无线光通信中的空间光-光纤耦合技术

无线光通信以光波作为载波在自由空间传递信息，在接收端将光信号耦合进波导传输，有利于对光信号进行检测、放大、处理、转换与交换。《无线光通信中的空间光-光纤耦合技术》从电磁场的基本理论出发，阐述光在光纤中的传输特性，分析不同模式光信号的耦合特性，分别对模式转换法、透镜偶合法、波前畸变修正法等空间光-光纤耦合技术进行详细介绍，并通过实验对其涉及的关键技术进行验证。

前言
第1章 绪论 1
1.1 研究背景及意义 1
1.1.1 发射机 1
1.1.2 接收机 2
1.1.3 光学天线 2
1.1.4 空间光-光纤耦合的优点 4
1.2 无线光通信技术发展现状 5
1.2.1 国外发展现状 5
1.2.2 国内发展现状 6
1.3 空间光-光纤耦合技术 7
1.3.1 国外研究进展 7
1.3.2 国内研究进展 10
1.4 空间光-光纤耦合 16
1.4.1 光学模式 17
1.4.2 厄米 -高斯光束 17
1.4.3 拉盖尔-高斯光束 19
1.4.4 空间光-光纤耦合 19
参考文献 23
第2章 光纤模式理论 31
2.1 光纤 31
2.1.1 基本结构 31
2.1.2 倒抛物线型光纤 32
2.2 模式理论 33
2.2.1 波动方程 34
2.2.2 波动方程的解 35
2.3 光纤中光波传播的模式 39
2.3.1 矢量模式 39
2.3.2 标量模式的解 46
2.3.3 归一化工作频率 48
2.3.4 高斯模的耦合效率 49
2.4 模式有效折射率 51
2.4.1 矢量模式的有效折射率 51
2.4.2 模式间的有效折射率差 53
2.4.3 色散特性 53
2.4.4 非线性效应 55
参考文献 58
第3章 理想条件下透镜-单模光纤耦合 60
3.1 平面波耦合 60
3.1.1 耦合效率的几何光学分析 61
3.1.2 耦合效率的模场分析 62
3.1.3 透镜端面上的耦合效率 65
3.2 装配误差引起的耦合效率衰落 66
3.2.1 径向误差 67
3.2.2 轴向误差 67
3.2.3 轴倾斜误差 69
3.3 自适应光学系统误差 71
3.3.1 标定误差 71
3.3.2 拟合误差 72
3.3.3 测量噪声误差 72
3.3.4 带宽误差 74
3.4 非共光路像差 74
3.4.1 非共光路像差校准研究现状 75
3.4.2 非共光路像差的产生 75
3.4.3 非共光路像差的折算 76
3.5 高斯光束耦合 77
3.5.1 耦合效率 77
3.5.2 人工消除非共光路像差实验 78
3.5.3 自动消除非共光路像差实验 80
参考文献 81
第4章 弱湍流大气中空间平面波-透镜-单模光纤耦合 84
4.1 大气湍流中光场分布及折射率功率谱 84
4.1.1 大气湍流中的光场分布的Born解 84
4.1.2 光在大气湍流中的光场分布Rytov解 86
4.1.3 折射率功率谱模型 90
4.2 大气湍流中透镜耦合 93
4.2.1 Kolmogorov湍流谱下的耦合效率模型 93
4.2.2 von Karman湍流谱下的耦合效率模型 95
4.2.3 Kolmogorov和von Karman湍流谱下的耦合效率对比 96
4.2.4 von Karman湍流谱下斜程传输时的耦合效率 99
4.3 大气湍流中透镜耦合光功率相对起伏方差 100
4.3.1 大气湍流中透镜-单模光纤耦合功率相对起伏方差 100
4.3.2 实验研究 103
4.3.3 耦合效率及耦合功率抖动方差对无线光通信系统误码率的影响 106
4.4 大气湍流中透镜阵列的空间光耦合 107
4.4.1 耦合效率 108
4.4.2 耦合实验 111
参考文献 113
第5章 光纤耦合自动对准系统 115
5.1 自动对准系统 115
5.1.1 自动对准系统原理 115
5.1.2 自动对准系统组成 116
5.1.3 压电陶瓷 117
5.2 控制算法基本原理 117
5.2.1 模拟退火算法基本原理 117
5.2.2 模拟退火算法的流程 117
5.2.3 模拟退火算法特点 119
5.2.4 随机并行梯度下降算法 120
5.2.5 随机并行梯度下降算法不同参数仿真 122
5.3 对准误差对空间光-光纤耦合效率的影响 124
5.3.1 对准误差与耦合效率 124
5.3.2 径向误差、轴倾斜误差、轴向误差 127
5.4 二维自动对准实验 129
5.4.1 压电陶瓷与光纤固定方式 129
5.4.2 二维对准实验 129
5.5 五维自动对准实验 132
5.5.1 压电陶瓷组合及与光纤固定方式 132
5.5.2 实验结果分析 134
参考文献 137
第6章 模式转换法 139
6.1 模式转换的研究现状 139
6.2 模式转换基础理论 140
6.3 空间相位调制模式转换 143
6.3.1 模式转换系统模型 143
6.3.2 高阶模到 LP01模式的转换 145
6.3.3 转换效率分析 146
6.4 模式转换的改进 148
6.4.1 基于模拟退火算法的模式转换 148
6.4.2 模式转换效果比较 151
6.5 实验研究 153
6.5.1 模式转换实验 153
6.5.2 耦合效率实验 156
参考文献 158
第7章 自适应光学波前校正 160
7.1 引言 160
7.2 系统组成 160
7.2.1 Zernike多项式 161
7.2.2 波前畸变对耦合效率影响 163
7.2.3 桶中功率 164
7.2.4 斯特列尔比 165
7.2.5 波前传感器 166
7.2.6 变形镜 169
7.3 仿真分析与实验研究 174
7.3.1 仿真分析 174
7.3.2 实验研究 175
参考文献 183