下一代空间激光骨干网络全光处理技术*

陆红强，汪 伟，黄新宁，刘建伟

下一代空间激光骨干网络全光处理技术*

陆红强1，汪 伟2，黄新宁3，刘建伟1

（1 西安应用光学研究所 西安 710069 2 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 3 扬州大学物理科学与技术学院 扬州 225000）

构建以高速激光链路为传输主体的空间激光骨干网络，是保障空间数据高速传输、提升信息共享率与时效性、实现信息服务网络全球覆盖的重要技术手段。空间数据容量的快速增加要求网络节点处数据处理带宽与之相适应且具备一定扩展性和兼容性。由于空间激光骨干网络节点较少、数据快速传输的特点，围绕我国下一代空间激光骨干网络节点处高带宽、低延迟的数据处理需求，基于交叉相位调制XPM和四波混频FWM两种光学三阶非线性效应分析并讨论了骨干节点处高速激光链路的交换/组播、制式转换及中继/再生全光数据处理技术，为我国下一代空间信息网络建设及高速激光链路的全面应用提供支撑。

空间激光骨干网络；三阶光学非线性效应；全光处理

引 言

空间信息网络具有链路建立快、移动性强、不受地理位置限制等特点，在航空航天、远洋航行以及导航定位、空间科学研究等国计民生和国防安全领域具有不可替代的作用[1-3]。空间激光通信技术因其高传输速率、无需申请频段牌照等优势，是实现空间数据实时传输的重要途径，在天基骨干网、深空探测、载人航天器及深海潜器间海量数据传输方面具有巨大应用需求和发展潜力[4-7]，近年来世界范围内已多次成功在轨演示验证[8-12]。随着空间平台数量增加以及空间激光通信技术日渐成熟，“点对点”通信的视距要求、信道条件敏感及节点间数据资源共享不及时等问题亟待解决，基于高速激光链路构建空间激光骨干网络，既解决了“点对点”通信系统链路建立中的限制问题，又可实现“一对多”、多调制格式兼容的空间激光通信模式，极大提升了空间探测信息的共享率和时效性，是未来空间海量数据实时传输以及多元平台与网络走向融合的发展趋势，世界航天大国均部署了可覆盖全球的空间激光通信网络研发计划[13-16]。

在各空间激光通信网络规划中，骨干激光链路的数据传输容量将达到100 Gbps量级[17-19]，网络节点处的大容量数据高速处理面临新的问题。考虑到空间平台的体积、重量、功耗SWaP（Size, Weight and Power）资源稀缺，空间节点的主要功能为数据收集，因此，其获取的大容量数据应尽快下传至地面控管中心，而无需在空间进行过于复杂且精细的高速激光数据处理。全光信息处理技术的颗粒度虽无法精细化至比特量级，但可对光信号的幅度、相位、频率、偏振等多个参量进行处理，且具有响应时间短（fs量级）、处理带宽大（Tbps量级）、可重构可调谐[20]等优势，非常适用于空间激光骨干网络中100 Gbps量级的高速激光链路处理。由于其无需“光-电”互相转换过程而使得骨干节点的载荷结构极大简化，进而降低了研制成本。

本文基于交叉相位调制XPM（Cross-Phase Modulation）和四波混频FWM（Four-Wave Mixing）两种非线性效应，分别研究了空间激光骨干网络中物理层高速数据的交换/组播、制式转换以及中继/再生等处理技术在全光域的实现方式，如图1所示，可为我国下一代空间全光网络及天地一体化信息网络等重大工程建设提供技术支撑。

图1 空间激光骨干网络数据处理示意图

1 三阶非线性效应

常用的非线性介质可选择半导体光放大器SOA（Semiconductor Optical Amplifier）、高非线性光纤 HNLF（High Nonlinear Fiber）或光子晶体光纤PCF（Photonic Crystal Fiber）等具有高非线性系数的器件。如图2所示，在非线性介质中，上述XPM效应和FWM效应常同时产生，在实际光信号处理过程中可根据需求进行选择。

