空间相干光通信光混频研究背景

随着国家信息基础设施N I I（National Information Infrastructure）和全球信息基础设施GII(Global Information Infrastructure)的提出，社会对通信的要求越来越高。而目前卫星通信所采用的微波通信技术因受到体积、重量、功耗等方面的严格限制不能无限制地提高传输速率与容量。在卫星通信日益拥挤的今天，光波段通信有极大的潜力，是实现高速大容量通信的最佳方案，甚至可以说是唯一的解决方案。这已经是通信领域许多专家的共识。实际上，世界各主要技术强国为了争夺空间激光通信这一领域的技术优势，已经投入了大量的人力和物力，并取得了可喜的进展。星际空间激光通信包括深空、同步轨道(GEO)、中轨道(MEO)、低轨道(LEO)卫星间、地面站之间的激光通信，还包括卫星与地面站之间的激光通信。在卫星通信中，使用激光与使用微波相比，具有不少独特的优点： 1、与微波相比，光波频率高3～5个数量级，频率资源丰富得多，可以获得高得多的数据传输速率，能满足大容量传输的要求，并为实现空间多任务提供了时间保障。 2、激光波束比微波波束的发散角小3～5个数量级，这将大大增加接收端的电磁波能量密度，有利于终端减轻重量、减少体积，降低功耗。 3、保密和抗干扰性能极好，这对军事应用十分有利。 介于这些优势，空间光通信在军事通信、卫星通信、宽带接入和全球个人移动通信中具有举足轻重的地位，采用高频激光进行空间卫星通信已成为现代通信技术发展的新热点[1]。 美国是世界上开展空间光通信最早的国家,主要研究部门是美国宇航局(NASA)和美国空军。美国宇航局选择喷气推进实验室(Jet Pulsion Lab—JPL)进行卫星激光通信系统的研制, 1995年完成了激光通信演示系统(Laser Communication Demonstration Systems—LCDS),数据率为750 Mbps。该室目前正在进行激光通信演示系统(Optical Communication demonstration—OCD)研究,主要进行航天飞机与地面间通信链路的性能演示,传输速率为100 Mbps。在工业界的资助下, JPL还正在开发500 Mbps激光通信设备,已完成分析和设计工作,一些关键子系统也已研制成功,并正在进行子系统的工程组装工作。JPL目前还正在研制高功率(3·5 W) ND-YAG激光器、窄带激光滤波器及地面和空间的激光卫星跟踪网络。此外,美国宇航局还支持JPL进行其他卫星通信计划,如实现图像功能的窄带激光滤波器以及地面和空间的激光卫星通信跟踪网络。 美国的战略导弹防御组织(BMDO)也正在积极进行空间激光通信的研制开发工作,该工程由空军提供主要经费,由MIT林肯实验室进行有关关键技术和系统技术的研究。现已研制出激光通信终端设备,并进行了作用距离42 km、信息率1 Gbps、误码率Pe为10-6的全天候跟瞄实验。林肯实验室还研制出了窄带并且具有空间搜索和跟踪功能、达到量子限的收发光端机,该端机采用单模光纤进行内部连接。新近又研制出蓝绿光接收系统的快速原子谐振滤波器,相关合成技术的光多孔排列装置,宽角多址系统的码分多址技术,高功率(3·5 W)半导体激光功率放大器, 1~2 Gbps高速编码芯片,掺铒光纤功放/发信机, 10 Gbps高速调制器和具有近量子极限性能的高速接收装置等。 美国还紧密依靠和支持一些学校与公司开展有关空间光通信的关键技术的研究。例如美国TT公司负责激光对目标卫星的跟踪与锁定,以及对太阳本底噪声有高抑制作用的超窄带光滤波器的研究。TT公司首次在跟瞄系统中应用原子滤光器(FADOF),实验表明,可以在大视场角下获得较高的信噪比,满足通信系统的快速捕捉及跟瞄的要求。此外,美国宇航局也鼓励工业界积极参与卫星激光通信技术的研究,并签定了有关合同,共同开发卫星激光通信市场,包括政府和未来个人通信网络的需求[2~4]。 欧洲航天暑(ESA)于80年代后期开始确立了一项宏伟计划——SILEX(Semic -on doctor Laser Inter-Satellite Link Experiment)系统研制计划,该计划的目的是在两颗卫星间建立实验性的激光通信链路,其中高轨道(GEO)终端机置于ESA的ARTEMIS同步卫星上,低轨道(LEO)终端将载于法国的地球观测卫星SPOT4上。SILEX计划重点是研究卫星光通信光发射和接收端机等关键技术。