1、空间光通信广角接收馈源研究进展 摘要：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
2、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。 关键词：空间光通信；广角接收馈源；耦合入纤接收 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 op
3、tical 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 fibers numerical aperture is usually small. Wide FOV receiver feeders for optical
4、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 conventiona
5、l 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 recei
6、ver 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 co
7、mmunication; wide FOV receiver feeder; fiber-based feeder 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
8、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
9、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
10、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，、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： na sinmax =nasinmax(1) 由于出瞳的孔径和视场角均有限，为尽可能增加收集到的信号光能量，需要增大光学系统的入瞳孔径。而根据公式(1)，增大入瞳孔径将
11、减小系统的接收视场角，并且也会带来更多的背景噪声。 目前大多数直接接收馈源采用的都是成像光学系统，然而对于光强度检测的直接接收方式而言，关心的重点是收集到尽可能多的光子，而成像质量的好坏却并不重要。近年来发展起来的非成像光学则更好地兼顾了孔径和视场角，在遵守物理守恒定律条件下可以取得聚光比(a /a)的理论最大值，并且能对光的波前进行控制2。因此，非成像光学系统逐渐被应用于直接接收馈源中，并作为减轻大气扰动影响的一种有效方法3。 (2)窄带滤波器对视场角的限制 不论是采用成像光学系统还是非成像光学系统，为了减小杂散光的噪声干扰，提高系统信噪比，必须减小视场角或使用窄带光谱滤波器。 目前常用的窄
12、带光谱滤波器有两种：干涉型滤波器(包括多层薄膜滤波器、声光滤波器、FP滤波器等)和原子滤波器。尽管原子滤波器的带宽极窄(可达到0.001 nm)，但透过率很低(一般低于50%)、响应时间长(一般大于微秒量级)4。因此目前最常用的还是干涉型滤波器(带宽一般为纳米或亚纳米量级，透过率可达近90%)。然而，这种滤波器的传输特性对入射角度十分敏感。如图3所示，随着入射角的增加，滤波器的中心波长和通带范围均向短波长方向移动，发生“蓝移”5。这一特性将极大地限制接收视场角。 综上所述，在直接接收馈源中，由于光学系统的通光孔径与视场角之间、窄带光谱滤波技术与大视场接收之间存在不可克服的矛盾，高灵敏度必然导致
13、系统的接收视场角很小。 1.2 光外差/差拍接收馈源 光外差/差拍接收通过将微弱信号光与较强的本地光混频/差拍产生用于光电转换的中频/拍信号，因此又被称为相干接收，接收机构成如图4所示。外差/差拍接收可得到比直接接收高78个数量级的接收灵敏度，接近量子极限6。 然而，为了使外差/差拍效率最大化，本振光与信号光必须具有高度的单色性和频率稳定性，另外还要满足空间相干性条件：两束光具有相同的偏振态、径向强度分布尽量相似、波前曲率相等、两束光之间的空间位移很小、角误差很小等7。这些要求使相干接收馈源的实现十分复杂和困难，其中对空间相干性的苛刻要求极大地限制了馈源的视场角。A.E. Siegman最早提
