（光学工程专业论文）高功率高速率fslc发射单元的研究.pdf

摘要 随着科技发展的日新月异，自由空间激光通信( f s l c ) 已经成为现代通信技术 发展的新热点。虽然至今尚未真正实现星际间正式通信，但是空间激光通信技术 的可行性问题已经得到验证。以前顾虑的发射功率小、接收灵敏度低、捕获和瞄 准要求高。热和机械稳定性要求高等关键技术近几年已取得明显进展。高功率、 高速率的激光通信发射系统是空间激光通信的重要组成部分，而高速率调制技术 中的d b f l d 和e d f a 又是整个激光通信发射系统的重中之重。 本论文对卫星与飞机间激光通信发射系统进行了介绍。通过对几种激光通信 发射方式的比较，得出最适合1 s 5 0 n m 通信波段的发射系统。并着重对其重要光 放大器件e d f a 的工作原理及其各项性能指标要求进行了具体的研究分柝，制定 了设计方案。同时分析了p p m 编码调制方式。 根据空间光通信中e d f a 的仿真，结果表明，泵浦功率和输出信号功率的近 似成线型关系，级联d e f a 结构可以将光信号功率放大到空问光通信系统所要求 的数量级该系统能够达到预想功能，并通过优化d e f a 结构来降低系统误码率 ( b e r ) 具有很大意义，实现比较高质量的激光通信。 关键词：自由空间激光通信( f s l c ) 昨b 一凹级联e o f p p n 误码率 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n t so fs c i e n c ea n dt e c h n o l o g y , ab e wf o c u so nu s i n gh i g h f r e q u e n c yl a s e rt oc o m m u n i c a t eo ns p a c es a t e l l i t eb c o o m 嚣m o f ea n dm o r ei m p o r t a n t i nm o d e m t i m e s a l t h o u g ht h es d a l d a ll a s e rc o m m u n i c a t i o nh a sn o tb e e ni m p l e m e n t e d t r u l yu n t i ln o w , t h eq u e s t i o no ft h ef c a s i b i l i t yo ft h el a s c rs p a t i a lc o m m u n i c a t i o nh a s b e e na l r e a d yt e s t e d , w o r r i e da b o u tt h ek e yt e c h n o l o g i e ss u c ha ss m a l lp o w e ro fl a s 瓯 t h el o wr e c e i v i n gs e n s i t i v i t y , t h eh i g hr e q u e s t so fa p t 9t h eh i g h e rr e q u e s ta b o u t q u a n t i t yo fh e a ta n dt h es t a b i l i t yo fm e c h a n i c a lo r i g i n a l l ym a k eo b v i o u sp r o c e s si n r e c e n t y e a r s h i g h - p o w e r a n d h i g h - s p e c d t r a n s m i s s i o n s y s t e m o ft h el a s e r c o m m u n i c a t i o ni sa ni m p o r t a n tp a r to ft h es p a t i a ll a s e rc o m m u n i c a t i o ns y s t e m , a n d t h ed f b l da n de d f ai st h em o s ti m p o r t a n tp a r ti nt h et r a n s m i s s i o ns y s t e mo ft h e l a s e rc o m m u n i c a t i o n 融p a p e rs i m p l yi n t r o d u c e st h et r a n s m i s s i o ns y s t e mb e t w e e nt h es a t e l l i t ea n d t h ea i r p l a n e c o m p a r e dt h r e ew a y so fs p a f i a ll a s c rc o m m u n i c a t i o nt r a n s m i s s i o n , a n d f i n dt h eb e s tw a yw h i c hi sa d a p