徐圣奇,魏龍超,鄔雙陽,馮曉峰,劉 杰,張志正

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第二十七研究所,河南 鄭州 450007)

1 引 言

我國(guó)計(jì)劃在2030年前后建成覆蓋全球的天地一體化信息網(wǎng)絡(luò),并為陸、海、空、天等各類用戶提供多樣化的網(wǎng)絡(luò)與信息應(yīng)用服務(wù)[1],其中,實(shí)現(xiàn)天基段和地面段通信網(wǎng)絡(luò)的高速互聯(lián)是其重要組成部分。近年來,伴隨著航天事業(yè)的發(fā)展,各類高光譜、合成孔徑雷達(dá)衛(wèi)星的時(shí)空分辨率得到極大提高,衛(wèi)星與地面之間的傳輸速率要求達(dá)到每秒數(shù)吉比特量級(jí)[2],傳統(tǒng)微波通信越來越難以滿足高速空間信息傳輸?shù)男枨?。與微波通信體制相比,相干激光通信能夠?qū)崿F(xiàn)接近量子極限的靈敏度,采用相位和偏振分集技術(shù)可以將通信速率提高到每秒數(shù)百吉比特量級(jí),是未來實(shí)現(xiàn)高速率、超長(zhǎng)距離空間信息傳輸?shù)挠行侄蝃3-4]。2007年,德國(guó)宇航局和美國(guó)空軍及通用動(dòng)力公司等單位聯(lián)合,在TerraSAR-X 衛(wèi)星(德國(guó))與NFIRE衛(wèi)星(美國(guó))之間實(shí)現(xiàn)了5.6 Gbps的相干激光通信在軌試驗(yàn)[5]。2010年,德國(guó)宇航局在美國(guó)毛伊島布設(shè)一套移動(dòng)式光學(xué)地面站,并采用該地面站與NFIRE衛(wèi)星實(shí)現(xiàn)了5.625 Gbps的星地相干激光通信試驗(yàn)[6],這是世界上首次采用相干體制建立的星地激光通信鏈路,上述試驗(yàn)的成功進(jìn)一步驗(yàn)證了相干激光通信在未來天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)中的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。

在星地激光通信系統(tǒng)中,為減小星上載荷的功耗和重量,光學(xué)地面站通常采用較大口徑的光學(xué)天線,大氣湍流引入的光學(xué)波前畸變將導(dǎo)致相干混頻效率下降,并進(jìn)一步影響通信系統(tǒng)的靈敏度。研究人員采用多孔徑發(fā)射多孔徑接收(MIMO)、信道編碼、自適應(yīng)光學(xué)等手段抑制大氣湍流的影響,其中,自適應(yīng)光學(xué)能夠?qū)鈱W(xué)波前畸變進(jìn)行實(shí)時(shí)修正,這在天文觀測(cè)、生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用[7-8]。在傳統(tǒng)強(qiáng)度調(diào)制/直接探測(cè)(IM/DD)激光通信中,自適應(yīng)光學(xué)對(duì)通信性能的改善同樣得到驗(yàn)證[9-11]。目前,美國(guó)、歐洲等國(guó)家的研究人員均在大口徑光學(xué)地面站中加裝自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng),并計(jì)劃開展多種體制(IM/DD 、相干、量子)的星地激光通信驗(yàn)證試驗(yàn)[12-13],我國(guó)在該領(lǐng)域的研究進(jìn)展和國(guó)外先進(jìn)水平保持一致,中科院上海光機(jī)所、中科院成都光電所和哈爾濱工業(yè)大學(xué)等單位均開展了自適應(yīng)光學(xué)對(duì)星地相干激光通信性能改善的驗(yàn)證試驗(yàn),其中,上海光機(jī)所孫建鋒、李佳薇等系統(tǒng)地研究了自適應(yīng)光學(xué)閉環(huán)帶寬對(duì)相干激光通信的影響[14],成都光電所鮮浩、陳默等從理論上分析了跟蹤殘差和波前像差對(duì)相干激光通信性能的影響,并基于36 mm小口徑光學(xué)天線開展了驗(yàn)證試驗(yàn)[15]。然而,據(jù)調(diào)研,在大口徑光學(xué)地面站中,關(guān)于自適應(yīng)光學(xué)對(duì)相干激光通信性能的改善尚未有公開報(bào)道。

