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自由空间光通信结合了无线通信和光纤通信的优点,具有传输速率高、组网灵活等特点,被人们广泛关注。但其在接收机的捕获、跟踪和对准方面存在限制,需要复杂的自动伺服系统来提高系统可靠性,因此,研究大视场角的接收机制具有重要意义。针对目前成熟的光纤通信技术,采用空间光耦合入纤的方法可以极大程度的提高系统性能,是未来空间光接收的发展方向。基于此,本文采用斜端面光纤束的方案研究空间光的广角入纤问题,主要内容包括:
首先研究斜端面光纤的广角特性,分析其数值孔径与端面倾角的关系。从理论和实验两个方面来研究,结果显示斜端面光纤的数值孔径在35°范围内随着端面倾角的增加而增大,与直端面光纤相比扩展了视场角,有利于空间光的广角接收。
随后,从电磁场模式耦合角度研究斜入射空间光和斜端面光纤的出射场特性。仿真和实验表明,直端面光纤和直入射空间光经透镜后的出射场一致,均为圆形分布,而斜入射空间光经透镜后的出射场和相应斜端面光纤均为椭圆分布。
基于前面的研究结果,本文研究了空间光广角入纤的耦合效率。对空间光直入射直端面光纤和斜入射斜端面光纤进行仿真研究,给出了斜入射角度与光纤端面倾角的对应关系,并搭建了相应的实验系统,实验结果表明:空间光以5.5°斜入射时,采用18.45°斜端面光纤的耦合功率要比直端面光纤的高出约一倍,论证了斜端面光纤束接收空间光信号方案的优越性。由于入纤耦合效率随着入射角的增大而降低,整个方案的视场角为10~15°。
最后,文章给出了斜端面光纤束方案的限制因素分析,指出耦合功率、光纤束死区和复杂性等因素都会影响广角接收特性。