自适应光学对星地相干激光通信性能改善研究

徐圣奇,魏龙超,邬双阳,冯晓峰,刘 杰,张志正

(中国电子科技集团公司第二十七研究所,河南 郑州 450007)

1 引 言

我国计划在2030年前后建成覆盖全球的天地一体化信息网络,并为陆、海、空、天等各类用户提供多样化的网络与信息应用服务[1],其中,实现天基段和地面段通信网络的高速互联是其重要组成部分。近年来,伴随着航天事业的发展,各类高光谱、合成孔径雷达卫星的时空分辨率得到极大提高,卫星与地面之间的传输速率要求达到每秒数吉比特量级[2],传统微波通信越来越难以满足高速空间信息传输的需求。与微波通信体制相比,相干激光通信能够实现接近量子极限的灵敏度,采用相位和偏振分集技术可以将通信速率提高到每秒数百吉比特量级,是未来实现高速率、超长距离空间信息传输的有效手段[3-4]。2007年,德国宇航局和美国空军及通用动力公司等单位联合,在TerraSAR-X 卫星(德国)与NFIRE卫星(美国)之间实现了5.6 Gbps的相干激光通信在轨试验[5]。2010年,德国宇航局在美国毛伊岛布设一套移动式光学地面站,并采用该地面站与NFIRE卫星实现了5.625 Gbps的星地相干激光通信试验[6],这是世界上首次采用相干体制建立的星地激光通信链路,上述试验的成功进一步验证了相干激光通信在未来天地一体化信息网络中的技术优势。

在星地激光通信系统中,为减小星上载荷的功耗和重量,光学地面站通常采用较大口径的光学天线,大气湍流引入的光学波前畸变将导致相干混频效率下降,并进一步影响通信系统的灵敏度。研究人员采用多孔径发射多孔径接收(MIMO)、信道编码、自适应光学等手段抑制大气湍流的影响,其中,自适应光学能够对光学波前畸变进行实时修正,这在天文观测、生物医学等领域已经得到广泛应用[7-8]。在传统强度调制/直接探测(IM/DD)激光通信中,自适应光学对通信性能的改善同样得到验证[9-11]。目前,美国、欧洲等国家的研究人员均在大口径光学地面站中加装自适应光学系统,并计划开展多种体制(IM/DD 、相干、量子)的星地激光通信验证试验[12-13],我国在该领域的研究进展和国外先进水平保持一致,中科院上海光机所、中科院成都光电所和哈尔滨工业大学等单位均开展了自适应光学对星地相干激光通信性能改善的验证试验,其中,上海光机所孙建锋、李佳薇等系统地研究了自适应光学闭环带宽对相干激光通信的影响[14],成都光电所鲜浩、陈默等从理论上分析了跟踪残差和波前像差对相干激光通信性能的影响,并基于36 mm小口径光学天线开展了验证试验[15]。然而,据调研,在大口径光学地面站中,关于自适应光学对相干激光通信性能的改善尚未有公开报道。

在本文中,我们研制了一套500 mm大口径的光学地面站,其接收通道包含捕获跟踪瞄准、自适应光学和相干接收三部分,采用大口径、长焦距平行光管模拟发射远场信号光。其中,捕获跟踪瞄准分系统包含粗精两级跟踪,自适应光学系统具备二级精跟踪和光学波前校正能力,用来进一步抑制角度跟踪残差和光学波前畸变,相干接收采用光纤体制。首先,我们从理论上分析了跟踪残差和光学波前畸变对单模光纤耦合效率的影响,然后系统地开展了自适应光学对相干激光通信性能改善的验证试验,试验结果表明,在中等湍流条件下,自适应光学能够有效改善相干激光通信的性能。空间光到单模光纤耦合示意图如图1所示。

图1 空间光到单模光纤耦合示意图Fig.1 Schematic diagram of spatial light coupling to single-mode fiber

2 工作原理

从卫星上发出的下行信号光经大气信道传输后,被光学天线接收并汇聚,理想情况下将在焦平面上形成一个艾里斑,由于相干接收采用光纤体制,将空间光高效地耦合进入单模光纤,是实现星地稳定可靠激光通信的关键。其中,大气湍流、跟踪残差、模场匹配等因素均对耦合效率产生影响[15-17],在本文中,耦合效率η是指耦合进入光纤的光功率均值〈PC〉和焦平面上入射光场光功率均值〈Pi〉的比值。研究表明,实现单模光纤的高效耦合,需要满足进入光纤的光场和单模光纤的出纤光场(相位、幅度)一致,即满足模场匹配条件。耦合效率计算公式如下:

(1)

入射光波的模场A(r)表示如下:

(2)

式中,A(r)为艾里斑模场分布;D为接收口径;f为接收系统焦距;J1()为一类零阶贝赛尔函数;ω1为艾里斑的模式半径;ω1=1.22λf/D；r为极坐标下的距离。

