空間光通信廣角接收饋源研究進(jìn)展

摘要：為了將光通信一些優(yōu)越性能應(yīng)用于空間光探測、空間光通信和民用個人通信，在目前光纖只有非常小的數(shù)值孔徑的情況下，需要對微弱空間光信號進(jìn)行廣角接收，以便使接收角度達(dá)數(shù)十度、以致半個空間的光信號能進(jìn)入光纖接收系統(tǒng)。然后可以對其中光信號進(jìn)行光放大和處理。文章將空間光廣角接收饋源分為傳統(tǒng)接收饋源和耦合入纖接收饋源兩大類，著重于討論后者。前者由于受制于光學(xué)系統(tǒng)和傳統(tǒng)濾波器對視場角的限制，其靈敏度和視場角難以同時得到提高。而后者有望解除這些限制，真正實(shí)現(xiàn)對微弱空間光信號的非掃描式廣角接收，應(yīng)該是今后的發(fā)展方向，具有廣泛應(yīng)用前景�？臻g光廣角接收的實(shí)現(xiàn)將有力促進(jìn)空間光通信、個人通信和光探測技術(shù)的發(fā)展，加大空間通信的帶寬，對未來通信將產(chǎn)生不可估量的影響。

在星地光通信、自由空間光通信、室內(nèi)光無線通信等空間光通信系統(tǒng)中，發(fā)射機(jī)和接收機(jī)之間為了建立一條有效的通信鏈路，往往需要將二者進(jìn)行精確的對準(zhǔn)和跟蹤。由于星地光通信和自由空間光通信的通信距離長，而且易受天氣(如大氣湍流、薄霧等)影響、強(qiáng)輻射(宇宙輻射和太陽光)影響和基座振動影響等，其研究主要集中在消除天氣影響、光譜濾波技術(shù)(如帶寬極窄的原子濾波器等)，以及復(fù)雜的捕獲、跟蹤和瞄準(zhǔn)(ATP)系統(tǒng)。而室內(nèi)光無線通信的距離短，不受天氣影響，因而人們發(fā)展了漫射光鏈接方案。漫射光鏈接方案采取廣角發(fā)射、墻壁或天花板漫反射和廣角接收技術(shù)，消除了發(fā)射機(jī)和接收機(jī)的對準(zhǔn)問題，極大地方便了用戶的使用。

盡管精確對準(zhǔn)的困難和ATP系統(tǒng)的復(fù)雜在很大程度上是由激光的高度方向性所致，接收機(jī)的視場角有限也是非常重要的原因[1]。擴(kuò)展接收機(jī)的視場角則可以簡化ATP系統(tǒng)的復(fù)雜性，加快對準(zhǔn)和跟蹤速度。而漫射光鏈接方案為了盡可能多地搜集被墻壁或天花板反射的漫射光，也要求接收機(jī)的視場角盡量寬。出于成本和安全的考慮，應(yīng)該盡可能降低發(fā)射的激光功率，這要求接收機(jī)的靈敏度也應(yīng)盡可能地高。

提高接收機(jī)靈敏度最直接、最簡單和最有效的方法是采用高靈敏度的光電探測器。然而，探測器的靈敏度是受器件水平限制的。在此限制條件下，人們試圖通過對空間光接收饋源進(jìn)行合理設(shè)計(jì)，以同時提高其靈敏度和視場角。本文介紹了國內(nèi)外對空間光廣角接收饋源的研究現(xiàn)狀，分析了其中存在的困難和原因，并對其應(yīng)用前景進(jìn)行了展望。

現(xiàn)階段，國內(nèi)外對空間光信號接收饋源的研究大體上可以分為兩大類，一類是傳統(tǒng)接收饋源，另一類是耦合入纖接收饋源(簡稱為入纖接收饋源)。

1 傳統(tǒng)的空間光信號接收饋源

傳統(tǒng)接收饋源不包含耦合入纖過程，可以分為直接接收饋源和光外差/差拍接收饋源。它們優(yōu)先提高接收靈敏度而導(dǎo)致視場角很小，需要通過諸如掃描等其他機(jī)制來擴(kuò)展視場角，并非真正意義上的廣角接收。

