第5章空間無線光通信5.1概述5.2空間無線光信道特性5.3掃描、跟蹤與瞄準5.4空間無線光通信系統性能提升技術5.5軌道角動量系統5.6FSO回傳通信5.7發展方向本章小結

5.1概述

5.1.1空間無線光通信的發展

隨著空間無線光通信技術和空間儀器的不斷發展,空間無線光通信也邁進了嶄新的篇章。由于人們對高數據速率和高信道容量需求的增加,研究人員正致力于構建全光通信網絡體系結構,其中包括與衛星光網絡相連的地面衛星光通信鏈路和衛星地面光通信鏈路,如圖5－1所示。

圖5－1空間無線光通信鏈路

在其他軍事實驗室和航空航天實驗室也完成了多個實驗,這些實驗室演示了地面衛星、衛星衛星和衛星地面的光通信鏈路,例如:

①機載飛行試驗系統——在新墨西哥州,建立飛機和地面站之間的鏈路;

②激光交叉鏈路系統——建立地球同步系統的全雙工空間空間鏈路;

③光通信演示機——用于演示衛星地面的高速數據傳輸的實驗;

④平流層光學有效載荷實驗STROPEX——建立從機載站到可傳輸光學地面站的高比特率下行光通信鏈路;

⑤火星激光通信演示系統——在地球和火星之間建立高達10Mb/s數據傳輸速率的光通信鏈路;

⑥機載激光光學鏈路演示器(其法語縮寫為LOLA)———首次演示了在高空飛機和GEO衛星(ARTEMIS)之間的雙向光通信鏈路。

在研究空間FSO通信時,需考慮激光上行鏈路與下行鏈路或星間鏈路所涉及問題的不同。其原因有兩方面:

一方面,由于激光從地面衛星的上行鏈路進行通信時,光束會先經歷大氣,再經歷非大氣路徑到達接收端,因而激光從地面衛星的上行鏈路進行通信時的主要挑戰為大氣折射率的時空變化將導致光束失真和光束與接收端之間未對準;

另一方面,當激光從衛星地面的下行鏈路通信時,會導致光束幾何擴散(主要由束散角損耗引起)和較小的擴散(由大氣湍流或光束轉向變化引起),但是當光束通過非大氣路徑到達距離地球表面約30km時,大氣湍流對下行鏈路傳播的影響一般非常小,因而激光從衛星地面的下行鏈路進行通信時的主要挑戰為光束的幾何擴散。

5.1.2FSO通信較RF通信的優勢

FSO通信的優勢如下:

(1)高帶寬。

(2)功率和質量要求低。

圖5－2所示為從火星傳回地球時FSO信號和RF信號束散角的對比。

圖5－2從火星傳回地球時FSO信號和RF信號束散角的對比

表5.1給出了FSO和RF通信系統之間功率和質量的比較。

(3)高定向性。天線的定向性與其增益密切相關。FSO載波相對于RF載波的優勢可以從天線增益的比值中看出,如下式:

(4)無須頻譜許可。

(5)安全性高。

FSO通信除了上述優勢外,還具有以下優勢:①易于擴展和減少網段的大小;②設備重量輕、體積小;③部署簡單快速;④能夠在不能使用光纖電纜的地方使用。

然而,FSO通信系統雖然具有許多優勢,但相對于RF通信系統,還是存在一些缺點:其一,FSO通信系統激光的定向性雖然很好,但是波束還是會隨距離的增加而慢慢變寬,因此需要使用精確的ATP系統;其二,FSO通信傳輸質量除了受天氣影響大外,太陽相對于激光發射機和接收機位置也會對FSO通信傳輸質量產生影響,因為在特定的傳輸線路中,當太陽光的背景輻射增加時,會導致FSO通信系統的性能變差。

5.1.3FSO通信系統波長選擇

FSO通信系統波長是影響系統鏈路性能和檢測器靈敏度的一個非常重要的設計參數。

表5.2總結了在實際運用中各空間無線光系統所使用的波長。

國際照明委員會將光輻射分為三類,即IR-A(700~1400nm)、IR-B(1400~3000nm)和IR-C(3000nm~1mm)。它們可以細分為以下幾種:

(1)近紅外(NIR):是一種低衰減窗口,波長范圍為750~1450nm,主要用在光纖中。

(2)短波長紅外(SIR):波長范圍為1400~3000nm,其中1530~1560nm為長距離通信的主要光譜范圍。

(3)中波長紅外(MIR):波長范圍為3000~8000nm,主要用在導彈制導的軍事應用中。

(4)長波長紅外(LIR):波長范圍為8000nm~15μm,主要用在紅外熱成像

5.1.4相關研究進展

雖然在以往的文獻中對FSO通信進行了研究,但是這些研究大多以近地FSO通信鏈路為主,而對于空間無線光鏈路的研究較少。對于空間無線光鏈路的研究,Hemmati等人提出了深空光通信的要求及其未來前景。隨后Cesarone等人介紹了深空光鏈路應用的各種發展趨勢和關鍵技術,其中包括光通信的路線圖,該路線圖可滿足深空光鏈路的未來需求和提高其性能優勢。

本章將圍繞空間無線光通信進行介紹,重點介紹該領域中所面臨的挑戰、現狀和最新研究趨勢,同時詳細介紹地面衛星/衛星地面和星間光通信鏈路所面臨的各種挑戰,以及在物理層和其它層(數據鏈路層、網絡層或傳輸層)上所使用的性能提升技術。由于目前大多數調查報告僅涉及物理層的緩解技術,因此本章不但會介紹物理層中的緩解技術,還會介紹其它層中的緩解技術。最后將介紹近年來研究者提出的一種新方法,即利用軌道角動量(OAM)來改善深空和近地光通信的質量。

