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無線光相干通信原理及應用

為了解決單模光纖距離的問題，作者柯熙政 這樣論述：

主要圍繞無線光相干通信的關鍵技術，對光束耦合、信號光偏振態控制和波前校正進行論述，內容包括：對相干光通信基本原理和外差探測條件進行闡述；利用陣列耦合接收和大口徑耦合技術，實現空間光-光纖耦合；以類比退火演算法、粒子群演算法和SPO演算法等為例，介紹它們對信號光偏振態的控制；分析常規自我調整光學技術、無波前探測自我調整光學技術以及非線性光學共軛技術對信號光畸變波前的校正；介紹光束模式對相干探測性能的影響。   《無線光相干通信原理及應用》理論聯繫實際，既有理論推演，也有實驗結果，可以幫助讀者進一步理解《無線光相干通信原理及應用》的理論知識。 第1章 無線光相干通信概述 1 1.

1 自由空間光通信基本概念 1 1.2 自由空間光通信發展現狀 1 1.3 相干光檢測國內外研究現狀 3 1.3.1 星間相干光檢測研究現狀 3 1.3.2 光纖通信相干光檢測研究現狀 7 1.3.3 自由空間相干探測通信系統的發展現狀 9 1.4 影響相干探測性能的因素 17 1.4.1 自由空間相干探測系統性能影響因素的研究現狀 17 1.4.2 部分相干光束相干探測系統影響因素的研究現狀 20 1.5 波前校正的國內外研究現狀 20 1.5.1 大氣湍流補償技術研究現狀 21 1.5.2 波前校正技術的國外研究現狀 22 1.5.3 波前校正技術的國內研究現狀 22 參考文獻 24 第

2章 相干光通信 38 2.1 相干光通信的基本原理 38 2.1.1 基本原理 38 2.1.2 零差探測 40 2.1.3 外差探測 41 2.1.4 調幅信號的外差探測 41 2.2 相干調製與解調 42 2.2.1 相干系統的光調製 42 2.2.2 相干解調 44 2.2.3 系統性能 47 2.3 影響檢測靈敏度的因素 48 2.3.1 相位雜訊 48 2.3.2 強度雜訊 48 2.3.3 偏振雜訊 49 2.3.4 相干光通信系統的關鍵技術 49 2.4 光外差檢測的空間相位條件 49 2.4.1 空間相位條件 49 2.4.2 光外差檢測的頻率條件 52 2.4.3 光外差檢

測的偏振條件 53 2.5 零差探測與外差探測 53 2.5.1 零差相干探測 55 2.5.2 相干探測 56 2.6 相干探測系統組成 57 2.6.1 波前校正模組 58 2.6.2 偏振控制模組 61 2.6.3 雷射器穩頻模組 62 2.6.4 平衡探測模組 64 2.6.5 相干解調模組 66 2.7 相干探測系統性能分析 66 2.7.1 相干探測系統信噪比及檢測靈敏度 66 2.7.2 理想情況下相干探測系統性能分析 70 2.7.3 光路對準誤差情況下相干探測系統性能分析 73 2.8 信噪比、誤碼率和探測靈敏度 78 2.8.1 直接探測與外差探測的信噪比 78 2.8.2

直接探測與外差探測的誤碼率 80 2.8.3 直接探測與外差探測的探測靈敏度分析 83 2.9 波前畸變對空間相干光通信的影響 85 2.9.1 波前畸變原理 85 2.9.2 波前畸變的影響 87 參考文獻 89 第3章 空間光——光纖耦合及光束控制 91 3.1 空間光-光纖耦合技術 91 3.1.1 理想條件下透鏡-單模光纖耦合 92 3.1.2 高斯光束耦合 97 3.2 弱湍流大氣中空間平面波-透鏡-單模光纖耦合 99 3.2.1 大氣湍流中光場分佈及折射率功率譜 99 3.2.2 大氣湍流中透鏡耦合 104 3.2.3 大氣湍流中透鏡耦合光功率相對起伏方差 108 3.2.4

大氣湍流中透鏡陣列的空間光耦合 111 3.3 空間光耦合自動對準演算法 115 3.3.1 空間光耦合自動對準概述 115 3.3.2 類比退火演算法 116 3.3.3 粒子群演算法 122 3.4 基於馬卡天線的陣列光束控制 127 3.4.1 馬卡天線及存在的問題 127 3.4.2 基於馬卡天線的陣列高斯光束控制 128 3.4.3 大氣湍流中馬卡天線的耦合效率 137 參考文獻 140 第4章 光束偏振控制技術 144 4.1 光束偏振控制進展 144 4.1.1 偏振控制器的研究現狀 144 4.1.2 偏振控制演算法的研究現狀 145 4.2 相干光通信系統與偏振控制 147

