空间激光通信网络中的全光数据合路技术研究*

郏帅威，汪 伟，谢小平，黄新宁

空间激光通信网络中的全光数据合路技术研究*

郏帅威1,3，汪 伟1，谢小平1,3，黄新宁2

（1 中国科学院西安光学精密机械研究所光子网络技术研究室 西安 710119 2 扬州大学物理科学与技术学院 扬州 225001 3 中国科学院大学未来技术学院 北京 100049）

针对空间激光通信网络接入节点多路激光链路传输需求，基于高非线性光纤中四波混频参量效应，并结合色散控制，开展全光合路处理技术研究。采用VPI 10.0模拟平台构建了时间透镜全光合路系统，验证了4路速率为10 Gbps的差分相移键控DPSK（Differential Phase Shift Keying）信号光以及通断键控调制OOK（On-Off Keying）和DPSK混合制式信号光的全光合路可行性，并对全光合路技术实现中色散、光功率等关键参数对系统性能的影响进行了分析，为实际系统的设计和应用提供数据支撑。所提出的全光合路技术具有数据处理带宽大、通信制式兼容且系统复杂度低等优点，可有效降低空间激光通信网络的资源需求与载荷成本，为下一代空间激光骨干网的发展与全面应用提供有效技术支撑。

空间激光通信网络；全光数据合路；四波混频；时间透镜

引 言

空间激光通信系统具有数据传输带宽大、无需申请频段使用牌照、体积重量功耗低等优势，是空间海量探测数据快速下传的重要技术途径。美国、欧洲、日本等先后成功验证不同链路距离下空间激光通信技术的可行性[1-3]，我国也已有多个空间激光通信系统成功在轨验证[4]，“点对点”空间激光通信技术的工程化应用日渐成熟。为抢占空间资源，多个国家和地区纷纷提出全球覆盖的空间信息网络建设规划，如美国航天局NASA“下一代地球轨道中继卫星”计划[5]、欧洲航天局ESA“高通量光学网络”计划[6]、日本宇航局JAXA的“光数据中继卫星”计划[7]，以及我国的“天地一体化信息网络”重大工程项目等。上述空间信息网络规划中，均基于激光链路构建空间数据传输骨干网络，且数据传输速率将达到100 Gbps量级。

当多个空间平台同时请求经激光骨干网络实现探测数据快速回传时，如图1所示，在接入节点将多路并行的用户激光链路整合为骨干激光链路，既可提升接入节点的响应效率，保障探测数据的时效性，又能有效利用骨干网络大容量传输的优势。传统“光-电-光”技术途径实现上述骨干网络接入节点的合路处理时，需首先将多个接入链路激光信号解调至电域，实现合路处理后再调制至激光载波上发射出去，进而在骨干网络中继续传输或传至地面站。因此，需要在接入节点配置多台光接收机完成接入链路解调，这对空间平台的体积重量功耗SWaP（Size，Weight and Power）资源需求高，且在电域实现合路处理时面临航天级电子器件带宽限制，难以满足未来100 Gbps量级的数据处理需求。

图1 激光链路接入示意图

基于光场的时空对偶特性构建时间透镜，可对光信号进行时频特性转换处理，是近年来光信息处理的研究热点，主要应用领域包括高速光时分复用OTDM（Optical Time-Division Multiplexing）信号解压缩[8-10]、通信制式转换[11]、脉冲压缩[12,13]以及微波[14]等。本文基于高非线性光纤HNLF（High Nonlinear Fiber）中的四波混频FWM（Four-wave Mixing）效应，构建了具有数据速率透明、通信制式兼容的时间透镜系统，实现了四路速率为10 Gbps的光信号全光合路处理，同时针对非线性介质色散、功率匹配、频率间隔等影响全光合路的关键参数进行了分析，为实际工程应用提供参数选择支撑。所构建的全光合路系统具有结构简单、处理带宽大、制式兼容等优点，能够有效降低空间接入节点的载荷成本及SWaP需求，可为我国未来空间激光骨干网络的发展与全面应用提供支撑。

1 全光合路原理与系统

1.1 全光合路原理

图2 全光合路原理示意图

闲频光时域与输入信号光频域在包络和功率谱上完全一致，此时输出的闲频光携带了输入端多路波分复用信号光的全部数据，即实现了全光域数据合路处理。

1.2 全光合路系统

注：LD（Laser Diode，激光二极管）；PG（Pattern Generator，图形发生器）；MZM（Mach-Zehnder Modulator，马赫-曾德尔调制器）；RX（Receiver，光接收器）；OSA（Optical Spectrum Analyzer，光谱分析仪）；OSC（Oscilloscope，示波器）；BER（Bit Error Ration Tester，误码率测试仪）

