空間激光通信網(wǎng)絡(luò)中的全光數(shù)據(jù)合路技術(shù)研究*

郟帥威，汪 偉，謝小平，黃新寧

空間激光通信網(wǎng)絡(luò)中的全光數(shù)據(jù)合路技術(shù)研究*

郟帥威1,3，汪 偉1，謝小平1,3，黃新寧2

（1 中國(guó)科學(xué)院西安光學(xué)精密機(jī)械研究所光子網(wǎng)絡(luò)技術(shù)研究室 西安 710119 2 揚(yáng)州大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 揚(yáng)州 225001 3 中國(guó)科學(xué)院大學(xué)未來(lái)技術(shù)學(xué)院 北京 100049）

針對(duì)空間激光通信網(wǎng)絡(luò)接入節(jié)點(diǎn)多路激光鏈路傳輸需求，基于高非線性光纖中四波混頻參量效應(yīng)，并結(jié)合色散控制，開(kāi)展全光合路處理技術(shù)研究。采用VPI 10.0模擬平臺(tái)構(gòu)建了時(shí)間透鏡全光合路系統(tǒng)，驗(yàn)證了4路速率為10 Gbps的差分相移鍵控DPSK（Differential Phase Shift Keying）信號(hào)光以及通斷鍵控調(diào)制OOK（On-Off Keying）和DPSK混合制式信號(hào)光的全光合路可行性，并對(duì)全光合路技術(shù)實(shí)現(xiàn)中色散、光功率等關(guān)鍵參數(shù)對(duì)系統(tǒng)性能的影響進(jìn)行了分析，為實(shí)際系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和應(yīng)用提供數(shù)據(jù)支撐。所提出的全光合路技術(shù)具有數(shù)據(jù)處理帶寬大、通信制式兼容且系統(tǒng)復(fù)雜度低等優(yōu)點(diǎn)，可有效降低空間激光通信網(wǎng)絡(luò)的資源需求與載荷成本，為下一代空間激光骨干網(wǎng)的發(fā)展與全面應(yīng)用提供有效技術(shù)支撐。

空間激光通信網(wǎng)絡(luò)；全光數(shù)據(jù)合路；四波混頻；時(shí)間透鏡

引 言

空間激光通信系統(tǒng)具有數(shù)據(jù)傳輸帶寬大、無(wú)需申請(qǐng)頻段使用牌照、體積重量功耗低等優(yōu)勢(shì)，是空間海量探測(cè)數(shù)據(jù)快速下傳的重要技術(shù)途徑。美國(guó)、歐洲、日本等先后成功驗(yàn)證不同鏈路距離下空間激光通信技術(shù)的可行性[1-3]，我國(guó)也已有多個(gè)空間激光通信系統(tǒng)成功在軌驗(yàn)證[4]，“點(diǎn)對(duì)點(diǎn)”空間激光通信技術(shù)的工程化應(yīng)用日漸成熟。為搶占空間資源，多個(gè)國(guó)家和地區(qū)紛紛提出全球覆蓋的空間信息網(wǎng)絡(luò)建設(shè)規(guī)劃，如美國(guó)航天局NASA“下一代地球軌道中繼衛(wèi)星”計(jì)劃[5]、歐洲航天局ESA“高通量光學(xué)網(wǎng)絡(luò)”計(jì)劃[6]、日本宇航局JAXA的“光數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星”計(jì)劃[7]，以及我國(guó)的“天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)”重大工程項(xiàng)目等。上述空間信息網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃中，均基于激光鏈路構(gòu)建空間數(shù)據(jù)傳輸骨干網(wǎng)絡(luò)，且數(shù)據(jù)傳輸速率將達(dá)到100 Gbps量級(jí)。