该系统传输距离45 000 km,系统采用半导体激光器,波长范围为797~853 nm,信号光激光器平均输出功率为60 mW,光束发散角为10~16μrad。作为捕获、跟踪和瞄准的信标光激光器平均输出功率为700 mW,由19支700 mW的半导体激光器组成,发散角为750μrad。在接收端机中采用384×288CCD阵列和14×14CCD阵列分别作为光束的粗跟踪(捕获)和光束的精跟踪(跟踪、瞄准)探测器,其搜索范围为7μrad,跟踪定位精度< 2μrad。系统所用天线的口径仅为25 cm。整个SILEX系统从SPOT4 (LEO)至ARTEMIS (GEO)的通信码率和从ARTEMIS (GEO)至SOPT4 (GEO)的码率分别为50 Mbps和2 Mbps。按计划SPOT4在1998年进入轨道,而ARTEMIS将于2000年由日本的H2A火箭发射升空。ESA与日本宇航发展局(NASDA)还于1993年达成协议,在载于ARTEMIS上的GEO端机与日本的LEO卫星OICETS上的光端机LUCE之间进行光通信实验[5~7]。 在法国地球观测卫星SPOT4(1998年3月22日发射成功)上，是第一个在轨光学终端；另一个名为OPALE终端，搭载在欧洲先进数据中继技术卫星ARTEMIS上(2000年第一季度发射)。OPALE终端采用的波长为800~850nm，通信光功率不超过60mW，信标捕获与链路建立过程中，信标光功率小于500mW。 德国空间光通信研究致力于发展高码率激光卫星空间系统,例如于1989年开始的空间固体激光通信系统(Solid State Laser Communications in Space—SOLACOS)。该计划主要包括两方面的工作,即建立一套完整的计算机仿真设计系统和一套实验室模拟演示系统。该系统的光源分别采用1 064 nm的YAG固体激光器和810 nm半导体激光器,两端机的通信码率分别为650Mbps和10 Mbps。系统采用的实验平台可以模拟卫星的相对运动和抖动,并通过计算机仿真进行参数测试和系统的优化设计[8]。 日本从80年代中期就开始星间激光通信的研究工作，主要有邮政省的通信研究实验室(CRL)、高级长途通信研究所(ATR)的光学及无线电研究室进行此方面的研究工作。ATR主要对光束控制、调制等关键技术进行研究和论证，并建立了一套自由空间模拟装置进行地面模拟实验。CRL主要进行地面站与工程实验卫星ETSⅥ之间的激光通信实验，以试验星间链路要求的几种基本功能，如高精度跟踪、双向链路光通信、高精度高度测量等，并于1995年7月成功地进行了E T SⅥ与地面站间的光通信实验，这是世界上首次成功进行的星地间激光通信实验，该实验的成功证明了星地间激光链路的可行性。 国内早在1963年就开始研究大气激光通信技术。针对激光大气传输问题进行了全面的研究,测得了一整套传输的数据。许多科研机构对于空间激光通信的理论、技术与系统进行了大量研究,取得了一定的进展,这些工作主要是以实现地—地之间大气传输光通信为应用背景。20世纪80年代后期,10.6μm 大气激光系统已接近实用。近年来,进行了原子滤波器研究,为实现强背景干扰情况下的光通信提供了技术支持,但是距离实际应用还有相当的距离。目前,对于地面FSO系统国内已经有单位推出样机,但其稳定性和可靠性有待检验。 我国卫星间光通信研究与欧、美、日相比起步较晚。国内开展卫星光通信的单位主要有哈尔滨工业大学(系统模拟和关键技术研究)、清华大学(精密结构终端和小卫星研究)、北京大学(重点研究超窄带滤波技术)和电子科技大学(侧重于APT技术研究)。目前已完成了对国外研究情况的调研分析,进行了星间光通信系统的计算机模拟分析及初步的实验室模拟实验研究,大量的关键技术研究正在进行,与国外相比差距较大,尤其在高速调制高功率半导体光源、高灵敏度、低噪声的光学检测器件的研制、生产和APT技术方面亟待突破[9]。 空间相干光通信的实质是采用了光频段的外差探测。与直接探测系统相比，多了一个本振激光器。发射机部分采用外光调制方式将原信号以调幅，调相或调频的方式调制到光载波上，再经滤波器和光放大器传输出去。传输到达接收机时，信号光首先与一本振光信号进行相干混频，然后有探测器进行探测。光电探测器对信号光和本振光的差频分量响应，输出一个光电流，从光信号的高频域转换到电信号的中频域。本文详细的讨论了本振光和信号光在探测器上混频的各种情况，并用MATLAB工具进行了仿真，较为完整直观的展现了探测器上得到的结果。

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