1.1 直接接收饋源

直接接收饋源通過光學(xué)系統(tǒng)將微弱光信號聚焦在光電探測器上，直接檢測收集到的光能量，因此又被稱為非相干接收，如圖1所示。它是一種最簡單、最直接的光接收方式。為增強(qiáng)信號光強(qiáng)度而同時又盡可能減弱噪聲強(qiáng)度，人們采用光學(xué)系統(tǒng)聚光和窄帶光譜濾波相結(jié)合的技術(shù)，而這兩種技術(shù)極大地限制了系統(tǒng)的接收視場角。

(1)光學(xué)系統(tǒng)對視場角的限制

為了分析光學(xué)系統(tǒng)對視場角的限制，我們以二維光學(xué)系統(tǒng)(如圖2所示)為例。圖中2a、2a'分別為入瞳、出瞳的孔徑，θ、θ'分別為相應(yīng)的視場半角，入瞳與出瞳的孔徑-視場角乘積滿足集光率守恒定律[2]：

na sinθmax =n'a'sinθ'max(1)

由于出瞳的孔徑和視場角均有限，為盡可能增加收集到的信號光能量，需要增大光學(xué)系統(tǒng)的入瞳孔徑。而根據(jù)公式(1)，增大入瞳孔徑將減小系統(tǒng)的接收視場角，并且也會帶來更多的背景噪聲。

目前大多數(shù)直接接收饋源采用的都是成像光學(xué)系統(tǒng)，然而對于光強(qiáng)度檢測的直接接收方式而言，關(guān)心的重點(diǎn)是收集到盡可能多的光子，而成像質(zhì)量的好壞卻并不重要。近年來發(fā)展起來的非成像光學(xué)則更好地兼顧了孔徑和視場角，在遵守物理守恒定律條件下可以取得聚光比(a /a')的理論最大值，并且能對光的波前進(jìn)行控制[2]。因此，非成像光學(xué)系統(tǒng)逐漸被應(yīng)用于直接接收饋源中，并作為減輕大氣擾動影響的一種有效方法[3]。

(2)窄帶濾波器對視場角的限制

不論是采用成像光學(xué)系統(tǒng)還是非成像光學(xué)系統(tǒng)，為了減小雜散光的噪聲干擾，提高系統(tǒng)信噪比，必須減小視場角或使用窄帶光譜濾波器。

目前常用的窄帶光譜濾波器有兩種：干涉型濾波器(包括多層薄膜濾波器、聲光濾波器、FP濾波器等)和原子濾波器。盡管原子濾波器的帶寬極窄(可達(dá)到0.001 nm)，但透過率很低(一般低于50%)、響應(yīng)時間長(一般大于微秒量級)[4]。因此目前最常用的還是干涉型濾波器(帶寬一般為納米或亞納米量級，透過率可達(dá)近90%)。然而，這種濾波器的傳輸特性對入射角度十分敏感。如圖3所示，隨著入射角的增加，濾波器的中心波長和通帶范圍均向短波長方向移動，發(fā)生“藍(lán)移”[5]。這一特性將極大地限制接收視場角。

綜上所述，在直接接收饋源中，由于光學(xué)系統(tǒng)的通光孔徑與視場角之間、窄帶光譜濾波技術(shù)與大視場接收之間存在不可克服的矛盾，高靈敏度必然導(dǎo)致系統(tǒng)的接收視場角很小。

1.2 光外差/差拍接收饋源

光外差/差拍接收通過將微弱信號光與較強(qiáng)的本地光混頻/差拍產(chǎn)生用于光電轉(zhuǎn)換的中頻/拍信號，因此又被稱為相干接收，接收機(jī)構(gòu)成如圖4所示。外差/差拍接收可得到比直接接收高7～8個數(shù)量級的接收靈敏度，接近量子極限[6]。

