空间光通信光纤耦合效率及补偿分析

熊准; 艾勇; 单欣; 陈晶; 陈二虎; 赵恒; 武云云

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空间光通信光纤耦合效率及补偿分析

熊准, 艾勇, 单欣, 陈晶, 陈二虎, 赵恒, 武云云

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熊准, 艾勇, 单欣, 陈晶, 陈二虎, 赵恒, 武云云. 空间光通信光纤耦合效率及补偿分析[J]. 红外与激光工程, 2013, 42(9): 2510-2514.

引用本文:

熊准, 艾勇, 单欣, 陈晶, 陈二虎, 赵恒, 武云云. 空间光通信光纤耦合效率及补偿分析[J]. 红外与激光工程, 2013, 42(9): 2510-2514.

Xiong Zhun, Ai Yong, Shan Xin, Chen Jing, Chen Erhu, Zhao Heng, Wu Yunyun. Fiber coupling efficiency and compensation analysis for free space optical communication[J]. Infrared and Laser Engineering, 2013, 42(9): 2510-2514.

Citation:

Xiong Zhun, Ai Yong, Shan Xin, Chen Jing, Chen Erhu, Zhao Heng, Wu Yunyun. Fiber coupling efficiency and compensation analysis for free space optical communication[J]. Infrared and Laser Engineering, 2013, 42(9): 2510-2514.

空间光通信光纤耦合效率及补偿分析

熊准¹,
艾勇¹,
单欣¹,
陈晶¹,
陈二虎²,
赵恒¹,
武云云³

1.
武汉大学电子信息学院,湖北武汉 430079;
2.
北京跟踪与通信技术研究所,北京 100094;
3.
中国科学院自适应光学重点实验室,四川成都 610209

基金项目:

湖北省自然科学基金（2010CDB08502）

详细信息

作者简介:
熊准（1988-），男，博士生，主要从事自由空间光通信技术方面的研究。Email：xz0131@163.com；艾勇（1957-），男，教授，博士生导师，主要从事自由空间光通信及空间探测方面的研究。Email：aiyong09@163.com

熊准（1988-），男，博士生，主要从事自由空间光通信技术方面的研究。Email：xz0131@163.com；艾勇（1957-），男，教授，博士生导师，主要从事自由空间光通信及空间探测方面的研究。Email：aiyong09@163.com

中图分类号: TN929.12

Fiber coupling efficiency and compensation analysis for free space optical communication

1.
School of Electronic Information,Wuhan University,Wuhan 430079,China;
2.
Institute of Beijing Tracking and Communication Technology,Beijing 100094,China;
3.
The Key Laboratory of Adaptive Optics,Chinese Academy of Sciences,Chengdu 610209,China

摘要: 受大气湍流影响，空间光通信系统中接收光至单模光纤耦合效率降低，根据弱湍流理论，推导了Kolmogorov湍流信道情况下准直高斯光束至单模光纤平均耦合效率表达式，仿真了1 km传输距离下不同接收孔径下平均耦合效率与湍流强度的关系，结果表明：当大气折射率结构常数达到10-12时，耦合效率降到0.1以下，且耦合效率随接收孔径增大而降低。采用37单元自适应光学系统（AO）进行补偿实验，对畸变波前进行重构再利用反射变形镜进行修正的方法，对比不同AO状态下波面图质量及远场长曝光成像及质心位置漂移，发现AO进行低阶像差校正后，波面峰-谷值及标准差减小、斯特列尔比（SR）及耦合效率增加，进行高阶校正后情况进一步改善。
- 光纤耦合效率 /
- 空间光通信 /
- 大气湍流 /
- 自适应光学
Abstract: The coupling efficiency of received optical power into a single-mode fiber is degraded by atmospheric turbulence in a free space optical communication system. The expression of average coupling efficiency of a collimated Gaussian beam into a single-mode fiber was derived under Kolmogorov turbulence channel, according to the theory of weak turbulence statistics. The relations between average coupling efficiency and turbulence intensity under different received aperture in 1 km propagation path were also simulated. The results show that coupling efficiency decreases below 0.1 when refractive-index structure constant rises to 10-12, and coupling efficiency degrades when the received aperture increases. A 37-element adaptive optics system with H-S wavefront sensor was adopted to compensate the efficiency. Compared with long exposure imaging and centroid position offset in different status of AO system, it was found that the P-V value and standard deviation decreased, Strehl ratio and coupling efficiency increased in low-order aberration correction. And things became better when high-order aberration was corrected.
- fiber coupling efficiency /
- FSO /
- atmosphere turbulence /
- adaptive optic

