非線性光譜展寬載波的湍流信道高速傳輸特性

王天樞，張瑩，于策，董芳，馬萬卓，劉顯著

（1.長春理工大學(xué)空間光電技術(shù)國家地方聯(lián)合工程研究中心，吉林 長春 130022；2.長春理工大學(xué)光電工程學(xué)院，吉林 長春 130022；3.長春理工大學(xué)電子信息工程學(xué)院，吉林 長春 130022）

1 引言

無線激光通信與微波通信相比，調(diào)制速率更高，頻帶更寬，且不占用頻譜資源；與光纖通信相比，具有施工周期短、成本低、安裝靈活等優(yōu)點(diǎn)[1-2]。然而，無線光通信的最大缺點(diǎn)是受大氣信道影響比較嚴(yán)重，導(dǎo)致功率衰減、光束漂移、光束擴(kuò)展和光強(qiáng)閃爍等問題。

長期以來，由于大氣湍流的影響，長距離自由空間光通信發(fā)展遇到了障礙。理論分析和數(shù)值模擬等方面的許多研究表明，部分相干光束受湍流的影響小于相干光束。Salem 等[3]從理論上證明了湍流環(huán)境傳輸?shù)牟糠窒喔晒馐c相干光束相比具有優(yōu)勢。Shirai 等[4]首先驗(yàn)證了湍流對部分相干光束的影響小于相干光束。Liu 等[5]證明，在大氣湍流通道中，相干性較低的高斯謝爾模型光束與相干性較高的光束相比，其漂移和變形較小。產(chǎn)生部分相干光的方法很多，主要包括擴(kuò)展光源、空間光調(diào)制器及旋轉(zhuǎn)隨機(jī)相位屏等。Deschamps 等[6]使用擴(kuò)展光源發(fā)出的非相干光生成部分相干光。Dogariu 等[7]使用旋轉(zhuǎn)隨機(jī)相位屏實(shí)驗(yàn)生成了部分相干源。Shirai 等[8]提出液晶空間光調(diào)制器，對激光束的相位和幅度進(jìn)行調(diào)制，控制入射光束的相干性并生成部分相干光。Xiao 等[9]提出了一種使用由不同長度的光纖組成的光纖陣列來產(chǎn)生部分相干光的方法，光纖陣列是用于部分相干光生成的相對簡單的方法。但是，以上方法產(chǎn)生的部分相干光調(diào)制速率較低，很難突破Gbit/s 量級，難以獲得高速空間光通信的應(yīng)用。

采用超快光纖激光激發(fā)的超連續(xù)譜是一種穩(wěn)定的部分相干光源，作為光通信載波源，其不僅可以利用部分相干特性抑制大氣湍流的干擾，而且由于高重復(fù)頻率特點(diǎn)，還可以實(shí)現(xiàn)對光源的高速調(diào)制。Zhang 等[10]報(bào)道了采用超連續(xù)譜部分相干光源載波的大氣高速傳輸實(shí)驗(yàn)，速率在4 Gbit/s 條件下，閃爍因子降低了30%。然而，該部分相干光源的最高重復(fù)頻率僅為4 GHz，無法實(shí)現(xiàn)高速調(diào)制。基于光譜的非線性展寬相比于超連續(xù)譜，不僅可以保證光源的部分相干性，而且脈沖能量還能更高。

本文介紹了一種高速部分相干光源載波的大氣激光信息傳輸方法，采用10 GHz 高重復(fù)頻率皮秒光纖激光激發(fā)800 m 長高非線性光纖，獲得10 GHz重復(fù)頻率的非線性光譜展寬，實(shí)現(xiàn)了10 Gbit/s 的高速調(diào)制。在模擬大氣湍流信道中，實(shí)驗(yàn)研究了單通道閃爍因子、眼圖、信噪比和誤碼率等傳輸特性。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)構(gòu)

部分相干光理論以光場的統(tǒng)計(jì)特性為基礎(chǔ)。設(shè)r1、r2為光場中任意兩點(diǎn)，則兩點(diǎn)間的空間?時(shí)間光場可以用互相干函數(shù)來描述，即

其中，〈〉表示求平均，*表示復(fù)共軛，U(r1,t+τ)和U(r2,t)分別表示t+τ時(shí)刻和t時(shí)刻的復(fù)變光場。

歸一化的互相干函數(shù)被稱為復(fù)相干度，即

部分相干光載波和相干光載波在大氣湍流中的傳輸對比如圖1 所示?；诜蔷€性光譜展寬，部分相干光載波在大氣湍流中傳輸時(shí)，由于本身的多色性，即便受到大氣吸收或散射的影響，不同于單一頻率的傳輸，多波長傳輸時(shí)總會(huì)有一部分到達(dá)接收端。由于受到大氣湍流的影響，相干光載波在大氣湍流中傳輸時(shí)會(huì)發(fā)生不同方向的折射，只有少部分到達(dá)接收端[12]。

