第1章 绪论
　　1.1 研究背景及意义
　　光信号通过自由空间传播而无须波导。无线光通信以光波为载波进行高速信息传输[1]，可以融合微波通信与光纤通信的优点，拓展光通信的应用领域[2]。
　　无线光通信系统模型如图1-1所示。它主要包括无线光通信端机、光学天线(望远镜)[1]、激光器、信号处理单元、自动跟踪瞄准 (acquisition pointing tracking，APT)系统等。发送器的光源采用激光二极管(laser diode，LD)或发光二极管(light emitting diode，LED)，接收器主要采用P型半导体-杂质-N型半导体(positive-intrinsic-negative，PIN)或雪崩二极管(avalanche photo diode，APD)。其中，空间光-光纤耦合是无线光通信系统的一个关键技术。
　　图1-1 无线光通信系统模型[1]
　　1.1.1 发射机
　　将信源产生的某种形式的信息[3](如时变的波形、数字符号等)调制到光载波上，光载波(称为光束或光场)通过天线向自由空间发射，这就是发射机。发射机包括信源编码、调制、信道编码、光信号放大，以及发射天线。
　　信道编码是在信源数据码流中加插一些冗余码元[4]，从而达到在接收端进行判错和纠错的目的。提高通信可靠性是信道编码的基本任务。信道编码的本质是增加信息传输的可靠性，但是由于加入了冗余信息而使有用的信息数据传输率降低[5]。
　　调制是信号的变换过程，依编码信号改变光载波信号的某些特征值(如振幅、频率、相位等)，并使其发生有规律(由信源信号本身的规律决定)的变化。调制是把信源搭载到便于在光信道中传输的光载波上，这样光载波就携带了信源的相关信息[6，7]。
　　调制可以分为主动调制与被动调制。如果光源和调制信号同在发射端，就是主动调制；如果光源和调制信号不在同一端，就是被动调制，也称逆向调制。控制激光器驱动电源进行调制就是直接调制；对激光器发出的波束或光场进行调制称为间接调制，也称外调制。
　　如果通信距离要求较远，激光器直接输出的光功率不足，可以采用光放大器对光信号进行放大。光放大器有半导体光放大器和光纤放大器。
　　发射天线有多天线发射/多天线接收、单个天线发射/多天线接收等。多(单)天线发射/多(单)天线接收可以抑制大气湍流的影响[8]。
　　1.1.2 接收机
　　接收机包括光信号收集天线、空间光-光纤耦合单元、前置放大器、检测器、解调器等[8，9]。
　　接收天线把发射机发送的光信号收集起来，空间光-光纤耦合将接收机收集的光信号耦合进光纤，由光电探测器实现光电转换。光信号耦合进光纤的过程中会有能量损失。
　　有时耦合进光纤的信号会非常微弱，因此需要采用前置光放大器对其进行预先放大，再进行光电转换。这个放大器就是前置放大器。
　　信号检测有探测器直接检测、空间光-光纤耦合检测、分布式检测，以及相干检测。光检测器直接接收天线汇集光信号的检测方式称为直接探测。将空间光耦合进光纤中，由光电检测器检测光纤中的信号，这就是空间光-光纤耦合检测。由于光纤端面小，光电转换器感光面积小，需要的光信号强度也小，因此空间光-光纤耦合检测的速率高、检测灵敏度也高。相干探测是信号光与本振光在混频器中进行混频，将信号光放大，一般具有20～23dB的增益[4]。本书主要讨论无线光通信系统中的空间光-光纤耦合技术。
　　1.1.3 光学天线
　　无线光通信系统的主光学天线一般为望远系统[10]，主要有牛顿系统、开普勒系统和卡塞格林系统等。其中，双反射式卡塞格林系统常用于无线光通信光学系统[11，12]，它没有色差且很容易实现大口径接收。折射式光学系统通常适用于可见光和近红外波段的无线光通信。反射系统适用于全波段。
　　反射式光学系统如图1-2所示。反射式光学系统可以具有多个焦点，因此可以产生多个不同的相对孔径、视场角，以及焦距。常用的反射式光学系统有牛顿反射光学系统、格雷戈里系统和卡塞格林系统等。牛顿光学系统相对孔径较大，常用于口径较大的光学系统，但是制作成本高，对于偏轴光线存在彗差。格雷戈里系统可以同时消除球差和色差，但是制作工艺要求高，实际应用不多。卡塞格林光学系统有传统卡塞格林光学系统、达 -客光学天线系统、施密特光学天线和Ritchey-Chretien光学天线几种形式。其特点包括，消色差、焦距长，使用波谱范围宽；采用非球面透镜以后，消像差能力强；光学结构简单，成像优良的优点，在无线光通信系统中得到广泛的应用。