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空间光通信光纤耦合效率及补偿分析

1. 武汉大学电子信息学院,湖北武汉 430079;

2. 北京跟踪与通信技术研究所,北京 100094;

3. 中国科学院自适应光学重点实验室,四川成都 610209

作者简介:
熊准（1988-），男，博士生，主要从事自由空间光通信技术方面的研究。Email：xz0131@163.com；艾勇（1957-），男，教授，博士生导师，主要从事自由空间光通信及空间探测方面的研究。Email：aiyong09@163.com

熊准（1988-），男，博士生，主要从事自由空间光通信技术方面的研究。Email：xz0131@163.com；艾勇（1957-），男，教授，博士生导师，主要从事自由空间光通信及空间探测方面的研究。Email：aiyong09@163.com

收稿日期: 2013-01-11
修回日期: 2013-02-14
刊出日期: 2013-09-25

基金项目:

湖北省自然科学基金（2010CDB08502）

中图分类号: TN929.12

关键词:

摘要: 受大气湍流影响，空间光通信系统中接收光至单模光纤耦合效率降低，根据弱湍流理论，推导了Kolmogorov湍流信道情况下准直高斯光束至单模光纤平均耦合效率表达式，仿真了1 km传输距离下不同接收孔径下平均耦合效率与湍流强度的关系，结果表明：当大气折射率结构常数达到10-12时，耦合效率降到0.1以下，且耦合效率随接收孔径增大而降低。采用37单元自适应光学系统（AO）进行补偿实验，对畸变波前进行重构再利用反射变形镜进行修正的方法，对比不同AO状态下波面图质量及远场长曝光成像及质心位置漂移，发现AO进行低阶像差校正后，波面峰-谷值及标准差减小、斯特列尔比（SR）及耦合效率增加，进行高阶校正后情况进一步改善。

English Abstract

Fiber coupling efficiency and compensation analysis for free space optical communication

1. School of Electronic Information,Wuhan University,Wuhan 430079,China;

2. Institute of Beijing Tracking and Communication Technology,Beijing 100094,China;

3. The Key Laboratory of Adaptive Optics,Chinese Academy of Sciences,Chengdu 610209,China

Received Date: 2013-01-11
Rev Recd Date: 2013-02-14
Publish Date: 2013-09-25

Keywords:

Abstract: The coupling efficiency of received optical power into a single-mode fiber is degraded by atmospheric turbulence in a free space optical communication system. The expression of average coupling efficiency of a collimated Gaussian beam into a single-mode fiber was derived under Kolmogorov turbulence channel, according to the theory of weak turbulence statistics. The relations between average coupling efficiency and turbulence intensity under different received aperture in 1 km propagation path were also simulated. The results show that coupling efficiency decreases below 0.1 when refractive-index structure constant rises to 10-12, and coupling efficiency degrades when the received aperture increases. A 37-element adaptive optics system with H-S wavefront sensor was adopted to compensate the efficiency. Compared with long exposure imaging and centroid position offset in different status of AO system, it was found that the P-V value and standard deviation decreased, Strehl ratio and coupling efficiency increased in low-order aberration correction. And things became better when high-order aberration was corrected.

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空间光通信光纤耦合效率及补偿分析

Fiber coupling efficiency and compensation analysis for free space optical communication

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出版历程

空间光通信光纤耦合效率及补偿分析

1. 武汉大学 电子信息学院,湖北 武汉 430079; 2. 北京跟踪与通信技术研究所,北京 100094; 3. 中国科学院自适应光学重点实验室,四川 成都 610209

English Abstract

Fiber coupling efficiency and compensation analysis for free space optical communication

1. School of Electronic Information,Wuhan University,Wuhan 430079,China; 2. Institute of Beijing Tracking and Communication Technology,Beijing 100094,China; 3. The Key Laboratory of Adaptive Optics,Chinese Academy of Sciences,Chengdu 610209,China

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1. 武汉大学电子信息学院,湖北武汉 430079;

2. 北京跟踪与通信技术研究所,北京 100094;

3. 中国科学院自适应光学重点实验室,四川成都 610209

1. School of Electronic Information,Wuhan University,Wuhan 430079,China;

2. Institute of Beijing Tracking and Communication Technology,Beijing 100094,China;

3. The Key Laboratory of Adaptive Optics,Chinese Academy of Sciences,Chengdu 610209,China