空间光-光纤耦合系统光传输特性研究

摘要

空间光通信已经实现了星间和星地之间的信息传输，利用无线传输可以将信号加载到激光中进行传播；光纤通信经过多年的发展，一个个海底光缆和城际之间的光纤的铺设实现了全球范围内的快速信息传输，使得世界真正成为地球村。如果我们将空间光耦合进入光纤中，就可以实现全光网络的传输。在那些不便于铺设光纤的地方可以利用空间光进行无线传输，在终端利用光纤耦合技术耦合进入光纤，然后利用光纤转接器转接到室内，实现信息的传输。
　　本文构建了一个空间光-光纤耦合系统，利用实验室现有的实验仪器成功实现了空间光无线传输到耦合光纤后的有线传输。论文主要内容有：
　　1.介绍了光学系统设计的基本理论和方法，简述了常见的几种像差理论和常用的光束质量的分析方法，利用ZE-MAX软件设计了卡塞格伦光学天线和自聚焦透镜，并利用常用的光束质量分析方法分别对卡塞格伦光学天线和自聚焦透镜进行了分析，满足我们的设计需要。
　　2介绍了空间光-光纤耦合系统的各个组成部分。介绍了激光器的种类和优缺点，选择半导体激光器作为实验用到的激光器；分析了几种光学天线的优劣势，确定选择卡塞格伦光学天线作为实验用到的发射和接收光学天线；耦合透镜会影响光束与光纤的耦合效率，确定了自聚焦透镜作为光束与光纤的耦合装置，增加了耦合效率；讨论了单模光纤和多模光纤的不同，多模光纤的耦合效率更高，选择多模光纤作为实验中用到的光纤。
　　3.对高斯光束进行分析可知，高阶高斯光束能够产生空心光束，启发我们利用整形系统产生空心光束。讨论了遮挡半径与卡塞格伦天线参数的关系，给出了关系图，遮挡半径也就是我们要产生的空心光束的半径。计算了遮挡效率与卡塞格伦天线参数的关系。利用整形系统产生的空心光束则可以基本消除次镜的遮挡导致的传输效率的降低，提高卡塞格伦天线的传输效率。
　　4.准直在光学系统中起着重要的作用，偏轴会影响光学系统的效率。在空间光-光纤耦合系统中，卡塞格伦光学系统和光纤耦合系统是两个重要的子系统，它们的偏轴都会影响整个空间光-光纤耦合系统的耦合效率。分别分析了卡塞格伦系统准直和偏轴时的传输效率以及出射光束与多模光纤耦合系统在准直和偏轴时的耦合效率。要求我们在实际应用中要注意保持整个系统处于准直状态。
　　5.利用现有的实验仪器进行了实验测试，设计了实验方案和步骤，实现了空间光无线传输经过耦合后进入光纤中传输，建立了通畅的链路。分别对准直和偏轴状态下的卡塞格伦天线效率和接收天线出射光束与多模光纤的耦合效率进行了测试，同时给出了准直和偏轴时的直观的图像和数据。最后利用光束质量分析仪分析了从多模光纤出射时的光束质量，仍然为高斯光束。

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第一章 绪论

1.1 引言

1.2空间光通信的发展动态

1.3光学天线的发展动态

1.4光纤耦合的发展动态

1.5 论文内容安排

第二章 光学系统设计及空间光-光纤耦合系统概述

2.1 光学系统设计简述

2.2 像差理论及光学系统的像质评价方法

2.3 空间光-光纤耦合系统概述

2.4 本章小结

第三章 空间光-光纤耦合系统的光束整形

3.1 卡塞格伦光学天线的不足

3.2 高斯光束

3.3 高斯光束整形

3.4 本章小结

第四章 空间光-光纤耦合系统的偏轴分析

4.1 卡塞格伦天线的偏轴

4.2 接收天线出射光束与光纤耦合时的偏轴分析

4.3 整个空间光-光纤耦合系统的偏轴分析

4.4 本章小结

第五章 空间光-光纤耦合系统实验测试及分析

5.1 实验方案设计

5.2 实验数据及结果分析

5.3 本章小结

第六章 总结与展望

6.1 主要工作与结论

6.2 研究展望

致谢

参考文献

攻硕期间取得的研究成果