光子计数无线光通信研究进展*

刘宁松 ，汪 琛 ，徐智勇 ，赵继勇 ，后世民 ，张秋芳

（1.陆军工程大学 通信工程学院，江苏 南京 210007；2.中国人民解放军32228部队24分队，福建 福州 350000；3.中国人民解放军94860部队，江苏 南京 210046）

0 引 言

随着无线光通信的不断发展，对通信距离的需求不断提高，因此对实现远距离弱链路下的可靠通信提出了重大需求[1]。在远距离弱链路下，到达接收端探测器的信号光功率在光子量级，超出了传统的雪崩光电二极管（Avalanche Photodiode，APD）的灵敏度极限。此时，APD探测到的光信号将完全湮没在热噪声与雪崩噪声中，无法从中提取出任何有效信息[2]。因此，需要提高系统接收端灵敏度。

根据原理不同，可通过以下两种方式[3]：一是使用基于相干检测的信号调制解调方案，提高接收灵敏度；二是使用单光子探测器取代传统的光电检测器，提高探测灵敏度。但在相干解调系统中，需要在接收端增加与信号光在空间上严格相干的本振光源，因此系统存在结构复杂、功耗大、成本高的缺点。为了实现低复杂度、低功耗、小体积的高灵敏度接收，采用基于单光子探测器的光子计数技术是进行弱信号检测的理想选择。将传统强度调制/直接检测光通信系统中的PIN二极管或APD替换为单光子探测器，运用光子计数技术对光信号进行探测，可突破现有光通信系统的灵敏度极限，实现远距离弱链路下的可靠通信。

1 研究现状

由于光存在波粒二象性，在光功率极低的情况下，光信号主要表现为粒子性，此时接收端处于散粒噪声受限模式，信道表现为泊松信道。下面将对近20年来发展的具有代表性的光子计数无线光通信演示与实验系统做简要介绍。

2004年，美国宇航局（National Aeronautics and Space Administration，NASA）进行了火星激光通信演示（Mars Laser Communication Demonstration，MLCD），如图1所示[4]。

图1 火星激光通信演示系统

该演示论证了在1 064 nm波段上，采用64位脉冲位置调制（Pulse Position Modulation，PPM），探测器为单光子雪崩光电二极管（Single Photon Avalanche Diode，SPAD）阵列，从地球到火星380 000 000 km距离的10～30 Mbit/s的高速激光通信[5]。

图2 地球-月球激光通信演示系统

紧接着2008年，在MLCD的研究基础上，NASA启动了月球激光通信演示（Lunar Laser Communication Demonstration，LLCD），如图2所示。LLCD论证了在1 550 nm的波段上，采用16位PPM调制，探测器使用SNSPD阵列，实现从地球到月球400 000 km距离的下行622 Mbit/s、上行20 Mbit/s的高速通信[6]。2013年初，在戈达德太空飞行中心，成功将数据传输到位于月球勘测轨道上的月球大气和尘埃环境探测器[7-8]。

2012年，英国赫瑞-瓦特大学P. A. Hiskett等人搭建了基于SPAD的水下无线光通信系统，并在实验室1.1 m的通信距离下使用光子计数接收成功进行了通信[9]。如图3所示，系统中光源工作波长为450 nm，调制方式采用OOK调制，调制速率40 MHz；接收端单光子探测器为SPAD[10]。实验中采用多次重发信号序列的方案，然后通过对每个比特时间内的计数值进行判决得到比特信息。

图3 水下光子计数无线光通信系统

2018年，D. Chitnis等人在室内对基于SPAD阵列的光子计数通信系统与基于APD的传统光通信系统性能进行了比较研究，如图4所示[11]。实验中SPAD阵列包含60个探测器单元，对死时间、脉冲宽度与系统误码率的关系进行了研究。实验结果表明，在黑暗条件下SPAD阵列灵敏度比APD高出30 dB以上。

