雷射的圓偏振特性在大氣傳輸中變化很 小， 且 圓 偏 振 光 具 有 旋 轉 對 稱 性， 系 統 的 性 能 不 受 兩 通 信 終端相對運動的影響， 降低了技術的實現難度， 具有很高的可靠性， 特別適用於移動通信終端。
基本介紹
- 中文名：圓偏振雷射
- 外文名：Circular polarizationlaser
工作原理,設計套用,系統設計,性能分析,
工作原理
如圖是圓偏振調製時序圖。如圖（b）所示，CPolSK用兩個圓偏振態來表征數據二進制“0”和“1”，在整個調製過程中脈衝強度沒有發生改變，只是脈衝的偏振態發生了改變，右旋表示“0”，左旋表示“1”。如圖（c）所示，CPolDM利用兩種圓偏振態作為復用信道進行調製編碼，可載入兩路信息，與OOK調製相似，以圓偏振態的“通－斷”來表征“0”和“1”。CPolDM同時利用兩通道傳輸信息，提高了信道利用率，使系統容量增加了1倍，可滿足現代光通信提高通信容量的要求。
雷射通過偏振分光稜鏡（PBS）分為兩束正交線偏振光，即s光和p光，然後分別對這兩束光進行信號調製，將調製器後的信號通過偏振合束器（PBC）複合到同一光路中，再經過一個1/4波片（QWP），調整QWP的快（慢）軸與兩路線偏振光的傳播方向的夾角為某一值，使經過QWP後的兩束光分別變成左、右旋圓偏振光；最後經過天線發射出去。
圓偏振調製時序圖
對於圓偏振光不能直接進行檢測，一般先轉換為線偏振光再進行接收檢測。在接收端，同樣採用QWP，將左、右旋圓偏振光分別轉換成對應的兩束線偏振光。線偏振光的偏振方向只與QWP的光軸方向有關，如果確定了波片的光軸方向，就可知線偏振光的偏振方向，通過檢偏器和光電探測器，就可實現信息的接收、檢測和轉換。圓偏振調製技術無需得知發射端的確切運動，系統的性能不受兩通信終端相對運動的影響，只需保證接收端QWP的光軸方向和檢偏器方向之間的相對位置，這大大降低了技術的實現難度。因此，圓偏振調製技術特別適用於移動終端之間的雷射通信，尤其對於存在相對複雜運動的衛星之間的雷射通信，該技術優勢非常明顯。
設計套用
自由空間光通信（FSO）具有傳輸速率高、通信容量大、可用頻頻寬及保密性好等優點，成為未來大容量保密通信的發展方向之一，因而受到世界各國的重視。FSO光信號在大氣信道中受到大氣湍流及隨機運動等因素的影響，降低了通信系統的性能，限制了FSO技術的進一步發展套用。為了提高FSO系統的可靠性，研究人員提出了許多改進方案，如相干發射接收、自適應光學技術、糾錯冗餘編碼等。但這些方案都存在一些問題，例如系統過於複雜難以實際套用，因為冗餘而導致成本倍增等。因此，低成本、高可靠性及簡單易實現的通信方案成為光通信領域的研究熱點。
目前FSO系統大多採用最常用的數字強度調製開關鍵控（OOK）調製，該調製方式簡單易行，但調製功率效率低，易受大氣湍流和背景光的影響，信噪比較低，因而無法確保通信的可靠性和工作的全天候。為此人們又提出偏振鍵控（PolSK）調製，該調製方式利用光的偏振矢量特性，對偏振態進行編碼調製，可同時適用於二進制和多進制數據傳輸，並能有效地提高系統的靈敏度和誤碼性能。
基於線偏振的PolSK調製需要發射端和接收端偏振坐標系對正，由於運動的隨機不確定性，對搭載於運動平台上的通信終端系統而言，系統的通信性能是很難保證的。在此基礎上，趙新輝等提出了圓偏振位移鍵控（CPolSK）調製方法，利用兩種圓偏
振態進行組合編碼調製，提高通信系統性能。由於圓偏振態在大氣傳輸中變化很小，同時圓偏振態具有旋轉對稱特性，特別是在相對運動的平台上，圓偏振調製系統可正常工作，因此該調製方式可靠性高，非常適合用於移動平台上的通信終端。CPolSK系統利用兩個圓偏振態組合編碼，單通道傳遞信息。
基於圓偏振態在大氣傳輸中的優勢，同時為提高通信量，本文在偏振復用的基礎上，提出了圓偏振復用（CPolDM）調製，不僅保證了通信的可靠性，又成倍地提高了系統容量。此外，相關研究人員雖然提出了CPolSK概念和圓偏振調製的結構模型，但並沒有設計出具體的圓偏振通信系統，且通信模型需要外調製器，結構複雜、實現困難。
系統設計
