微角锥棱镜阵列在逆向调制激光通信中的应用

陈少钦，杨国伟，毕美华，李长盈，李 晶，李 娜，耿虎军

(1.杭州电子科技大学 通信工程学院，浙江 杭州 310018； 2.中国电子科技集团公司航天信息应用技术重点实验室，河北 石家庄050081)

0 引言

传统的FSO系统链路两端需要装载激光发射/接收系统和复杂的跟踪捕获(ATP)系统，具有较高速率、安全性高，无需链路许可证等优势。但传统FSO系统的重量、体积和功耗等是限制FSO技术发展的重要因素[1-2]。MRR FSO系统是将传统FSO系统中的一个终端替换成MRR端构成的非对称FSO系统，免去了FSO链路中一个终端激光发射器和ATP系统，并具备双工模式[3]。其中，MRR模块通常由光调制器和无源逆向反射器2部分组成。光调制器经过多年的发展，目前，主要有基于液晶光开关(LC)、微机电系统(MEMS)、多量子肼(MQW)和压电陶瓷(PZT)的光调制器[4-5]。目前，较为常用的逆向反射器是角锥棱镜(CCR)和猫眼反射器(CER)[6]，由低功耗的光调制器和相应逆向反射器构成的MRR FSO系统充分利用MRR的逆向反射特性，使得MRR端具有无需激光器和复杂的ATP系统、尺寸小、功耗低及结构稳定等优点。

到目前为止的大量工作验证了MRR FSO系统在多种应用环境中的可行性和稳定性，更加明确了MRR FSO系统的广泛应用前景[7-8]。但对于自由空间光通信而言，光束在大气中传输时易受到大气湍流的影响[9-10]，大气湍流效应导致传输光束波前随机起伏，造成光斑漂移、强度闪烁，大气湍流效应导致MRR FSO系统链路性能恶化，严重地影响通信系统的稳定性和可靠性[11-12]。为了提升通信链路信号传输质量，加大传输距离，采用微角锥棱镜阵列(MCCRAs)来代替MRR FSO系统中的CCR[13]。微角锥棱镜阵列的伪相位共轭特性可以用来提供波前补偿效果，可以较好地抵抗大气湍流效应对通信链路的影响。

重点研究工作是将单个大尺寸反射器(角锥棱镜)和多个微型尺寸反射器组成的反射器(微角锥棱镜阵列)应用在MRR FSO系统中，通过仿真分析和实验对比，研究了在减弱大气湍流对FSO通信性能和质量造成影响的情况下MCCRAs的作用。通过将微角锥棱镜阵列应用在MRR FSO系统的实验结果，为最终实现星地间MRR FSO通信做好前期技术准备。

1 MCCRAs的工作原理

1. 1 角锥棱镜的基本光学原理

CCR器件的基本构造原理和光学特性已经被广泛研究[14]，同时关于它的反射特性已经建立了一些几何模型[15]。如图1所示，一个CCR由3个互相垂直的反射平面组成，进入CCR底面的入射光线依次经过3个垂直平面的反射后以相反于入射光线的方向射出。正是因为CCR的这一特性，该器件被广泛用作MRR FSO系统的MRR端无源反射光器件。

图1 CCR的内部光线轨迹

1. 2 微角反射器阵列的波前补偿原理

正如文献[16]所述一系列CCR晶胞组成了MCCRAs，不同类型的CCR晶胞可以构成不同的MCCRAs。由完全相同的角反射器晶胞规律排布在z=0的平面上构成的阵列为一致性阵列，而组成阵列的晶胞并非完全一致，更具一般性的、带有加工误差的阵列模型被称为非一致性阵列，这种误差会导致出射光线的相移和强度误差。MCCRAs的波前补偿效果如图2所示。

图2 MCCRAs的波前补偿效果

被阵列反射的光波等相位面可以近似为一系列直线段。伪相位共轭光波回射至畸变介质，这个过程补偿了之前的倾斜误差。这个平衡效果在一些光学畸变十分严重的特定场合十分有效，如大气湍流或者玻璃介质中。为简单起见，考虑一致性阵列，假设入射光线进入畸变介质之前是平面波，所以相应的表达式为：

Eix，y=Ax，y{expiωt-kz+c.c.}，

(1)

式中，Ax，y代表光线的幅度；ω为信号频率；k=2π/λ为波数；c.c.为共轭复数。可以得到经过畸变介质的光线表达式为：

(2)

式中，φx，y是由畸变介质造成的附加相位，根据MCCRAs的特性，可以得到反射后的光线：

ωt-kz+c.c.}。

(3)

如果场幅度在横向和纵向上没有变化，即意味着dA/dx=dA/dy=0，并且假设相位损失函数φx，y是奇对称的，式(3)可以变为入射相位共轭光束的后向光束表达式：

Erx，y={expi(-φx，y+ωt-kz)+c.c.}。

(4)

