下一代空間激光骨干網(wǎng)絡(luò)全光處理技術(shù)*

陸紅強，汪 偉，黃新寧，劉建偉

下一代空間激光骨干網(wǎng)絡(luò)全光處理技術(shù)*

陸紅強1，汪 偉2，黃新寧3，劉建偉1

（1 西安應(yīng)用光學(xué)研究所 西安 710069 2 中國科學(xué)院西安光學(xué)精密機械研究所光子網(wǎng)絡(luò)技術(shù)研究室 西安 710119 3 揚州大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 揚州 225000）

構(gòu)建以高速激光鏈路為傳輸主體的空間激光骨干網(wǎng)絡(luò)，是保障空間數(shù)據(jù)高速傳輸、提升信息共享率與時效性、實現(xiàn)信息服務(wù)網(wǎng)絡(luò)全球覆蓋的重要技術(shù)手段?？臻g數(shù)據(jù)容量的快速增加要求網(wǎng)絡(luò)節(jié)點處數(shù)據(jù)處理帶寬與之相適應(yīng)且具備一定擴展性和兼容性。由于空間激光骨干網(wǎng)絡(luò)節(jié)點較少、數(shù)據(jù)快速傳輸?shù)奶攸c，圍繞我國下一代空間激光骨干網(wǎng)絡(luò)節(jié)點處高帶寬、低延遲的數(shù)據(jù)處理需求，基于交叉相位調(diào)制XPM和四波混頻FWM兩種光學(xué)三階非線性效應(yīng)分析并討論了骨干節(jié)點處高速激光鏈路的交換/組播、制式轉(zhuǎn)換及中繼/再生全光數(shù)據(jù)處理技術(shù)，為我國下一代空間信息網(wǎng)絡(luò)建設(shè)及高速激光鏈路的全面應(yīng)用提供支撐。

空間激光骨干網(wǎng)絡(luò)；三階光學(xué)非線性效應(yīng)；全光處理

引 言

空間信息網(wǎng)絡(luò)具有鏈路建立快、移動性強、不受地理位置限制等特點，在航空航天、遠(yuǎn)洋航行以及導(dǎo)航定位、空間科學(xué)研究等國計民生和國防安全領(lǐng)域具有不可替代的作用[1-3]。空間激光通信技術(shù)因其高傳輸速率、無需申請頻段牌照等優(yōu)勢，是實現(xiàn)空間數(shù)據(jù)實時傳輸?shù)闹匾緩剑谔旎歉删W(wǎng)、深空探測、載人航天器及深海潛器間海量數(shù)據(jù)傳輸方面具有巨大應(yīng)用需求和發(fā)展?jié)摿4-7]，近年來世界范圍內(nèi)已多次成功在軌演示驗證[8-12]。隨著空間平臺數(shù)量增加以及空間激光通信技術(shù)日漸成熟，“點對點”通信的視距要求、信道條件敏感及節(jié)點間數(shù)據(jù)資源共享不及時等問題亟待解決，基于高速激光鏈路構(gòu)建空間激光骨干網(wǎng)絡(luò)，既解決了“點對點”通信系統(tǒng)鏈路建立中的限制問題，又可實現(xiàn)“一對多”、多調(diào)制格式兼容的空間激光通信模式，極大提升了空間探測信息的共享率和時效性，是未來空間海量數(shù)據(jù)實時傳輸以及多元平臺與網(wǎng)絡(luò)走向融合的發(fā)展趨勢，世界航天大國均部署了可覆蓋全球的空間激光通信網(wǎng)絡(luò)研發(fā)計劃[13-16]。

在各空間激光通信網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃中，骨干激光鏈路的數(shù)據(jù)傳輸容量將達(dá)到100 Gbps量級[17-19]，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點處的大容量數(shù)據(jù)高速處理面臨新的問題?？紤]到空間平臺的體積、重量、功耗SWaP（Size, Weight and Power）資源稀缺，空間節(jié)點的主要功能為數(shù)據(jù)收集，因此，其獲取的大容量數(shù)據(jù)應(yīng)盡快下傳至地面控管中心，而無需在空間進(jìn)行過于復(fù)雜且精細(xì)的高速激光數(shù)據(jù)處理。全光信息處理技術(shù)的顆粒度雖無法精細(xì)化至比特量級，但可對光信號的幅度、相位、頻率、偏振等多個參量進(jìn)行處理，且具有響應(yīng)時間短（fs量級）、處理帶寬大（Tbps量級）、可重構(gòu)可調(diào)諧[20]等優(yōu)勢，非常適用于空間激光骨干網(wǎng)絡(luò)中100 Gbps量級的高速激光鏈路處理。由于其無需“光-電”互相轉(zhuǎn)換過程而使得骨干節(jié)點的載荷結(jié)構(gòu)極大簡化，進(jìn)而降低了研制成本。

