光通信接收馈源研究

不论哪种扫描方式，它只能依次扫描各个方向，终归要受到扫描速度的限制；若采用多元检测器阵列，则总的视场角仍受到光学系统和窄带滤波技术的限制，并且CCD阵列还受到带宽限制(一般小于10 MHz)。因此，这些扩展接收视场角的扫描方法均无法对广域空间中(特别是太空中)未知方位的通信发射端实现快速而有效的捕获。

而角度分集技术则通过多个接收机并行工作，没有任何扫描速度限制，可快速实现通信端之间的对准和跟踪，并可同时连接多个方向的发射端。但是，在单个接收机的视场角较小的情况下，为了覆盖一个很大的空域，需要许多个这样的小接收机，系统结构将过于复杂。

2 空间光信号耦合入纤接收馈源

2.1 潜在优势

光纤作为空间光接收馈源的组成部分，最早应用于天文中的恒星探测，随后被广泛用于激光雷达、光无线通信等探测和通信系统中，主要还只是起引导光传输的作用。随着光纤通信的发展，其中许多成熟技术，如光纤光栅滤波技术、光放大技术等，不断地被应用于空间光入纤接收馈源中。

R.J. De Young等将光纤布拉格光栅(FBG)滤波器引入了激光雷达的接收馈源(如图6所示)，发现可极大地降低背景噪声的影响，使激光雷达在白天也能取得良好性能[12]。这种滤波器的通带范围(FWHM)可达几十皮米，比干涉滤波器(其FWHM一般为纳米量级)要窄100倍左右；最大反射率可达91%以上(干涉滤波器的透过率一般小于90%)，并且易于与光纤连接。

与光纤通信接收系统类似，在空间光接收系统中也可采用掺铒光纤放大器作为前置放大器来提高接收灵敏度，如图7所示。Zhang等人报道了一种高增益低噪声的级联光学前置放大器，它应用于中红外波段的光无线连接接收机中，能将接收到的微弱光信号(如低达-53 dBm的光信号)净增益8 dB～13 dB，而放大的自发辐射噪声(ASE)却被过滤，因此其性能可接近量子极限[13]。与外差/差拍接收相比，二者的性能相近(均可达到量子接收极限)，只是这种方式的实现更容易，是今后的发展方向[14]。

由此可见，入纤接收馈源可望利用光纤光栅等窄带光谱滤波技术和光放大技术来提高接收性能。这种光滤波器能实现高透过率的超窄带滤波，而且置于耦合入纤之后，不会对接收馈源的视场角增加额外的限制，从而能解除传统光学滤波器的角度敏感性对视场角的束缚；采用光放大技术，通过对信号光进行放大而不是通过提高光学系统的收集能力来提高信号光强度，必将减小对光学系统入瞳孔径的要求，从而有利于增大光学系统的接收视场角。因此，入纤接收馈源有望解除光学系统和传统滤波器对视场角的限制，真正实现对微弱空间光信号的非扫描式广角接收。

2.2 研究现状

由于入纤接收馈源的诸多潜在优势，国内外许多学者对此展开了大量的基础研究，目前主要集中于入纤耦合效率方面，而对接收视场角的关注较少。

入纤耦合效率是决定入纤接收馈源的效率和灵敏度的关键参数，直接决定了馈源的可行性，因而从最早的入纤馈源研究开始，就一直受到人们的重视。1988年，美国Arizona大学的S.Shaklan等人对用于恒星探测的入纤馈源进行研究发现：将单模光纤放置于大孔径望远镜的焦平面中心时，入纤耦合效率在理论上最大可达到近80%(即-1 dB)，其损耗是由望远镜焦平面处的场和光纤端面的场不匹配而导致的[15]。1998年， P.J. Winzer等人将入纤馈源引入激光雷达中，发现随机光信号耦合进入单模光纤的最大效率仅为42%(即-3.8 dB)[16]。为了进一步提高入纤耦合效率，增大馈源的可行性，相干光纤束、少数模光纤、光子晶体光纤等也相继被用于入纤接收馈源中。

近年来，随着空间光通信和激光探测系统对大视场角的需求，人们开始研究如何在兼顾入纤耦合效率的情况下增大视场角。O.Guyon提出了一种增大接收视场角的方法：将大孔径的光学系统分成n 个分别耦合入纤的小孔径子系统(如图8所示)，即减小前述立体角Ω≈λ2 /A中的A以增大视场角[17]。这种结构本质上仍类似于前面所述的角度分集技术，在不损失耦合效率的情况下确实增大了视场角，但是由于子系统的接收视场角仍然过小，要实现广角接收所需要子系统的数目过多，实现起来十分困难。

