相干自由空间激光通信技术

相干自由空间激光通信技术

1z微波系统与光学链路自由空间通信是指在不同距离内以不同速度运营的卫星，包括低轨（leo）、中轨（meo）、同步轨（geo）和地站与各种卫星之间的通信（如图1所示）。应用于不同层面间的通信系统对应着不同的性能要求。与传统的微波通信相比,用激光束作为信息载体的自由空间激光通信频率高,空间和时间相干性好,发射波束窄,因此具有码率高、通信容量大、天线尺寸小(60GHz微波系统和光学链路的天线理论尺寸比较,如图2)、功耗低、体积小和保密性高等优点,是解决微波通信瓶颈,构建天基宽带网,实现全球高速、实时通信的有效手段,具有很大的民用和军事应用潜力。1960年休斯公司研制出第一台激光器后即转入了应用研究,建立了第一条大气激光通信系统,但由于大气散射和不可预测的气候干扰,通信质量较差,难以实用化。进入20世纪90年代后,随着商业卫星技术和宽带数据业务的发展,空间激光通信的研究发展开始加速。美国、欧洲、日本等国家都先后开展了关键技术研究和实验室模拟,技术日趋成熟。传统的强度调制/直接探测体制下,自由空间光通信系统对抗背景光干扰性能弱,以致于对通信终端的重量、体积、码率和功耗等都提出了很高的要求。若要满足将来通信终端高精度、高码率、轻量化、工业化的应用标准,具有高接收灵敏度的相干探测是必需的。相干探测技术大大提高了接收机的灵敏度以及中继距离,具有优良的波长选择性和抗背景噪声性能,可发展成为频率间隔更小的波分复用系统,并且可使用多种调制方式,特别适用于码率在Gb/s量级、传输距离在几万千米的自由空间激光通信。但由于自由空间通信的自身特点,自由空间相干光通信不能简单地套用光纤通信的相干接收系统,需要发展新的体制。光纤相干通信系统和自由空间相干通信的对比见表1。2相干光通信技术2.1光电探测器的信号传输相干光通信的实质是采用了光频段的外差探测。与直接探测系统相比,多了一个本振激光器。发射机部分采用外光调制方式将原信号以调幅、调相或调频的方式调制到光载波上,再经滤波器和光放大器传输出去。传输到达接收机时,信号光首先与一本振光信号进行相干混频,然后由探测器进行探测。光电探测器对信号光和本振光的差频分量响应,输出一个光电流,从光信号的高频域(~105GHz)转换到电信号的中频域(~GHz)。可见,接收机的光电探测器除了可以解调光功率的包络变化之外,只要光谱响应匹配和频率响应合适,也同样具有实现光外差探测的能力。此外,在电信号的范围内电子技术可以用在滤波、解调等信号处理方面。和直接探测相比,由于相干探测体制探测的是差频信号,在接收机灵敏度、波长选择方面等都有显著提高。2.2相干光通信的特点2.2.1相干体制的灵敏度光束在自由空间的散射和吸收可忽略,光通信系统的主要噪声是在探测过程中引入的,因此接收机的灵敏度是自由空间光通信的一个重要指标。使用PIN的强度调制/直接探测接收机受暗电流和热噪声影响,灵敏度比量子极限小25dB。为减小热噪声,强度调制/直接探测通常使用雪崩二极管。在不考虑背景光的前提下,其主要噪声源是雪崩二极管的倍增噪声和负载电阻的热噪声,使雪崩二极管探测器的灵敏度仍比量子极限少10~15dB[4~5]。相干体制的接收机在系统中引入一个本地振荡产生的光波,探测两者的混频信号。本振光功率可以设置得足够高(毫瓦量级),这样信号光在探测前得到放大,效果等同于光放大器,足以使PIN克服热噪声影响,大大提高灵敏度。以1.3~1.6μm波段为例,强度调制/直接探测接收机需要约为1000photons/bit以达到10-9的误码率,而相干接收机要达到相同的误码率仅需约10~20photons/bit甚至更少,可以达到接近散粒噪声极限的高性能。可见,相干探测的高灵敏度使相干接收机更适合于弱光信号的探测,而直接探测体制仅适宜于较强光信号的探测。接收机的高灵敏度也增加了光信号的传输距离。