基于陽光泵浦激光技術(shù)的空間光通信研究綜述*

關(guān) 哲，范迎春，周必磊，鄧小飛，張 偉，樓宇濤

基于陽光泵浦激光技術(shù)的空間光通信研究綜述*

關(guān) 哲，范迎春，周必磊，鄧小飛，張 偉，樓宇濤

（上海衛(wèi)星工程研究所 上海 201109）

對(duì)基于太陽光泵浦激光技術(shù)的空間光通信研究進(jìn)行了綜述。介紹了太陽光泵浦激光技術(shù)在空間光通信領(lǐng)域的研究進(jìn)展，總結(jié)了不同類型太陽光泵浦激光技術(shù)在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中存在的優(yōu)缺點(diǎn)。對(duì)于太陽光泵浦激光技術(shù)，較高能量轉(zhuǎn)換效率潛力是其空間應(yīng)用的重要優(yōu)勢，詳述了太陽光泵浦激光技術(shù)中主要的能量轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)及其影響因素等問題。為提高空間“太陽光-激光”轉(zhuǎn)換效率，提出了一種太陽光泵浦光纖激光技術(shù)的設(shè)計(jì)方法，論述了其研究進(jìn)展、應(yīng)用前景及目前存在的問題。最后，結(jié)合該設(shè)計(jì)方法的仿真結(jié)果及效能預(yù)期提出未來重點(diǎn)研究的幾個(gè)方向，如高效率太陽光會(huì)聚至光纖、多稀土離子摻雜增益光纖等。

空間光通信；太陽光泵浦；空間激光技術(shù)；光纖激光

引 言

空間光通信具有通信容量大、傳輸距離遠(yuǎn)、保密性好等優(yōu)點(diǎn)，是建設(shè)空間信息高速公路不可替代的手段，也是當(dāng)前國際信息領(lǐng)域的前沿科學(xué)技術(shù)[1]。隨著星間數(shù)據(jù)鏈路對(duì)光通信距離需求的不斷提升，星載激光通信系統(tǒng)對(duì)輸出信號(hào)載波光功率的要求也持續(xù)增加，與此同時(shí)，系統(tǒng)調(diào)制解調(diào)模塊的規(guī)模也將隨之?dāng)U大，最終導(dǎo)致激光通信載荷在功耗、重量、體積等方面的資源開銷不斷增大[2-4]。衛(wèi)星系統(tǒng)是典型的資源受限系統(tǒng)，其功耗、重量等均受到一定程度的約束限制。一般衛(wèi)星的在軌能源均來自于太陽光，星載激光通信載荷輸出信號(hào)載波光能量通常經(jīng)歷了“太陽光-星上電能-泵浦激光-信號(hào)激光”的多級(jí)能量轉(zhuǎn)換及傳遞。為高效利用空間太陽光，一種能直接實(shí)現(xiàn)“太陽光-信號(hào)激光”能量轉(zhuǎn)換的激光技術(shù)——太陽光泵浦激光技術(shù)——被引進(jìn)至空間光通信系統(tǒng)研究中[5]。目前，太陽光泵浦激光技術(shù)在激光振蕩器實(shí)驗(yàn)研究中最高可實(shí)現(xiàn)每平方米太陽光會(huì)聚面積32.1 W連續(xù)激光能量輸出，在激光放大器實(shí)驗(yàn)研究中，最高可實(shí)現(xiàn)超過63%的“太陽光-激光”能量轉(zhuǎn)換[6,7]。利用太陽光泵浦激光技術(shù)提升空間激光器件能效，為衛(wèi)星在空間資源受限的條件下實(shí)現(xiàn)超遠(yuǎn)距數(shù)據(jù)傳輸提供支撐。

太陽光泵浦激光技術(shù)是利用受激輻射原理使光在激光增益介質(zhì)內(nèi)振蕩發(fā)射或放大發(fā)射的激光技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)太陽光到激光的直接能量轉(zhuǎn)換。作為開發(fā)太陽能運(yùn)用的一種方式，從激光器發(fā)明伊始，人們對(duì)太陽光泵浦激光技術(shù)的研究就從未停止。