然而，為了使外差/差拍效率最大化，本振光與信號光必須具有高度的單色性和頻率穩(wěn)定性，另外還要滿足空間相干性條件：兩束光具有相同的偏振態(tài)、徑向強(qiáng)度分布盡量相似、波前曲率相等、兩束光之間的空間位移很小、角誤差很小等[7]。這些要求使相干接收饋源的實(shí)現(xiàn)十分復(fù)雜和困難，其中對空間相干性的苛刻要求極大地限制了饋源的視場角。A.E. Siegman最早提出：相干激光雷達(dá)的接收視場應(yīng)該限制在立體角Ω≈λ2 /A范圍內(nèi)(其中λ為接收信號光的波長，A為入射光瞳的面積)，超過該限制條件，將無法進(jìn)行相干接收[8]。這個對接收視場角的限制對相干空間光通信同樣有效。為減小對視場角的嚴(yán)格限制，A.W. Field提出了改變系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和采用檢測器陣列的方法[9]，但并沒有從根本上解決相干接收視場角小的問題。

1.3 接收饋源視場角的擴(kuò)展方法

不論是直接接收還是外差/差拍接收，饋源本身的視場角非常小。為了實(shí)現(xiàn)廣角接收，人們采用了增加掃描系統(tǒng)、采用非掃描方式的多元檢測器陣列等多種方法來擴(kuò)展接收機(jī)的視場角[10-11]：

電光、聲光掃描方式：采用電光效應(yīng)或聲光效應(yīng)可以實(shí)現(xiàn)無慣性掃描，掃描速度快、效率高，但是掃描視場角小，要保證掃描的均勻性有一定困難。

光柵掃描方式：采用全息光柵的一維轉(zhuǎn)動來實(shí)現(xiàn)二維掃描，減少了機(jī)械運(yùn)動，掃描視場大、效率高、慣性小，但由于其衍射效率低影響了掃描系統(tǒng)的透過效率。

光機(jī)掃描方式：這種技術(shù)已經(jīng)非常成熟，且為大多數(shù)掃描系統(tǒng)所采用。通過轉(zhuǎn)動平面反射鏡、反射鏡鼓或折射棱鏡，或轉(zhuǎn)動整個鏡組，使接收饋源可以依次接收來自不同空間方向的輻射。但由于機(jī)械慣性，光機(jī)掃描方式的掃描效率低，不適合大角度的快速掃描。

多元檢測器陣列：它將多個單元檢測器排成陣列放在成像光學(xué)系統(tǒng)的焦平面上，如CCD陣列或光電二極管陣列。每個單元檢測器面積并不增大，只對應(yīng)于一小部分視場，由多元陣列合成一個較大的視場。盡管一些學(xué)者將它視為非掃描方案，但它本質(zhì)上仍然是掃描的，只不過是焦平面檢測器陣列的電子掃描罷了。而且這種方法的總視場角仍將主要受前面接收饋源(光學(xué)系統(tǒng)和窄帶濾波器)的限制。

角度分集技術(shù)：由于單個接收機(jī)的視場角較小，為了覆蓋一個很大的接收空域，角度分集技術(shù)采用多個這樣的接收機(jī)按照一定的朝向組成陣列，每個接收機(jī)接收來自不同的方向的信號光，分別檢測，并行工作，如圖5所示(不同顏色的角度錐代表各個接收機(jī)的視場)。角度分集技術(shù)不需要任何掃描機(jī)制，可以同時覆蓋多個目標(biāo)，適用于多點(diǎn)通信或多目標(biāo)探測，但是其主要缺點(diǎn)是實(shí)現(xiàn)起來比較復(fù)雜。

不論哪種掃描方式，它只能依次掃描各個方向，終歸要受到掃描速度的限制；若采用多元檢測器陣列，則總的視場角仍受到光學(xué)系統(tǒng)和窄帶濾波技術(shù)的限制，并且CCD陣列還受到帶寬限制(一般小于10 MHz)。因此，這些擴(kuò)展接收視場角的掃描方法均無法對廣域空間中(特別是太空中)未知方位的通信發(fā)射端實(shí)現(xiàn)快速而有效的捕獲。

