自適應光學技術助力地球同步軌道星地相干光通信試驗

2020-11-23 中國科學院

　　近日，中國科學院光電技術研究所第八研究室雷射通信團隊成功將自適應光學技術應用於地球同步軌道星地相干光通信試驗。在中強大氣湍流強度下（r0≥3cm），經自適應校正後衛星下行信號光束波前畸變和光束抖動顯著抑制，跟蹤精度優於亞微弧度量級，波前精度優於λ/10（λ為信號光波長1550nm），保證了空間光至單模光纖的高效耦合，平均單模光纖耦合效率達28%以上。自適應光學校正後，單模光纖平均接收功率從0.2nW提高到4.8nW，相比校正前提高了13.8dB，顯著提升了相干接收機的信噪比。自適應光學技術解決了星地相干光通信大氣湍流的困擾,有效保障了星地相干光通信的可靠性，為實現同步軌道星地相干光通信試驗發揮了重要作用。

　　雷射通信系統是以雷射為信號載體，通過對雷射的調製解調來進行信息傳輸，具有高速、大容量和安全保密的特性，是解決未來大容量數據傳輸的最優途徑之一。長期以來，星地鏈路存在的大氣湍流效應造成信號光束波前畸變、光斑彌散、抖動，影響地面信號光能量接收，特別是使相干雷射通信的單模光纖接收尤為困難。在不進行大氣湍流抑制的情況下，相干雷射通信系統在常規的大氣湍流條件下幾乎無法工作。為實現高速率、高可靠的星地雷射通信，大氣湍流幹擾問題必須解決。

　　自適應光學（Adaptive optics, AO）是一項使用可變形鏡面校正因大氣抖動造成光波波前發生畸變，從而改進光學系統性能的技術。中國工程院院士、光電所研究員姜文漢於1979年在國內率先開展自適應光學研究，突破了波前校正器(包括變形反射鏡和高速傾斜反射鏡)、波前傳感器、波前處理機和波前控制等關鍵技術的基礎上，研製了一系列自適應光學系統，用於天文望遠鏡高解析度成像、ICF波前控制和活體人眼視光學研究等。針對雷射通信中大氣湍流抑制問題，第八研究室在國內率先開展了雷射通信自適應光學技術研究，解決了大氣動態波前高精度校正、高效率空間光至單模光纖耦合、同頻收發下大氣後向散射的波前幹擾等技術問題。2012年至今，已完成了多套大口徑雷射通信自適應光學地面站的研製。

　　自適應光學技術為星地相干雷射通信提供了良好的解決方案，解決了其星地通信的可靠性問題，使得其適應大氣湍流的能力顯著增強。從幾乎不可用變成夜間全時段和部分白天時段均可連續工作，大大提高了雷射通信系統在大氣湍流條件下的可用性，下一步團隊將向構建單站可全天時工作的雷射通信系統而努力。

圖1 雷射通信自適應光學校正系統示意圖

圖2 衛星高角36°時(r0=4cm)AO校正前後波前畸變(左)和光斑抖動(右)

圖3 AO校正前和校正後的單模光纖接收功率

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