20世紀(jì)60年代是太陽光泵浦激光技術(shù)的起步階段，主要研究集中在實(shí)現(xiàn)太陽光泵浦激光器的激光輸出。1963年，美國普林斯頓RCA實(shí)驗(yàn)室Z.J.Kiss等人首次報(bào)道了太陽光直接泵浦固體激光增益介質(zhì)的實(shí)驗(yàn)研究，在實(shí)驗(yàn)中獲得2.36 μm波段連續(xù)激光輸出[8]。1966年，馬薩諸塞州光學(xué)公司C.G.Young研制出了首例太陽光泵浦Nd:YAG固體激光器，獲得了1 W連續(xù)激光輸出[9]。20世紀(jì)80年代到20世紀(jì)末期，是太陽光泵浦激光器的發(fā)展階段，這一時(shí)期太陽光泵浦激光器的研究重點(diǎn)為提高激光器輸出功率和豐富激光器系統(tǒng)設(shè)計(jì)等技術(shù)[10-12]。自21世紀(jì)以來，太陽光泵浦激光器的研究進(jìn)入加速階段，收集效率成為太陽光泵浦激光器系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重要指標(biāo)，研究人員在已經(jīng)實(shí)現(xiàn)太陽光泵浦激光器高功率輸出的基礎(chǔ)上，針對(duì)激光器的體積、重量、成本、效率和輸出特性等開展了一系列探索研究[13-15]。

2017年，國內(nèi)北京理工大學(xué)趙長明課題組報(bào)道了國際領(lǐng)先指標(biāo)的太陽光泵浦固體激光器[6]，以圖1（a）所示菲涅耳透鏡為初級(jí)聚光裝置，配合圖1（b）所示液體光波導(dǎo)透鏡與鍍金錐形腔為次級(jí)聚光裝置，實(shí)驗(yàn)獲得32.1W/m2的收集效率指標(biāo)，系統(tǒng)斜效率約5.4%，如圖1（c）所示。

2017年，日本關(guān)西大學(xué)T. Saikia等人報(bào)道了利用閃光燈模擬太陽光泵浦Cr,Nd:YAG陶瓷激光增益介質(zhì)的研究[7]，在泵浦激光功率為340 W/cm2時(shí)，獲得了峰值功率為1.6 kW的脈沖激光輸出，實(shí)現(xiàn)了有效體積激光介質(zhì)63%的“光-光”轉(zhuǎn)換效率，實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)如圖2所示。

太陽光泵浦激光技術(shù)“光-光”能量轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)少的優(yōu)點(diǎn)，使其在以太陽光為主要能源的空間系統(tǒng)中具有一定應(yīng)用優(yōu)勢。隨著空間光通信技術(shù)的快速發(fā)展，基于太陽光泵浦激光技術(shù)的空間光通信系統(tǒng)概念被提出。2012年，上海衛(wèi)星工程研究所牽頭開展了基于太陽光泵浦激光技術(shù)的通信系統(tǒng)原理研究和關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)工作。2016年，國內(nèi)首套基于太陽光泵浦激光技術(shù)的空間光通信原理樣機(jī)系統(tǒng)，在地面實(shí)驗(yàn)中通過高清視頻的傳輸驗(yàn)證了系統(tǒng)方案可行性[16]。

1 太陽光泵浦激光技術(shù)研究

太陽光泵浦激光器是利用受激輻射原理使光在激光增益介質(zhì)內(nèi)振蕩發(fā)射或放大發(fā)射的裝置。太陽光泵浦激光器一般由三部分組成：太陽光會(huì)聚裝置、激光增益介質(zhì)和溫控裝置。太陽光會(huì)聚裝置將低功率密度的太陽光耦合至激光增益介質(zhì)，是整個(gè)太陽光泵浦激光器能量轉(zhuǎn)換效率研究的重要環(huán)節(jié)。激光增益介質(zhì)材料的選擇和參數(shù)的設(shè)計(jì)，直接與激光器的熱特性、機(jī)械特性和輸出特性等相關(guān)，是太陽光泵浦激光器設(shè)計(jì)的中心部分。溫控裝置作為激光器穩(wěn)定高效輸出的保障條件，是太陽光泵浦激光器設(shè)計(jì)的必要環(huán)節(jié)。太陽光泵浦激光器的發(fā)展，是會(huì)聚系統(tǒng)效率不斷提高、激光增益介質(zhì)材料持續(xù)優(yōu)化、溫控系統(tǒng)控制效果逐步改良的過程。太陽光泵浦激光器系統(tǒng)的能量轉(zhuǎn)換效率和激光輸出特性也在各項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)的進(jìn)步中不斷提高。

1.1 激光增益介質(zhì)