tt ot h e1 5 5 0 r i mw b v cb a n dc o m m u n i c a t i o n s t h e n f o c u s0 1 1t h ee d f j 九a n dt h ec o n d i t i o ni nt h i ss y s t e mw h i c hm u s ts u i tf o re a c hp a r to f c o m p o n e n t sa r cr e s e a r c h e da n da n a l y s e d , a n dt h es c h e m ei sd e s i g n e d a l s oi n t r o d u c e t h ep p mc o d em o d u l a t i o n a c c o r d i n gt ot h ee d f ae m u l a t i o ni nt h ef r e es p a c el a s e rc o m m u n i c a t i o n , t h e r e s u l t si n d i c a t et h a tt h ep u m pp o w e ra n dt h eo u t p u ts i g n a lp o w e rc l o s et oi i n e t y p e ， c a s c a d e de d f a sc a l la g g r a n d i z e m e n tt h es i g n a lp o w e rt ow h a tt h es p l cr e q u e s t , a n d t h es y s t e mc a l ls a t i s f yt h et h ee x p e c t e df u n c t i o n s ，a n do p t i m i z et h ee d f a c o n f i g u r a t i o nc 觚r e d u c et h eb e kw h i c hi sc a p a b l eo ft h eh i g hq u a l i t yl a s e r c o m m u n i c a t i o n k e yw o r d s ：f r e es p a c el a s e rc o m m u n i c a t i o n 伍s l c ) d f b - l d c a s c a d e d e d f a sp p m b i t e r r o r ( b e r ) 长春理工大学硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的硕士学位论文，高功率高速率f s l c 发射单元的 研究是本人在指导教师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已 经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作 品成果对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均己在文中以明确方式标明。 本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 作者签名； 互月以日 长春理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“长春理工大学硕士、博士学位论文版 权使用规定”，同意长春理工大学保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的 复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权长春理工大学可以将本学位 论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫描等 复制手段保存和汇编学位论文。 作者签名： 指导导师签 磊一 舯 月 月 ； 王 1 1 概述 第一章绪论 随着当今世界信息交流的蓬勃发展，人类对通信的容量、业务的种类和通信的质 量的要求更是有增无减。目前卫星通信主要采用微波通信技术，但由于受频带宽度、 体积、重量，功耗、价格等方面的限制不可能无限制地提高传输速率和容量，而激光 通信系统的高数据传输速率及其它特点使它在空间通信应用中具有特别的优势。它以 激光作为信息载体，可用于空间及地面问通信，其传输特点是光束以直线传播，在自 由空间传播不需要波导；设备尺寸比微波通信系统要小的多。它的显著特点是，随着 天线尺寸的减小，增益大幅度提高，3 d b 波束宽度下降了5 个量级因此空间光通信成 为现代强有力的通信手段之一“ 一个完整的空间激光通信系统包括：光发射机、空间信道、光接收机，如图1 1 发射机信道接收机 | 空间信道l 叫嚣装h 荔ll 亭 图1 1 光通信系统物理模型 激光发生和放大系统是激光发射的关键部分，要让光信息以高功率和高速率发射出 去，这是非常重要的。 目前使用最广泛的激光器是半导体激光器。