带前置光放大的卫星激光通信系统的优化

考虑接收端瞄准误差对空间光到单模光纤耦合的影响,导出了带前置光放大的卫星激光通信系统中,由瞄准误差引起的突发误码率的近似解析表达式,并建立了基于突发误码率的系统优化模型。在给定突发误码率要求及发射端、接收端瞄准误差条件下,对发射光束宽度、接收天线直径及空间光耦合参数进行了优化,使所需发射功率最小,分析了接收端瞄准误差引起的功率损耗。仿真表明:在最优条件下,当接收天线直径与接收端瞄准误差标准差之乘积小于0.15个波长时,由接收端空间光耦合引起的功率损失小于2μrad。

带前置光放大器的光接收机灵敏度分析

本文分析了半导体光放大器的噪声特性，并首次推导出带前置光放大器的接收机灵敏度公式。结果表明，除光放大器内增益外，光放大器入射端耦合效率是影响这种接收机灵敏度的主要因素，而且其最佳判决电平高于原接收机。

前置光放大器实验研究

报道了在１４０Ｍｂ／Ｓ光通信端机上采用国产１．３μｍ低噪声半导体光放大器作为前置光放大器的研究结果。理论分析和实验表明，必须采用窄带光学滤波器滤除光放大器自发辐射引起的各种噪声。当光学滤波器为最佳带宽４ｎｍ，光放大器为最佳电流６５ｍＡ时（此时增益为１４ｄＢ），系统接收灵敏度改善５ｄＢ。前置光放大器噪声指数大约为３ｄＢ。

前置光放大器噪声及其光学滤波

讨论了半导体激光放大器作为前置光放大器的噪声特性及其光学滤波，并提出最佳滤波带宽的概念。实验结果表明，采用具有光学滤波器的前置光放大器可使接收机灵敏度提高５ｄＢ。

两路输入前置光放大星间微波光子链路优化

考虑到星间微波光子链路传输损耗大且多路微波信号之间交调干扰严重,利用前置光放大来提高链路的信号噪声失真比RSNDR。建立了两路输入前置光放大星间微波光子链路模型,推导出了RSNDR的解析表达式。通过优化马赫-曾德尔调制器的直流偏置相移,使得在给定输入射频信号功率条件下RSNDR最大,并进一步分析了前置光放大器参数对最优直流偏置相移和RSNDR的影响。仿真结果表明,前置光放大改变了影响RSNDR的主要因素,使信号放大的倍数大于噪声和三阶交调(IM3)放大的倍数,从而提高了链路的RSNDR。当前置光放大器增益为20dB、噪声系数为3dB时,最优的RSNDR比不加前置光放大器时提高24dB。前置光放大器增益和噪声系数对最优的RSNDR影响很大,而对最优的直流偏置相移几乎无影响。

带前置光放大的星间微波光子链路性能优化

考虑发射机和接收机对准误差引起的信号衰落,推导出带前置光放大的星间微波光子链路输出信噪比(SNR)的解析表达式,并建立了基于平均SNR原则的链路优化模型。在给定SNR要求及对准误差条件下,对Mach-Zehnder调制器(MZM)直流偏置相移进行了优化,使所需激光器(LD)输出功率最小,并进一步分析了前置放大器参数对最小LD输出功率和最优直流偏置相移的影响。数值仿真结果表明,与增益相比,前置放大器噪声系数决定了指定SNR所需的最小LD输出功率。当对准误差角标准差为0.4μrad时,噪声系数加倍会使SNR达到15.56dB时所需的最小LD输出功率增加6.73dB。然而,前置放大器噪声系数对最优的直流偏置相移几乎无影响,噪声系数加倍后最优直流偏置相移的变化不会超过0.003π。

对准误差对前置光放大卫星激光通信系统性能的影响

发射机及接收机的对准误差都会引起前置光放大卫星激光通信系统信号的衰落,在同时考虑发射机、接收机对准误差的条件下优化系统性能非常重要。将接收机对准误差引起的空间光耦合损耗用一个高斯函数近似,并同时考虑发射机对准误差引起的对准损耗,推导出了接收光功率概率密度的近似解析表达式,应用该概率密度函数,建立了基于平均误码率原则的前置光放大卫星激光通信系统的优化模型。仿真结果表明,在给定平均误码率要求及对准误差一定时,存在一个最佳发射光束宽度、接收天线直径及空间光耦合参数,使所需的发射功率最小,采用更大的接收天线并不能降低对发射功率的要求。