单模光纤基模模场近似高斯分布,其表达式M(r)具体如下:

(3)

其中,ω0为单模光纤的模场半径。

2.1 跟踪残差对空间光到单模光纤耦合效率的影响

由于光学地面站跟踪残差的影响,下行信号光入射光轴与光学地面站接收光轴之间的夹角θ会产生随机起伏,对应单模光纤端面光斑位置径向偏差ρ的随机抖动,两者的关系如下:

θ=ρ/f

(4)

其中,f为光学系统的焦距,为确保空间光到单模光纤耦合过程中数值孔径匹配(NA取值为0.12),在耦合光路设计过程中,接收口径与系统焦距的比值D/f=0.24,下行信号光波长λ=1.55 μm,单模光纤模场半径ω0=5 μm。

将公式(2)、(3)、(4)代入公式(1),通过仿真得到耦合效率与角度跟踪残差之间的关系曲线,如图2所示,为确保光纤耦合效率损耗不低于50 %,应将跟踪残差控制在θ≤1.2 μrad以内。

图2 跟踪残差与耦合效率关系仿真曲线Fig.2 The simulation curve of fiber coupling efficiency as a function of tracking angular error

2.2 光学波前畸变对空间光到单模光纤耦合效率的影响

大气湍流引入的光学波前畸变,将导致焦平面上的光斑产生光强闪烁、光斑扩展等效应,在该条件下,传统基于衍射极限分析光斑模场分布的方法将不再适用,而根据湍流强度估算光斑扩展的方法不能有效反映耦合效率的波动特性[18]。而未经汇聚的下行信号光,其光学波前分布相对容易模拟,因此,在本文中,将基于反向传播理论和模场匹配理论,分析光学波前畸变对空间光到单模光纤耦合效率的影响。

下行信号光是理想的平面波,经过大气湍流扰动后,A′(r,θ)表达式如下:

A′(r,θ)=P(r,θ)exp[i2πφ(r,θ)]

(5)

其中,P(r,θ)和φ(r,θ)为下行信号光的振幅和相位分布,基于前35阶泽尼克多项式,对大气湍流引入的光学波前畸变φ(r,θ)进行模拟。

单模光纤基模模场经光学系统反向传播后,M′(r,θ)的表达式为:

(6)

将公式(5)、(6)代入公式(1)可知,在大气湍流条件下,单模光纤耦合效率计算公式如下:

(7)

光学波前畸变(RMS)和单模光纤耦合效率关系曲线仿真结果如图3所示,其中,光学波前畸变(RMS)是对应信号光波长的相对值,从仿真结果中可以看出,伴随着光学波前畸变(RMS)的增加,其耦合效率下降,并且抖动明显增强,为确保光学耦合效率优于50 %,波前畸变的均方根(RMS)应优于λ/6。

图3 光学波前均方根(RMS)与耦合效率的关系仿真曲线Fig.3 The simulation curve of fiber coupling efficiency as a function of wavefront phase root-mean-square(RMS)

3 试验装置

在上文中,我们分析了光学波前畸变和跟踪残差对空间光到单模光纤耦合效率的影响,仿真结果表明,融合高精度跟踪瞄准和波前畸变补偿功能的自适应光学技术是实现稳定可靠星地相干激光通信的关键。为了进一步验证自适应光学对相干激光通信性能的改善,我们系统地开展了验证试验,试验装置如图4所示。

图4 大气相干激光通信试验装置图Fig.4 The schematic diagram of atmospheric coherent laser communication

信号光采用窄线宽DFB激光器作为种子源,中心波长位于C波段(ITU标准),偏振态为线偏振,调制方式采用QPSK相位调制,通信速率设置为4 Gbps,调制后的信号光经EDFA放大后送入平行光管进行准直,并发射至光学地面站。在平行光管与ATP光机之间,采用热风式大气湍流发生装置模拟湍流[19]。自适应光学包含快反镜、变形镜、夏克-哈特曼波前传感器和控制器四部分,其中,变形镜包含137个有效驱动单元,波前传感器包含12×12个微透镜阵列,系统闭环带宽约为100 Hz。在开环条件下,开启大气湍流发生装置,采用波前传感器测量信号光波前畸变,并计算大气相干长度r0,经过长时间连续测量,其平均值约为7.6 cm,满足中等大气湍流模拟要求。

信号光在经过ATP粗精跟踪和自适应光学系统的过程中,先后经过两级缩束,其光束直径压缩至5 mm,然后耦合进入光纤数字相干接收机。在相干接收机内部,信号光和本振光首先经过90°光学混频,然后由平衡探测器转换为I、Q两路正交电信号,两路电信号经过功分器分束后,其中小部分功率用于自动频率控制环路,该环路采用温度粗调谐和电流精调谐相结合的双环路调谐模式,能够将信号光和本振光之间的频率差控制在1 MHz以内[20]。基于FPGA的数字信号处理板主要包括AD采样模块和数字信号处理模块,I、Q两路电信号经AD采样后将模拟信号转换成数字信号,再通过载波相位补偿算法实现基带信号的解调[21]。