为了保证激光器的正常工作和稳定的 输出功率，还要设置自动功率控制电路、自动温度控制电路以及制冷器。s o a 和e d f a 是现在使用得比较广泛的光放大器件，为了使其放大效率更高，通常会使用较大的泵 浦源，由于e d f a 也会产生伴有很强的自发噪声，在放大信号光的同时也会将自发噪 声放大，所以抑制e d f a 的自发噪声的产生也是非常关键的技术”1 。 1 2 空间激光通信的国内外发展现状 1 2 1 国外发展现状m 空间激光通信具有广阔的应用前景，用光实现星问链路、深空探测、平台测控等 将给通信领域带来巨大的变化空间激光通信系统的研究在美、欧、日等国已开展了 2 0 多年，但是前些年由于受元器件技术的限制而发展较慢。进入9 0 年代后，开始从概 念和单元技术研究转入系统研究和应用性能测试阶段。并已取得很多成果 美国：美国是世界上最早开展激光通信技术研究的国家，也是研究技术走在最前 沿的国家之一。在年代中期就开始实施卫星光通信方面的研究计划，近年来星间激 光链路研究已成为美国通信领域的研究热点 欧洲：欧空局( e s a ) 在卫星光通信的研究方面也投入了大量资金。先后研制了以 不同星间链路为背景的一系列卫星光通信终端。近些年，e s a 还研制了小光学用户终 端s o u t 、甚小光学用户终端v s o u t 以及高级激光通信终端a i c t 这些终端中所采 用的技术反映了当今世界上最尖端的高新技术嘲。 日本：尽管日本开展卫星光通信研究比美国和欧空局晚，但是进展迅速。日本已 于1 9 9 5 年利用装于卫星上的光通信终端成功地与地面站进行了光通信实验，尽管此次 实验的数据率仅为1 4 m b p s ，但这是世界上首次成功进行的星地链路光通信实验。此举 使日本跃居卫星光通信研究领域之首位。 1 2 2 国内空间光通信研究现状 国内从9 0 年代初期开始进行空间激光通信研究。主要进行了选择最佳通信波长， 对探测系统滤波器的研究，以及对天线系统的研究和对整个光学空问通信系统的概念 性研究，在单元技术实验系统等方面已取得一定的成果。有几家研究所与公司由于跟 踪这项技术比较早，所以现在在实验室做出了自己的样机，这几家样机比较成熟的单 位有： 桂林三十四所：推出了大气激光通信机样机。它的产品的主要性能参数包括传输 速率：8 1 v l b s ，3 4m b s ，1 5 5m b s ；工作波长：8 5 0 r i m ：通信距离：1 4 k m ；光发射功率： 小于4 0 r o w 。m 清华同方：在2 0 0 2 年9 月推出了面向未来的无线光链路的自由空间通信产品 o w l i n k e l 0 0 。 中科院成都光电技术研究所：开发出了工作波长为8 5 0 n m ，可以传输1 公里、4 公 里两种距离的两款产品。产品主要性能参数包括速率：1 0m b s ；工作波长：8 5 0 n m ； 通信距离：l 4 k r n ；光发射功率：3 3 0m w 。 2 上海光机所：它的“无线激光通信系统”已研制成功。该系统具有双向高速传输 和自动跟踪能力其传输速率可以达到6 2 2m b s ，通信距离可以达到2 k m ，自动跟踪 系统的跟踪精度为0 1 m r a d ，响应时间为0 2 s 深圳飞通有限公司：开发出了光收发模块加上e d f a 系统方式的样机，其速率有 1 5 5m b s 、6 2 2m b s ，以及1 2 5 g b s 几种，通信距离最远可达4 k m 我国虽然在此方面的研究工作开展较晚，但随着空问激光通信系统元器件及技术的不 断发展，又有国外经验借鉴，同时我国航天技术处于世界发达国家行列，因此只要给 予足够重视，全面开展这方面的研究工作，定会在较短时间内赶上世界发达国家研究 水平。随着空间应用领域的扩展和各种信息需求量的大幅增加，激光通信在速率、带 宽、体积、重量和功耗等方面较之微波通信的优势将更加明显，势必在不远的将来大 规模进入应用领域在卫星链路中也已开始进入实用化研究阶段。嘲 1 3 本文的来源与主要内容 1 3 1 课题来源 课题来源是国家“8 6 3 ”计划项目“x x x ”，即卫星与飞机问激光通信系统。卫星与 飞机间激光通信系统包括发射、接收和a f r r ( 捕获、瞄准和跟踪) 三种功能的光学系统。 发射部分包括通信光调制发射系统和信标光发射系统。接收部分主要由接收光学系统、 光电探测器、信号处理和输出电路组成。a p t 伺服控制系统由信号模数转换与处理、 控制计算机与接口、信号数模转换与处理、控制校正网络、伺服驱动单元、反馈控制 机构和伺服电机组等部分组成。 此课题来源便是卫星与飞机问激光通信发射系统中的技术之一：高功率、高速率 发射单元技术的研究 1 3 2 主要研究内容 此篇论文所涉及的就是卫星与飞机间激光通信发射系统部分的高功率激光器的高 速率电光调制技术的研究。通过对电光调制器及配套设备的分析，从理论上得到一种 适合其的调制方法，通过调制使传输带宽足够宽，传输速率足够大，并通过实验验证了 它的可行性。其研究的主要内容如下： ( 1 ) 首先对发射系统进行了简单的介绍，提出了此系统所要实现的技术指标。