Увеличение эффективности сопряжения оптического волокна с атмосферным каналом связи путём использования средств адаптивной оптики

Топоровский В.В., Галактионов И.В., Казанцев С.Ю., Колесников О.В.

Ссылка для цитирования:

Топоровский В.В., Галактионов И.В., Казанцев С.Ю., Колесников О.В. Увеличение эффективности сопряжения оптического волокна с атмосферным каналом связи путём использования средств адаптивной оптики // Оптический журнал. 2026. Т. 93. № 8. С. 74–83. http://doi.org/10.17586/1023-5086-2023-93-08-74-83

Toporovsky V.V., Galaktionov I.V., Kazantsev S.Yu., Kolesnikov O.V. Increasing the efficiency of coupling optical fiber with an atmospheric communication channel by using adaptive optics [in Russian] // Opticheskii Zhurnal. 2026. V. 93. № 8. P. 74–83. http://doi.org/10.17586/1023-5086-2026-93-08-74-83

Ссылка на англоязычную версию:

Аннотация:

Предмет исследования. Эффективность сопряжения оптического волокна с атмосферным каналом связи. Цель работы. Создание стенда, имитирующего атмосферный оптический канал связи с генератором атмосферной турбулентности, спектр которой идентичен реальной с коррекцией флуктуаций фазы при помощи адаптивной оптической системы замкнутого цикла с двумя лазерными источниками излучения: 1550 нм — для передачи основного излучения и ослабленное излучение 830 нм, которое используется для анализа характеристик турбулентности на датчике волнового фронта Шэка–Гартмана для повышения уровня сигнала в принимающем оптическом волокне при прохождении лазерного излучения через слой искусственно-генерируемой атмосферной турбулентности. Метод. На диагностическом стенде с генератором искусственной атмосферной турбулентности в виде тепловентилятора датчиком типа Шэка–Гартмана анализировался волновой фронт распространяющегося лазерного излучения. На основе алгоритма фазового сопряжения минимизировались отклонения фокальных пятен реального пучка от искомых координат, учитывая функции отклика отдельных управляющих элементов биморфного деформируемого зеркала. Оценка эффективности коррекции аберраций волнового фронта оценивалась по уровню сигнала на анализаторе мощности, сопряжённым с оптическим волокном. Основные результаты. Применение системы коррекции аберраций волнового фронта лазерного излучения на основе биморфного деформируемого зеркала и датчика волнового фронта Шэка–Гартмана позволяет увеличить уровень сигнала на оптическом волокне на 1,3 дБ. Практическая значимость. Полученные в работе результаты могут быть использованы в атмосферных оптических линиях связи для повышения эффективности передачи лазерного излучения.

Ключевые слова:

адаптивная оптика, биморфное деформируемое зеркало, датчик волнового фронта Шэка–Гартмана, анализатор мощности

Коды OCIS: 230.4040, 220.1080, 010.1285, 060.2605

Список источников:

1. Aarthi G., Ramachandra G. R. Average spectral efficiency analysis of FSO links over turbulence channel with adaptive transmissions and aperture averaging // Optics Communications. 2018. V. 410. P. 896–902. DOI: 10.1016/j.optcom.2017.1063

2. Schiavon M., Vanzo A., Campaci K., Marulanda Acosta V., Bonora S. Multi-actuator lens systems for turbulence correction in free-space optical communications // Photonics. 2025. V. 1 P. 870. DOI: 10.3390/photonics12090870

3. Willner A.E., Zhou H., Duan Y., Jiang Z., Ramakrishnan M., Su X., Zou K., Pang K. Advances in multi-channel mid-IR free-space optical communications // J. Lightwave Technol. 2024. V. 42. P. 6739–6748. DOI: 10.1109/JLT.2024.3411514

4. Han M., Joharifar M., Wang M., Schatz R., Puerta R., Sun Y., Fan Y., Maisons G., Abautret J., Teissier R., Zhang L., Spolitis S., Bobrovs V., Lourdudoss S., Yu X., Popov S., Ozolins O., Pang Han X. High spectral efficiency long-wave infrared free-space optical transmission with multilevel signals // J. Lightwave Technol. 2023. V. 41. P. 6514–6520.DOI: 10.1109/JLT.2023.3287934

5. Churnside J. Aperture averaging of optical scintillation in the turbulent atmosphere // Appl. Opt. 1991. V. 30. № 1 P. 1982–1994. DOI: 10.1364/AO.30.001982

6. Hocking W.K. Measurement of turbulent energy dissipation rates in the middle atmosphere by radar techniques: a review // Radio Sci. 1985. V. 20. № P. 1403–1422. DOI: 10.1029/RS020i006p01403

7. Latteck R., Singer W., Hocking W.K. Measurement of turbulent kinetic energy dissipation rates in the mesosphere by a 3MHz Doppler radar // Adv. Space Res. 2005. V. 35. № 11. P. 1905–1910. DOI: 10.1016/j.asr.2005.06.056