图2 XPM和FWM非线性效应仿真图

2 全光交换/广播技术

如前所述空间激光骨干网络具有节点少、获取的大容量数据应尽快下传至地面站等特点，此类网络中的高速激光链路交换可采用基于波长地址的全光链路交换WOCS（Wavelength-based Optical Circuit Switching）方式实现。与基于微机电系统的MEMS光开关实现光链路交换相比，WOCS具有更优的交换地址可扩展性（MEMS一旦器件选定则无扩展性）和更快的响应时间（MEMS为ms量级，WOCS为fs量级）[30-32]。以四节点（不同波长区分节点地址）激光骨干网为例，如图3所示，链路级交换方式可简单快速实现大容量数据交换，从而有效避免因网络阻塞引起的数据时效性降低（如节点3→节点4→节点1，在节点3处进行波长地址全光交换），也可在原定信道劣化或目标节点处于视距范围外而使得激光链路难以建立时（如节点3→节点2传输路径不可用），提供备用传输路径以保障信息及时传输（选择备用路径节点3→节点1→节点2），这在时效性要求较高的灾害监测、救援等应用场景中十分必要。

图3 基于波长地址的全光交换示意图

骨干节点处的WOCS处理应兼容不同空间平台激光链路在数据速率、通信制式方面的差异，故可采用对链路强度、相位信息均透明的FWM效应实现，以满足节点兼容性要求。同时WOCS的交换性能应不受接入激光链路特性（如偏振、功率、波长）影响，且覆盖足够宽的波长地址范围，因此基于FWM效应实现WOCS时可采用两束泵浦光并使其偏振态平行或正交，也可采用单个泵浦源并控制其偏振态与非线性介质成特定角度[22]。以单泵浦光为例，如图4所示，控制其偏振方向45°入射具有双折射轴的光子晶体光纤PCF（Photonic Crystal Fiber）中，当光纤长度满足一定条件时[23]，输出端FWM效率几乎不受入射信号光偏振态随机变化影响。

利用上述实验装置，在信号输入端分别采用强度调制OOK（On-Off Keying）、二进制相移键控BPSK（Binary Phase-Shift Keying）和正交相移键控QPSK（Quadrature Phase-Shift Keying），并在输出端采用相应解调方案，验证了基于FWM效应实现WOCS的可行性及通信制式兼容性，如表1所示，结果表明这一技术方案适用于空间激光骨干网络的高速激光链路全光交换处理。

当接入数据需要同时分发给多个目标节点时，在骨干节点上可以采用全光方式实现数据组播。具体实施方法如图5所示，根据组播数目设定FWM效应中的泵浦光数量及波长，即可实现同一数据向多个波长地址节点发送。

图4 单泵浦FWM效应偏振无关实验设置图

表1 波长地址全光交换实验结果

3 全光制式转换技术

当激光链路在骨干网络中所选择的传输路径条件劣化，或受到其他因素影响使激光链路不具备全速率传输条件时，可选择降低数据速率传输，以保障链路通畅性；此外，在同样的数据速率和误码率条件下，采用相位调制（如BPSK）的理论接收灵敏度小于强度调制（如OOK），即相位调制信号在接收端对入射光功率的要求更低[24]，这使得相位调制更适于长距离传输；而当两个不同制式的网络之间需要进行数据交互时，也需要进行通信制式的转换处理。如图6所示，上述骨干节点处的通信制式处理均可借助非线性手段在全光域实现。

图5 基于FWM效应实现全光组播

图6 通信制式转换示意图

其中，为HNLF的非线性系数，为有效长度。此时在HNLF输出端将探测光滤出，并采用自差相干探测的方式进行解调，得到的眼图如图7（b）所示，实现了通信制式从OOK向BPSK全光转换处理。

当传输路径不具备全速率传输时，对于高阶相位调制光信号还可基于FWM效应实现M阶至M/2阶制式转换处理，在骨干节点处进行降速率处理以保障链路畅通。

图8 无数据丢弃的QPSK至BPSK制式转换示意图

4 全光中继/再生技术

高速激光链路在天基激光骨干网络中经中继节点转发时，因空间长距离传输导致光功率衰减且信号质量劣化，需要在每个中继节点进行光信号再生处理方可进一步转发，以保障数据高性能传输。对于相位调制信号，采用“光放大+滤波”的中继方式不能达到信号质量改善的目的[28]，针对相位噪声的抑制和相位调制信号的全光再生，可采用前述PS-FWM效应来实现。