带前置光放大的星间微波光子链路建模及性能优化

考虑到星间微波光子链路中信号经远距离传输损耗大,利用前置光放大来提高链路的信噪比.建立了带前置光放大的星间微波光子链路模型,利用Bessel函数展开和Graf加法定理推导出了信噪比(SNR)的解析表达式.确定了对链路影响最大的主要噪声成分,在不同前置放大器增益的条件下,对调制器直流偏置相移进行了优化,使得在给定SNR要求下所需激光器输出光功率最小,并进一步分析了前置放大器增益对最小激光器输出功率和最优直流偏置相移的影响.数值仿真结果表明:随着前置放大器增益的增加,达到指定SNR所需的激光器输出功率变小,相应的最优直流偏置相移先减小后增大.对于QPSK调制信号,未加前置放大器时,SNR要达到15.56 dB(BER=10-9),激光器输出光功率至少为45 dBm,而前置放大器增益为15 dB时,只需要22.57 dBm.

基于光前置放大器的量子密钥分发融合经典通信方案

量子密钥分发融合经典通信方案将连续变量量子密钥分发和经典通信合并到了一起,为将来在现有的光网络上同时进行密钥分发和经典通信提供了一个有效的方法.然而,在量子信号上叠加一个经典信号将会给连续变量量子密钥分发系统引入过噪声从而大大降低系统的性能.本文提出基于光前置放大器的量子密钥分发融合经典通信方案,即在接收端插入光前置放大器来提升系统的性能.首先,在相同比特误码率条件下,光前置放大器对信号的放大能够降低对发送端经典信号调制振幅的要求,从而降低经典信号对量子信号的噪声影响;其次,光前置放大器能够补偿接收端探测器的不完美;再次,对于本地本振光的情形,放大器还能放大弱相位参考脉冲,从而降低参考脉冲散粒噪声带来的相位过噪声.在实际可达到的系统参数下,数值仿真结果表明本文提出的方案相比于原方案在安全密钥率和传输距离上都有很好的提升.这些结果表明本方案为量子密钥分发融合经典通信方案的进一步发展和实际应用提供了一个十分有效而实用的方法.

空间光到少模光纤的耦合效率及影响因素

建立了不同影响因素下空间光-少模光纤耦合效率的理论模型.以两模光纤为例分析了相对孔径对耦合效率的影响,当相对孔径为0.17时,耦合效率最高为82.96%.研究了倾斜、离焦、随机角抖动等因素对少模光纤耦合效率的影响.实验测得当横向偏移量为4μm时,两模光纤的耦合效率比单模光纤高10.23%;当轴向偏移量为125μm时,两模光纤的耦合效率比单模光纤高11.24%;当随机抖动幅度标准差为5μm时,两模光纤的耦合效率比单模光纤高12.1%.结果表明少模光纤对信号光接收过程中的干扰因素如倾斜、离焦和随机角抖动都有很好的抑制作用.

光电探测方法研究

为了获取光电检测系统中的更强光信号,提高光电探测效率及信噪比,分析了光电直接探测与相干探测系统原理及特征,针对光电探测系统中探测器接收的光信号微弱问题,提出了光前置放大探测与平衡探测方法及信噪比改善措施。理论分析表明,光前置放大探测与平衡探测具有更低的光强度响应。

星地激光通信中分布式接收阵列的特性研究

星地激光通信中,发射机对准误差及大气湍流会引起接收信号衰落,对带前置光放大的阵列接收机,分析了分布式接收阵列的抗衰落性能。研究表明,分布式接收阵列对发射机对准误差引起的衰落具有一定抑制作用,阵列中各子接收孔径之间的距离可根据发射机对准误差及湍流的强弱进行优化设计。与传统式阵列相比,分布式阵列可以采用更窄的发射光束宽度,降低对发射功率的要求。分布式阵列的另一个重要特性还在于:当实际发射机对准误差标准差大于设计值时,通过调整阵列各子接收孔径之间的距离,可以在很大程度上降低发射机对准误差引起的功率损失。