　　图1-2 反射式光学系统
　　如图1-3所示，折射式光学系统前端物镜是一组胶合透镜，光线通过物镜以后在目镜之前成像，像点经过目镜放大以后被接收。折射式望远镜具有视野宽阔、高对比度和清晰度的优点，但是物镜导致折射式望远镜具有色差，而且口径越大色差越严重。同时，镜筒长度决定焦距，导致折射式望远镜体积庞大。
　　如图1-4所示，折返式光学系统将折射式光学系统的物镜与反射光学系统结合，物镜为中央凸、周边凹、形状复杂的波浪状修正透镜(修正球面主镜的球差)。折返式光学系统主要有施密特-卡塞格林天线结构、马克斯托夫-卡塞格林(记为马卡)天线结构、菲涅耳光学透镜天线结构。
　　图1-3 折射式光学系统
　　图1-4 折返式光学系统
　　施密特-卡塞格林天线结构以施密特天文观测仪为基础，施密特修正透镜修正球面像差，同时承袭卡塞格林天线结构以凸面镜作为天线系统的次级反射镜。其具有很多变形结构，如双球面镜结构、双非球面镜结构、球面镜和非球面镜组合结构等。此类天线结构制作工艺较为简单，结构紧密，便于携带。
　　马卡塞天线的典型特点是次反射镜非常小，通常是校正镜上的一个镀铝的圆斑，折反射式结构使马卡天线结构紧凑，通过较小的尺寸就可形成大口径和长焦距的透镜组系统。马卡天线作为空间光耦合系统时，可实现大口径耦合接收技术，具有较强汇聚光功率的能力；焦距长，容易满足光纤数值孔径的要求；同样的相对孔径(D/f)下，可比普通透镜系统长度减少近1/2。
　　菲涅耳光学天线基于卡塞格林天线结构，使用菲涅耳透镜替换前端的折射校正透镜。相比常规校正透镜，菲涅耳透镜具有聚焦能力强，焦距短、透镜厚度薄、重量轻等优点，其光学效率超过90%，适用于大多数小视场高增益的光学系统前端。三种光学系统结构对比如表1-1所示。
　　表1-1 折射式、反射式和折返式光学系统结构对比
　　1.1.4 空间光-光纤耦合的优点
　　空间光-光纤耦合接收技术已成为无线光通信系统的关键研究技术。从接收角度来看，它是一种把光信号耦合进光纤中，然后在光纤末端进行光学放大、光电探测等过程的接收方法。将信号光耦合进光纤再进行探测，可以为无线光通信系统带来如下便利 [13]。
　　(1)光纤纤芯截面小，可利用感光面积小的探测器进行光电转换。探测器结间电容会随着感光面积的减小而减小，理论上可获得较高的响应速率。
　　(2)可在光纤中对信号光束特性进行控制[14，15]。例如，利用掺铒光纤放大器 (erbium-doped fiber amplifier，EDFA)、半导体光放大器等器件放大信号光束的光功率；利用光纤偏振控制器控制信号光束的偏振特性。
　　(3)促进无线光通信系统模块化，提高系统互换性[16，17]。一般情况下，无线光通信系统光电探转换过程在主天线焦点处进行，需要经过严格的光学校准。如果光电探测器发生故障，需要在更换器件后对整个接收光路重新调校。采用空间光-光纤耦合技术的无线光通信系统则可以规避此类问题。
　　1.2 无线光通信技术发展现状
　　由于大气湍流对无线光通信影响严重，20世纪70年代，无线光通信发展一度停滞不前[18]。随着激光器技术和探测技术的不断进步，从20世纪80年代起[18]，各国又开始无线光通信的研究。
　　1.2.1 国外发展现状
　　1880年，Bell发明了“光电话”。这被认为是现代无线光通信的开端。STRV-2[19](space technology research vehicle 2)实验计划终端是由美国战略导弹防御组织(Ballistic Missile Defense Organization，BMDO)资助，Aslro Terra公司设计研制的，于1998年底发射升空的星 -地无线光通信平台。设计要求以155 Mbps (bits-per-second，位每秒)的星-地码率下传其存储的数据，并以155～1240Mbps的码率重新下传上行的数据。