可用于深空信息傳輸?shù)墓饫w激光相控陣技術

王天樞,孫鴻偉,韓建,張鵬,胡源,張立中,劉京郊,姜會林

(1.空間光電技術國家地方聯(lián)合工程研究中心,長春130022;2.長春理工大學光電測控與光信息傳輸技術教育部重點實驗室,長春130022;3.長春理工大學空間光電技術研究所,長春130022;4.北方電子技術研究所,北京100083)

可用于深空信息傳輸?shù)墓饫w激光相控陣技術

王天樞1,2,3,孫鴻偉1,2,3,韓建1,2,3,張鵬1,2,3,胡源1,2,3,張立中1,2,3,劉京郊4,姜會林1,2,3

(1.空間光電技術國家地方聯(lián)合工程研究中心,長春130022;2.長春理工大學光電測控與光信息傳輸技術教育部重點實驗室,長春130022;3.長春理工大學空間光電技術研究所,長春130022;4.北方電子技術研究所,北京100083)

提出采用面向動態(tài)連接的光纖激光相控陣的深空激光通信及全光組網(wǎng)技術,對4～35萬千米深空探測鏈路功率進行了仿真,由于1.55μm摻鉺光纖放大器的飽和輸出限制,使其安全裕量大大低于1.064μm載波源的安全裕量。模擬了1.064μm的光纖激光相控陣在深空通信中的遠場強度分布圖,陣元數(shù)目為20×20時,陣元間距為20μm、纖芯半徑為10μm,遠場的掃描角度范圍為±1.309°。結(jié)果表明,1.064μm光纖激光相控陣光源具有深空鏈路傳輸優(yōu)勢,該研究為面向動態(tài)連接的激光相控通信的實現(xiàn)提供理論依據(jù)。

深空通信;光纖激光相控陣;掃描角度;動態(tài)連接;全光組網(wǎng)

0 引 言

空間信息網(wǎng)絡以衛(wèi)星、氣球、無人機等空間平臺為載體,實時獲取、傳輸和處理空間信息,可服務遠洋航行、導航定位、航空運輸、航天測控等方面重大應用,向上可支持深空探測的超遠程、大時延可靠傳輸。深空探測技術將人類科學、文化、生產(chǎn)活動拓展至深空,使探月和探火等科學任務成為現(xiàn)實,是全球研究的熱點,我國也將于2020年完成月面探測和采樣返回任務,而深空探測產(chǎn)生的大量科學數(shù)據(jù)需要依靠大容量、超遠距離的空間信息傳輸技術[1-3]。

深空通信的最大特點是遠距離無中繼傳輸,而天基微波信號發(fā)射功率有限,且射頻傳輸衰減與距離平方成正比,限制了通信傳輸帶寬。因此,如何彌補巨大衰減實現(xiàn)遠距離寬帶通信是深空通信面臨的最大難題。近年來,自由空間激光通信技術日益成熟,具有發(fā)射光束窄、增益高、安全性好等優(yōu)點,可廣泛應用在民用、空間科學以及軍事等領域。尤其在深空通信領域,激光通信可以克服傳輸距離遠、帶寬窄等缺點。然而,目前空間激光通信系統(tǒng)采用的半導體激光器發(fā)射功率小、線寬較寬、調(diào)制速率低、波長穩(wěn)定性差、發(fā)射角不可調(diào)等缺點,大大限制了其深空通信中的應用和空間信息網(wǎng)絡的動態(tài)連接[4]。而在國內(nèi)的研究中,使用光纖激光相控陣作為激光發(fā)射源的研究領域是空白的,所以,此研究極具創(chuàng)新價值以及科研價值。

光纖激光相控陣技術是目前新興的光纖激光相干合成技術,不僅可實現(xiàn)高發(fā)射功率,還能對發(fā)射光束掃描,可用于激光通信動態(tài)連接,為全光組網(wǎng)創(chuàng)造條件[5-9]。本文對深空激光通信功率的鏈路進行了仿真,對1.55μm和1.064μm激光的深空高速信息傳輸進行了比較,模擬了1.064μm的光纖激光相控陣在遠場的強度分布圖和掃描角度范圍。結(jié)果表明,1.064μm光纖相控陣光源具有深空鏈路高速信息傳輸優(yōu)勢,并適用于全光動態(tài)網(wǎng)絡連接。

