1 长春理工大学光电工程学院，吉林 长春 130022
2 吉林大学通信工程学院，吉林 长春 130012
因斯-高斯（IG）光束在复杂信道传输中具有较好的抗干扰能力。为此设计并搭建了基于模拟海洋湍流信道的激光通信实验平台，详细研究IG光束在海洋湍流信道下光束信号的传输及通信特性。首先实验对比研究了不同海洋湍流强度条件下，IG光束和高斯光束传输后的光强闪烁指数、质心漂移和探测器接收功率情况；其次通过调制0.5~3 MHz频率的方波信号，进一步研究两种光束传输后调制信号波形失真特性；最后进行IG光束和高斯光束的7.5 Mbit/s通信性能对比实验。实验结果表明：IG光束的闪烁指数、质心漂移、功率抖动均优于高斯光束，且随着海洋湍流强度增加，IG光束闪烁指数和质心漂移改善能力增强，功率抖动改善能力降低。在不同模拟海洋湍流中，相同频率的IG光束调制方波波形失真度整体低于高斯光束。在误码率为3.8✕10-3（前向纠错阈值）时，IG光束在不同注水高度信道、不同温度信道和不同盐度信道中的通信性能比高斯光束分别提高了0.8 dB、4 dB和2.5 dB。该实验结果可以为IG光束应用于水下激光通信提供参考。
因斯-高斯光束 海洋湍流 闪烁指数 质心漂移 功率抖动 波形失真度 光学学报
2023, 43(18): 1899916
1 长春理工大学 光电工程学院，长春30022
2 长春理工大学 空间光电技术国家与地方联合工程研究中心，长春1300
3 深圳鹏城实验室，广东深圳518052
光信号在大气湍流中发生畸变，畸变光信号经过有缺陷的光学天线和空间光混频器后，存在混频效率低及抖动的问题。针对空间输出型和单模输出型的90°空间光混频器，推导了带初级像差的90°空间光混频器模型，并研究了湍流对混频效率的影响。仿真结果表明，对于探测器靶面半径为50 μm的空间输出型混频器，像差量为0.2λ的倾斜、球差、离焦、彗差和像散分别导致混频效率下降9.8%、0.6%、0.36%、0.02%和0.01%。对于单模输出型混频器，像差量为0.2λ的倾斜、像散、离焦、彗差和球差分别导致混频效率下降14.11%、8.39%、6.35%、2.63%和1.13%。湍流强度Cn2小于6.4×10-17 m-2/3时，空间输出型比单模输出型混频器的混频效率高19%以上，在湍流强度Cn2大于6.4×10-16 m-2/3时，两者混频效率接近于0。最后设计加工了空间输出型和单模输出型90°混频器，并搭建性能测试平台。对于探测器靶面半径为50 μm的空间输出型混频器，像差量为0.2λ的倾斜、球差和离焦导致混频效率下降52%、10%和6%；对于单模输出型混频器，像差量为0.2λ的倾斜、像散和离焦导致混频效率下降65%、24%和11%，其他像差对混频效率没有影响。湍流对混频器性能影响的实验结果显示，空间输出型光混频器中频信号值的标准差为21.388，该值远低于单模输出型标准差247.442。
空间相干光通信 90°空间光混频器 波前像差 大气湍流 混频效率 Space coherent optical communication 90° space optical hybrid Wave-front aberration Atmospheric turbulence Hybrid efficiency
1 长春理工大学光电工程学院, 吉林 长春 130022
2 长春理工大学空间光电技术国家与地方联合工程研究中心, 吉林 长春 130022
为研究混频器中信号光分光比对相干零差接收机性能的影响,建模分析了90°空间光混频器的信号光分光比对接收机锁相性能和通信性能的影响。数值模拟结果表明,信号光Q路分光比k<0.5时,可提高通信性能,增加探测灵敏度;k=0.5时,环路锁相时间最短,锁频范围最大;k>0.5时,分光比存在最优值使锁相残余相位误差最小。根据分析结果设计了一种基于旋转半波片的分光比自适应调整系统,利用软件仿真研究了系统在不同分光比时的通信和锁相性能。结果表明,激光波长为1550 nm,线宽为5 kHz,通信速率为10 Gbit/s时,通过旋转半波片使Q路的分光比在0.1~0.6之间自适应调整,就能改变系统的锁相性能和探测灵敏度。当k=0.1时,探测灵敏度提高了2.56 dB;当k=0.5时,锁相支路可实现的频差锁定范围为133 MHz;当k=0.6时,锁相残余相位误差最小。仿真结果验证了该系统的可行性,同时为自适应调整分光比的90°混频器实用化提供了参考。