陽光泵浦激光增益介質(zhì)是激光器系統(tǒng)的基本組成部分之一，其作用是提供產(chǎn)生激光所需的能級(jí)結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)并產(chǎn)生光的受激輻射放大。激光器的增益介質(zhì)必須具有較寬較強(qiáng)的吸收光譜、尖銳的熒光譜線和相當(dāng)高的針對(duì)所需熒光躍遷的量子效率。

激光增益介質(zhì)的吸收光譜、泵浦閾值功率都直接影響著陽光泵浦激光器的工作性能。各種激光材料之間的吸收光譜不同，其與太陽光譜的匹配程度也不同。從選擇適合太陽光泵浦激光增益介質(zhì)的角度來說，要選擇對(duì)太陽光譜能量吸收多的材料才可能得到較高的能量轉(zhuǎn)換效率。以常用的激光材料Nd:YAG、Yb:YAG、紅寶石、Nd:YVO4、Cr:Nd:GSGG、Cr:Nd:YAG和摻Y(jié)b3+的石英光纖等為例，分析它們的光譜匹配度（材料吸收光譜與太陽輻射光譜的匹配程度）、閾值泵浦功率、材料熱特性等參數(shù)，選取適用于太陽光泵浦固體激光器的增益介質(zhì)，見表1[17]。在紅寶石、Cr:Nd:GSGG、Cr:Nd:YAG等激光材料中，Cr3+離子的存在使激光增益介質(zhì)對(duì)太陽光輻射的吸收能力大大增強(qiáng)。

表1 激光增益介質(zhì)吸收譜與太陽光譜匹配分析

1.2 激光器能量轉(zhuǎn)換研究

太陽光泵浦激光裝置中的能量轉(zhuǎn)換流程和這一過程涉及到的設(shè)計(jì)問題主要由六個(gè)環(huán)節(jié)決定，如圖3所示[5]。太陽光到激光的能量轉(zhuǎn)化效率可分為光譜重疊效率、傳輸效率、吸收效率、上能級(jí)效率、光束交疊率和提取效率等[18]。

太陽光泵浦激光裝置內(nèi)能量轉(zhuǎn)換過程中，各能量轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)定義可描述如下：

① 光譜重疊率。太陽光經(jīng)會(huì)聚裝置以寬光譜太陽輻射為泵浦源，其中波長處于激光增益介質(zhì)吸收帶內(nèi)的部分定義為有效泵浦輻射；

② 傳輸效率。太陽光經(jīng)會(huì)聚裝置傳遞至激光增益介質(zhì)，定義太陽光泵浦激光裝置的傳輸效率為傳輸?shù)郊す庠鲆娼橘|(zhì)上的有效太陽輻射與太陽光譜中處于激光增益介質(zhì)吸收帶內(nèi)的有效太陽輻射之比；

③ 吸收效率。在太陽光泵浦激光裝置中，吸收效率為激光增益介質(zhì)吸收的泵浦太陽光功率與入射至激光增益介質(zhì)內(nèi)的泵浦太陽光功率之比；

④ 上能級(jí)效率。太陽光泵浦激光裝置中的上能級(jí)效率是激光躍遷時(shí)發(fā)射的光子功率與吸收泵浦太陽光的有效輻射功率之比，上能級(jí)效率可表示為量子效率與斯托克斯因子的乘積；

⑤ 光束交疊效率。光束交疊效率可定義為激光諧振腔的模式體積與激光增益介質(zhì)的泵浦體積之比；

⑥ 提取效率。提取效率表示激光輸出時(shí)激光上能級(jí)可用能量與總能量之比，且激光器系統(tǒng)總效率與系統(tǒng)的提取效率成正比。

2 基于太陽光泵浦激光技術(shù)的空間光通信系統(tǒng)

太陽光泵浦激光技術(shù)以其結(jié)構(gòu)簡單、能量轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)少、可實(shí)現(xiàn)太陽光到激光的高效能量轉(zhuǎn)換等特點(diǎn)在空間光通信領(lǐng)域具有潛在應(yīng)用優(yōu)勢。該技術(shù)在成熟星載光通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上，探索以太陽光泵浦激光裝置替代傳統(tǒng)電泵浦激光器件，開展空間光通信系統(tǒng)研究。太陽光泵浦激光器可分為兩類，即太陽光泵浦激光振蕩器和太陽光泵浦激光放大器。在基于太陽光泵浦激光技術(shù)的空間光通信系統(tǒng)工作中，分別開展了以太陽光泵浦固體激光器、太陽光泵浦固體激光放大器和太陽光泵浦光纖激光放大器等裝置替代傳統(tǒng)電泵浦激光器件的相關(guān)研究。

