基于少模多芯光纤的自由空间光学接收系统的制作方法

本发明涉及自由空间光学接收系统，特别是一种基于少模多芯光纤的自由空间光学接收系统。

背景技术：

自由空间光学接收系统是将到达接收系统的光耦合进接收机里的一种手段。目前，由于光纤接收机的发展，光纤接收成为了一种主流方式。其中，单模光纤芯径太小，大气湍流情况下，耦合效率太低。多模光纤由于同时接收上百个模式，后续处理难度大。最近，少模光纤的接收方式引起了关注。

现有技术[1](d.h.zheng,y.li,e.h.chen,b.b.li,d.m.kong,w.li,etal.,"free-spacetofew-mode-fibercouplingunderatmosphericturbulence,"opticsexpress,vol.25,pp.18739-18755,aug82016.)提出了采用少模光纤接收的方法，来进一步增大自由空间光的耦合效率。现有技术[2](d.zheng,y.li,h.zhou,y.bian,c.yang,w.li,etal.,"performanceenhancementoffree-spaceopticalcommunicationsunderatmosphericturbulenceusingmodesdiversitycoherentreceipt,"opticsexpress,vol.26,pp.28879-28890,2018.)和现有技术[3](m.arikawaandt.ito,"performanceofmodediversityreceptionofapolarization-division-multiplexedsignalforfree-spaceopticalcommunicationunderatmosphericturbulence,"opticsexpress,vol.26,pp.28263-28276,2018.)验证了采用少模光纤接收时，可以降低大气湍流的影响。但是少模光纤接收时，由于光纤芯径小，在信号光到达接收系统时，精确调节光纤位置难度大，自由空间光耦合效率低。

鉴于以上问题，我们开展了基于少模多芯光纤的自由空间光学接收系统的研究。少模多芯光纤(r.g.h.vanuden,r.a.correa,e.a.lopez,f.m.huijskens,c.xia,g.li,etal.,"ultra-high-densityspatialdivisionmultiplexingwithafew-modemulticorefibre,"naturephotonics,vol.8,pp.865-870,nov2015.)在光纤通信中已经取得了很大的应用，但是在自由光间光学系统中的应用还是空白。少模多芯光纤是含有多个少模纤芯的光纤。少模多芯光纤在自由空间光学接收系统中的应用可以进一步增大自由空间光的耦合效率，降低大气湍流扰动带来的影响，从而降低信号解调时的误码率，另外，本发明可以降低对接收光束瞄准跟踪精度的要求，对远距离自由空间光通信和激光雷达等自由空间光学接收系统具有非常重要的意义。

技术实现要素：

本发明目的在于进一步发展自由空间光学接收系统，提出了一种基于少模多芯光纤的自由空间光学接收系统。本发明可以增大自由空间光的耦合效率，降低大气湍流扰动带来的影响，从而降低信号解调时的误码率，另外，本发明可以降低对接收光束瞄准跟踪精度的要求，对远距离自由空间光通信和激光雷达等自由空间光学接收系统具有非常重要的意义。

本发明的技术解决方案如下：

一种基于少模多芯光纤的自由空间光学接收系统，其特点在于：包括接收天线、少模多芯光纤、模式解复用器、探测器组和接收机；信号光经过自由空间大气湍流后通过所述的接收天线，将自由空间光进行光耦合，然后被所述的少模多芯光纤接收后传输至所述的模式解复用器，该模式解复用器将接收到的信号光转换成多路单模信号，再经所述的探测器组将光信号转换为电信号后被所述的接收机接收，该接收机对接收到的电信号进行解调。

进一步，所述的探测器组包括第一探测器、第二探测器、……、第n探测器；所述的模式解复用器的输出端分别与所述的第一探测器、第二探测器、……、和第n探测器的输入端相连，所述的接收机的输入端分别与所述的第一探测器、第二探测器、……、和第n探测器的输出端相连。

进一步，还包括本振激光光源、光纤分束器和混频器组，该混频器组包括第一混频器、第二混频器、……、和第n混频器，所述的探测器组包括第一探测器、第二探测器、……、第n探测器；

所述的模式解复用器的输出端分别与所述的第一混频器、第二混频器、……、第n混频器的第一输入端相连，所述的本振激光光源的输出端与所述的光纤分束器的输入端相连，该光纤分束器的输出端分别与所述的第一混频器、第二混频器、……、第n混频器的第二输入端相连；所述的第一混频器的第一输出端和第二输出端分别与所述的第一探测器的第一输入端和第二输入端相连，所述的第二混频器的第一输出端和第二输出端分别与所述的第二探测器的第一输入端和第二输入端相连，……，所述的第n混频器的第一输出端和第二输出端分别与所述的第n探测器的第一输入端和第二输入端相连，所述的第一探测器、第二探测器、……、第n探测器的输出端分别与所述的接收机的输入端相连。

进一步，所述的少模多芯光纤是一种由多个纤芯组成，每个纤芯之间相隔一段距离的特殊光纤。每个纤芯都包含少量几个模式，如lp01,lp11a和lp11b等模式。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1.本发明中增大了自由空间光的耦合效率。

2.本发明中降低大气湍流扰动带来的影响，从而降低信号解调时的误码率。

3.本发明中降低对接收的自由空间光瞄准跟踪精度的要求。

附图说明

图1为本发明基于少模多芯光纤的自由空间光学接收系统的结构示意图。

图2为本发明中少模多芯光纤的结构示意图。

图3为本发明实施例的基于少模多芯光纤的自由空间光学接收直接探测系统的结构示意图。

图4为本发明实施例的基于少模多芯光纤的自由空间光学接收相干探测系统的结构示意图。

图5为本发明实施例的基于少模多芯光纤的自由空间光学相干合束接收的相干探测系统的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明，但不应以此限制本发明的保护范围。