现 在比较通用的几种自由空间激光通信发射单元的方案进行了分析，根据情况选择了半 导体激光器内调制与e d f a 组成的系统。 ( 2 ) 介绍了发射单元的总体构成和系统要求，从理论上阐述了发射功率和束散角 对系统的影响和d f b l d 光源，阐明了e d f a 的放大、泵浦原理，及其主要的性能参 数，提出级联e d f a 的方案。 ( 3 ) 通过对光通信终常用的码型比较，得出p p m 调制方式最适合于光通信系统， 详细阐述了数字p p m 信号的时域结构和几种具体的帧结构，最后对其解调进行了分析。 ( 4 ) 最后根据所设计的实验原理图以及所选择的器件，进行了计算机模拟仿真， 证实了方案的可行性 1 4 本文研究的目的及意义 而高功率激光光源及信号的高码率调制技术是实现自由空间激光通信的先决条 件在空间光通信系统中大多数可采用半导体激光器或半导体泵浦的y a g 固体激光器 作为通信光和信标光光源，其工作波长为8 0 0 1 5 0 0 n m 的近红外波段信标光源要求 能提供足够的能量以便在高背景光干扰下，快速、精确地捕获和跟踪目标通常为了 克服背景光的干扰将信号光的功率调制频率提高到一定的高度。对于通信光的要求是 输出光束质量好，工作频率高。 本论文的目的：基于较为成熟的空问光通信理论，充分利用现有的光纤通信技术， 对目前制约空地激光链路上搭载的发射部分关键技术进行系统级的分析、研究，并以 仿真和实验的手段进行论证。该项研究的完成，可以为我国空间光通信的工程实现打 下一定的理论研究基础。 4 第二章空间光通信系统分析 2 1 空间光通信系统组成 激光通信终端是用于建立激光通信链路的卫星有效载荷，卫星通过激光通信终端 进行高速信息交换，激光通信终端与相关的卫星载荷的关系如图2 1 所示。叫 图2 - 1 激光通信端机系统的层次结构 空间光通信系统是一个真正意义上的复杂系统，远比地面的光纤通信系统复杂得 多。 根据实际工程的要求，可以将该系统从逻辑上而不是物理上分成三个适度相关的 子系统：a p t 子系统、通信子系统和星务平台接口子系统。下面给出空间光通信单端 端机系统的逻辑划分原理示意图。 数据入 教据出 图2 2 空间光通信端机系统划分示意图 如图2 1 所示，根据指标要求和元器件的现有水平，可将通信子系统分成几个相 对独立的模块，主要包括光源调制驱动模块、功率放大模块、光准直模块、前置光放 大模块、光电转换及信号处理模块。注意该子系统以1 5 5 0 n m 为工作波段，目的在于 充分利用现有成熟的光纤通信器件以满足链路功率预算，并便于向星间光网的技术升 级其通信端机发射和接收模块的原理分别由图2 - 2 、图2 3 所示 无、一u m l l w ： 无功簟丈一曩 _ _ _ _ i - _ _ 厂 生 先 i l 羹 。旧 j | 一 赢 堆 - 叫 直 ii j 垤k 、 ； 誊 il g - _ - _ 。一 块 _ _ j l 害入蕾 j l l l l 誊翥 _暑 _ 主盏 - ； ii 一 i- 白 _ _ _ _ _ 謇 空 自 先 丧 均 羞 i l i 暑_ 光 克 奁 -_ ( 墨 _ ： i _ _ _ _ _ _ _ _ _ i l1台 先 j 麓：定位|篓 入出 琦 ll昌 l 考克 琦 盂 主 t _ 二 _ _ 先电攮置号m 壤 i先太块 图2 - 3 通信子系统单端端机功能模块图 2 2 空间光通信关键技术 研究的星问激光通信系统的主要关键技术有“： l 高调制速率、大功率、高能量转换效率的光放大发射技术 空问激光通信系统的远距离高码率特点，对光发射模块提出了极高的要求。一方 面要求激光器有很好的性能，输出的激光应具有单纵模、基横模特性，保证激光器在 高码率调制下啁啾系数小；另一方面对激光器的功率要求很高。同时，由于系统与各 子系统的共同约束条件限制，信号光的波束宽度不能太小，接收天线的增益有限。因 此，如何解决大功率与高调制速率的矛盾是一必须解决的关键技术。 2 高灵敏度、抗干扰的光放大接收技术 卫星光通信链路，例如l e o g e o 链路传输距离可达4 5 ，0 0 0 k m ，光信号传输如 6 此远的距离后到达接收端探测器光敏面上的光功率十分微弱，通常只能达到n w 数量 级。并且实用光通信链路的所要求的传输码率通常都很高，天基综合信息网的传输码 率要求是1 2 5 g b p s 2 s o b p s 为达到接收机灵敏度的要求，可采取增加发射功率，减 少光束发散角等措施，但这些措施都是有限度的，所以，提高接收机灵敏度是解决光 链路功率要求的主要技术。 3 高概率、短时间的捕获技术 捕获是光链路建立的最大难点，主要表现在：1 ) 系统对捕获的指标如捕获时间、 捕获概率、指向精度等要求很高：2 ) 捕获是在力学、电子学、光学噪声干扰下进行； 3 ) 背景辐射对捕获的干扰：4 ) 卫星相对运动下的捕获4 窄波束、高精度的跟踪技 术与捕获同理，信标光或信号光跟踪也在平台振动、光电噪声、背景辐射等干扰下进 行跟瞄精度指标对光通信链路的建立、光通信性能的保障起到决定性作用。微弧度 量级度跟踪是实现光通信终端技术指标的保障技术。完成光的长距离传输会产生很大 的光能量损失，接收信号常常十分微弱为了增大接收光信号的能量，常常压缩发射 激光光束的发散角。