5.2空間無線光信道特性

地面衛星和衛星地面之間的FSO通信經常會受到大氣湍流的影響。FSO通信技術利用大氣信道作為傳播介質,該傳播介質可視為時間、空間的隨機函數,即FSO通信可被視為一種依賴于天氣和地理位置的隨機通信場景。各種不可預測的環境因素,如云、雪、霧、雨、霾等,都會造成光信號的強烈衰減和數據傳輸距離受限。對于星間FSO鏈路而言,也存在很多限制因素,包括對準、背景噪聲和鏈路可靠性等。

5.2.1上行/下行FSO鏈路

地面衛星和衛星地面之間的FSO通信都需要采用大氣信道作為傳輸媒介。

在上行FSO鏈路中,由于光信號從地面終端發射出去后,其光束就開始經大氣信道傳播并逐漸地累積失真值,所以與下行鏈路相比,上行鏈路經歷的損耗更大。

在下行鏈路中干擾源接近接收機,光信號對應于平面波模型。光束在大氣中傳播時,會因各種不同因素的影響而造成功率損耗,系統設計工程師的職能就是仔細檢查并完成系統設計要求,以應對隨機變化的大氣情況。

1.大氣吸收與散射損耗

當激光束在大氣中傳播時,它可能會與大氣中的各種氣體分子、氣溶膠粒子產生相互作用。大氣信道中光強的損耗主要是由大氣吸收和散射過程造成的,在可見光和紅外波段

中,主要的大氣吸收物質是水分子、二氧化碳分子和臭氧分子。大氣吸收是一個與光束波長有關的現象。表5.3給出了在天氣晴朗情況下一些典型波長對應的分子吸收系數值。

信道中總體的大氣衰減用大氣衰減系數γ來表示,它由光的大氣吸收和散射損耗情況共同決定。因此,它可以被表示為4個獨立參數之和:

其中,αm和αa分別是分子吸收和氣溶膠吸收引起的衰減系數,βm

和βa分別是分子散射和氣溶膠散射引起的衰減系數。

在海平面以上不同高度的地面－衛星間,光信號傳播具有不同的透射光譜。大氣透過率在海拔較高地帶會增加,因為此時大氣中氣溶膠的影響較弱。在給定天頂角θ時,大氣透過率可被表示為

其中,γ是大氣衰減系數,積分上限H和h均表示大氣信道的垂直高度,λ是工作波長。

在FSO系統中引起大氣吸收和散射損耗的各種因素。

1)霧

導致大氣衰減的主要原因是霧,它不僅會導致大氣吸收損耗還會導致光的散射損耗。

式(5.4)定義了由米氏散射常用實驗模型給出的霧的衰減率:

2)雨

雨對于光信號的影響并不像霧那么明顯,因為雨滴的尺寸比用于FSO通信的光束波長大得多(約100~10000μm)。當工作波長約為850nm和1500nm時,小雨(2.5mm/h)至暴雨(25mm/h)的衰減損耗范圍為1~10dB/km

FSO鏈路在雨天的衰減率αrain表達式由下式給出:

3)雪

雪粒的大小介于霧粒和雨粒之間。

FSO鏈路在降雪天氣的衰減率αsnow表達式為

其中,S是降雪速度,單位為mm/hr;a和b分別為干雪參數值和濕雪參數值,它們的取值分別為

2.大氣湍流

大氣湍流是由于傳播路徑中大氣溫度與壓力變化而引起的一種不規則隨機運動。湍流中存在不同尺度和不同折射率的大氣漩渦。這些漩渦就像棱鏡或透鏡一樣,會對光束的傳

播產生干擾。由大氣湍流引入的波前擾動可以通過柯爾莫哥洛夫(Kolmogorov)理論模型進行描述。根據湍流的尺度和發射光束的直徑,可以確定以下三種大氣湍流效應。

1)湍流引起的光束漂移

當湍流尺度遠大于光束直徑時,就會產生光束漂移。它會導致光束在其傳播路徑上發生隨機偏轉,使通信鏈路無法工作。光束漂移是上行FSO鏈路中存在的一個主要問題,因為在上行鏈路中光束直徑通常都是小于漩渦尺度的。有時,光束漂移甚至會導致光束偏轉位移達幾百米。光束漂移的位移均方根值表達式為

2)湍流引起的束散角

若將光束的擴展也考慮到其中,當湍流尺度遠小于光束直徑時,入射光束將獨立地進行衍射和散射,進而導致接收光信號的波前相位畸變。

3)湍流引起的光強閃爍

當湍流的尺度數量級與光束直徑的數量級相當時,漩渦就會像透鏡一樣對入射光進行聚焦和散焦。但這會引起信號的能量重新分配,從而導致接收信號在時間和空間上呈現光

強起伏。接收信號的這些光強起伏又被稱為光強閃爍,它們是造成FSO系統性能下降的主要原因。大氣湍流也會導致初始相干光束的空間相干性的退化。根據相關資料,平面波和球面波的相干度表達式為

在表5.5中可以看到一些常用的實驗模型。

3.幾何損耗

當光束在大氣中傳播時,接收孔徑附近的衍射會引起光束發散,使得發射光束范圍內某些區域的接收機無法收集到光束,由此造成光束的幾何損耗。這種損耗會隨著鏈路長度

的增加而增加,除非增加接收機收集孔徑或采用接收分集技術。一般情況下,具有較窄束散角的光源更適宜長鏈路傳輸。

4.背景光噪聲

背景噪聲的主要來源于:

①大氣中的背景噪聲;

②來自太陽和其它恒星(點)物體的背景噪聲;

③接收機收集到的散射光。

通過限制接收機的光學帶寬,可以抑制背景噪聲的影響,例如帶寬非常窄(大約為0.05nm)的光濾波器就可用于抑制背景噪聲。

需要指出的是,天空背景輻射在白天和夜間都存在,其輻射度由接收機的視線日照角度、接收機的高度、分子和氣溶膠濃度以及云層密度所共同決定。接收機可以收集到的天空輻射功率為

