刘超 1,2,3,4,*李学莹 1,2,3张开河 1,2,3兰斌 1,2,3[ ... ]鲜浩 1,2,3,4
1 自适应光学全国重点实验室，四川 成都 610209
2 中国科学院自适应光学重点实验室，四川 成都 610209
3 中国科学院光电技术研究所，四川 成都 610209
4 中国科学院大学，北京 100049
随着人类对太空的探索日益加深，传统射频通信愈发不能满足高速深空通信的需求，各航天国家先后对深空激光通信技术开展研究。激光通信是实现空间通信的一种重要手段，相比于传统射频通信，激光通信具有通信速率高、终端载荷小、抗干扰能力强等优点，更适用于超远距离的深空通信。目前，美国进行的研究最多，且已成功实施了两次深空激光通信演示验证。本文针对已有的深空激光通信研究与演示结果进行综述，分析了实现深空激光通信的关键技术，对深空激光通信的发展历程与未来发展进行了探讨。
深空激光通信 激光通信 深空探测 星际激光通信 激光与光电子学进展
2024, 61(7): 0706015
1 中国科学院上海光学精密机械研究所航天激光工程部，上海 201800
2 中国科学院大学材料与光电研究中心，北京 100049
提出一种基于四象限探测器跟瞄和通信复用的强度调制直接探测的空间光通信系统，以超声波电机驱动的双光楔为光束偏转执行单元形成光束位置跟踪的闭环系统。驱动电机转动周期为15 ms，位置分辨率为0.83 μrad。经理论分析和实验验证，该系统的位置闭环跟踪-3 dB带宽约为4 Hz。当位置探测误差小于10%时，即光束探测精度小于12 μrad，对应的探测灵敏度为-45.2 dBm。在10 Mbit/s的通信速率和无信号编码下，误码率为1×10-3时对应的通信灵敏度为-44 dBm。验证了利用四象限探测器作为跟踪与通信复用探测器的可行性，可应用于小型化、轻量化的星间激光通信终端。
自由空间光通信 四象限探测器 位置分辨率 跟踪带宽 通信灵敏度 激光与光电子学进展
2024, 61(7): 0706013
1 中国科学院空间应用工程与技术中心，北京 100094
2 中国科学院大学，北京 100094
激光通信是近年深空探测领域的研究热点之一。深空激光通信采用脉冲位置调制（PPM）提升通信能量效率，并使用单光子探测器以高效地接收信号。其中，超导纳米线单光子探测器（SNSPD）被广泛认可是最优选择之一。本文分析了SNSPD的死时间和抖动特性，以及高速脉冲信号的拖尾现象，对基于PPM-SNSPD调制探测方式的深空激光通信产生的影响，并计算了SNSPD在该体系下的光子计数特性。基于分析，提出一种偏移补偿保护时隙PPM符号同步算法。相较普通的保护时隙同步算法，所提算法能有效减少PPM-SNSPD体系下的同步误差，提升系统误码率。
自由空间光通信 深空激光通信 脉冲位置调制 单光子探测器 激光与光电子学进展
2024, 61(7): 0706012
Author Affiliations
Abstract
1 National University of Defense Technology, College of Advanced Interdisciplinary Studies, Changsha, China
2 National University of Defense Technology, Nanhu Laser Laboratory, Changsha, China
3 National University of Defense Technology, Hunan Provincial Key Laboratory of High Energy Laser Technology, Changsha, China
Orbital-angular-momentum (OAM) multiplexing technology offers a significant dimension to enlarge communication capacity in free-space optical links. The coherent beam combining (CBC) system can simultaneously realize OAM multiplexing and achieve high-power laser output, providing substantial advantages for long-distance communication. Herein, we present an integrated CBC system for free-space optical links based on OAM multiplexing and demultiplexing technologies for the first time, to the best of our knowledge. A method to achieve flexible OAM multiplexing and efficient demultiplexing based on the CBC system is proposed and demonstrated both theoretically and experimentally. The experimental results exhibit a low bit error rate of 0.47% and a high recognition precision of 98.58% throughout the entire data transmission process. By employing such an ingenious strategy, this work holds promising prospects for enriching ultra-long-distance structured light communication in the future.