在本文中,我們研制了一套500 mm大口徑的光學(xué)地面站,其接收通道包含捕獲跟蹤瞄準(zhǔn)、自適應(yīng)光學(xué)和相干接收三部分,采用大口徑、長(zhǎng)焦距平行光管模擬發(fā)射遠(yuǎn)場(chǎng)信號(hào)光。其中,捕獲跟蹤瞄準(zhǔn)分系統(tǒng)包含粗精兩級(jí)跟蹤,自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)具備二級(jí)精跟蹤和光學(xué)波前校正能力,用來進(jìn)一步抑制角度跟蹤殘差和光學(xué)波前畸變,相干接收采用光纖體制。首先,我們從理論上分析了跟蹤殘差和光學(xué)波前畸變對(duì)單模光纖耦合效率的影響,然后系統(tǒng)地開展了自適應(yīng)光學(xué)對(duì)相干激光通信性能改善的驗(yàn)證試驗(yàn),試驗(yàn)結(jié)果表明,在中等湍流條件下,自適應(yīng)光學(xué)能夠有效改善相干激光通信的性能?？臻g光到單模光纖耦合示意圖如圖1所示。

圖1 空間光到單模光纖耦合示意圖Fig.1 Schematic diagram of spatial light coupling to single-mode fiber

2 工作原理

從衛(wèi)星上發(fā)出的下行信號(hào)光經(jīng)大氣信道傳輸后,被光學(xué)天線接收并匯聚,理想情況下將在焦平面上形成一個(gè)艾里斑,由于相干接收采用光纖體制,將空間光高效地耦合進(jìn)入單模光纖,是實(shí)現(xiàn)星地穩(wěn)定可靠激光通信的關(guān)鍵。其中,大氣湍流、跟蹤殘差、模場(chǎng)匹配等因素均對(duì)耦合效率產(chǎn)生影響[15-17],在本文中,耦合效率η是指耦合進(jìn)入光纖的光功率均值〈PC〉和焦平面上入射光場(chǎng)光功率均值〈Pi〉的比值。研究表明,實(shí)現(xiàn)單模光纖的高效耦合,需要滿足進(jìn)入光纖的光場(chǎng)和單模光纖的出纖光場(chǎng)(相位、幅度)一致,即滿足模場(chǎng)匹配條件。耦合效率計(jì)算公式如下:

(1)

入射光波的模場(chǎng)A(r)表示如下:

(2)

式中,A(r)為艾里斑模場(chǎng)分布;D為接收口徑;f為接收系統(tǒng)焦距;J1()為一類零階貝賽爾函數(shù);ω1為艾里斑的模式半徑;ω1=1.22λf/D；r為極坐標(biāo)下的距離。

單模光纖基模模場(chǎng)近似高斯分布,其表達(dá)式M(r)具體如下:

(3)

其中,ω0為單模光纖的模場(chǎng)半徑。

2.1 跟蹤殘差對(duì)空間光到單模光纖耦合效率的影響

由于光學(xué)地面站跟蹤殘差的影響,下行信號(hào)光入射光軸與光學(xué)地面站接收光軸之間的夾角θ會(huì)產(chǎn)生隨機(jī)起伏,對(duì)應(yīng)單模光纖端面光斑位置徑向偏差ρ的隨機(jī)抖動(dòng),兩者的關(guān)系如下:

θ=ρ/f

(4)

其中,f為光學(xué)系統(tǒng)的焦距,為確保空間光到單模光纖耦合過程中數(shù)值孔徑匹配(NA取值為0.12),在耦合光路設(shè)計(jì)過程中,接收口徑與系統(tǒng)焦距的比值D/f=0.24,下行信號(hào)光波長(zhǎng)λ=1.55 μm,單模光纖模場(chǎng)半徑ω0=5 μm。

將公式(2)、(3)、(4)代入公式(1),通過仿真得到耦合效率與角度跟蹤殘差之間的關(guān)系曲線,如圖2所示,為確保光纖耦合效率損耗不低于50 %,應(yīng)將跟蹤殘差控制在θ≤1.2 μrad以內(nèi)。