5.對準誤差

在FSO通信系統中所使用的光束具有方向性強、束散角小等特點,而且接收機具有窄的FOV。因此,為了建立FSO通信鏈路,需要在發射機和接收機之間保持恒定的LOS連

接,微小的角度偏離就會導致FSO通信鏈路中斷,因此在整個通信過程中需要保證發射機和接收機之間精確的對準和捕獲。

圖53說明了存在隨機抖動時FSO系統的BER性能。圖5－3不同光束發散角與隨機抖動比值下的BER和SNR

6.云遮擋

積云會不時地對信號產生干擾,或完全阻斷地面衛星、衛星地面之間光信號的傳輸,從而導致LOS通信失效。根據地理位置和季節的不同,積云間歇性的阻塞可能持續幾秒到

幾個小時。如果星載系統是通過上行鏈路的信標信號實現跟蹤和對準的,那么阻塞會導致下行鏈路的信號偏離。

7.大氣寧靜度

與大氣相干長度r0緊密相關的光束擾動被稱為大氣寧靜度效應。當r0遠小于接收機孔徑DR時,接收信號會變得模糊,該模糊程度也可稱為大氣寧靜度,用λ/r0來表示,λ為光波波長。

8.到達角起伏

由于大氣中湍流的影響,激光束的波前在到達接收機時會發生畸變。這將導致光斑或接收圖像在接收機的焦面上發生偏移,該現象稱為到達角起伏。通過使用自適應光學或快

速光束轉向鏡可以減少該現象的發生。到達角起伏的變化<β2>可以表示為

進一步可簡化得到

5.2.2星間鏈路

由于衛星軌道遠高于大氣層,因此星間FSO鏈路幾乎不受天氣條件或云層的影響。在這種情況下,當兩顆衛星以不同的相對速度移動時,主要技術挑戰是捕獲和跟蹤技術。

1.提前指向角

由于發射機和接收機之間存在相對運動,故允許返回信號相對于信標位置可以存在一定的偏移量,從而可以將信號在適當的位置準確地傳輸到接收機。該對準偏移量稱為提前

指向角,它取決于兩顆衛星之間的相對速度。此外,提前指向角可減少信號在長距離鏈路上的傳輸時間。

一般情況下,在深空光通信鏈路中的提前指向角量級常達數百微弧度,而對于星間或地面衛星鏈路來說,其值一般為幾十微弧度。圖54進一步對PAA的概念做出了解釋,在T時刻由LEO發射光束,并在T+ΔT時刻接收到來自GEO的返回光束。

圖5－4空間通信中PAA的概念

2.多普勒頻移

光源與接收機之間的相對運動會使接收信號的頻率發生變化,從而產生多普勒效應。多普勒效應通常發生在軌道間的衛星通信場景中,此時較低軌道上衛星的運行速度大于較

高軌道上的衛星速度。在數據中繼系統的LEO-GEO之間進行數據傳輸時需要補償的頻移量約為±7.5GHz。對于兩個朝相反方向運動的LEO,頻移量還將增加。當產生信號的時

鐘頻率為2GHz時,因多普勒效應造成的頻移大約為140kHz。為此,需要在相干光鏈路中配備具有較寬調頻范圍的光輸入濾波器或本地振蕩器(LocalOscillator,LO)來解決多普勒頻移的影響。

3.衛星擺動與跟蹤

對于衛星間FSO鏈路,需要通過衛星或機載激光通信子組件來捕獲、跟蹤并接收LOS信號,這是星間FSO鏈路建立的一個難點。

衛星間FSO鏈路的跟蹤系統分為兩類:

①從通信信號中導出跟蹤信息的系統;

②使用單獨的信標信號進行跟蹤的系統。

這兩類系統均能夠實現星間FSO鏈路的各種跟蹤,如直流跟蹤、脈沖跟蹤、平方律跟蹤、相干跟蹤、音調跟蹤、前饋跟蹤和平衡環跟蹤等。

4.背景噪聲

星間鏈路的噪聲源取決于檢測技術以及系統是否被光進行預放大。對于直接檢測的接收機,其噪聲主要來自于檢測器(大量的暗電流噪聲)、接收機和放大器(前置放大器噪聲

和熱噪聲)以及由信號本身引起的散粒噪聲。對于相干檢測,局部振蕩器的散粒噪聲相對于其它噪聲源在系統中占主導地位。其它的背景噪聲源包括恒星和天體的輻射通量,或者是落在光檢測器上來自光學體發射出的光。

在此基礎上,接收端在恒星散射噪聲作用下所采集的背景功率的表達式為

5.3掃描、跟蹤與瞄準

建立空間光鏈路的第一步是掃描,這個過程涉及發射機在不確定的區域中掃描較窄的信標信號。而信標信號應該具有足夠大的峰值功率和低脈沖速率,以此來輔助接收機在大背景輻射場景下定位波束,然后在具有大FOV的掃描模式期間完成粗略檢測。掃描到的信標信號由接收機位置的檢測器所檢測,同時該信號檢測器也在其FOV上搜索信標信號,如圖55所示。

圖5－5Starte/Scan采集技術(終端A掃描不確定區域,終端B通過FOV進行掃描)

圖56中介紹了用于空間FSO通信系統中ATP的概念。圖5－6地面站與衛星ATP之間的系統框圖

發射端與接收端均采用穩定的信標,既可增強它們之間的光信號,也可以增強軌道回路的帶寬,以實現提高瞄準精度的目的。其中,如何選擇發散光束是最關鍵的問題,這不僅可以給接收信號提供足夠多的能量和在所需的采集時間內對目標進行初始檢測,而且還允許向窄波束跟蹤過渡。在星間、地面衛星兩種光學鏈路中,研究人員做了大量的實驗,

