空間激光通信網(wǎng)絡中的全光數(shù)據(jù)合路技術研究*

郟帥威，汪 偉，謝小平，黃新寧

空間激光通信網(wǎng)絡中的全光數(shù)據(jù)合路技術研究*

郟帥威1,3，汪 偉1，謝小平1,3，黃新寧2

（1 中國科學院西安光學精密機械研究所光子網(wǎng)絡技術研究室 西安 710119 2 揚州大學物理科學與技術學院 揚州 225001 3 中國科學院大學未來技術學院 北京 100049）

針對空間激光通信網(wǎng)絡接入節(jié)點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，并結合色散控制，開展全光合路處理技術研究。采用VPI 10.0模擬平臺構建了時間透鏡全光合路系統(tǒng)，驗證了4路速率為10 Gbps的差分相移鍵控DPSK（Differential Phase Shift Keying）信號光以及通斷鍵控調制OOK（On-Off Keying）和DPSK混合制式信號光的全光合路可行性，并對全光合路技術實現(xiàn)中色散、光功率等關鍵參數(shù)對系統(tǒng)性能的影響進行了分析，為實際系統(tǒng)的設計和應用提供數(shù)據(jù)支撐。所提出的全光合路技術具有數(shù)據(jù)處理帶寬大、通信制式兼容且系統(tǒng)復雜度低等優(yōu)點，可有效降低空間激光通信網(wǎng)絡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)展與全面應用提供有效技術支撐。

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

引 言

空間激光通信系統(tǒng)具有數(shù)據(jù)傳輸帶寬大、無需申請頻段使用牌照、體積重量功耗低等優(yōu)勢，是空間海量探測數(shù)據(jù)快速下傳的重要技術途徑。美國、歐洲、日本等先后成功驗證不同鏈路距離下空間激光通信技術的可行性[1-3]，我國也已有多個空間激光通信系統(tǒng)成功在軌驗證[4]，“點對點”空間激光通信技術的工程化應用日漸成熟。為搶占空間資源，多個國家和地區(qū)紛紛提出全球覆蓋的空間信息網(wǎng)絡建設規(guī)劃，如美國航天局NASA“下一代地球軌道中繼衛(wèi)星”計劃[5]、歐洲航天局ESA“高通量光學網(wǎng)絡”計劃[6]、日本宇航局JAXA的“光數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星”計劃[7]，以及我國的“天地一體化信息網(wǎng)絡”重大工程項目等。上述空間信息網(wǎng)絡規(guī)劃中，均基于激光鏈路構建空間數(shù)據(jù)傳輸骨干網(wǎng)絡，且數(shù)據(jù)傳輸速率將達到100 Gbps量級。

當多個空間平臺同時請求經(jīng)激光骨干網(wǎng)絡實現(xiàn)探測數(shù)據(jù)快速回傳時，如圖1所示，在接入節(jié)點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)點的響應效率，保障探測數(shù)據(jù)的時效性，又能有效利用骨干網(wǎng)絡大容量傳輸?shù)膬?yōu)勢。傳統(tǒng)“光-電-光”技術途徑實現(xiàn)上述骨干網(wǎng)絡接入節(jié)點的合路處理時，需首先將多個接入鏈路激光信號解調至電域，實現(xiàn)合路處理后再調制至激光載波上發(fā)射出去，進而在骨干網(wǎng)絡中繼續(xù)傳輸或傳至地面站。因此，需要在接入節(jié)點配置多臺光接收機完成接入鏈路解調，這對空間平臺的體積重量功耗SWaP（Size，Weight and Power）資源需求高，且在電域實現(xiàn)合路處理時面臨航天級電子器件帶寬限制，難以滿足未來100 Gbps量級的數(shù)據(jù)處理需求。