當(dāng)多個(gè)空間平臺(tái)同時(shí)請(qǐng)求經(jīng)激光骨干網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)探測(cè)數(shù)據(jù)快速回傳時(shí)，如圖1所示，在接入節(jié)點(diǎn)將多路并行的用戶激光鏈路整合為骨干激光鏈路，既可提升接入節(jié)點(diǎn)的響應(yīng)效率，保障探測(cè)數(shù)據(jù)的時(shí)效性，又能有效利用骨干網(wǎng)絡(luò)大容量傳輸?shù)膬?yōu)勢(shì)。傳統(tǒng)“光-電-光”技術(shù)途徑實(shí)現(xiàn)上述骨干網(wǎng)絡(luò)接入節(jié)點(diǎn)的合路處理時(shí)，需首先將多個(gè)接入鏈路激光信號(hào)解調(diào)至電域，實(shí)現(xiàn)合路處理后再調(diào)制至激光載波上發(fā)射出去，進(jìn)而在骨干網(wǎng)絡(luò)中繼續(xù)傳輸或傳至地面站。因此，需要在接入節(jié)點(diǎn)配置多臺(tái)光接收機(jī)完成接入鏈路解調(diào)，這對(duì)空間平臺(tái)的體積重量功耗SWaP（Size，Weight and Power）資源需求高，且在電域?qū)崿F(xiàn)合路處理時(shí)面臨航天級(jí)電子器件帶寬限制，難以滿足未來(lái)100 Gbps量級(jí)的數(shù)據(jù)處理需求。

圖1 激光鏈路接入示意圖

基于光場(chǎng)的時(shí)空對(duì)偶特性構(gòu)建時(shí)間透鏡，可對(duì)光信號(hào)進(jìn)行時(shí)頻特性轉(zhuǎn)換處理，是近年來(lái)光信息處理的研究熱點(diǎn)，主要應(yīng)用領(lǐng)域包括高速光時(shí)分復(fù)用OTDM（Optical Time-Division Multiplexing）信號(hào)解壓縮[8-10]、通信制式轉(zhuǎn)換[11]、脈沖壓縮[12,13]以及微波[14]等。本文基于高非線性光纖HNLF（High Nonlinear Fiber）中的四波混頻FWM（Four-wave Mixing）效應(yīng)，構(gòu)建了具有數(shù)據(jù)速率透明、通信制式兼容的時(shí)間透鏡系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了四路速率為10 Gbps的光信號(hào)全光合路處理，同時(shí)針對(duì)非線性介質(zhì)色散、功率匹配、頻率間隔等影響全光合路的關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行了分析，為實(shí)際工程應(yīng)用提供參數(shù)選擇支撐。所構(gòu)建的全光合路系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、處理帶寬大、制式兼容等優(yōu)點(diǎn)，能夠有效降低空間接入節(jié)點(diǎn)的載荷成本及SWaP需求，可為我國(guó)未來(lái)空間激光骨干網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展與全面應(yīng)用提供支撐。

1 全光合路原理與系統(tǒng)

1.1 全光合路原理

圖2 全光合路原理示意圖

閑頻光時(shí)域與輸入信號(hào)光頻域在包絡(luò)和功率譜上完全一致，此時(shí)輸出的閑頻光攜帶了輸入端多路波分復(fù)用信號(hào)光的全部數(shù)據(jù)，即實(shí)現(xiàn)了全光域數(shù)據(jù)合路處理。

1.2 全光合路系統(tǒng)

注：LD（Laser Diode，激光二極管）；PG（Pattern Generator，圖形發(fā)生器）；MZM（Mach-Zehnder Modulator，馬赫-曾德?tīng)栒{(diào)制器）；RX（Receiver，光接收器）；OSA（Optical Spectrum Analyzer，光譜分析儀）；OSC（Oscilloscope，示波器）；BER（Bit Error Ration Tester，誤碼率測(cè)試儀）

2 全光合路性能分析

基于圖3所示的全光合路系統(tǒng)，采用VPI（VPIphotonics）10.0模擬平臺(tái)搭建時(shí)間透鏡系統(tǒng)，對(duì)所述全光合路系統(tǒng)的處理性能進(jìn)行分析。

