空间光通信系统的研究与设计
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摘要
信息产业已成为当今世界上最强劲的高科技增长点和经济社会的支柱，激光通信技术正以难以想象的速度将世界带入高速发展的信息时代。而空间光通信作为激光通信发展的一个重要分支，在星际间通信、近地无线互连、无线宽带接入、应急通信等方面都有着广阔的应用前景。随着对超稳激光器、新型光束控制器、高灵敏度和高数据率接收器以及适合空间应用的先进通信电子设备的研究基本成熟，空间光通信已成为下一代光通信的主要发展方向之一。
本文对基于空间光通信的光波分复用技术作了全面介绍，并详细分析了美国Lucent公司推出的4×2.5 Gb／s 4.4km WDM大气光通信系统及40 Gb／s 4.4kin DWDM大气光通信系统。从激光发射、信号接收以及光学系统等方面深入研究了空间光通信系统结构，采用MAXIM公司的集成芯片MAX4106、MAX435、MAX436以及MAX9691设计了光电接收电路，进行了系统功率容限计算及影响通信距离的各因素分析。针对地面空间光通信所面临的激光大气传输问题，依据衍射理论，推导了激光在大气湍流折射率场起伏影响下的光强分布，并利用MATLAB进行了光斑模拟。最后进行了双波长无线光通信实验，结果表明波分复用技术用于空间光通信是完全可行的，在扩大通信容量方面有极强的优势。
Nowadays information industry has become one of the most driving high technique grew-up points and the supports of economic society. The technology of laser communication is bringing the world into the information times with incogitability speed. As an important embranchment of laser communication, space optical communication can be applied widely such as the communication between satellites, wireless interconnection, wireless broadband access, emergency communication. Along with maturity of the technologies including exceedingly stable laser diode, new type of controller of light beam, high sensitivity and high speed receiver and advanced communication device, space optical communication has become one of the main developing directions of laser communication of next generation.
In this thesis,WDM technology based on space optical communication is entirely introduced and 4 X 2.5Gb/s 4.4km WDM atmospheric laser communication system and 40Gb/s 4.4km DWDM atmospheric laser communication system are analyzed in detail. The structure of space optical communication system is deep studied from the aspects including laser transmission, signal receive and optical system. Adopting MAX4106, MAX435, MAX436 and MAX9691 chips of MAXIM company designs photoelectric receive circuit. Furthermore the tolerable limit of system power is calculated and the factors that affect the communication distance are analyzed. Aiming at the difficulties of laser transmission in atmosphere that space optical communication is facing and according to diffraction theory, the distribution of light intensity, which is affected by the fluctuation of refractive index field of the atmospheric turbulence, is deduced and simulated by MATLAB. finally, the experiment of double wavelenghs wireless optical communication is carrie
d through. The results show that applying WDM technology to space optical communication is completely feasible and can enlarge communication capacity consumedly.
本文对基于空间光通信的光波分复用技术作了全面介绍，并详细分析了美国Lucent公司推出的4×2.5 Gb／s 4.4km WDM大气光通信系统及40 Gb／s 4.4kin DWDM大气光通信系统。从激光发射、信号接收以及光学系统等方面深入研究了空间光通信系统结构，采用MAXIM公司的集成芯片MAX4106、MAX435、MAX436以及MAX9691设计了光电接收电路，进行了系统功率容限计算及影响通信距离的各因素分析。针对地面空间光通信所面临的激光大气传输问题，依据衍射理论，推导了激光在大气湍流折射率场起伏影响下的光强分布，并利用MATLAB进行了光斑模拟。最后进行了双波长无线光通信实验，结果表明波分复用技术用于空间光通信是完全可行的，在扩大通信容量方面有极强的优势。
Nowadays information industry has become one of the most driving high technique grew-up points and the supports of economic society. The technology of laser communication is bringing the world into the information times with incogitability speed. As an important embranchment of laser communication, space optical communication can be applied widely such as the communication between satellites, wireless interconnection, wireless broadband access, emergency communication. Along with maturity of the technologies including exceedingly stable laser diode, new type of controller of light beam, high sensitivity and high speed receiver and advanced communication device, space optical communication has become one of the main developing directions of laser communication of next generation.
In this thesis,WDM technology based on space optical communication is entirely introduced and 4 X 2.5Gb/s 4.4km WDM atmospheric laser communication system and 40Gb/s 4.4km DWDM atmospheric laser communication system are analyzed in detail. The structure of space optical communication system is deep studied from the aspects including laser transmission, signal receive and optical system. Adopting MAX4106, MAX435, MAX436 and MAX9691 chips of MAXIM company designs photoelectric receive circuit. Furthermore the tolerable limit of system power is calculated and the factors that affect the communication distance are analyzed. Aiming at the difficulties of laser transmission in atmosphere that space optical communication is facing and according to diffraction theory, the distribution of light intensity, which is affected by the fluctuation of refractive index field of the atmospheric turbulence, is deduced and simulated by MATLAB. finally, the experiment of double wavelenghs wireless optical communication is carrie
d through. The results show that applying WDM technology to space optical communication is completely feasible and can enlarge communication capacity consumedly.