1 深空激光通信鏈路功率仿真

在深空激光通信中,若通信光束以衍射極限角發(fā)射,激光通信的鏈路方程可以簡單描述為[10]

式中:Pr為探測器接收功率;Pt為發(fā)射單元的發(fā)射功率;Gt為發(fā)射光學天線增益;ηot為發(fā)射光學單元的透過率;Lr為自由空間損耗;ηs為信道引起的功率損失;LAPT為APT對準失配引起的功率損耗;Gr為接收光學天線增益;ηor為接收光學系統(tǒng)透過率。

根據(jù)天-地間激光通信傳輸速率10 Gbps、傳輸距離4萬km、誤碼率10e-6的技術指標要求,采用1.550μm激光和1.064μm激光光源進行鏈路仿真。由于1.550μm放大器的飽和輸出限制,且效率較低,經(jīng)EDFA放大后發(fā)射功率最高為5 W, 1.064μm光源也同樣采用5 W發(fā)射功率進行比較。1.064μm激光經(jīng)YDFA后可高效率放大至15 W以上,因此仿真計算也采用15 W輸出的1.064μm激光進行比較。其鏈路功率仿真分析如表1所示,其中,Lc表示為大氣損耗,Pl為接受光功率,SEL為通信接受靈敏度,A為安全裕量。

表1 兩種激光器的鏈路能量仿真計算Table 1 The simulation of the link energy between two kinds of lasers

發(fā)射天線口徑400 mm,由式(2)可知,1.55μm激光對應增益118.17 d B,1.064μm激光對應增益為121.44 dB。

式中:D為發(fā)射天線口徑;λ為波長。

發(fā)射光路損耗包括光纖耦合、中繼光學組件效率、發(fā)射效率等因素,總發(fā)射效率0.6,對應-2.22 dB;若以衍射極限發(fā)射,當通信距離為4萬km時,1.55μm激光的空間損耗為-290.21 dB, 1.064μm激光光源的空間損耗為-293.48 dB;大氣散射損耗和大氣閃爍損耗,每項引起-3 dB,共-6 dB;信道引起的功率衰減近似為1;如果保證APT跟蹤誤差優(yōu)于束散角的1/8,接收口徑處APT對準失配引起的功率損耗比視軸中心功率降低0.5 dB;當?shù)孛娼邮湛趶綖? 000 mm時,1.55μm激光器對應的光學天線增益126.13 dB,1.064μm對應的光學天線增益為129.40 dB,由于接收光路光纖耦合、中繼光學組件效率等因素的損耗,其總發(fā)射效率0.5,對應-3.01 dB;通信探測靈敏度可達-35 dBm到-38 dBm,具體調(diào)制方式與接收帶寬有關,選取接收光學系統(tǒng)透過率-36 dBm;通信束散角均以衍射極限角發(fā)射,修正損耗為0 dB。

通過以上分析,同等發(fā)射功率(5 W)的情況下, 1.064μm的激光器的安全裕量比1.550μm大3 d B以上;而1.064μm激光若采用15 W的發(fā)射功率,其安全裕量更高。因此,相同發(fā)射功率下, 1.064μm激光更容易探測接收。由于YDFA效率遠高于EDFA,相同功耗下,1.064μm激光輸出更高。故采用1.064μm激光可以使發(fā)射功率高達15 W,其安全裕量遠遠高于1.55μm激光傳輸。通信系統(tǒng)的靈敏度取決于光探測器靈敏度,提高光探測器靈敏度,工藝難度較大,采用1.064μm激光可以提高發(fā)射功率,從而降低光探測器靈敏度要求,簡化了通信接收系統(tǒng)的工藝難度。

發(fā)射功率5 W的1.55μm激光和發(fā)射功率15 W的1.064μm激光,對不同深空距離進行鏈路仿真得到的安全裕量如圖1所示。

圖1 不同距離的安全裕量Fig.1 The safety margin from the different distance

由圖1可知,在深空環(huán)境下,隨著通信距離的增加,1.064μm的光纖激光器更容易探測接收,在通信距離為23萬km時,1.550μm的激光器已經(jīng)無法探測接受,在通信距離為35萬km時,1.064μm的安全裕量為4.55 dB。而在相干探測中,通信系統(tǒng)更加復雜,此時,1.064μm的優(yōu)勢將更加明顯?？傊?1.064μm的光纖激光器更容易探測接受?？梢?隨著深空距離的增加,1.064μm激光通信更具優(yōu)勢。