總結了如何提高掃描系統的性能和優化掃描時間的方法。

在空間無線光通信中,通常使用慣性傳感器、天體基準和上行鏈路信標的混合瞄準結構來實現對準。即便在一些特殊的情況下,僅使用無信標瞄準,也可提供所需的瞄準參考。

5.4空間無線光通信系統性能提升技術

大氣信道中環境惡劣的原因,致使接收到光信號的質量較低,從而造成FSO系統的誤碼率性能下降。為了改善FSO系統在惡劣天氣條件下的可靠性,研究人員引入一些技術來降低大氣信道的影響。這些技術在物理層或者其它的TCP層中,對減輕大氣湍流效應具有重要作用。這些技術包括多波束傳輸、增加接收機FOV、自適應光學、中繼傳輸、混合RF/FSO等。

這些技術包括多波束傳輸、增加接收機FOV、自適應光學、中繼傳輸、混合RF/FSO等。這幾種技術均為物理層中的抑制技術,而分組重傳、網絡重路由、服務質量(Qualityof

Service,QoS)控制、重新連接DTN是TCP層中的其它方法,這些方法均可用來提高FSO系統的性能。圖5－7描繪了用于空間光通信的各種減輕大氣湍流效應的技術。

圖5－7減輕大氣湍流效應的各項技術

5.4.1物理層技術

1.孔徑平均

孔徑平均可以通過增加接收機的孔徑大小來減輕大氣湍流的影響,接收機孔徑的大小可以均衡由于小尺度渦流引起的擾動,并且孔徑平均還能夠減輕信道衰落對信號的影響。

衡量孔徑平均衰落的參數稱為孔徑平均因子A,定義為孔徑RD的接收機信號波動方差與具有無限小孔徑接收機信號波動方差的比值,即

在衛星地面FSO鏈路中,弱湍流中平面波和球面波的孔徑平均因子近似為

2.分集

分集技術可以減少大氣湍流的影響,該技術能夠在時間、頻率和空間上發揮作用。在利用分集技術的情況下,不能使用單個大孔徑,而要使用較小的接收孔徑陣列,以便在時間、頻率或空間上發送互不相關的信號副本,并且有助于提高系統鏈路的可用性和誤碼率性能,同時也可限制由于激光器對準引起主動跟蹤的需求。

3.中繼

中繼輔助傳輸是解決FSO通信中由湍流造成影響的有效技術,分布式空間分集使多個終端能夠通過協作通信來共享資源,從而能夠以分布方式構建虛擬天線陣列。其中,一

根天線就可以得到巨大的分集增益,而不需要在發射機或接收機端使用多個孔徑。當SNR較高時,中繼傳輸性能良好,可以使接收信號強度高于信號的散粒噪聲和大氣衰落。相反,

在低SNR的情況下,中繼傳輸只會轉發收到信息中的噪聲。已有研究人員采用放大和正向中繼分析了衛星地面混合FSO鏈路的性能,并使用M進制相移鍵控獲得平均符號錯

誤率和分集順序。

4.自適應光學

自適應光學(AdaptiveOptics,AO)可用于減輕大氣湍流的影響,并有助于在大氣中傳輸未失真的光束。AO系統通過在光束傳入大氣之前,在光束中加入大氣湍流的共軛來對傳輸光束進行閉環控制,實現對光束的預校正。

接收信號的一部分被發送到波前傳感器,該傳感器為波前校正器的驅動器生成控制信號,如圖5－8所示。

圖5－8傳統的自適應光學系統

AO系統的設計要求其閉環頻率至少為格林伍德頻率的4倍(以Hz為單位)。格林伍德頻率由下式

式中νT(h)是風速的遍歷分量,C2n

是湍流強度,k=2π/λ表示波數(λ表示波長),L是路徑長度,h是位置增量,θ是仰角大小。格林伍德頻率反映了AO系統對大氣湍流引起的波動的響應速度。

5.調制

在FSO通信中,調制方案的選擇取決于兩個主要因素:光功率效率和帶寬效率。光功率效率高的調制方案實現起來比較簡單,對于低數據速率來說,能有效緩解湍流的影響;帶寬效率決定了給定鏈路長度與特定調制方案的FSO系統可達到的最大數據量。通常,FSO通信支持各種二進制和多進制調制方案。在這兩類方案中,二進制調制方案因其簡單高效而最為常用,最廣為人知的是OOK和PPM。

PPM的基本原理是將每個符號間隔劃分為M個時隙,并在這些時隙處放置一個非零的光脈沖,而其它時隙為空,利用脈沖位置的不同來傳遞信息。對于長距離或深空通信,PPM方案被廣泛使用,因為它提供了高峰值平均功率比(PeaktoAveragePowerRatio,PAPR),從而提高了其平均光功率效率。此外,與OOK調制不同,PPM不需要自適應閾值。然而,PPM方案在M值較高時帶寬效率較差。因此,對于帶寬受限的系統,多進制調制方案是首選。

表5.6顯示了4-PPM和4-PIM的源數據與傳輸數據之間的映射。

在DHPIM中有兩個預定義標頭,根據輸入信息不同選擇其中之一,如圖5－9所示。圖5－9DHPIM的符號結構

表5.7為對不同形式PPM調制方案的帶寬需求、峰值平均功率比(PeaktoAveragePowerRatio,PAPR)和容量的比較。

6.編碼

差錯控制編碼通過使用不同的前向糾錯方案(包括RS碼、Turbo碼、卷積碼、TCM碼和LDPC碼)來提升FSO鏈路的性能。研究人員對衰減信道中所使用糾錯編碼的糾錯性能研究已持續多年。這些編碼在傳輸的消息中通過添加冗余信息,以便在接收機上檢測并糾正由于信道衰減而導致的各種類型的錯誤。

7.抖動隔離與消除

為了在存在平臺抖動的情況下實現微弧度的指向精度,需要建立一個專門的對準控制子系統,以確保隔離和消除平臺抖動或衛星振動。在未消除平臺抖動時,由振動功率光譜

密度得出的光束誤點損耗可能超過10μrad。消除抖動可以通過使用振動隔離器或補償控制回路實現。其中隔離器分為有源和無源兩種基本類型。無源隔離器是機械低通濾波器,可為寬帶高頻振動提供經濟高效且可靠的解決方案。而對于低頻振動,使用振動控制系統、強制執行器和位移傳感器的有源隔離器是首選。

