微角錐棱鏡陣列在逆向調制激光通信中的應用

陳少欽，楊國偉，畢美華，李長盈，李 晶，李 娜，耿虎軍

(1.杭州電子科技大學 通信工程學院，浙江 杭州 310018； 2.中國電子科技集團公司航天信息應用技術重點實驗室，河北 石家莊050081)

0 引言

傳統的FSO系統鏈路兩端需要裝載激光發射/接收系統和復雜的跟蹤捕獲(ATP)系統，具有較高速率、安全性高，無需鏈路許可證等優勢。但傳統FSO系統的重量、體積和功耗等是限制FSO技術發展的重要因素[1-2]。MRR FSO系統是將傳統FSO系統中的一個終端替換成MRR端構成的非對稱FSO系統，免去了FSO鏈路中一個終端激光發射器和ATP系統，并具備雙工模式[3]。其中，MRR模塊通常由光調制器和無源逆向反射器2部分組成。光調制器經過多年的發展，目前，主要有基于液晶光開關(LC)、微機電系統(MEMS)、多量子肼(MQW)和壓電陶瓷(PZT)的光調制器[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]，由低功耗的光調制器和相應逆向反射器構成的MRR FSO系統充分利用MRR的逆向反射特性，使得MRR端具有無需激光器和復雜的ATP系統、尺寸小、功耗低及結構穩定等優點。

到目前為止的大量工作驗證了MRR FSO系統在多種應用環境中的可行性和穩定性，更加明確了MRR FSO系統的廣泛應用前景[7-8]。但對于自由空間光通信而言，光束在大氣中傳輸時易受到大氣湍流的影響[9-10]，大氣湍流效應導致傳輸光束波前隨機起伏，造成光斑漂移、強度閃爍，大氣湍流效應導致MRR FSO系統鏈路性能惡化，嚴重地影響通信系統的穩定性和可靠性[11-12]。為了提升通信鏈路信號傳輸質量，加大傳輸距離，采用微角錐棱鏡陣列(MCCRAs)來代替MRR FSO系統中的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償效果，可以較好地抵抗大氣湍流效應對通信鏈路的影響。

重點研究工作是將單個大尺寸反射器(角錐棱鏡)和多個微型尺寸反射器組成的反射器(微角錐棱鏡陣列)應用在MRR FSO系統中，通過仿真分析和實驗對比，研究了在減弱大氣湍流對FSO通信性能和質量造成影響的情況下MCCRAs的作用。通過將微角錐棱鏡陣列應用在MRR FSO系統的實驗結果，為最終實現星地間MRR FSO通信做好前期技術準備。

1 MCCRAs的工作原理

1. 1 角錐棱鏡的基本光學原理

CCR器件的基本構造原理和光學特性已經被廣泛研究[14]，同時關于它的反射特性已經建立了一些幾何模型[15]。如圖1所示，一個CCR由3個互相垂直的反射平面組成，進入CCR底面的入射光線依次經過3個垂直平面的反射后以相反于入射光線的方向射出。正是因為CCR的這一特性，該器件被廣泛用作MRR FSO系統的MRR端無源反射光器件。

圖1 CCR的內部光線軌跡

1. 2 微角反射器陣列的波前補償原理

正如文獻[16]所述一系列CCR晶胞組成了MCCRAs，不同類型的CCR晶胞可以構成不同的MCCRAs。由完全相同的角反射器晶胞規律排布在z=0的平面上構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，這種誤差會導致出射光線的相移和強度誤差。MCCRAs的波前補償效果如圖2所示。

圖2 MCCRAs的波前補償效果

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，這個過程補償了之前的傾斜誤差。這個平衡效果在一些光學畸變十分嚴重的特定場合十分有效，如大氣湍流或者玻璃介質中。為簡單起見，考慮一致性陣列，假設入射光線進入畸變介質之前是平面波，所以相應的表達式為：

Eix，y=Ax，y{expiωt-kz+c.c.}，

(1)

式中，Ax，y代表光線的幅度；ω為信號頻率；k=2π/λ為波數；c.c.為共軛復數。可以得到經過畸變介質的光線表達式為：

(2)

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

ωt-kz+c.c.}。

(3)

如果場幅度在橫向和縱向上沒有變化，即意味著dA/dx=dA/dy=0，并且假設相位損失函數φx，y是奇對稱的，式(3)可以變為入射相位共軛光束的后向光束表達式：

Erx，y={expi(-φx，y+ωt-kz)+c.c.}。

(4)

當后向光束再次經過畸變介質，

(5)