2 光纖激光相控通信技術

通過以上分析,1.064μm激光作為激光通信載波源可大大提高發(fā)射功率,若采用光纖激光相控陣光源,還能獲得更高的發(fā)射功率和更大的裕量。而光纖激光相控陣應用于深空通信,可實現(xiàn)高發(fā)射功率,還能對發(fā)射光束進行掃描,實現(xiàn)動態(tài)連接激光相控通信,實現(xiàn)全光組網(wǎng)。

2.1 光纖激光相控陣在深空傳播中的模型

假設深空通信中的目標平面平行于光纖相控陣的出射平面,激光相控陣是由Nx×Ny個調(diào)制單元(又稱移相器)組成的二維陣列(如圖2所示),其相位的變化與坐標成正比,相鄰的兩個相控單元在x, y方向上的距離為dx和dy,每個相控單元的半徑近似等于光纖的半徑ω0,假設每一個相控單元的傳播方向都在同一個方向且具有相同的發(fā)射功率,則每個相控單元在出射方向上的偏轉(zhuǎn)角度為θxy(x=1, 2,…,Nx;y=1,2,…,Ny)。

圖2 二維光學相控陣Fig.2 2D optical phased array

若每個相控單元有固定的相位,在x,y方向上的偏轉(zhuǎn)角度為θx0和θy0,則在出射平面的相位滿足

式中:λ為入射光的波長;d為合束間距,此時光纖激光相控陣的光束將偏轉(zhuǎn)θ角度。假設光學相控陣有Nx×Ny個相控單元,則總的光電場公式為

式中:C=1/(jkz)×exp(jkz)×exp[jk(x2+y2)/ (2z)],k=2π/λ。

則相對光強公式為

2.2 用于深空通信中的光纖激光相控陣分析

本文模擬1.064μm光纖激光相控陣在深空通信中遠場的強度,其中設置的參數(shù)為:激光波長λ= 1.064μm;相鄰相控單元的距離dx=30μm,dy= 30μm;纖芯的半徑ω0=10μm;通信的距離z= 40 km;相控單元的數(shù)目Nx=20,Ny=20;y方向上的偏轉(zhuǎn)角度θy0=0°。

假設每一個相控單元的偏轉(zhuǎn)角度都在同一個方向上,則不同角度在深空遠場的光強如圖3所示。

分別調(diào)節(jié)各移相器中激光束相位可控制光束的波形,實現(xiàn)光束偏轉(zhuǎn)。當偏轉(zhuǎn)角度為0度時,遠場光強為最大值,增大偏轉(zhuǎn)角度,遠場光強的極值開始移動,當偏轉(zhuǎn)角度達到1.016°時,出現(xiàn)兩個相等光強的峰值,此時無法正確、清晰地觀察物體位置。當繼續(xù)增大偏轉(zhuǎn)角度時,會出現(xiàn)誤差,此時,對于空間激光通信,將會大大增加誤碼率,使信息傳輸出現(xiàn)錯誤。

圖3 相控陣遠場切向強度分布Fig.3 The intensity distribution in the far field

由偏轉(zhuǎn)角度式(3)可知,陣元間距和偏轉(zhuǎn)角度成反比,與波長成正比。所以當減少陣元間距時和增大波長時,可以提高光纖相控陣的偏轉(zhuǎn)角度,在其他參數(shù)不變情況下,當波長為1.550μm和1.064μm時,改變陣元間距,當獲得兩個相等遠場強度分布圖時,偏轉(zhuǎn)角度如表2所示。

表2為在不同間距的情況下,在遠場出現(xiàn)兩個相等的光強分布時的最大的偏轉(zhuǎn)角度,在此偏轉(zhuǎn)角度的情況下,無法清晰地分辨物體。但是,也不能將此角度定義為光纖激光相控陣的偏轉(zhuǎn)角度。因為,在遠場中主瓣的旁邊有許多柵瓣和旁瓣[11],此時將大大影響光纖激光相控陣的精度,由式(6)可以得到柵瓣的位置

表2 不同間距時的偏轉(zhuǎn)角度Table 2 The steering angle in different distance

由式(7)可知,當滿足d＜λ時,光纖相控陣中沒有柵瓣。但是由于光波的波長極短,滿足這樣的條件非常困難,所以定義柵瓣強度的最大值與主瓣強度的比值等于0.5時,此時的偏轉(zhuǎn)角度為光纖激光相控陣的最大偏轉(zhuǎn)角[12]。圖4為不同波長的光纖激光相控陣在不同距離的最大偏轉(zhuǎn)角度。