相干通信 零差接收机 混频器 锁相环 自适应系统 激光与光电子学进展
2020, 57(15): 150602
1 长春理工大学 光电工程学院, 吉林 长春 130022
2 长春理工大学 空间光电技术国家与地方联合工程研究中心, 吉林 长春 130022
为了进一步提高零差相干光通信系统的接收灵敏度, 对空间光混频器的信号光分光比进行了优化。根据零差相干通信系统数学模型, 推导了信号光分光比和环路相位误差、通信误码率的数学表达式, 经过计算分析可知当光混频器Q支路的信号光满足锁相环要求时, 可通过提高I支路信号光分光比来降低误码率和提高接收灵敏度。在分光比优化后光混频效率提高了53.5%, 通信探测灵敏度提高了3 dB。利用VPI软件进行建模仿真, 得到不同分光比下系统的眼图和相位噪声功率。仿真结果显示, 探测灵敏度提高了2.83 dB。最后, 搭建了零差相干光通信桌面实验系统, 研究了空间光混频器分光比和系统误码率、锁相环工作的影响规律, 当分光比由0.5减小至0.2时, 系统误码率由3.53×10-9下降至4.25×10-10, 当分光比为0.1时, 锁相环失锁, 误码率为1。实验结果基本符合理论和仿真结果, 所得分光比的影响规律和优化结果将为空间零差相干通信系统的研制提供技术参考。
零差相干光通信 光混频器 分光比 相位噪声 散粒噪声 光混频效率 homodyne coherent optical communication optical hybrid splitting ratio phase noise shot noise heterodyne efficiency
1 长春理工大学 光电工程学院, 吉林 长春 130022
2 长春理工大学 空间光电技术国家与地方联合工程研究中心, 吉林 长春 130022
研究了光学元件装调加工误差引起的光斑尺寸和光轴偏转对空间光混频器混频效率的影响。推导了高斯模型下的光混频效率表达式, 得到当光斑尺寸与靶面尺寸的比例为0.64时, 混频效率最高。在此基础上推导了光斑尺寸偏差、光轴偏转与光混频效率的表达式。并进行仿真分析, 得到光斑尺寸偏差、光轴偏转与光混频效率变化曲线。当混频效率大于10%时, 光斑尺寸偏差范围为-42~250 μm, 光轴偏转范围为203 μrad。通过计算光斑尺寸偏差和光轴偏转综合误差发现, 调整光斑尺寸偏差可以改善光轴偏转带来的混频效率恶化。进一步搭建空间光混频器影响因素实验平台, 进行了三种光斑尺寸偏差下光混频效率随光轴偏转变化的实验。实验所测曲线与仿真结果趋势一致, 受实验器件插入损耗的影响, 实验值略低于仿真值。所得影响规律为空间光混频器设计、装调和加工提供了一定参考。
光混频效率 光斑尺寸 光轴偏转 空间光混频器 heterodyne efficiency light spot size ray axis deflection space optical hybrid 红外与激光工程
2017, 46(4): 0422001
1 长春理工大学 光电工程学院，长春 130022
2 长春理工大学 空地激光通信技术国防重点学科实验室，长春 130022
对空间光混频器的90°相位差补偿的几种方法进行了比较分析，并在此基础之上提出了两种新方法.第一种方法采取旋转本振光支路的1/4波片来补偿相位差，旋转信号光支路的第一个1/2波片来调整I路与Q路分光比; 第二种方法通过旋转本振光支路的1/2波片和1/4波片到计算出来的角度来实现预定的相位差和分光比.对两种方法进行仿真分析和系统实验.采用第一种方法时，1/4波片快轴与x轴的夹角在－10°~10°变化时，相位差补偿范围为－14°~29°，分光比在0.7~1.4范围内变化; 当1/2波片的快轴与y轴的夹角在35°~55°变化时，分光比在0.47~2.1范围内变化.采用第二种方法求解出I/Q路相位差分别为80°、85°、90°、95°、100°，I/Q路分光比分别为0.5、0.75、1、1.5、2时，1/2波片的快轴和1/4波片的快轴的位置.采用这两种方法均可以简单而精确地实现设定的相位差和分光比，有利于光锁相环的相位锁定以及解调出的信号强度的提高.
