调制反射激光通信系统及关键技术

王霞，张立中，2，孟立新，2

（1.长春理工大学 机电工程学院，长春 130022；2.长春理工大学 空地激光通信国防重点学科实验室，长春 130022）

自由空间激光通信（FSO，Free Space Optical Communication）具有通信速率快、通信容量大等优点，被广泛应用于各领域。传统FSO链路的两端都需要配置收发机，体积、重量、功耗较大，限制了FSO的应用。从信息不对称和承载能力不对称两个方面考虑，研究轻小型、低功耗非对称激光通信链路具有重要意义。逆向调制式激光通信系统（MRR FSO）免去了链路一端的收发机及捕获、对准、跟踪系统，具有体积小，重量轻，功耗低等特点［3］，有效的解决了传统FSO的应用限制，其应用越来越受到重视，成为空间激光通信中的一种必然发展趋势。本文将对调制反射激光通信系统的组成和原理进行分析，对光学系统和调制系统的类型进行比较，最后获得较为合适的总体方案。

1 调制反射激光通信系统

1.1 系统组成

图1所示为调制反射激光通信系统示意图。系统主要包括两部分，一部分为光收发机，其中包括发射天线、接收天线和解调单元等，光收发机主要用于询问光发射以及调制光接收、探测和处理，是链路的主机；另一部分为调制反射系统，包括光学系统和光调制器两部分，光调制器用于实现空间光调制，光学系统可使光束按原路返回，从而与光收发机构成通信光闭环系统，同时也能够为光收发机跟踪系统提供目标光源。

图1 调制反射激光通信系统示意图

1.2 系统工作原理

图2所示为调制反射激光通信系统原理图。光收发机的发射天线发射询问光束至调制反射系统，MRR探测到询问光束时，信号处理系统将会驱动光调制器对询问光束进行数据加载，实现询问光束的调制，然后调制后的数据光束经光学系统反射回光收发机的接收器，接收器将获取的数据信号发送到信号处理系统，对信号进行处理［1］。

图2 系统原理图

1.3 调制反射激光通信系统特点

系统只有一个光收发机，为半双工工作模式，适合于非对称信息传输［4］，图3是美国海军研究院卫星-地面下行通信链路示意图；系统更轻、功耗更小，使用更加灵活［2］；通信时光束经过两次信道，信道影响较常规激光通信要恶劣。

图3 美国卫星-地面下行通信链路示意图

2 调制反射系统

调制反射器（MRR）是调制反射激光通信系统的核心，MRR系统包括光学系统和光调制器。光学系统可使询问光束按原路返回，光调制器用于实现空间光调制，从而与光收发机构成通信光闭环系统。

2.1 光学系统

目前用于MRR的光学系统有角反射镜和猫眼系统。

2.1.1 角反射镜

图4所示为角反射镜工作原理。角反射镜为三面直角棱镜，可反射各种到达棱镜面的光线或光束，无论光线从哪个方向射入，它都能将入射光线逆原方向反射回去。

图4 角反射镜工作原理

图5所示为采用角反射镜时调制反射链路示意图。基于角反射镜可将入射光原路返回的特性，将光调制器放置在角反射镜的一个面上，实现对入射光的调制后，通过角反射镜将调制后的数据光束反射回光收发机，从而达到信息传输的目的。

图5 角反射镜的调制反射链路示意图

2.1.2 猫眼系统

如图6所示，猫眼系统由透镜和光敏面组成，入射光经透镜到达光敏面，光束经光敏面反射按原路返回。猫眼效应反射光具有原路返回特性和准直特性，且原路返回特性不受入射光影响，同时猫眼效应反射光强度比一般漫反射强度高2～4个量级。

图6 猫眼系统

图7所示为采用猫眼系统时调制反射通信链路示意图，将调制器放置在猫眼系统焦平面处的光敏面上，入射光束经猫眼到达调制器，对光束进行数据加载后，由光敏面将数据光束按原路反射回光收发机，实现链路通信。

图7 猫眼系统的调制反射链路示意图

2.1.3 角反射镜和猫眼系统的比较

角反射镜简单方便且制造费用较低，但采用角反射镜作为MRR的光学系统时，要求光调制器的尺寸较大以匹配角反射镜的口径，而调制器的尺寸越大调制速率越低，这就出现了光学系统口径与调制速率之间的矛盾［8］。采用猫眼系统时，因为调制器放在猫眼系统的焦平面处，焦平面处光束汇聚，所需调制器的尺寸较小，因此可以获得较高的调制速率。另外，若将调制器分割成若干像素块，由于光束汇聚，同一时间内只需对调制器的一部分进行驱动，能大大降低功率消耗［5］。但猫眼系统相对于角反射镜制造费用较高。

