像差及湍流对90°空间光混频器性能的影响研究

光信号在大气湍流中发生畸变,畸变光信号经过有缺陷的光学天线和空间光混频器后,存在混频效率低及抖动的问题。针对空间输出型和单模输出型的90°空间光混频器,推导了带初级像差的90°空间光混频器模型,并研究了湍流对混频效率的影响。仿真结果表明,对于探测器靶面半径为50μm的空间输出型混频器,像差量为0.2λ的倾斜、球差、离焦、彗差和像散分别导致混频效率下降9.8%、0.6%、0.36%、0.02%和0.01%。对于单模输出型混频器,像差量为0.2λ的倾斜、像散、离焦、彗差和球差分别导致混频效率下降14.11%、8.39%、6.35%、2.63%和1.13%。湍流强度Cn^(2)小于6.4×10^(-17)m^(-2/3)时,空间输出型比单模输出型混频器的混频效率高19%以上,在湍流强度Cn^(2)大于6.4×10^(-16)m^(-2/3)时,两者混频效率接近于0。最后设计加工了空间输出型和单模输出型90°混频器,并搭建性能测试平台。对于探测器靶面半径为50μm的空间输出型混频器,像差量为0.2λ的倾斜、球差和离焦导致混频效率下降52%、10%和6%;对于单模输出型混频器,像差量为0.2λ的倾斜、像散和离焦导致混频效率下降65%、24%和11%,其他像差对混频效率没有影响。湍流对混频器性能影响的实验结果显示,空间输出型光混频器中频信号值的标准差为21.388,该值远低于单模输出型标准差247.442。

基于多平面光转换的拉盖尔高斯模解复用混频器设计及仿真分析

为满足日益增长的通信容量需求,空分复用技术得到了快速发展,其中基于多平面光转换的模式复用及解复用混频器由于兼容模式多、插入损耗小等优点而成为了研究热点。为了简化相干通信接收端,本文提出了基于多平面光转换的拉盖尔高斯模解复用混频器,同时实现了模解复用和90°混频功能。本文首先提出拉盖尔高斯模解复用混频器的设计原理及参数定义,并采用基于角谱计算的波前匹配算法建立模解复用混频器模型。然后,基于模型仿真研究了正弦拉盖尔高斯模解复用混频器,仿真结果表明,所设计的混频器的插入损耗为-0.7020dB,信号光与本振光的耦合系数大于0.89,端口相位差小于10.1°。之后,进一步分析了相位板数量及像素尺寸、工作波长等对输出性能的影响,结果发现:在不考虑相位板反射等外部损耗时,随着相位板数量增加(≥8),插入损耗和模式相关损耗逐渐减小并趋于平稳;工作波长在1500~1600nm范围时,耦合系数、端口均一性、插入损耗和模式相关损耗变化较小;像素尺寸在3.2~19.2μm范围时,端口均一性和模式相关损耗变化较为平稳,耦合系数和插入损耗随着像素增大而恶化。最后,考虑到轨道角动量光束在空间光通信领域的广泛应用,在上述基础上进一步设计了轨道角动量光束的模解复用混频器,其性能满足应用要求。本研究结果表明:所提出的基于多平面光转换的拉盖尔高斯模及轨道角动量光束的模解解复用混频器可以同时实现模解复用和90°混频功能,性能较好,且具有较好的波长特性。本方案及仿真分析结果为空分复用技术中关键器件的设计提供了技术参考。