8. Nistazakis H.E., Tsiftsis T.A., Tombras G.S. Performance analysis of free-space optical communication systems over atmospheric turbulence channels // IET Commun. 2009. V. 3. № P. 1402–1409. DOI: 10.1049/iet-com.2000212

9. Vetelino F.S., Young C., Andrews L. Fade statistics and aperture averaging for Gaussian beam waves in moderate-to-strong turbulence // Appl. Opt. 2007. V. 46. P. 3780–378 DOI: 10.1364/AO.46.003780

10. Khalighi M., Schwartz N., Aitamer N., Bourennane S. Fading reduction by aperture averaging and spatial diversity in optical wireless systems // J. Opt. Commun. Netw. 2009. V. 1. P. 580–593. DOI: 1364/JOCN.1.000580

11. Носов В.В., Лукин В.П., Носов Е.В., Торгаев А.В. Определение типа атмосферной турбулентности по данным метеорологических измерений, поступающим в оперативном режиме // Оптика атмосферы и океана. 2024. Т. 37. № 7. С. 563–571. DOI: 10.15372/AOO20240704

Nosov V.V., Lukin V.P., Nosov E.V., Torgaev A.V. Determination of the type of atmospheric turbulence according to meteorological measurements received online // Optics of the atmosphere and ocean. 2024. V. 37. № 7. P. 563–571. DOI: 10.15372/AOO20240704

12. Shikhovtsev A.Yu. Reference optical turbulence characteristics at the Large Solar Vacuum Telescope site // Publications of the Astronomical Society of Japan. 2024. V. 76. № 3. P. 538–549. DOI: 10.1093/pasj/psae031

13. Топоровский В.В. Измерение фазовых аберраций волнового фронта при распространении лазерного излучения в искусственно генерируемой атмосферной турбулентности // Электросвязь. 2025. № 11. С. 85–93. DOI: 10.34832/ELSV.2025.73.11.011

Toporovskiy V.V. Measurement of wavefront phase aberrations during laser radiation propagation in artificially generated atmospheric turbulence // Telecommunication. 2025. № 11. P. 85–93. DOI: 10.34832/ELSV.2025.73.11.011

14. Alamouti S.M. A simple transmit diversity technique for wireless communications // IEEE J. Select. Areas Commun. 1998. V. 16. № 8. P. 1451–1458. DOI: 10.1109/49.730453

15. Galaktionov I., Toporovsky V. Performance analysis of an optical system for FSO communications utilizing combined stochastic gradient descent optimization algorithm // Appl. Syst. Innov. 2025. V. 8. P. 143. DOI: /10.3390/asi8050143

16. Belmonte A., Kahn J.M. Sequential optimization of adaptive arrays in coherent laser communications // J. Lightwave Technol. 2013. V. 31. № 9. P. 1383–1387. DOI: 10.1109/JLT.2013.2250484

17. Galaktionov I., Toporovsky V. Gradient descent algorithm for automatic optimization of a laser beam cross-section in free-space optical communication applications // Lecture Notes in Electrical Engineering. 2026. V. 1521. P. 231–240. DOI: 10.1007/978-3-032-14742-4_20

18. Galaktionov I., Toporovsky V. A multi-deformable-mirror 500 Hz adaptive optical system for atmospheric turbulence simulation, real-time reconstruction, and wavefront correction using bimorph and tip-tilt correctors // Photonics. 2025. V. 12. P. 592. DOI: 10.3390/photonics12060592

19. Hogge C.B., Butts R.R. Effects of using different wavelengths in wavefront sensing and correction // Journal of the Optical Society of America. 1982. V. 72. P. 606–609. DOI: 10.1364/JOSA.72.000606

20. Winocur J. Dual-wavelength adaptive optical systems // Appl. Opt. 1983. V. 22. P. 3711–3715. DOI: 10.1364/AO.22.003711

21. Gorelaya A.V., Shubenkova E.V., Dmitriev D.I. Investigation of dual-wavelength laser beam propagation along the in-door atmospheric path // Optics in Atmospheric Propagation & Adaptive Systems XVIII, International Society for Optics and Photonics. 2015. V. 4. P. 61–65. DOI: 10.1117/12.2194332

22. Лукин В.П. Эффективность двухцветной адаптивной оптической системы // Квантовая электроника. 1988. Т. 15. С. 1856–1861. Lukin V.P. Efficiency of a two-color adaptive optical system // Quantum electronics. 1988. V. 15. P. 1856–1861.

23. Zuev V.E., Konyaev P.A., Lukin V.P. Minimization of atmospheric distortion of optical waves in adaptive optics // Soviet Physics Journal. 1985. V. 28. P. 859–878.

24. Toporovsky V., Galaktionov I. Modal wavefront reconstruction of fixed aberrations for piezoelectric deformable mirrors // Lecture Notes in Electrical Engineering. 2026. V. 1521. P. 286–298. DOI: 10.1007/978-3-032-14742-4_25