激光通信系统关键技术研究_吕春雷

☉ 吕春雷 （中国科学院长春光学精密机械与物理研究所）

摘要：阐述了空间相干激光通信系统中的部分关键技术，对相干检测技术在空间激光通信应用中特殊性－多普勒频移、跟踪误差、天空背景光、偏阵态、大气湍流对相干检测效率的影响进行重点研究，最后对空间相干激光通信的可行性和应用前景进行分析。

关键词：激光通信 抗干扰 相干探测

1 引言

空间激光通信发展的一个重要趋势是：研究重点从IM/DD逐渐向相干通信机制转变，之所以呈现这个趋势，一方面取决于相干通信在原理上所固有的更高探测灵敏度和抗强背景光干扰能力；同时也得力于近年来相干激光通信系统中的关键技术不断得到突破，瓶颈得到解决。

2 发展趋势

近年来的典型研究成果有：（1）欧空局启动SROIL研究计划[1]，采用零差BPSK，波长为1.06μm，码速率达到1.5Gb/s，天线尺寸仅为35mm，端机质量＜1Okg，功耗＜40W。（2）日本国家宇宙开发事业团(NASDA)对各种相干通信方案进行了星间通信的对比研究[2]，典型系统参数为：发射源为1550nm 的DFB激光器，线宽小于50kHz；采用EDFA做功放和前放；本振激光器频率可调谐；用窄带滤波器(O.1～1nm)抑制EDFA的ASE噪声；中频部分采用电锁相环补偿Doppler频移。该系统最高码速率为2.5Gb/s，接收灵敏度优于50photons/bit；（3）美国加州理工的JPL也重点研究ASK和B/SK调制信号集检测与解调方案的量子极限的理论和方法，扩展星间光通信链路的信道容量[3]。在空间相干激光通信演示验证方面，2008年3月美国NFIRE卫星与德国TerraSAR-X卫星实现了距离为5000公里的LEO卫星间链接，并以5.5 Gbit/s的数据传输速度地实现了双向通信[4]。通信波长为10 nm，望远镜口径125mm, 终端质量小于30 kg, 功耗低于130 W，检测方式是零差相干检测。这些性能是IM/DD激光通信所望尘莫及的，它将大大推进相干激光通信发展的进程。

3 工作原理

图1为典型的外差异步解调系统框图。

率调制外，其他都是采用外光调制方式。对于高速率调制，通常采用电光外调制技术，可以完成对光载波的振幅、频率和相位的调制。如利用扩散LiNbO3马赫干涉仪或定向耦合式的调制器可实现ASK 调制，利用量子阱半导体相位外调制器或LiNbO3相位调制器实现PSK调制等。

4.2跟踪误差对相干通信的影响

与光纤相干激光通信不同，信号光入射的角度存在一定跟踪误差，此误差的存在，不仅使接收端的光功率密度下降（与IM/DD影响机理一致），而且它破坏了光束准直条件。如果光电探测器的混频口径为D,本振准直光束垂直入射，而信号光的跟踪误差为，光学混频器输出的中频电流表达式为

当时，中频电流为0，探测灵敏度最小，于是得到最

大允许的误差角为：

图1 外差异步解调系统框图

对于外差检测其光电探测器的光电流表达式为：

这表面两列不平行光对外差探测的效率影响很大，如果

，对应的最大跟踪误差为：。为了D=10mm，

提高探测效率，尽量减小跟踪误差。

4.3大气湍流引起的波前相位畸变对相干通信影响

大气湍流散射的散斑效应和闪烁效应严重影响空间激光通信性能指标，对于相干激光通信系统也不例外。对于IM/DD激光通信系统，希望采用大接收口径，利用口径平滑效应可有效抑制大气湍流影响。但是对于相干激光通信系统并非如此。当接收直径小于大气相干长度时，其探测灵敏度随接收口径的d增机近似线性增加，但是当接收口径超过后，相干接收灵敏度不再增加。其表达式为：

和分别为信号光与本振光的功率和相式1中:PS和PL，

位，为外差检测的中频，为本振光频与信号光频的差。由此可分析出，相干激光通信具有以下特点：（1）相干检测具有较高的灵敏度：本振光在相干检测中的作用相当于光放大，通过提高PL可实现较高的灵敏度，接近量子噪声极限。在相同的码速率和误码率条件下，其探测灵敏度比IM/DD提高10-25dB。这意味着相干激光通信可实现更高速率或更远距离的空间激光信息传输；（2）相干还具有极强的波长选择性：由此可带来频域多信道复用的潜在优势，为更高速率（10Gbps以上）的信息传输奠定基础；更为重要的是，波长选择性使得相干通信机具有强背景光抑制能力。

4关键技术分析

4.1高速率外调制技术

在相干光通信系统中，除FSK 可以采用直接注入电流进行频

大气散射使光学波前的达到一定的程度，在空间链路中有用的信号光被在相干面积之内，而比相干面积大的光学口径，在外差接收中仅增加附加的背景噪声，不再提高灵敏度。

5应用前景分析

利用空间相干激光通信所具有的高接收灵敏度、超强天空背景光抑制能力和支持多种调制方式等特点，空间相干激光通信技术将成为空间光通信极具潜力的前沿技术之一。相干激光通信能在星际、临近空间、星地和大气激光通信系统中得到广泛的应用。

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