非线性光谱展宽载波的湍流信道高速传输特性

王天枢，张莹，于策，董芳，马万卓，刘显著

（1.长春理工大学空间光电技术国家地方联合工程研究中心，吉林 长春 130022；2.长春理工大学光电工程学院，吉林 长春 130022；3.长春理工大学电子信息工程学院，吉林 长春 130022）

1 引言

无线激光通信与微波通信相比，调制速率更高，频带更宽，且不占用频谱资源；与光纤通信相比，具有施工周期短、成本低、安装灵活等优点[1-2]。然而，无线光通信的最大缺点是受大气信道影响比较严重，导致功率衰减、光束漂移、光束扩展和光强闪烁等问题。

长期以来，由于大气湍流的影响，长距离自由空间光通信发展遇到了障碍。理论分析和数值模拟等方面的许多研究表明，部分相干光束受湍流的影响小于相干光束。Salem 等[3]从理论上证明了湍流环境传输的部分相干光束与相干光束相比具有优势。Shirai 等[4]首先验证了湍流对部分相干光束的影响小于相干光束。Liu 等[5]证明，在大气湍流通道中，相干性较低的高斯谢尔模型光束与相干性较高的光束相比，其漂移和变形较小。产生部分相干光的方法很多，主要包括扩展光源、空间光调制器及旋转随机相位屏等。Deschamps 等[6]使用扩展光源发出的非相干光生成部分相干光。Dogariu 等[7]使用旋转随机相位屏实验生成了部分相干源。Shirai 等[8]提出液晶空间光调制器，对激光束的相位和幅度进行调制，控制入射光束的相干性并生成部分相干光。Xiao 等[9]提出了一种使用由不同长度的光纤组成的光纤阵列来产生部分相干光的方法，光纤阵列是用于部分相干光生成的相对简单的方法。但是，以上方法产生的部分相干光调制速率较低，很难突破Gbit/s 量级，难以获得高速空间光通信的应用。

采用超快光纤激光激发的超连续谱是一种稳定的部分相干光源，作为光通信载波源，其不仅可以利用部分相干特性抑制大气湍流的干扰，而且由于高重复频率特点，还可以实现对光源的高速调制。Zhang 等[10]报道了采用超连续谱部分相干光源载波的大气高速传输实验，速率在4 Gbit/s 条件下，闪烁因子降低了30%。然而，该部分相干光源的最高重复频率仅为4 GHz，无法实现高速调制。基于光谱的非线性展宽相比于超连续谱，不仅可以保证光源的部分相干性，而且脉冲能量还能更高。

本文介绍了一种高速部分相干光源载波的大气激光信息传输方法，采用10 GHz 高重复频率皮秒光纤激光激发800 m 长高非线性光纤，获得10 GHz重复频率的非线性光谱展宽，实现了10 Gbit/s 的高速调制。在模拟大气湍流信道中，实验研究了单通道闪烁因子、眼图、信噪比和误码率等传输特性。

2 实验结构

部分相干光理论以光场的统计特性为基础。设r1、r2为光场中任意两点，则两点间的空间−时间光场可以用互相干函数来描述，即

其中，〈〉表示求平均，*表示复共轭，U(r1,t+τ)和U(r2,t)分别表示t+τ时刻和t时刻的复变光场。

归一化的互相干函数被称为复相干度，即

部分相干光载波和相干光载波在大气湍流中的传输对比如图1 所示。基于非线性光谱展宽，部分相干光载波在大气湍流中传输时，由于本身的多色性，即便受到大气吸收或散射的影响，不同于单一频率的传输，多波长传输时总会有一部分到达接收端。由于受到大气湍流的影响，相干光载波在大气湍流中传输时会发生不同方向的折射，只有少部分到达接收端[12]。