用于光束抖動控制的技術包括:

(1)使用線性二次高斯(LinearQuadraticGaussian,LQG)來設計加速度計到快速轉向鏡(FastSteeringMirror,FSM)的前饋,以及使用目標位置傳感器反饋給FSM;

(2)使用自調諧穩壓器(Self-TuningRegulator,STR)和采用自適應前饋振動補償Filtered-X最小均方(Filtered-XLeastMeanSquare,FXLMS)控制器;

(3)使用最小二乘/自適應偏置濾波器和線性二次穩壓器的組合來控制正弦抖動和隨機抖動。

8.背景光消除

背景噪聲的主要來源是日間太陽輻射。而日間背景噪聲量在很大程度上取決于工作波長,波長較長時的背景噪聲較小。背景噪聲可以借助空間濾波器以及具有高峰值平均功率

比的調制技術來緩解。選擇濾波器時需考慮的重要設計因素包括信號的到達角、多普勒位移激光線寬度和時態模式數。用于消除太陽背景噪聲輻射影響最合適的調制方案是PPM

(因為噪聲與時隙寬度成正比)。而高階PPM方案更節能,并能有效減小太陽背景噪聲,因而可作為星間鏈路的一種潛在調制方案。

9.混合RF/FSO

FSO通信的性能通常受天氣條件和大氣湍流的影響,并且這些因素都可能導致FSO系統的鏈路故障或誤碼率增加。因此,為了提高鏈路的可靠性和有效性,最佳的方法是將FSO系統與RF系統配對形成更可靠的系統,這樣的系統稱為混合RF/FSO,因而即使在惡劣的天氣條件下,利用該方法也能提供高效可靠的鏈路。影響射頻信號傳輸的主要原因是降雨(因為載波波長與雨滴的大小相當),影響FSO通信的主要原因則是霧。因此,當FSO鏈路斷開時,可使用低數據速率RF鏈路作為FSO的備份鏈路,這樣可以有效提高系統整體的可靠性。

5.4.2上層技術

1.重傳

自動重傳請求(AutomaticRepeatRequest,ARQ)等重傳協議廣泛用于數據通信,以實現可靠的數據傳輸的數據。該協議里,傳輸的數據以某種幀長度為分組的形式進行。如果由于某種原因,接收機無法在預定的時間幀內確認發送的分組,則重新發送分組。該過程會一直重復,直到發射機接收到從接收機確認過的幀或超過預設的計數器值。這種停止等待和返回NARQ協議,由于重傳,導致了較高的延遲、過高的功耗和帶寬損失。

另一種ARQ協議是選擇重復ARQ(SR-ARQ),其中數據分組從發送機連續地發送到接收機,而不需要等待來自接收機的單獨確認。接收機將繼續接收并確認收到的幀。如果在一段時間后沒有確認任何幀,則認為數據分組丟失并進行重新發送。ARQ協議可以在數據鏈路層或傳輸層實現。在任何一種情況下,接收機的終端必須有足夠的數據存儲能力,至少能夠在指定的時間段里使所采用的滑動窗口大小能夠緩沖接收來自發送機的數據分組。

2.重配置和重路由

路徑重配置和數據重路由用于在LOS丟失、大氣狀況不利或設備故障期間來增加FSO鏈路的可用性和可靠性。通過使用物理層和邏輯控制層機制對FSO網絡中的節點進

行動態重新配置,能夠使鏈路的可用性得到極大的改善。在物理層中,它使用ATP實現重新配置;在邏輯控制層中,它使用自主重構算法和啟發式算法。在這里,數據分組通過現有的其它鏈路重新路由,這些鏈路可以是光鏈路或低數據速率RF鏈路。自動重新配置用于光學衛星網絡,如果當前路徑中存在任何鏈路故障,則該鏈路動態地切換路由到備用路徑上。

通過以下方式可以實現拓撲控制和波束重配置:①拓撲發現和監視過程;②拓撲變化的決策過程;③FSO網路中到新接收節點光束的動態自主重定向(基于算法);④這些光束的鏈路重定向的動態控制。因此,重配置和重路由提高了FSO鏈路的可靠性,但這是以較高的處理延遲為代價的。這要求設計工程師必須通過可重新配置來確保鏈路的恢復,而不會產生較大的延遲影響并可降低設備成本。為此,在重路由過程期間,優先考慮具有最小延遲或最小跳數的路徑。

3.QoS控制

FSO通信中的QoS是根據數據速率、延遲、延遲抖動、數據丟失、能耗、可靠性和吞吐效率來衡量的。在FSO通信系統中,從一個節點到另一個節點的數據傳輸應滿足特殊

QoS等級給定的要求,否則其所提供的服務不能令用戶滿意。為此,FSO網絡的主要挑戰是要優化通信系統中端到端連接延遲、延遲變化、分組拒絕率、經費開支等方面的性能。可采用基于QoS的10Gb/s緩沖器來減輕混合RF/FSO網絡中強湍流條件下的分組丟失。

4.其它技術

重播是另一種促進FSO鏈路端到端連接的技術。如果無法重路由或重新傳輸,則FSO網絡可以在邊緣節點最多存放5s的數據分組。延遲(或中斷)容忍網絡(DelayTolerantNetworking,DTN)技術適用于具有間歇連接的網絡,因此,它是具有極端大氣條件下FSO通信的良好候選方案。

5.5軌道角動量系統

角動量是經典量子力學中最基本的物理量之一。角動量分為自旋角動量(SpinAngularMomentum,SAM)和軌道角動量(OrbitalAngularMomentum,OAM)。其中自旋角動量和光束的電場矢量的取向有關,而軌道角動量和垂直于光軸的橫截面上的光場分布有關。

