相干自由空間激光通信技術(shù)

相干自由空間激光通信技術(shù)

1z微波系統(tǒng)與光學鏈路自由空間通信是指在不同距離內(nèi)以不同速度運營的衛(wèi)星，包括低軌（leo）、中軌（meo）、同步軌（geo）和地站與各種衛(wèi)星之間的通信（如圖1所示）。應用于不同層面間的通信系統(tǒng)對應著不同的性能要求。與傳統(tǒng)的微波通信相比,用激光束作為信息載體的自由空間激光通信頻率高,空間和時間相干性好,發(fā)射波束窄,因此具有碼率高、通信容量大、天線尺寸小(60GHz微波系統(tǒng)和光學鏈路的天線理論尺寸比較,如圖2)、功耗低、體積小和保密性高等優(yōu)點,是解決微波通信瓶頸,構(gòu)建天基寬帶網(wǎng),實現(xiàn)全球高速、實時通信的有效手段,具有很大的民用和軍事應用潛力。1960年休斯公司研制出第一臺激光器后即轉(zhuǎn)入了應用研究,建立了第一條大氣激光通信系統(tǒng),但由于大氣散射和不可預測的氣候干擾,通信質(zhì)量較差,難以實用化。進入20世紀90年代后,隨著商業(yè)衛(wèi)星技術(shù)和寬帶數(shù)據(jù)業(yè)務的發(fā)展,空間激光通信的研究發(fā)展開始加速。美國、歐洲、日本等國家都先后開展了關(guān)鍵技術(shù)研究和實驗室模擬,技術(shù)日趨成熟。傳統(tǒng)的強度調(diào)制/直接探測體制下,自由空間光通信系統(tǒng)對抗背景光干擾性能弱,以致于對通信終端的重量、體積、碼率和功耗等都提出了很高的要求。若要滿足將來通信終端高精度、高碼率、輕量化、工業(yè)化的應用標準,具有高接收靈敏度的相干探測是必需的。相干探測技術(shù)大大提高了接收機的靈敏度以及中繼距離,具有優(yōu)良的波長選擇性和抗背景噪聲性能,可發(fā)展成為頻率間隔更小的波分復用系統(tǒng),并且可使用多種調(diào)制方式,特別適用于碼率在Gb/s量級、傳輸距離在幾萬千米的自由空間激光通信。但由于自由空間通信的自身特點,自由空間相干光通信不能簡單地套用光纖通信的相干接收系統(tǒng),需要發(fā)展新的體制。光纖相干通信系統(tǒng)和自由空間相干通信的對比見表1。2相干光通信技術(shù)2.1光電探測器的信號傳輸相干光通信的實質(zhì)是采用了光頻段的外差探測。與直接探測系統(tǒng)相比,多了一個本振激光器。發(fā)射機部分采用外光調(diào)制方式將原信號以調(diào)幅、調(diào)相或調(diào)頻的方式調(diào)制到光載波上,再經(jīng)濾波器和光放大器傳輸出去。傳輸?shù)竭_接收機時,信號光首先與一本振光信號進行相干混頻,然后由探測器進行探測。光電探測器對信號光和本振光的差頻分量響應,輸出一個光電流,從光信號的高頻域(~105GHz)轉(zhuǎn)換到電信號的中頻域(~GHz)?？梢?接收機的光電探測器除了可以解調(diào)光功率的包絡變化之外,只要光譜響應匹配和頻率響應合適,也同樣具有實現(xiàn)光外差探測的能力。此外,在電信號的范圍內(nèi)電子技術(shù)可以用在濾波、解調(diào)等信號處理方面。和直接探測相比,由于相干探測體制探測的是差頻信號,在接收機靈敏度、波長選擇方面等都有顯著提高。2.2相干光通信的特點2.2.1相干體制的靈敏度光束在自由空間的散射和吸收可忽略,光通信系統(tǒng)的主要噪聲是在探測過程中引入的,因此接收機的靈敏度是自由空間光通信的一個重要指標。使用PIN的強度調(diào)制/直接探測接收機受暗電流和熱噪聲影響,靈敏度比量子極限小25dB。為減小熱噪聲,強度調(diào)制/直接探測通常使用雪崩二極管。