图4 光子计数可见光通信实验系统

2 单光子探测器基本原理

2.1 单光子探测器基本结构

如图5所示，单光子探测器由4个功能模块组成，分别为雪崩抑制模块、光电检测模块、信号处理模块及脉冲输出模块。其中，光电检测模块的作用是对入射光信号进行探测，并输出雪崩电流；信号处理模块的作用是对输出的雪崩电流信号进行处理，并进行鉴别根据鉴别结果驱动脉冲输出模块；脉冲输出模块的作用是根据信号处理模块输出的鉴别结果，输出标准的计数脉冲表征是否探测到光子；雪崩抑制模块的作用是在光电探测模块发生雪崩事件后，及时抑制雪崩事件持续发生保护探测器不被永久性击穿，并在淬灭一段时间后，使光电检测模块重新处于工作状态。

图5 单光子探测器结构示意图

2.2 主流单光子探测器

经过了八十多年的发展，逐渐形成了三种主流的单光子探测器，分别为光电倍增管（Photomultiplier Tube，PMT）[12]、单光子雪崩光电二极管（Single Photon Avalanche Diode，SPAD）[13]、超导纳米线单光子探测器（Superconducting Nanowire Single Photon Detector，SNSPD）[14]。

PMT是最早出现的一种单光子探测器，广泛应用于紫外波段的光信号检测，具有光敏面大、光子探测效率高的优点，但存在工作偏置电压高、体积大、易受电磁干扰等缺点。

SPAD是在1961年出现的一种全固态单光子探测器，广泛应用于可见光和近红外波段的光子检测，具有体积小、结构稳定、工作偏置电压低的优点，但存在光敏面小、后脉冲较大、暗计数高的缺点。

SNSPD是在1991年出现的新型单光子探测器，具有光子探测效率高、最大计数率高、暗计数低、无后脉冲的优点，但是需要工作在绝对零度附近，对温控装置要求极高，会造成探测器整体体积大、功耗高。

随着无线光通信终端逐步向小型化、低功耗、低成本、低复杂度的发展趋势。在目前主流的单光子探测器中，小体积、全固态结构、工作稳定、可工作于热电制冷的SPAD是移动通信终端上高灵敏度光电检测器的理想选择。

2.3 SPAD工作原理

根据所使用的雪崩抑制模块不同，可分为3种雪崩抑制模式：被动模式[15]、主动模式[16]、门控模式[17]。3种抑制模式的主要性能指标，如表1所示。被动抑制电路与主动抑制电路的门宽基本都在10 ns以上，而工作于门控模式时最短门宽可达1 ns以下。

表1 3种雪崩抑制模式对比

对于工作在通信波段的InGaAs/InP SPAD，由于受材料品质的限制，其内部缺陷较多，会导致后脉冲效应严重，必须通过延长死时间或缩短门宽来抑制后脉冲效应[18]。但延长死时间会降低SPAD的最大计数率，缩短门宽是实现高速探测的关键技术。因此，门控模式是实现SPAD高速探测的理想选择。

门控型SPAD的工作时序图，如图6所示，在外部触发模块输出的触发脉冲控制下，单光子探测器内部雪崩抑制模块会生成周期性的门控信号，使APD在较短的门宽内处于工作状态。当SPAD处于工作状态时有光子入射并触发雪崩事件，输出光电流进入信号处理模块。当光电流大小超过其阈值电平时，信号处理模块会触发脉冲输出模块输出标准的矩形计数脉冲，来表征单光子探测器探测到光子。通过外部电路对输出的计数脉冲个数进行统计，即可得到相应时间间隔内的总计数值，用于提取信号比特信息。

图6 门控型单光子探测器工作时序图

3 面临的主要问题

3.1 发展趋势

随着对通信带宽与通信距离需求的不断提高，未来的无线光通信系统需要向以下方向发展：

（1）提高发送功率；

（2）提高探测灵敏度；

（3）提高接收动态范围；

（4）提高通信速率。

针对以上四个发展需求，研究基于光子计数的无线光通信系统，可以较好地解决探测灵敏度与接收动态范围不足的问题。此外，随着单光子探测器最大计数率、光子探测效率的不断提高与大规模单光子探测器阵列的不断发展，光子计数通信系统的通信速率受限问题也将逐步得到解决。