5.5.1OAM概述

隨著數字信息化逐步滲透到人們的日常生活中,人們對移動通信業務和互聯網技術容量的需求在急劇增加,這對通信系統的有效性和可靠性帶來了一定的挑戰。如何在現有通

信技術基礎上進一步提高系統容量和頻譜利用率成為當前通信行業亟待解決的關鍵問題。為解決日益增長的數據需求與有限頻譜資源之間的矛盾,近年來使用光波作為通信載波的FSO通信技術得到廣泛關注和發展。與傳統微波通信技術相比,光通信系統具有可用頻譜寬、保密性強、體積小、搭建簡便迅速、造價低等優勢。

1.奇異性和拓撲電荷

渦旋是自然界普遍存在的現象,從液氮中的量子渦旋到海洋環流和臺風渦旋,甚至到銀河系中的螺旋星系,都有它的身影。渦旋現象不僅表現在宏觀物質中,還表現在電磁學和光學領域中。

在光學渦旋中,渦旋光束攜帶的軌道角動量為光波的空間域提供了一種新的編碼方式,可以實現信息編碼。渦旋光束的突出特性表現在其波前相位是螺旋型,光束中心存在相位奇點,因而渦旋光束的中心光強為零,這與它的拓撲相位結構有關。

為了采用簡單的形式來理解復雜的拓撲結構,這里引入著名的藝術作品———Escher的畫作《上升與下降》來分析這與拓撲類似的結構。畫作中的PenroseStairs(彭羅斯階梯)分為三層,如圖5－10(a)所示。

該結構也與著名的莫比烏斯環類似,其也具有類似的拓撲結構,如圖5－10(b)、(c)所示。

圖5－10藝術與科學渦旋的基本拓撲結構

對于封閉圓環軌跡的中心點,其相位不可定義,故被稱為相位奇點。數學上,拓撲電荷等于相位梯度的環路積分除以2π,因此拓撲電荷定義為

其中,C為圍繞奇異點的微小閉環,??為相位梯度。

2.軌道角動量和渦旋光束

隨著物理研究的不斷深入,人們逐漸認識到光具有波粒二象性,因此研究學者的視線也從波動理論延伸到量子光學中。動量是物理學中的一個基本物理量,與宏觀物體相似,光子也具有角動量。光子的角動量(AngularMomentum,AM)由兩部分組成,即自旋角動量和軌道角動量。

渦旋光束是一種帶有希爾伯特(Hilbert)因子exp(ilθ)的傍軸光束,它能夠攜帶光學渦旋沿著傳播軸方向進行傳播。光學渦旋并不局限于渦旋光束,但渦旋光束作為典型的光學渦旋,由于其攜帶軌道角動量,因此被稱為OAM光束。渦旋光束由于其獨特的物理性質和應用領域,引起了研究者的廣泛關注,特別是渦旋光束的產生、超表面軌道角動量以及基本軌道角動量的理論研究和相關領域的應用。

典型光場的標準動量密度表達式為

圖5－11自旋角動量(SAM)與軌道角動量(OAM)

3.偏振和矢量渦旋光束

前面部分著重于描述標量光場,其中偏振與空間是可分離的。在標量渦旋中,存在拓撲空間相位結構,但沒有偏振的變化,即光場的偏振不隨空間變化。如圖5－12(a)所示,圓偏振的光學渦旋可以表示為空間變化的渦旋相位態和圓偏振態的乘積。如果偏振態也具有形成渦旋模式圖案空間變化的矢量分布,則對應的光場稱為偏振渦旋或矢量渦旋,對應的奇異點稱為偏振奇異點或矢量奇異點。根據矢量分布形態,矢量渦旋光場可以細分為多種類型,包括C形、V形、檸檬形、星形、蜘蛛形、蛛網形等。

與攜帶軌道角動量的相位渦旋不同,矢量渦旋總是伴隨著復雜的SAM-OAM的耦合作用。如圖5－12(b)所示,蜘蛛形

矢量渦旋是根據具有相反的相位旋轉方向和相反的圓偏振方向的兩個渦旋光場相疊加而形成的,其中,由于涉及兩個相反的相位變化之和,因此總的軌道角動量為零,并且存在自旋角動量在空間中呈現復雜的分布的現象。

圖5－12偏振和矢量渦旋光束

5.5.2渦旋光束的生成

渦旋光束生成的目的是能夠獲得任意拓撲電荷為l的渦旋光束。其中l是渦旋光束的特征值,該值決定了渦旋光束中每一個光子所攜帶軌道角動量的大小。渦旋光束的生成技

術一直是國內外研究人員探索的重點之一。

1.直接產生法

直接產生法是指利用激光諧振腔直接產生渦旋光束。在實驗中該方法對諧振腔的軸對稱性具有嚴格的要求,但是較難得到穩定的光束輸出。

圖5－13所示為對稱腔激光系統的原理圖

圖5－13對稱腔激光系統的原理圖

2.模式轉換法

由柱面鏡構成非軸對稱光學系統,輸入不含軌道角動量的厄米高斯(HermiteGaussian,HG)光束,通過兩個柱面透鏡構成的模式轉換器,就可以將其轉換為拉蓋爾高

斯光束。此方法最早由Allen等研究人員于1993年提出。同理,將LG光束轉換成HG光束也是成立的。

如圖5－14(a)所示,45°高階HG可以分解為多個疊加的低階HG,同時一系列低階HG通過模式轉換器后,根據古依相移理論(GouyPaseShift),能夠獲得特定拓撲電荷的如圖5－14(b)所示,該部分提出了兩種柱面鏡模式轉換器,即π/2轉換器和π轉換器。

圖5－14利用模式轉換法將HG光束轉化為LG光束

3.螺旋相位板法

螺旋相位板是一種特殊設計的光學衍射元件,其厚度與相對于板中心的旋轉方位角θ成正比,表面結構類似于一個旋轉的臺。如圖515所示,當一束基模高斯光束通過螺旋相位板時,由于相位板的螺旋形表面使透射光束光程發生角向相位延遲,即螺旋相位波前,繼而產生一個具有螺旋特征的相位因子。這樣的相位調制器即為螺旋相位板(SpiralPhasePlate,SPP)。

