自適應光學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

(中國電子科技集團公司第二十七研究所,河南 鄭州 450007)

1 引 言

我國計劃在2030年前后建成覆蓋全球的天地一體化信息網絡,并為陸、海、空、天等各類用戶提供多樣化的網絡與信息應用服務[1],其中,實現天基段和地面段通信網絡的高速互聯是其重要組成部分。近年來,伴隨著航天事業的發展,各類高光譜、合成孔徑雷達衛星的時空分辨率得到極大提高,衛星與地面之間的傳輸速率要求達到每秒數吉比特量級[2],傳統微波通信越來越難以滿足高速空間信息傳輸的需求。與微波通信體制相比,相干激光通信能夠實現接近量子極限的靈敏度,采用相位和偏振分集技術可以將通信速率提高到每秒數百吉比特量級,是未來實現高速率、超長距離空間信息傳輸的有效手段[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合,在TerraSAR-X 衛星(德國)與NFIRE衛星(美國)之間實現了5.6 Gbps的相干激光通信在軌試驗[5]。2010年,德國宇航局在美國毛伊島布設一套移動式光學地面站,并采用該地面站與NFIRE衛星實現了5.625 Gbps的星地相干激光通信試驗[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,上述試驗的成功進一步驗證了相干激光通信在未來天地一體化信息網絡中的技術優勢。

在星地激光通信系統中,為減小星上載荷的功耗和重量,光學地面站通常采用較大口徑的光學天線,大氣湍流引入的光學波前畸變將導致相干混頻效率下降,并進一步影響通信系統的靈敏度。研究人員采用多孔徑發射多孔徑接收(MIMO)、信道編碼、自適應光學等手段抑制大氣湍流的影響,其中,自適應光學能夠對光學波前畸變進行實時修正,這在天文觀測、生物醫學等領域已經得到廣泛應用[7-8]。在傳統強度調制/直接探測(IM/DD)激光通信中,自適應光學對通信性能的改善同樣得到驗證[9-11]。目前,美國、歐洲等國家的研究人員均在大口徑光學地面站中加裝自適應光學系統,并計劃開展多種體制(IM/DD 、相干、量子)的星地激光通信驗證試驗[12-13],我國在該領域的研究進展和國外先進水平保持一致,中科院上海光機所、中科院成都光電所和哈爾濱工業大學等單位均開展了自適應光學對星地相干激光通信性能改善的驗證試驗,其中,上海光機所孫建鋒、李佳薇等系統地研究了自適應光學閉環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小口徑光學天線開展了驗證試驗[15]。然而,據調研,在大口徑光學地面站中,關于自適應光學對相干激光通信性能的改善尚未有公開報道。

在本文中,我們研制了一套500 mm大口徑的光學地面站,其接收通道包含捕獲跟蹤瞄準、自適應光學和相干接收三部分,采用大口徑、長焦距平行光管模擬發射遠場信號光。其中,捕獲跟蹤瞄準分系統包含粗精兩級跟蹤,自適應光學系統具備二級精跟蹤和光學波前校正能力,用來進一步抑制角度跟蹤殘差和光學波前畸變,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波前畸變對單模光纖耦合效率的影響,然后系統地開展了自適應光學對相干激光通信性能改善的驗證試驗,試驗結果表明,在中等湍流條件下,自適應光學能夠有效改善相干激光通信的性能。空間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

從衛星上發出的下行信號光經大氣信道傳輸后,被光學天線接收并匯聚,理想情況下將在焦平面上形成一個艾里斑,由于相干接收采用光纖體制,將空間光高效地耦合進入單模光纖,是實現星地穩定可靠激光通信的關鍵。其中,大氣湍流、跟蹤殘差、模場匹配等因素均對耦合效率產生影響[15-17],在本文中,耦合效率η是指耦合進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,實現單模光纖的高效耦合,需要滿足進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為接收系統焦距;J1()為一類零階貝賽爾函數;ω1為艾里斑的模式半徑;ω1=1.22λf/D；r為極坐標下的距離。

單模光纖基模模場近似高斯分布,其表達式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

由于光學地面站跟蹤殘差的影響,下行信號光入射光軸與光學地面站接收光軸之間的夾角θ會產生隨機起伏,對應單模光纖端面光斑位置徑向偏差ρ的隨機抖動,兩者的關系如下:

θ=ρ/f

(4)

其中,f為光學系統的焦距,為確?？臻g光到單模光纖耦合過程中數值孔徑匹配(NA取值為0.12),在耦合光路設計過程中,接收口徑與系統焦距的比值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系曲線,如圖2所示,為確保光纖耦合效率損耗不低于50 %,應將跟蹤殘差控制在θ≤1.2 μrad以內。

圖2 跟蹤殘差與耦合效率關系仿真曲線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波前畸變,將導致焦平面上的光斑產生光強閃爍、光斑擴展等效應,在該條件下,傳統基于衍射極限分析光斑模場分布的方法將不再適用,而根據湍流強度估算光斑擴展的方法不能有效反映耦合效率的波動特性[18]。而未經匯聚的下行信號光,其光學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,經過大氣湍流擾動后,A′(r,θ)表達式如下:

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階澤尼克多項式,對大氣湍流引入的光學波前畸變φ(r,θ)進行模擬。

單模光纖基模模場經光學系統反向傳播后,M′(r,θ)的表達式為:

(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算公式如下:

(7)

光學波前畸變(RMS)和單模光纖耦合效率關系曲線仿真結果如圖3所示,其中,光學波前畸變(RMS)是對應信號光波長的相對值,從仿真結果中可以看出,伴隨著光學波前畸變(RMS)的增加,其耦合效率下降,并且抖動明顯增強,為確保光學耦合效率優于50 %,波前畸變的均方根(RMS)應優于λ/6。