而角度分集技術(shù)則通過多個接收機(jī)并行工作，沒有任何掃描速度限制，可快速實(shí)現(xiàn)通信端之間的對準(zhǔn)和跟蹤，并可同時連接多個方向的發(fā)射端。但是，在單個接收機(jī)的視場角較小的情況下，為了覆蓋一個很大的空域，需要許多個這樣的小接收機(jī)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)將過于復(fù)雜。

2 空間光信號耦合入纖接收饋源

2.1 潛在優(yōu)勢

光纖作為空間光接收饋源的組成部分，最早應(yīng)用于天文中的恒星探測，隨后被廣泛用于激光雷達(dá)、光無線通信等探測和通信系統(tǒng)中，主要還只是起引導(dǎo)光傳輸?shù)淖饔�。隨著光纖通信的發(fā)展，其中許多成熟技術(shù)，如光纖光柵濾波技術(shù)、光放大技術(shù)等，不斷地被應(yīng)用于空間光入纖接收饋源中。

R.J. De Young等將光纖布拉格光柵(FBG)濾波器引入了激光雷達(dá)的接收饋源(如圖6所示)，發(fā)現(xiàn)可極大地降低背景噪聲的影響，使激光雷達(dá)在白天也能取得良好性能[12]。這種濾波器的通帶范圍(FWHM)可達(dá)幾十皮米，比干涉濾波器(其FWHM一般為納米量級)要窄100倍左右；最大反射率可達(dá)91%以上(干涉濾波器的透過率一般小于90%)，并且易于與光纖連接。

與光纖通信接收系統(tǒng)類似，在空間光接收系統(tǒng)中也可采用摻鉺光纖放大器作為前置放大器來提高接收靈敏度，如圖7所示。Zhang等人報(bào)道了一種高增益低噪聲的級聯(lián)光學(xué)前置放大器，它應(yīng)用于中紅外波段的光無線連接接收機(jī)中，能將接收到的微弱光信號(如低達(dá)-53 dBm的光信號)凈增益8 dB～13 dB，而放大的自發(fā)輻射噪聲(ASE)卻被過濾，因此其性能可接近量子極限[13]。與外差/差拍接收相比，二者的性能相近(均可達(dá)到量子接收極限)，只是這種方式的實(shí)現(xiàn)更容易，是今后的發(fā)展方向[14]。

由此可見，入纖接收饋源可望利用光纖光柵等窄帶光譜濾波技術(shù)和光放大技術(shù)來提高接收性能。這種光濾波器能實(shí)現(xiàn)高透過率的超窄帶濾波，而且置于耦合入纖之后，不會對接收饋源的視場角增加額外的限制，從而能解除傳統(tǒng)光學(xué)濾波器的角度敏感性對視場角的束縛；采用光放大技術(shù)，通過對信號光進(jìn)行放大而不是通過提高光學(xué)系統(tǒng)的收集能力來提高信號光強(qiáng)度，必將減小對光學(xué)系統(tǒng)入瞳孔徑的要求，從而有利于增大光學(xué)系統(tǒng)的接收視場角。因此，入纖接收饋源有望解除光學(xué)系統(tǒng)和傳統(tǒng)濾波器對視場角的限制，真正實(shí)現(xiàn)對微弱空間光信號的非掃描式廣角接收。

2.2 研究現(xiàn)狀

由于入纖接收饋源的諸多潛在優(yōu)勢，國內(nèi)外許多學(xué)者對此展開了大量的基礎(chǔ)研究，目前主要集中于入纖耦合效率方面，而對接收視場角的關(guān)注較少。