orbital angular momentum coherent beam combining free-space optical communication bit error rate Advanced Photonics Nexus
2024, 3(3): 036003
复旦大学信息科学与工程学院电磁波信息科学教育部重点实验室，上海 200433
为了在保持帧结构完整性的同时，低代价地传输管理和控制信号，提出面向高速频分复用相干无源光网络（FDM-CPON）的两种传输管理和控制信号传输机制，即数字端辅助管理和控制通道（AMCC）和数据通道的相加和相乘。通过将AMCC传输的通断键控（OOK）信号映射为数据通道信号幅值的变化，完成数据通道信号幅值再调制，成功将AMCC与数据通道相结合，实现了管理和控制信号与数据通道信号的同步传输。实验结果表明，在基于16QAM传输20 km光纤的200 Gbit/s FDM-CPON系统中，当AMCC的带宽和调制因子（MI）相同时，乘性AMCC对于信号性能的影响更小，自身传输信号的质量也更高。在AMCC的MI为26.1%、带宽为24.4 MHz时，乘性AMCC对信号灵敏度的惩罚比加性AMCC小3 dB。以上研究为未来高速相干频分复用无源光网络AMCC传输与系统设计提供重要参考。
光通信 相干无源光网络 相干光通信 光纤通信 频分复用 辅助管理和控制通道
西安理工大学 自动化与信息工程学院，西安 710048
【目的】相干光通信是一种高速、高质量和高保密的通信方式，而相干检测在相干光通信中有着极其重要的作用。高灵敏度的相干检测系统可以大幅提升相干光通信的距离，通过研究影响相干检测灵敏度的因素可以针对性地做出校正，从而提高检测的灵敏度。
【方法】文章简要阐述了相干检测的原理，总结了该领域的国内外研究进展，分析了无线光相干检测系统产生的热噪声、散粒噪声、波前畸变、偏振失配角、光斑尺寸偏差和光轴偏转、耦合效率、探测器的性能和前置光放大器等方面对相干检测灵敏度的影响。
【结果】结果表明，系统的热噪声和散粒噪声对检测灵敏度的影响可以通过控制本振光功率使其达到最小；信号光的波前畸变可以通过增加自适应校正系统来抑制；信号光与本振光的偏振失配角可以采用偏振控制补偿装置来补偿；光斑尺寸偏差和光轴偏转需要提高硬件的加工水平来减小这种误差；使用新型的探测器可以在一定程度上提升探测器的性能；前置光放大器能够对微弱的信号光进行放大，对提升检测灵敏度十分重要。
【结论】文章分析了影响无线光相干检测灵敏度的因素，总结了近年来国内外学者提高检测灵敏度的方法，为实际应用中检测系统灵敏度的提升提供了理论参考，对相干光通信系统性能的提升有着重要的意义。
无线光通信 相干检测 检测灵敏度 混频效率 wireless optical communication coherent detection detection sensitivity mixing efficiency 光通信研究
2024, 50(2): 23008101
光通信研究
2024, 50(2): 22008801
南京邮电大学 电子与光学工程学院、柔性电子（未来技术）学院，南京 210046
【目的】文章进行仿真研究实验的目的是提高正交频分复用（OFDM）—波分复用（WDM）光纤通信系统的性能，为此提出了正交分组子载波幅度整形（QGSAS）双相位共轭孪生波（dual-PCTW）方案以抑制该类系统的非线性效应，并搭建多种不同条件下的仿真系统以探究该方案的性能。
【方法】具体的实验方法为：利用Matlab和Optisystem两种软件混合编程，在16和64进制正交幅度调制（QAM）格式下，选取两种QGSAS方案（正弦幅度整形和矩形幅度整形），搭建了3种维度（偏振域、子载波域和时域）的QGSAS dual-PCTW OFDM系统，共涉及12种组合形式。
【结果】通过仿真分析不同方案下的系统误码率，结果表明：QGSAS dual-PCTW方案可有效提高系统对非线性效应的容忍度；在讨论的几种组合方案中，16QAM下时域方案的dual-PCTW技术对系统有最佳的性能改善；应用QGSAS技术时，矩形幅度整形方案性能优于正弦幅度整形方案。