圖4 最大偏轉(zhuǎn)角Fig.4 The max steering angle

由圖4可知,當增大陣元間距時,偏轉(zhuǎn)角度下降。在陣元間距相等的情況下,雖然1.550μm的光纖激光相控陣的偏轉(zhuǎn)角度比1.064μm的大,但在深空通信中,1.064μm的光纖激光相控陣的偏轉(zhuǎn)角度已經(jīng)可以很好地滿足深空通信的使用要求,且對探測接受器件的靈敏度要求較低。

基于光纖激光相控陣源的激光通信系統(tǒng)中,每臺激光通信端機作為一個光網(wǎng)絡節(jié)點,每個節(jié)點之間的最大掃描角度就是動態(tài)連接的區(qū)域,在此區(qū)域內(nèi),可以依靠光纖激光相控陣實現(xiàn)動態(tài)通信,實現(xiàn)全光組網(wǎng)。因此,基于動態(tài)連接的激光相控通信技術可以滿足一點到多點高速通信,為實現(xiàn)空間信息的全光組網(wǎng)提供了條件,也能實現(xiàn)深空探測信息的動態(tài)網(wǎng)絡接入。

3 結(jié) 論

本文提出了基于動態(tài)連接的光纖激光相控陣在深空通信中的應用及全光組網(wǎng),鏈路仿真和模擬光纖激光相控陣在遠場的強度分布圖,結(jié)果說明1.064μm光纖激光相控陣具有深空鏈路傳輸?shù)膬?yōu)勢,并求得了不同波長的最大偏轉(zhuǎn)角度范圍,即動態(tài)連接的區(qū)域。目前的空間激光通信主要采用1.55μm的激光作為發(fā)射源,主要原因是1.55μm的接受器件的工藝已經(jīng)比較成熟,而采用1.064μm的光纖激光相控陣作為發(fā)射源,其探測、接收器件都對工藝提出新的要求,而在未來的通信領域,綜合考慮光纖激光相控陣本身的性能和柵瓣的限制, 1.064μm光纖激光相控陣光源在深空通信中具有更好的應用前景。

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[責任編輯:高莎]

Fiber Laser Phased Array for Deep-Space Information Transmission

WANG Tianshu1,2,3,SUN Hongwei1,2,3,HAN Jian1,2,3,ZHANG Peng1,2,3, HU Yuan1,2,3,ZHANG Lizhong1,2,3,LIU Jingjiao4,JIANG Huilin1,2,3
(1.National and Local Joint Engineering Research Center of Space Optoelectronics Technology,Changchun 130022,China; 2.Key Laboratory of Optoelectronic Measuring-Controlling and Optical Information Transmiting Technology,Ministry of Education,Changchun University of Science and Technology,Changchun 130022,China;3.Institute of Space Optoeletronics Technology,Changchun University of Science and Technology,Changchun 130022,China; 4.North China Institute of Electronic Equipment,Beijing 100083,China)

In this paper,the technology of deep space laser communication and all optical networking based on fiber laser phased array using dynamic connection is proposed.The link power in deep space laser communication from 40 000 km to 35 000 km are simulated.Because the limit of saturation output of erbium-doped fiber amplifier, the safety margin using 1.55μm laser is much lower than that of 1.064μm.The far field intensity distribution of 1.064μm fiber laser phased array in deep space is simulated.It is found that the scanning angle range is different with distance between two adjacent elements.With a 20×20 array,fiber core radius and distance between two adjacent elements are 10μm and 20μm respectively,the scanning angle range is±1.309°.Therefore,the fiber laser phased array of the light source at 1.064μm is more suitable for deep space communication systems.This study provide a theoretical basis for the realization of a dynamic link for laser phased communication.

deep space communications;fiber laser phased array;the scanning range;dynamic link;all optical network

TN2

:A

:2095-7777(2014)04-0282-07

10.15982/j.issn.2095-7777.2014.04.006

王天樞(1975—),男,教授,碩士生導師,主要研究方向為光纖激光器技術、激光通信技術等。

E-mail:wangts@cust.edu.cn

孫鴻偉(1989—),男,碩士,主要研究方向為光學相控陣。

E-mail:shw805986996@sina.cn

2013-11-01

2013-12-30

國家自然科學基金資助項目(60907020,61007046,61275080)