入纖耦合效率是決定入纖接收饋源的效率和靈敏度的關(guān)鍵參數(shù)，直接決定了饋源的可行性，因而從最早的入纖饋源研究開始，就一直受到人們的重視。1988年，美國Arizona大學(xué)的S.Shaklan等人對用于恒星探測的入纖饋源進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn)：將單模光纖放置于大孔徑望遠(yuǎn)鏡的焦平面中心時，入纖耦合效率在理論上最大可達(dá)到近80%(即-1 dB)，其損耗是由望遠(yuǎn)鏡焦平面處的場和光纖端面的場不匹配而導(dǎo)致的[15]。1998年， P.J. Winzer等人將入纖饋源引入激光雷達(dá)中，發(fā)現(xiàn)隨機(jī)光信號耦合進(jìn)入單模光纖的最大效率僅為42%(即-3.8 dB)[16]。為了進(jìn)一步提高入纖耦合效率，增大饋源的可行性，相干光纖束、少數(shù)模光纖、光子晶體光纖等也相繼被用于入纖接收饋源中。

近年來，隨著空間光通信和激光探測系統(tǒng)對大視場角的需求，人們開始研究如何在兼顧入纖耦合效率的情況下增大視場角。O.Guyon提出了一種增大接收視場角的方法：將大孔徑的光學(xué)系統(tǒng)分成n 個分別耦合入纖的小孔徑子系統(tǒng)(如圖8所示)，即減小前述立體角Ω≈λ2 /A中的A以增大視場角[17]。這種結(jié)構(gòu)本質(zhì)上仍類似于前面所述的角度分集技術(shù)，在不損失耦合效率的情況下確實(shí)增大了視場角，但是由于子系統(tǒng)的接收視場角仍然過小，要實(shí)現(xiàn)廣角接收所需要子系統(tǒng)的數(shù)目過多，實(shí)現(xiàn)起來十分困難。

根據(jù)公式(1)，由于光纖的芯徑和數(shù)值孔徑都很小(典型單模光纖的芯徑為6 μm～10 μm，數(shù)值孔徑為0.1～0.2)，即a'、θ'都很小，為提高接收靈敏度，需要增大接收孔徑a 以提高光學(xué)增益，從而導(dǎo)致接收視場角θ極小。這也說明，如果僅僅是增加入纖過程，而前面的集光系統(tǒng)仍然采用傳統(tǒng)的光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，入纖饋源將無法大幅度增加其接收視場角。因此，要發(fā)揮入纖饋源廣角接收的潛在優(yōu)勢，應(yīng)當(dāng)在前面的耦合部分下功夫，比如引入一些新的物理效應(yīng)或器件。

3 空間光廣角接收饋源的應(yīng)用前景

空間光通信廣角接收饋源將有力促進(jìn)現(xiàn)有空間光通信技術(shù)的發(fā)展。接收靈敏度的提高，將有助于提高有效通信距離；而視場角的增大將加快通信系統(tǒng)中發(fā)射機(jī)和接收機(jī)的對準(zhǔn)、跟蹤過程，接收機(jī)也將可能實(shí)現(xiàn)同時與多個發(fā)射機(jī)之間的通信。對空間光的廣角接收，將有可能克服光的強(qiáng)方向性束縛，使光波像射頻一樣實(shí)現(xiàn)個人移動通信。

此外，空間光廣角接收饋源在雙(多)基地激光雷達(dá)和激光告警等目標(biāo)探測系統(tǒng)中也有廣泛的應(yīng)用。在這類系統(tǒng)中，到達(dá)光接收機(jī)的空間光信號往往非常微弱，而且信號光的入射方向常常是無法預(yù)知的[18]。高靈敏度的廣角接收饋源則可無掃描式接收空間光信號，從而適應(yīng)對快速運(yùn)動目標(biāo)的有效探測，并實(shí)現(xiàn)對多個目標(biāo)的同時跟蹤探測。

總之，空間光廣角接收饋源是一個很有潛力的發(fā)展方向，對民用和軍用相關(guān)的通信和探測技術(shù)發(fā)展都將產(chǎn)生不可估量的影響，值得大力加強(qiáng)這方面的研究。

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