自由空间光通信 相干通信 零差 光混频器 相位补偿 Free-space optical communication Coherent communications Homodyning Optical hybrid Phase compensation
1 长春理工大学空地激光通信国防重点学科实验室, 吉林 长春 130022
2 上海交通大学区域光纤通信网与新型光通信系统国家重点实验室, 上海 200240
零差相干激光通信系统具有高速率及远距离传输的特性，在星间高速激光通信骨干网中占有重要地位。分析了光学锁相环的工作原理并建立了相应的数学模型，得到了光学锁相环的开环及闭环传递函数，推导了误差传递函数，分析了环路带宽的影响因素。分析了锁相环路中的相位噪声误差，建立了误差因素、探测灵敏度以及环路带宽之间的关系。分析得到锁相环的优化带宽为1.5 MHz，测试了接收机的误码率。当通信速率为5 Gbit/s、调制方式为二进制相移键控时，得到接收机的接收灵敏度为-41.4 dBm，误码率为10-7。
光通信 误差传递函数 相位噪声 接收灵敏度
1 长春理工大学空间光电技术研究所, 吉林 长春 130022
2 长春理工大学空地激光通信技术国防重点学科实验室, 吉林 长春 130022
3 长春理工大学光电工程学院, 吉林 长春 130022
90°混频器对空间相干激光通信中实现高灵敏度探测起着重要作用。研究了信号光偏振态与空间相干探测混频效率的关系。圆偏振光比传统方案所用的线偏振光具有更好的稳定性, 且有利于实现高效率混频, 因此提出了在信号入射端引入1/4波片的方法来改变信号光的偏振态, 以模拟信号光受到外界因素影响时的偏振态变化情况。将计算得到的信号功率作为参量, 研究信号光偏振态对混频效率的影响。假定入射本振光相同且忽略其他限定条件, 可以得到: 混频器在接收圆偏振态信号光时, 可获得最大的相对信号功率, 即混频效率最高。
光通信 空间相干探测 混频效率 偏振态 激光与光电子学进展
2017, 54(2): 020604
1 长春理工大学 光电工程学院, 长春 130022
2 长春理工大学 空间光电技术国家与地方联合工程中心, 长春 130022
3 长春理工大学 光电测控与光信息传输技术教育部重点实验室, 长春 130022
在星地链路的空间相干光通信系统中,大气湍流、跟踪误差会影响系统的混频效率和误码率.根据混频效率公式分别推导了大气湍流强度和跟踪误差与系统混频效率的关系并进行仿真计算.计算结果表明,混频效率随跟踪误差和大气湍流强度的增加而降低,其中当跟踪误差大于12 μrad或湍流强度超过10-16时,混频效率趋近零.建立了大气湍流下带跟踪误差的光混频效率及误码率的数学模型,并计算了不同情况下的混频效率.在跟踪误差小于2 μrad时大气湍流是混频效率的主要影响因素,当跟踪误差继续增大时跟踪误差起主导作用.根据传统相干光通信系统参量取值估算得最大混频效率约为67.8%,当误码率为10-9时系统接收灵敏度为17 photon/bit.
空间相干光通信 混频效率 跟踪误差 大气湍流 误码率 Free space coherent optical communication Tracking error Atmosphere turbulence Mixing efficiency Bit error rate