一般地，发射激光束的发散角可压缩到微弧度的量级此外，背 景光( 太阳、月亮、地球和星体等) 也将产生很强的干扰，这就大大增加了光信号的 接收难度因此，在较强的背景光的干扰下，如此窄的激光束，通信距离又相当遥远 时，如何捕获、对准和跟踪( a r p ) 空间目标，就成了一个关键性的问题。可以说， a t p 技术是保证实现空间远距离光通信的必要核心技术。 本论文发射系统部分主要研究高功率、高速率发射单元的技术研究 2 3 通信子系统技术分析 2 3 1 概述 如前所述，由于条件研制，本文主要研究空间光通信系统中的两大子系统，即信 号传输( 通信) 子系统和空间光束的捕获、对准和跟踪( a p t ) 子系统。 激光通信系统主要包括光发射机、光信道和光接收机三个主要部分。光发射机的 作用是在发射端将电信号转变成适合于光信道传输的光信号，光接收机的作用是在接 收端对光信号进行接收、放大和处理。在信道方面，相对于光纤信道和大气信道而言， 空间信道几近理想：既无光纤信道的非线性效应，也无大气信道的漂斑、散斑等效应 和恶劣天气引起的严重光能量损耗。但空间信道须考虑光传输损耗和几何损耗。在发 射和接收机方面，空问光通信的一个重要设计理念是充分利用现有的成熟的光纤通信 器件进行移植和改造，并尽量将发射和接收端的性能提高到工程余量允许的极限。 通信子系统本身已经研究成熟，一旦a p t 子系统得以突破，空问光通信系统的上 星搭载即可实现。事实是，本文所述的空间光通信系统三大子系统仅仅具有纯粹的逻 辑划分的意义，它们在物理上( 器件、系统与结构) 紧密耦合，具有高度的互赖、互动性， 改变其中一个子系统会对另一个产生巨大的影响高性能的、接近量子极限的通信子 系统设计能够大大减轻其它各个子系统的压力甚至可以说，通信子系统的强健性可 以极大地促进岍子系统星上工程的实现1 欲提高通信子系统的性能，单方面地增加系统发射端的功率是不可取的，这会带 来激光发射器件和功耗的问题；依靠压缩发射端信号光束的发散角来保障通信链路功 率预算的解决方案则会直接导致a p t 子系统的设计与实现难度的大大增加。相对而 言，提高接收灵敏度是一个非常有效的方法在经费限制、星上条件约束、其它子系 统设计制造上的困难与风险已知的情况下，必须努力将通信效率推向极限，其关键在 于高灵敏度、抗干扰的光放大接收技术“” 2 3 2 通信体制 激光通信系统的组成主要取决于调制和接收方式不同的调制和接收方式构成不 同的应用系统 激光接收技术有两种方法，其一是直接强度探测( d d ) ，即非相干探测，这种方 法具有结构简单、成本低、易实现等优点其二是相干( 外差) 探测，这种方法具有 接收灵敏度高、抗干扰能力强等优点，但系统较为复杂，对元器件性能要求也高相 应地，激光调制技术有直接光强度调制( i m ) 和光相位、频率调制。前者是将信号直接 控制激光器电流大小，以达到激光器输出光强度、光功率变化，实现起来比较容易， 结构也比较简单，并可以采用直接探测的接收方式，构成i m d d 系统“3 1 。 i m ，d d 方式中半导体激光器一般是采用具有单纵模特性的激光器进行直接光强 度调制，在调制过程中保持良好的单谱线，频率稳定比较简单，是空间激光通信最常 用的调制方式。根据通信终端的整体技术指标和要求，以及考虑到工程可实现性，激 光通信终端通信子系统一般采用强度调制直接探测( i m d d ) 方式，通信子系统的原理 如图2 - 4 。 l 空f i 间l j 7 j 信卜 道f 图2 41 m d d 通信子系统的原理示意图 相干光通信系统由光发射机、光接收机和传输信道组成，其原理示意图如图2 5 所示： 8 n髫带懈厂k嘴脂产l阻u脬侧目圈引 r h ，| i ln卦恻u 空 间 信 道 图2 5 相干光通信原理示意图 相干光通信系统工作过程如下：发射端机使用一个相干性很好的信号光激光器， 基带信号经过激光调制器( 幅度、相位、频率) 调制后作为信号光由发射天线发射 接收端机由接收天线将空间的信号光( 频率为f i ) 收集后与本振激光器产生的本振光 ( 频率为6 ) 经过空间光混频后，再经光电探测进行光电变换得到频率为( f i 一最) 的 光差频信号，即通常称的中频信号该信号经由后续电路的中频放大、滤波、解调等 信号处理后，还原为基带信号 采用相干光通信技术，可以大幅度提高光接收机灵敏度，通常可比非相干直接探 测高约1 0 2 0 d b 但是相干光通信的核心问题在于，信号光与本振光应具有良好的相 干性及频率稳定性，并要求精确的空间光场匹配技术，因此要达到工程实用，系统较 为复杂，在目前难以达到。 肇嫠舞 蛊 【一一一。一一一 图2 - 6i m d d 系统的结构层次图 9 微 波 篮 i 二j 2 3 3 码型的选择 在空间光通信中，常用的传输码型主要有非归零码( n i 呓) ，归零码( 1 江) ，见图3 - 4 一竺竺厂厂 厂 。! 