本文基于交叉相位調(diào)制XPM（Cross-Phase Modulation）和四波混頻FWM（Four-Wave Mixing）兩種非線性效應(yīng)，分別研究了空間激光骨干網(wǎng)絡(luò)中物理層高速數(shù)據(jù)的交換/組播、制式轉(zhuǎn)換以及中繼/再生等處理技術(shù)在全光域的實現(xiàn)方式，如圖1所示，可為我國下一代空間全光網(wǎng)絡(luò)及天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)等重大工程建設(shè)提供技術(shù)支撐。

圖1 空間激光骨干網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)處理示意圖

1 三階非線性效應(yīng)

常用的非線性介質(zhì)可選擇半導(dǎo)體光放大器SOA（Semiconductor Optical Amplifier）、高非線性光纖 HNLF（High Nonlinear Fiber）或光子晶體光纖PCF（Photonic Crystal Fiber）等具有高非線性系數(shù)的器件。如圖2所示，在非線性介質(zhì)中，上述XPM效應(yīng)和FWM效應(yīng)常同時產(chǎn)生，在實際光信號處理過程中可根據(jù)需求進(jìn)行選擇。

圖2 XPM和FWM非線性效應(yīng)仿真圖

2 全光交換/廣播技術(shù)

如前所述空間激光骨干網(wǎng)絡(luò)具有節(jié)點少、獲取的大容量數(shù)據(jù)應(yīng)盡快下傳至地面站等特點，此類網(wǎng)絡(luò)中的高速激光鏈路交換可采用基于波長地址的全光鏈路交換WOCS（Wavelength-based Optical Circuit Switching）方式實現(xiàn)。與基于微機電系統(tǒng)的MEMS光開關(guān)實現(xiàn)光鏈路交換相比，WOCS具有更優(yōu)的交換地址可擴展性（MEMS一旦器件選定則無擴展性）和更快的響應(yīng)時間（MEMS為ms量級，WOCS為fs量級）[30-32]。以四節(jié)點（不同波長區(qū)分節(jié)點地址）激光骨干網(wǎng)為例，如圖3所示，鏈路級交換方式可簡單快速實現(xiàn)大容量數(shù)據(jù)交換，從而有效避免因網(wǎng)絡(luò)阻塞引起的數(shù)據(jù)時效性降低（如節(jié)點3→節(jié)點4→節(jié)點1，在節(jié)點3處進(jìn)行波長地址全光交換），也可在原定信道劣化或目標(biāo)節(jié)點處于視距范圍外而使得激光鏈路難以建立時（如節(jié)點3→節(jié)點2傳輸路徑不可用），提供備用傳輸路徑以保障信息及時傳輸（選擇備用路徑節(jié)點3→節(jié)點1→節(jié)點2），這在時效性要求較高的災(zāi)害監(jiān)測、救援等應(yīng)用場景中十分必要。

圖3 基于波長地址的全光交換示意圖

骨干節(jié)點處的WOCS處理應(yīng)兼容不同空間平臺激光鏈路在數(shù)據(jù)速率、通信制式方面的差異，故可采用對鏈路強度、相位信息均透明的FWM效應(yīng)實現(xiàn)，以滿足節(jié)點兼容性要求。同時WOCS的交換性能應(yīng)不受接入激光鏈路特性（如偏振、功率、波長）影響，且覆蓋足夠?qū)挼牟ㄩL地址范圍，因此基于FWM效應(yīng)實現(xiàn)WOCS時可采用兩束泵浦光并使其偏振態(tài)平行或正交，也可采用單個泵浦源并控制其偏振態(tài)與非線性介質(zhì)成特定角度[22]。以單泵浦光為例，如圖4所示，控制其偏振方向45°入射具有雙折射軸的光子晶體光纖PCF（Photonic Crystal Fiber）中，當(dāng)光纖長度滿足一定條件時[23]，輸出端FWM效率幾乎不受入射信號光偏振態(tài)隨機變化影響。