圖1 部分相干光載波和相干光載波在大氣湍流中的傳輸對比

非線性光譜展寬載波的空間傳輸實(shí)驗(yàn)結(jié)構(gòu)如圖2(a)所示，實(shí)驗(yàn)中將1 550 nm 分布式反饋（DFB,distributed feedback）半導(dǎo)體激光器作為種子光源，通過偏振控制器（PC,polarization controller）調(diào)整光束偏振狀態(tài)，采用馬赫?曾德爾電光調(diào)制器（MZM,Mach-Zehnder modulator）1 將光源調(diào)制成重復(fù)頻率為10 GHz 的脈沖光，調(diào)制信號由任意波形發(fā)生器（AWG,arbitrary waveform generator）Keysight M8195A 的通道1 產(chǎn)生。為了獲得功率較高的非線性光譜展寬，首先對脈沖進(jìn)行壓縮，使脈沖獲得更高的峰值功率。脈沖壓縮系統(tǒng)中，利用8 km單模光纖（SMF,single mode fiber）補(bǔ)償光纖中的正啁啾，可將脈沖寬度從38 ps 壓縮至23 ps。壓縮后的窄脈沖注入摻鉺光纖放大器（EDFA,erbium-doped fiber amplifier）1 放大，輸出峰值功率為23 dBm，再利用可調(diào)諧濾波器（TF,tunable filter）來濾除放大器中的自發(fā)輻射噪聲。將放大后的脈沖注入3 km 色散位移光纖（DSF,dispersion-shifted fiber），利用高階孤子效應(yīng)，將脈沖寬度從23 ps 進(jìn)一步壓縮至8.4 ps[13]。

圖2 基于光譜非線性展寬的高重復(fù)率部分相干光束在模擬大氣中的傳輸

如圖2(b)所示，通過另一個(gè)摻鉺光纖放大器（EDFA2）將高峰值功率脈沖平均功率放大到27 dBm后，再泵浦800 m 高非線性光纖（HNLF,highly nonlinear fiber）獲得非線性光譜展寬。文獻(xiàn)[10]表明，由于泵浦光為相干光源，故距泵浦波長較遠(yuǎn)的光譜相干度較低。實(shí)驗(yàn)中，采用粗波分復(fù)用器（CWDM,coarse wavelength division multiplexer）過濾出1 560～1 580 nm 范圍內(nèi)的展寬光譜（20 nm），作為高速載波光源。

AWG 通道2 產(chǎn)生的10 Gbit/s 二進(jìn)制偽隨機(jī)序列通過另一個(gè)馬赫?曾德爾電光調(diào)制器（MZM2）對載波光源進(jìn)行數(shù)字調(diào)制，高重頻脈沖激光的調(diào)制與高速數(shù)字調(diào)制采用時(shí)鐘同步，以實(shí)現(xiàn)較好的調(diào)制效果。高速調(diào)制激光通過一對光學(xué)準(zhǔn)直器在大氣湍流模擬信道中進(jìn)行傳輸，接收端采用低噪聲前置放大器來補(bǔ)償信道損耗和耦合損耗引起的功率衰減，通過高速光電探測器進(jìn)行信號檢測，并通過誤碼分析儀檢測誤碼率。

大氣湍流模擬系統(tǒng)利用熱空氣對流原理建立，為中弱大氣湍流模擬系統(tǒng)，與基于空間光調(diào)制器和旋轉(zhuǎn)相位板模擬的大氣湍流相比，該系統(tǒng)屬于物理環(huán)境模擬，更接近真實(shí)湍流環(huán)境，具有結(jié)構(gòu)簡單、易于控制的優(yōu)點(diǎn)。如圖3 所示，大氣湍流模擬系統(tǒng)包括一個(gè)模擬大氣箱和一個(gè)自動(dòng)控制器。該大氣湍流模擬系統(tǒng)可以通過調(diào)整大氣的相干長度參數(shù)來模擬湍流變化，以模擬弱湍流和強(qiáng)湍流。相干長度參數(shù)是利用熱對流原理調(diào)節(jié)的，大氣箱內(nèi)部上面板為冷卻板，下面板為加熱板，控制器控制兩面板的溫度差來實(shí)現(xiàn)空氣對流。

圖3 大氣湍流模擬系統(tǒng)

模擬大氣箱上的冷熱板可通過循環(huán)水保持穩(wěn)定的室溫。底板上有3 個(gè)相同的加熱板，箱體內(nèi)的溫度逐漸升高。冷卻板和加熱板的長度和寬度分別為2 m 和1 m，它們之間的間距為0.35 m。加熱板和冷卻板均可通過自動(dòng)控制器進(jìn)行控制。箱體內(nèi)部有一些溫度檢測器，用于實(shí)時(shí)測量湍流模擬系統(tǒng)的溫度。自動(dòng)控制器可以通過檢測器適當(dāng)改變模擬大氣箱的溫度，以形成閉環(huán)控制過程。模擬大氣箱的每一側(cè)都有2 個(gè)窗口，可以用作模擬大氣通道的輸入和輸出端口[14-15]。