2.1 相位調(diào)制格式全光合路性能分析

在接收端利用接收機(jī)將得到的合路信號(hào)進(jìn)行解調(diào)，接收機(jī)解調(diào)過(guò)程為：利用帶寬為10 GHz的幅度調(diào)制器AM(Amplitude Modulator)對(duì)得到的OTDM光信號(hào)采樣，再經(jīng)1 bit光延時(shí)干涉儀進(jìn)行相位解調(diào)。得到解調(diào)后的信號(hào)眼圖如圖4（d）所示，其中橫坐標(biāo)代表解調(diào)后電信號(hào)的時(shí)域時(shí)間分布，縱坐標(biāo)表示接收信號(hào)解調(diào)后的時(shí)域電信號(hào)的相對(duì)強(qiáng)度，本文中所有數(shù)據(jù)都是通過(guò)同一接收測(cè)量方法得到，所以相對(duì)強(qiáng)度即可表明不同輸入信號(hào)條件下的系統(tǒng)性能。解調(diào)后信號(hào)眼圖張開(kāi)清晰，對(duì)16 384 bits的數(shù)據(jù)進(jìn)行誤碼對(duì)比，全光合路處理引入的誤碼率為0。結(jié)果表明，所構(gòu)建的全光合路系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)4路速率為10 Gbps、通信制式為DPSK的光信號(hào)全光合路處理，且引入誤碼極低，具有良好的全光合路處理功能。

2.2 混合調(diào)制格式全光合路性能分析

本節(jié)驗(yàn)證所述全光合路系統(tǒng)對(duì)混合調(diào)制格式光信號(hào)的合路性能，以滿足在激光骨干網(wǎng)絡(luò)接入節(jié)點(diǎn)處，同時(shí)響應(yīng)不同通信制式激光鏈路的接入請(qǐng)求這一現(xiàn)實(shí)功能需求。調(diào)整圖3中信號(hào)端MZM的偏置電壓和驅(qū)動(dòng)幅值，得到速率為10 Gbps、波長(zhǎng)分別為1 554.94 nm和1 556.55 nm的2路強(qiáng)度調(diào)制OOK（On-Off Keying）信號(hào)光和波長(zhǎng)為1 555.74 nm、1 557.36 nm的2路DPSK信號(hào)光。全光合路系統(tǒng)中，泵浦光的線性啁啾加載過(guò)程各器件參數(shù)設(shè)置保持不變，線性啁啾處理后的泵浦光與4路混合通信制式的信號(hào)光耦合后注入HNLF2中，耦合光譜如圖5（a）所示。在HNLF2中由FWM效應(yīng)產(chǎn)生閑頻光，F(xiàn)WM輸出光譜如圖5（b）所示，在這一過(guò)程中線性啁啾的泵浦光同樣對(duì)閑頻光產(chǎn)生二次型相位調(diào)制作用。再利用OBPF2濾出閑頻光并注入DCF進(jìn)行色散控制后，得到數(shù)據(jù)合路后的1路40 Gbps信號(hào)光，其時(shí)域波形如圖5（c）所示，其中缺失的2個(gè)時(shí)隙為OOK通信制式中的“0”碼元?？梢?jiàn)所構(gòu)建的全光合路系統(tǒng)具備通信制式兼容的特性，能夠同時(shí)實(shí)現(xiàn)相位調(diào)制和強(qiáng)度調(diào)制混合的激光鏈路同時(shí)合路處理，使空間激光骨干網(wǎng)絡(luò)接入節(jié)點(diǎn)的響應(yīng)能力更強(qiáng)。

在接收端利用接收機(jī)對(duì)得到的1路40 Gbps合路信號(hào)進(jìn)行解調(diào)分析，接收機(jī)仍采用帶寬為10 GHz的幅度調(diào)制器對(duì)得到的40 Gbps合路OTDM光信號(hào)進(jìn)行采樣，然后分別利用直接探測(cè)方式對(duì)OOK信號(hào)進(jìn)行解調(diào)、利用1 bit光延時(shí)干涉儀對(duì)DPSK信號(hào)進(jìn)行解調(diào)。圖5（d）給出解調(diào)后的一路OOK信號(hào)眼圖，張開(kāi)度清晰，表明信號(hào)質(zhì)量好；解調(diào)后的DPSK信號(hào)眼圖與圖4（d）類似。分別對(duì)OOK通信制式和DPSK通信制式對(duì)16 384 bits的數(shù)據(jù)進(jìn)行誤碼對(duì)比，接收端其誤碼率均為0，表明所構(gòu)建的全光合路系統(tǒng)在進(jìn)行混合制式合路處理時(shí)仍然具備良好的合路性能。