其中，为与泵浦光功率相关的参量增益，为非线性介质长度，为非线性系数，为信号光和泵浦光之间的相位失配量。在这一过程中，信号光功率增益随泵浦光功率增加而增加，且相位传递函数趋于阶梯形，如图9（b）和图9（c）所示，若信号光为二进制相位调制（如BPSK），则在PS-FWM过程中不仅获得功率增益，且相位噪声被压缩，对于同等劣化光信号，相比于直接接收，经过全光中继处理后的系统误码率提升约4量级（即10–3提升至约10–7量级），表明基于PS-FWM效应的全光中继处理可以有效提升相位调制激光链路的信号质量，使得相位信息得以再生[16]。

5 结束语

随着国家战略高边疆拓展、基于“地面5G+天基卫星”架构的6G技术研究推进以及商业航天的蓬勃发展，未来的空间激光通信网络将朝着超大容量、超远距离的方向发展，承担大容量数据快速传输的天基激光骨干网络应具备处理带宽大、资源需求小等特点，以保障空间高速激光数据的快速实时传输。本文针对天基激光骨干网络节点处超高速激光链路的低时延、高带宽全光数据处理需求，探究了基于三阶非线性XPM效应和FWM效应实现空间接入节点处全光交换、全光制式转换以及全光中继等“光入-光出”的数据处理技术，具有处理带宽大、系统结构简单的优势，且因为XPM效应与FWM效应可同时发生，通过合理设置系统结构可实现一套系统多种光数据处理的目的，极大降低对空间节点的体积、重量、功耗等资源的需求量，能够为我国下一代空间全光网络、天地一体化信息网络等建设提供技术支撑。

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All-optical processing techniques for next-generation laser-based space backbone-networks

LU Hongqiang1, WANG Wei2, HUANG Xinning3, LIU Jianwei1

（1. Xi'an Institute of Applied Optics, Xi'an 710069, China;2. Dept. Photonics Network, Xi'an Institute of Optics and Precision Mechanics of CAS, Xi'an 710119, China;3. College of Physical Science and Technology, Yangzhou University, Yangzhou 225000, China）

The laser-based space backbone-networks are important technological approaches to guarantee the high-speed transmission of the space date, as well as to promote the information sharing efficiency and finally to realize the global-area-coverage of the space information service network. The increasing space data capacity requires compliant bandwidth of the adopted processing methods, and the method should also be extensible and compatible. This paper aims at the high-bandwidth and short-latency data processing requirements in the next-generation laser-based space backbone-networks, combining with the backbone-network’s characteristics of simple-construction and fast-data-transmission, and proposes the all-optical processing techniques for the aforementioned networks based on the optical third-order nonlinear effects in medium with highly-nonlinear coefficient. The all-optical methods for the laser-link switching/multicasting, the format conversion and the data-relaying/regeneration are discussed and these methods can be used to support the construction of the next-generation space information networks.

Laser-based space backbone-networks; 3rdoptical nonlinear effects; All-optical processing

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

TN929.13

A

CN11-1780(2022)06-0056-08

10.12347/j.ycyk.20220318001

陆红强, 汪伟, 黄新宁, 等.下一代空间激光骨干网络全光处理技术[J]. 遥测遥控, 2022, 43(6): 56–63.

10.12347/j.ycyk.20220318001

: LU Hongqiang, WANG Wei, HUANG Xinning, et al. All-optical processing techniques for next-generation laser-based space backbone-networks[J]. Journal of Telemetry, Tracking and Command, 2022, 43(6): 56–63.

国家自然科学基金（No. 51705121）

黄新宁（huangxinning@yzu.edu.cn）

2022-03-18

2022-10-19

陆红强 1979年生，博士，研究员，主要研究方向为机载光电侦察和空间光通信载荷。

汪 伟 1982年生，博士，研究员，主要研究方向为空间光通信。

黄新宁 1986年生，博士，副教授，主要研究方向为超快全光信息处理。

刘建伟 1972年生，硕士，研究员，主要研究方向为机载激光通信。

(本文编辑：杨秀丽)