圖2 跟蹤殘差與耦合效率關(guān)系仿真曲線Fig.2 The simulation curve of fiber coupling efficiency as a function of tracking angular error

2.2 光學(xué)波前畸變對(duì)空間光到單模光纖耦合效率的影響

大氣湍流引入的光學(xué)波前畸變,將導(dǎo)致焦平面上的光斑產(chǎn)生光強(qiáng)閃爍、光斑擴(kuò)展等效應(yīng),在該條件下,傳統(tǒng)基于衍射極限分析光斑模場(chǎng)分布的方法將不再適用,而根據(jù)湍流強(qiáng)度估算光斑擴(kuò)展的方法不能有效反映耦合效率的波動(dòng)特性[18]。而未經(jīng)匯聚的下行信號(hào)光,其光學(xué)波前分布相對(duì)容易模擬,因此,在本文中,將基于反向傳播理論和模場(chǎng)匹配理論,分析光學(xué)波前畸變對(duì)空間光到單模光纖耦合效率的影響。

下行信號(hào)光是理想的平面波,經(jīng)過大氣湍流擾動(dòng)后,A′(r,θ)表達(dá)式如下:

A′(r,θ)=P(r,θ)exp[i2πφ(r,θ)]

(5)

其中,P(r,θ)和φ(r,θ)為下行信號(hào)光的振幅和相位分布,基于前35階澤尼克多項(xiàng)式,對(duì)大氣湍流引入的光學(xué)波前畸變?chǔ)?r,θ)進(jìn)行模擬。

單模光纖基模模場(chǎng)經(jīng)光學(xué)系統(tǒng)反向傳播后,M′(r,θ)的表達(dá)式為:

(6)

將公式(5)、(6)代入公式(1)可知,在大氣湍流條件下,單模光纖耦合效率計(jì)算公式如下:

(7)

光學(xué)波前畸變(RMS)和單模光纖耦合效率關(guān)系曲線仿真結(jié)果如圖3所示,其中,光學(xué)波前畸變(RMS)是對(duì)應(yīng)信號(hào)光波長(zhǎng)的相對(duì)值,從仿真結(jié)果中可以看出,伴隨著光學(xué)波前畸變(RMS)的增加,其耦合效率下降,并且抖動(dòng)明顯增強(qiáng),為確保光學(xué)耦合效率優(yōu)于50 %,波前畸變的均方根(RMS)應(yīng)優(yōu)于λ/6。

圖3 光學(xué)波前均方根(RMS)與耦合效率的關(guān)系仿真曲線Fig.3 The simulation curve of fiber coupling efficiency as a function of wavefront phase root-mean-square(RMS)

3 試驗(yàn)裝置

在上文中,我們分析了光學(xué)波前畸變和跟蹤殘差對(duì)空間光到單模光纖耦合效率的影響,仿真結(jié)果表明,融合高精度跟蹤瞄準(zhǔn)和波前畸變補(bǔ)償功能的自適應(yīng)光學(xué)技術(shù)是實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定可靠星地相干激光通信的關(guān)鍵。為了進(jìn)一步驗(yàn)證自適應(yīng)光學(xué)對(duì)相干激光通信性能的改善,我們系統(tǒng)地開展了驗(yàn)證試驗(yàn),試驗(yàn)裝置如圖4所示。

圖4 大氣相干激光通信試驗(yàn)裝置圖Fig.4 The schematic diagram of atmospheric coherent laser communication

信號(hào)光采用窄線寬DFB激光器作為種子源,中心波長(zhǎng)位于C波段(ITU標(biāo)準(zhǔn)),偏振態(tài)為線偏振,調(diào)制方式采用QPSK相位調(diào)制,通信速率設(shè)置為4 Gbps,調(diào)制后的信號(hào)光經(jīng)EDFA放大后送入平行光管進(jìn)行準(zhǔn)直,并發(fā)射至光學(xué)地面站。在平行光管與ATP光機(jī)之間,采用熱風(fēng)式大氣湍流發(fā)生裝置模擬湍流[19]。自適應(yīng)光學(xué)包含快反鏡、變形鏡、夏克-哈特曼波前傳感器和控制器四部分,其中,變形鏡包含137個(gè)有效驅(qū)動(dòng)單元,波前傳感器包含12×12個(gè)微透鏡陣列,系統(tǒng)閉環(huán)帶寬約為100 Hz。在開環(huán)條件下,開啟大氣湍流發(fā)生裝置,采用波前傳感器測(cè)量信號(hào)光波前畸變,并計(jì)算大氣相干長(zhǎng)度r0,經(jīng)過長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)測(cè)量,其平均值約為7.6 cm,滿足中等大氣湍流模擬要求。

