Free space optical communication system based on wide-spectrum partially coherent laser
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摘要: 大气湍流对自由空间光通信系统所造成的影响是不可忽略的，为了减弱湍流对空间光通信系统带来的影响，实验搭建了一套通信距离为900 m的真实大气信道宽谱部分相干光通信系统。系统采用皮秒脉冲泵浦高非线性光纤产生超连续谱并滤波得到部分相干宽谱脉冲，对其调制后完成通信。在测试过程中，实验专门设置了一条参考链路，保证了测试环境的一致性。实验结果表明，在中等湍流条件下，系统光强闪烁指数为0.035 8，相比窄线宽通信系统提升了23%，最低探测灵敏度达到了-23.35 dBm，相比窄线宽通信系统提升了42%。与窄线宽激光通信系统相比，宽谱部分相干光通信系统可以明显降低湍流引起的光功率抖动，并提升自由空间光通信系统通信性能。Abstract: The impact of atmospheric turbulence on free space optical communication systems is not negligible. To reduce the influences of atmospheric turbulence on free space systems, a free space optical communication system based on wide-spectrum partially coherent laser in 900 m real atmospheric channel was experimentally demonstrated. The system used a modulated wide-spectrum partial coherence pulsed laser which was filtered from a supercontinuum to communicate, and the supercontinuum was gained by pumping picosecond pulses into a high-nonlinear fiber. In the process of testing, a reference link was set to ensure consistency of the testing environment. The results show that compared to the narrow linewidth communication system, under mid-turbulence condition, the system scintillation index is 0.053 8 which has 23% improvement and the system lowest detection sensitivity is -23.35 dBm which has 42% improvement.The wide-spectrum partially coherent optic communication system can significantly reduce the optical power jitter caused by turbulence and improve the communication performance of free-space optical communication systems.
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引言
自由空间光通信(FSO)具有低成本、频谱带宽大、安装容易及无需电磁频谱许可等优势，适用于保密链路、冗余链路、临时网络搭建等方面[1-2]。当FSO链路在大气环境中时，大气湍流会导致光强闪烁、光束漂移和到达角起伏等现象从而影响光信号的传输[3]。其中，如何改善光强闪烁现象一直是光束在大气中传输的难题之一。
研究表明，部分相关光束可以降低湍流引起的光强闪烁并提升通信质量、降低系统误码率[4-11]。20世纪80年代，R. L. Fante通过计算说明在强湍流及弱湍流情况下，使用部分相干光可以降低闪烁因子，并提出具有该性质的光束光谱带宽应远大于通信带宽[4-6]。2004年，O. Korotkova分析了部分相干光束在湍流大气中的闪烁因子和误码率的大小，证明了使用部分相干光束可以降低系统误码率[7]。2006年，K. Kiasaleh计算说明使用多载波通信同样可以明显降低湍流引起的光强闪烁[8]。2018年，X. Zhang使用平板热对流湍流模拟装置实验证明宽谱部分相干光束可以在中弱湍流环境下降低光强闪烁，并得出闪烁指数与光谱宽度的关系[9]。然而，在真实大气环境中使用部分相干光降低大气湍流影响的光通信实验研究尚未展开。选择合适的光源是实现部分相干光通信的关键。超连续谱是一种简单的产生宽谱光源的方法，数值仿真和实验证明，使用零色散波长附近的皮秒脉冲泵浦产生的超连续谱具有部分相干性，适合作为部分相干光源进行通信[12-14]。
