[论文解读] All-fiber photonic lantern multimode optical receiver with coherent adaptive optics beam combining

Bo Zhang, Jianfeng Sun+5 more|arXiv (Cornell University)|May 20, 2021

Optical Network Technologies参考文献 14被引用 10

一句话总结

本文提出了一种全光纤光子灯笼多模光接收机，采用单模光纤中的相干自适应光学波束合成（CBC），实现比传统数字相干合成（DCC）更高的信噪比（SNR）。通过主动相位锁定和3-dB光纤耦合器在光域内相干合束，该系统避免了信号在多个光电二极管间分裂导致的SNR退化，展示了在无湍流条件下62%的相干合成效率，以及在大气湍流模拟条件下64%的效率。

ABSTRACT

A multimode optical receiver for free space optical communications (FSOC) based on a photonic lantern and adaptive optics coherent beam combining (CBC) of the lantern's single-mode outputs is proposed and demonstrated for the first time. The use of optical coherent combining in fiber serves to increase the signal to noise ratio compared to similar receivers based on electrically combined signals, and represents an all-fiber approach to low-order adaptive optics. This optical receiver is demonstrated using a photonic lantern with three outputs, fibre couplers and active phase locking, and further investigated under atmospheric conditions with and without turbulence.

研究动机与目标

• 解决在数字相干合成（DCC）接收机中，将多模信号分割至多个光电二极管所导致的信噪比（SNR）退化问题。
• 克服DCC在大气湍流条件下因光子灯笼输出端功率分布波动而带来的局限性。
• 开发一种全光纤、在光纤内实现的相干波束合成解决方案，利用主动相位锁定和光纤耦合器以维持高SNR。
• 展示在自由空间光通信（FSOC）中，对多模光接收机实现光纤内光合束的可行性。
• 研究单模输出端非均匀功率分布对相干合束效率和SNR性能的影响。

提出的方法

• 利用具有三个单模输出的光子灯笼，将多模输入转换为多个单模信号。
• 通过检测器反馈至相位控制元件的反馈回路实现主动相位锁定，以稳定单模输出之间的相对相位。
• 在光域内使用3-dB光纤耦合器对三个单模输出进行相干合束，而非在电域进行。
• 应用相位屏幕以模拟大气湍流，并在真实条件下评估性能。
• 利用相干干涉测量和单平衡光电二极管检测合束信号，以保持SNR。
• 基于输出端功率分布的理论模型分析SNR性能，其中公式（10）和（11）量化了DCC与CBC之间的SNR差异。

实验结果

研究问题

• RQ1 在光域内进行相干波束合成是否能够缓解多模光接收机中因信号分割导致的SNR退化？
• RQ2 光子灯笼输出端非均匀功率分布对数字合成与光学生理合束性能有何影响？
• RQ3 在理想条件和湍流大气条件下，全光纤CBC系统的可实现相干合成效率是多少？
• RQ4 主动相位锁定在多模接收机的光纤内波束合稳定性与效率方面，能提升到何种程度？
• RQ5 在动态大气湍流条件下，所提出的基于CBC的接收机与传统DCC相比，SNR表现如何？

主要发现

• 所提出的相干波束合成（CBC）接收机在无湍流条件下实现了62%的相干合成效率。
• 在使用相位屏幕模拟大气湍流的条件下，相干合成效率仍保持在64%的高水平。
• 针对7×1光子灯笼的理论建模表明，CBC在功率不平衡情况下SNR保持恒定，而DCC的SNR显著下降——例如，当功率集中在两个输出时，DCC的SNR仅为CBC的40%。
• 在理想情况下（器件损耗可忽略），无论是否存在湍流，相干合成效率最高可达99%。
• 在所有非均匀功率分布场景中，CBC方法的SNR均优于DCC，且随着功率不平衡程度增加，优势进一步扩大。
• 该系统展示了利用主动相位锁定和光纤耦合器实现全光纤、在光纤内自适应光学的可行性，适用于自由空间光通信（FSOC）和LIDAR应用中的多模光接收机。