大气光通信中大气闪烁时间平滑效应研究

利用大气闪烁的时间平滑效应,增加光电探测器曝光时间是克服大气闪烁对大气光通信的瞄准、捕获、跟踪链路影响的有效途径之一.基于科尔莫戈罗夫谱,导出了弱湍流起伏区无限平面波和球面波的大气闪烁时间平滑因子的一般表达式,并且用几何光学近似得到了在大孔径和小孔径接收情况下的时间平滑因子近似表达式.在孔径远大于菲涅耳区尺度时,平面波和球面波的时间平滑因子的近似表达式与精确表达式的误差分别小于6%和3%.分析结果表明,孔径越小,时间平滑效应越显著,并且菲涅耳区尺度对时间平滑效应影响的程度也随着孔径的增加而减弱.     

深空光通信中的图像信标捕获技术

为实现深空光通信链路建立过程中精确的对准,提出了一种深空光通信系统扩展信标的捕获方案。该方案以可视地球图像作为信标,在航天器上存储一幅信标图像作为参考图像,采用天线扫描的方式在各点对所瞄准的区域成像,利用像素扫描的方式,使参考图像和实际探测图像进行相关,在天线扫描完成以后,找出相关性最大的位置,即可认为在该点捕获到地球图像。在计算两图像相关系数的过程中,由于傅里叶梅林变换幅度谱具有伸缩及旋转不变性,因此利用傅里叶梅林变换即可消除两图像相关系数因为旋转和伸缩的影响。利用蒙特卡罗方法随机产生1000个视场,仿真结果表明,3σ内正确捕获到信标图像的概率为99.6%,表明这是一种可行的方法。     

温度对潜望式激光通信终端SiC反射镜性能影响

分析了温度梯度和均匀温度对潜望式激光通信终端反射镜形变的影响,利用椭圆域上的Zerni-ke多项式对椭圆反射镜的波前进行拟合,计算由于热形变导致的波前畸变误差,给出了星间激光通信终端反射镜均方根值、发射光束瞄准误差、接收端光强随温度梯度和均匀温度的变化关系。结果表明:温度梯度对反射镜的影响只是引起峰值光强的漂移和少许下降,当温度梯度为14℃/m时瞄准误差达2.1μrad。均匀温度会引起接收端的光强分布变化,从而导致很大的瞄准误差和光强衰减,当均匀温度与参考温度的差值小于0.6℃时,由波前畸变误差引起的瞄准误差小于1μrad,当差值大于0.6℃时,瞄准误差突然增大到几μrad,接收端光强分布发生变化,此时反射镜热形变引起的像散项对光强分布起重要作用。     

基于拉盖尔-高斯光束的单光子捕获理论研究

基于TEM₁₀模拉盖尔-高斯光束,推导自由空间量子密钥分配中单光子捕获概率表达式。针对低轨卫星-地面站间激光链路进行单光子捕获分析。结果表明：采用可高度衰减激光脉冲的TEM₁₀模拉盖尔-高斯光束作为单光子源,单光子捕获采用前驱波参考脉冲设置时间窗口的方法,可使卫星上接收机以最大概率捕获光子。与基模高斯光束相比,采用TEM₁₀模拉盖尔-高斯光束的优点是,不会由于卫星运动而增加单光子捕获概率的损耗。     

Further analysis of scintillation index for a laser beam propagating through moderate-to-strong non-Kolmogorov turbulence based on generalized effective atmospheric spectral model

A new expression of the scintillation index(SI) for a Gaussian-beam wave propagating through moderate-to-strong non-Kolmogorov turbulence is derived, using a generalized effective atmospheric spectrum and the extended Rytov approximation theory. Finite inner and outer scale parameters and high wave number "bump" are considered in the spectrum with a generalized spectral power law in the range of 3–4, instead of the fixed classical Kolmogorov power law of 11/3. The obtained SI expression is then used to analyze the effects of the spectral power law and the inner scale and outer scale on SI under various non-Kolmogorov fluctuation conditions. These results will be useful in future investigations of optical wave propagation through atmospheric turbulence.     

Study on irradiation-induced defects in GaAs/AlGaAs core–shell nanowires via photoluminescence technique

To gain a physical insight into the radiation effect on nanowires(NWs), the time resolved photoluminescence(TRPL)technique is used to investigate the carrier dynamic behaviors in GaAs/AlGaAs core–shell NWs before and after 1-MeV proton irradiation with fluences ranging from 1.0 × 10~(12) cm~(-2) to 3.0 × 10~(13) cm~(-2). It is found that the degradations of spectral peak intensity and minority carrier lifetime show similar trends against irradiation fluence, which is closely related to the displacement defects induced by irradiation. We also find that the proton irradiation-induced defects behave as Shockley–Read–Hall(SRH) recombination center trapping free carriers. Finally, the defect concentration could be estimated through measuring the minority carrier lifetime.     

星地激光链路中光束发散角与跟瞄误差的最佳比值

 实际星地光通信系统的发射光束为高斯型的情况下，跟瞄误差和大气闪烁是星地激光链路中的主要信道噪声源。在结合两者对系统性能影响的前提下，对星地激光通信链路进行了理论分析和模型建立。基于该模型对星地激光链路中光束发散角与跟瞄误差之比的优化选择问题进行了研究。结果表明：对于上行链路，在不同误码率需求下都存在一个光束发散角与跟瞄误差的最佳比值，使得上行链路余量最大；对于下行链路，在不同误码率要求下均存在一个光束发散角与跟瞄误差的最佳比值，使得下行发射光功率的需求最小。利用最优化方法和最小二乘法拟合，得到星地激光链路中光束发散角与跟瞄误差的最佳比值和系统误码率的经验公式。     

Angle-of-arrival fluctuations in moderate to strong turbulence

Based on the modified spectrum, the analytic expressions for the variance and normalized covariance of angle-of-arrival (AOA) fluctuations are presented, which are applicable to the weak and strong regimes. The experimental data of AOA fluctuations validate the new derived expressions in weak and strong regimes. The results show that the receiving aperture D, outer scale and cell scale larger than the scattering disc S contribute significantly to the AOA fluctuations, and contributions from the small-scale turbulence are negligible. For the case of 4S/D\ll 1, the receiving aperture dominates low-pass filtering effects and the new displacement variances are in good agreement with the results from the old weak-fluctuation theory. For the case of 4S/D\gg 1, the scattering disc dominates the low-pass filtering effects and the new displacement variances depart from the results from the old weak-fluctuation theory.     

位移辐射效应对量子阱激光器性能的影响

使用加速器对量子阱半导体激光器进行了总通量1×10¹⁶cm^-2的电子辐照实验.辐射实验结果表明,在辐射环境下激光器的输出功率下降、阈值电流增加.从理论上分析了位移效应对量子阱激光器的影响,并推导了电子通量与相对阈值电流变化、相对输出功率变化的函数关系式.该公式的计算结果与实验测试结果符合很好,有效地反映了电子辐照环境下激光器的性能变化趋势.该公式可用于预测激光器在辐射环境下的性能变化,有着较大实际应用价值.     

光子晶体四信道波分复用器的研究

提出了一种由2-D光子晶体构成的四信道波分复用系统。该系统包括利用光子晶体的线缺陷实现的波导部分和利用光子晶体微腔实现的频率选择部分。采用时域有限差分(FDTD)方法,研究了光在含点缺陷(即微腔)和线缺陷(即波导)的光子晶体中的传输特性,并给出了仿真结果。计算结果表明,该结构可以实现波长为λ=1550nm附近的四信道波分复用。