3 關(guān)鍵參數(shù)影響分析

3.1 色散

然后，分析HNLF2色散系數(shù)對(duì)全光合路性能的影響，這是因?yàn)镕WM效應(yīng)要求信號(hào)光和泵浦光滿足相位匹配條件，而HNLF2的色散作用將破壞這一匹配要求。將HNLF2的色散系數(shù)依次設(shè)定為– 0.02 ps/(nm·km)、– 0.22 ps/(nm·km)、– 0.32 ps/(nm·km)、– 0.42 ps/(nm·km)和– 0.62 ps/(nm·km)，其余參數(shù)設(shè)置不變，將得到的合路信號(hào)進(jìn)行解調(diào)并計(jì)算其誤碼率，結(jié)果如圖7所示。可以看出隨著HNLF2色散系數(shù)絕對(duì)值增加，全光合路后的信號(hào)光畸變加劇，誤碼率顯著增加，當(dāng)色散系數(shù)絕對(duì)值小于0.32 ps/(nm·km)時(shí)，合路信號(hào)無(wú)輸出。這是因?yàn)?，隨著HNLF2色散系數(shù)絕對(duì)值增加，信號(hào)光和泵浦光之間走離效應(yīng)加劇，兩者相位匹配度降低而使FWM效率下降，從而生成的閑頻光功率降低，全光合路系統(tǒng)性能嚴(yán)重劣化，當(dāng)HNLF2的色散系數(shù)在– 0.32 ps/(nm·km) ～ – 0.12 ps/(nm·km)時(shí)，F(xiàn)WM效應(yīng)才可高效率發(fā)生。因此，實(shí)際系統(tǒng)中泵浦光波長(zhǎng)應(yīng)選在HNLF2零色散波長(zhǎng)附近，且HNLF2色散系數(shù)絕對(duì)值應(yīng)盡可能小。