2 全光合路性能分析

基于图3所示的全光合路系统，采用VPI（VPIphotonics）10.0模拟平台搭建时间透镜系统，对所述全光合路系统的处理性能进行分析。

2.1 相位调制格式全光合路性能分析

在接收端利用接收机将得到的合路信号进行解调，接收机解调过程为：利用带宽为10 GHz的幅度调制器AM(Amplitude Modulator)对得到的OTDM光信号采样，再经1 bit光延时干涉仪进行相位解调。得到解调后的信号眼图如图4（d）所示，其中横坐标代表解调后电信号的时域时间分布，纵坐标表示接收信号解调后的时域电信号的相对强度，本文中所有数据都是通过同一接收测量方法得到，所以相对强度即可表明不同输入信号条件下的系统性能。解调后信号眼图张开清晰，对16 384 bits的数据进行误码对比，全光合路处理引入的误码率为0。结果表明，所构建的全光合路系统能够实现4路速率为10 Gbps、通信制式为DPSK的光信号全光合路处理，且引入误码极低，具有良好的全光合路处理功能。

2.2 混合调制格式全光合路性能分析

本节验证所述全光合路系统对混合调制格式光信号的合路性能，以满足在激光骨干网络接入节点处，同时响应不同通信制式激光链路的接入请求这一现实功能需求。调整图3中信号端MZM的偏置电压和驱动幅值，得到速率为10 Gbps、波长分别为1 554.94 nm和1 556.55 nm的2路强度调制OOK（On-Off Keying）信号光和波长为1 555.74 nm、1 557.36 nm的2路DPSK信号光。全光合路系统中，泵浦光的线性啁啾加载过程各器件参数设置保持不变，线性啁啾处理后的泵浦光与4路混合通信制式的信号光耦合后注入HNLF2中，耦合光谱如图5（a）所示。在HNLF2中由FWM效应产生闲频光，FWM输出光谱如图5（b）所示，在这一过程中线性啁啾的泵浦光同样对闲频光产生二次型相位调制作用。再利用OBPF2滤出闲频光并注入DCF进行色散控制后，得到数据合路后的1路40 Gbps信号光，其时域波形如图5（c）所示，其中缺失的2个时隙为OOK通信制式中的“0”码元。可见所构建的全光合路系统具备通信制式兼容的特性，能够同时实现相位调制和强度调制混合的激光链路同时合路处理，使空间激光骨干网络接入节点的响应能力更强。

在接收端利用接收机对得到的1路40 Gbps合路信号进行解调分析，接收机仍采用带宽为10 GHz的幅度调制器对得到的40 Gbps合路OTDM光信号进行采样，然后分别利用直接探测方式对OOK信号进行解调、利用1 bit光延时干涉仪对DPSK信号进行解调。图5（d）给出解调后的一路OOK信号眼图，张开度清晰，表明信号质量好；解调后的DPSK信号眼图与图4（d）类似。分别对OOK通信制式和DPSK通信制式对16 384 bits的数据进行误码对比，接收端其误码率均为0，表明所构建的全光合路系统在进行混合制式合路处理时仍然具备良好的合路性能。

3 关键参数影响分析

3.1 色散

然后，分析HNLF2色散系数对全光合路性能的影响，这是因为FWM效应要求信号光和泵浦光满足相位匹配条件，而HNLF2的色散作用将破坏这一匹配要求。将HNLF2的色散系数依次设定为– 0.02 ps/(nm·km)、– 0.22 ps/(nm·km)、– 0.32 ps/(nm·km)、– 0.42 ps/(nm·km)和– 0.62 ps/(nm·km)，其余参数设置不变，将得到的合路信号进行解调并计算其误码率，结果如图7所示。可以看出随着HNLF2色散系数绝对值增加，全光合路后的信号光畸变加剧，误码率显著增加，当色散系数绝对值小于0.32 ps/(nm·km)时，合路信号无输出。这是因为，随着HNLF2色散系数绝对值增加，信号光和泵浦光之间走离效应加剧，两者相位匹配度降低而使FWM效率下降，从而生成的闲频光功率降低，全光合路系统性能严重劣化，当HNLF2的色散系数在– 0.32 ps/(nm·km) ～ – 0.12 ps/(nm·km)时，FWM效应才可高效率发生。因此，实际系统中泵浦光波长应选在HNLF2零色散波长附近，且HNLF2色散系数绝对值应尽可能小。

