋源進行研究發現：將單模光纖放置于大孔徑望遠鏡的焦平面中心時，入纖耦合效率在理論上最大可達到近80%(即-1 dB)，其損耗是由望遠鏡焦平面處的場和光纖端面的場不匹配而導致的[15]。1998年， P.J. Winzer等人將入纖饋源引入激光雷達中，發現隨機光信號耦合進入單模光纖的最大效率僅為42%(即-3.8 dB)[16]。為了進一步提高入纖耦合效率，增大饋源的可行性，相干光纖束、少數模光纖、光子晶體光纖等也相繼被用于入纖接收饋源中。

近年來，隨著空間光通信和激光探測系統對大視場角的需求，人們開始研究如何在兼顧入纖耦合效率的情況下增大視場角。O.Guyon提出了一種增大接收視場角的方法：將大孔徑的光學系統分成n 個分別耦合入纖的小孔徑子系統(如圖8所示)，即減小前述立體角Ω≈λ2 /A中的A以增大視場角[17]。這種結構本質上仍類似于前面所述的角度分集技術，在不損失耦合效率的情況下確實增大了視場角，但是由于子系統的接收視場角仍然過小，要實現廣角接收所需要子系統的數目過多，實現起來十分困難。

根據公式(1)，由于光纖的芯徑和數值孔徑都很小(典型單模光纖的芯徑為6 μm～10 μm，數值孔徑為0.1～0.2)，即a'、θ'都很小，為提高接收靈敏度，需要增大接收孔徑a 以提高光學增益，從而導致接收視場角θ極小。這也說明，如果僅僅是增加入纖過程，而前面的集光系統仍然采用傳統的光學系統設計，入纖饋源將無法大幅度增加其接收視場角。因此，要發揮入纖饋源廣角接收的潛在優勢，應當在前面的耦合部分下功夫，比如引入一些新的物理效應或器件。

3 空間光廣角接收饋源的應用前景

空間光通信廣角接收饋源將有力促進現有空間光通信技術的發展。接收靈敏度的提高，將有助于提高有效通信距離；而視場角的增大將加快通信系統中發射機和接收機的對準、跟蹤過程，接收機也將可能實現同時與多個發射機之間的通信。對空間光的廣角接收，將有可能克服光的強方向性束縛，使光波像射頻一樣實現個人移動通信。

此外，空間光廣角接收饋源在雙(多)基地激光雷達和激光告警等目標探測系統中也有廣泛的應用。在這類系統中，到達光接收機的空間光信號往往非常微弱，而且信號光的入射方向常常是無法預知的[18]。高靈敏度的廣角接收饋源則可無掃描式接收空間光信號，從而適應對快速運動目標的有效探測，并實現對多個目標的同時跟蹤探測。

總之，空間光廣角接收饋源是一個很有潛力的發展方向，對民用和軍用相關的通信和探測技術發展都將產生不可估量的影響，值得大力加強這方面的研究。

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收稿日期：2007-09-28

李光元，區域光纖通信網與新型光通信系統國家重點實驗室(北京大學)在讀博士研究生。主要研究方向為廣角接收饋源、新型光波導器件等。

徐安士，北京大學教授、博士生導師，區域光纖通信網與新型光通信系統國家重點實驗室(北京大學)主任、光子與通信技術研究所所長、信息科學技術學院學術委員會和學位委員會委員、電子學系主任。現擔任國家自然科學基金委第三屆信息科學專家咨詢委員會委員、中國電子學會理事、中國電子學會通信學分會第八屆委員會副主任委員、中國電子學會通信學分會光通信專家委員會副主任委員、歐美同學會美國分會理事、第六屆中國光學學會光電技術專業委員會常務委員、北京通信學會理事、國家信息產業部通信科學技術委員會電信傳輸專家咨詢組成員、中國電子科技大學寬帶光纖傳輸與通信系統技術教育部重點實驗室學術委員會主任委員、北京通信信息協會理事、北京通信信息協會光電與光通信專業委員會副主任委員、北方交通大學全光網絡與現代通信網教育部重點實驗室學術委員會委員、北京郵電大學光通信與光波技術教育部重點實驗室學術委員會委員。主要研究方向為光通信網絡、大容量超長距離WDM光纖通信系統和光信號處理。