大氣對激光通信耦合效率影響因素研究

孟楷 孟冬 張棟 李衛森 李勇 王慧娟

摘 要：激光通信技術以其具有體積小，重量輕，功耗低，通信速率高，組網方便，保密性好等一些列優點而備受關注。伴隨著技術的進步，動態高精度跟蹤等關鍵技術已經被突破，下一步激光通信技術又開始朝向高速率，遠距離的方向發展，使得其優勢進一步被發揮。為了把光纖通信中波分復用，前置光放大，全光網絡，分集接收等較成熟的技術引入，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，不易對準，而且空間光受大氣等因素影響耦合入光纖的效率更低。文章針對大氣環境中激光通信接收技術中的空間光耦合入光纖技術進行研究，并給出相應結論。

關鍵詞：大氣激光通信；大氣湍流；空間光耦合

中圖分類號：TN911 文獻標志碼：A 文章編號：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

大氣激光通信技術在融合光纖通信的成熟技術的同時，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，容易受對準偏差、振動、大氣等因素影響，耦合效率很低。盡量采用大芯徑的光纖，但高速光電探測器件探測面的直徑一般在100um以下，很難合適匹配，所以要在芯徑和探測面積上進行優化選擇。同時耦合入光纖后方便實現光學平臺的輕小型化，也引入了線繞力矩，通信線路的高頻干擾等問題，所有亟需評估解決大氣激光耦合入光纖的損耗問題，來進一步優化大氣激光接收技術，從而實現高效和高速的激光通信。

2 光纖耦合理論

理想情況下，在接收孔徑處的遠場高斯光可以近似為平面波。光學系統接收到遠場高斯光后經過匯聚，在后焦面處形成艾里斑，其電場分布是接收孔徑處入射光電場分布的傅里葉變換。

假設入瞳和接收孔徑重合，如圖1，在焦面b處的電場分布為：

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，k為光波的波數，f為光學系統焦距。

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

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與光纖端面處的光斑模場取相關運算。

假設平面波入射時，可以得到：

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

3 大氣對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，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。同時還要考慮對準偏差，斷面菲涅爾反射，大氣等因素對耦合的影響。

由于大氣湍流等因素影響，接收孔徑處的光波波前發生畸變，使光斑中心產生光斑擴散，光束漂移等現象，在強湍流條件下，甚至產生光斑空洞和破碎等現象。大氣的散斑效應會引起光斑光強分布變化，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過大氣后的激光光斑。

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構常數與海拔高度的關系：

當高度高于1000米時，光纖的耦合效率幾乎不變，因為高于1000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構常數與耦合效率的關系。

如圖8，可以得到不同湍流強度下傳輸距離與耦合效率的關系。

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

4 結束語

本文分析了高速大氣激光通信接收技術中的激光耦合入光纖關鍵技術，在光纖耦合理論的基礎上，分析了不同情況下，大氣湍流等因素對激光光耦合入光纖的影響，得出相應仿真結果，為大氣激光通信的器件選型和新機理的采用和大氣條件下激光通信的實現提供仿真基礎和分析結果。

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