基于少模光纤器件的中继辅助自由空间光通信技术研究

Relay-assisted free space optical communication systems have the capacity of mitigating atmospheric turbulence fading, increasing transmission distance and realizing non-line-of-light communication. It is the first step to build an integrated air-ground optical network. The distorted wavefront induced by atmospheric turbulence is a superposition of the fundamental mode and high-order spatial modes. Few-mode fiber component could receive multiple spatial modes simultaneously and implement operations such as optical amplification, demultiplexing, routing and wavelength selection directly. Therefore, few-mode fiber components naturally have the ability of suppressing turbulence and high speed signal processing. . This project focuses on the relay-assisted free space optical communication systems based on few-mode fiber components. It is expected to make a technical breakthrough in all-optical relaying system based on 1) few-mode erbium-doped fiber amplifier, and 2) photonic lantern. The suppression effect of few-mode fiber component on the turbulence will be analyzed. The advantage of using few-mode erbium-doped fiber amplifier and photonic lantern as the relay module to improve the outage probability, bit error rate and transmission distance of relay system will be studied. The research results of this project will provide important references for the development of free space optical communication system in China, and provide strong support for the development of the next generation of high speed, large capacity and high stability integrated air-ground network.

中继辅助自由空间光通信技术能够补偿大气湍流，提高传输距离，实现非直线目标间通信，是组建天地一体化光网络的第一步。大气湍流引起的畸变光场是基模和高阶空间模式的叠加，少模光纤器件能够同时接收多个空间模式，并直接对模场进行光放大、解复用、分路、波长选择等操作，因此少模光纤器件天然具备抑制湍流和高速信号处理的能力。. 本项目重点研究基于少模光纤器件的中继辅助自由空间光通信技术，期望在1）基于少模掺铒光纤放大器的全光中继传输新方法上；2）基于光子灯笼的全光中继传输新方法上取得技术性突破。分析少模光纤器件对湍流的抑制作用，研究利用少模掺铒光纤放大器、光子灯笼等作为中继模块时，给中继辅助自由空间光通信系统带来的中断概率、误码率和传输距离上的提升。本项目的研究成果将为我国自由空间光通信系统的发展提供重要参考，为下一代高速率、大容量、高稳定性的天地一体化网络的发展提供有力支撑。

自由空间光通信（FSO）具有高速、安全、易部署等优势，在城市局域网、空天地一体化网络等领域具备重要的应用价值。在大气信道中，恶劣天气环境、大气湍流等严重限制FSO系统的系统性能。特别是在高速FSO系统中，常用单模光纤器件作为信号接收单元和处理单元，单模光纤纤芯尺寸小，大气湍流会带来非常严重的信道衰落。.本项目对基于少模光纤器件的大气湍流补偿技术进行研究，结合理论、仿真和实验的方法探讨了中继辅助传输技术对系统性能的影响。重点研究了基于少模光纤器件的中继辅助自由空间光通信技术，分析了少模光纤器件对湍流的抑制作用，研究利用少模掺铒光纤放大器、光子灯笼等作为中继或接收模块时，给FSO系统带来的性能提升。.主要研究内容如下：.1.提出了基于少模EDFA的中继辅助传输系统，建立了基于2模EDFA的双跳传输理论模型，并计算了系统误码率。结果表明少模EDFA中继传输系统的误码率优于单模EDFA中继传输系统。.2.实验研究了QPSK调制相干探测FSO系统中，采用单模EDFA做中继放大带来的性能提升。实验利用空间光调制器加载湍流屏来模拟大气湍流，相比无中继FSO系统，在1E-4误码率下，功率预算提升了3 dB。.3.提出了一种基于少模EDFA和光子灯笼的中继辅助传输系统，推导了系统的理论模型，计算了系统误码率。结果表明相比于少模EDFA中继传输系统，加入光子灯笼后系统功率预算提升了4 dB。.4.利用空间光调制器和三轴位移平台，在实验室中定量分析了基于光子灯笼的FSO接收机对大气湍流和指向误差的抑制特性。.5.提出了一种基于2模EDFA的空分复用中继辅助传输系统，推导了系统的理论模型，计算了系统误码率。结果表明相比无中继空分复用FSO系统，中继辅助传输空分复用系统的误码率更低。.6.利用基于CNN的解调器，研究了在指向误差和有限接收孔径条件下OAM-SK-FSO系统的性能。结果表明，在存在指向误差和弱湍流条件下，解调准确率可达98%。