3.2 功率

首先分析输入信号光功率对全光合路性能的影响。以速率为10 Gbps的DPSK信号为例，当取误码率为10–7时，其理论极限接收光功率为– 47 dBm，考虑实际系统与理论值的差距，预留5 dB功率冗余，取全光合路的4路DPSK信号输入功率在– 38 dBm ～ – 42 dBm范围内，以1 dB为步长变化，其余参数设置不变，分析输入信号光功率对全光合路系统性能的影响，结果如图8所示。可以看出，随着输入信号光功率降低，全光合路后的OTDM光信号功率也相应降低；对16 384 bits数据进行误码对比时发现，输入光功率波动并不会在全光合路系统中引入新的误码，全光合路性能仍可保持极低误码性能。因此，输入信号光功率虽然影响HNLF2中FWM效应的效率，但因对其相位匹配要求无影响，故在实际系统中只要输入信号光功率达到EDFA2响应范围，即可实现性能良好的全光合路处理。

4 结束语

本文基于高非线性光纤中的四波混频参量效应及色散处理，构建了可用于空间激光骨干网络边缘节点的全光合路处理系统，实现了4路速率为10 Gbps、调制格式为DPSK的激光链路全光合路处理，并验证了系统对混合通信制式全光合路处理的可行性。基于VPI 10.0对合路后的光信号进行解调分析及误码对比，结果表明所构建的全光合路系统具有良好的数据合路处理功能，且兼容混合通信制式，可有效提高空间骨干网络边缘节点的全光处理能力。接着分析了器件色散、输入光功率等参数对全光合路系统的性能影响，为实际系统设计和应用提供有力依据。随着“点对点”空间激光通信技术日益成熟，以激光链路构建骨干网络来支持大容量探测数据快速回传，是下一代空间信息网络的发展趋势。在空间激光骨干网络边缘节点实现多路激光数据全光合路处理具有带宽大、系统简单、制式兼容等优势，可有效利用骨干网大容量数据传输优势，降低系统SWaP需求，为空间信息网络建设及激光链路的全面应用提供支撑。

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Research on the all-optical data aggregation technology in the space laser communication network

JIA Shuaiwei1,3, WANG Wei1, XIE Xiaoping1,3, HUANG Xinning2

（1. Dept. Photonics Network, Xi'an Institute of Optics and Precision Mechanics of CAS, Xi'an 710119, China;2. College of Physical Science and Technology, Yangzhou University, Yangzhou 225001, China;3 University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China）

Aiming at the multi-channel laser link transmission requirements of access node in space laser communication network, the all-optical data aggregation, based on the parametric four-wave mixing (FWM) effect in the high nonlinear fiber combing with dispersion controlling, is proposed and analyzed. The all-optical processing system is constructed on the VPI 10.0 simulation platform and the feasibility analysis is carried out. Four DPSK modulated optical links at data-rate of 10 Gbps each are optically aggregated into one 40 Gbps link. The aggregation of mixed optical links, with OOK and DPSK modulation types, is also validated. Then the fiber dispersion and optical power, which are crucial in the aggregation performance, are separately varied and the corresponding system performance such as eye-pattern diagram and bit error ratio are analyzed. The obtained results can reliably support the practical system design and application. The proposed system in this paper owns several application advantages such as broader bandwidth, modulation transparency and lower complexity. Thus, it is helpful in the cost and space resource demand reduction, and can technically support the comprehensive development and application of the next generation space laser backbone network.

Space laser communication network; All-optical data aggregation; Four-wave mixing; Time-lens

V443+.1

A

CN11-1780(2022)04-0070-10

10.12347/j.ycyk.20211227001

郏帅威, 汪伟, 谢小平, 等.空间激光通信网络中的全光数据合路技术研究[J]. 遥测遥控, 2022, 43(4): 70–79.

10.12347/j.ycyk.20211227001

: JIA Shuaiwei, WANG Wei, XIE Xiaoping, et al. Research on the all-optical data aggregation technology in the space laser communication network[J]. Journal of Telemetry, Tracking and Command, 2022, 43(4): 70–79.

中华人民共和国科学技术部重大项目（No.2017YFC0803905）

黄新宁（huangxinning@yzu.edu.cn）

2021-12-27

2022-01-26

Website: ycyk.brit.com.cn Email: ycyk704@163.com

郏帅威 1997年生，博士研究生，主要研究方向为高速光信号处理。

汪 伟 1982年生，研究员，硕士生导师，主要研究方向为空间光通信。

谢小平 1976年生，研究员，博士生导师，主要研究方向为空间/海洋高速激光通信网络、空间激光通信和空间光交换等。

黄新宁 1986年生，副教授，硕士生导师，主要研究方向为超快全光信息处理。

(本文编辑：傅 杰)