就自由空间通信而言,强度调制/直接探测接收机适宜于低轨-低轨之间(5000km以内),或同步轨道-低轨以及低轨-中轨之间(约45000km)的星间激光通信,相干接收机更适合其它通信距离更长的星间光通信。此外,灵敏度的提高大大减小了收发天线口径,从而降低了通信终端的尺寸、质量以及功耗。相干探测体制下零差探测灵敏度比外差探测高出3dB,因此理论上,相干接收机的最高灵敏度可由二进制相移键控(BPSK)调制的零差探测接收机实现。2.2.2外差探测的滤波效果在直接探测中,接收波段较大(~100nm),为抑制杂散背景光的干扰,探测器前通常需要放置窄带滤光片,但其频带仍然很宽。在相干外差探测中,探测的是信号光和本振光的混频光,因此只有在中频频带内的杂散光才可以进入系统,而其它杂散光所形成的噪声均被中频放大器滤除。可见,外差探测对背景光有着良好的滤波性能。这使得相干光通信系统对宽带背景光的敏感程度大大降低,受太阳背景、地球背景和其它星光背景的影响极小,这样的优势是强度调制/直接探测体制的星间光通信端机完全无法比拟的。此外,由于相干探测优良的波长选择性,相干接收机可以使频分复用系统的频率间隔达到100MHz,取代传统光复用技术的大频率间隔(200GHz),具有以频分复用实现更高传输速率的潜在优势。2.2.3高速率的光栅系统的相干光相调制在强度调制/直接探测系统中,只能使用强度调制方式对光波进行直接调制。直接对激光器进行调制,如改变半导体激光器的抽运电流,会因激光谐振腔的瞬时过程带来许多不利因素,因此高速率的光通信系统通常使用外部调制,该方法较激光器本身的直接调制可以得到更长的传输距离和更高的传输率(≥4GHz)。在相干光通信系统中,除了可以对光波进行幅度调制外,还可以进行频移键控或相移键控,如二进制相移键控、差分相移键控、连续相频键控等,具有多种调制方式,利于灵活的工程应用。虽然这样增加了系统的复杂性和光损耗,但是相对于强度调制/直接探测只响应光功率的变化,相干探测可探测出光场的振幅、频率、位相携带的所有信息,因此相干探测是一种全息探测技术,这是强度调制/直接探测体制不具备的。2.3关键技术2.3.1相干探测的宽在激光的各项参数中,相干探测只需考虑相位噪声,而相位噪声通常被描述为由激光谐振腔内的光子自发辐射造成的频率噪声过程,频谱线宽是可表征这一过程的重要参数。由于半导体激光器的线宽对于相干探测而言往往过宽,通常取代它的是光抽运的Nd:YAG激光器。但在这种光抽运情况下,相干探测所使用的激光器数量是直接探测的四倍。此外,光抽运激光器也加大了对电源功率的要求。因此减小激光器线宽是对相干接收机中激光光源的进一步要求。此外,由于本振光和信号光需保证一定的相位关系,相干探测中所使用的激光器也应具有高稳频性。2.3.2信号光频率探测的基础在零差探测的相干接收机中,本振光的相位要严格锁定于信号光,即保证频率一致。具体而言,零差探测中本振光和信号光频率一致,外差探测中信号光和本振光频率差值一定。因此使用零差探测接收机获得更高灵敏度的代价就是要增加一个光相位同步元件———光学锁相环。常用的锁相环类型有平衡锁相环、决策驱动锁相环以及科斯塔斯锁相环。锁相环因其自身特点,对原信号类型、桥接器和前置电路,以及功率要求各不相同,最终影响相干探测的性能。2.3.3光桥接器接口光桥接器将信号光和本振光混频后链接到光电探测器,其主要功能是在空间精确合成信号激光波前和本振激光波前,产生两者的差频。在性能上光桥接器分为90°相移两通道输出,180°相移两通道输出和90°相移四通道输出等结构。180°的相移2×2光桥接器可用于平衡锁相环路接收机,90°的相移2×2光桥接器可用于科斯塔斯锁相环路接收机,90°相移2×4光桥接器可用于平衡接收和科斯塔斯锁相环路相结合的接收机。在卫星激光通信终端中已经发展了一种2×4输入输出的块状光桥接器,其可以同时实现相差90°的两组180°相移的输出,但整个光学系统需要保证光束的严格等光程传输,类似于白光干涉条件。