西安理工大学 自动化与信息工程学院，西安 710048
【目的】相干光通信是一种高速、高质量和高保密的通信方式，而相干检测在相干光通信中有着极其重要的作用。高灵敏度的相干检测系统可以大幅提升相干光通信的距离，通过研究影响相干检测灵敏度的因素可以针对性地做出校正，从而提高检测的灵敏度。
【方法】文章简要阐述了相干检测的原理，总结了该领域的国内外研究进展，分析了无线光相干检测系统产生的热噪声、散粒噪声、波前畸变、偏振失配角、光斑尺寸偏差和光轴偏转、耦合效率、探测器的性能和前置光放大器等方面对相干检测灵敏度的影响。
【结果】结果表明，系统的热噪声和散粒噪声对检测灵敏度的影响可以通过控制本振光功率使其达到最小；信号光的波前畸变可以通过增加自适应校正系统来抑制；信号光与本振光的偏振失配角可以采用偏振控制补偿装置来补偿；光斑尺寸偏差和光轴偏转需要提高硬件的加工水平来减小这种误差；使用新型的探测器可以在一定程度上提升探测器的性能；前置光放大器能够对微弱的信号光进行放大，对提升检测灵敏度十分重要。
【结论】文章分析了影响无线光相干检测灵敏度的因素，总结了近年来国内外学者提高检测灵敏度的方法，为实际应用中检测系统灵敏度的提升提供了理论参考，对相干光通信系统性能的提升有着重要的意义。
无线光通信 相干检测 检测灵敏度 混频效率 wireless optical communication coherent detection detection sensitivity mixing efficiency 光通信研究
2024, 50(2): 23008101
1 吉林大学 通信工程学院，吉林长春3002
2 中国科学院 长春光学精密机械与物理研究所，吉林长春130033
为了降低大气湍流对自由空间光通信系统传输性能的影响，建立了一套自适应光学校正系统来校正高阶像差。对该系统的混频效率，误码率和迭代次数等参数进行研究。首先，将图像的Zernike系数划分为8个大类，256个小类，通过CNN模型预测输入光斑的大类。对于每一小类的像差，取每一阶系数范围的中点作为标准点形成一个标准Zernike系数向量，按照其对应的标准电压作为初始校正电压进行校正。实验结果表明：随机并行梯度下降算法使混频效率达到0.80、0.85和0.9需要的迭代次数分别为110次、161次和280次；在使混频效率达到相同值的前提下，CNN-SPGD（Convolutional Neural Networks-Stochastic Parallelism Gradient Descent）算法所需的迭代次数分别为4次、37次和141次。而在相同的迭代次数下，CNN-SPGD算法在系统中的混频效率更高，误码率更低。CNN-SPGD算法与SPGD算法相比，像差校正速度更快。该CNN-SPGD算法可以大幅度减少传统自适应光学系统的迭代次数，满足激光通信的各种需求。
自由空间光通信 无波前传感 混频效率 误码率 free space optical communication wavefront sensorless mixing efficiency bit error rate
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地方联合工程研究中心，吉林 长春 130022
3 鹏城实验室，广东 深圳 518000
相干探测混频器是空间相干光通信系统的重要组件，主要作用是将信号光和本振光进行混频得到中频信号，进而对光信号进行放大，使探测器的灵敏度达到量子噪声极限。混频效率对中频信号的强度尤其重要，因此，假设本振光为理想高斯分布时，计算了信号光的不同振幅分布对混频效率的影响。通过设计一组光束整形镜将信号光的振幅分布变为高斯分布，从而实现高斯光和高斯光的相干混频。实验结果表明，带有整形元件的相干探测混频器可实现信号光与本振光相似的振幅分布，且相比均匀分布的信号光，混频效率提高了17个百分点。
相干光学 空间光混频器 混频效率 光束整形 数值模拟 激光与光电子学进展
2021, 58(7): 0706001
微波毫米波单片集成和模块电路重点实验室，南京2006；中国电子科技集团公司第五十五研究所，南京10016
研究了基于石墨烯场效应晶体管（GFET）的光电混频器（Optoelectronic Mixer, OEM）。器件采用叉指电极结构，增大了器件的光吸收效率，并避免了顶栅结构栅金属对光的反射作用。采用基于7.62 cm硅基GFET的圆片工艺，实现了栅长为1 μm共8指的器件制备。测试结果表明，器件的工作频率达到20 GHz。在20 GHz工作频率下，器件光探测响应度达到2.8 mA/W，光载20 GHz射频变换到1 GHz中频的混频效率为-15.87 dB。
