摘要: 空间激光到单模光纤的耦合技术是自由空间光通信的关键技术，但高效率的耦合总是十分困难，其主要原因是单模光纤纤芯尺寸小，聚焦的光斑很难与单模光纤精确对准，同时空间激光的传输质量容易受大气湍流影响，导致光束产生波前相位畸变，如何提高耦合... 展开 空间激光到单模光纤的耦合技术是自由空间光通信的关键技术，但高效率的耦合总是十分困难，其主要原因是单模光纤纤芯尺寸小，聚焦的光斑很难与单模光纤精确对准，同时空间激光的传输质量容易受大气湍流影响，导致光束产生波前相位畸变，如何提高耦合效率是亟待解决的问题。已有的研究多是以完全相干光为光源模型去分析耦合效率，但在实际应用中，激光器受热效应、谐振腔尺寸和自身的线宽等因素的影响发出的光存在时间及空间的扩展，所以激光器发出的光是部分相干光源。本文以部分相干光为光源模型，在大气湍流信道的情况下，对部分相干光与单模光纤的耦合效率进行了研究，具体工作内容包括三个方面： (1)在Kolmogorov湍流谱模型下，利用部分相干光的交叉谱密度函数，推导了水平链路下部分相干光－单透镜－单模光纤耦合效率的数学模型，对部分相干光－透镜阵列－单模光纤阵列的耦合效率进行了研究。分析了光源相千度、光源波长、湍流强度、传输距离、透镜阵列的子孔径数和DlpH对耦合效率的影响，在此基础上对其耦合功率和耦合功率相对起伏方差进行了研究。 (2)基于ITU-R大气结构常数模型，在水平链路耦合的理论基础上，建立了斜程链路下部分相干光－单透镜－单模光纤耦合的理论模型，由于斜程链路的不对称性，因此从上行链路和下行链路两个方面对斜程链路部分相干光－透镜阵列－单模光纤阵列的耦合效率进行了研究。分析了光源相干度、风速、传输距离、天顶角、透镜阵列的子孔径数和DlpF耦合效率的影响，进一步对耦合功率和耦合功率相对起伏方差进行了研究。 (3)在水平和斜程链路耦合的基础上，根据不同像差的结构函数，研究了大气湍流中像差校正对部分相干光－单模光纤的耦合效率影响。分析了校正倾斜、离焦、像散、慧差像差对水平链路和斜程链路的部分相干光－单透镜－单模光纤、部分相干光－透镜阵列－单模光纤阵列耦合效率的影响。 研究结果表明，透镜阵列接收与像差校正对部分相千光的耦合效率有明显改善，以子孔径数为7的透镜阵列和校正前6阶像差为例，当两者共同作用时，在光源相于度为0.04m光源的情况下，对于水平链路，传输距离为5km时，耦合效率从27.7%提高至58.9%；对于斜程链路，传输距离为10km时，下行链路耦合效率从10.9%提高至50.7%，上行链路耦合效率从19.4%提高至56.4%。与完全相干光相比，部分相干光具有更小耦合功率相对方差，部分相干光的耦合进单模光纤的功率更为稳定。本文的研究工作为大气湍流信道情况下水平链路和斜程链路的部分相干光-单模光纤的耦合系统设计及参数优化奠定了理论基础。 收起