根據CPolSK調製原理，提出了CPolSK調製的實現方案。發射端採用信號源分時控制選通兩路雷射器，一路控制選通P雷射器，表征“0”信號，一路選通控制S雷射器，表征“1”信號，兩路信號光經過PBC複合到同一光路中，再經由天線發射到大氣信道中。其中p、s偏振光經過QWP後，分別變為右、左旋圓偏振光。在接收端經過QWP相位延遲後，再通過QWP相位延遲後，再通過PBS稜鏡把光信號分解了改變。因為兩次經過QWP後，引入了π相位差，相當於偏振態發生翻轉，初始的p光在接收端轉換s光，s光轉換為p光。
在發射端必須要保證線偏振光的傳播方向和QWP快慢軸的夾角θ為45°，才能確保線偏振光經過QWP時轉變為圓偏振光，若θ≠45°則出射光為橢圓偏振光，所以在光機裝調時必須要注意這一點。圓偏振光經過QWP時，不管波片快（慢）軸與光軸夾角為多少，圓偏振光都轉變成線偏振光，所以在接收端可以不必確保波片的快（慢）軸與光軸的夾角為固定值。
CPolDM調製的實現方案與CPolSK調製相似，不同之處在於，信號控制器同時調控兩路線偏振雷射。在接收端，分通道接收檢測經過轉換後的兩路線偏振光，即可得到初始信息。相比於CPolSK，CPolDM使系統通信容量增加了1倍。
為了驗證圓偏振編碼原理，需同時滿足CPolSK和CPolDM兩種調製方式的要求，設計了圓偏振調製雷射通信系統。因為是實驗驗證階段，採用克卜勒型光學天線，單向發射單向接收、直接檢測接收的方式。可同時驗證兩種調製方式。為了在同一實驗系統中驗證兩種調製方式，在發射端採用雙雷射器，保證這兩個雷射器的偏振方向相互垂直，一路表示p偏振態，一路表示s偏振態，來替代雷射器通過PBS稜鏡分出的兩束正交線偏振光。這樣既方便對每路雷射器單獨調製，又保證了系統的發射功率。在發射端採用雙膠合透鏡對半導體雷射束進行光束準直，並通過在光路焦平面上設定光闌對光束進行整形。在接收端，同樣設定光闌遮擋進入系統的雜散光，並通過安裝窄帶濾波片（NBF）來降低背景噪聲，提高系統靈敏度。該系統光學元件少、結構簡單，通過信號源直接調控雷射輸出信號，採用光學元件就可直接實現偏振態的編碼調製，省去了複雜昂貴的外調製器（如聲光或電光調製器），既簡化結構又易於實現，有利於通信終端的輕小化，同時又可提高通信容量和系統的可靠性，非常適合作為星載的光通信終端。
性能分析
根據圓偏振雷射通信的編碼原理，設計了雷射通信的光機結構，並對系統進行了裝調。對圓偏振調製系統進行了簡單的實驗驗證，為了分析CPolSK及CPolDM調製方式的性能，與OOK調製方式進行對比。在本系統中去掉PBS稜鏡和QWP，對單路雷射調製，即可實現OOK調製。CPolDM和OOK方式的信號電流值都為正值，並載入了一定隨機擾動，而CPolSK調製方式的信號電流值在±60μA之間變化。由於CPolDM與OOK系統採用單路接收，所以信號波形相似，而CPolSK調製系統採用差分方式接收，所以信號幅值是上述二者的二倍。CPolDM和OOK系統的信號電平高低區分很明顯，通過設定合理的判定比較值，可將傳送的信息從接收到的信號波形圖中提取出來；CPolSK調製系統信號電流在正負值之間起伏，可以將0作為閾值比較電平，正負電平分別表徵信號“1”和“0”，這樣就可把載入的數字信息恢復出來。
通過簡單的實驗驗證，實現了數據的發射接收，證明了圓偏振編碼的可行性。有待於進行多條件、複雜環境中的光通信實驗驗證，在實際套用中繼續分析和檢驗性能，尤其是在複雜天氣環境中（如雨、霧霾）對圓偏振態以及通信性能的影響，並把圓偏振編碼技術推向實際套用。針對現有無線光通信系統調製可靠性較低的問題，利用圓偏振編碼調製技術改善系統性能。從理論上推導線偏振態和圓偏振態之間的轉換過程，為圓偏振調製的編碼解碼和檢測接收提供了理論基礎；提出了兩種圓偏振調製實現方案，設計了相應的圓偏振雷射通信系統，在同一套系統中同時驗證兩種調製方式。通過簡單的實驗驗證，說明了圓偏振調製的可行性，特別是CPolSK採用差分接收，信號幅值是CPolDM的2倍，CPolDM可兩路信道同時傳送信息，通信容量是CPolSK的2倍。大氣對圓偏振態影響很小，圓偏振態同時具有旋轉對稱性，特別適合用於移動平台上的通信終端，具有很高的可靠性。設計的圓偏振調製通信系統功能完備，可同時驗證兩種調製方式；同時該系統結構簡單，實現方便。實驗系統中採用克卜勒型光學天線，軸向尺寸較大，若採用天線最佳化技術，很容易實現系統輕小化，特別適合用作星載通信終端。圓偏振調製技術可降低系統成本、提高系統可靠性，有著非常重要的套用價值，在未來的雷射通信領域中有廣闊的套用前景。