2.2 光调制器

用于MRR的光调制器主要有多量子阱（MQW）调制器、微机电系统（MEMS）调制器、液晶调制器、相位调制器等，不同的调制器调制特性也有所不同。

2.2.1 多量子阱调制器

多量子阱（MQW）调制器最早由美国海军研究实验室NRL（Navy Research Laboratory）提出，多量子阱调制器包括一个N型InP底，一个1.3微米厚的固定InGaAs/InAlAs材料的耦合多量子阱层，由高掺杂P型InGaAs薄层覆盖的P型InAlAs顶［7］。工作波长由多量子阱层确定，涵盖的波段约为1550nm。图8所示为集成光电接收器的MRR MQW。

图8 集成光电接收器的MRR MQW

NRL于2000年在小型旋翼无人机上安装了口径5mm的MQW MRR，实现通信速率400Kbps～2Mbps，通信距离35～65m的原理试验。于2006年开展了采用猫眼镜头的长距离通信研究，实现通信距离7km，通信速率45Mbps的激光通信试验［6］。NRL和美国国家航空航天局（NASA）联合开展了空间用调制反射镜阵列MODRAS（Modulating Retro-reflector Array in Space）试验，试验设计指标为通信速率12Mbps，卫星轨道高度400km，通信波长为1064nm。图9所示为美国NASA母星与小卫星间通信示意图。

图9 美国NASA母星与小卫星间通信示意图

2.2.2 微机电系统

MEMS回复调制器是采用微机械变形镜或衍射光栅结构，通信范围为0.1～10km，采用变形镜的MEMS的远程调制速率达100kHz，采用衍射光栅结构MEMS调制器最高调制速度可达1Mbps，然而此时需要λ/4的机械挠度，且调制器的波长和角度需要匹配，因此可用视场通常只有6°或更小。MEMS调制器较MQW调制器速度要低很多，但是制造费用和对环境敏感程度较MQW调制器也低很多。图10为Trevor K Chan和Joseph E Ford提出的MEMS回复调制器示意图。

图10 Trevor K Chan和Joseph E Ford提出的MEMS回复调制器示意图

2.2.3 铁电液晶调制器

图11所示为铁电液晶寻址光调制器的示意图。液晶材料的光学性质可通过电场而改变，铁电液晶的响应速度可达微秒量级，因此作为光调制层，液晶材料被广泛应用，铁电液晶空间光调制器具有响应快、开关功耗低以及双稳态开关特性等优点，但其调制速率只能达到几十kHz。

图11 铁电液晶寻址光调制器示意图

3 应用展望

由于MQW具有较高的调制速率，而猫眼能够解决光学系统和光调制器的矛盾，所以猫眼和MQW组成的MRR系统成为MRR FSO技术的主要研究方向。图12所示为猫眼多量子阱MRR。基于调制反射激光通信系统的结构特点，该通信链路可广泛应用于无人机、飞机、侦察车、卫星、水下通信链路等对载重、功耗和体积等有限制的通信链路，配合射频通信实现安全可靠信息传输，应用前景广阔，对未来激光通信的发展具有重要的意义。

图12 猫眼多量子阱MRR

［1］张来线，孙华燕.猫眼逆向调制自由空间激光通信技术的研究进展［J］.中国光学，2013，6（5）：681-691.

［2］丁德强，柯熙政.非对称回复反射自由空间光通信链路性能［J］.应用科学学报，2010，28（4）：337-341.

［3］MahaAchour.Free-spaceopticalcommunication by retro-modulation：concept，technologies and challenges［J］.Proc.of SPIE，2004，56（14）：52-63.

［4］Mark plett，William S.Rabinovich，etc.Free-space opticalcommunication link across 16 kilometers over the Chesapeake Bay to a modulated retroreflector array［J］.Optical Engineering，2008，47（4）：1-10.

［5］William S，Rabinovich Peter G，Goetz Rita Mahon，et al.45-Mbit/s cat’s-eye modulating retro-reflectors［J］.Optical Engineering，2007，46（10）：1-11.

［6］Rabinovich W S，Mahon R.45 Mbps cat’s eye modulating retro-reflector link over 7 Km［J］.Proc.of SPIE，2206，63（4）：1-11.

［7］王健华，金峰，俞谦，等.InGaAs/InAlAs多量子阱电吸收光调制器［J］.半导体学报，1998，19（1）：43-49.

［8］孙华燕，张来线.逆向调制自由空间激光通信技术研究进展［J］.激光与光电子学进展，2013，50（4）：1-9.