3.2 功率

首先分析輸入信號(hào)光功率對(duì)全光合路性能的影響。以速率為10 Gbps的DPSK信號(hào)為例，當(dāng)取誤碼率為10–7時(shí)，其理論極限接收光功率為– 47 dBm，考慮實(shí)際系統(tǒng)與理論值的差距，預(yù)留5 dB功率冗余，取全光合路的4路DPSK信號(hào)輸入功率在– 38 dBm ～ – 42 dBm范圍內(nèi)，以1 dB為步長(zhǎng)變化，其余參數(shù)設(shè)置不變，分析輸入信號(hào)光功率對(duì)全光合路系統(tǒng)性能的影響，結(jié)果如圖8所示?？梢钥闯觯S著輸入信號(hào)光功率降低，全光合路后的OTDM光信號(hào)功率也相應(yīng)降低；對(duì)16 384 bits數(shù)據(jù)進(jìn)行誤碼對(duì)比時(shí)發(fā)現(xiàn)，輸入光功率波動(dòng)并不會(huì)在全光合路系統(tǒng)中引入新的誤碼，全光合路性能仍可保持極低誤碼性能。因此，輸入信號(hào)光功率雖然影響HNLF2中FWM效應(yīng)的效率，但因?qū)ζ湎辔黄ヅ湟鬅o(wú)影響，故在實(shí)際系統(tǒng)中只要輸入信號(hào)光功率達(dá)到EDFA2響應(yīng)范圍，即可實(shí)現(xiàn)性能良好的全光合路處理。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文基于高非線性光纖中的四波混頻參量效應(yīng)及色散處理，構(gòu)建了可用于空間激光骨干網(wǎng)絡(luò)邊緣節(jié)點(diǎn)的全光合路處理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了4路速率為10 Gbps、調(diào)制格式為DPSK的激光鏈路全光合路處理，并驗(yàn)證了系統(tǒng)對(duì)混合通信制式全光合路處理的可行性?；赩PI 10.0對(duì)合路后的光信號(hào)進(jìn)行解調(diào)分析及誤碼對(duì)比，結(jié)果表明所構(gòu)建的全光合路系統(tǒng)具有良好的數(shù)據(jù)合路處理功能，且兼容混合通信制式，可有效提高空間骨干網(wǎng)絡(luò)邊緣節(jié)點(diǎn)的全光處理能力。接著分析了器件色散、輸入光功率等參數(shù)對(duì)全光合路系統(tǒng)的性能影響，為實(shí)際系統(tǒng)設(shè)計(jì)和應(yīng)用提供有力依據(jù)。隨著“點(diǎn)對(duì)點(diǎn)”空間激光通信技術(shù)日益成熟，以激光鏈路構(gòu)建骨干網(wǎng)絡(luò)來(lái)支持大容量探測(cè)數(shù)據(jù)快速回傳，是下一代空間信息網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展趨勢(shì)。在空間激光骨干網(wǎng)絡(luò)邊緣節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)多路激光數(shù)據(jù)全光合路處理具有帶寬大、系統(tǒng)簡(jiǎn)單、制式兼容等優(yōu)勢(shì)，可有效利用骨干網(wǎng)大容量數(shù)據(jù)傳輸優(yōu)勢(shì)，降低系統(tǒng)SWaP需求，為空間信息網(wǎng)絡(luò)建設(shè)及激光鏈路的全面應(yīng)用提供支撐。

[1] ROBINSON B S, BOROSON D M, BURIANEK D. A, et al. The lunar laser communications demonstration[C]// 2011 International Conference on Space Optical Systems and Applications (ICSOS), 2011.

[2] PERDIGUES J, SODNIK Z, HAUSCHILDT H, et al. ESA's OGS upgrades for EDRS: Development status[C]// 2017 IEEE International Conference on Space Optical Systems and Applications (ICSOS), 2017.

[3] YAMAKAWA, CHISHIKI Y S, SASAKI Y, et al. JAXA's optical data relay satellite programme[C]// 2015 IEEE International Conference on Space Optical Systems and Applications (ICSOS), 2016.

[4] 張若凡, 張文睿, 張學(xué)嬌, 等. 高軌衛(wèi)星激光中繼鏈路研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)[J]. 激光與光電子學(xué)進(jìn)展, 2021, 58(5): 1–13.

ZHANG Ruofan, ZHANG Wenrui, ZHANG Xuejiao, et al. Research status and development trend of high earth orbit satellite laser relay links[J]. Laser & Optoelectronics Progress, 2021, 58(5): 1–13.

[5] ISRAEL D J, SHAW H. Next-generation NASA earth-orbiting relay satellites: Fusing optical and microwave communic- ations[C]// 2018 IEEE Aerospace Conference, 2018.

[6] HAUSCHILDT H, ELIA C, JONES A, et al. ESAs Scylight programme: Activities and status of the high throughput optical network "HydRON"[C]// 2018 International Conference on Space Optics (ICSO), 2019.

[7] ARAKI T. A study of the future optical data relay system; requirements, problems and solution[C]// 2017 IEEE International Conference on Space Optical Systems and Applications (ICSOS), 2017.

[8] PETRILLO K G, FOSTER M A. Scalable ultrahigh-speed optical transmultiplexer using a time lens[J]. Optics Express, 2011,19(15): 14051–14059.

[9] MULVAD H C H, PALUSHANI E, HU H, et al. Ultra-high-speed optical serial-to-parallel data conversion by time-domain optical Fourier transformation in a silicon nanowire[J]. Optics Express, 2011, 19(26): 825–835.