3.2 面临的主要问题

泊松信道中的光信号进入单光子探测器后，转换为离散的计数脉冲序列输出，通过对序列中的计数脉冲密度进行统计得到信号比特信息。由于实际中的单光子探测器并不是完全理想的，其存在计数率受限、光子数不可分辨及死时间等不理想因素，导致输出的计数脉冲与入射光子并不完全一一对应，因此泊松信道下的接收理论并不完全适用实际的光子计数无线光通信系统。相比于理想的单光子探测器，SPAD主要存在以下几个不理想因素[19]：

（1）光子探测效率，当光子级别信号入射时，有一定概率发生无光子被吸收的情况，造成信号的漏检。

（2）暗计数，当无光子入射时，SPAD内部产生的暗载流子也可能触发雪崩事件，输出错误的计数值。

（3）后脉冲，与暗计数产生错误计数脉冲原理相似，在之前发生的雪崩事件中被缺陷捕获的载流子再度释放触发雪崩事件，也会输出错误的计数值[20]。

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（4）光子数不可分辨，当有多个自由载流子同时触发雪崩事件时，SPAD只输出一个计数脉冲，即单次开门中多光子被吸收时，只产生一个有效计数。

（5）最大计数率受限，SPAD单位时间内开门次数是受限的，SPAD在进行一次光子探测后必须淬灭一段时间，才能重新处于工作状态[21]。

针对SPAD的不理想因素，光子计数通信面临主要问题有：

（1）泊松信道：由于弱光光子到达服从泊松分布，而且SPAD探测光信号时，采用记录的计数脉冲个数（即发生雪崩事件的次数）作为样本判决信号，符合标准计数过程，因此理论上输出的计数值服从泊松分布[22]。但由于SPAD存在光子数不可分辨与最大计数率受限的问题，所以实际上输出的计数值并不完全服从泊松分布。

（2）计数值判决门限：由于SPAD输出的是计数值，要根据计数值判决比特信息，这与传统的光通信系统有很大不同。

（3）后脉冲效应：由于SPAD内部的载流子捕获再释放过程，后脉冲造成的影响是一个历史相关过程，会给输出的计数值带来额外波动。

4 关键技术

4.1 背景噪声抑制技术

由于太阳光通过大气产生散射，会在接收端天线视场上产生一个弥漫的背景噪声。光子计数通信系统中，到达接收端的信号光功率非常弱，信号会被湮没在背景噪声中。同时，背景噪声过大会使接收机饱和，所以需要抑制背景噪声的强度。根据参考文献[23]中的分析，背景噪声需要控制在接收端信号光功率之下，才能在较低代价下，使系统误码率达到10-3，为了抑制背景噪声通常采用以下几种方法：

4.1.1 窄带滤波器

4.1.2 偏振滤波

由于激光在大气中的偏振态保持程度比较好，可通过控制发送端只发出一种偏振态的信号光，同时在接收端使用一个和发送端偏振态相匹配的偏振滤波器。这样的设计方案可以获得额外的3 dB信噪比增益，可以进一步抑制背景噪声。

图7 布拉格光栅带通滤波器与法布里-珀罗梳状滤波器带宽图

4.1.3 空间滤波

由于大气湍流会改变光信号的传播方向，可通过控制接收机的视场角，使接收机始终处于信噪比最佳的工作状态。由于大气湍流是一个时变的过程，接收端需要一直监视和修正视场角，使视场角一直处于使信噪比在最佳状态。

NASA的火星激光通信演示系统中，通过对单光子雪崩光电二极管阵列中输出数值的控制，来达到调整探测器视场角的目的。探测器阵列如图8所示，根据对不同位置元素输出计数值的统计，决定是否使用该元素作为本次探测的依据[25]。因此在低信噪比时，选取的元素应该集中在阵列中较小区域；相反地，高信噪比时，选取的元素会占据阵列中较大区域。

