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江苏激光产业创新联盟|空间激光通信技术发展现状及展望( 三 )


随着激光技术的进步 ， 受益于激光光束智能变换、激光相控阵等新技术的逐渐发展成熟 ， 将其应用于空间激光通信技术的捕获、瞄准、跟踪系统中 ， 使传统跟瞄模式发生改变 ， 可提高空间光通信系统的跟瞄精度、速度和可靠性 。 同时 ， 小型高效率激光器的出现也使跟瞄系统向小型化、轻型化和集成化发展 。 另外 ， 可采用粗精复合高精度跟踪 ， 通过激光光束智能变换 ， 在保证跟踪性能的前提下 ， 简化激光通信跟瞄系统 。
（二）通信收发技术
空间激光通信技术需要激光器具有大调制带宽、高发射功率和窄线宽等特点 。 具体来看 ， 激光调制技术的调制方式可以分为直接调制和间接调制 ， 由于直接调制方式使带宽和发射功率受限 ， 目前主要采用小功率种子激光源间接调制后通过高功率光纤放大器获得高发射功率的方法进行调制；根据作用光束的参数不同（如强度、频率、相位等） ， 可分为调幅、调频和调相等不同调制方式 ， 由于不同波长系统相应器件的差异 ， 调制方式也有所差别 。 目前空间激光通信技术采用的激光波长主要有800nm、1000nm和1550nm3个波段 ， 其中800nm波段的半导体激光器一般利用强度调制/直接检测（IM/DD） ， 1000nm波段的Nd:YAG固体激光器可采用各种调制方式 ， 而1550nm波段的半导体激光器与光纤通信系统兼容 ， 可采用多种高速调制方式并利用掺铒光纤放大器实现高速、高功率发射 。
激光通信接收机的高速探测器均由光纤耦合以适应高速探测器的小探测截面 ， 并有利于系统集成化 。 因此 ， 空间激光到光纤的耦合是激光通信接收部分的关键技术之一 ， 其中对光纤高效率耦合主要受模式匹配、对准偏差、菲涅尔反射、吸收损耗、平台振动等影响 。 现有的光纤耦合方法主要采用的是光学自适应、锥形光纤、光纤章动等 ， 尚未出现实质性突破 ， 光纤高效耦合技术仍是当前空间激光通信系统的主要难题之一 。
（三）大气补偿技术
当空间激光通信技术应用在星地、空空和空地等链路时 ， 激光在穿越大气层的过程中受大气湍流影响 ， 在传输时会出现接收功率抖动 ， 导致系统出现误码 ， 这在高速激光通信中更加明显[20] 。 为解决这一问题 ， 采用高精度实时波前畸变校正技术是抑制大气湍流对传输光束波前影响的有效方法 ， 即通过哈特曼传感器进行多孔径波面探测 ， 在一定程度上能够矫正波前畸变 。 但该技术的主要难点在于激光到达角起伏补偿、波面变形补偿和空中飞行时附面层影响补偿 ， 可通过探测系统引入波前畸变补偿镜技术进行联合校正 。
近年来有关大气信道的研究成果颇丰 。 例如 ， 2018年开展的基于部分相干载波的大气高速传输研究 ， 由有源锁模光纤激光器泵浦色散位移光纤而产生的超连续谱光源作为部分相干高速载波[21] ， 在1km大气湍流信道中 ， 相比于相干光源 ， 采用部分相干光载波源能有效抑制大气湍流造成的光强闪烁 。 而后 ， 证明了可将全光时分复用（OTDM）技术应用在部分相干光通信系统中以提升传输速率[22] ， 最高速率达到了16Gb/s 。
（四）光机电设计技术
为减小自由空间的功率损耗 ， 提高发射光学系统增益 ， 需要通信光束以近衍射极限角发射 。 在保证发射光学口径的基础上 ， 提高光束发射增益对光纤耦合技术、光束整形技术、望远镜面型设计提出了更严格的要求 。 为突破近衍射极限角发射的关键技术、发射激光源的整形准直技术和高效率光纤耦合技术 ， 亟需通过激光技术的发展 ， 研究光纤不同芯径、束散角与光学系统匹配的优化选取方法 。
对于光学基台技术 ， 要求对光学系统进行模块化、轻量化设计 ， 且能满足未来空间激光通信网络一点对多点动中通同时传输[23] 。 与此同时 ， 激光技术的广泛应用促成了多行业的标准化 ， 如基于激光技术的激光整形传输促成了元件的模块化和标准化 ， 降低了整机体积与成本 。


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