信號(hào)光在經(jīng)過ATP粗精跟蹤和自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)的過程中,先后經(jīng)過兩級(jí)縮束,其光束直徑壓縮至5 mm,然后耦合進(jìn)入光纖數(shù)字相干接收機(jī)。在相干接收機(jī)內(nèi)部,信號(hào)光和本振光首先經(jīng)過90°光學(xué)混頻,然后由平衡探測(cè)器轉(zhuǎn)換為I、Q兩路正交電信號(hào),兩路電信號(hào)經(jīng)過功分器分束后,其中小部分功率用于自動(dòng)頻率控制環(huán)路,該環(huán)路采用溫度粗調(diào)諧和電流精調(diào)諧相結(jié)合的雙環(huán)路調(diào)諧模式,能夠?qū)⑿盘?hào)光和本振光之間的頻率差控制在1 MHz以內(nèi)[20]?；贔PGA的數(shù)字信號(hào)處理板主要包括AD采樣模塊和數(shù)字信號(hào)處理模塊,I、Q兩路電信號(hào)經(jīng)AD采樣后將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào),再通過載波相位補(bǔ)償算法實(shí)現(xiàn)基帶信號(hào)的解調(diào)[21]。

4 結(jié)果與討論

在試驗(yàn)過程中,基于自適應(yīng)光學(xué)中的波前傳感器,分別測(cè)量了自適應(yīng)光學(xué)在開環(huán)和閉環(huán)條件下的光學(xué)波前畸變和跟蹤殘差,測(cè)量結(jié)果如圖5、圖6所示,其中,跟蹤殘差基于波前傳感器輸出的前兩階澤尼克多項(xiàng)式(X方向波前傾斜、Y方向波前傾斜)計(jì)算得到。

圖5 自適應(yīng)光學(xué)對(duì)角度跟蹤殘差的修正效果Fig.5 Tracking angular error with or without AO correction

圖6 自適應(yīng)光學(xué)對(duì)光學(xué)波前的修正效果Fig.6 Wavefront phase root-mean-square (RMS)with or without AO correction

下面分析一下自適應(yīng)光學(xué)對(duì)跟蹤殘差和波前畸變的修正效果,在開環(huán)狀態(tài)下,角度跟蹤殘差的均值約為10.2 μrad,波前畸變(RMS)約為0.698 μm；在閉環(huán)狀態(tài)下,角度跟蹤殘差的均值下降至1.1 μrad,波前畸變的均方根值(RMS)下降至0.067 μm,均降低了10倍左右。

如圖7所示,我們還分別測(cè)量了自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)開環(huán)和閉環(huán)狀態(tài)下的光學(xué)波前圖、夏克-哈特曼圖以及遠(yuǎn)場(chǎng)光斑圖,通過對(duì)比可以看出,在自適應(yīng)光學(xué)閉環(huán)條件下,光學(xué)波前的一致性明顯提升。采用CCD測(cè)量信號(hào)光經(jīng)透鏡匯聚后的遠(yuǎn)場(chǎng)光斑,自適應(yīng)光學(xué)閉環(huán)時(shí),其遠(yuǎn)場(chǎng)光斑由彌散狀斑迅速匯聚成一個(gè)點(diǎn),其斯特涅爾比值(Strehl Ratio)可以達(dá)到0.8以上。從上述結(jié)果可以看出,自適應(yīng)光學(xué)能夠有效抑制波前傾斜和波前畸變,并顯著提升信號(hào)光在焦平面上的匯聚能力和穩(wěn)定性。