竺r ：几几r 图2 7 空间光通信中几种常用传输码 对于n r z 码，传输的数据占满一个比特周期，在整个“l ”脉冲间隙t 范围内， 信号不回到零n r z 码具有最小的带宽要求，但在长连“0 ”和长连“1 ”码出现时， 接收端容易产生基线漂移效应，此时接收端定时信息也不容易提取，并且码问干扰大 对于r z 码，其脉冲宽度小于一个比特周期，在整个“l ”脉冲间隙内，要回到零， 其占空比通常为5 0 r z 码的码间干扰比n r z 码小，在接收端提取定时同步信息 比n r z 更容易，接收机灵敏度比n r z 码高，但r z 码所需的带宽比n r z 码大，而 且在出现长连“0 ”时，也可能导致定时同步信息的丢失。在高码率条件下时，为防码 间干扰，最好使用r z 码，现在空间光通信系统中，多采用r z 码型m 1 。 2 3 4i m 调制方式的选择 目前的空间光通信系统中，大多为强度调制，直接检测( i m d d ) 系统。在强度调制 直接检测光通信系统中，调制方式有很多种，主要有开关键控( o o k ) 、脉冲位置调制 ( p p m ) ，见下图 图2 - 8 0 0 k 与p p m 的调制方式 o o k 调制： 在o o k 系统中，通过在每一比特问隔内使光源脉冲开或关对每个比特进行发送。 这是调制光信号最基本的形式，只需使光源闪烁即可编码，o o k 调制是产生相对较高 比特率的一种简单方法。开关键控o o k 调制方式具体地分为非归零n r z ( n o t r e t u r nz e r o ) 码与归零r z ( r e t u mz e r o ) 码两种编码格式。o o k 调制方式的n r z 码是在 “l ”比特时间间隔内发送光脉冲，在“0 ”比特时问间隔内不发送光脉冲：r z 码则是在 “l ”比特的前半个时自j 间隔内发送光脉冲，在“0 ”比特时问问隔内不发送光脉冲。 因此，n r z 码与r z 码的比特速率是相同的，但是r z 码的激光器调制速率高，较n r z 0 码节省一半的功率。 p p m 调制： p p m 是激光通信系统中常用的一种正交调制方式，一个光脉冲位于l 个相邻时 间位置之一上来代表某一组数据，l 个间隙构成一个p p m 帧，数据字节由脉冲在帧 中的位置决定相比于o o k 调制方式，p p m 的平均功率降低了。但是同时增加了对 带宽的需求p p m 特别适合于脉冲重复间隔有限制( 如q 开关激光器) 的通信系统或 带宽比较丰富而功率比较珍贵的通信环境，目前主要应用在一些对传输速率要求不是 很高的光通信系统中。而o o k 调制简单，带宽利用率高，在高码率的卫星激光通信 应用中被广泛采用n 目 2 3 5 波长选择 对于无线光通信，可使用通信的波长很多，通常通信系统工作波长可选择$ 0 0 n m 、 1 0 6 0 r i m 、1 5 5 0 r i m 、1 0 6 t m 等波段，各波段在通信方面各有优势和难点，见表3 1 通过几种常用波长的分析可见，1 0 6 0 r i m 、1 0 6 t m 两波段虽然具有输出功率大、 光束质量好、发散角小、利于准直的特点，但是其体积、功耗、高压等方面的约束对 卫星平台的有限搭载能力是不适合的，距离工程可实现还有相当的距离。基于星间激 光通信的具体情况，采用$ 0 0 n m 、1 5 5 0 r i m 波段虽然也有很多具体的技术难点，但从 整个技术层面和工程可实现的角度来看，半导体激光器具有体积小、重量轻、功率需 求小和相应的探测器灵敏度高的优点，目前的发展水平已经能够胜任空间光通信的需 求 因此，空间激光通信大多采用$ 0 0 n m 和1 5 5 0 n m 波长具体来看，可从以下几 方面考虑：1 ) 码速率对激光器调制性能的要求；2 ) 长距离通信对激光器输出功率的需求； 3 ) 光束准直能力的需求；4 ) 接收机性能的需求；5 ) 背景光的影响：6 ) a p t 子系统对阵列 型c c d 等元器件性能需求：7 ) 元器件和光通信系统发展趋势。上述各种因素有着紧 密的关联，在波长的选取上应进行综合考虑u “。 表2 1 各波段在通信方面的优势和难点 2 3 6 信噪比分析和探测器选用 光接收机中的噪声源可分为散粒噪声和热噪声两类“”其中散粒噪声包括光探测 器的最子噪声、暗电流噪声、漏电流噪声和a p d 倍增噪声；热噪声主要指负载电阻r l 产生的热噪声；另外，接收机放大器，尤其是前置放大，对噪声有相当的贡献图2 - 9 说明了这些噪声源的分布情况。 量子噪声 暗电流噪声 热噪声放大器噪声 漏电流噪卢 a p d 倍增噪卢 图2 - 9 接收机噪卢及其分布 散粒噪声为高斯白噪声，而热噪声在一个相当宽的频带( o 1 n | z ) 内近似为高斯 白噪声，由w i e n e r - k h i n c h i n 定理，散粒噪声功率的一般表达式为 z = ( f ；( f ) ) = i s 。( f ) d f = 2 q l ，a f ( 2 3 1 ) 0 其中，q 为电子电量，i p 为探测器的平均电流，ip = r p i 。，r 为响应度，p i 。