引用本文:

陶坤宇,曹哲玮,杨奇,等. 空间超高速数字相干激光通信问题与解决方法[J]. 光通信技术,2021,45(5):44-49.

空间超高速数字相干激光通信问题与解决方法

陶坤宇1,曹哲玮1,杨 奇2,宋义伟1,陈心怡1,姜义君1,付 森1

1.上海无线电设备研究所 激光探测技术研发中心,上海 201109; 2.华中科技大学 光学与电子信息学院,武汉 430074

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摘要:为了解决空间超高速率信息传输问题,保障我国天基宽带信息传输网的实现,分析了未来在空间进行超高速率激光通信采用数字相干体制的必要性,总结了现阶段实现这一目标存在的4个问题:单模光纤耦合、低噪声掺铒光纤放大器(EDFA)的放大、数字编解码算法和硬件架构问题。针对这4个问题逐一提出了解决方法,即快反镜(FSM)跟踪与自适应光纤章动、分段噪声抑制、浮点数并行处理算法和集成化。分析了空间激光通信技术水平的发展趋势,最后给出了对未来技术方向发展的预测。

关键词:激光通信;数字相干;单模光纤耦合;掺铒光纤放大器;编解码算法

中图分类号:TN929.12 文献标志码:文章编号:1002-5561(2021)05-0044-06

DOI:10.13921/j.cnki.issn1002-5561.2021.05.010

0 引言
       我国卫星通信技术处于快速发展阶段,对卫星通信系统的需求主要包括3个方面:带宽需求日益增加、通信距离越来越远和能够适应复杂的信道环境,用微波手段已经越来越难以满足卫星通信带宽的需求。卫星激光通信技术相比微波通信具有通信容量大、保密性好、体积小和重量轻等优点,该项技术已经经历了低轨、中轨、高轨和深空通信的发展历程。国内外相关研究机构已经成功实现了低轨对地、高轨对地、低轨对高轨以及月球轨道对地激光通信试验[1-6]。早期受光电元器件性能限制,所研制的卫星激光通信终端多采用强度调制/直接探测(IM/DD)体制,但IM/DD体制下系统探测灵敏度较低,无法满足远距离、高数据率的激光通信需求,光载波所带来的带宽优势没有得到充分体现。而采用数字相干探测体制的光通信系统具有高的探测灵敏度和快速信道均衡特性,是未来卫星激光通信技术发展的必然趋势。由于空间激光通信链路存在热形变、多普勒频移和大气湍流等影响因素,增加了相干光通信系统的技术难度。初期的相干光通信系统是采用光锁相环的方式对本振激光进行反馈控制,导致相干光通信技术发展较缓慢[7]。近些年来,随着芯片技术的发展,数字相干通信技术在光纤通信领域得到了广泛应用[7-8],其主要技术特点是通过高速的数字采样在电域对本振光的频率漂移以及信号光的色散和非线性损伤等进行补偿,无需对本振激光进行反馈控制,摒弃了传统的锁相环技术,既有相干通信高灵敏度的优点,又具备快速信道均衡特性,同时简化了系统结构,提高了系统稳定性,技术难度大大降低。在光纤通信市场的推动下,数字相干光通信系统的各种器件也相继成熟,这也为数字相干通信在空间光通信领域的应用提供了有利条件。
  本文总结当前空间超高速数字相干光通信系统在轨应用存在的4个主要问题,然后针对这4个问题给出解决方案。

4 结束语
       根据我国航天装备体系发展规划,未来将建成天地一体化的网络信息体系,其中天基宽带信息传输网是未来网络的核心和骨干。针对当前高速空间激光通信系统在轨应用存在的问题,本文给出了相应的解决方案。随着高精度跟瞄技术、高性能光电器件制造技术、高效处理算法和光电子集成技术的大力发展,可以预见在接下来3个5年内,空间高速激光通信载荷将逐渐从在轨技术验证进入工程化应用阶段,从而保障我国天基宽带传输网络的建设和实现。
致谢:感谢北京邮电大学伍剑教授与作者多次有益的探讨与交流,促使本文成稿。