为了实现适用于近地的单模无线光设备，设计了一种单模接收无线光通信系统。提出了一种两级跟踪和孔径平滑的设计方法以抑制大气湍流及设备轻微晃动的影响。完成了900 m外场实验，实现了最大单模耦合接收效率为20%，两端接收功率跳动在6 dB以内。实验数据表明两级跟踪加权平均的方法可以抑制大气湍流及轻微晃动。最后，提出了下一步改进方向。

为了解决空间超高速率信息传输问题，保障我国天基宽带信息传输网的实现，分析了未来在空间进行超高速率激光通信采用数字相干体制的必要性，总结了现阶段实现这一目标存在的4个问题：单模光纤耦合、低噪声掺铒光纤放大器(EDFA)的放大、数字编解码算法和硬件架构问题。针对这4个问题逐一提出了解决方法，即快反镜(FSM)跟踪与自适应光纤章动、分段噪声抑制、浮点数并行处理算法和集成化。分析了空间激光通信技术水平的发展趋势，最后给出了对未来技术方向发展的预测。

在光纤激光通信系统中, 为了克服准误差、随机角抖动误差、大气湍流像差对单模光纤耦合效率的影响, 本文设计了单模光纤章动跟踪耦合系统。首先基于模场匹配原理, 分析了径向偏差和光斑大小对耦合效率的影响。其次在理论分析的基础上, 对激光章动跟踪系统进行了设计, 主要包括激光器、准直镜、快速反射镜、耦合透镜以及光电探测器, 并以光电探测器的能量反馈完成了激光章动跟踪算法设计。最后搭建了实验平台, 对系统进行了实验测试。通过实验测试得到, 在激光章动跟踪时单模光纤的耦合效率为53.5%, 并测试了径向偏差以及光斑大小对耦合效率的影响, 得到了相应的曲线。耦合效率满足系统要求, 并且实验测试曲线与理论分析的仿真曲线基本一致。

阐述了空间光到单模光纤耦合原理,设计了基于快速反射镜结合光纤光电探测器的章动耦合算法,在LabVIEW环境下仿真了光纤端面章动的动态跟踪过程,并进行了激光章动系统耦合实验,实现了静态条件下59.63%的耦合效率,进行了1.65 GHz码速率的视频传输演示与扰动实验,验证了章动耦合算法的有效性与可行性。通过实验与仿真数据结果,分析了章动算法参数中章动半径、收敛步长与章动单周采样点数对耦合性能的影响。结果表明,在光纤端面当章动半径从0.1 μm增加到2.5 μm时,耦合效率与耦合稳定性下降,耦合速率无明显变化,但章动半径过小会导致收敛角度识别误差增大,降低耦合速率;当收敛步长从0.1 μm增加到2.5 μm时,耦合效率与耦合稳定性下降,耦合速率上升;当章动单周采样点数从100减少到5时,耦合效率与耦合稳定性无明显变化趋势,但由于采样点数过少,收敛角度分辨率降低,耦合速率明显下降。

基于模场匹配原理,分析了倾斜像差对耦合效率的影响,并在理论分析的基础上,对激光章动跟踪方法进行了仿真分析,研究了章动算法参数对算法动态性能的影响。利用快速反射镜和PIN(Positive-Intrinsic-Negative)光电二极管对仿真分析结果进行实验验证。结果表明,章动半径与收敛速度成反比,同时半径增大会引起稳态振荡幅度增大,而采样点数的增多会导致算法收敛速度下降。此外,所提算法对一定范围内的动态扰动有明显的抑制作用。

提出了基于现场可编程逻辑门阵列(FPGA)硬件控制平台将空间激光耦合至单模光纤(SMF)的自适应耦合技术。将自适应光纤耦合器作为激光接收器件和像差校正器件, 使用基于随机并行梯度下降(SPGD)算法的FPGA硬件控制平台实现SMF端面对聚焦光斑的自适应跟踪, 算法的双边迭代速率达到了3 kHz。实验结果表明, 该控制系统可补偿SMF接收端面最大约9 μm的静态对准偏差(对应空间光束的最大可校正静态角偏差为600 μrad), 对于模拟大气湍流造成的耦合效率下降具有150 Hz的校正带宽。

在入射光瞳面处针对星地激光链路中空间光至单模光纤耦合效率补偿特性进行了研究，依据星地下行链路特点，对星地下行链路光纤耦合效率模型进行分析。在此基础上，利用基于单模光纤后向传输模场为加权函数的加权孔径正交多项式，建立光纤耦合接收系统波前相位模式补偿理论模型，运用该理论模型，通过数值模拟对波前相位进行模式补偿，给出波前相位模式补偿下平均光纤耦合效率与接收孔径尺寸和相位补偿项数的变化关系，以及典型接收孔径下采取一定项数的波前相位补偿后光纤耦合效率概率分布，为基于光纤耦合接收方式的星地激光通信链路波前补偿系统设计提供一定理论参考。

环境的温度是影响运行于轨道中的光学天线系统性能的主要因素。当温度变化时，透镜和反射镜的曲率和镜组间隔会产生相应的变化，从而导致空间光单模光纤耦合效率的下降。假设温度只改变天线系统焦距，而不改变光束成像质量，针对反射式光学天线，建立了温度影响空间光单模光纤耦合效率的理论模型，并对其进行了理论仿真和实验研究。结果表明：实验和仿真结果相吻合，相对于理想情况下（离焦量为零），当温差增大2 ℃时，离焦量增大约52 μm，耦合效率下降约10%。此研究结果可为光学天线温控精度的提出提供理论依据。

利用自行研制的单模光纤输出2.05 μm半导体激光器，采用外差检测技术，研究了 2.05 μm全光纤声光移频器的调制特性和偏转特性，实验结果表明，该器件的中心频率为104.5 MHz、布拉格带宽为8.92 MHz、布拉格角为41.63 mrad，最大衍射效率约为95%，其实验结果与理论分析相吻合，能够满足整个2.05 μm相干激光多普勒测风雷达系统的需要。