当后向光束再次经过畸变介质，

(5)

可以消除由失真介质引起的增量相位。

由于实际制作的MCCRAs在加工过程中存在着面形误差和二面角误差[ 17]，导致入射进CCR晶胞的光束会被角锥棱镜部分反射。一部分光束仅仅经过1次或2次反射，在进行第3次反射时已经被反射出角锥棱镜，这部分光并不会成为反射回收发机端的光束，所以存在一定的能量损耗。在下面的仿真与实验过程中，采用由三角形的CCR晶胞构成的MCCRAs，经电子显微镜观察，如图3所示，在MCCRAs中，每个三角形晶胞的间距为100 μm。

图3 三角形的CCR晶胞构成的MCCRAs

2 湍流模型与实验环境

2. 1 湍流模型

光波在大气湍流中传输时，受大气随机浮动影响导致折射率的随机变化，实验中的大气湍流的强度由折射率结构参数来衡量，该参数可以使用温度结构参数和大气压P来描述[18]：

(6)

式中，P为标准大气压强；T为开尔文温度。温度结构参数与温度的变化程度相关，

(7)

(8)

2. 2 实验环境

图4(a)显示了实验FSO链路示意图，整个光路过程为FPGA产生一组信息码元，将信息加载在635 nm的激光器发送出去，经湍流信道模拟箱，由反射器反射回湍流信道模拟箱，而后分光棱镜反射至光探测器，最后光探测器将光信号转化为电信号经FPGA处理，计算误码率等相关参数。其中，湍流信号模拟箱长7 m，宽度和高度均为50 cm，在箱体两端分别放置一个暖风机，每隔固定距离设置通风口，构建湍流环境。湍流模拟箱的实物图如图4(b)所示。其他一些关键器件的参数如表1所示。

(a) 大气湍流模拟箱系统结构

(b) 实际实验环境图4 FSO实验环境

表1 实验器件的关键性参数

由于实验室内实验环境的限制，实验采集了3组不同湍流强度下的温度数值，如表2所示，根据式(6)、式(7)和式(8)，分别计算出相应的湍流强度。

表2 湍流信道模拟箱温度测量

3 实验结果分析

首先，在不加载调制信号的情况下，观测经由CCR和MCCRAs反射回收发机端的光斑变化。如图5所示，在没有湍流的情况下，可以看到经CCR和MCCRAs反射回的光斑几乎没有差别，经MCCRAs返回的光斑，由于激光入射至晶胞之间的空缝产生的衍射现象和MCCRAs本身存在的一些加工误差导致反射回的能量有一定的损耗，中心圆光斑周围会产生一圈较为模糊的光斑存在。当在湍流环境下观测经2种反射器件发射回的光斑时，可以看到2个光斑有了较为明显的光斑。经由CCR返回的光斑呈不规则形状，而且有随机抖动的特点；但由MCCRAs返回的光斑其中心部分稳定并保持圆形，而且光斑固定，不存在大幅度抖动的情况。通过有无湍流环境下光斑的变化，可以得出MCCRAs有较为明显的光波补偿性能，经由MCCRAs反射回的光斑可以保持一个稳定的状态。

(a)经CCR反射，无湍流情况下

(b) 经MCCRAs反射，无湍流情况下

(c) 经CCR反射，有湍流情况下

(d) 经MCCRAs反射，有湍流情况下

然后，在发射光束上加载了20 kHz的信号，并引入不同程度的噪声，其不同湍流强度的下BER曲线如图6所示，横坐标为信噪比SNR。从图中可以看到，在SNR超过20时，使用CCR做反射器件的MRR FSO系统的误码率出现剧烈变化，误码率有逐渐增大的趋势。而使用MCCRAs作为反射器件的MRR FSO系统的性能较为稳定，BER曲线保持一致，从通信性能参数方面验证了MCCRAs相对于CCR的抵抗大气湍流效应的能力。

图6 不同湍流环境下2种反射器件的BER曲线

4 结束语

首先在理论上介绍了微角锥棱镜阵列MCCRAs的基本构造，通过以往成果中的公式推导指出了MCCRAs的波前相位补偿原理，然后在室内搭建了模拟大气湍流环境的实验箱，建立了一套相对完整的MRR FSO系统来验证MCCRAs在实际应用中的补偿性能。在室内模拟的弱湍流环境下，观察经过模拟大气湍流环境下的光斑抖动程度和强度变化，从现象上验证了MCCRAs的伪相位共轭特性；在传输信号上加载SNR噪声，比较不同程度SNR噪声下误码率数值的变化，证明了将MCCRAs作为MRR FSO系统反射器件在抵抗大气湍流效应、增强链路稳定性上的作用，验证了其应用在未来长距离星地激光通信的可行性。