为输 2 入光功率，4 厂为噪声等效噪声带宽考虑到暗电流i d 的影响后，总的散粒噪声可表示 为 z = 2 9 ( + 厶) v ( 2 3 2 ) 类似地，热噪声功率的一般表达式为 露- - ( # o ) - - 一( f ) d f = ( 4 k t i r l ) a f ( 2 3 3 ) 其中，k 为玻尔兹曼常数，t 为绝对温度，r l 为负载电阻考虑到放大器噪声 系数f n 对噪声的贡献，热噪声功率可修正为 刃f f i ( 4 k t 也) 只y ( 2 3 4 ) 因为散粒噪声过程和热噪声过程是相互独立的高斯随机过程，所以总的噪声功率 为 盯2 = ( ，2 ) = z + 刃 ( 2 3 5 ) 对于a p d 器件，倍增过程并不影响热噪声，但要影响散粒噪声，这是由于倍增 过程的随机性导致了一个新的附加噪声分量，这样，a p d 的散粒噪声为： z = 2 q m 2 ”( l + l ) 4 ，r ( 2 3 6 ) 其中m 为倍增增益，x 为a p d 附加噪声因子，典型值在o 3 到l 之间由信噪比 的定义可知，当热噪声和散粒噪声同时存在且两者数量级相当时，a p d 接收机的s n r 为 =丧=(4ktrl)f,af+盟2qml2+x(rpn,+id)afsnr 叫) = 巴 = ! 竺兰型一 ( 2 3 7 ) 口；+ d ； 、。 在热噪声限制下，即当ot os 时 s 凇：f lj m ：r ：瑶 ( 2 3 8 ) l 4 k t f 涂f ) ” 、。 a p d 比p i n 接收机的s n r 提高了m2 倍。 在散粒噪声限制下，即当os o t 且i d a o 时 s n r ：刍i ( 2 3 9 3 ) 2 q m x 碰 由于有附加噪声因子的影响，a p d 比p i n 接收机的s n r 降低了m 1 倍。由上述分 析可知，在热噪声限制下，a p d 器件比p i n 具有较高的接收性能，而在散粒噪声限制 下，p i n 比a p d 更具有优越性。实际光接收机系统中，当入射功率很小，即信号很弱 时，由于光电探测器的量子噪声与入射光功率成正比，因此热噪声占了支配地位，系 统为热噪声限制系统。a p d 器件由于倍增效应而具有高增益、高灵敏度和宽的探测带 宽( m m ) ，适用于微弱光信号检测。 图3 7 为短波长a p d 、p i n 接收机灵敏度与传输码速率的关系。 ， 一一 乡 夕 - 彳 一：； 盯v 一 一， 彩 什乞k ， 一 ， l i i 一一 拗 一_ i c = f亏二0 0ii 乒多 ii 第三章自由空间激光通信系统通信发射单元方案选择 根据调制与光源的关系，光调制可分为直接调制和间接调制两大类。直接调制仅 适用于半导体光源( l d 和l e d ) ，这种方法是把要传送的信息转变为电流信号注入l d 或 l e d ，从而获得相应的光信号，是电源调制方法直接调制具有简单、经济、容易实 现等优点，是光纤通信中常采用的调制方式。但是激光器在直接调制时由于电子和光 子密度之间的耦合很强，而且光源的频率随电子密度发生变化，在调制电流变化时电 子和光子密度在到达稳态前会产生豫弛振荡，这也加剧了光源的频率啁啾。同时光源 的频率啁啾也与调制信号的速率有关，调制信号的速率越高则光源的频率啁啾越大。 间接调制是利用晶体的电光效应、磁光效应、声光效应等性质来实现对激光辐射 的调制。这种调制方式既适用于半导体激光器也适用于其它类型的激光器间接调制 最常用的是外调制方式外调制方式是在激光形成以后加载调制信号，其具体方法是 在激光器谐振腔外的光路上放置调制器在调制器上加调制电压，使调制器的某些物 理特性发生相应的变化，当激光通过它时得到调制在采用外调制技术时，对于电光 调制器来说，晶体的电光效应本身不会限制调制器的频率特性，因为晶格的振荡频率 可达i t h z ，因此调制器的调制特性主要受外电路参数的限制，其频率啁啾特性主要受 渡越时间的影响且与调制信号的速率关系不大，从而增大了传输距离。总体来说间接 调制的优点就是高速率、大消光比、大光功率和消除半导体激光器内调制产生的光功 率跳变的啁啾现象。使用外调制技术可提高信号的传输速率，实现光信号的远距离传 输，中继距离可延长到至少3 0 0 k i n 以上，可省掉昂贵的光放大器，降低光通信的成本是 光通信技术发展方向之一u “ 3 1 半导体内调制与光放大器 自由空间光通信对光发射机主要的要求是：( 1 ) 产生足够大的功率；( 2 ) 对信号 进行高速调制。为了获得高调制速率下的大输出光功率，用量子阱d f b 半导体激光器 作为光源，用半导体光放大器( s o a ) 对其输出光信号进行放大，发射子系统框图如 图l 所示。激光器发射光波长为1 5 5 0 n m ，采用强度调制方式，调制速率为1 2 4 g b s 。 输出光经s o a 放大，通过单模光纤可以将半导体激光器输出的椭圆波束转化为圆波束， 提高光束质量。 图3 1川s o a 的光学发射字系统图 s o a 与光纤放大器相比有它自己的独特优点，诸如体积小、功耗低、价格便宜、 能够与其它半导体器件集成等。s o a 具有较高的小信号增益，一般体材料行波型半导 体光放大器( t w - - s o a ) 在4 0 0 m 腔长下能够获得1 5 d b 左右的净增益；而量子阱 材料由于对注入电子有好的量子限制作用。减少了内部的损耗，显著提高微分增益系 数，能在6 0 0 u m 增益长度下获得2 5 d b 左右的净增益。