圖1 激光鏈路接入示意圖

基于光場的時空對偶特性構建時間透鏡，可對光信號進行時頻特性轉換處理，是近年來光信息處理的研究熱點，主要應用領域包括高速光時分復用OTDM（Optical Time-Division Multiplexing）信號解壓縮[8-10]、通信制式轉換[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，構建了具有數(shù)據(jù)速率透明、通信制式兼容的時間透鏡系統(tǒng)，實現(xiàn)了四路速率為10 Gbps的光信號全光合路處理，同時針對非線性介質色散、功率匹配、頻率間隔等影響全光合路的關鍵參數(shù)進行了分析，為實際工程應用提供參數(shù)選擇支撐。所構建的全光合路系統(tǒng)具有結構簡單、處理帶寬大、制式兼容等優(yōu)點，能夠有效降低空間接入節(jié)點的載荷成本及SWaP需求，可為我國未來空間激光骨干網(wǎng)絡的發(fā)展與全面應用提供支撐。

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

閑頻光時域與輸入信號光頻域在包絡和功率譜上完全一致，此時輸出的閑頻光攜帶了輸入端多路波分復用信號光的全部數(shù)據(jù)，即實現(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-曾德爾調制器）；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模擬平臺搭建時間透鏡系統(tǒng)，對所述全光合路系統(tǒng)的處理性能進行分析。

2.1 相位調制格式全光合路性能分析

在接收端利用接收機將得到的合路信號進行解調，接收機解調過程為：利用帶寬為10 GHz的幅度調制器AM(Amplitude Modulator)對得到的OTDM光信號采樣，再經(jīng)1 bit光延時干涉儀進行相位解調。得到解調后的信號眼圖如圖4（d）所示，其中橫坐標代表解調后電信號的時域時間分布，縱坐標表示接收信號解調后的時域電信號的相對強度，本文中所有數(shù)據(jù)都是通過同一接收測量方法得到，所以相對強度即可表明不同輸入信號條件下的系統(tǒng)性能。解調后信號眼圖張開清晰，對16 384 bits的數(shù)據(jù)進行誤碼對比，全光合路處理引入的誤碼率為0。結果表明，所構建的全光合路系統(tǒng)能夠實現(xiàn)4路速率為10 Gbps、通信制式為DPSK的光信號全光合路處理，且引入誤碼極低，具有良好的全光合路處理功能。

2.2 混合調制格式全光合路性能分析

本節(jié)驗證所述全光合路系統(tǒng)對混合調制格式光信號的合路性能，以滿足在激光骨干網(wǎng)絡接入節(jié)點處，同時響應不同通信制式激光鏈路的接入請求這一現(xiàn)實功能需求。調整圖3中信號端MZM的偏置電壓和驅動幅值，得到速率為10 Gbps、波長分別為1 554.94 nm和1 556.55 nm的2路強度調制OOK（On-Off Keying）信號光和波長為1 555.74 nm、1 557.36 nm的2路DPSK信號光。全光合路系統(tǒng)中，泵浦光的線性啁啾加載過程各器件參數(shù)設置保持不變，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效應產(chǎn)生閑頻光，F(xiàn)WM輸出光譜如圖5（b）所示，在這一過程中線性啁啾的泵浦光同樣對閑頻光產(chǎn)生二次型相位調制作用。再利用OBPF2濾出閑頻光并注入DCF進行色散控制后，得到數(shù)據(jù)合路后的1路40 Gbps信號光，其時域波形如圖5（c）所示，其中缺失的2個時隙為OOK通信制式中的“0”碼元?？梢娝鶚嫿ǖ娜夂下废到y(tǒng)具備通信制式兼容的特性，能夠同時實現(xiàn)相位調制和強度調制混合的激光鏈路同時合路處理，使空間激光骨干網(wǎng)絡接入節(jié)點的響應能力更強。