2.1 基于太陽光泵浦固體激光器的光通信系統(tǒng)

基于太陽光泵浦固體激光器的空間光通信系統(tǒng)主要由太陽光泵浦固體激光器、通信發(fā)射/接收機(jī)和光學(xué)天線等組成，如圖4所示[16]。其中，太陽光泵浦固體激光器作為通信信號(hào)載波源，主要由太陽光會(huì)聚裝置、激光諧振腔、溫控裝置和空間光光纖耦合裝置組成。

由于激光通信系統(tǒng)的載波信號(hào)是以FC/APC光纖接口的方式進(jìn)入通信發(fā)射機(jī)，因此需配置光纖耦合裝置，這對(duì)激光器輸出光束質(zhì)量提出了較高的要求。實(shí)驗(yàn)研究中，激光器獲得斜效率3.9%的連續(xù)激光輸出，經(jīng)空間光光纖耦合裝置后，在光纖輸出端測得不低于20 mW的激光輸出，滿足通信系統(tǒng)需求。

通信發(fā)射/接收機(jī)采用成熟星載激光通信終端架構(gòu)設(shè)計(jì)，系統(tǒng)組成如圖5所示。通信發(fā)射機(jī)由電光調(diào)制器及其驅(qū)動(dòng)、調(diào)制器、偏置點(diǎn)控制器（偏壓控制器）和視頻編碼器等組成。多媒體播放器作為信源，提供高清視頻傳輸數(shù)據(jù)，視頻編碼器對(duì)高清視頻進(jìn)行壓縮處理，電光調(diào)制器把編碼后的信號(hào)調(diào)制到激光載波上。偏壓控制電路閉環(huán)控制電光調(diào)制器偏置點(diǎn)電壓，實(shí)現(xiàn)對(duì)光調(diào)制信號(hào)的整形。光學(xué)天線把光纖輸出光信號(hào)經(jīng)擴(kuò)束、準(zhǔn)直光路發(fā)射到自由空間。通信接收機(jī)是反映激光通信系統(tǒng)綜合性能的重要組成部分，其功能是對(duì)通信發(fā)射機(jī)的原始信號(hào)進(jìn)行接收和恢復(fù)。通信接收機(jī)主要由光電探測器、前置放大器、主放大器和均衡濾波器等組成。載波激光信號(hào)經(jīng)接收天線進(jìn)入光電探測器完成光電信號(hào)轉(zhuǎn)換，微弱電信號(hào)進(jìn)入前置放大器和主放大器進(jìn)行能量放大和信噪比提升。通信接收機(jī)通過自動(dòng)增益控制（AGC）電路允許入射激光信號(hào)的能量值有一定的浮動(dòng)。

在自由空間光通信系統(tǒng)的測試實(shí)驗(yàn)中，選用高清視頻影像數(shù)據(jù)為源信號(hào)，通過LiNbO3-MZM對(duì)載波激光進(jìn)行強(qiáng)度調(diào)制。實(shí)驗(yàn)中，從光學(xué)發(fā)射天線輸出激光信號(hào)發(fā)散角為40 μrad，光學(xué)接收天線將收集到的激光信號(hào)會(huì)聚于光電探測器APD內(nèi)。利用示波器實(shí)時(shí)監(jiān)測通信系統(tǒng)，獲得了大于125 Mbps的視頻通信速率，系統(tǒng)誤碼率低于10–6。視頻信息傳輸前后對(duì)比如圖6（a）所示，示波器中觀察到的眼圖如圖6（b）所示。

2.2 基于太陽光泵浦固體激光放大器的光通信系統(tǒng)

基于太陽光泵浦固體激光放大器的空間光通信系統(tǒng)主要由太陽光泵浦固體激光放大器、光纖準(zhǔn)直/耦合組件、通信發(fā)射/接收機(jī)、波分復(fù)用/解復(fù)用器和光學(xué)天線等組成，如圖7所示。