利用上述實驗裝置，在信號輸入端分別采用強度調(diào)制OOK（On-Off Keying）、二進(jìn)制相移鍵控BPSK（Binary Phase-Shift Keying）和正交相移鍵控QPSK（Quadrature Phase-Shift Keying），并在輸出端采用相應(yīng)解調(diào)方案，驗證了基于FWM效應(yīng)實現(xiàn)WOCS的可行性及通信制式兼容性，如表1所示，結(jié)果表明這一技術(shù)方案適用于空間激光骨干網(wǎng)絡(luò)的高速激光鏈路全光交換處理。

當(dāng)接入數(shù)據(jù)需要同時分發(fā)給多個目標(biāo)節(jié)點時，在骨干節(jié)點上可以采用全光方式實現(xiàn)數(shù)據(jù)組播。具體實施方法如圖5所示，根據(jù)組播數(shù)目設(shè)定FWM效應(yīng)中的泵浦光數(shù)量及波長，即可實現(xiàn)同一數(shù)據(jù)向多個波長地址節(jié)點發(fā)送。

圖4 單泵浦FWM效應(yīng)偏振無關(guān)實驗設(shè)置圖

表1 波長地址全光交換實驗結(jié)果

3 全光制式轉(zhuǎn)換技術(shù)

當(dāng)激光鏈路在骨干網(wǎng)絡(luò)中所選擇的傳輸路徑條件劣化，或受到其他因素影響使激光鏈路不具備全速率傳輸條件時，可選擇降低數(shù)據(jù)速率傳輸，以保障鏈路通暢性；此外，在同樣的數(shù)據(jù)速率和誤碼率條件下，采用相位調(diào)制（如BPSK）的理論接收靈敏度小于強度調(diào)制（如OOK），即相位調(diào)制信號在接收端對入射光功率的要求更低[24]，這使得相位調(diào)制更適于長距離傳輸；而當(dāng)兩個不同制式的網(wǎng)絡(luò)之間需要進(jìn)行數(shù)據(jù)交互時，也需要進(jìn)行通信制式的轉(zhuǎn)換處理。如圖6所示，上述骨干節(jié)點處的通信制式處理均可借助非線性手段在全光域?qū)崿F(xiàn)。

圖5 基于FWM效應(yīng)實現(xiàn)全光組播

圖6 通信制式轉(zhuǎn)換示意圖

其中，為HNLF的非線性系數(shù)，為有效長度。此時在HNLF輸出端將探測光濾出，并采用自差相干探測的方式進(jìn)行解調(diào)，得到的眼圖如圖7（b）所示，實現(xiàn)了通信制式從OOK向BPSK全光轉(zhuǎn)換處理。

當(dāng)傳輸路徑不具備全速率傳輸時，對于高階相位調(diào)制光信號還可基于FWM效應(yīng)實現(xiàn)M階至M/2階制式轉(zhuǎn)換處理，在骨干節(jié)點處進(jìn)行降速率處理以保障鏈路暢通。

圖8 無數(shù)據(jù)丟棄的QPSK至BPSK制式轉(zhuǎn)換示意圖

4 全光中繼/再生技術(shù)

高速激光鏈路在天基激光骨干網(wǎng)絡(luò)中經(jīng)中繼節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)時，因空間長距離傳輸導(dǎo)致光功率衰減且信號質(zhì)量劣化，需要在每個中繼節(jié)點進(jìn)行光信號再生處理方可進(jìn)一步轉(zhuǎn)發(fā)，以保障數(shù)據(jù)高性能傳輸。對于相位調(diào)制信號，采用“光放大+濾波”的中繼方式不能達(dá)到信號質(zhì)量改善的目的[28]，針對相位噪聲的抑制和相位調(diào)制信號的全光再生，可采用前述PS-FWM效應(yīng)來實現(xiàn)。

其中，為與泵浦光功率相關(guān)的參量增益，為非線性介質(zhì)長度，為非線性系數(shù)，為信號光和泵浦光之間的相位失配量。在這一過程中，信號光功率增益隨泵浦光功率增加而增加，且相位傳遞函數(shù)趨于階梯形，如圖9（b）和圖9（c）所示，若信號光為二進(jìn)制相位調(diào)制（如BPSK），則在PS-FWM過程中不僅獲得功率增益，且相位噪聲被壓縮，對于同等劣化光信號，相比于直接接收，經(jīng)過全光中繼處理后的系統(tǒng)誤碼率提升約4量級（即10–3提升至約10–7量級），表明基于PS-FWM效應(yīng)的全光中繼處理可以有效提升相位調(diào)制激光鏈路的信號質(zhì)量，使得相位信息得以再生[16]。