因此,对光学质量和装配要求非常严格,稳定性较差,而且元件很多,插入损耗较大,不太适合于卫星自由空间激光通信系统应用。自由空间相干光通信所使用的桥接器技术难点在于克服上述现有技术的不足,使光桥接器具有结构简单紧凑,性能稳定可靠,损耗小等优点。3自由空间通信发展现状在迅速增长的天基网络带宽要求下,星间光学链路终端在20世纪90年代后期蓬勃发展起来。美国、欧洲、日本等国都制定了多项有关自由空间激光通信的研究计划,对自由空间激光通信系统所涉及到的各项关键技术展开了全面研究,并有多个在轨实验成功的计划。美国开展自由空间光通信的研究较早,由于在总体方案上片面强调了光通信演示系统的跟瞄技术和光纤通信,目前只实现了近距离低性能的星间通信链路。欧洲航天局具有代表性的SILEX计划[10~20]是世界上首个实现高低轨卫星之间信息实时传输的星间链路。随后,欧洲航天局又和英国合作发展了采用相干探测方式的高码率、小型化、轻量化、低功耗OPTEL终端系列。一系列的研究计划和成果使欧洲在自由空间激光通信领域处于国际领先地位。德国航天中心计划于2007年夏进行在轨实验的TerraSAR-X计划中也采用了相干激光通信体制,非常值得关注[23~31]。3.1卫星系统计划美国于20世纪60年代中期就开始实施空间光通信方面的研究计划。最主要的研究部门有美国宇航局和美国空军,其它著名实验室如林肯实验室、贝尔实验室等。欧洲航天局一直非常重视光学空间通信的研究工作。从1986年起,欧洲航天局开始实施半导体星间激光链路实验计划[10~20]。该计划是在ESA的同步数据中继卫星(ARTMS)和法国同步地球观测卫星SPOT-4之间进行通信实验。SILEX的低轨光学终端OPALE如图3所示。通信接收机采用的是直接探测方式。2001年11月,ARTEMIS卫星与SPOT-4卫星之间的光学链路建立,低轨到同步轨道链路的通信速率为50Mbps,同步轨道到低轨链路的通信速率为2Mbps,误码率均低于10-9,是采用直接探测方式实现高精度、低码率的星间光链路成功实例。另外,日本LUCE计划的OICETS和ARTEMIS终端之间[32~34]也相续完成了激光通信链路,并首次实现了低轨卫星和光学地面站的激光通信。上述计划还处于实验验证阶段,采用的是简单可靠的直接探测方式,其在轨链路实验不仅验证了自由空间光通信的可行性,也为后续相干光通信系统的发展奠定了技术基础。3.2相干光通信的研究3.2.1外差频移键控相干光通信机美国的麻省理工学院林肯实验室在20世纪80年代中期进行了一个名为星间激光传输实验的研究项目[35~37],目的是在40,000km的距离上进行速率为200Mbps的星间激光通信。采用半导体激光和外差探测技术,进行了精密光束控制、调制类型、相干检测和光纤放大器等方面的研究,研制完成了一个外差频移键控相干光通信机。发射机采用波长为1.55mm的掺铒光纤放大器,调制速率可达1Gbps,接收机采用了差分相移键控的调制方式和外差探测技术。该通信机的主要子系统都进行了性能测试和空间环境测试,由于各种原因,该项目的飞行模型被搁浅,没有进行飞行实验。图4是经过了空间环境测试可上天运行的光束控制模块和光源装置。3.2.2单终端模拟研究自1989年起,欧洲航天局在发展SILEX计划的同时,还大大加强了对基于Nd:YAG激光器相干光通信的关键技术和系统研究的投入力度。1996年,短距离星间光学链路(ShortRangeOpticalInter-satelliteLink,SROIL)计划在瑞士正式启动。该计划致力于发展适用于由低轨组成的小卫星星座间短距离通信链路的小型化、轻量化终端,成功研制了光学演示终端SROIL。由于小卫星数量巨大,成本成为计划的主要影响因素。1998年,SROIL终端模拟模型完成。该终端的发射机以1.064mm波长半导体激光器抽运的Nd:YAG激光器作为光源,相干体制的接收机采用二进制相移键控调制方式和零差探测。