太陽光泵浦激光放大器是基于行波放大理論的連續(xù)激光放大裝置，種子激光通過處于粒子數(shù)反轉(zhuǎn)狀態(tài)的激光增益介質(zhì)發(fā)生受激輻射實(shí)現(xiàn)激光功率放大[5]。采用太陽光泵浦固體激光放大裝置替代傳統(tǒng)電泵浦激光放大器件，充分利用太陽光泵浦激光放大器高效率能量轉(zhuǎn)換的技術(shù)潛力和擴(kuò)展通信系統(tǒng)多波長復(fù)用通信能力。系統(tǒng)中采用激光種子光源輸出高品質(zhì)單頻激光，經(jīng)高速調(diào)制模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)加載，多路1 μm波段不同波長的載波光信號(hào)經(jīng)波分復(fù)用器匯聚后，再通過光纖準(zhǔn)直組件進(jìn)入太陽光泵浦激光放大裝置。該設(shè)計(jì)與傳統(tǒng)空間光通信系統(tǒng)內(nèi)所采用的激光主振蕩功率放大器構(gòu)型相似，貼合太陽光泵浦激光技術(shù)在遠(yuǎn)距離空間光通信系統(tǒng)內(nèi)的應(yīng)用需求。與此同時(shí)，充分利用太陽光泵浦激光放大器內(nèi)增益介質(zhì)熒光光譜可適應(yīng)多個(gè)波長能級(jí)躍遷的特性，可實(shí)現(xiàn)多波長載波共用功率放大裝置，簡化系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)。

太陽光泵浦固體激光放大器是空間光通信演示驗(yàn)證系統(tǒng)的功率放大器件，主要由太陽光會(huì)聚裝置、固體激光增益介質(zhì)和空間光耦合裝置組成，如圖8所示[19]。種子光源輸出單頻激光經(jīng)高速調(diào)制，準(zhǔn)直輸出直徑2 mm的載波信號(hào)光斑，碟狀激光增益介質(zhì)上表面鍍1 μm波段增透膜，下表面鍍1 μm波段高反膜。載波信號(hào)光以45°角入射至激光增益介質(zhì)表面，增益介質(zhì)內(nèi)激光折射角滿足折射定律，折射角為22.9°，在經(jīng)介質(zhì)下表面反射后，再次以45°角出射。在自然太陽光泵浦條件下，太陽光泵浦固體激光放大器獲得有效增益。

2.3 基于太陽光泵浦光纖激光放大器的光通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)

在空間光通信系統(tǒng)內(nèi)，將太陽光泵浦激光放大器的激光材料由固體增益介質(zhì)優(yōu)化改進(jìn)設(shè)計(jì)為摻雜稀土離子的增益光纖，通信系統(tǒng)中其它單機(jī)保持不變，實(shí)現(xiàn)太陽光泵浦激光放大器與上級(jí)通信發(fā)射波分復(fù)用器和下級(jí)光學(xué)天線的光纖接口匹配，以解決系統(tǒng)內(nèi)模塊間光纖準(zhǔn)直/耦合過程中出現(xiàn)的能量傳輸損耗，提升系統(tǒng)空間適應(yīng)性。太陽光泵浦光纖激光放大器是主控振蕩器的功率放大結(jié)構(gòu)的改進(jìn)設(shè)計(jì)，其系統(tǒng)由太陽光會(huì)聚裝置、隔離器、光纖增益介質(zhì)及耦合系統(tǒng)等部分組成，如圖9所示。

2017年，日本豐田公司前沿研究中心Masuda等人致力于大幅降低太陽光泵浦激光器的泵浦閾值，其采用低聚光比太陽光會(huì)聚系統(tǒng)，垂直橫向泵浦盤繞的低摻雜濃度光纖激光增益介質(zhì)，成功獲得激光輸出，實(shí)驗(yàn)裝置如圖10所示。該方案中采用的光纖增益介質(zhì)為長度40 m，纖芯摻雜Nd3+離子的SiO2光纖，光纖增益介質(zhì)沿腔體盤繞于浸滿下轉(zhuǎn)能級(jí)敏化劑的溶液。試驗(yàn)中激光器的泵浦功率閾值低于普通太陽光泵浦激光器泵浦閾值兩個(gè)數(shù)量級(jí)，但激光器系統(tǒng)的激光輸出斜率效率也僅有3.6×10–5%，低于普通太陽光泵浦激光器五個(gè)數(shù)量級(jí)[20]。