图1 部分相干光载波和相干光载波在大气湍流中的传输对比

非线性光谱展宽载波的空间传输实验结构如图2(a)所示，实验中将1 550 nm 分布式反馈（DFB,distributed feedback）半导体激光器作为种子光源，通过偏振控制器（PC,polarization controller）调整光束偏振状态，采用马赫−曾德尔电光调制器（MZM,Mach-Zehnder modulator）1 将光源调制成重复频率为10 GHz 的脉冲光，调制信号由任意波形发生器（AWG,arbitrary waveform generator）Keysight M8195A 的通道1 产生。为了获得功率较高的非线性光谱展宽，首先对脉冲进行压缩，使脉冲获得更高的峰值功率。脉冲压缩系统中，利用8 km单模光纤（SMF,single mode fiber）补偿光纤中的正啁啾，可将脉冲宽度从38 ps 压缩至23 ps。压缩后的窄脉冲注入掺铒光纤放大器（EDFA,erbium-doped fiber amplifier）1 放大，输出峰值功率为23 dBm，再利用可调谐滤波器（TF,tunable filter）来滤除放大器中的自发辐射噪声。将放大后的脉冲注入3 km 色散位移光纤（DSF,dispersion-shifted fiber），利用高阶孤子效应，将脉冲宽度从23 ps 进一步压缩至8.4 ps[13]。

图2 基于光谱非线性展宽的高重复率部分相干光束在模拟大气中的传输

如图2(b)所示，通过另一个掺铒光纤放大器（EDFA2）将高峰值功率脉冲平均功率放大到27 dBm后，再泵浦800 m 高非线性光纤（HNLF,highly nonlinear fiber）获得非线性光谱展宽。文献[10]表明，由于泵浦光为相干光源，故距泵浦波长较远的光谱相干度较低。实验中，采用粗波分复用器（CWDM,coarse wavelength division multiplexer）过滤出1 560～1 580 nm 范围内的展宽光谱（20 nm），作为高速载波光源。

AWG 通道2 产生的10 Gbit/s 二进制伪随机序列通过另一个马赫−曾德尔电光调制器（MZM2）对载波光源进行数字调制，高重频脉冲激光的调制与高速数字调制采用时钟同步，以实现较好的调制效果。高速调制激光通过一对光学准直器在大气湍流模拟信道中进行传输，接收端采用低噪声前置放大器来补偿信道损耗和耦合损耗引起的功率衰减，通过高速光电探测器进行信号检测，并通过误码分析仪检测误码率。

大气湍流模拟系统利用热空气对流原理建立，为中弱大气湍流模拟系统，与基于空间光调制器和旋转相位板模拟的大气湍流相比，该系统属于物理环境模拟，更接近真实湍流环境，具有结构简单、易于控制的优点。如图3 所示，大气湍流模拟系统包括一个模拟大气箱和一个自动控制器。该大气湍流模拟系统可以通过调整大气的相干长度参数来模拟湍流变化，以模拟弱湍流和强湍流。相干长度参数是利用热对流原理调节的，大气箱内部上面板为冷却板，下面板为加热板，控制器控制两面板的温度差来实现空气对流。

图3 大气湍流模拟系统

模拟大气箱上的冷热板可通过循环水保持稳定的室温。底板上有3 个相同的加热板，箱体内的温度逐渐升高。冷却板和加热板的长度和宽度分别为2 m 和1 m，它们之间的间距为0.35 m。加热板和冷却板均可通过自动控制器进行控制。箱体内部有一些温度检测器，用于实时测量湍流模拟系统的温度。自动控制器可以通过检测器适当改变模拟大气箱的温度，以形成闭环控制过程。模拟大气箱的每一侧都有2 个窗口，可以用作模拟大气通道的输入和输出端口[14-15]。

相干长度(r0)是描述湍流强度的参数，当湍流强度增加时，相干长度减小。通过在不同的ΔT条件下测量r0可知，r0=48ΔT−0.81。高速电荷耦合器件通过式(3)测量闪烁因子。