石墨烯场效应晶体管 光电混频器 叉指电极 混频效率 graphene field effect transistor optoelectronic mixer interdigital electrode mixing efficiency
西安理工大学自动化与信息工程学院, 陕西 西安 710048
在相干光通信系统中, 由于大气湍流的影响, 信号光的偏振态具有不确定性, 而光混频器对信号光和本振光的偏振态比较敏感。结合光混频器原理推导出信号光偏振态、中频信号和混频效率三者之间的关系, 以中频信号幅值作为反馈控制信号光偏振态以提高混频效率, 并设计一种适用于相干光通信系统的单粒子优化算法。实验结果表明, 在闭环状态下, 偏振控制系统中频信号的幅值快速增大, 混频效率提升64%左右, 中频信号幅值的波动方差减小为0.001, 实现了相干光通信系统中的偏振控制。
光通信 相干光通信 偏振控制 单粒子优化算法 混频效率 中频信号
基于琼斯偏振理论, 对通信系统光端机和大气传输信道进行了偏振建模, 定量分析了传输过程中二者对信号光的偏振改变作用, 并推导出信号光和本振光的偏振失配与混频效率之间的关系。在此基础上, 利用偏振调控反馈算法和PCDM02型压电陶瓷式偏振控制器(PCD), 提出了一种自动反馈式偏振调控补偿装置, 能够有效避免偏振失配现象的发生, 保证了较高的混频效率, 进而提高了空间相干光通信系统的整体性能。
相干光通信 偏振失配 本振光 信号光 混频效率 coherent optical communication polarization mismatch local oscillator light signal light mixing efficiency
西安理工大学自动化与信息工程学院, 陕西 西安 710048
在自由空间相干光通信系统中, 混频效率直接反映相干探测灵敏度。分别推导了混频效率随光轴径向误差、失配角、轴向离焦和大气湍流强度变化的表达式, 并进行了仿真分析。结果表明: 选择与波长匹配的束腰半径和相对孔径可使混频效率达到最大值0.8145。信号光与本振光的光轴径向误差对混频效率和相对孔径的影响最大, 接着是失配角和轴向离焦。将以上3种影响因素分别限制在0~4 μm、0~0.05 rad、0~200 μm范围内, 当选取1550 nm的光波作为通信波长且束腰半径为3.4λ、相对孔径为0.21时, 混频效率可达到0.55以上。在中强湍流条件下, 使用小口径接收天线能有效抑制大气湍流效应。
光通信 空间相干光通信 混频效率 相干探测 相对孔径 大气湍流 激光与光电子学进展
2017, 54(10): 100605
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 中国科学院上海光学精密机械研究所空间激光信息传输与探测技术重点实验室, 上海 201800
2 中国科学院大学, 北京 100049
针对星地相干激光通信，研究了自适应光学的系统带宽对通信性能的影响。对于特定校正阶数的自适应光学系统，得到了系统需求的控制带宽，并对比了同步轨道(GEO)卫星对地链路和低地轨道(LEO)卫星对地链路。结果显示低轨卫星链路所需的控制带宽远大于同步卫星链路，原因来自于低轨卫星和地面站的高速相对运动产生的垂直链路风速，同时低轨卫星对地链路对自适应光学的带宽需求和天顶角是成反比关系的。分析了低轨卫星对地相干激光通信链路混频效率和自适应系统带宽以及校正阶数的关系，结果表明，200 Hz的闭环带宽完全可以满足需求，当达到100 Hz带宽之后，增加变形镜单元数对混频效率的提升更为有效。
光通信 自适应光学 大气湍流 控制带宽 混频效率
：在相干探测系统中，信号光与本振光在探测器上进行混频产生中频信号，实现将携带目标信息的信号光转置与放大，实现了近量子噪声限的探测方式。为了有效利用回波信号获得良好的探测性能，有必要对两束光的混频特性进行研究。信号光与本振光在探测器光敏面上的分布决定了两束光的混频效率，只有信号光与本振光的场分布完全一致探测器输出的中频光电流最大。通过对高斯光束的混频进行理论推导并进行数值模拟，结果表明混频效率对光敏面上信号光的分布较为敏感，本振光束腰半径应该等于或略大于信号光束腰的半径，探测器光敏面半径应约为本振光束腰半径的2倍。
相干探测 混频效率 高斯光束 数值模拟 coherent detection mixing efficiency Gaussian beam numerical simulation