在不考慮背景光的前提下,其主要噪聲源是雪崩二極管的倍增噪聲和負載電阻的熱噪聲,使雪崩二極管探測器的靈敏度仍比量子極限少10~15dB[4~5]。相干體制的接收機在系統(tǒng)中引入一個本地振蕩產(chǎn)生的光波,探測兩者的混頻信號。本振光功率可以設(shè)置得足夠高(毫瓦量級),這樣信號光在探測前得到放大,效果等同于光放大器,足以使PIN克服熱噪聲影響,大大提高靈敏度。以1.3~1.6μm波段為例,強度調(diào)制/直接探測接收機需要約為1000photons/bit以達到10-9的誤碼率,而相干接收機要達到相同的誤碼率僅需約10~20photons/bit甚至更少,可以達到接近散粒噪聲極限的高性能。可見,相干探測的高靈敏度使相干接收機更適合于弱光信號的探測,而直接探測體制僅適宜于較強光信號的探測。接收機的高靈敏度也增加了光信號的傳輸距離。就自由空間通信而言,強度調(diào)制/直接探測接收機適宜于低軌-低軌之間(5000km以內(nèi)),或同步軌道-低軌以及低軌-中軌之間(約45000km)的星間激光通信,相干接收機更適合其它通信距離更長的星間光通信。此外,靈敏度的提高大大減小了收發(fā)天線口徑,從而降低了通信終端的尺寸、質(zhì)量以及功耗。相干探測體制下零差探測靈敏度比外差探測高出3dB,因此理論上,相干接收機的最高靈敏度可由二進制相移鍵控(BPSK)調(diào)制的零差探測接收機實現(xiàn)。2.2.2外差探測的濾波效果在直接探測中,接收波段較大(~100nm),為抑制雜散背景光的干擾,探測器前通常需要放置窄帶濾光片,但其頻帶仍然很寬。在相干外差探測中,探測的是信號光和本振光的混頻光,因此只有在中頻頻帶內(nèi)的雜散光才可以進入系統(tǒng),而其它雜散光所形成的噪聲均被中頻放大器濾除。可見,外差探測對背景光有著良好的濾波性能。這使得相干光通信系統(tǒng)對寬帶背景光的敏感程度大大降低,受太陽背景、地球背景和其它星光背景的影響極小,這樣的優(yōu)勢是強度調(diào)制/直接探測體制的星間光通信端機完全無法比擬的。此外,由于相干探測優(yōu)良的波長選擇性,相干接收機可以使頻分復用系統(tǒng)的頻率間隔達到100MHz,取代傳統(tǒng)光復用技術(shù)的大頻率間隔(200GHz),具有以頻分復用實現(xiàn)更高傳輸速率的潛在優(yōu)勢。2.2.3高速率的光柵系統(tǒng)的相干光相調(diào)制在強度調(diào)制/直接探測系統(tǒng)中,只能使用強度調(diào)制方式對光波進行直接調(diào)制。直接對激光器進行調(diào)制,如改變半導體激光器的抽運電流,會因激光諧振腔的瞬時過程帶來許多不利因素,因此高速率的光通信系統(tǒng)通常使用外部調(diào)制,該方法較激光器本身的直接調(diào)制可以得到更長的傳輸距離和更高的傳輸率(≥4GHz)。在相干光通信系統(tǒng)中,除了可以對光波進行幅度調(diào)制外,還可以進行頻移鍵控或相移鍵控,如二進制相移鍵控、差分相移鍵控、連續(xù)相頻鍵控等,具有多種調(diào)制方式,利于靈活的工程應用。雖然這樣增加了系統(tǒng)的復雜性和光損耗,但是相對于強度調(diào)制/直接探測只響應光功率的變化,相干探測可探測出光場的振幅、頻率、位相攜帶的所有信息,因此相干探測是一種全息探測技術(shù),這是強度調(diào)制/直接探測體制不具備的。2.3關(guān)鍵技術(shù)2.3.1相干探測的寬在激光的各項參數(shù)中,相干探測只需考慮相位噪聲,而相位噪聲通常被描述為由激光諧振腔內(nèi)的光子自發(fā)輻射造成的頻率噪聲過程,頻譜線寬是可表征這一過程的重要參數(shù)。由于半導體激光器的線寬對于相干探測而言往往過寬,通常取代它的是光抽運的Nd:YAG激光器。