LC--SLM的空间相干光通信波前校正技术

摘要

随着信息技术的飞速发展，传统的强度调制／直接探测方式的无线光通信系统已无法满足当前用户对通信速率的要求。近年来，空间相干光通信技术引起了学术界研究者的广泛关注，用外差探测技术能有效提高信号探测的灵敏度，实现对微弱光信号的检测，但是湍流大气信道引起的波前畸变成为该技术推广引用的最大阻碍。本文在保证激光器输出功率和光源线宽满足实验要求的基础上，理论分析讨论了大气湍流引起的波前畸变对空间相干光通信系统外差效率的影响，并针对基于信标光和液晶空间光调制器（Liquid Crystal Spatial Light Modulator，LC-SLM）的空间相干光通信波前校正技术进行了理论研究和实验验证，全文的主要研究内容包括以下四个方面： 1、基于信标光和LC-SLM进行波前校正的空间相干光通信外差探测方法，研究了直接探测、外差探测和平衡外差探测系统的信噪比、误码率和探测灵敏度，以及波前畸变的产生机理和波前畸变对外差探测的影响，为进行系统实验打下了良好的理论基础。 2、研究了光源稳定性对空间相干光通信系统外差效率的影响，建立了大气湍流影响下系统的数学模型，分析讨论了光源线宽和本振光功率取值对相干光通信系统外差效率和传输误码率的影响。并通过实验验证了外差探测时本振光功率存在一最佳值，且激光器线宽越宽，系统信噪比越小、误码率越大，为系统实验提供了有力的理论依据。 3、对LC-SLM的相位调制特性进行了测量和标定，建立了获得相同相位延迟时，不同波长光束入射到LDSLM上所加的驱动灰度值查找表，为波前校正实验提供了实验依据。 4、开展了基于信标光和LC-SLM的空间相干光通信波前校正模拟实验和1.3km链路外场实验。实验结果证明，模拟实验时经波前校正后系统输出的差频信号电压幅值比校正前提高了1.7倍左右，信噪比提高了3倍左右，外场实验时校正后输出差频信号电压幅值提高了2倍左右，信噪比提高了近3dB，为该方法的工程应用提供实验依据。 本文的研究成果为校正大气湍流引起的波前畸变和提高外差探测灵敏度提供了新途径，对空间相干光通信系统的深入研究打下了良好的理论基础并提供了可靠的实验依据。

目录

声明

1 绪论

1.1研究背景及意义

1.2 空间相干光通信的发展现状

1.2.1 空间相干光通信的国外发展现状

1.2.2 空间相干光通信的国内发展现状

1.3 波前校正的国内外研究现状

1.3.1 波前校正技术的国外研究现状

1.3.2 波前校正技术的国内研究现状

1.4 本文的主要研究内容

2 空间相干光通信外差探测原理及波前畸变的影响

2.1 空间相干光通信外差探测原理

2.1.1 外差探测基本原理

2.1.2外差探测技术

2.1.3 双平衡外差探测技术

2.2 信噪比、误码率和探测灵敏度分析

2.2.1 直接探测与外差探测的信噪比

2.2.2 直接探测与外差探测的误码率

2.2.3 直接探测与外差探测的探测灵敏度分析

2.3波前畸变对外差探测信号的影响

2.3.1 波前畸变机理

2.3.2 波前畸变的影响

2.4 本章小结

3光源对空间相干光通信系统信噪比和误码率的影响

3.1本振光功率对空间相干光通信系统信噪比的影响

3.1.1 空间相干光通信系统的信噪比

3.1.2本振光功率对信噪比的影响

3.1.3信噪比下降的影响因素

3.1.4 实验研究

3.2 光源线宽对空间相干光通信系统信噪比的影响

3.2.1 随机相位差对差频信号光电流的影响

3.2.2 光源线宽对空间相干光通信系统信噪比的影响

3.2.3 各参数对信噪比影响的仿真对比

3.2.4 实验研究

3.3 光源线宽对空间相干光通信链路传输误码率的影响

3.3.1空间相干光通信链路传输模型

3.3.2空间相干光通信链路传输误码率模型

3.3.3 数值分析

3.4 本章小结

4 大气湍流影响下空间相干光通信系统的外差效率

4.1大气湍流中的相位结构函数

4.1.1 Kolmogorov湍流谱下的波前相位

4.1.2 不同光场模式下的相位结构函数

4.2 大气湍流对空间相干光通信外差效率的影响

4.2.1外差效率的概念及意义

4.2.2大气湍流对外差效率的影响

4.2.3不同光场分布模型下湍流对外差效率的影响

4.3 数值分析

4.3.1 理想条件下的外差效率

4.4.2 湍流条件下的外差效率

4.5 本章小结

5 LC-SLM-R的空间相干光通信波前校正技术

5.1 液晶空间光调制器相位标定

5.1.1 LC-SLM相位标定概述

5.1.2 LC-SLM的结构

5.1.3 琼斯矩阵分析 LC-SLM的相位调制原理

5.2 LC-SLM的相位标定原理

5.2.1 干涉条纹移动法

5.2.2 干涉条纹移动法实验原理

5.3相位标定实验

5.3.1反射式空间光调制器相位标定实验

5.3.2 最小二乘拟合

5.4.3 透射式空间光调制器的相位标定实验

5.4 LC-SLM-R的空间相干光通信波前校正系统

5.4.1 波前校正系统原理

5.4.2 波前校正系统基本组成

5.5 本章小结

6 LC-SLM-R的空间相干光通信波前校正实验

6.1波前测量原理

6.1.1 横向剪切干涉仪静态波前测量

6.1.2 Shack-Hartmann实时波前测量原理

6.2 波前重构

6.2.1 Zernike多项式

6.2.2 基于Zernike多项式的波前重构

6.2.3 波前校正的评价指标

6.3 LC-SLM-R的空间相干光通信波前校正实验

6.3.1 静态波前校正实验

6.3.2 1.3km外场实验

6.4 本章小结

7 结论与展望

7.1 结论

7.2 创新点

7.3 可进一步开展的工作

致谢

参考文献

附录

攻读博士学位期间发表的论文

攻读博士学位期间参与的主要科研课题