图8 单光子探测器阵列结构

4.2 信号检测技术

由于弱链路受限于泊松噪声，传统的高斯信道下的检测技术不再适用于光子计数通信。此外，单光子探测器的间隔工作模式与光子数不可分辨，对通信系统的调制方案、信号结构、帧同步方案也需要进行特别设计。

4.2.1 信号检测方案

由信号光子、背景光子吸收产生的自由载流子与内部产生暗载流子都可能触发雪崩事件，使SPAD输出计数值。单个门内发生雪崩事件，并不能代表SPAD成功检测到了信号光子[26]。因此，使SPAD在单个比特时间内完成多次开门，然后根据比特时间内产生的总计数脉冲个数，与判决门限进行比较得到比特信息，可有效克服SPAD单个门输出的随机性，实现可靠通信。具体的信号检测方案如图9所示，发送端内使用强度调制将比特信息序列转换为发射光强，调制的波形为标准方波。调制后的光信号经过发送天线发射，经过大气信道后被接收天线接收，与背景光一起送入SPAD进行检测。经过检测后，SPAD输出离散的计数脉冲序列，对计数脉冲进行数值统计，并与计数值判决门限进行对比，得到当前信号的比特信息[27]。

图9 信号检测方案框图

4.2.2 信号数据结构设计

光子计数通信系统中的信号结构需具备三个功能：第一，有效地对信息进行编码；第二，能让接收机有效捕获信号；第三，具备同步功能。

NASA的月球激光通信演示系统中基于PPM调制方式，设计了长度为1s的信号结构，如图10所示[28]，其组成包括：数据信息部分、信号探测获取部分与时间同步部分。探测序列是一个周期为5 ms的单一PPM序列，功能为接收机在空间上捕获信号光；接收端探测器阵列通过收集探测序列的能量来确定信号光是否在接收机视场角内。在信号结构中每隔一定长度插入一个时间同步信号，用于同步接收机端的时间。框架同步信号是用于精确地定位框架边界以区分探测序列部分与传输数据序列部分。

图10 信号数据结构示意图

4.2.3 信号检测算法

根据参考文献[29]，使用门控型单光子探测器时，接收端输出的比特时间内计数值输出可用二项分布拟合，实验与理论拟合结果如图11所示。此外，根据参考文献[30]，对于主动抑制型单光子探测器，对于死时间大于、等于及小于比特时间的情况，接收端输出的计数值均可用二项分布拟合。

图11 输出计数值概率质量函数

因此，对于光子计数通信系统，进行最大似然接收时，其最大似然函数需要基于二项分布重新进行推导。对发射信号s的估计s^为：

其中，P为发射信号为s时的门触发概率。

由于其输出计数值的方差与发射信号功率有关，所以对于光子计数通信的星座设计还未有通用的设计准则。此外，对于其最大似然接收的算法简化，也还在研究之中。在实际应用中，可根据计数值的二项分布，先计算得到接收机的非等间隔门限，然后再进行信号判决。

4.3 信号同步技术

由于单光子探测器的不理想因素，光子计数通信系统中的信号同步需要以计数脉冲序列为基础，设计一种基于计数值统计的同步方案。

参考文献[31]中，提出了一种基于计数值估计的信号帧同步方案，如图12所示。根据预先对接收到的同步光脉冲所检测输出计数值的估计。然后，逐一对以预定开门次数为长度的门序列中，对计数值进行逐步估计，直至寻找到预定输出计数值，即认为此处为同步光脉冲位置，完成信号的帧同步。

图12 同步系统框图及同步信号波形

5 结 语

随着无线光通信的不断发展，对远距离弱链路下的信号接收提出了重大需求。使用单光子探测技术，可大大降低对发送功率需求，是实现弱信号接收的关键技术。光子计数通信有望成为未来人类在太空深海探测中的主要高速通信手段。