[10] PALUSHANI E, MULVAD H C H, GALILI M, et al. OTDM-to-WDM conversion based on time-to-frequency mapping by time-domain optical Fourier transformation[J]. IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics, 2012, 18(2): 681–688.

[11] HILLERKUSS D, SCHMOGROW R, SCHELLINGER T, et al. 26 Tbits?1 line-rate super-channel transmission utilizing all-optical fast Fourier transform processing[J]. Nature Photonics, 2011, 5: 364–371.

[12] KLEIN A, YARON T, PRETER E, et al. Temporal depth imaging[J]. Optica, 2017, 4(5): 502–506.

[13] 李博. 新型時(shí)間透鏡及其在超快光信號(hào)處理中的應(yīng)用研究[D]. 北京: 北京交通大學(xué), 2015.

[14] 趙小翔. 基于時(shí)間透鏡的時(shí)域成像技術(shù)的研究[D]. 成都: 電子科技大學(xué), 2019.

[15] 孔德明. 超高速光傳輸若干關(guān)鍵技術(shù)與實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)研究[D]. 北京: 北京郵電大學(xué), 2014.

Research on the all-optical data aggregation technology in the space laser communication network

JIA Shuaiwei1,3, WANG Wei1, XIE Xiaoping1,3, HUANG Xinning2

（1. Dept. Photonics Network, Xi'an Institute of Optics and Precision Mechanics of CAS, Xi'an 710119, China;2. College of Physical Science and Technology, Yangzhou University, Yangzhou 225001, China;3 University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China）

Aiming at the multi-channel laser link transmission requirements of access node in space laser communication network, the all-optical data aggregation, based on the parametric four-wave mixing (FWM) effect in the high nonlinear fiber combing with dispersion controlling, is proposed and analyzed. The all-optical processing system is constructed on the VPI 10.0 simulation platform and the feasibility analysis is carried out. Four DPSK modulated optical links at data-rate of 10 Gbps each are optically aggregated into one 40 Gbps link. The aggregation of mixed optical links, with OOK and DPSK modulation types, is also validated. Then the fiber dispersion and optical power, which are crucial in the aggregation performance, are separately varied and the corresponding system performance such as eye-pattern diagram and bit error ratio are analyzed. The obtained results can reliably support the practical system design and application. The proposed system in this paper owns several application advantages such as broader bandwidth, modulation transparency and lower complexity. Thus, it is helpful in the cost and space resource demand reduction, and can technically support the comprehensive development and application of the next generation space laser backbone network.

Space laser communication network; All-optical data aggregation; Four-wave mixing; Time-lens

V443+.1

A

CN11-1780(2022)04-0070-10

10.12347/j.ycyk.20211227001

郟帥威, 汪偉, 謝小平, 等.空間激光通信網(wǎng)絡(luò)中的全光數(shù)據(jù)合路技術(shù)研究[J]. 遙測(cè)遙控, 2022, 43(4): 70–79.

10.12347/j.ycyk.20211227001

: JIA Shuaiwei, WANG Wei, XIE Xiaoping, et al. Research on the all-optical data aggregation technology in the space laser communication network[J]. Journal of Telemetry, Tracking and Command, 2022, 43(4): 70–79.

中華人民共和國(guó)科學(xué)技術(shù)部重大項(xiàng)目（No.2017YFC0803905）

黃新寧（huangxinning@yzu.edu.cn）

2021-12-27

2022-01-26

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

郟帥威 1997年生，博士研究生，主要研究方向?yàn)楦咚俟庑盘?hào)處理。

汪 偉 1982年生，研究員，碩士生導(dǎo)師，主要研究方向?yàn)榭臻g光通信。

謝小平 1976年生，研究員，博士生導(dǎo)師，主要研究方向?yàn)榭臻g/海洋高速激光通信網(wǎng)絡(luò)、空間激光通信和空間光交換等。

黃新寧 1986年生，副教授，碩士生導(dǎo)師，主要研究方向?yàn)槌烊庑畔⑻幚怼?/p>

(本文編輯：傅 杰)