光纤激光相控阵技术在自由空间激光通信中的应用基础研究

Atmospheric turbulence is an unavoidable problem in free-space laser communications, which limits the availability and reliability of long-distance, high code-rate wireless laser communications. Research shows that adaptive optics technique is one of the best solutions to mitigate the influence of atmospheric turbulence and improve the performance of laser communications. Considering the specialties of fiber optics,adaptive optics, coherent combining and laser communications, a free-space laser communications technique based on fiber laser phased array will be put forward in this program. An optical transceiver for wireless laser communications will be designed using all fiber-optic devices, aperture synthesis technique, and new-style phase control fiber laser devices and phase control algorithm. A solution for bidirectional communications using fiber laser phased array will be explored. Key devices and phase control method will be investigated. An experimental platform will be setup, and the feasibility and availability of this program will be tested in the real atmospheric environment. The implementation of this program will be useful to explore applications of new fiber array techniques in free-space laser communications.

在自由空间激光通信领域，大气湍流效应是不可回避的问题，限制了长距离、高码率无线光通信链路的有效性和可靠性。研究表明，采用自适应光学技术补偿大气信道中的湍流效应是提高光通信系统效能的最佳方案之一。本项目结合光纤光学、自适应光学、相干合成和光通信的技术特点，提出了一种基于光纤激光相控阵的自由空间激光通信技术方案。设计一种基于阵列化相位校正光纤激光准直器件的无线激光通信端机，在新型控制方法下具有双向收发、全光纤、对大气湍流相差实时校正的特点。将展开新型光纤激光相位校正器件和相位控制方法的研究，并将搭建实验平台，在大气环境中检验该技术的可行性和有效性。本项目的实施，将有助于推动光纤相控阵新技术在自由空间激光通信领域的应用。

在自由空间激光通信领域，大气湍流效应是不可回避的问题，限制了长距离、高码率无线光通信链路的有效性和可靠性。本项目结合光纤光学、自适应光学、相干合成和光通信的技术特点，开展光纤激光相控阵技术在自由空间激光通信中的应用基础研究，在新型光纤像差校正器件、双向收发的激光相控阵建模及仿真、光束精密指向操控与光纤激光合成新方法等方面取得了一系列的重要成果。（1）建立了压电环光纤相位调制器、自适应光纤准直/耦合器的性能参数测试平台与研制平台，实现了核心器件的自主研发；实验研究了利用双二阶数字滤波器技术提高准直器可用带宽的方法，将准直器的可用带宽提升至2.5kHz；设计了激光束双向收发的自适应光纤耦合/准直器及控制系统，可实现对随机角抖动等引起的波前倾斜像差的校正，提高了单模光纤耦合效率及系统稳定性；实现了光纤端面定位装置的小型化，研制了一体化的光纤自适应准直-耦合阵列，填充因子达到了0.88；基于大模场直径光纤，研制了大功率的压电环光纤相位调制器，损伤阈值大于100W。（2）提出并仿真研究了基于自适应光纤耦合器阵列的波前相位传感器、基于光纤的分布式自适应光学系统、用于空间相干光通信的自适应光纤阵列式激光收发系统；仿真研究了大气湍流效应对光纤耦合效率的影响；开展了基于随机并行梯度下降算法的自适应光纤耦合器阵列技术仿真研究。（3）分析了激光瞄准系统中视轴误差与目标照明回光的关系，进行了光束经200m水平大气传输的激光瞄准实验；基于百瓦量级自适应光纤准直器，完成了2kW的四路光纤激光非相干合成实验，分别利用基于可变桶中功率评价函数和基于合成光束发散角评价函数的SPGD控制策略实现了200W的两路激光非相干合成；验证了七单元合成孔径激光阵列的相位精确操控和大范围光轴指向误差自适应控制，实现了相干合成；采用目标在回路方法，实现了七路激光阵列经200m水平大气传输后于目标上的相干合成闭环控制；在模拟湍流环境下，实验研究了基于两单元自适应光纤准直器阵列的激光束双向传输技术；提出了基于3-dB光纤耦合器的级联式激光相干合成方法并进行实验研究。本项目的顺利实施，将有助于推动光纤相控阵新技术在自由空间激光通信领域的应用。