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

3 關鍵參數(shù)影響分析

3.1 色散

然后，分析HNLF2色散系數(shù)對全光合路性能的影響，這是因為FWM效應要求信號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)設置不變，將得到的合路信號進行解調并計算其誤碼率，結果如圖7所示。可以看出隨著HNLF2色散系數(shù)絕對值增加，全光合路后的信號光畸變加劇，誤碼率顯著增加，當色散系數(shù)絕對值小于0.32 ps/(nm·km)時，合路信號無輸出。這是因為，隨著HNLF2色散系數(shù)絕對值增加，信號光和泵浦光之間走離效應加劇，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)性能嚴重劣化，當HNLF2的色散系數(shù)在– 0.32 ps/(nm·km) ～ – 0.12 ps/(nm·km)時，F(xiàn)WM效應才可高效率發(fā)生。因此，實際系統(tǒng)中泵浦光波長應選在HNLF2零色散波長附近，且HNLF2色散系數(shù)絕對值應盡可能小。

3.2 功率

首先分析輸入信號光功率對全光合路性能的影響。以速率為10 Gbps的DPSK信號為例，當取誤碼率為10–7時，其理論極限接收光功率為– 47 dBm，考慮實際系統(tǒng)與理論值的差距，預留5 dB功率冗余，取全光合路的4路DPSK信號輸入功率在– 38 dBm ～ – 42 dBm范圍內，以1 dB為步長變化，其余參數(shù)設置不變，分析輸入信號光功率對全光合路系統(tǒng)性能的影響，結果如圖8所示?？梢钥闯?，隨著輸入信號光功率降低，全光合路后的OTDM光信號功率也相應降低；對16 384 bits數(shù)據(jù)進行誤碼對比時發(fā)現(xiàn)，輸入光功率波動并不會在全光合路系統(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，輸入信號光功率雖然影響HNLF2中FWM效應的效率，但因對其相位匹配要求無影響，故在實際系統(tǒng)中只要輸入信號光功率達到EDFA2響應范圍，即可實現(xiàn)性能良好的全光合路處理。

4 結束語

本文基于高非線性光纖中的四波混頻參量效應及色散處理，構建了可用于空間激光骨干網(wǎng)絡邊緣節(jié)點的全光合路處理系統(tǒng)，實現(xiàn)了4路速率為10 Gbps、調制格式為DPSK的激光鏈路全光合路處理，并驗證了系統(tǒng)對混合通信制式全光合路處理的可行性?；赩PI 10.0對合路后的光信號進行解調分析及誤碼對比，結果表明所構建的全光合路系統(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)絡邊緣節(jié)點的全光處理能力。接著分析了器件色散、輸入光功率等參數(shù)對全光合路系統(tǒng)的性能影響，為實際系統(tǒng)設計和應用提供有力依據(jù)。隨著“點對點”空間激光通信技術日益成熟，以激光鏈路構建骨干網(wǎng)絡來支持大容量探測數(shù)據(jù)快速回傳，是下一代空間信息網(wǎng)絡的發(fā)展趨勢。在空間激光骨干網(wǎng)絡邊緣節(jié)點實現(xiàn)多路激光數(shù)據(jù)全光合路處理具有帶寬大、系統(tǒng)簡單、制式兼容等優(yōu)勢，可有效利用骨干網(wǎng)大容量數(shù)據(jù)傳輸優(yōu)勢，降低系統(tǒng)SWaP需求，為空間信息網(wǎng)絡建設及激光鏈路的全面應用提供支撐。

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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)絡中的全光數(shù)據(jù)合路技術研究[J]. 遙測遙控, 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.

中華人民共和國科學技術部重大項目（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，主要研究方向為高速光信號處理。

汪 偉 1982年生，研究員，碩士生導師，主要研究方向為空間光通信。

謝小平 1976年生，研究員，博士生導師，主要研究方向為空間/海洋高速激光通信網(wǎng)絡、空間激光通信和空間光交換等。

黃新寧 1986年生，副教授，碩士生導師，主要研究方向為超快全光信息處理。

(本文編輯：傅 杰)