光通信接收饋源研究

摘要：為了將光通信一些優(yōu)越性能應(yīng)用于空間光探測(cè)、空間光通信和民用個(gè)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(duì)微弱空間光信號(hào)進(jìn)行廣角接收，以便使接收角度達(dá)數(shù)十度、以致半個(gè)空間的光信號(hào)能進(jìn)入光纖接收系統(tǒng)。然后可以對(duì)其中光信號(hào)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(lèi)，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(duì)視場(chǎng)角的限制，其靈敏度和視場(chǎng)角難以同時(shí)得到提高。而后者有望解除這些限制，真正實(shí)現(xiàn)對(duì)微弱空間光信號(hào)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(gè)人通信和光探測(cè)技術(shù)的發(fā)展，加大空間通信的帶寬，對(duì)未來(lái)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(wú)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(duì)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(zhǎng)，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(yáng)光)影響和基座振動(dòng)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(wú)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(duì)準(zhǔn)問(wèn)題，極大地方便了用戶(hù)的使用。

盡管精確對(duì)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(chǎng)角有限也是非常重要的原因[1]。擴(kuò)展接收機(jī)的視場(chǎng)角則可以簡(jiǎn)化ATP系統(tǒng)的復(fù)雜性，加快對(duì)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(chǎng)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(jiǎn)單和最有效的方法是采用高靈敏度的光電探測(cè)器。然而，探測(cè)器的靈敏度是受器件水平限制的。在此限制條件下，人們?cè)噲D通過(guò)對(duì)空間光接收饋源進(jìn)行合理設(shè)計(jì)，以同時(shí)提高其靈敏度和視場(chǎng)角。本文介紹了國(guó)內(nèi)外對(duì)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(duì)其應(yīng)用前景進(jìn)行了展望。

現(xiàn)階段，國(guó)內(nèi)外對(duì)空間光信號(hào)接收饋源的研究大體上可以分為兩大類(lèi)，一類(lèi)是傳統(tǒng)接收饋源，另一類(lèi)是耦合入纖接收饋源(簡(jiǎn)稱(chēng)為入纖接收饋源)。

1 傳統(tǒng)的空間光信號(hào)接收饋源

傳統(tǒng)接收饋源不包含耦合入纖過(guò)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(chǎng)角很小，需要通過(guò)諸如掃描等其他機(jī)制來(lái)擴(kuò)展視場(chǎng)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(guò)光學(xué)系統(tǒng)將微弱光信號(hào)聚焦在光電探測(cè)器上，直接檢測(cè)收集到的光能量，因此又被稱(chēng)為非相干接收，如圖1所示。它是一種最簡(jiǎn)單、最直接的光接收方式。為增強(qiáng)信號(hào)光強(qiáng)度而同時(shí)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(chǎng)角。

(1)光學(xué)系統(tǒng)對(duì)視場(chǎng)角的限制

為了分析光學(xué)系統(tǒng)對(duì)視場(chǎng)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(chǎng)半角，入瞳與出瞳的孔徑-視場(chǎng)角乘積滿(mǎn)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(chǎng)角均有限，為盡可能增加收集到的信號(hào)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(chǎng)角，并且也會(huì)帶來(lái)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(duì)于光強(qiáng)度檢測(cè)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(lái)發(fā)展起來(lái)的非成像光學(xué)則更好地兼顧了孔徑和視場(chǎng)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(duì)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(dòng)影響的一種有效方法[3]。

(2)窄帶濾波器對(duì)視場(chǎng)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(chǎng)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(guò)率很低(一般低于50%)、響應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)(一般大于微秒量級(jí))[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(jí)，透過(guò)率可達(dá)近90%)。然而，這種濾波器的傳輸特性對(duì)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(zhǎng)和通帶范圍均向短波長(zhǎng)方向移動(dòng)，發(fā)生“藍(lán)移”[5]。這一特性將極大地限制接收視場(chǎng)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(chǎng)角之間、窄帶光譜濾波技術(shù)與大視場(chǎng)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(chǎng)角很小。

1.2 光外差/差拍接收饋源

光外差/差拍接收通過(guò)將微弱信號(hào)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(hào)，因此又被稱(chēng)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(gè)數(shù)量級(jí)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(hào)光必須具有高度的單色性和頻率穩(wěn)定性，另外還要滿(mǎn)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(duì)空間相干性的苛刻要求極大地限制了饋源的視場(chǎng)角。A.E. Siegman最早提出：相干激光雷達(dá)的接收視場(chǎng)應(yīng)該限制在立體角Ω≈λ2 /A范圍內(nèi)(其中λ為接收信號(hào)光的波長(zhǎng)，A為入射光瞳的面積)，超過(guò)該限制條件，將無(wú)法進(jìn)行相干接收[8]。這個(gè)對(duì)接收視場(chǎng)角的限制對(duì)相干空間光通信同樣有效。為減小對(duì)視場(chǎng)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(cè)器陣列的方法[9]，但并沒(méi)有從根本上解決相干接收視場(chǎng)角小的問(wèn)題。

1.3 接收饋源視場(chǎng)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(chǎng)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(cè)器陣列等多種方法來(lái)擴(kuò)展接收機(jī)的視場(chǎng)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(wú)慣性掃描，掃描速度快、效率高，但是掃描視場(chǎng)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(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)二維掃描，減少了機(jī)械運(yùn)動(dòng)，掃描視場(chǎng)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(guò)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(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)平面反射鏡、反射鏡鼓或折射棱鏡，或轉(zhuǎn)動(dòng)整個(gè)鏡組，使接收饋源可以依次接收來(lái)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(cè)器陣列：它將多個(gè)單元檢測(cè)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(gè)單元檢測(cè)器面積并不增大，只對(duì)應(yīng)于一小部分視場(chǎng)，由多元陣列合成一個(gè)較大的視場(chǎng)。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(guò)是焦平面檢測(cè)器陣列的電子掃描罷了。而且這種方法的總視場(chǎng)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(gè)接收機(jī)的視場(chǎng)角較小，為了覆蓋一個(gè)很大的接收空域，角度分集技術(shù)采用多個(gè)這樣的接收機(jī)按照一定的朝向組成陣列，每個(gè)接收機(jī)接收來(lái)自不同的方向的信號(hào)光，分別檢測(cè)，并行工作，如圖5所示(不同顏色的角度錐代表各個(gè)接收機(jī)的視場(chǎng))。角度分集技術(shù)不需要任何掃描機(jī)制，可以同時(shí)覆蓋多個(gè)目標(biāo)，適用于多點(diǎn)通信或多目標(biāo)探測(cè)，但是其主要缺點(diǎn)是實(shí)現(xiàn)起來(lái)比較復(fù)雜。