但在這種光抽運情況下,相干探測所使用的激光器數(shù)量是直接探測的四倍。此外,光抽運激光器也加大了對電源功率的要求。因此減小激光器線寬是對相干接收機中激光光源的進一步要求。此外,由于本振光和信號光需保證一定的相位關(guān)系,相干探測中所使用的激光器也應具有高穩(wěn)頻性。2.3.2信號光頻率探測的基礎(chǔ)在零差探測的相干接收機中,本振光的相位要嚴格鎖定于信號光,即保證頻率一致。具體而言,零差探測中本振光和信號光頻率一致,外差探測中信號光和本振光頻率差值一定。因此使用零差探測接收機獲得更高靈敏度的代價就是要增加一個光相位同步元件———光學鎖相環(huán)。常用的鎖相環(huán)類型有平衡鎖相環(huán)、決策驅(qū)動鎖相環(huán)以及科斯塔斯鎖相環(huán)。鎖相環(huán)因其自身特點,對原信號類型、橋接器和前置電路,以及功率要求各不相同,最終影響相干探測的性能。2.3.3光橋接器接口光橋接器將信號光和本振光混頻后鏈接到光電探測器,其主要功能是在空間精確合成信號激光波前和本振激光波前,產(chǎn)生兩者的差頻。在性能上光橋接器分為90°相移兩通道輸出,180°相移兩通道輸出和90°相移四通道輸出等結(jié)構(gòu)。180°的相移2×2光橋接器可用于平衡鎖相環(huán)路接收機,90°的相移2×2光橋接器可用于科斯塔斯鎖相環(huán)路接收機,90°相移2×4光橋接器可用于平衡接收和科斯塔斯鎖相環(huán)路相結(jié)合的接收機。在衛(wèi)星激光通信終端中已經(jīng)發(fā)展了一種2×4輸入輸出的塊狀光橋接器,其可以同時實現(xiàn)相差90°的兩組180°相移的輸出,但整個光學系統(tǒng)需要保證光束的嚴格等光程傳輸,類似于白光干涉條件。因此,對光學質(zhì)量和裝配要求非常嚴格,穩(wěn)定性較差,而且元件很多,插入損耗較大,不太適合于衛(wèi)星自由空間激光通信系統(tǒng)應用。自由空間相干光通信所使用的橋接器技術(shù)難點在于克服上述現(xiàn)有技術(shù)的不足,使光橋接器具有結(jié)構(gòu)簡單緊湊,性能穩(wěn)定可靠,損耗小等優(yōu)點。3自由空間通信發(fā)展現(xiàn)狀在迅速增長的天基網(wǎng)絡帶寬要求下,星間光學鏈路終端在20世紀90年代后期蓬勃發(fā)展起來。美國、歐洲、日本等國都制定了多項有關(guān)自由空間激光通信的研究計劃,對自由空間激光通信系統(tǒng)所涉及到的各項關(guān)鍵技術(shù)展開了全面研究,并有多個在軌實驗成功的計劃。美國開展自由空間光通信的研究較早,由于在總體方案上片面強調(diào)了光通信演示系統(tǒng)的跟瞄技術(shù)和光纖通信,目前只實現(xiàn)了近距離低性能的星間通信鏈路。歐洲航天局具有代表性的SILEX計劃[10~20]是世界上首個實現(xiàn)高低軌衛(wèi)星之間信息實時傳輸?shù)男情g鏈路。隨后,歐洲航天局又和英國合作發(fā)展了采用相干探測方式的高碼率、小型化、輕量化、低功耗OPTEL終端系列。一系列的研究計劃和成果使歐洲在自由空間激光通信領(lǐng)域處于國際領(lǐng)先地位。德國航天中心計劃于2007年夏進行在軌實驗的TerraSAR-X計劃中也采用了相干激光通信體制,非常值得關(guān)注[23~31]。3.1衛(wèi)星系統(tǒng)計劃美國于20世紀60年代中期就開始實施空間光通信方面的研究計劃。最主要的研究部門有美國宇航局和美國空軍,其它著名實驗室如林肯實驗室、貝爾實驗室等。歐洲航天局一直非常重視光學空間通信的研究工作。從1986年起,歐洲航天局開始實施半導體星間激光鏈路實驗計劃[10~20]。