空间光通信技术发展现状及趋势

利用激光链路实现卫星星座内不同卫星节点之间的信息传输能够解决传统卫星通信技术中传输速率慢、频段资源紧张等问题。首先介绍空间激光通信技术的主要组成部分以及国内外研究现状;其次,对终端的高性能跟踪、快速捕获和高通量通信技术的难点以及主要解决方案分别进行重点说明;最后,阐述空间激光通信小型化、轻量化以及低功耗技术路线的发展趋势,并对新型技术进行讨论,为我国空间激光通信技术的发展提供参考。

卫星激光通信技术发展现状与趋势分析

详细地梳理了国内外卫星激光通信技术的发展现状,重点介绍了欧洲、美国、日本和中国近几年在卫星激光通信领域的研究现状。在对当今卫星激光通信技术应用需求和技术难点等加以介绍的基础上,分析了捕获跟踪瞄准、调制解调、大气湍流抑制、抗干扰链路维持等关键技术的实现途径和应用挑战。最后结合目前的航天工程以及社会需求,对卫星激光通信技术的发展趋势进行了展望。

高灵敏度光束位置信号提取的激光通信跟瞄一体化(特邀)

提出一种基于四象限探测器跟瞄和通信复用的强度调制直接探测的空间光通信系统,以超声波电机驱动的双光楔为光束偏转执行单元形成光束位置跟踪的闭环系统。驱动电机转动周期为15 ms,位置分辨率为0.83μrad。经理论分析和实验验证,该系统的位置闭环跟踪−3 dB带宽约为4 Hz。当位置探测误差小于10%时,即光束探测精度小于12μrad,对应的探测灵敏度为−45.2 dBm。在10 Mbit/s的通信速率和无信号编码下,误码率为1×10^(−3)时对应的通信灵敏度为−44 dBm。验证了利用四象限探测器作为跟踪与通信复用探测器的可行性,可应用于小型化、轻量化的星间激光通信终端。

OOK与BPSK兼容激光通信性能分析

为适应空间激光通信组网技术,多体制复用的通信方式应运而生。发送端采用强度调制器兼容实现了开/关键控(OOK)和二进制相移键控(BPSK)调制,接收端通过内差探测方式兼容实现了这两种调制信号的解调。在实际工程应用中,激光通信系统中散粒噪声、电子器件热噪声不可避免地会影响通信性能,在此基础上,进一步分析了强度调制器偏压点误差量与光学滤波器带宽大小对于非相干OOK和相干BPSK通信信噪比的影响。仿真结果表明:光学滤波器带宽对非相干OOK通信性能影响较大,接收光功率−46 dBm时,1 nm滤波带宽的非相干OOK信噪比开销约1.26;接收光功率−50 dBm以下时,20 nm滤波带宽的相干BPSK信噪比开销小于0.02。非相干OOK无编码通信灵敏度在1.25 Gbit/s速率时需满足−46 dBm@10^(−6),光滤波带宽应不大于0.8 nm,强度调制器偏压误差应控制在半波电压的1%以内。在消共模噪声和优化光滤波带宽条件下,1.25 Gbit/s速率的BPSK无编码通信灵敏度满足−55 dBm@10−6。

高峰值功率窄脉宽宽温Nd…GdVO_4激光器

报道了一种可宽温稳定工作的高峰值功率亚纳秒被动调Q的Nd…GdVO_4激光器。激光振荡级采用平凹腔结构,以尾纤耦合半导体激光器端面抽运Nd…GdVO_4晶体,以Cr^(4+)…YAG作为可饱和吸收体进行被动调Q。在抽运吸收能量为5.9mJ时,振荡级输出峰值功率为1.5 MW,脉冲宽度为600ps的脉冲激光,单脉冲能量为0.9mJ,光-光转换效率为15.4%,光束发散角为1.2 mrad。采用端面抽运的双程放大结构对振荡级输出激光进行放大,最终得到峰值功率为3.5 MW,单脉冲能量为2.1mJ激光输出。测量了不同温度下的激光能量的变化,结果表明,在20~36℃的温度范围内,激光输出能量的抖动量(均方根)为5%。激光器结构紧凑、功耗低,可作为未来空间激光应用的光源。

Digital-analog hybrid optical phase-lock loop for optical quadrature phase-shift keying

We analyze a feasible high-sensitivity homodyne coherent optical receiver for demodulating optical quadrature phase-shift keying(QPSK). A fourth-power phase-lock loop based on a digital look-up table is used. Considering the non-negligible loop delay, we optimize the loop natural frequency. Without error correction coding, a sensitivity of -37 dBm/-35 dBm is achieved, while the bit error rate is below 10-9 at 2.5 Gbaud/5 Gbaud rate.For the QPSK communication system, the bit rate is twice the baud rate. The loop natural frequency is 0.647 Mrad/s, and the minimized steady-state phase-error standard deviation is 3.83°.

基于DPMZM的多体制兼容卫星激光通信技术

卫星激光通信具有高速率、无频谱资源冲突、体积功耗小、保密性强等优势,是实现卫星互联网星座间高速互联的核心技术。为提高激光通信终端对不同通信体制的适应性,解决不同星座间通信兼容的问题,可采用多体制通信兼容技术。针对星间激光通信对相干、非相干光通信兼容的需求,搭建兼容开关键控(OOK)、二进制相移键控(BPSK)和正交相移键控(QPSK)的激光通信发射系统,兼容BPSK和QPSK的激光通信接收系统。该系统发射速率分档可调,最低为10 Mbit/s的OOK,最高为5 Gbit/s的QPSK;发射通信速率为5 Gbit/s的QPSK信号时,通信接收灵敏度达到-50 dBm,译码后误比特率(BER)小于1×10^(-7),发射误差矢量幅度(EVM)优于9%。实验结果表明,该星间激光通信多体制兼容系统设计有一定的可行性,具有重要的意义。