非线性光学参量效应在空间激光通信网络中的应用研究

论文摘要

随着空间探索范围的扩大以及对地观测手段的增加,各种飞行器获取和需要传输的信息容量急剧增加,空间激光通信因其传输带宽大、抗电磁干扰能力强、无需申请频谱资源牌照等优势而成为近年来空间信息传输的研究热点。虽然已有多项空间激光通信在轨试验成功演示,但大气信道条件随机性对空间激光通信系统性能的劣化仍然是需要重点克服的技术难点。非线性光学参量效应能够产生新频率成分,且具有响应时间短、调制格式透明和数据速率透明等优点,是超高速激光数据全光处理的有效技术途径。本论文主要针对非线性光学参量效应在空间激光通信网络中的应用展开研究,取得的主要成果包括:1、分析了二阶、三阶非线性光学参量过程的物理实现。针对二阶参量差频效应（DFG）可实现跨波段波长转换这一特点,研究了其在实现空间中红外波段高速激光通信系统中的应用,分析了在周期性极化铌酸锂晶体（PPLN）中以较高效率产生DFG效应时的准相位匹配要求;针对三阶参量四波混频效应（FWM）的超快响应以及数据速率和调制格式透明物理特点,讨论了其在空间激光通信网络节点处的全光信息处理应用;重点针对FWM的相位匹配条件以及偏振敏感特性进行了分析;理论分析了简并四波混频（D-FWM）和非简并四波混频（ND-FWM）条件下偏振不敏感的实现方案,并给出了相应的仿真分析结果。本部分研究成果为后面实验系统的实现提供了理论基础。2、提出了基于DFG效应的跨波段、大范围光波长参量变换实现高速中红外（35μm）激光信号的产生与接收之技术思路,并成功搭建了高速中红外激光信号产生以及接收实验系统。中红外波段大气窗口在大气信道传输中具有优异的抗干扰性能,但受限于激光器、调制器、探测器等核心器件的成熟度,无法直接产生、且无法直接接收数十Gbps的高速中红外激光信号,使其在空间激光通信领域的实际应用性大打折扣。本文提出利用PPLN中的DFG效应在发射端将高速近红外波段信号搬移至中红外（1.55μm→3.6μm）,经过大气传输后在接收端再利用DFG效应将中红外信号搬移至近红外（3.6μm→1.55μm）。实验中实现了10Gbps、OOK与DPSK兼容的高速中红外激光信号发射与接收,且中红外波长可在较宽范围内调谐。这一系统充分利用了近红外波段（1.55μm）的器件成熟度以及中红外波段优良的大气传输性能,能够极大改善大气信道条件随机变化对空间激光通信系统性能的影响。3、提出了基于波长地址的空间激光通信网络全光交换技术思路。分析了空间激光通信网络的特点以及对节点处交换功能的要求,指出波长地址交换应用于空间网络节点极具优势;开展了基于FWM效应的空间节点波长地址交换实验研究,并对交换节点的通信制式/数据速率透明性、链路偏振无关性以及引入的信噪比损耗等重点性能进行了实验分析;实验结果表明基于FWM效应可实现C波段（1535nm-1567nm）范围内、兼容OOK、BPSK、QPSK的波长地址全光交换,且交换节点对上述通信制式引入的接收灵敏度损耗均小于1dB,信号随机偏振变化的敏感性小于0.6dB;随后基于实验研究基础研制了波长变换原理样机,并对其核心器件进行了初步环境适应性测试,为该技术的后续工程化转化提供参考。4、提出了基于FWM效应实现空间激光通信网络节点处的全光信息处理。仿真分析和实验研究了OOK和DPSK通信制式在空间激光通信网络节点处的放大-转发全光中继处理方式,中继节点引入的接收灵敏度损耗分别为OOK小于1.5dB和DPSK接近10dB,指出相位调制通信制式的节点处全光中继需采用全光再生中继方式,主要基于FWM的相位敏感放大过程实现;同时提出基于D-FWM过程的相位擦除效应可以实现不同网络之间的数据交换以及大气信道劣化条件下的降速率传输,实现了接收灵敏度损耗小于1dB的QPSK至BPSK制式转换,可有效保障空间激光网络的链路通畅性。

论文目录

文章来源

类型: 博士论文

作者: 黄新宁

导师: 赵卫,谢小平

关键词: 空间激光通信,参量效应,中红外高速激光信号,全光信息处理,波长地址交换,全光中继,全光制式转换,接收灵敏度损耗

来源: 中国科学院大学(中国科学院西安光学精密机械研究所)

年度: 2019

分类: 基础科学,信息科技

专业: 物理学,电信技术

单位: 中国科学院大学(中国科学院西安光学精密机械研究所)

分类号: TN929.1;O437

DOI: 10.27605/d.cnki.gkxgs.2019.000106

总页数: 171

文件大小: 9246K

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