圖3 光學波前均方根(RMS)與耦合效率的關系仿真曲線Fig.3 The simulation curve of fiber coupling efficiency as a function of wavefront phase root-mean-square(RMS)

3 試驗裝置

在上文中,我們分析了光學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,仿真結果表明,融合高精度跟蹤瞄準和波前畸變補償功能的自適應光學技術是實現穩定可靠星地相干激光通信的關鍵。為了進一步驗證自適應光學對相干激光通信性能的改善,我們系統地開展了驗證試驗,試驗裝置如圖4所示。

圖4 大氣相干激光通信試驗裝置圖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標準),偏振態為線偏振,調制方式采用QPSK相位調制,通信速率設置為4 Gbps,調制后的信號光經EDFA放大后送入平行光管進行準直,并發射至光學地面站。在平行光管與ATP光機之間,采用熱風式大氣湍流發生裝置模擬湍流[19]。自適應光學包含快反鏡、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個有效驅動單元,波前傳感器包含12×12個微透鏡陣列,系統閉環帶寬約為100 Hz。在開環條件下,開啟大氣湍流發生裝置,采用波前傳感器測量信號光波前畸變,并計算大氣相干長度r0,經過長時間連續測量,其平均值約為7.6 cm,滿足中等大氣湍流模擬要求。

信號光在經過ATP粗精跟蹤和自適應光學系統的過程中,先后經過兩級縮束,其光束直徑壓縮至5 mm,然后耦合進入光纖數字相干接收機。在相干接收機內部,信號光和本振光首先經過90°光學混頻,然后由平衡探測器轉換為I、Q兩路正交電信號,兩路電信號經過功分器分束后,其中小部分功率用于自動頻率控制環路,該環路采用溫度粗調諧和電流精調諧相結合的雙環路調諧模式,能夠將信號光和本振光之間的頻率差控制在1 MHz以內[20]?；贔PGA的數字信號處理板主要包括AD采樣模塊和數字信號處理模塊,I、Q兩路電信號經AD采樣后將模擬信號轉換成數字信號,再通過載波相位補償算法實現基帶信號的解調[21]。

4 結果與討論

在試驗過程中,基于自適應光學中的波前傳感器,分別測量了自適應光學在開環和閉環條件下的光學波前畸變和跟蹤殘差,測量結果如圖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式(X方向波前傾斜、Y方向波前傾斜)計算得到。

圖5 自適應光學對角度跟蹤殘差的修正效果Fig.5 Tracking angular error with or without AO correction

圖6 自適應光學對光學波前的修正效果Fig.6 Wavefront phase root-mean-square (RMS)with or without AO correction

下面分析一下自適應光學對跟蹤殘差和波前畸變的修正效果,在開環狀態下,角度跟蹤殘差的均值約為10.2 μrad,波前畸變(RMS)約為0.698 μm；在閉環狀態下,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光學系統開環和閉環狀態下的光學波前圖、夏克-哈特曼圖以及遠場光斑圖,通過對比可以看出,在自適應光學閉環條件下,光學波前的一致性明顯提升。采用CCD測量信號光經透鏡匯聚后的遠場光斑,自適應光學閉環時,其遠場光斑由彌散狀斑迅速匯聚成一個點,其斯特涅爾比值(Strehl Ratio)可以達到0.8以上。從上述結果可以看出,自適應光學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定性。

圖7 自適應光學對光學波前、夏克哈特曼圖 以及遠場光斑的修正效果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測量相干接收機光纖耦合裝置前端的空間光功率,測量功率穩定在-22 dBm,然后通過光纖高速探測器測量耦合進入單模光纖的光功率,并實時分析計算光纖耦合效率。測量結果如圖8所示。從圖中可以看出,當自適應光學系統開環條件下,耦合進入單模光纖的光功率呈現大范圍、快速抖動,其最小衰減超過17 dB,功率抖動范圍超過30 dB。當自適應光學系統閉環條件下,耦合進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。該試驗結果進一步說明,自適應光學能夠有效提升空間光到單模光纖的耦合效率和功率穩定性。

圖8 自適應光學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光學對相干激光通信的改善效果,在試驗過程中,采用空間光功率計實時測量相干接收機前端的信號光功率,并通過發射端的光學衰減器將其調節至-38 dBm,在該功率條件下,加載QPSK相位調制信號,并將通信速率設置為4 Gbps,分別測量自適應光學開環和閉環條件下的誤碼率,如圖9所示,在自適應光學閉環條件下,誤碼率從劇烈抖動狀態迅速下降并穩定至1×10-6以下,其眼圖和星座圖明顯張開,如圖10所示。連續測量90 s,其平均誤碼率為3.2×10-7。

圖9 自適應光學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 自適應光學閉環條件下解調信號 對應的眼圖和星座圖Fig.10 Eye chart and constellation chart of the demodulated signal with AO correction

從上述試驗結果能夠看出,自適應光學系統能夠有效抑制角度跟蹤殘差和光學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

在本文中,我們系統地研究了自適應光學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,將空間光穩定高效地耦合進入單模光纖,是實現星地可靠相干激光通信的關鍵。首先,從理論上仿真分析了跟蹤殘差和光學波前畸變對空間光到單模光纖耦合效率的影響。其次,將自適應光學應用于大口徑的光學地面站,并開展4 Gbps相干激光通信試驗,在試驗過程中,分別測量了自適應光學對跟蹤殘差和光學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,試驗結果表明,自適應光學系統能夠將空間光耦合進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,在-38 dBm條件下,相干激光通信系統能夠穩定可靠通信,連續通信90 s,其平均誤碼率3.2×10-7。