14、出：相干激光雷达的接收视场应该限制在立体角2 /A范围内(其中为接收信号光的波长，A为入射光瞳的面积)，超过该限制条件，将无法进行相干接收8。这个对接收视场角的限制对相干空间光通信同样有效。为减小对视场角的严格限制，A.W. Field提出了改变系统结构和采用检测器阵列的方法9，但并没有从根本上解决相干接收视场角小的问题。 1.3 接收馈源视场角的扩展方法 不论是直接接收还是外差/差拍接收，馈源本身的视场角非常小。为了实现广角接收，人们采用了增加扫描系统、采用非扫描方式的多元检测器阵列等多种方法来扩展接收机的视场角10-11： 电光、声光扫描方式：采用电光效应或声光效应可以实现无惯性扫描，扫描
15、速度快、效率高，但是扫描视场角小，要保证扫描的均匀性有一定困难。 光栅扫描方式：采用全息光栅的一维转动来实现二维扫描，减少了机械运动，扫描视场大、效率高、惯性小，但由于其衍射效率低影响了扫描系统的透过效率。 光机扫描方式：这种技术已经非常成熟，且为大多数扫描系统所采用。通过转动平面反射镜、反射镜鼓或折射棱镜，或转动整个镜组，使接收馈源可以依次接收来自不同空间方向的辐射。但由于机械惯性，光机扫描方式的扫描效率低，不适合大角度的快速扫描。 多元检测器阵列：它将多个单元检测器排成阵列放在成像光学系统的焦平面上，如CCD阵列或光电二极管阵列。每个单元检测器面积并不增大，只对应于一小部分视场，由多元阵列
16、合成一个较大的视场。尽管一些学者将它视为非扫描方案，但它本质上仍然是扫描的，只不过是焦平面检测器阵列的电子扫描罢了。而且这种方法的总视场角仍将主要受前面接收馈源(光学系统和窄带滤波器)的限制。 角度分集技术：由于单个接收机的视场角较小，为了覆盖一个很大的接收空域，角度分集技术采用多个这样的接收机按照一定的朝向组成阵列，每个接收机接收来自不同的方向的信号光，分别检测，并行工作，如图5所示(不同颜色的角度锥代表各个接收机的视场)。角度分集技术不需要任何扫描机制，可以同时覆盖多个目标，适用于多点通信或多目标探测，但是其主要缺点是实现起来比较复杂。 不论哪种扫描方式，它只能依次扫描各个方向，终归要受到
17、扫描速度的限制；若采用多元检测器阵列，则总的视场角仍受到光学系统和窄带滤波技术的限制，并且CCD阵列还受到带宽限制(一般小于10 MHz)。因此，这些扩展接收视场角的扫描方法均无法对广域空间中(特别是太空中)未知方位的通信发射端实现快速而有效的捕获。 而角度分集技术则通过多个接收机并行工作，没有任何扫描速度限制，可快速实现通信端之间的对准和跟踪，并可同时连接多个方向的发射端。但是，在单个接收机的视场角较小的情况下，为了覆盖一个很大的空域，需要许多个这样的小接收机，系统结构将过于复杂。 2 空间光信号耦合入纤接收馈源 2.1 潜在优势 光纤作为空间光接收馈源的组成部分，最早应用于天文中的恒星探测
18、，随后被广泛用于激光雷达、光无线通信等探测和通信系统中，主要还只是起引导光传输的作用。随着光纤通信的发展，其中许多成熟技术，如光纤光栅滤波技术、光放大技术等，不断地被应用于空间光入纤接收馈源中。 R.J. De Young等将光纤布拉格光栅(FBG)滤波器引入了激光雷达的接收馈源(如图6所示)，发现可极大地降低背景噪声的影响，使激光雷达在白天也能取得良好性能12。这种滤波器的通带范围(FWHM)可达几十皮米，比干涉滤波器(其FWHM一般为纳米量级)要窄100倍左右；最大反射率可达91%以上(干涉滤波器的透过率一般小于90%)，并且易于与光纤连接。 与光纤通信接收系统类似，在空间光接收系统中也可
19、采用掺铒光纤放大器作为前置放大器来提高接收灵敏度，如图7所示。Zhang等人报道了一种高增益低噪声的级联光学前置放大器，它应用于中红外波段的光无线连接接收机中，能将接收到的微弱光信号(如低达-53 dBm的光信号)净增益8 dB13 dB，而放大的自发辐射噪声(ASE)却被过滤，因此其性能可接近量子极限13。与外差/差拍接收相比，二者的性能相近(均可达到量子接收极限)，只是这种方式的实现更容易，是今后的发展方向14。 由此可见，入纤接收馈源可望利用光纤光栅等窄带光谱滤波技术和光放大技术来提高接收性能。这种光滤波器能实现高透过率的超窄带滤波，而且置于耦合入纤之后，不会对接收馈源的视场角增加额外的