OCD[20](optical communication demonstrator，激光通信演示系统)是由美国国家航空航天局(National Aeronautics and Space Administration，NASA)和喷气推进实验室(Jet Propulsion Laboratory，JPL)联合设计的实验平台，于1998年5月底进行地面实验，1999年开始进行空-地实验，2002年在国际空间站进行实验演示。其目标是建立从国际空间站到地面吉比特每秒量级的激光通信下行链路，并使无线光通信设备小型化、轻型化、高码率、低成本。在OCD平台研制期间，NASA和JPL联合开展了近地45km光链路的实验研究[21]，在加州Strawberry Peak发射840nm激光信号，同时接收另一端发射的780nm的激光信号。另一端是位于JPL的0.6m孔径望远镜。该实验主要用于判定每一端测量得到的平均接收功率的衰落是否在链路分析预测的不确定范围以内。
　　LLCD[22，23](Lunar Laser Communication Demonstration，月球激光通信演示平台)是NASA研制的月球-地球的无线光通信演示平台，2013年10月成功实现月球到地面下行速率为622 Mbps、上行速率为20 Mbps的光通信链路的建立。这也是目前昀长的光学通信链路(400000km)，通信速率是传统射频链路的6倍。
　　SILEX[24-28] (semiconductor inter-satellite link experiment，半导体激光星间链路实验)是由欧洲航天局 (European Space Agency，ESA)主持展开的。它是TEMIS卫星与SPOT4卫星轨道间激光通信链路综合技术研究和系统实验项目，是欧洲昀具代表性的无线光通信系统。其目的是演示空间轨道上的激光通信，然后传送SPOT4卫星的地球观测数据至TEMIS卫星，TEMIS再将数据通过Ka波段通道传送至地面。其通信距离为45000km、SPOT4到TEMIS通信速率为50Mbps、TEMIS到SPOT4通信速率为 2Mbps。
　　OICETS[29-31](optical inter-orbit communication engineering test satellite，轨道间光通信工程实验测试卫星)是由日本国家空间发展署(National Space Development Agency of Japan，NASDA)研制的，用来验证空间激光通信链路技术的实验卫星。其与ESA的SILEX项目合作，进行星间光链路实验。2006年5月又与日本情报通信研究机构地面站成功地实现了星-地激光通信实验，OICETS搭载的激光通信终端通信速率为49.3Mbps，通信距离为600～1500km。
　　2000年，朗讯公司和AstroTerra公司[32]成功实现1550nm4波长、波分复用为10Gbps、传输距离为4.4km的无线光通信系统。朗讯公司采用的光纤放大器可以在200m内实现20～160Gbps的数据通信。Terabeam[32]公司在2000年悉尼奥运会上使用无线光通信设备进行图像传送，在

目录
前言
第1章 绪论 1
1.1 研究背景及意义 1
1.1.1 发射机 1
1.1.2 接收机 2
1.1.3 光学天线 2
1.1.4 空间光-光纤耦合的优点 4
1.2 无线光通信技术发展现状 5
1.2.1 国外发展现状 5
1.2.2 国内发展现状 6
1.3 空间光-光纤耦合技术 7
1.3.1 国外研究进展 7
1.3.2 国内研究进展 10
1.4 空间光-光纤耦合 16
1.4.1 光学模式 17
1.4.2 厄米 -高斯光束 17
1.4.3 拉盖尔-高斯光束 19
1.4.4 空间光-光纤耦合 19
参考文献 23
第2章 光纤模式理论 31
2.1 光纤 31
2.1.1 基本结构 31
2.1.2 倒抛物线型光纤 32
2.2 模式理论 33
2.2.1 波动方程 34
2.2.2 波动方程的解 35
2.3 光纤中光波传播的模式 39
2.3.1 矢量模式 39
2.3.2 标量模式的解 46
2.3.3 归一化工作频率 48
2.3.4 高斯模的耦合效率 49
2.4 模式有效折射率 51