太陽光泵浦光纖激光器的研究結(jié)果雖未達(dá)到理論的能量轉(zhuǎn)換效率，但該研究首次將光纖增益介質(zhì)引入太陽光泵浦激光技術(shù)，實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了基于光纖增益介質(zhì)的太陽光泵浦激光技術(shù)的可行性。在太陽光泵浦光纖激光放大器的研究中，最大的挑戰(zhàn)之一便是如何將盡可能多的泵浦太陽光耦合進(jìn)入光纖增益介質(zhì)。因?yàn)閷?duì)于光纖來說，其直徑一般遠(yuǎn)小于會(huì)聚光學(xué)系統(tǒng)對(duì)太陽所成像的直徑，盡可能地提高泵浦太陽光耦合效率是關(guān)鍵。基于此問題提出兩種太陽光泵浦光纖耦合方案，分別是側(cè)面泵浦耦合和端面泵浦耦合。

針對(duì)側(cè)面泵浦方式，提出封閉式環(huán)形腔泵浦結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)思路，如圖11所示[21]。結(jié)構(gòu)件外部為立方體，內(nèi)部為圓柱環(huán)形結(jié)構(gòu)，內(nèi)表面拋光并鍍膜，側(cè)面留通光斜孔，增益光纖盤繞在內(nèi)部的圓柱環(huán)上。太陽光從斜孔進(jìn)入，在結(jié)構(gòu)件內(nèi)表面不斷反射，最終被增益光纖吸收?；诜忾]式環(huán)形腔內(nèi)鏡面反射機(jī)制，實(shí)現(xiàn)泵浦太陽光高效率側(cè)面耦合進(jìn)入無涂覆層單包層增益光纖。

基于太陽光側(cè)面泵浦光纖激光放大設(shè)計(jì)思路，封閉式環(huán)形腔內(nèi)部為光學(xué)鍍金工藝，在800 nm～1 600 nm波段具有良好的鏡面反射效果。剝離涂覆層的單包層摻稀土離子增益光纖在環(huán)形腔中沿內(nèi)壁結(jié)構(gòu)呈環(huán)狀纏繞，當(dāng)泵浦太陽光經(jīng)入射端口進(jìn)入環(huán)形腔體內(nèi)部后，在腔體內(nèi)壁遵循反射定律往復(fù)傳播。泵浦太陽光被封閉于環(huán)形腔內(nèi)，太陽光線在不斷經(jīng)過腔體內(nèi)壁反射與光纖包層折射后，耦合進(jìn)入增益光纖的概率有效提升。封閉式環(huán)形腔內(nèi)的太陽光線在不斷被腔壁鏡面反射的過程中，持續(xù)被增益光纖吸收，而每一次太陽光線穿過增益光纖，太陽光就會(huì)被部分吸收，最終能夠從環(huán)形腔入射端口溢出的太陽光線微乎其微。借助太陽光入射端口的濾光裝置，篩選可被增益光纖有效吸收的太陽光譜進(jìn)入環(huán)形腔內(nèi)，確保入射至腔體內(nèi)的絕大部分泵浦太陽輻射可被增益光纖吸收，提升系統(tǒng)效能，降低裝置熱控要求。

針對(duì)端面泵浦方式，提出一種太陽光-光纖耦合合束器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)思路，如圖12所示。首先，利用初級(jí)太陽光會(huì)聚裝置，實(shí)現(xiàn)太陽光束整形準(zhǔn)直，獲取高聚光比太陽光斑。然后，采用熔融拉錐耦合技術(shù)制備光纖合束器錐體，將聚焦后的太陽光通過緊密堆積的多模光纖合束到大芯徑多模光纖中，從而實(shí)現(xiàn)太陽光到光纖的耦合輸入。大芯徑多模光纖內(nèi)泵浦太陽光經(jīng)光纖合束器進(jìn)入光纖增益介質(zhì)與通信載波信號(hào)光合束，最終實(shí)現(xiàn)通信光信號(hào)功率增益。

多根陽光傳導(dǎo)光纖的尾纖經(jīng)緊密堆積與熔融拉錐熱處理后形成面板狀光纖合束器入射端面，光纖束可設(shè)計(jì)為玻璃材質(zhì)，具備耐高溫和抗空間輻照特性。為進(jìn)一步提高光纖合束器耦合效率，在合束器入射端面可鍍與增益光纖吸收譜段匹配的陽光光譜增透膜。陽光光纖合束器實(shí)現(xiàn)了太陽光到光纖的直接會(huì)聚耦合，且具備多層級(jí)光纖級(jí)聯(lián)合束接口擴(kuò)展能力和適應(yīng)前后雙向泵浦方式，可有效提高太陽光泵浦光纖激光放大器的總?cè)肷浔闷止夤β省?/p>