可以消除由失真介質引起的增量相位。

由于實際制作的MCCRAs在加工過程中存在著面形誤差和二面角誤差[ 17]，導致入射進CCR晶胞的光束會被角錐棱鏡部分反射。一部分光束僅僅經過1次或2次反射，在進行第3次反射時已經被反射出角錐棱鏡，這部分光并不會成為反射回收發機端的光束，所以存在一定的能量損耗。在下面的仿真與實驗過程中，采用由三角形的CCR晶胞構成的MCCRAs，經電子顯微鏡觀察，如圖3所示，在MCCRAs中，每個三角形晶胞的間距為100 μm。

圖3 三角形的CCR晶胞構成的MCCRAs

2 湍流模型與實驗環境

2. 1 湍流模型

光波在大氣湍流中傳輸時，受大氣隨機浮動影響導致折射率的隨機變化，實驗中的大氣湍流的強度由折射率結構參數來衡量，該參數可以使用溫度結構參數和大氣壓P來描述[18]：

(6)

式中，P為標準大氣壓強；T為開爾文溫度。溫度結構參數與溫度的變化程度相關，

(7)

(8)

2. 2 實驗環境

圖4(a)顯示了實驗FSO鏈路示意圖，整個光路過程為FPGA產生一組信息碼元，將信息加載在635 nm的激光器發送出去，經湍流信道模擬箱，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器，最后光探測器將光信號轉化為電信號經FPGA處理，計算誤碼率等相關參數。其中，湍流信號模擬箱長7 m，寬度和高度均為50 cm，在箱體兩端分別放置一個暖風機，每隔固定距離設置通風口，構建湍流環境。湍流模擬箱的實物圖如圖4(b)所示。其他一些關鍵器件的參數如表1所示。

(a) 大氣湍流模擬箱系統結構

(b) 實際實驗環境圖4 FSO實驗環境

表1 實驗器件的關鍵性參數

由于實驗室內實驗環境的限制，實驗采集了3組不同湍流強度下的溫度數值，如表2所示，根據式(6)、式(7)和式(8)，分別計算出相應的湍流強度。

表2 湍流信道模擬箱溫度測量

3 實驗結果分析

首先，在不加載調制信號的情況下，觀測經由CCR和MCCRAs反射回收發機端的光斑變化。如圖5所示，在沒有湍流的情況下，可以看到經CCR和MCCRAs反射回的光斑幾乎沒有差別，經MCCRAs返回的光斑，由于激光入射至晶胞之間的空縫產生的衍射現象和MCCRAs本身存在的一些加工誤差導致反射回的能量有一定的損耗，中心圓光斑周圍會產生一圈較為模糊的光斑存在。當在湍流環境下觀測經2種反射器件發射回的光斑時，可以看到2個光斑有了較為明顯的光斑。經由CCR返回的光斑呈不規則形狀，而且有隨機抖動的特點；但由MCCRAs返回的光斑其中心部分穩定并保持圓形，而且光斑固定，不存在大幅度抖動的情況。通過有無湍流環境下光斑的變化，可以得出MCCRAs有較為明顯的光波補償性能，經由MCCRAs反射回的光斑可以保持一個穩定的狀態。

(a)經CCR反射，無湍流情況下

(b) 經MCCRAs反射，無湍流情況下

(c) 經CCR反射，有湍流情況下

(d) 經MCCRAs反射，有湍流情況下

然后，在發射光束上加載了20 kHz的信號，并引入不同程度的噪聲，其不同湍流強度的下BER曲線如圖6所示，橫坐標為信噪比SNR。從圖中可以看到，在SNR超過20時，使用CCR做反射器件的MRR FSO系統的誤碼率出現劇烈變化，誤碼率有逐漸增大的趨勢。而使用MCCRAs作為反射器件的MRR FSO系統的性能較為穩定，BER曲線保持一致，從通信性能參數方面驗證了MCCRAs相對于CCR的抵抗大氣湍流效應的能力。

圖6 不同湍流環境下2種反射器件的BER曲線

4 結束語

首先在理論上介紹了微角錐棱鏡陣列MCCRAs的基本構造，通過以往成果中的公式推導指出了MCCRAs的波前相位補償原理，然后在室內搭建了模擬大氣湍流環境的實驗箱，建立了一套相對完整的MRR FSO系統來驗證MCCRAs在實際應用中的補償性能。在室內模擬的弱湍流環境下，觀察經過模擬大氣湍流環境下的光斑抖動程度和強度變化，從現象上驗證了MCCRAs的偽相位共軛特性；在傳輸信號上加載SNR噪聲，比較不同程度SNR噪聲下誤碼率數值的變化，證明了將MCCRAs作為MRR FSO系統反射器件在抵抗大氣湍流效應、增強鏈路穩定性上的作用，驗證了其應用在未來長距離星地激光通信的可行性。