【结论】因此可以得到结论：在文章所提方案中，矩形幅度整形方案结合16QAM下的时域方案dual-PCTW技术，可以最有效地抑制OFDM-WDM系统的非线性效应。
相干光通信 正交频分复用 双相位共轭孪生波 正交分组子载波幅度整形 非线性效应 coherent optical communication OFDM dual-PCTW QGSAS nonlinear effect 光通信研究
2024, 50(2): 22005301
1 中国信息通信研究院技术与标准研究所 互联网中心，北京 100098
2 北京邮电大学 电子工程学院，北京 100876
为了满足当前日益增长的通信容量需求，新型多载波光纤通信技术成为科研人员关注的焦点。文章回顾了近20年来传统正交频分复用（OFDM）在光纤通信领域的发展历程，梳理了近年来滤波器组多载波（FBMC）和通用滤波多载波（UFMC）在光纤通信领域的相关研究。自2016年以来，针对光通信中OFDM存在的问题，如：带外泄漏高、依赖循环前缀（CP），峰均功率比（PAPR）值过高和系统同步要求高等，国内外众多学者以新型多载波为突破口展开了研究。FBMC光通信具有旁瓣功率最低和频谱利用率高等特点，但是由于使用了偏移正交幅度调制（OQAM），对应的数字信号处理（DSP）算法需要针对虚部干扰重新设计。UFMC光通信具备强大的时间同步偏差容忍性，对频率偏移不敏感，可以复用OFDM的DSP算法，但也存在如何进一步抑制带外功率和降低计算复杂度等问题。最后，文章结合当前的研究现状，对下一代光纤通信系统的诉求提出了研究方向和建议。
多载波 光通信 正交频分复用 滤波器组多载波 通用滤波多载波 multi-carrier optical communication OFDM FBMC UFMC 光通信研究
2024, 50(1): 23015301
1 烽火通信科技股份有限公司，武汉 430205
2 武汉飞思灵微电子技术有限公司，武汉 430205
【目的】常用的max-log-map与log-map算法相比降低了软信息计算复杂度，但对高阶正交幅度调制（QAM）资源消耗仍较大，如8QAM、16QAM概率整形（PS）和64QAM PS。
【方法】8QAM采用星座区域划分的方式，文章中，软信息采用接收符号到最近比特0与比特1中垂线的距离信息表示，利用角度旋转和区域对称性简化计算距离信息；非麦克斯韦玻尔兹曼（MB）分布的16QAM PS和64QAM PS，比特1所在区域两侧边缘之间的中心界线与区域两侧比特0之间的中心界线不再重合，对区域进行合并近似，处理两界线间区域归属，展开max-log-map算法因式简化距离差计算软信息；基于MB分布的16QAM PS和64QAM PS的软信息可由非MB分布的软信息表达式化简得到。
【结果】经上述简化后，与max-log-map算法相比，8QAM软信息计算乘法次数48次和加减法次数75次分别缩减为12和16次，解调性能仅退化约0.05 dB；MB分布的16QAM PS乘法次数192次和加减法次数260次分别缩减为2和4次，解调性能仅退化约0.05 dB；更高阶的64QAM PS资源消耗缩减程度更大，乘法次数1 152次和加减法次数1 542次分别缩减为3和6次。
【结论】文章提出了适用于8QAM、MB分布的16QAM PS、MB分布的64QAM PS、非MB分布的16QAM PS和非MB分布的64QAM PS 软信息计算方法。当概率满足MB分布时，非MB分布的软信息计算方法可转化为MB分布计算方法；当PS因子为0时，基于MB分布的表达式可转化为均匀分布软信息计算式，非MB分布、MB分布和均匀分布的软信息计算可使用同一电路统一设计，提高电路复用率，降低硬件资源消耗。
光通信 数字信号处理 正交幅度调制 对数似然比 概率整形 optical communication digital signal processing QAM log likelihood ratio PS 光通信研究
2024, 50(1): 23010301