其中，σ2表示闪烁指数，I表示瞬时光强度[16]。

通过减小湍流区域和外部区域之间的温度差(ΔT)，温度缓冲区域在湍流区域周围以保持湍流稳定。大气湍流强度可以通过ΔT来调节。模拟系统的折射率结构常数范围为，在弱湍流条件（接近）下，1 550 nm 非调制激光的闪烁因子分别为0.012 3、0.005 42 和0.002 17，分别对应于ΔT的230℃、150℃和80℃[17]。使用公式，等效传输距离大约为1 km，其中，是波数，cn是大气折射率结构常数。

3 结果及分析

图4(a)为10 GHz 的高重频脉冲序列，脉冲间隔为100 ps，这意味着在强度调制下，最高传输速率可以达到10 Gbit/s。通过光谱分析仪观测到的光谱非线性展宽如图4(b)所示，并通过20 nm 光谱滤波获得光谱非线性展宽载波光源。

图4 重复频率10 GHz 的脉冲序列及光谱非线性展宽光源

当上下面板温差ΔT=230℃时，相干光载波和部分相干光载波的闪烁因子如图5 所示，平均值分别为0.014 4 和0.009 61。显然，与相干光载波相比，光谱非线性展宽光源载波可以减少由大气湍流引起的闪烁，从而减少由大气湍流引起的功率波动。

图5 相干光载波和部分相干光载波的闪烁因子

实验中，相干光源和光谱非线性展宽光源的传输速率均为10 Gbit/s，经过湍流信道前后的信号眼图及信噪比如图6 所示。如图6(a)和图6(c)所示，对载波光源进行数字调制后的背靠背信噪比分别为16.83 dB 和11.83 dB，相干光载波的信噪比高于部分相干光载波。然而，通过ΔT=230℃模拟大气湍流通道后，如图6(b)和图6(d)所示，相干光载波和光谱非线性展宽光载波的信噪比分别从16.83 dB和11.83 dB 降低至4.31 dB 和5.64 dB，分别恶化了12.52 dB 和6.19 dB，显然大气湍流对光谱非线性展宽载波光源通信链路的影响较小。

如图7 所示，在不同湍流强度下部分相干光载波和相干光载波的单通道10 Gbit/s 传输链路的误码率。当误码率为3.8×10−3时，10 Gbit/s 的部分相干光载波和相干光载波经ΔT=0℃（无湍流条件下），部分相干光载波和相干光载波接收灵敏度分别为−30.9 dBm 和−32.3 dBm。这表明，在无湍流条件下，部分相干光载波链路的灵敏度高于相干光链路，因为部分相干光载波较低信噪比导致灵敏度较低。经ΔT=80℃大气湍流模拟装置后的接收灵敏度分别为−30 dBm 和−29.5 dBm；经ΔT=150℃大气湍流模拟装置后部分相干光载波和相干光载波接收灵敏度分别为−29.2 dBm 和−28.2 dBm；经ΔT=230℃大气湍流模拟装置后，部分相干光载波和相干光载波接收灵敏度分别为−27.8 dBm 和−26.2 dBm。在通过大气湍流之后，部分相干光载波链路的灵敏度高于相干光载波链路，可见，部分相干光载波具有更好抑制大气湍流影响的能力。

图6 湍流通道(ΔT=230℃)前后的相干光载波和部分相干光载波的眼图和信噪比

4 结束语

本文提出了基于非线性光谱展宽的高重复频率部分相干光载波光源的产生。将部分相干光载波光源的重复频率从4 GHz 提高到10 GHz，实现了在模拟大气湍流通道中的部分相干光光载波单通道10 Gbit/s 传输，并研究了其模拟大气通道中的传输特性。实验对比了相干光载波和部分相干光载波的湍流前后的信噪比，经湍流通道后，信噪比分别恶化了12.52 dB 和6.19 dB，在ΔT=230℃的模拟大气湍流通道中，部分相干光载波链路灵敏度提高了1.6 dB。实验验证了部分相干光载波在大气湍流中实现高速调制传输的可行性。