4.2.1 光偏振的表示 147 4.2.2 相干光通信系統的偏振控制 150 4.3 相干光通信偏振控制模型和控制演算法 156 4.3.1 相干光通信系統的偏振控制模型 156 4.3.2 偏振控制中的類比退火演算法 157 4.3.3 粒子群優化演算法在偏振控制中的應用 161 4.3.4 SPO演算法的設計以及在偏振控制中的應用 164 4.3.5 三種演算法的比較 170 4.4 偏振控制器的無端復位 171 4.4.1 小步倒退復位法和直接復位法 171 4.4.2 直接重定方式的實驗 175 4.5 偏振控制的實驗 177 4.5.1 實驗裝置 177 4.5.2 偏振控制的外

場實驗 177 參考文獻 182 第5章 雙平衡探測 184 5.1 國內外發展歷史和現狀 184 5.1.1 國外發展歷史和現狀 184 5.1.2 國內發展歷史和現狀 186 5.2 雙平衡探測系統結構與原理 187 5.2.1 雙平衡探測技術中90±光混頻器的分類 188 5.2.2 平衡探測器的分類 194 5.2.3 雙平衡檢測原理 197 5.3 雙平衡探測技術的平衡失配分析 202 5.3.1 光混頻器的影響 202 5.3.2 平衡探測器的影響 207 5.4 雙平衡探測系統中共模抑制比 210 5.4.1 共模抑制比 210 5.4.2 信噪比 212 5.4.3 數值模擬

214 5.5 雙平衡探測系統Optisystem模擬 217 5.5.1 雙平衡探測系統模擬 217 5.5.2 功率失配對雙平衡探測信噪比的影響 219 5.5.3 時間失配對雙平衡探測信噪比的影響 221 參考文獻 222 第6章 波前校正系統 225 6.1 自我調整光學系統研究現狀 225 6.2 相干光通信中的自我調整光學系統 227 6.2.1 自我調整光學原理 227 6.2.2 波前感測器 228 6.2.3 波前校正器的工作原理 230 6.3 系統誤差分析 231 6.3.1 自我調整光學系統誤差分析 231 6.3.2 抑制系統誤差方法 232 6.4 波前控制器的

實現 234 6.4.1 波前重構理論 234 6.4.2 變形鏡影響矩陣的測量 240 6.4.3 波前控制演算法實現 242 6.5 波前畸變的校正 245 6.5.1 閉環控制參數調節過程分析 245 6.5.2 波前相位畸變對混頻效率的影響 246 6.5.3 對相干混頻效率的影響 248 6.6 實驗驗證 250 6.6.1 波前控制器的動態特性分析 250 6.6.2 波前畸變校正效果分析 252 參考文獻 260 第7章 無波前探測自我調整光學校正 263 7.1 自我調整光學基本原理 263 7.1.1 波前校正器 264 7.1.2 波前控制器 266 7.1.3 SPGD

演算法 267 7.2 SPGD演算法對畸變高斯光束的波前校正 268 7.2.1 光傳輸方程與多相位屏法 268 7.2.2 高斯光束大氣湍流傳輸類比 269 7.2.3 不同湍流強度下信號光波前校正 271 7.2.4 自我調整光學技術對相干光通信系統性能的改善 272 7.3 實驗研究 274 7.3.1 SPGD演算法對靜態波前畸變的校正 274 7.3.2 SPGD演算法對外差探測相干光通信系統的波前校正 277 參考文獻 281 第8章 LC-SLM-R的空間相干光通信波前校正技術 282 8.1 液晶空間光調製器相位標定 282 8.1.1 LC-SLM相位標定 282 8.1

.2 LC-SLM的結構 283 8.1.3 鐘斯矩陣分析LC-SLM的相位調製原理 284 8.2 LC-SLM的相位標定原理 290 8.2.1 干涉條紋移動法 290 8.2.2 干涉條紋移動法實驗原理 291 8.3 相位標定實驗 292 8.3.1 反射式空間光調製器相位標定實驗 292 8.3.2 最小二乘擬合 293 8.4 LC-SLM-R的空間相干光通信波前校正系統 295 8.4.1 LC-SLM-R波前畸變校正原理 295 8.4.2 波前校正系統基本組成 295 8.5 波前測量原理 297 8.5.1 橫向剪切干涉儀靜態波前測量 297 8.5.2 夏克-哈特曼波前感

測器即時波前測量原理 303 8.6 波前重構 304 8.6.1 Zernike多項式 304 8.6.2 基於Zernike多項式的波前重構 305 8.7 LC-SLM-R波前校正實驗 306 8.7.1 靜態波前校正實驗 306 8.7.2 外場實驗 313 參考文獻 316 第9章 受激布裡淵散射波前畸變校正技術 319 9.1 非線性光學共軛技術 319 9.2 光學相位共軛技術補償鐳射波前畸變 320 9.3 受激布裡淵散射理論 322 9.4 SBS相位共軛技術補償鐳射傳輸畸變數值分析 324 9.4.1 湍流強度的影響 325 9.4.2 取樣孔徑的影響 326 9.4.3