引文
[1] Robert Pease: Optical laser communication systems carve niche in metro markets, Lightwave, 1999, (9): 23-27
[2] 蔡燕民，陈刚，董作人等：155Mbit／s大气传输光通信系统及其测试，中国激光，2000，A27(11)：1040-1044
[3] 胡渝，刘华：空间激光通信技术及其发展，电子科技大学学报，1998，27(5)：453-461
[4] 马晶，谭立英，王骐等：卫星光通信研究进展及趋势，空间科学学报，2000，20增刊(10)：127-136
[5] 季伟，赵长明，陈淑芬：空间光通信系统、技术、现状及展望，通讯世界，2002，91(6)：10-14
[6] 邹自立：悄然复兴的激光大气通信技术，光通信技术，1997，21(3)：167-170
[7] 纪越峰：综合业务接入技术，1999，第一版，北京邮电大学出版社
[8] 艾扬利，胡渝：无线光 WDM，DWDM技术在通信领域中的应用，中国测试技术，2003，(1)：53-55
[9] 黄章勇：光纤通信用光电子器件和组件，2001，第一版，北京邮电大学出版社：3
[10] 张劲松，陶智勇，韵湘：光波分复用技术，2002，第一版，北京邮电大学出版社：136，157
[11] G. Nykolak, P.F. Szajowski, et al: 4×2.5Gb/s 4.4kin WDM Free-Space Optical Link at 1550 nm, OFC'99, Postdeadline, PD 11
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[14] G.Nykolak, et al: A 40 Gb/s DWDM Free Space Optical Transmission Link Over 4.4 kin, Free Space laser Communication Technologies Ⅻ, Proc. SPIE Vol. 3932(2000)
[15] 高瞻，吕辉：光无线通信中的激光波长选择浅析，现代有线传输，2002，(3)：22-24
[16] John E. Muiholland, Scan Anthony Cadogan: Intersatellite laser crosslinks, IEEE Transaction on aerosoace and electronic systems, 1996, 32(3): 1011-1020
[17] 黄德修，刘雪峰：半导体激光器及其应用。1999，第一版，国防工业出版社
[18] 何兴仁：空间光通信用半导体激光器，半导体光电，2000，21(1)：11-15
[19] 葛林，邱昆，阳树棕：采用EDFA的空间光通信系统模型，电子科技大学学报，1998．27(3)：261-264
[20] Shiro Yamakawa, Tomohiro Araki and Hisashi Morikawa: High sensitivity modulation/demodulation scheme for inter-orbit optical communication system with an optical amplifier, Proceedings of IEEE Lasers and Electro-Optics Society Annual Meeting LEOS 1, 1999:165-166
[21] WalterR.Leeb, PeterJ.Winzer and Martin Pauer: the potential of return to zero coding in optically lasercom systems, Proceedings of IEEE Lasers and Electro-Optics Society Annual Meeting LEOS 1, 1999:224-225
[22] 蓝信钜：激光技术，2000，第一版，科学出版社：25，58-59，302-313
[23] 李玲，黄永清：光纤通信基础，1999，第一版，国防工业出版社：276-281，362-371
[24] 江剑平：半导体激光器，2000，第一版，电子工业出版社：88
[25] 王秀琳，黄文财，郭福源：半导体激光束准直系统的研究，应用光学，1999，20(1)：1-5
[26] 邹传云：光PPM的传输效率，桂林电子工业学院学报，2002，20(4)：53-55
[27] 邹传云，敖发良，张德馄等：无线红外光PPM全数字接收机的设计，海峡两岸无线电技术研讨会，1998，10
[28] 黄海波，付薇，孙未等：高速大气激光通信收发模块的研究与设计，激光与红外，2003，33(3)：185-187
[29] 胡鸿璋，凌世德：应用光学原理，1993，第一版，机械工业出版社：12-21
[30] 李林，林家明，王平等：工程光学，2003，第一版，北京理工大学出版社：239-242
[31] 高瞻，张一波：自由空间光通信系统中的光学天线系统，现代电信科技，2003，(3)：24-27
[32] 李贤，徐铭，邓兴成：高背景光噪声条件下的信号接收技术，电子科技大学学报，1998，27(5)：506-509
[33] 方如平，刘玉风：光电器件，1988，第一版，国防工业出版社
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[36] 马晶，谭立英，徐国忠：卫星间直接光通讯的信号发射及接收系统，哈尔冰工业大学学报，1996，28(3)：27-31
[37] Motokasu SHIKATANI, et al: Optical intersatellite link experiment between the earth station and ETSVI, SPIE Free-Space Laser Communication Technology Ⅱ, 1990, 1218:2-17
[38] Oppenhauser G, et al: The European SILEX project: Concept, Performances, Status and Planning, SPIE Free-Space Laser Communication Technology Ⅱ, 1990, 1218:27-37
[39] Isaac I Kim, Bruce McArthur, Eric Korevaar: Comparison of laser beam propagation at 785nm and 1550nm in fog and haze for optical wireless communications, Optical Wireless Communications Ⅲ, Pro SPIE, 2000, 4214:26-37
[40] 蒋丽娟，朱道伟：近地实用激光大气通信系统设计，光通信技术，2000，24(3)：219-222
[41] 龚知本：激光大气传输研究若干问题进展，量子电子学报，1998，15(2)：114-133
[42] 戴永江：激光雷达原理，2002，第一版，国防工业出版社：63-72
[43] 许昌武：半导体激光通过大气随机信道的二维实时显示与研究，电子科技大学硕士研究生论文，2001
[44] 梁铨廷：物理光学，1980，第一版，机械工业出版社：101-106，122-125
[45] R.F.Lutomirski and H.T.Yura: Propagation of a Finite Beam in an Inhomogeneous Medium, Applied Optics, 1971, 10(7): 1652
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