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.長春理工大學空間光電技術國家地方聯合工程研究中心，吉林 長春 130022；2.長春理工大學光電工程學院，吉林 長春 130022；3.長春理工大學電子信息工程學院，吉林 長春 130022）

1 引言

無線激光通信與微波通信相比，調制速率更高，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、安裝靈活等優點[1-2]。然而，無線光通信的最大缺點是受大氣信道影響比較嚴重，導致功率衰減、光束漂移、光束擴展和光強閃爍等問題。

長期以來，由于大氣湍流的影響，長距離自由空間光通信發展遇到了障礙。理論分析和數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境傳輸的部分相干光束與相干光束相比具有優勢。Shirai 等[4]首先驗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。產生部分相干光的方法很多，主要包括擴展光源、空間光調制器及旋轉隨機相位屏等。Deschamps 等[6]使用擴展光源發出的非相干光生成部分相干光。Dogariu 等[7]使用旋轉隨機相位屏實驗生成了部分相干源。Shirai 等[8]提出液晶空間光調制器，對激光束的相位和幅度進行調制，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，以上方法產生的部分相干光調制速率較低，很難突破Gbit/s 量級，難以獲得高速空間光通信的應用。

采用超快光纖激光激發的超連續譜是一種穩定的部分相干光源，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，而且由于高重復頻率特點，還可以實現對光源的高速調制。Zhang 等[10]報道了采用超連續譜部分相干光源載波的大氣高速傳輸實驗，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頻率僅為4 GHz，無法實現高速調制。基于光譜的非線性展寬相比于超連續譜，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 高重復頻率皮秒光纖激光激發800 m 長高非線性光纖，獲得10 GHz重復頻率的非線性光譜展寬，實現了10 Gbit/s 的高速調制。在模擬大氣湍流信道中，實驗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 實驗結構

部分相干光理論以光場的統計特性為基礎。設r1、r2為光場中任意兩點，則兩點間的空間?時間光場可以用互相干函數來描述，即

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

歸一化的互相干函數被稱為復相干度，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。基于非線性光譜展寬，部分相干光載波在大氣湍流中傳輸時，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，多波長傳輸時總會有一部分到達接收端。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會發生不同方向的折射，只有少部分到達接收端[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驗結構如圖2(a)所示，實驗中將1 550 nm 分布式反饋（DFB,distributed feedback）半導體激光器作為種子光源，通過偏振控制器（PC,polarization controller）調整光束偏振狀態，采用馬赫?曾德爾電光調制器（MZM,Mach-Zehnder modulator）1 將光源調制成重復頻率為10 GHz 的脈沖光，調制信號由任意波形發生器（AWG,arbitrary waveform generator）Keysight M8195A 的通道1 產生。為了獲得功率較高的非線性光譜展寬，首先對脈沖進行壓縮，使脈沖獲得更高的峰值功率。脈沖壓縮系統中，利用8 km單模光纖（SMF,single mode fiber）補償光纖中的正啁啾，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，再利用可調諧濾波器（TF,tunable filter）來濾除放大器中的自發輻射噪聲。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，將脈沖寬度從23 ps 進一步壓縮至8.4 ps[13]。

圖2 基于光譜非線性展寬的高重復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[10]表明，由于泵浦光為相干光源，故距泵浦波長較遠的光譜相干度較低。實驗中，采用粗波分復用器（CWDM,coarse wavelength division multiplexer）過濾出1 560～1 580 nm 范圍內的展寬光譜（20 nm），作為高速載波光源。

AWG 通道2 產生的10 Gbit/s 二進制偽隨機序列通過另一個馬赫?曾德爾電光調制器（MZM2）對載波光源進行數字調制，高重頻脈沖激光的調制與高速數字調制采用時鐘同步，以實現較好的調制效果。高速調制激光通過一對光學準直器在大氣湍流模擬信道中進行傳輸，接收端采用低噪聲前置放大器來補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。

大氣湍流模擬系統利用熱空氣對流原理建立，為中弱大氣湍流模擬系統，與基于空間光調制器和旋轉相位板模擬的大氣湍流相比，該系統屬于物理環境模擬，更接近真實湍流環境，具有結構簡單、易于控制的優點。如圖3 所示，大氣湍流模擬系統包括一個模擬大氣箱和一個自動控制器。該大氣湍流模擬系統可以通過調整大氣的相干長度參數來模擬湍流變化，以模擬弱湍流和強湍流。相干長度參數是利用熱對流原理調節的，大氣箱內部上面板為冷卻板，下面板為加熱板，控制器控制兩面板的溫度差來實現空氣對流。

圖3 大氣湍流模擬系統

模擬大氣箱上的冷熱板可通過循環水保持穩定的室溫。底板上有3 個相同的加熱板，箱體內的溫度逐漸升高。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控制器進行控制。箱體內部有一些溫度檢測器，用于實時測量湍流模擬系統的溫度。自動控制器可以通過檢測器適當改變模擬大氣箱的溫度，以形成閉環控制過程。模擬大氣箱的每一側都有2 個窗口，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)是描述湍流強度的參數，當湍流強度增加時，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，I表示瞬時光強度[16]。

通過減小湍流區域和外部區域之間的溫度差(ΔT)，溫度緩沖區域在湍流區域周圍以保持湍流穩定。大氣湍流強度可以通過ΔT來調節。模擬系統的折射率結構常數范圍為，在弱湍流條件（接近）下，1 550 nm 非調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，cn是大氣折射率結構常數。

3 結果及分析

圖4(a)為10 GHz 的高重頻脈沖序列，脈沖間隔為100 ps，這意味著在強度調制下，最高傳輸速率可以達到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 重復頻率10 GHz 的脈沖序列及光譜非線性展寬光源

當上下面板溫差ΔT=230℃時，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。

圖5 相干光載波和部分相干光載波的閃爍因子

實驗中，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，對載波光源進行數字調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。當誤碼率為3.8×10?3時，10 Gbit/s 的部分相干光載波和相干光載波經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，因為部分相干光載波較低信噪比導致靈敏度較低。經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 結束語

本文提出了基于非線性光譜展寬的高重復頻率部分相干光載波光源的產生。將部分相干光載波光源的重復頻率從4 GHz 提高到10 GHz，實現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。實驗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。實驗驗證了部分相干光載波在大氣湍流中實現高速調制傳輸的可行性。