在空间激光通信实际应用过程中，受到对准误差的影响，单模光纤耦合效率低，需要对其进行精确校正。在理想条件下，首先分析不存在对准误差及其他影响因素时平面波-单模光纤耦合效率及高斯光-单模光纤耦合效率模型，然后分别研究了光纤横向偏移和纵向偏移两种对准误差对单模光纤耦合效率的影响。在此基础上，提出了一种基于多平面光转换（MPLC）技术提高单模光纤耦合效率的方法，数值仿真了使用MPLC将平面波转化为高斯光前后及校正对准误差前后耦合效率的变化情况。仿真结果表明：使用MPLC将平面波转换为与高斯光高度相似的光束后，耦合效率会比平面波直接耦合进入单模光纤提高18.54%；使用MPLC分别校正横向偏移和纵向偏移后，耦合效率均提升至99%以上。该方法突破了空间光与单模光模式不匹配的限制，可以有效校正对准偏移误差，对于提高空间光到单模光纤的耦合效率具有一定的理论意义。

提出了一种基于混合Sagnac干涉仪的光纤耦合器耦合相移检测技术，其中混合Sagnac干涉仪由待测单模光纤耦合器和保偏光纤组成。基于混合Sagnac干涉仪互易端口和非互易端口输出干涉光谱的谷值波长特征，推导出单模光纤耦合器耦合相移检测方程并进行了测试误差分析。搭建了实验系统，实现了固定分光比3×3单模耦合器以及不同分光比2×2单模耦合器耦合相移的高精度检测，并首次实现了不同温度条件下2×2单模耦合器的耦合相移变化特性测量，实验结果与理论估计一致。理论分析和实验研究结果表明，所提检测方法实施方便、检测精度高，适应性强，为光纤耦合器耦合相移的定量精确测试和分析提供了有效手段。

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。

为了克服自由空间光通信系统中大气湍流、机械平台振动等因素的影响,提出了一种基于峰值功率反馈结合快速反射镜的章动耦合方案,并搭建了章动实验平台。通过快速反射镜引入一定频率和幅度的正弦扰动进行动态跟踪实验,结果表明,在跟踪状态且耦合效率不低于55%时,系统的最大耦合范围能达到1.1 mrad。同时设计的跟踪算法可以很好地校正大幅度扰动,使探测器接收光功率的均方误差由开环时的9.91%降低到闭环时的0.81%。测试了系统在不同信噪比下的章动耦合效率,结果表明,耦合效率随信噪比的降低而降低。

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。

目标散射光至单模光纤的高效耦合是光纤相干探测激光雷达系统研制的关键技术。为获得尽可能高的单模光纤耦合效率, 首先分析了Zernike初级像差对单模光纤耦合效率的影响, 在此基础上针对收发共光路单模光纤耦合光学系统在真空中使用的需求设计了带有真空补偿镜的耦合光学系统, 实测耦合效率为55.9%。最后对耦合系统在不同温度下的耦合效率进行了测试, 在(20.4±2)℃的温度范围内耦合效率最低为45.7%, 并通过基于角锥棱镜的焦面位置等效验证方案验证了真空状态下的耦合效率与地面测试状态下的耦合效率一致。

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。