但随着增益区长度的增加，必 须采取有效措施来尽量减少光子的谐振效应，否则过高的增益会加剧增益的波动，减 少s o a 的有效带宽和降低饱和输出功率s o a 有比光纤放大器宽的多的3 d b 增益带 宽1 w s o a 的增益带宽为5 0 7 0 n m ，在高注入的量子阱t w - - s o a 中，其3 d b 增 益谱宽可达到9 0 1 0 0 n m 。 研究表明，与广泛使用的传统的n r z 码型相比，r z 码能使用的接受灵敏度提高2 3 d b ，因而是一种极具吸引力的调制码型在星际链路中，具有向前纠错能力的高灵敏 度收发机将会缩小光学天线体积，降低发射光功率，延长星际间链路长度由于空间 激光通信不存在色散和非线性效应，因而提高灵敏度来讲更适合使用r z 码型 3 2 半导体内调制与e d f a 光放大器 信 光信号 c a ) 发射机 ( ”接收机 ( c ) 两级掺饵光纤放大器结构 图3 2 使_ l j e d f a 的发射系统 1 6 号出 主激光器d f b 激光器，光功率放大采用掺铒光纤放大器，并采用两级副泵浦结构， 共使用四个泵浦激光器最后可得在1 5 5 0n m 波长，输出功率大于1 w 本系统采用1 5 5 0 n m 的波长，可以充分利用光纤通信中的先进技术及大量投资，还 可以利用光纤通信中成熟的w d m 技术对系统进行扩容。 3 3 大功率半导体激光器与电光外调制器 阃接调制是利用晶体的电光效应、磁光效应、声光效应等性质来实现对激光辐射 的调制。这种调制方式既适用于半导体激光器也适用于其它类型的激光器间接调制 最常用的是外调制方式外调制方式是在激光形成以后加载调制信号，其具体方法是 在激光器谐振腔外的光路上放置调制器在调制器上加调制电压，使调制器的某些物 理特性发生相应的变化，当激光通过它时得到调制在采用外调制技术时，对于电光 调制器来说，晶体的电光效应本身不会限制调制器的频率特性，因为晶格的振荡频率 可达i t h z ，因此调制器的调制特性主要受外电路参数的限制，其频率啁啾特性主要受 渡越时间的影响且与调制信号的速率关系不大，从而增大了传输距离。总体来说间接 调制的优点就是高速率、大消光比、大光功率和消除半导体激光器内调制产生的光功 率跳变的啁啾现象。使用外调制技术可提高信号的传输速率，实现光信号的远距离传 输，中继距离可延长到至少3 0 0 k m 以上，可省掉昂贵的光放大器，降低光通信的成本 是光通信技术发展方向之一其调制系统的原理框图如图3 5 ： 图3 5 外调制系统 在不考虑由于光源内部噪声引起的谱线加宽时，仅由调制方式产生的谱线宽度采 用直接调制技术时比采用外调制技术时大2 3 个数量级。对直接调制和日j 接调制作比 较如表4 1 。 表3 1 直接调制与外调制特性比较 从表3 2 中看出，间接调制的2 种外部调制器调制带宽比直接调制要宽一倍以上， 啁啾因子要小得多因此外调制系统适合应用于高速、高功率通信，所以在高速传输 系统中大多采用外调制技术嘲 3 4 几种通信方案的对比 从空间卫星光通信子系统的关键技术来看，可采用以下两种方案- 一是对应于1 5 5 0 n l u 波段，采用低功率分布反馈式( d f b ) 激光器与光纤功率放大器直接耦合得到码速率 高、输出光功率的发射光源，在接收端加入前置掺铒光纤放大器提高接收机灵敏度。另 一种是对应于8 0 0 姗波段，采用大功率激光器加外调制技术，同时利用波分( 或偏振) 复用技术降低单路通信码速率，从而提高接收机灵敏度从激光器的性能上，1 5 5 0 r i m 波 段d f b 激光器具有良好单纵模激光输出特性，啁啾系数相对较小采用单模尾纤的输出 方式可获得基横模，有利于光束的微弧度量级的准直。8 0 0l u l l 波段大功率激光器是多 纵模输出，光源的频率啁啾系数大，光束非横模特性使得光束的准直变得困难。从背景 光的影响上看，太阳光、地面反射光以及其他星光对9 0 0 n m 波段的干扰强。因此同等条 件下，$ 0 0 n m 波段进入到探测器的背景噪声大从接收机灵敏度的角度上看，虽然 8 0 0 n m 波段探测器的性能优于长波长，但是1 5 5 0 r i m 波段可采用前置掺铒光纤放大器，其 接收机性能大大优于短波长，可达到- 4 5 d b m 此外，$ 0 0 n r a 波段必须采用复用技术，以 降低单路通信码速率，增加了系统的难度 对于g e o l e o 之间的空间激光通信，由于距离远，码速率高，光束发散角受衍射 极限和跟踪瞄准精度的限制，对通信系统有很高的要求，既要求光源发射功率大、调制 码速率高，又要求接收机灵敏度高，同时还要克服背景光的干扰有1 5 5 0 r i m 波段和 $ 0 0 n m 波段两种解决的方案，通过比较，1 5 5 0 n m 波段的方案更适合g e o l e o 之间的高 码率通信 对1 5 5 0 r i m 波段，光放大器技术的成熟为光功率的放大提供了便利的条件，对小功 率输出的激光器进行高码率的调制，对于l g b s 的码速率可采用直接调制的方式，对于 更高码速率可采用间接调制的方式。调制了的信号再通过掺铒光纤放大器进行放大， 能够获得高码率、大功率的发射光源。对于8 0 0 n m 波段，由于无相应的光放大器，需采 用大功率的激光器：在调制方式上可采用直接调制和间接调制两种方式