3 結(jié)束語

星間光通信系統(tǒng)已成為天基信息網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的重要組成，面對(duì)日趨成熟的星載光通信系統(tǒng)，發(fā)展高效率、高可靠空間激光技術(shù)是對(duì)空間激光應(yīng)用需求持續(xù)增長的積極響應(yīng)和技術(shù)儲(chǔ)備。太陽光泵浦激光技術(shù)具有實(shí)現(xiàn)“太陽光-激光”能量直接轉(zhuǎn)換的技術(shù)特點(diǎn)，在空間應(yīng)用中不僅可提高星上能源利用效率，還具有優(yōu)化系統(tǒng)硬件組成和降低單機(jī)功耗熱耗的技術(shù)優(yōu)勢。隨著激光技術(shù)的持續(xù)發(fā)展，當(dāng)前空間光通信技術(shù)也在不斷完善和提升，基于太陽光泵浦激光技術(shù)的空間光通信系統(tǒng)研究作為新體制星載激光通信載荷的技術(shù)探索，是對(duì)空間光通信未來發(fā)展的有益補(bǔ)充和技術(shù)儲(chǔ)備。

[1] HEMANI K, JAIN V K, SUBRAT K. 自由空間光通信技術(shù)[M]. 劉陽, 余林佳, 鄧小飛譯. 北京: 國防工業(yè)出版社, 2021.

[2] 董明昶. 通信用高功率半導(dǎo)體激光調(diào)制技術(shù)研究[D]. 長春: 長春理工大學(xué), 2008.

[3] 陳懷新, 隋展, 陳禎培, 等. 采用液晶空間光調(diào)制器進(jìn)行激光光束的空間整形[J]. 光學(xué)學(xué)報(bào), 2001, 21(9): 1107–1111.

CHEN Huaixin, SUI Zhan, CHEN Zhenpei, et al. Laser beam shaping using liquid crystal spatial light modulator[J]. Acta Optica Sinica, 2001, 21(9): 1107–1111.

[4] 丁德強(qiáng), 柯熙政. 大氣激光通信PPM調(diào)制解調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真研究[J]. 光通信技術(shù), 2005, 29(1): 50–52.

DING Deqiang, KE Xizheng. Design of PPM for laser communication in atmosphere[J]. Optical Communication Technology, 2005, 29(1): 50–52.

[5] 趙長明. 太陽光泵浦激光器[M]. 北京: 國防工業(yè)出版社, 2016.

[6] GUAN Zhe, ZHAO Changming, LI Jinhua, et al. 32.1 W/m2continuous wave solar-pumped laser with a bonding Nd: YAG/YAG rod and a Fresnel lens[J]. Optics and Laser Technology, 2018, 107: 158–161.

[7] SAIKI T, FUJIWARA N, MATSUOKA N, et al. Amplification properties of KW Nd/Cr: YAG ceramic multi-stage active-mirror laser using white-light pump source at high temperatures[J]. Optics Communications, 2017, 387: 316–321.

[8] KISS Z J, LWEIS H R, DUNCAN JR R C. Sun pumped continuous optical maser[J]. Applied Physics Letters, 1963, 2(2): 93–94.

[9] YOUNG C G. A sun-pumped CW One-Watt laser[J]. Applied Optics, 1966, 5(6): 993–997.

[10] INSUIK R J, CHRISTIANSEN W H. Blackbody-pumped CO2laser experiment[J]. Aiaa Journal, 2015, 22(9): 1271–1274.

[11] WEKSLER M, SHWARTZ J. Solar-pumped solid-state lasers[J]. IEEE Journal of Quantum Electronics, 1988, 24(6): 1222–1228.

[12] LANDO M, SHIMONY Y, BENMAIR R M J, et al. Visible solar-pumped lasers[J]. Optical Materials, 1999, 13(1): 111–115.

[13] DINH T H, OHKUBO T, YABE T, et al. 120 watt continuous wave solar-pumped laser with a liquid light-guide lens and an Nd: YAG rod. [J]. Optics Letters, 2012, 37(13): 2670.

[14] LIANG D, ALMEIDA J. Solar-pumped TEM00 mode Nd: YAG laser[J]. Optics Express, 2013, 21(21): 25107–25112.

[15] XU Peng, YANG Suhui, ZHAO Changming, et al. High-efficiency solar-pumped laser with a grooved Nd: YAG rod. [J]. Applied Optics, 2014, 53(18): 3941–3944.

