自適應(yīng)光學(xué)對星地相干激光通信性能改善研究

徐圣奇,魏龍超,鄔雙陽,馮曉峰,劉 杰,張志正

(中國電子科技集團(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[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,是未來實(shí)現(xiàn)高速率、超長距離空間信息傳輸?shù)挠行侄蝃3-4]。2007年,德國宇航局和美國空軍及通用動力公司等單位聯(lián)合,在TerraSAR-X 衛(wèi)星(德國)與NFIRE衛(wèi)星(美國)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,德國宇航局在美國毛伊島布設(shè)一套移動式光學(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。

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、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(IM/DD)激光通信中,自適應(yīng)光學(xué)對通信性能的改善同樣得到驗(yàn)證[9-11]。目前,美國、歐洲等國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],我國在該領(lǐng)域的研究進(jìn)展和國外先進(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、長焦距平行光管模擬發(fā)射遠(yuǎn)場信號光。其中,捕獲跟蹤瞄準(zhǔn)分系統(tǒng)包含粗精兩級跟蹤,自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)具備二級精跟蹤和光學(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、模場匹配等因素均對耦合效率產(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)入光纖的光場和單模光纖的出纖光場(相位、幅度)一致,即滿足模場匹配條件。耦合效率計(jì)算公式如下:

(1)

入射光波的模場A(r)表示如下:

(2)

式中,A(r)為艾里斑模場分布;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為單模光纖的模場半徑。

2.1 跟蹤殘差對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,下行信號光入射光軸與光學(xué)地面站接收光軸之間的夾角θ會產(chǎn)生隨機(jī)起伏,對應(yīng)單模光纖端面光斑位置徑向偏差ρ的隨機(jī)抖動,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?？臻g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,下行信號光波長λ=1.55 μm,單模光纖模場半徑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特性[18]。而未經(jīng)匯聚的下行信號光,其光學(xué)波前分布相對容易模擬,因此,在本文中,將基于反向傳播理論和模場匹配理論,分析光學(xué)波前畸變對空間光到單模光纖耦合效率的影響。

下行信號光是理想的平面波,經(jīng)過大氣湍流擾動后,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)為下行信號光的振幅和相位分布,基于前35階澤尼克多項(xiàng)式,對大氣湍流引入的光學(xué)波前畸變φ(r,θ)進(jìn)行模擬。

單模光纖基模模場經(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)是對應(yīng)信號光波長的相對值,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

信號光采用窄線寬DFB激光器作為種子源,中心波長位于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,采用波前傳感器測量信號光波前畸變,并計(jì)算大氣相干長度r0,經(jīng)過長時(shí)間連續(xù)測量,其平均值約為7.6 cm,滿足中等大氣湍流模擬要求。

信號光在經(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,信號光和本振光首先經(jīng)過90°光學(xué)混頻,然后由平衡探測器轉(zhuǎn)換為I、Q兩路正交電信號,兩路電信號經(jīng)過功分器分束后,其中小部分功率用于自動頻率控制環(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盘柟夂捅菊窆庵g的頻率差控制在1 MHz以內(nèi)[20]。基于FPGA的數(shù)字信號處理板主要包括AD采樣模塊和數(shù)字信號處理模塊,I、Q兩路電信號經(jīng)AD采樣后將模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號,再通過載波相位補(bǔ)償算法實(shí)現(xiàn)基帶信號的解調(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)場光斑圖,通過對比可以看出,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測量信號光經(jīng)透鏡匯聚后的遠(yuǎn)場光斑,自適應(yīng)光學(xué)閉環(huán)時(shí),其遠(yuǎn)場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)對光學(xué)波前、夏克哈特曼圖 以及遠(yuǎn)場光斑的修正效果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)測量相干接收機(jī)光纖耦合裝置前端的空間光功率,測量功率穩(wěn)定在-22 dBm,然后通過光纖高速探測器測量耦合進(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,其最小衰減超過17 dB,功率抖動范圍超過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)測量相干接收機(jī)前端的信號光功率,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,并將通信速率設(shè)置為4 Gbps,分別測量自適應(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)測量90 s,其平均誤碼率為3.2×10-7。

圖9 自適應(yīng)光學(xué)對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 對應(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,分別測量了自適應(yīng)光學(xué)對跟蹤殘差和光學(xué)波前畸變的抑制效果,以及對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。