圖7 自適應(yīng)光學(xué)對(duì)光學(xué)波前、夏克哈特曼圖 以及遠(yuǎn)場(chǎng)光斑的修正效果Fig.7 The wave frontprofile,Shark-Hartmann diagram, far field spot with or without AO correction

首先采用空間光功率計(jì)測(cè)量相干接收機(jī)光纖耦合裝置前端的空間光功率,測(cè)量功率穩(wěn)定在-22 dBm,然后通過光纖高速探測(cè)器測(cè)量耦合進(jìn)入單模光纖的光功率,并實(shí)時(shí)分析計(jì)算光纖耦合效率。測(cè)量結(jié)果如圖8所示。從圖中可以看出,當(dāng)自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)開環(huán)條件下,耦合進(jìn)入單模光纖的光功率呈現(xiàn)大范圍、快速抖動(dòng),其最小衰減超過17 dB,功率抖動(dòng)范圍超過30 dB。當(dāng)自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)閉環(huán)條件下,耦合進(jìn)入單模光纖的光功率平均衰減為4.2 dB,功率抖動(dòng)范圍不超過±2 dB。該試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)一步說明,自適應(yīng)光學(xué)能夠有效提升空間光到單模光纖的耦合效率和功率穩(wěn)定性。

圖8 自適應(yīng)光學(xué)對(duì)單模光纖耦合功率的影響Fig.8 The fiber coupling efficiency with or without AO correction

下面分析一下自適應(yīng)光學(xué)對(duì)相干激光通信的改善效果,在試驗(yàn)過程中,采用空間光功率計(jì)實(shí)時(shí)測(cè)量相干接收機(jī)前端的信號(hào)光功率,并通過發(fā)射端的光學(xué)衰減器將其調(diào)節(jié)至-38 dBm,在該功率條件下,加載QPSK相位調(diào)制信號(hào),并將通信速率設(shè)置為4 Gbps,分別測(cè)量自適應(yīng)光學(xué)開環(huán)和閉環(huán)條件下的誤碼率,如圖9所示,在自適應(yīng)光學(xué)閉環(huán)條件下,誤碼率從劇烈抖動(dòng)狀態(tài)迅速下降并穩(wěn)定至1×10-6以下,其眼圖和星座圖明顯張開,如圖10所示。連續(xù)測(cè)量90 s,其平均誤碼率為3.2×10-7。

圖9 自適應(yīng)光學(xué)對(duì)通信誤碼率的改善效果Fig.9 The communication bit error rate with or without AO correction

圖10 自適應(yīng)光學(xué)閉環(huán)條件下解調(diào)信號(hào) 對(duì)應(yīng)的眼圖和星座圖Fig.10 Eye chart and constellation chart of the demodulated signal with AO correction

從上述試驗(yàn)結(jié)果能夠看出,自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)能夠有效抑制角度跟蹤殘差和光學(xué)波前畸變對(duì)大氣相干激光通信的不利影響,改善星地相干激光通信的性能。

5 總 結(jié)

在本文中,我們系統(tǒng)地研究了自適應(yīng)光學(xué)對(duì)星地相干激光通信性能的改善,受大氣湍流、跟蹤殘差、模式匹配等因素的影響,將空間光穩(wěn)定高效地耦合進(jìn)入單模光纖,是實(shí)現(xiàn)星地可靠相干激光通信的關(guān)鍵。首先,從理論上仿真分析了跟蹤殘差和光學(xué)波前畸變對(duì)空間光到單模光纖耦合效率的影響。其次,將自適應(yīng)光學(xué)應(yīng)用于大口徑的光學(xué)地面站,并開展4 Gbps相干激光通信試驗(yàn),在試驗(yàn)過程中,分別測(cè)量了自適應(yīng)光學(xué)對(duì)跟蹤殘差和光學(xué)波前畸變的抑制效果,以及對(duì)單模光纖耦合效率的提升能力,試驗(yàn)結(jié)果表明,自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)能夠?qū)⒖臻g光耦合進(jìn)入單模光纖的光功率平均衰減降至4.2 dB,功率抖動(dòng)范圍控制在±2 dB以內(nèi),在-38 dBm條件下,相干激光通信系統(tǒng)能夠穩(wěn)定可靠通信,連續(xù)通信90 s,其平均誤碼率3.2×10-7。