通信系统的发射天线孔径为3.5cm,通信码率可以达到1.5Gbps,误码率低于10-6,总质量为15kg,功率为40W。该终端飞行模型的外形尺寸为30cm×20cm×50cm,天线的口径为4cm。SROIL计划除了实现短距离低轨卫星之外,也开发了有中远程的星间光通信终端。中程终端仍采用波长1.064mm波长的半导体激光器抽运的Nd:YAG激光器和二进制相移键控调制的零差相干探测系统,该终端可在相距达6000km的两个低轨卫星之间实现6.5Gbps速率的通信,误码率低于10-9。终端孔径10cm,质量25kg。SROIL短程、中程终端实物分别如图5(a)、(b)。和SILEX计划中使用的OPALE终端,以及ESA后期研制的适用于低轨-同步轨道通信的小型光学用户终端(SmallOpticalUserTerminal,SOUT)、适用于同步轨道-同步轨道通信的短程光学通信终端(ShortOpticalTelecomTerminal,SOTT)相比,采用了相干接受探测方式的SROIL终端在天线口径、终端质量等性能方面都有明显提高(欧洲航天局四代终端主要性能对比见表2),更符合星间光通信终端轻量化、小型化的工业应用标准。SOUT终端实物如图6。3.2.3opel家族1995年,针对星间激光通信的商业应用,欧洲航天局与英国OerlikonContravesSpace合作开发星间光通信应用终端,在SROIL和ISLFE(theInterSatelliteLinkFrontEnd)等项目的支持下,进行了采用相干接收系统的OPTEL系列星间光通信终端的研究。至今OPTEL家族已有三种型号的终端:OPTEL02、OPTEL25和OPTEL80,分别应用于短程,中程和长程的星间链路。OPTEL终端主要由三大部分组成:光学头单元组件、激光单元组件和电子单元组件。其中,光学头单元组件执行捕获、跟踪和接收信号的功能,激光单元组件和电子单元组件执行光信号的调制和输出、PAT子系统控制、功率支持、温控、卫星接口等功能。OPTEL终端采用了同步二进制相移键控零差探测接收机,以及阶梯式抽运光发射机,抽运Nd:YAG激光光纤放大发射机,808nm的半导体激光抽运Nd:YAG发射波长为1064nm的信号光,信号光被调制后经掺镱光纤放大器进行光放大,抽运光波长为977nm,放大后输出功率1.25W,活动像素传感器用于捕获和粗跟踪,光纤旋转探测器用于精跟踪和通信,信标光波长808nm,最大输出功率可达7W。表3是OPTEL家族主要性能参量比较,图7是OPTEL家族的应用范围。此外,欧洲航天局还进行了相干空间光通信系统中关键技术及元件的实验及测试。其中包括半导体激光器抽运的Nd:YAG激光器、多通道相干光接收机、电光位相调制器等。3.2.4德国航天中心利用系统由德国政府支持发展的空间固体激光通信实验(SolidStateLaserCommunicationsinSpace,SOLACOS)是一个高码率卫星间激光通信计划。SOLACOS计划开始于1989年,该项目建立了完整的计算机仿真设计系统,同时制造了一套用于测试的实验模拟系统,其实验模型于1997年完成。该终端采用固体激光器和相干接收,采用波长1.064mm、发射功率1W的抽运Nd:YAG激光器,通信速率可达650Mbps。SOLACOS终端发射孔径15cm,重量70kg。图8是SOLACOS终端模型。基于SOLACOS计划的TerraSAR-X计划是德国更为系统的一个相干探测体制的星间链路研究计划。TerraSAR-X是德国第一个在德国航天中心支持下,以国家-个人合作股份方式运作的国家远程探测卫星。TerraSAR-X的目标是建立一套自由空间的X波段合成孔径雷达系统,可为地球观测等科学研究提供为期5年的高质量雷达数据,也可为商业应用中不断增长的个人远程探测数据提供稳定的服务。这颗卫星预计在2007年夏由俄罗斯-土耳其运载火箭发射。TerraSAR-X是一个高5m,半径2.4m,重约1200kg的带有合成孔径雷达系统