本文搭建了基于宽谱光束的自由空间光通信系统。实验通过误码率曲线及闪烁因子对比分析了真实大气情况下湍流信道对宽谱通信系统及窄线宽通信系统的影响，在测试过程中加入了一条参考链路以表征大气湍流强度，避免了真实大气条件下大气湍流强度跳变对实验结果的影响。
1 系统结构
图 1为自由空间宽谱部分相干光通信系统结构图。系统由高重频窄线宽激光器、超连续谱产生、时间漂移补偿、信号调制、大气信道和信号接收及解调6个部分组成。图 1(a)为高重频窄线宽激光器，由任意波形发生器(AWG，Keysight M8195A)的通道1发出的重复频率为4 GHz的脉冲射频信号驱动马赫增德尔调制器(MZM1)，将窄线宽激光器发出的连续光调制为脉宽约为27 ps的脉冲序列，其中窄线宽激光器中心波长为1 550 nm，线宽为5 kHz，波长漂移低于1.5 pm。调制产生的脉冲序列经掺铒光纤放大器(EDFA1)放大到20 mW后，经光纤隔离器(ISO)泵浦到20 km、色散系数为D=-18 ps/nmgkm@1 550 nm的单模光纤(SMF)中。SMF的另一侧，使用一个功率为1 W，波长为1 455 nm的拉曼泵浦激光器通过波分复用器反向泵浦SMF。在SMF中发生的拉曼增益孤子压缩效应可以将脉冲序列脉宽压缩到5.93 ps[15-17]。图 1(b)为超连续谱产生部分，使用EDFA2将压窄后的脉冲放大到1 W后经过ISO泵浦到高非线性光纤中，产生的超连续谱20 dB谱宽约为250 nm。该高非线性光纤长度为1 000 m，非线性系数为γ=10 W-1km-1，色散系数为D=0 ps/nm·km@1 550 nm。在之前的实验中我们得到了当光谱带宽远大于通信带宽时，继续提高谱宽对通信效果的影响是有限的，并且波长较长的部分对湍流引起的闪烁有更好的抑制效果的结论[8]。考虑到MZM使用的波长范围限制，我们使用1 560 nm~1 580 nm的光纤滤波器滤波并通信。
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图 1 自由空间宽谱部分相干光通信系统结构图Figure 1. Structure diagram of free-space optical communication system based on wide-spectrum partially coherent laser半导体激光器受到环境温度及自身工作温度的影响会导致波长具有一定的漂移量。在脉冲序列经过色散不为零的光纤后，该波长漂移会导致时间漂移，时间漂移量可以由下计算得到：
$$\Delta \tau=\Delta \lambda \times|D| \times L_{\text {fiber }} $$ (1) 式中：Δτ为计算得到的时间漂移量；D为光纤色散系数；Lfiber为光纤长度。本实验中，最大时间漂移量为540 ps。为了补偿激光器带来的时间漂移，我们设计的时间漂移补偿结构如图 1(c)所示。电控光纤延迟线(ODL)用来补偿激光器带来的时间漂移，光纤耦合器将95%的光功率用于接下来的实验传输，5%的功率作为参考光用于时间漂移闭环控制。光电探测器(PD)、模数转换器(D/A)和数字信号处理设备(DSP)计算当前的时间漂移量并控制ODL加以补偿。图 1(d)为伪随机信号调制结构，AWG的通道2发出速率为4 Gbit/s的伪随机序列驱动MZM2对脉冲序列加以调制。在经过大气信道后，使用PD，D/A和DSP解算信号并计算系统误码率。
图 2(a)为实验大气信道的卫星图，图 2(b)为大气信道结构图。通信发射系统位于长春理工大学南校区理工科技大厦，通信接收系统位于长春理工大学东校区第二教学楼，通信距离约900 m。测试时间为2018年8月1日至8月3日，温度19℃至32℃，东北风3级, 中等湍流强度。发射光学系统通光口径为7 mm，焦距为31.13 mm，光束发散角为0.1°，接收光学系统通光口径为250 mm，焦距为800 mm。在经过1 km大气传输后，光斑直径约为1.7 m。在接收光学系统附近放置一台带有镜头且帧率为1 730 Hz的CCD相机(Cheetah-640-CL 1 730 Hz)分别测量窄谱光束及宽谱光束经过大气链路后的功率抖动并计算闪烁因子[18]。为了更好地统计宽谱光束对系统通信性能的提升，必须保证实验均在大气湍流强度相近的条件下进行，因此在通信链路中设置了反向参考链路。参考信道采用与通信信道相同的光学系统，使用功率为1 W，波长为1 550 nm的连续光激光器作为参考光源。参考光源接收端连接有低速率的PD、A/D及DSP设备，可以测量由大气湍流引起的参考光接收功率抖动。功率抖动强度可以由下式计算得到：
