自由空间光通信中光学天线的像差设计举例

自由空间光通信(Free Space Optical Communication,FSOC),又称大气激光通信(Free Space Laser Communication,FSLC)或无线光通信(Wireless Optical Communication,WOC)。自由空间通信是以大气为媒介,让载波激光在大气中传输有效信息,达到通信目的。自由空间光通信具有无线电通信的便利性,同时也继承了光纤通信的绝大部分优点,尤其是大通信容量的特点,是“无线+宽带”的有效解决方案。

自由空间光通信是一种定向的点对点通信,一个简单的自由空间光通信终端由音像信号编码、激光发射光学天线、激光接收光学天线、音像信号滤波解码等部分组成。其中光学天线相当于一物镜系统,可以采用折射、反射或折反光学系统。用于激光发射和接收的光学天线可以相同,也可以不同,如图4-14所示。对于发射用光学天线,应尽量使激光发射光束准直性好,传输距离远;对于接收端光学天线,应尽量多地接收包含目标信号在内的自由空间微弱光辐射,然后将光信号耦合到滤波器的接收端,滤除噪声,保留目标信号。

图4-14　自由空间光通信发射与接收光学天线(www.xing528.com)

因此,接收端光学天线的光学特性特点为:入瞳直径大(便于尽可能多接收来自自由空间的光信号),具有一定视场(取决于后续耦合滤波的敏感面大小),相对孔径大,工作波长一般为近红外(与激光器波长有关,常取1.55μm,透过率高、大气损耗小、人眼安全),结构尽量简单以增加透过率。

像质评价时,应尽量减小弥散圆,光学分辨率与光电探测器分辨率相匹配;像差校正时,要考虑校正球差、彗差、场曲、像散等,还要校正色差等。

本节举一例,在ZEMAX中用像差设计建立评价函数,为以后传函优化建立较好的结构形式。