傳輸距離的影響 328 9.5 受激布裡淵散射實驗研究 330 9.5.1 實驗裝置 330 9.5.2 SBS相位共軛鏡補償畸變系統 331 9.5.3 普通全反射鏡系統 332 參考文獻 334 第10章 光束模式對相干探測系統性能的影響 335 10.1 模式分解基本理論 335 10.1.1 非相干模分解數學模型 335 10.1.2 相干模分解 337 10.2 光束模式對相干探測系統性能的影響 339 10.2.1 大氣湍流條件下光束模式對相干探測系統影響的數學模型 339 10.2.2 光束模式對相干探測系統性能的影響 346 10.3 1.3km相干探測系統實驗結果分析 3

54 10.4 部分相干GSM光束通過湍流的光強分佈 357 10.5 部分相干GSM光束通過湍流的模係數分佈 358 10.6 湍流對光束模式的影響 359 10.6.1 光源參數對權重因數的影響 359 10.6.2 湍流參數對權重因數的影響 361 10.6.3 傳輸距離對權重因數的影響 362 10.7 湍流對歸一化M2因數的影響 362 10.7.1 光源參數和傳輸距離對歸一化M2因數的影響 363 10.7.2 大氣湍流對歸一化M2因數的影響 364 10.8 數值模擬 365 10.8.1 數值模擬光束模式的計算方法 365 10.8.2 傳輸距離對模式係數的影響 365 10.

9 實驗研究 370 10.9.1 實驗原理 370 10.9.2 實驗結果 370 參考文獻 372

VCSEL 技術原理與應用

為了解決單模光纖距離的問題，作者盧廷昌,尤信介 這樣論述：

　　垂直共振腔面射型雷射的發展與量產將近40年，在光通訊與光資訊領域已經成為不可或缺的主動光源最佳解決方案，並在近10年陸續應用在各式各樣的感測器相關用途，因此相關產業也開始進入高速成長期。 　　本書主要針對大專院校及研究所具備物理、電子電機、材料、半導體與光電科技相關背景的學生以及相關產業研發人員，提供一個進階課程所需的參考書。全書共分為七章，第一章將介紹面射型雷射發展歷程，第二章主要說明半導體雷射操作原理接續第三章針對面射型雷射結構設計考量與第四章動態操作等特性分析，第五章介紹目前最廣泛應用的砷化鎵系列材料面射型雷射製程技術，第六章探討長波長面射型雷射製作技術以及在光

通訊、光資訊以及感測技術上的應用，第七章介紹採用氮化鎵系列材料製作短波長面射型雷射之最新進展以及相關應用及發展趨勢。 　　臺灣在面射型雷射技術研發已經形成涵蓋上中下游的磊晶成長、晶粒製程與封裝模組的完整產業鏈，希望讀者能藉由本書了解相關產業發展概況並激發深入研究的動機與興趣。  

利用標準CMOS製程來開發並製作低損耗氮化矽波導

為了解決單模光纖距離的問題，作者徐子軒 這樣論述：

矽光子學為基於絕緣層上的矽晶片基板平台來實現高密度光子與電子元件積體整合電路的技術，其優勢為能夠整合半導體製程技術達到低成本的優勢，並結合光通訊的高頻寬、長距離傳輸和高抗電磁干擾特性。目前矽光子主要以矽材料為主，但在晶片上需要因應不同的需求，新型材料的研發對拓展矽光子應用領域極為重要。其中針對波導損耗考量，雖然矽的高折射率對比特性能夠實現小尺寸波導結構，但是對製程精準容忍度比較低。許多研究團隊選擇使用氮化矽作為波導的主要材料；在光學特性上氮化矽波導的折射率對比度略低於矽波導，具備較高的製程容忍度以及較低的光學損耗。此外，氮化矽於可見光和近紅外區域的吸收極低，因此能夠實現可見光以及近紅外光積體

光電元件。本研究論文目標為利用國家實驗研究院台灣半導體研究中心齊全的半導體產線來開發氮化矽波導平台並且製作低損耗氮化矽波導，希望藉由改善製程條件跟波導設計來實現低光學損耗特性。製程方面主要針對薄膜沉積跟蝕刻製程進行優化，我們利用三種氣相沉積薄膜機台來成長氮化矽薄膜，並且實際製作氮化矽波導。蝕刻製程則藉由優化蝕刻參數以及氧化濕蝕刻的方法來降低波導側壁的粗糙度，使其更加平滑。接著透過邊緣耦合和光學頻域反射儀兩種方式進行光學損耗量測，來比較不同薄膜下氮化矽波導的光學損耗。由量測結果顯示低壓化學氣相沉積系統於製作厚度為300奈米的氮化矽波導有較佳的光學損耗約3 dB/cm。進一步，我們也設計不同厚度的

單模波導結構，希望藉由扁平波導的設計來降低光於波導內傳播時，由於波導側壁的粗糙所導致的散射損耗。結果顯示300 跟200 奈米厚度氮化矽波導是相近，而100 奈米厚度波導由於量測插入損耗過大，而難以推算出其傳輸損耗。本論文已經成功利用台灣半導體研究中心設備建立氮化矽波導平台，並能夠成功的製作出傳播損耗為2-3 dB/cm的氮化矽波導，未來將會針對熱退火製程以及扁平波導的設計去進一步的降低其光學損耗。