根据公式(1)，由于光纤的芯径和数值孔径都很小(典型单模光纤的芯径为6 μm～10 μm，数值孔径为0.1～0.2)，即a'、θ'都很小，为提高接收灵敏度，需要增大接收孔径a 以提高光学增益，从而导致接收视场角θ极小。这也说明，如果仅仅是增加入纤过程，而前面的集光系统仍然采用传统的光学系统设计，入纤馈源将无法大幅度增加其接收视场角。因此，要发挥入纤馈源广角接收的潜在优势，应当在前面的耦合部分下功夫，比如引入一些新的物理效应或器件。

3 空间光广角接收馈源的应用前景

空间光通信广角接收馈源将有力促进现有空间光通信技术的发展。接收灵敏度的提高，将有助于提高有效通信距离；而视场角的增大将加快通信系统中发射机和接收机的对准、跟踪过程，接收机也将可能实现同时与多个发射机之间的通信。对空间光的广角接收，将有可能克服光的强方向性束缚，使光波像射频一样实现个人移动通信。

此外，空间光广角接收馈源在双(多)基地激光雷达和激光告警等目标探测系统中也有广泛的应用。在这类系统中，到达光接收机的空间光信号往往非常微弱，而且信号光的入射方向常常是无法预知的[18]。高灵敏度的广角接收馈源则可无扫描式接收空间光信号，从而适应对快速运动目标的有效探测，并实现对多个目标的同时跟踪探测。

总之，空间光广角接收馈源是一个很有潜力的发展方向，对民用和军用相关的通信和探测技术发展都将产生不可估量的影响，值得大力加强这方面的研究。

4 参考文献

[1] Bloom s, Korevaar e, Schuster j, et al. Understanding the performance of free-space optics [J]. Journal of Optical Networking, 2003, 2(6): 178-200.

[2] WElford w T, Winston r. High collection nonimaging optics[M]. New York, NY, USA: Academic Press, 1989.

[3] Wasiczko L Ｍ. Techniques to mitigate the effects of atmospheric turbulence on free space optical communication links[D]. College Park, MD, USA: University of Maryland, 2004.

[4] 掌蕴, 东袁萍, 毕勇, 等. 超窄带光学滤波器[J]. 激光技术, 1999, 23(5): 257-261.

[5] Ramirez-Iniquez R,Green R J. Optical antenna design for indoor optical wireless communication systems[J]. International Journal of Communications Systems, 2005, 18(3): 229-245.

[6] Lyubomirsky I. Coherent detection for optical duobinary communication systems[J]. IEEE Photonics Technology Letters, 2006, 18(7): 868-870.

[7] 王春晖, 王骐, 尚铁梁. 相干激光雷达中光学天线与探测器光敏面的最佳匹配关系[J]. 中国激光, 2004, 31(Z1): 387-389.

[8] Siegman A E. The antenna properties of optical heterodyne receivers[J]. Applied Optics, 1966, 5(10): 1588-1594.

[9] Waksberg A. Field of view increase for optical heterodyne receivers[J]. International Journal of Infrared and Millimeter Waves, 1999, 20(6): 1059-1071.

[10] 王晓鸥, 赵远, 乔立杰, 等. 成像激光雷达中的扫描方案[J]. 红外与激光工程1998, 27(2): 49-51.

[11] Jeong W, Kavehrad M, Jivkova S. Broadband infrared access with a multi-spot diffusing configuration: Performance [J]. International Journal of Wireless Information Networks, 2001, 8(1): 27-36.

[12] De Young R J. A narrow band fiber Bragg grating filter for lidar receivers [C]. Proceedings of Conference on Lasers and Electro-Optics (CLEO'01), May 5-11, 2001, Baltimore, MD, USA. 2001: 494-495.

[13] Zhang Huanlin, Seetharaman A, Johnson P, et al. High-gain low-noise mid-infrared quantum cascade optical preamplifier for receiver[J]. IEEE Photonics Technology Letters, 2005, 17(1): 13-15.

[14] Chan V W S. Optical space communications[J]. IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics, 2000, 6(6): 959-975.

[15] Shaklan S, Roddier F. Coupling starlight into single-mode fiber optics[J]. Applied Optics, 1988, 27(11): 2334-2338.

[16] Winzer P J, Leeb W R. Fiber coupling efficiency for random light and its applications to lidar [J]. Optics Letters, 1998, 23(13): 986-988.

[17] Guyon O. Wide field interferometric imaging with single-mode fibers[J]. Astronomy and astrophysics, 2002, 387(1), 366-387.

[18] 毛登森, 张记龙. 微弱激光辐射探测技术在激光告警设备中的应用[J]. 测试技术学报, 2004, 18(4): 373-376.