4 结果与讨论

在试验过程中,基于自适应光学中的波前传感器,分别测量了自适应光学在开环和闭环条件下的光学波前畸变和跟踪残差,测量结果如图5、图6所示,其中,跟踪残差基于波前传感器输出的前两阶泽尼克多项式(X方向波前倾斜、Y方向波前倾斜)计算得到。

图5 自适应光学对角度跟踪残差的修正效果Fig.5 Tracking angular error with or without AO correction

图6 自适应光学对光学波前的修正效果Fig.6 Wavefront phase root-mean-square (RMS)with or without AO correction

下面分析一下自适应光学对跟踪残差和波前畸变的修正效果,在开环状态下,角度跟踪残差的均值约为10.2 μrad,波前畸变(RMS)约为0.698 μm；在闭环状态下,角度跟踪残差的均值下降至1.1 μrad,波前畸变的均方根值(RMS)下降至0.067 μm,均降低了10倍左右。

如图7所示,我们还分别测量了自适应光学系统开环和闭环状态下的光学波前图、夏克-哈特曼图以及远场光斑图,通过对比可以看出,在自适应光学闭环条件下,光学波前的一致性明显提升。采用CCD测量信号光经透镜汇聚后的远场光斑,自适应光学闭环时,其远场光斑由弥散状斑迅速汇聚成一个点,其斯特涅尔比值(Strehl Ratio)可以达到0.8以上。从上述结果可以看出,自适应光学能够有效抑制波前倾斜和波前畸变,并显著提升信号光在焦平面上的汇聚能力和稳定性。

图7 自适应光学对光学波前、夏克哈特曼图 以及远场光斑的修正效果Fig.7 The wave frontprofile,Shark-Hartmann diagram, far field spot with or without AO correction

首先采用空间光功率计测量相干接收机光纤耦合装置前端的空间光功率,测量功率稳定在-22 dBm,然后通过光纤高速探测器测量耦合进入单模光纤的光功率,并实时分析计算光纤耦合效率。测量结果如图8所示。从图中可以看出,当自适应光学系统开环条件下,耦合进入单模光纤的光功率呈现大范围、快速抖动,其最小衰减超过17 dB,功率抖动范围超过30 dB。当自适应光学系统闭环条件下,耦合进入单模光纤的光功率平均衰减为4.2 dB,功率抖动范围不超过±2 dB。该试验结果进一步说明,自适应光学能够有效提升空间光到单模光纤的耦合效率和功率稳定性。

图8 自适应光学对单模光纤耦合功率的影响Fig.8 The fiber coupling efficiency with or without AO correction

下面分析一下自适应光学对相干激光通信的改善效果,在试验过程中,采用空间光功率计实时测量相干接收机前端的信号光功率,并通过发射端的光学衰减器将其调节至-38 dBm,在该功率条件下,加载QPSK相位调制信号,并将通信速率设置为4 Gbps,分别测量自适应光学开环和闭环条件下的误码率,如图9所示,在自适应光学闭环条件下,误码率从剧烈抖动状态迅速下降并稳定至1×10-6以下,其眼图和星座图明显张开,如图10所示。连续测量90 s,其平均误码率为3.2×10-7。

图9 自适应光学对通信误码率的改善效果Fig.9 The communication bit error rate with or without AO correction

图10 自适应光学闭环条件下解调信号 对应的眼图和星座图Fig.10 Eye chart and constellation chart of the demodulated signal with AO correction

从上述试验结果能够看出,自适应光学系统能够有效抑制角度跟踪残差和光学波前畸变对大气相干激光通信的不利影响,改善星地相干激光通信的性能。

5 总 结

在本文中,我们系统地研究了自适应光学对星地相干激光通信性能的改善,受大气湍流、跟踪残差、模式匹配等因素的影响,将空间光稳定高效地耦合进入单模光纤,是实现星地可靠相干激光通信的关键。首先,从理论上仿真分析了跟踪残差和光学波前畸变对空间光到单模光纤耦合效率的影响。其次,将自适应光学应用于大口径的光学地面站,并开展4 Gbps相干激光通信试验,在试验过程中,分别测量了自适应光学对跟踪残差和光学波前畸变的抑制效果,以及对单模光纤耦合效率的提升能力,试验结果表明,自适应光学系统能够将空间光耦合进入单模光纤的光功率平均衰减降至4.2 dB,功率抖动范围控制在±2 dB以内,在-38 dBm条件下,相干激光通信系统能够稳定可靠通信,连续通信90 s,其平均误码率3.2×10-7。