[16] GUAN Zhe, ZHAO Changming, YANG Suhui, et al. Demonstration of a free-space optical communication system using a solar-pumped laser as signal transmitter [J]. Laser Physics Letters, 2017, 14: 055804.

[17] 趙彬, 趙長明, 何建偉, 等. 太陽光抽運(yùn)固體激光增益介質(zhì)的研究[J]. 光學(xué)學(xué)報(bào), 2007, 27(10): 1797–1801.

ZHAO Bin, ZHAO Changming, HE Jianwei, et al. The study of active medium for solar-pumped solid-state lasers [J]. Acta Optica Sinica, 2007, 27(10): 1797–1801.

[18] WALTER K. 固體激光工程[M]. 孫文, 江澤文, 程國祥, 譯. 北京: 科學(xué)出版社, 2002.

[19] 王予, 趙長明, 楊蘇輝, 等. 太陽光直接抽運(yùn)1 064 nm激光放大器[J]. 中國激光, 2017(3): 26–31.

WANG Yu, ZHAO Changming, YANG Suhui, et al. Solar directly pumped 1 064 nm laser amplifier [J]. Chinese Journal of Lasers, 2017(3): 26–31.

[20] MASUDA T, IYODA M, YASUMATSU Y, et al. Low-concentrated solar-pumped laser via transverse excitation fiber-laser geometry. [J]. Optics Letters, 2017, 42(17): 3427.

[21] 關(guān)哲, 汪少林, 張偉, 等. 基于封閉式環(huán)形腔的側(cè)面泵浦激光放大系統(tǒng)及構(gòu)造方法: 202011138730.X[P]. (2021-08-24)[2022-01-19].

Review of free space optical communication based on solar-pumped laser technology

GUAN Zhe, FAN Yingchun, ZHOU Bilei, DENG Xiaofei, ZHANG Wei, LOU Yutao

（Shanghai Institute of Satellite Engineering, Shanghai 201109, China）

The research on space optical communication based on solar-pumped laser technology is reviewed in this paper. The research progress of solar-pumped laser in the field of space optical communication is introduced, and the advantages and disadvantages of solar-pumped laser with different types insystem design are summarized. For solar-pumped laser technology, higher energy conversion efficiency is an important advantage for its space application. The main energy conversion links in solar-pumped laser technology and the influencing factors are detailed. In order to improve the conversion efficiency of “sunlight to laser” in space, a design method of solar-pumped fiber laser technology is proposed, and its research progress, application prospects and current problems are discussed. Finally, combined with the simulation results and performance expectations of the new design method, several key research directions in the future are proposed, such as high-efficiency sunlight converging to the fiber, and multi-rare-earth ion-doped gain fiber.

Space optical communication; Solar-pumped; Space laser technology; Fiber laser

TN249;V443+.1

A

CN11-1780(2022)04-0097-09

10.12347/j.ycyk.20220119001

關(guān)哲, 范迎春, 周必磊, 等.基于陽光泵浦激光技術(shù)的空間光通信研究綜述[J]. 遙測遙控, 2022, 43(4): 97–105.

10.12347/j.ycyk.20220119001

: GUAN Zhe, FAN Yingchun, ZHOU Bilei, et al. Review of free space optical communication based on solar-pumped laser technology[J]. Journal of Telemetry, Tracking and Command, 2022, 43(4): 97–105.

上海市自然科學(xué)基金（19ZR1453400）；上海航天科技創(chuàng)新基金資助項(xiàng)目（SAST2018-032）

2022-01-19

2022-01-21

Website: ycyk.brit.com.cn Email: ycyk704@163.com

關(guān) 哲 1988年生，博士，工程師，主要研究方向?yàn)榭臻g激光技術(shù)和空間光通信系統(tǒng)技術(shù)。

范迎春 1990年生，碩士，工程師，主要研究方向?yàn)榭臻g通信系統(tǒng)工程技術(shù)。

周必磊 1984年生，博士，研究員，主要研究方向?yàn)橥ㄐ畔到y(tǒng)技術(shù)。

鄧小飛 1990年生，碩士，工程師，主要研究方向?yàn)榭臻g通信系統(tǒng)技術(shù)。

張 偉 1971年生，博士，研究員，主要研究方向?yàn)榭臻g飛行器系統(tǒng)技術(shù)。

樓宇濤 1988年生，博士，工程師，主要研究方向?yàn)榭臻g系統(tǒng)工程技術(shù)。

(本文編輯：楊秀麗)