該計劃是在ESA的同步數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星(ARTMS)和法國同步地球觀測衛(wèi)星SPOT-4之間進行通信實驗。SILEX的低軌光學終端OPALE如圖3所示。通信接收機采用的是直接探測方式。2001年11月,ARTEMIS衛(wèi)星與SPOT-4衛(wèi)星之間的光學鏈路建立,低軌到同步軌道鏈路的通信速率為50Mbps,同步軌道到低軌鏈路的通信速率為2Mbps,誤碼率均低于10-9,是采用直接探測方式實現(xiàn)高精度、低碼率的星間光鏈路成功實例。另外,日本LUCE計劃的OICETS和ARTEMIS終端之間[32~34]也相續(xù)完成了激光通信鏈路,并首次實現(xiàn)了低軌衛(wèi)星和光學地面站的激光通信。上述計劃還處于實驗驗證階段,采用的是簡單可靠的直接探測方式,其在軌鏈路實驗不僅驗證了自由空間光通信的可行性,也為后續(xù)相干光通信系統(tǒng)的發(fā)展奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。3.2相干光通信的研究3.2.1外差頻移鍵控相干光通信機美國的麻省理工學院林肯實驗室在20世紀80年代中期進行了一個名為星間激光傳輸實驗的研究項目[35~37],目的是在40,000km的距離上進行速率為200Mbps的星間激光通信。采用半導體激光和外差探測技術(shù),進行了精密光束控制、調(diào)制類型、相干檢測和光纖放大器等方面的研究,研制完成了一個外差頻移鍵控相干光通信機。發(fā)射機采用波長為1.55mm的摻鉺光纖放大器,調(diào)制速率可達1Gbps,接收機采用了差分相移鍵控的調(diào)制方式和外差探測技術(shù)。該通信機的主要子系統(tǒng)都進行了性能測試和空間環(huán)境測試,由于各種原因,該項目的飛行模型被擱淺,沒有進行飛行實驗。圖4是經(jīng)過了空間環(huán)境測試可上天運行的光束控制模塊和光源裝置。3.2.2單終端模擬研究自1989年起,歐洲航天局在發(fā)展SILEX計劃的同時,還大大加強了對基于Nd:YAG激光器相干光通信的關(guān)鍵技術(shù)和系統(tǒng)研究的投入力度。1996年,短距離星間光學鏈路(ShortRangeOpticalInter-satelliteLink,SROIL)計劃在瑞士正式啟動。該計劃致力于發(fā)展適用于由低軌組成的小衛(wèi)星星座間短距離通信鏈路的小型化、輕量化終端,成功研制了光學演示終端SROIL。由于小衛(wèi)星數(shù)量巨大,成本成為計劃的主要影響因素。1998年,SROIL終端模擬模型完成。該終端的發(fā)射機以1.064mm波長半導體激光器抽運的Nd:YAG激光器作為光源,相干體制的接收機采用二進制相移鍵控調(diào)制方式和零差探測。通信系統(tǒng)的發(fā)射天線孔徑為3.5cm,通信碼率可以達到1.5Gbps,誤碼率低于10-6,總質(zhì)量為15kg,功率為40W。該終端飛行模型的外形尺寸為30cm×20cm×50cm,天線的口徑為4cm。SROIL計劃除了實現(xiàn)短距離低軌衛(wèi)星之外,也開發(fā)了有中遠程的星間光通信終端。中程終端仍采用波長1.064mm波長的半導體激光器抽運的Nd:YAG激光器和二進制相移鍵控調(diào)制的零差相干探測系統(tǒng),該終端可在相距達6000km的兩個低軌衛(wèi)星之間實現(xiàn)6.5Gbps速率的通信,誤碼率低于10-9。終端孔徑10cm,質(zhì)量25kg。SROIL短程、中程終端實物分別如圖5(a)、(b)。