20、限制，从而能解除传统光学滤波器的角度敏感性对视场角的束缚；采用光放大技术，通过对信号光进行放大而不是通过提高光学系统的收集能力来提高信号光强度，必将减小对光学系统入瞳孔径的要求，从而有利于增大光学系统的接收视场角。因此，入纤接收馈源有望解除光学系统和传统滤波器对视场角的限制，真正实现对微弱空间光信号的非扫描式广角接收。 2.2 研究现状 由于入纤接收馈源的诸多潜在优势，国内外许多学者对此展开了大量的基础研究，目前主要集中于入纤耦合效率方面，而对接收视场角的关注较少。 入纤耦合效率是决定入纤接收馈源的效率和灵敏度的关键参数，直接决定了馈源的可行性，因而从最早的入纤馈源研究开始，就一直受到人们的重
21、视。1988年，美国Arizona大学的S.Shaklan等人对用于恒星探测的入纤馈源进行研究发现：将单模光纤放置于大孔径望远镜的焦平面中心时，入纤耦合效率在理论上最大可达到近80%(即-1 dB)，其损耗是由望远镜焦平面处的场和光纤端面的场不匹配而导致的15。1998年， P.J. Winzer等人将入纤馈源引入激光雷达中，发现随机光信号耦合进入单模光纤的最大效率仅为42%(即-3.8 dB)16。为了进一步提高入纤耦合效率，增大馈源的可行性，相干光纤束、少数模光纤、光子晶体光纤等也相继被用于入纤接收馈源中。 近年来，随着空间光通信和激光探测系统对大视场角的需求，人们开始研究如何在兼顾入纤耦
22、合效率的情况下增大视场角。O.Guyon提出了一种增大接收视场角的方法：将大孔径的光学系统分成n 个分别耦合入纤的小孔径子系统(如图8所示)，即减小前述立体角2 /A中的A以增大视场角17。这种结构本质上仍类似于前面所述的角度分集技术，在不损失耦合效率的情况下确实增大了视场角，但是由于子系统的接收视场角仍然过小，要实现广角接收所需要子系统的数目过多，实现起来十分困难。 根据公式(1)，由于光纤的芯径和数值孔径都很小(典型单模光纤的芯径为6 m10 m，数值孔径为0.10.2)，即a、都很小，为提高接收灵敏度，需要增大接收孔径a 以提高光学增益，从而导致接收视场角极小。这也说明，如果仅仅是增加入
23、纤过程，而前面的集光系统仍然采用传统的光学系统设计，入纤馈源将无法大幅度增加其接收视场角。因此，要发挥入纤馈源广角接收的潜在优势，应当在前面的耦合部分下功夫，比如引入一些新的物理效应或器件。 3 空间光广角接收馈源的应用前景 空间光通信广角接收馈源将有力促进现有空间光通信技术的发展。接收灵敏度的提高，将有助于提高有效通信距离；而视场角的增大将加快通信系统中发射机和接收机的对准、跟踪过程，接收机也将可能实现同时与多个发射机之间的通信。对空间光的广角接收，将有可能克服光的强方向性束缚，使光波像射频一样实现个人移动通信。 此外，空间光广角接收馈源在双(多)基地激光雷达和激光告警等目标探测系统中也有广
24、泛的应用。在这类系统中，到达光接收机的空间光信号往往非常微弱，而且信号光的入射方向常常是无法预知的18。高灵敏度的广角接收馈源则可无扫描式接收空间光信号，从而适应对快速运动目标的有效探测，并实现对多个目标的同时跟踪探测。 总之，空间光广角接收馈源是一个很有潜力的发展方向，对民用和军用相关的通信和探测技术发展都将产生不可估量的影响，值得大力加强这方面的研究。 4 参考文献 1 Bloom s, Korevaar e, Schuster j, et al. Understanding the performance of free-space optics J. Journal of Optica
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33、子学系主任。现担任国家自然科学基金委第三届信息科学专家咨询委员会委员、中国电子学会理事、中国电子学会通信学分会第八届委员会副主任委员、中国电子学会通信学分会光通信专家委员会副主任委员、欧美同学会美国分会理事、第六届中国光学学会光电技术专业委员会常务委员、北京通信学会理事、国家信息产业部通信科学技术委员会电信传输专家咨询组成员、中国电子科技大学宽带光纤传输与通信系统技术教育部重点实验室学术委员会主任委员、北京通信信息协会理事、北京通信信息协会光电与光通信专业委员会副主任委员、北方交通大学全光网络与现代通信网教育部重点实验室学术委员会委员、北京邮电大学光通信与光波技术教育部重点实验室学术委员会委员。主要研究方向为光通信网络、大容量超长距离WDM光纤通信系统和光信号处理。
