准直失配对空间相干激光通信混频效率的影响

Efect of Collimating M ismatch on Mixing Efidency for SpaceCoherent Laser CommunicationZHANG Tong，TONG Shoufeng(Institute of Space Photoelectricity Technology，Changchun University of Science and Technology，Changchun 130022)Abstract：High efficiency mixing in coherent optical communication become a focus in recent years.We focuses on thedetection sensitivity of the homodyne BPSK modulation scheme of the space coherence laser communication system，and study the efect of colimating mismatch on the mixing efficiency for this system.Collimating mismatch carl lead toa serious decline of the mixing eficiency.So the system performance seriously declines.This study has important guiding signifcance to space coherent laser communication engineering experiments。

Key words：optical space communication；coherent optical communication；homodyne detection；mixing efficiency在空间激光通信系统的研究中，高探测灵敏度是远距离、高通信速率的空间激光通信的有力保障。在激光通信的各种探测方式中，探测灵敏度最高的是基于PSK调制方式的零差相干探测，其极限灵敏度可达 9光子/比特。然而，在实际系统中，光接收系统中的各种误差、噪声都将引起探测灵敏度的下降，例如量子效率损耗、混频效率损耗、相位噪声损耗等，其中混频效率损耗达2～3dB。因此，在相干激光通信系统设计中，研究各种因素对光混频效率的影响是必要的。

1 国内外研究现状国外在空间站和地面之间进行激光通信的国家主要有美国、El本和俄罗斯，其中典型的试验系统是美国JPL实验室从空间站(ISS)到地面喷气动力实验室(JPL)OCTL的2.5Gbps激光通信试验系统，以及 日本空间站JEM(Japanese Experiment Module)的演示系统。

首次采用零差BPSK的 自由空间光连接 ，在Canary的两个海 岛La Palma和 Tenerife，速率为5.625Gbps，距离为 142km，证明零差BPSK是-种有优势的大气中的光通信方式。2007年夏，Tesat进行零差BPSK星际激光通信实验，LEO-LEO分另0为 TerraSAR-X(German satelite)--NFIRE(US satelite)，通信速率为 5.625Gbps，BER为1E-9，发射功率为0.7W。其各个系统验证了：1.零差BPSK激光通信可以在恶劣的大气条件下工作；2.相干追踪方式可以在高强度大气湍流条件下工作；3.相干光通信对背景光具有强免疫力。

在相干激光通信系统中，信号光与本振光的失收稿 日期 ：2012-09-12作者简介：张桐 (1987-)，男，硕士研究生，E-mail：165253340 q.com。

通讯作者：佟首峰 (1972-)，男，博士，教授，博士生导师，E-mail：tsf1998###sina.corn。

14 长春理工大学学报 (自然科学版)配角 、激光光斑相对于光敏面的大孝偏移长度、信号光与本振光与偏振态匹配都会对混频效率产生较大的影响。其中，准直失配对空间相干激光通信混频效率的影响在国内并无人研究，本论文将分析准直失配对相干效率的影响。

2 相干混频2.1 相干混频原理ff 叟.I// --30t / 4ff图 1 90度光混频移相器工作原理示意 图如图1所示，输入的信号光(E )和本振光(点1，rJ)都为线偏振光，其中1为四分之-波片，其功能是将线偏振光变为圆偏振光。2为偏振合束分束器，其功能是将线偏振光的信号光和圆偏振光的本振光在偏振合束分束器上实现信号光和本振光的混频和分束。3为半波片，其功能是得到信号光和本振光的干涉图样，需要改变1支路和Q支路的偏振方向，对相位进行180。相位延迟。4 N偏振分束器，其功能是经过偏振分束器后得到4路输出相干光信号，得到干涉图样。这种设计可以使得相邻的两路输出光束相位相差 180。。

2.2 准直失配理论分析对于光混频器来说，光混频效率是衡量器件的重要指标，同时也是实现相干光通信的重要因素之- 。 - 般来说相干系统所需要的信号光与本振光空间相位条件包括：空间准直角、光斑大孝平行偏移匹配、偏振匹配以及本振光功率。混频效率主要受这几种因素影响：发射光束和本振光束的波形形状、振幅分布、相差、偏振态和本振光强。所以，提高系统的混频效率，就必须深入了解和研究本振光和信号光振幅、位相、偏振、本振光强的匹配及光学系统准直问题。否则，如果失配比较严重，相干探测的灵敏度并不比直接探测高，甚至可能低于直接探测。

在自由空间光通信系统中本振光和信号光的合理物理模型是：本振光是高斯光束，信号光是平面波，虽然发射机发射的光束是高斯光束，但对于经过长距离传输的光场，其光斑-般较大，认为是平面波是比较合理的。信号光波被接收系统接收后在探测器表面汇集成爱里斑。对于高斯光束和平面波的匹配，由于其波前曲率无法完全匹配，整个系统的外差效率的理论值也必将小于l。

准直失配是由于信号光轴线与探测器光敏面的中心轴线成-定的角度造成的，该角度称为失配角，记做 ，如图2所示。

光敏面图2 高斯光束与平面波的准直失配当信号光与本振光存在空间失配角时，本振光与信号光的混频效率可以表示为：8 Ie (- ( )Jo(Ox)ax IQ1-ex.p( - l-l式 中 ，Q o/F ，Xr/F ，Xor0/F ，ro/oa。Xo/Q。当系统存在失配角时，混频效率是关于变量 Xo、Q和 0的函数。

3 计算仿真为了更直观的描述失配角 对混频效率的影响，取完全匹配隋况下混频效率最优化时的参考值，即Q1.1，xo1.65，研究下系统混频效率与失配角的关系，如图3所示。

图3 混频效率随着 的变化第 1-2期 张桐 ，等 ：准直失配对空间相干激光通信混频效率的影响下面我们以探测器半径50 gm为例，研究混频效率与失配角之间的关系，如图4所示。

图4 混频效率随着失配角 的变化从图4中可见在相干光通信系统中本振光与信号光之间的波前夹角 0引起的相位失配可以导致混频效率的严重下降，即系统性能的严重下降，所以相干混频时应尽量减小信号光与本振光之间的失配角。

4 结束语本文在查阅国外大量文献的基础上，给出了空问光通信的初步方案，并就空间相干激光通信中关键的零差混频效率问题进行了研究，在考虑相干光通信中混频损耗的条件下，分析了准直失配对空间相干激光通信混频效率的影响。研究发现本振光与信号光之问的波前夹角0引起的相位失配可以导致混频效率的严重下降，所以相干混频时应尽量减小信号光与本振光之问的失配角。