圖5－15螺旋相位板

4.計算全息法

計算全息法主要利用計算全息圖和空間光調制器,將叉形光柵加載到空間光調制器(SpatialLightModulator,SLM)上,使高斯平面波直接入射到SLM上。

如圖5－16所示,為了產生渦旋光束,加載到空間光調制器上的相位全息圖的形式為:(a)螺旋相位全息圖,只能產生單一拓撲荷數的渦旋光束,并垂直射出;(b)分階l叉形全息圖,可以控制渦旋光束的出射方向;(c)二值化分階l叉形全息圖,具有多個衍射級次,在不同的衍射級次會產生不同的拓撲荷數。

圖5－16計算全息法

綜上所述,計算全息法具有操作性強的特性,表現為對渦旋光束的位置、大小以及參數可以進行控制,因而可以產生具有不同拓撲荷數的渦旋光束。但其也具有一定的局限性,體現為光束入射到全息圖中心,需要對光路進行精確的調控。

5.光纖產生法

為了適應軌道角動量光通信系統的發展和應用要求,研究人員提出了利用光纖產生渦旋光束的方法,主要包括三種方法:光纖耦合器轉換法、光子晶體光纖轉換法和光波導器

件轉換法。

1)光纖耦合器轉換法

光纖耦合器轉換法利用光纖耦合器在光纖上產生渦旋光束。

圖5－17所示為此種光纖耦合器的結構,其中光纖的玻璃材料分別如下:

圖5－17光纖耦合器的結構(1)

圖5－18所示為此種光纖耦合器的結構,其中光纖的玻璃材料分別如下:

圖5－18光纖耦合器的結構(2)

2)光子晶體光纖轉換法

光子晶體光纖的橫截面上有較復雜的折射率分布,通常含有不同排列形式的氣孔,這些氣孔的直徑一般在波長量級且貫穿整個器件。與普通的光纖相比,光子晶體光纖具有低損耗、低色散、傳輸特性易調節等優點。

圖5－19所示為光子晶體光纖的橫向截面圖,其強度可以很好地限制在光子晶體光纖高指數環區域內。

圖519光子晶體光纖的橫向截面圖

圖5－20所示為螺旋光子晶體光纖,在空心通道的螺旋形晶格引導下,包層光被迫遵循螺旋路徑,這會將一部分軸向動量轉移到方位角方向上,即對輸入的光束進行方位角的調制,因而導致在與扭曲率成線性比例的波長處形成離散的軌道角動量狀態。

圖5－20螺旋光子晶體光纖

螺旋光子晶體光纖在帶阻濾波器和色散控制中具有潛在的應用。此外,螺旋光子晶體光纖中產生渦旋光束的拓撲荷數還隨著光纖結構參數(如光纖的長度、光纖的孔徑、孔間

距、扭曲率等)的變化而發生改變,因而可以產生豐富的渦旋光束。

3)光波導器件轉換法

光波導是將光波限制在特定介質內部或其表面附近進行傳輸的導光通道,簡單地說就是約束光波傳輸的媒介,又稱介質光波導。

圖5－21所示為硅集成光學渦旋發射器,使用角光柵將渦旋光束限制在回音壁模式中,由于鋸齒的存在,光束在環形波導傳輸時會產生相差,進而使光波矢發生變化,以獲取渦旋光束。

圖521硅集成光學渦旋發射器

如圖5－22所示,該發射器發射渦旋光束的拓撲荷數l與環形波導中回音壁模式的方位角徑向指數p和器件的結構參數q(圖中鋸齒的個數)有關,其關系表示為l=p-q。圖5－22發射器組成的陣列

5.5.3渦旋光束的類型

1.拉蓋爾高斯光束和厄米拉蓋爾高斯光束

拉蓋爾高斯光束是最早報道的攜帶有軌道角動量的渦旋光束。由于拉蓋爾高斯光束是渦旋光束中最典型的一種,因此在渦旋光束中大多數都是圍繞它進行拓展與研究的。它

也是目前軌道角動量無線光通信系統中應用最為廣泛的渦旋光束之一。拉蓋爾高斯光束是在傍軸近似的條件下亥姆霍茲方程在柱坐標中的特解,故該渦旋光束的光場表達式為

其中,拉蓋爾高斯光束的參數定義如下:

圖5－23拉蓋爾高斯光束

圖5－23拉蓋爾高斯光束

拉蓋爾高斯光束可以歸納為帶有橢圓渦旋光束的厄米拉蓋爾高斯(HermiteLaguerreGaussian,HLG)光束家族中的一員,厄米高斯光束模式可轉變為拉蓋爾高斯光束模式,因而對于厄米拉蓋爾高斯光束的研究具有重要的意義。厄米拉蓋爾高斯光束的光場表達式為

圖5－24厄米拉蓋爾高斯光束

圖5－25拉蓋爾高斯光束與厄米高斯光束之間的轉換

2.螺旋因斯高斯光束

因斯高斯(Ince-Gaussian,IG)光束是在橢圓坐標(ξ,η)中解出的傍軸波動方程(ParaxialWaveEquation,PWE)的本征模式。因斯高斯光束的光場表達式為

圖5－26因斯高斯光束

通過將因斯高斯光束采用特殊的方法進行疊加,可以形成一個帶有軌道角動量且具有多個奇異點的渦旋光束陣列,稱之為螺旋因斯高斯(Helical-Ince-Gaussian,HIG)光束。圖527所示為螺旋因斯高斯光束中HIG+4,4光束的光場和相位分布。螺旋因斯高斯光束的光場表達式為

圖5－27螺旋因斯高斯光束

圖5－28奇點混合演化模型

3.貝塞爾高斯光束和馬修光束

利用無衍射的假設求解近軸波動方程,可以得到一組本征解。在可分離變量的圓柱坐標系中,其光場表現為貝塞爾光束。早在1987年,Durnin發現有一種光束不能發生衍射現