5 結(jié)束語

隨著國家戰(zhàn)略高邊疆拓展、基于“地面5G+天基衛(wèi)星”架構(gòu)的6G技術(shù)研究推進(jìn)以及商業(yè)航天的蓬勃發(fā)展，未來的空間激光通信網(wǎng)絡(luò)將朝著超大容量、超遠(yuǎn)距離的方向發(fā)展，承擔(dān)大容量數(shù)據(jù)快速傳輸?shù)奶旎す夤歉删W(wǎng)絡(luò)應(yīng)具備處理帶寬大、資源需求小等特點，以保障空間高速激光數(shù)據(jù)的快速實時傳輸。本文針對天基激光骨干網(wǎng)絡(luò)節(jié)點處超高速激光鏈路的低時延、高帶寬全光數(shù)據(jù)處理需求，探究了基于三階非線性XPM效應(yīng)和FWM效應(yīng)實現(xiàn)空間接入節(jié)點處全光交換、全光制式轉(zhuǎn)換以及全光中繼等“光入-光出”的數(shù)據(jù)處理技術(shù)，具有處理帶寬大、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單的優(yōu)勢，且因為XPM效應(yīng)與FWM效應(yīng)可同時發(fā)生，通過合理設(shè)置系統(tǒng)結(jié)構(gòu)可實現(xiàn)一套系統(tǒng)多種光數(shù)據(jù)處理的目的，極大降低對空間節(jié)點的體積、重量、功耗等資源的需求量，能夠為我國下一代空間全光網(wǎng)絡(luò)、天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)等建設(shè)提供技術(shù)支撐。

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All-optical processing techniques for next-generation laser-based space backbone-networks

LU Hongqiang1, WANG Wei2, HUANG Xinning3, LIU Jianwei1

（1. Xi'an Institute of Applied Optics, Xi'an 710069, China;2. Dept. Photonics Network, Xi'an Institute of Optics and Precision Mechanics of CAS, Xi'an 710119, China;3. College of Physical Science and Technology, Yangzhou University, Yangzhou 225000, China）

The laser-based space backbone-networks are important technological approaches to guarantee the high-speed transmission of the space date, as well as to promote the information sharing efficiency and finally to realize the global-area-coverage of the space information service network. The increasing space data capacity requires compliant bandwidth of the adopted processing methods, and the method should also be extensible and compatible. This paper aims at the high-bandwidth and short-latency data processing requirements in the next-generation laser-based space backbone-networks, combining with the backbone-network’s characteristics of simple-construction and fast-data-transmission, and proposes the all-optical processing techniques for the aforementioned networks based on the optical third-order nonlinear effects in medium with highly-nonlinear coefficient. The all-optical methods for the laser-link switching/multicasting, the format conversion and the data-relaying/regeneration are discussed and these methods can be used to support the construction of the next-generation space information networks.

Laser-based space backbone-networks; 3rdoptical nonlinear effects; All-optical processing

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

TN929.13

A

CN11-1780(2022)06-0056-08

10.12347/j.ycyk.20220318001

陸紅強, 汪偉, 黃新寧, 等.下一代空間激光骨干網(wǎng)絡(luò)全光處理技術(shù)[J]. 遙測遙控, 2022, 43(6): 56–63.

10.12347/j.ycyk.20220318001

: LU Hongqiang, WANG Wei, HUANG Xinning, et al. All-optical processing techniques for next-generation laser-based space backbone-networks[J]. Journal of Telemetry, Tracking and Command, 2022, 43(6): 56–63.

國家自然科學(xué)基金（No. 51705121）

黃新寧（huangxinning@yzu.edu.cn）

2022-03-18

2022-10-19

陸紅強 1979年生，博士，研究員，主要研究方向為機載光電偵察和空間光通信載荷。

汪 偉 1982年生，博士，研究員，主要研究方向為空間光通信。

黃新寧 1986年生，博士，副教授，主要研究方向為超快全光信息處理。

劉建偉 1972年生，碩士，研究員，主要研究方向為機載激光通信。

(本文編輯：楊秀麗)