相干長度(r0)是描述湍流強(qiáng)度的參數(shù)，當(dāng)湍流強(qiáng)度增加時(shí)，相干長度減小。通過在不同的ΔT條件下測量r0可知，r0=48ΔT?0.81。高速電荷耦合器件通過式(3)測量閃爍因子。

其中，σ2表示閃爍指數(shù)，I表示瞬時(shí)光強(qiáng)度[16]。

通過減小湍流區(qū)域和外部區(qū)域之間的溫度差(ΔT)，溫度緩沖區(qū)域在湍流區(qū)域周圍以保持湍流穩(wěn)定。大氣湍流強(qiáng)度可以通過ΔT來調(diào)節(jié)。模擬系統(tǒng)的折射率結(jié)構(gòu)常數(shù)范圍為，在弱湍流條件（接近）下，1 550 nm 非調(diào)制激光的閃爍因子分別為0.012 3、0.005 42 和0.002 17，分別對應(yīng)于ΔT的230℃、150℃和80℃[17]。使用公式，等效傳輸距離大約為1 km，其中，是波數(shù)，cn是大氣折射率結(jié)構(gòu)常數(shù)。

3 結(jié)果及分析

圖4(a)為10 GHz 的高重頻脈沖序列，脈沖間隔為100 ps，這意味著在強(qiáng)度調(diào)制下，最高傳輸速率可以達(dá)到10 Gbit/s。通過光譜分析儀觀測到的光譜非線性展寬如圖4(b)所示，并通過20 nm 光譜濾波獲得光譜非線性展寬載波光源。

圖4 重復(fù)頻率10 GHz 的脈沖序列及光譜非線性展寬光源

當(dāng)上下面板溫差ΔT=230℃時(shí)，相干光載波和部分相干光載波的閃爍因子如圖5 所示，平均值分別為0.014 4 和0.009 61。顯然，與相干光載波相比，光譜非線性展寬光源載波可以減少由大氣湍流引起的閃爍，從而減少由大氣湍流引起的功率波動(dòng)。

圖5 相干光載波和部分相干光載波的閃爍因子

實(shí)驗(yàn)中，相干光源和光譜非線性展寬光源的傳輸速率均為10 Gbit/s，經(jīng)過湍流信道前后的信號眼圖及信噪比如圖6 所示。如圖6(a)和圖6(c)所示，對載波光源進(jìn)行數(shù)字調(diào)制后的背靠背信噪比分別為16.83 dB 和11.83 dB，相干光載波的信噪比高于部分相干光載波。然而，通過ΔT=230℃模擬大氣湍流通道后，如圖6(b)和圖6(d)所示，相干光載波和光譜非線性展寬光載波的信噪比分別從16.83 dB和11.83 dB 降低至4.31 dB 和5.64 dB，分別惡化了12.52 dB 和6.19 dB，顯然大氣湍流對光譜非線性展寬載波光源通信鏈路的影響較小。

如圖7 所示，在不同湍流強(qiáng)度下部分相干光載波和相干光載波的單通道10 Gbit/s 傳輸鏈路的誤碼率。當(dāng)誤碼率為3.8×10?3時(shí)，10 Gbit/s 的部分相干光載波和相干光載波經(jīng)ΔT=0℃（無湍流條件下），部分相干光載波和相干光載波接收靈敏度分別為?30.9 dBm 和?32.3 dBm。這表明，在無湍流條件下，部分相干光載波鏈路的靈敏度高于相干光鏈路，因?yàn)椴糠窒喔晒廨d波較低信噪比導(dǎo)致靈敏度較低。經(jīng)ΔT=80℃大氣湍流模擬裝置后的接收靈敏度分別為?30 dBm 和?29.5 dBm；經(jīng)ΔT=150℃大氣湍流模擬裝置后部分相干光載波和相干光載波接收靈敏度分別為?29.2 dBm 和?28.2 dBm；經(jīng)ΔT=230℃大氣湍流模擬裝置后，部分相干光載波和相干光載波接收靈敏度分別為?27.8 dBm 和?26.2 dBm。在通過大氣湍流之后，部分相干光載波鏈路的靈敏度高于相干光載波鏈路，可見，部分相干光載波具有更好抑制大氣湍流影響的能力。

圖6 湍流通道(ΔT=230℃)前后的相干光載波和部分相干光載波的眼圖和信噪比

4 結(jié)束語

本文提出了基于非線性光譜展寬的高重復(fù)頻率部分相干光載波光源的產(chǎn)生。將部分相干光載波光源的重復(fù)頻率從4 GHz 提高到10 GHz，實(shí)現(xiàn)了在模擬大氣湍流通道中的部分相干光光載波單通道10 Gbit/s 傳輸，并研究了其模擬大氣通道中的傳輸特性。實(shí)驗(yàn)對比了相干光載波和部分相干光載波的湍流前后的信噪比，經(jīng)湍流通道后，信噪比分別惡化了12.52 dB 和6.19 dB，在ΔT=230℃的模擬大氣湍流通道中，部分相干光載波鏈路靈敏度提高了1.6 dB。實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了部分相干光載波在大氣湍流中實(shí)現(xiàn)高速調(diào)制傳輸?shù)目尚行浴?/p>