象,而這種光束就是貝塞爾光束。貝塞爾光束是一束空心光束,也是一類典型的渦旋光束。

貝塞爾高斯光束的光場表達式為

其中,El(r,φ)表示貝塞爾高斯光束在柱坐標中傳輸時某一橫截面的電場分布,Jl表示l階貝塞爾函數,w表示光束半徑。當拓撲荷數l≥1時,Jl

表示為高階貝塞爾函數。圖5－29所示為拓撲電荷分別為3、4、5時貝塞爾高斯光束的光強和相位分布,其光強中間呈現一個亮圈,外部具有幾個不同直徑同心旁瓣圓環,相位與其拓撲荷數相關。

圖5－29貝塞爾高斯光束

在無衍射光束提出后的很長一段時間,貝塞爾光束以及近似無衍射的貝塞爾高斯光束是主要研究對象。2000年,研究者提出了另外一種無衍射光束——馬修(Mathieu)光束,馬修光束是通過在橢圓坐標系下求解亥姆霍茲方程獲得的。與此同時,研究者通過采用環形狹縫,根據幾何光學的辦法首次在實驗上獲得了零階的馬修光束。偶數馬修光束和奇數

馬修光束的光場表達式分別為圖5－30馬修光束

雖然偶數馬修光束和奇數馬修光束本身不攜帶軌道角動量,但是具有復振幅的偶數馬修光束和奇數馬修光束之間的線性組合,使得結合后的馬修光束攜帶有軌道角動量。圖5－31所示為線性組合而成的馬修渦旋(HelicalMathieu,HM)光束。馬修渦旋光束的光場表達式為

將頻率空間設置方位角變量?=?+iαcos(?+β),其中,?為原始頻率空間中的方位角,α為光束的不對稱度,β為旋轉參數。

圖5－31馬修渦旋光束(α=0且ε=1時)

4.艾里相關渦旋光束

艾里(Airy)光束由于其自加速、自聚焦、自愈合和無衍射的獨特特性,已成為近年來備受關注的一種新型無衍射光束。艾里光束具有廣闊的發展前景,目前該類光束已廣泛運

用在眾多領域中,包括光學的微操作、真空電子加速、表面等離子體極化、光鑷、激光醫學、激光消融等領域。近年來,有學者提出將光學渦旋引入艾里光束中形成一種新的光束———艾里渦旋光束。

圖5－32艾里渦旋光束陣列示意圖

圖5－33不同高斯因子b對應艾里光束光強分布

圖5－34不同高斯因子b對應AGVBA的光強和相位分布

2)圓形艾里渦旋光束

圓形艾里渦旋光束(RingAiryVortexBeam,RAVB)的光場表達式為

其中,(r,φ)是極坐標;r0表示圓形艾里渦旋光束的初環半徑。圖5－35所示為圓形艾里渦旋光束、艾里渦旋光束陣列和艾里高斯渦旋光束陣列中源平面光強、相位分布。

圖5－35圓形艾里渦旋光束、艾里渦旋光束陣列和艾里高斯渦旋光束陣列中源平面光強、相位分布

5.完美渦旋光束

傳統渦旋光束的拓撲荷數的絕對值越大,渦旋光束的光斑直徑也就越大,且中空區域亦越大。與傳統的渦旋光束不同,完美渦旋光束(PerfectOpticalVortex,POV)橫截面光斑的直徑大小與渦旋光束拓撲荷數的絕對值大小無關。因此,完美渦旋光束在微粒操縱及量子通信中具有廣泛的應用和研究價值。2013年,Ostrovsky等人通過使用振幅相位的光學元件生成完美渦旋的光場,并提出其復振幅為

實驗中通常采用對理想貝塞爾光束進行高斯截斷的方法獲得一種近似的貝塞爾光束,再根據傅里葉光學的相關理論,光場的傅里葉變換可以由焦距為f的薄凸透鏡來實現。因此,其復振幅為

利用貝塞爾函數積分表進行積分,可以得到

從式(5.61)中可以看出,完美渦旋光束的橫截面光斑尺寸大小與拓撲荷數無關。圖5－36給出了不同拓撲荷數下完美渦旋光束的光場分布,從該圖中也能夠清晰地觀察到拓撲荷數的大小不會對完美渦旋光束的橫截面光斑尺寸產生影響。其光斑半徑R僅與徑向波數kr、光波數κ和薄凸透鏡的焦距f有關。

圖5－36完美渦旋光束

5.5.4渦旋光束的應用

1.光通信

目前的通信系統中通過采用時分復用、空分復用、頻分復用和碼分復用來實現多路信號間的相互獨立傳輸,但是這些技術還是無法滿足人們對通信系統的容量和數據速率的高

要求,因此亟需一種能夠進一步提高信道容量和頻譜效率的新技術。

2.量子糾纏

隨著渦旋光子理論的日漸成熟,基于軌道角動量的量子糾纏技術在許多領域中都開展了相關應用。例如,高維量子密鑰分發(QuantumKeyDistribution,QKD)可根據軌道角

動量光子之間相互無偏基進行設計,它促進了高維量子安全通信和量子密碼學的發展。

圖537為OAM量子糾纏對示意圖。圖5－37OAM量子糾纏對示意圖

3.顯微和成像

近年來,隨著對光學渦旋研究的不斷深入,越來越多的新型顯微鏡和成像技術均實現了高分辨率的突破(目前,使用OAM成像已達到了超衍射極限分辨率)。例如,等離子體結構照明顯微技術采用光學渦旋誘發表面等離子體駐波,實現了高分辨率的寬場成像。該技術又通過完美渦旋光(具有可控環形半徑的渦旋光束)的引入得到了進一步優化,提升了

激勵效率的同時又降低了背景噪聲。

4.生物醫學和化學

光學渦旋光鑷能夠操縱和組裝某些蛋白質和生物分子,這極大