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图 2 自由空间宽谱部分相干光通信系统光学链路Figure 2. Optic link of free space optical communication system based on wide-spectrum partially coherent laser$$\sigma_{P}^{2}=\frac{\left\langle P^{2}\right\rangle-\langle P\rangle^{2}}{\langle P\rangle^{2}} $$ (2) 式中：σP2为接收功率抖动；P为瞬时接收功率。由于参考链路采用稳定的连续光作为光源，接收功率的抖动可以视为完全由于大气湍流引起，所以可以使用σP2表征当前湍流强度。在测量误码率及闪烁因子的同时，测量参考链路上的功率抖动，若σP2过大或过小，则舍弃该测量结果并重新开始测量。
2 实验结果和讨论
实验结果如图 3所示。图 3(a)为脉冲光谱图，其中实线、点划线及虚线分别表示了使用光谱仪(Yokogawa AQ6375)观察到的窄线宽激光器输出光谱、超连续谱光谱及滤波后的宽谱脉冲光谱图。为了便于观察，我们将3组光谱图进行了归一化处理并乘以合适的数值。超连续谱的20 dB光谱带宽约为250 nm。图 3(b)为脉冲时域图，点划线、虚线及实线分别表示了使用光脉冲分析仪(Coherent Solution HR150)测量得到的脉冲压缩前、压缩后及20 nm滤波后的脉冲形状，其半高全宽(FWHM)分别为39.5 ps、5.93 ps及19.3 ps。其中20 nm滤波后的脉冲呈现出不规则的形状，是因为在产生超连续谱的过程中产生了一定的噪声，降低了脉冲信噪比。
在闪烁因子测量过程中，将CCD相机帧频调节到1 730帧，每次采集50 000幅灰度图样持续过程约30 s。同时，在参考链路计算链路在30 s内总链路抖动，保证2次测量功率抖动相近。图 4为宽谱脉冲通信系统及窄线宽脉冲通信系统闪烁因子对比图。每个数据点的数据由一秒内的帧数据计算得到，代表从当前时刻开始随后一秒内的闪烁因子，数据点间隔0.1 s。30 s内，宽谱通信系统的平均闪烁因子为0.038 5，窄线宽通信系统的平均闪烁因子为0.050 6，使用宽谱光通信使闪烁因子降低了0.012 1。
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图 4 宽谱脉冲通信系统及窄线宽脉冲通信系统闪烁因子对比图Figure 4. Compression of scintillation index of wide-spectrum communication system and narrow linewidth communication system图 5为宽谱光通信系统及窄线宽光通信系统误码率曲线对比图。在FEC门限(3.8×10-3)处，宽谱光通信系统探测灵敏度为-23.35 dBm，窄线宽通信系统探测灵敏度为-21.82 dBm，宽谱光通信系统在探测灵敏度上较窄谱光通信系统有1.53 dB的提升。由于宽谱光源信噪比较窄线宽光源稍低，所以宽谱光通信系统误码率曲线更为平缓。
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图 5 宽谱光通信系统及窄线宽光通信系统误码率曲线对比图Figure 5. BER compression of wide-spectrum optical communication system and narrow linewidth optical communication system3 结论
本文搭建了一个部分相干宽谱脉冲光通信系统，在经过900 m真实大气湍流信道传输后，发现宽谱脉冲光对湍流引起的光强闪烁有明显的抑制作用。系统的最低灵敏度达到了-23.5 dBm，较窄线宽脉冲通信系统有42%的提升。实验结果表明，超连续谱产生的部分相干光适用于自由空间光通信系统，在中等湍流条件下，宽谱空间光通信比传统的窄谱通信有明显的优势。
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图 1 自由空间宽谱部分相干光通信系统结构图
Figure 1. Structure diagram of free-space optical communication system based on wide-spectrum partially coherent laser
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图 2 自由空间宽谱部分相干光通信系统光学链路
Figure 2. Optic link of free space optical communication system based on wide-spectrum partially coherent laser
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图 4 宽谱脉冲通信系统及窄线宽脉冲通信系统闪烁因子对比图
Figure 4. Compression of scintillation index of wide-spectrum communication system and narrow linewidth communication system
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