光通信原理与技术第七章

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在大气激光通信系统中应用FBG时,需要 将空间光束耦合进光纤,同时,由于FBG 是有选择地对某一波长范围的光波进行反 射,因此还需要使用光纤环形器调整光传 输方向,使反射的光波能够到达光电检测 器。
7.3.4 光学天线
1、光学天线的作用和类型选择 光学天线的作用: (1)在发送端,对激光束实现扩束,增大激光束 的束腰半径 (2)在接收端,增大接受面积,压缩接收视野, 减少背景光干扰 光学天线的结构形式:折射式天线、反射式天线 和折反射组合式天线 在大气激光通信系统中,出于成本方面的考虑, 通常选择折射式光学天线(由一组透镜构成)
7.3.2 半导体光源的光学准直
1、激光器的光束发散 半导体激光束的发散特性可以用发散角来描述。 发散角的定义为光功率密度下降为最大辐射方向 功率密度的一半的两个方向之间的夹角。
在垂直于结平面和平行于结平面的方向上的发 散角分别为垂直发散角θ ⊥和水平发散角 θ ∥。
2 arcsin(


在实际情况中,温差的扰动会使大气不断地混合, 产生许多无法预料的各种尺度的湍流元,这些湍 流元共同作用,加强了接收端的光强起伏(相同 时间内的光强起伏还与风速及当时的气象条件有 关)。因此对大气湍流的探测和观察是比较困难 的,大气湍流使信号探测变得不容易掌握,对大 气激光通信系统的稳定性造成很大的障碍。 目前,自适应光学技术可较好的解决这一问题, 但仍需对大气湍流的变化尺度及变化规律进行更 多的实验探索
大气湍流对光束特性的影响程度与形式同 光束直径d与湍流尺度l有很大关系,大致 可分为三种情况: (1)d<<l,湍流主要使光束随机产生随机 偏折,接收机端光束漂移

(2) d≈l。湍流主要使光束截面发生随机偏转,从 而形成到达角起伏,使接收端的焦平面上出现像 点抖动。 (3) d>>l,这是一种更常见的情况,此时光束截 面内含有许多小湍流漩涡,各自对照射的那一小 部分光束起衍射作用,是光束的强度和相位在空 间和时间上出现随机分布,相干性退化,光束面 积也会扩大,从而引起接收端的光强起伏,同时 衰减总体接收光强
3、大气湍流 在大气光学领域,湍流是指大气中局部温度、 压力的随机变化而带来的折射率的随机变化。湍 流产生许多温度、密度具有微小差异而折射率不 同的漩涡元,这些漩涡元随风速等快速地运动并 不断的产生和消灭。 当光束通过这些折射率不同的漩涡元时会产生 光束的弯曲、漂流和扩展畸变等大气湍流效应, 致使接收光强的闪烁与抖动。
d eff )
// 2 arcsin(

weff
)
deff为有源区的有效厚度,weff为有源区的有效 宽度,λ为激光波长 发散角越小,方向性越好
2、光束准直 准直光学系统的功能: (1)能够将激光束高效率的耦合到光学天线的馈 源上 (2)对半导体激光器的输出光束进行整形,压缩 光束发散或光束束腰半径,改善远场对称性和光 斑形状
2、激光束的扩束 激光束是一种高斯光束,高斯光束可看作是均匀球面波 的一种推广,博伊德各和戈登已证明,高斯光束的传播轴 线与透镜主轴重合时,通过透镜后仍为高斯光束,只不过 表征高斯光束的参量发生改变。由透镜对高斯光束的变换 规律,即可导出扩束透镜的临界焦距。扩束透镜的临界焦 距等于该点波面曲率半径的1/2。当透镜的焦距大于临界焦 距时,对激光束起扩束作用,且扩束的最佳透镜焦距就等 于该点波面的曲率半径;反之,透镜对激光束起聚焦作用。 通常我们使用透镜级联的方法在较小的空间尺寸下实现 激光束的扩束。
3、用于大气激光通信的半导体激光器 (1 )耦wk.baidu.com阵列:难以实现1W以上的大功率衍射限输出 (2)不稳定谐振器结构:加工技术要求太高,不适合大批量 生产 (3)单片机式有源光栅放大器:单模输出功率小 (4)含外腔结构的多芯片器件:结构复杂、需要精确调整、 不适合大批量生产,而且衍射限功率不太高 (5)外腔注入宽面积放大器:稳定性差,制作技术复杂,不 能单片集成 (6)主振功率放大器LD:是目前最理想的结构。在主振功 率放大器的典型工作中,主振和功放分别偏置。主振可以 固定偏置,此时光输出功率随加到放大器的电流呈线性变 化;相反,放大器也可以固定电流偏置,输出功率改变振 荡器电流开、关。这种能力是唯主振功率放大器所具备的 优点—仅几百毫安控制电流就能获得几瓦单模功率
7.4.1 单脉冲脉位调制
单脉冲脉位调制(L-PPM),是将一个二进制 的n位数据组映射为由2n个时隙组成的时间段上的 某一个时隙处的单个脉冲信号。 如果将n位数据组写成M=(m1,m2,…, mn),而将时隙位置记为l,则单脉冲PPM调制的 映射编码关系可以写成是
φ:l= m1 +2 m2 +…+2n-1 mn ∈{0,1,…,n-1}

