[发明专利]空间光的广角入纤接收方法及系统

说明书

技术领域

本发明涉及一种空间光的广角入纤接收方法，属于无线光通信和空间光探测技术领域。

背景技术

对于星际、星地光通信等无线光通信系统，以及双(多)基地激光雷达和激光告警等目标探测系统，到达光接收机的空间光信号往往非常微弱，而且信号光的入射方向常常是无法预知的。由于光电探测器的灵敏度受器件水平限制，高灵敏度的广角光接收系统装置对有效接收这种入射方向未知的微弱空间光信号显得尤为重要。

传统的空间光接收系统在接收灵敏度与视场角之间存在着不可调和的矛盾——提高接收灵敏度则牺牲视场角，而增大视场角则牺牲灵敏度——无法真正实现对微弱空间光信号的广角接收。

一种最常用的空间光接收系统是直接接收系统(如图1所示)，即通过光学系统将空间光信号直接聚焦在光电探测器上。这种系统为增强信号光强度、同时尽可能抑制背景噪声，需采用光学系统聚光和窄带光谱滤波技术，而这两种技术极大地限制了系统的视场角。由于入瞳与出瞳的孔径与视场角乘积满足集光率守恒定律，为尽可能增加收集到的信号光能量，需要增大光学系统的入瞳孔径，这将减小其视场角，并且也会带来更多的背景噪声。在这种系统中，目前常用的窄带光谱滤波器主要是干涉滤波器(带宽一般为纳米或亚纳米量级，透过率可达近90％)。这种滤波器的传输特性对入射角度敏感：随着入射角的增加，中心波长和通带范围向短波长移动，发生“蓝移”。

另一种常用的空间光接收系统是光外差接收系统(如图2所示)。它通过将微弱信号光与较强的本地光混频，得到用于光电转换的中频光信号，因此又被称为相干接收系统。这种接收系统可得到比直接接收系统高7-8个数量级的探测灵敏度，能接近量子极限。但是，这种系统要求本振光与信号光必须具有高度的单色性和频率稳定性，另外还要满足空间相干性条件。这些要求使相干接收系统的实现十分复杂和困难，其中对空间相干性的苛刻要求极大地限制了系统的视场角。研究表明：相干激光雷达的接收视场应该限制在立体角Ω≈λ²/Ap范围内(Ap为入射光瞳的面积，λ为接收光波波长)，超过该限制条件，将无法进行相干接收。

上述的接收系统为获得高灵敏度而导致本身的视场角非常小，为扩展接收视场角，不得不采用增加扫描系统，如电光或声光扫描、光栅扫描、光机扫描、或采用多元探测器阵列等多种技术。然而，任何一种扫描方式，终归要受到扫描速度的限制；多元探测器阵列尽管不受扫描速度限制，但其总的视场角仍受到光学系统和窄带滤波技术的限制。这些扩展接收视场角的方法均无法适应对快速运动目标的有效捕获。

将光纤作为空间光接收系统的组成部分，最早应用于天文中的恒星探测，随后被广泛用于激光雷达、光无线通信等探测和通信系统中，但主要还只是起引导光传输的作用。近年来的研究表明：通过将光纤布拉格光栅滤波器引入激光雷达的接收馈源，能极大地降低背景噪声的影响，使激光雷达在白天也能取得良好的性能；在中红外波段光无线连接接收机中利用高增益低噪声的级联光学前置放大器，能将接收到的微弱光信号(如低达-53dBm的光信号)净增益8-13dB，而ASE噪声却被过滤，从而获得接近量子极限的接收性能。与外差/差拍接收相比，它们的性能相近(均可达到量子探测极限)，但此方式更容易实现，成为今后的发展方向。

尽管基于光纤的空间光接收系统改善了接收灵敏度，但仍尚未解决接收系统视场角过小的问题。

发明内容

为了克服现有技术结构的不足，本发明提供一种基于弯曲端面光纤束(或类似的波导结构)的空间光(或经过前端介质的空间光)的广角入纤接收方法及系统，能化解接收灵敏度和视场角之间的矛盾，同时提高空间光接收的视场角和灵敏度，真正实现对微弱空间光信号的非转动式广角接收，从而可以适应对快速运动目标的有效通信和探测。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种基于弯曲端面光纤束的空间光广角入纤接收方法，可应用于空间光通信或空间光探测的接收系统中，包含以下步骤：

1、将空间光经广角光学系统聚光后耦合入弯曲端面光纤束，而后对光信号进行光滤波和光放大的步骤；

2、对经滤波和放大后的光信号进行相干合波后送到光电探测器的步骤。

一种基于弯曲端面光纤束的空间光广角入纤接收系统，为了增强接收到的光信号能量，同时采用广角光学聚光系统、光放大器和其后的相干合波器等多种光能量增益系统，从而保证在极大地提高系统接收到的信号光能量的同时，降低对光学系统的聚光性能要求，因而化解了灵敏度与视场角的矛盾，可以采用大视场角接收的光学系统。