和SILEX計劃中使用的OPALE終端,以及ESA后期研制的適用于低軌-同步軌道通信的小型光學用戶終端(SmallOpticalUserTerminal,SOUT)、適用于同步軌道-同步軌道通信的短程光學通信終端(ShortOpticalTelecomTerminal,SOTT)相比,采用了相干接受探測方式的SROIL終端在天線口徑、終端質(zhì)量等性能方面都有明顯提高(歐洲航天局四代終端主要性能對比見表2),更符合星間光通信終端輕量化、小型化的工業(yè)應用標準。SOUT終端實物如圖6。3.2.3opel家族1995年,針對星間激光通信的商業(yè)應用,歐洲航天局與英國OerlikonContravesSpace合作開發(fā)星間光通信應用終端,在SROIL和ISLFE(theInterSatelliteLinkFrontEnd)等項目的支持下,進行了采用相干接收系統(tǒng)的OPTEL系列星間光通信終端的研究。至今OPTEL家族已有三種型號的終端:OPTEL02、OPTEL25和OPTEL80,分別應用于短程,中程和長程的星間鏈路。OPTEL終端主要由三大部分組成:光學頭單元組件、激光單元組件和電子單元組件。其中,光學頭單元組件執(zhí)行捕獲、跟蹤和接收信號的功能,激光單元組件和電子單元組件執(zhí)行光信號的調(diào)制和輸出、PAT子系統(tǒng)控制、功率支持、溫控、衛(wèi)星接口等功能。OPTEL終端采用了同步二進制相移鍵控零差探測接收機,以及階梯式抽運光發(fā)射機,抽運Nd:YAG激光光纖放大發(fā)射機,808nm的半導體激光抽運Nd:YAG發(fā)射波長為1064nm的信號光,信號光被調(diào)制后經(jīng)摻鐿光纖放大器進行光放大,抽運光波長為977nm,放大后輸出功率1.25W,活動像素傳感器用于捕獲和粗跟蹤,光纖旋轉(zhuǎn)探測器用于精跟蹤和通信,信標光波長808nm,最大輸出功率可達7W。表3是OPTEL家族主要性能參量比較,圖7是OPTEL家族的應用范圍。此外,歐洲航天局還進行了相干空間光通信系統(tǒng)中關(guān)鍵技術(shù)及元件的實驗及測試。其中包括半導體激光器抽運的Nd:YAG激光器、多通道相干光接收機、電光位相調(diào)制器等。3.2.4德國航天中心利用系統(tǒng)由德國政府支持發(fā)展的空間固體激光通信實驗(SolidStateLaserCommunicationsinSpace,SOLACOS)是一個高碼率衛(wèi)星間激光通信計劃。SOLACOS計劃開始于1989年,該項目建立了完整的計算機仿真設(shè)計系統(tǒng),同時制造了一套用于測試的實驗模擬系統(tǒng),其實驗模型于1997年完成。該終端采用固體激光器和相干接收,采用波長1.064mm、發(fā)射功率1W的抽運Nd:YAG激光器,通信速率可達650Mbps。SOLACOS終端發(fā)射孔徑15cm,重量70kg。圖8是SOLACOS終端模型。基于SOLACOS計劃的TerraSAR-X計劃是德國更為系統(tǒng)的一個相干探測體制的星間鏈路研究計劃。TerraSAR-X是德國第一個在德國航天中心支持下,以國家-個人合作股份方式運作的國家遠程探測衛(wèi)星。TerraSAR-X的目標是建立一套自由空間的X波段合成孔徑雷達系統(tǒng),可為地球觀測等科學研究提供為期5年的高質(zhì)量雷達數(shù)據(jù),也可為商業(yè)應用中不斷增長的個人遠程探測數(shù)據(jù)提供穩(wěn)定的服務。這顆衛(wèi)星預計在2007年夏由俄羅斯-土耳其運載火箭發(fā)射。TerraSAR-X是一個高5m,半徑2.4m,重約1200kg的帶有合成孔徑雷達系統(tǒng)