当光纤纤芯经充氢处理,并使用紫外光干 涉谱照射一段时间,则可在纤芯的内形成 折射率沿轴方向产生周期性扰动,即形成 光纤光栅。反射型光纤光栅亦称光纤布拉 格光栅(fiber bragg grating,FBG)。纤 芯中折射率的周期扰动将导致相反方向传 输模式间的耦合,在满足相位匹配条件时, 对特定波长的光波具有很高的反射率。
7.3.3 窄带光学滤波器
用于光信号检测的PIN、APD等光检测器件均 存在较大波长范围的响应区,因此落在这些波长 范围内的背景光不可避免的也要形成光电流,使 系统信噪比下降。
背景光源抑制方法: 1、采用不同的焦点成像或加长天线套筒对背景光 进行有效地遮挡 2、采用光学滤波技术对背景光进行抑制。 用于大气激光通信的光学滤波器基本类型有吸 收滤波器、干涉滤波器和原子共振滤波器。出于 成本考虑,通常在大气激光通信中可以使用价格 相对较低的DFT干涉型光学滤波器或光纤布拉格 光栅型光学滤波器


在相同传信率时,单脉冲PPM调制要求传 输码率比OOK调制高,相应的带宽也大 PPM的功率及频带利用率两者之间的折中 率较好,IEEE802.11委员会于1995年11 月推荐PPM调制方式用于速率为 0~10MHz的红外无线通信
7.4.2 差分脉位调制
差分脉冲位置调制(DPPM)是一种在 单脉冲PPM调制基础上改进的调制方式。 对于一个L-PPM码组,它的位数是固定的 L位,其中一位为1,其他的位都为零。而 L-DPPM的码组位数是不定的,它是由一 串低电平后跟着一位高电平构成。
在获得了光束发散损耗的范围后,即可结合 考虑大气吸收、散射损耗以及背景噪声、大气 闪烁等因素,最终获得激光器发送功率的下限。 由于大气激光通信系统工作在近地环境,考 虑到激光对环境、生物可能造成的危害,激光 器的功率不宜过大,按眼睛安全标准,激光器 功率应小于17dBm,考虑到光发送天线对激光 束的扩束作用分散了激光束的能量,此限制可 适当放宽一些
折射式光学天线的主要优点是成本低, 光无遮挡,加之球面透镜工艺成熟,通过 光学设计易消除各种像差,且物镜组牢固 稳定,长期使用不变形。 为减少表面反射,通常各透镜还需要镀 上一层或多层针对工作波长的增透膜,如 采用多层镀膜技术,实际上此时该透镜还 起到了一定的光学滤波作用,可有效的减 少背景光的干扰
例如,对于一个4-PPM调制: 若M=(0,0),则l=0; 若M=(1,0),则l=1; 若M=(0,1),则l=2; 若M=(1,1),则l=3;

单位传信率 用来比较不同调制方式的一个参数,是 指每秒每赫兹传输比特数 γ=R/B(bit/(s· Hz)) 式中R是传输速率(bit/s),B是信号带 宽(Hz)
2、发射功率的选择 激光束在大气中传播时,光能量不仅会受 到大气吸收、大气散射而衰减,还会因光束 的发散造成接收光功率损耗。 随着传输距离的增加,单位面积内的光能 量越来越小。对口径一定的接收端来讲,接 收到的光功率也就减少了,因此在发送端往 往需要通过光学天线系统对激光束进行扩束。