2.4.1 矢量模式的有效折射率 51
2.4.2 模式间的有效折射率差 53
2.4.3 色散特性 53
2.4.4 非线性效应 55
参考文献 58
第3章 理想条件下透镜-单模光纤耦合 60
3.1 平面波耦合 60
3.1.1 耦合效率的几何光学分析 61
3.1.2 耦合效率的模场分析 62
3.1.3 透镜端面上的耦合效率 65
3.2 装配误差引起的耦合效率衰落 66
3.2.1 径向误差 67
3.2.2 轴向误差 67
3.2.3 轴倾斜误差 69
3.3 自适应光学系统误差 71
3.3.1 标定误差 71
3.3.2 拟合误差 72
3.3.3 测量噪声误差 72
3.3.4 带宽误差 74
3.4 非共光路像差 74
3.4.1 非共光路像差校准研究现状 75
3.4.2 非共光路像差的产生 75
3.4.3 非共光路像差的折算 76
3.5 高斯光束耦合 77
3.5.1 耦合效率 77
3.5.2 人工消除非共光路像差实验 78
3.5.3 自动消除非共光路像差实验 80
参考文献 81
第4章 弱湍流大气中空间平面波-透镜-单模光纤耦合 84
4.1 大气湍流中光场分布及折射率功率谱 84
4.1.1 大气湍流中的光场分布的Born解 84
4.1.2 光在大气湍流中的光场分布Rytov解 86
4.1.3 折射率功率谱模型 90
4.2 大气湍流中透镜耦合 93
4.2.1 Kolmogorov湍流谱下的耦合效率模型 93
4.2.2 von Karman湍流谱下的耦合效率模型 95
4.2.3 Kolmogorov和von Karman湍流谱下的耦合效率对比 96
4.2.4 von Karman湍流谱下斜程传输时的耦合效率 99
4.3 大气湍流中透镜耦合光功率相对起伏方差 100
4.3.1 大气湍流中透镜-单模光纤耦合功率相对起伏方差 100
4.3.2 实验研究 103
4.3.3 耦合效率及耦合功率抖动方差对无线光通信系统误码率的影响 106
4.4 大气湍流中透镜阵列的空间光耦合 107
4.4.1 耦合效率 108
4.4.2 耦合实验 111
参考文献 113
第5章 光纤耦合自动对准系统 115
5.1 自动对准系统 115
5.1.1 自动对准系统原理 115
5.1.2 自动对准系统组成 116
5.1.3 压电陶瓷 117
5.2 控制算法基本原理 117
5.2.1 模拟退火算法基本原理 117
5.2.2 模拟退火算法的流程 117
5.2.3 模拟退火算法特点 119
5.2.4 随机并行梯度下降算法 120
5.2.5 随机并行梯度下降算法不同参数仿真 122
5.3 对准误差对空间光-光纤耦合效率的影响 124
5.3.1 对准误差与耦合效率 124
5.3.2 径向误差、轴倾斜误差、轴向误差 127
5.4 二维自动对准实验 129
5.4.1 压电陶瓷与光纤固定方式 129
5.4.2 二维对准实验 129
5.5 五维自动对准实验 132
5.5.1 压电陶瓷组合及与光纤固定方式 132
5.5.2 实验结果分析 134
参考文献 137
第6章 模式转换法 139
6.1 模式转换的研究现状 139
6.2 模式转换基础理论 140
6.3 空间相位调制模式转换 143
6.3.1 模式转换系统模型 143
6.3.2 高阶模到 LP01模式的转换 145
6.3.3 转换效率分析 146
6.4 模式转换的改进 148
6.4.1 基于模拟退火算法的模式转换 148
6.4.2 模式转换效果比较 151
6.5 实验研究 153
6.5.1 模式转换实验 153
6.5.2 耦合效率实验 156
参考文献 158
第7章 自适应光学波前校正 160
7.1 引言 160
7.2 系统组成 160
7.2.1 Zernike多项式 161
7.2.2 波前畸变对耦合效率影响 163
7.2.3 桶中功率 164
7.2.4 斯特列尔比 165
7.2.5 波前传感器 166
7.2.6 变形镜 169
7.3 仿真分析与实验研究 174
7.3.1 仿真分析 174
7.3.2 实验研究 175
参考文献 183