图1为本发明基于少模多芯光纤的自由空间光学接收系统的结构示意图。由图可见，本发明基于少模多芯光纤的自由空间光学接收系统，包括接收天线1、少模多芯光纤2、模式解复用器3、探测器4和接收机5；信号光经过自由空间大气湍流后通过所述的接收天线1，将自由空间光进行光耦合，然后用所述的少模多芯光纤2进行接收，之后通过所述的模式解复用器3将接收到的信号光转换成多路单模信号，再经过所述的探测器4将光信号转换为电信号，最后，所述的接收机5将接收到的电信号进行处理解调。

少模多芯光纤的每一个接收口的耦合效率为：

则少模多芯的总的耦合效率为：

相比于少模单芯光纤接收，耦合效率有明显增加。且当光束存在倾斜偏移和横向偏移时，耦合效率都明显高于少模光纤接收。

图2为本发明中少模多芯光纤的结构示意图。本发明中少模多芯光纤中的纤芯数目大于1，每个纤芯的模式数目大于1。各种不同排布方案的纤芯以及不同模式选择的纤芯的少模多芯光纤都在本发明的保护范围之内。

图3为本发明实施例的基于少模多芯光纤的自由空间光学接收直接探测系统的结构示意图，包括接收透镜1、少模多芯光纤2、模式解复用器3、探测器组和接收机5；

信号光经过自由空间大气湍流后经过所述的接收透镜1后照射到所述的少模多芯光纤2上，所述的少模多芯光纤2的输出端与所述的模式解复用器3的输入端相连，所述的模式解复用器3的第一输出端、第二输出端、第三输出端、……、第n输出端分别与所述的探测器组中的第一探测器341的输入端、第二探测器342的输入端、第三探测器343的输入端、……、第n探测器34n的输入端相连，所述的探测器组34中的第一探测器341的输出端、第二探测器342的输出端、第三探测器343的输出端，……，第n探测器34n的输出端分别与所述的接收机5的第一输入端、第二输入端、第三输入端、……、第n输入端相连。

图4为本发明实施例的基于少模多芯光纤的自由空间光学接收相干探测系统的结构示意图，如图所示，包括接收透镜1、少模多芯光纤2、模式解复用器3、本振激光光源44、光纤分束器45、混频器组46、探测器组47和接收机5；

信号光经过自由空间大气湍流后经过所述的接收透镜1后照射到所述的少模多芯光纤2上，所述的少模多芯光纤2的输出端与所述的模式解复用器3的输入端相连，所述的模式解复用器3的第一输出端、第二输出端、第三输出端、……、第n输出端分别与所述的混频器组46中的第一混频器461的第一输入端、第二混频器462的第一输入端、第三混频器463的第一输入端、……、第n混频器46n的第一输入端相连，所述的本振激光光源44的输出端与所述的光纤分束器45的输入端相连，所述的光纤分束器45的第一输出端、第二输出端、第三输出端、……、第n输出端分别与所述的混频器组46中的第一混频器461的第二输入端、第二混频器462的第二输入端、第三混频器463的第二输入端、……、第n混频器46n的第二输入端相连，所述的混频器组46中的第一混频器461的第一输出端和第二输出端分别与所述的平衡探测器组47中的第一平衡探测器471的第一输入端和第二输入端相连，所述的混频器组46中的第二混频器462的第一输出端和第二输出端分别与所述的平衡探测器组47中的第二平衡探测器472的第一输入端和第二输入端相连，所述的混频器组46中的第三混频器463的第一输出端和第二输出端分别与所述的平衡探测器组47中的第三平衡探测器473的第一输入端和第二输入端相连，……，所述的混频器组46中的第n混频器46n的第一输出端和第二输出端分别与所述的平衡探测器组47中的第n平衡探测器47n的第一输入端和第二输入端相连，所述的平衡探测器组47中的第一平衡探测器471的输出端、第二平衡探测器472的输出端、第三平衡探测器473的输出端、……、第n平衡探测器47n的输出端分别与所述的接收机5的第一输入端、第二输入端、第三输入端、……、第n输入端相连。

图5为本发明实施例的基于少模多芯光纤的自由空间光学相干合束接收的相干探测系统的结构示意图，如图所示，包括接收透镜1、少模多芯光纤2、模式解复用器3、相干合束器51、探测器4、本振激光光源53和接收机5；

信号光经过自由空间大气湍流后经过所述的接收透镜1后照射到所述的少模多芯光纤2上，所述的少模多芯光纤2的输出端与所述的模式解复用器3的输入端相连，所述的模式解复用器3的第一输出端、第二输出端、第三输出端、……、第n输出端分别与所述的相干合束器51中的第一输入端、第二输入端、第三输入端、……、第n输入端相连，所述的相干合束器51的输出端与所述的探测器4的第一输入端相连，所述的本振激光光源53的输出端与所述的探测器4的第二输入端相连，所述的探测器4的输出端分别与所述的接收机5的输入端相连。

本发明可以增大自由空间光的耦合效率，降低大气湍流扰动带来的影响，从而降低信号解调时的误码率，另外，本发明可以降低对接收光束瞄准跟踪精度的要求，对远距离自由空间光通信和激光雷达等自由空间光学接收系统具有非常重要的意义。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内所做的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本发明的保护范围之内。