当不使用发送光学天线 时,光束发散损耗较大, 1550nm波长尤为显著, 在2km处损耗达到23dB, 850nm的波长稍好一些, 但也达到了18dB;而使 用口径为10cm的发送光 学天线后,光束发散损 耗大大降低。
4、热晕效应 所谓热晕效应,是指大功率激光束在大气中传 播时,激光束路径上的大气分子或悬浮微粒将吸 收部分激光能量而发热,且足以导致空气折射率 发生变化,从而使激光束发生附加的弯曲和畸变 等现象,也称热畸变效应 原则上讲,只要大气对激光能量有吸收就会 产生热晕效应,但在激光功率较低或吸收系数很 小的情况下,热晕效应对激光束传播影响极小, 通常可不考虑


从图7.1可以看出,在小于300nm的紫外 波段,大气的透过率急剧下降,显然,该 波段虽然避开了太阳的高辐射谱段,但是 大气衰减太大,因此不利于大气激光通信。 对于常用的红外激光波段都是良好的大气 窗口。

考虑到器件的可行性,可以认为 810~860nm、1550~1600nm都是无线光 通信中可以选择的通信波长。从更好的抑 制背景光噪声的考虑出发,1550nm附近 是更适合的通信窗口,且与目前光纤通信 使用的波长一致,可用器件选择余地大、 制造水平高,价格也相应的比较便宜



DPPM调制信号将PPM调制信号的一个码 组中高电平以后的信号全部去掉。 在相同传信率的情况下,DPPM调制比 PPM调制占用的信道带宽少,而与OOK调 制相比,它的平均光功率要小。 DPPM调制后的信号数据量是不确定的, 这限制了DPPM在某些系统中的应用。
7.2.2 大气对激光束传播的影响
大气对激光束传播的主要影响 大气分子及悬浮微粒对光束的吸收与散射: 导致光束能量损失,工程上常称大气衰减 大气湍流运动对光束的扰动:引起光束的 强度闪烁、光束漂移、扩展与抖动等现象, 通常称为大气湍流效应
1、大气吸收 紫外区(0.2~0.4μm):主要的吸收来源于O3 可见光区:水汽、O2 、O3 均有强吸收 红外区:最活跃的吸收气体分子是水汽、 O3和 CO2 。 气体分子的大量吸收谱线组成了吸收带群,但 在吸收带之间少数几个区域中存在相对“透明” 的“窗口”,在这些窗口中辐射透过率较高, 吸收较弱,通常称大气窗口。
7.2 激光在大气信道中的传播特性

7.2.1 大气的特点 大气是由大气分子、水蒸气及各种杂志微粒组 成的混合物,这些粒子密度最大的地方是在靠近 地面的对流层,粒子密度随高度增加而减小,直 至穿过电离层(包含电离电子,它形成包围地球 的辐射带)。实际粒子的分布依赖于大气层条件。 由于温度差异、风等原因,大气中的分子、微 粒处于不断的运动之中,其组成、湿度、密度等 都在不断的变化,使得大气常处于湍流运动状态
7.3用于大气激光通信的关键器件和要求

半导体光源 窄带光学滤波器 光学天线
7.3.1 半导体光源
1、工作波长的选择 大气的“通信窗口”是工作波长选择的重要依据。同时 还要注意避开背景光的高辐射谱段。 大气和地面对太阳光的散射形成的背景辐射,对激光大 气通信的接收机来说是一个强的噪声源。 由图知,为减小背景辐射的影响,不宜采用可见波段的 激光,紫外和红外是可选择对象
3、光束的聚焦 光检测器应放置在光学接收天线的焦点处
7.4 调制方法
目前的数字光通信系统大多设计为强度调制/ 直接检测(IM/DD)系统。应用于强度调制/直接 检测光通信系统中的调制方式有很多种,其中最 一般的形式是开关监控(OOK)和曼彻斯特编码。 通常,光源由编码脉冲波形进行强度调制,同时, 直接检测接收机对强度调制后的信号进行解码。 为了进一步提高传输通道抗干扰能力,应用于 大气信道的光通信系统很多采用了脉冲位置调制 (PPM)。PPM是一种正交调制方式,相比于开 关键控调制方式,它的平均功率降低了,但是同 时为此付出的代价是增加了对带宽的需求。
2、大气散射 大气散射是由大气中不同大小的颗粒的反射或折射造 成的,这些颗粒包括组成大气的气体分子、灰尘和大的水 滴。纯散射虽然没有造成光波能量的损失,但是改变了光 波能量的传播方向,使部分能量偏离接收方向,从而造成 接收光功率的下降 大气对光的散射主要有瑞利散射、米式散射和非选择 散射(又称几何散射) 在近地面大气层中,分子散射的影响是很小的,造成 光能量衰减的主要原因是悬浮粒子的散射