王霞，張立中，2，孟立新，2

（1.長春理工大學 機電工程學院，長春 130022；2.長春理工大學 空地激光通信國防重點學科實驗室，長春 130022）

自由空間激光通信（FSO，F(xiàn)ree Space Optical Communication）具有通信速率快、通信容量大等優(yōu)點，被廣泛應用于各領域。傳統(tǒng)FSO鏈路的兩端都需要配置收發(fā)機，體積、重量、功耗較大，限制了FSO的應用。從信息不對稱和承載能力不對稱兩個方面考慮，研究輕小型、低功耗非對稱激光通信鏈路具有重要意義。逆向調制式激光通信系統(tǒng)（MRR FSO）免去了鏈路一端的收發(fā)機及捕獲、對準、跟蹤系統(tǒng)，具有體積小，重量輕，功耗低等特點［3］，有效的解決了傳統(tǒng)FSO的應用限制，其應用越來越受到重視，成為空間激光通信中的一種必然發(fā)展趨勢。本文將對調制反射激光通信系統(tǒng)的組成和原理進行分析，對光學系統(tǒng)和調制系統(tǒng)的類型進行比較，最后獲得較為合適的總體方案。

1 調制反射激光通信系統(tǒng)

1.1 系統(tǒng)組成

圖1所示為調制反射激光通信系統(tǒng)示意圖。系統(tǒng)主要包括兩部分，一部分為光收發(fā)機，其中包括發(fā)射天線、接收天線和解調單元等，光收發(fā)機主要用于詢問光發(fā)射以及調制光接收、探測和處理，是鏈路的主機；另一部分為調制反射系統(tǒng)，包括光學系統(tǒng)和光調制器兩部分，光調制器用于實現(xiàn)空間光調制，光學系統(tǒng)可使光束按原路返回，從而與光收發(fā)機構成通信光閉環(huán)系統(tǒng)，同時也能夠為光收發(fā)機跟蹤系統(tǒng)提供目標光源。

圖1 調制反射激光通信系統(tǒng)示意圖

1.2 系統(tǒng)工作原理

圖2所示為調制反射激光通信系統(tǒng)原理圖。光收發(fā)機的發(fā)射天線發(fā)射詢問光束至調制反射系統(tǒng)，MRR探測到詢問光束時，信號處理系統(tǒng)將會驅動光調制器對詢問光束進行數(shù)據(jù)加載，實現(xiàn)詢問光束的調制，然后調制后的數(shù)據(jù)光束經光學系統(tǒng)反射回光收發(fā)機的接收器，接收器將獲取的數(shù)據(jù)信號發(fā)送到信號處理系統(tǒng)，對信號進行處理［1］。

圖2 系統(tǒng)原理圖

1.3 調制反射激光通信系統(tǒng)特點

系統(tǒng)只有一個光收發(fā)機，為半雙工工作模式，適合于非對稱信息傳輸［4］，圖3是美國海軍研究院衛(wèi)星-地面下行通信鏈路示意圖；系統(tǒng)更輕、功耗更小，使用更加靈活［2］；通信時光束經過兩次信道，信道影響較常規(guī)激光通信要惡劣。

圖3 美國衛(wèi)星-地面下行通信鏈路示意圖

2 調制反射系統(tǒng)

調制反射器（MRR）是調制反射激光通信系統(tǒng)的核心，MRR系統(tǒng)包括光學系統(tǒng)和光調制器。光學系統(tǒng)可使詢問光束按原路返回，光調制器用于實現(xiàn)空間光調制，從而與光收發(fā)機構成通信光閉環(huán)系統(tǒng)。

2.1 光學系統(tǒng)

目前用于MRR的光學系統(tǒng)有角反射鏡和貓眼系統(tǒng)。

2.1.1 角反射鏡

圖4所示為角反射鏡工作原理。角反射鏡為三面直角棱鏡，可反射各種到達棱鏡面的光線或光束，無論光線從哪個方向射入，它都能將入射光線逆原方向反射回去。

圖4 角反射鏡工作原理

圖5所示為采用角反射鏡時調制反射鏈路示意圖?；诮欠瓷溏R可將入射光原路返回的特性，將光調制器放置在角反射鏡的一個面上，實現(xiàn)對入射光的調制后，通過角反射鏡將調制后的數(shù)據(jù)光束反射回光收發(fā)機，從而達到信息傳輸?shù)哪康摹?/p>

圖5 角反射鏡的調制反射鏈路示意圖

2.1.2 貓眼系統(tǒng)

如圖6所示，貓眼系統(tǒng)由透鏡和光敏面組成，入射光經透鏡到達光敏面，光束經光敏面反射按原路返回。貓眼效應反射光具有原路返回特性和準直特性，且原路返回特性不受入射光影響，同時貓眼效應反射光強度比一般漫反射強度高2～4個量級。

圖6 貓眼系統(tǒng)

圖7所示為采用貓眼系統(tǒng)時調制反射通信鏈路示意圖，將調制器放置在貓眼系統(tǒng)焦平面處的光敏面上，入射光束經貓眼到達調制器，對光束進行數(shù)據(jù)加載后，由光敏面將數(shù)據(jù)光束按原路反射回光收發(fā)機，實現(xiàn)鏈路通信。

圖7 貓眼系統(tǒng)的調制反射鏈路示意圖

2.1.3 角反射鏡和貓眼系統(tǒng)的比較

角反射鏡簡單方便且制造費用較低，但采用角反射鏡作為MRR的光學系統(tǒng)時，要求光調制器的尺寸較大以匹配角反射鏡的口徑，而調制器的尺寸越大調制速率越低，這就出現(xiàn)了光學系統(tǒng)口徑與調制速率之間的矛盾［8］。采用貓眼系統(tǒng)時，因為調制器放在貓眼系統(tǒng)的焦平面處，焦平面處光束匯聚，所需調制器的尺寸較小，因此可以獲得較高的調制速率。另外，若將調制器分割成若干像素塊，由于光束匯聚，同一時間內只需對調制器的一部分進行驅動，能大大降低功率消耗［5］。但貓眼系統(tǒng)相對于角反射鏡制造費用較高。

2.2 光調制器

用于MRR的光調制器主要有多量子阱（MQW）調制器、微機電系統(tǒng)（MEMS）調制器、液晶調制器、相位調制器等，不同的調制器調制特性也有所不同。

2.2.1 多量子阱調制器

多量子阱（MQW）調制器最早由美國海軍研究實驗室NRL（Navy Research Laboratory）提出，多量子阱調制器包括一個N型InP底，一個1.3微米厚的固定InGaAs/InAlAs材料的耦合多量子阱層，由高摻雜P型InGaAs薄層覆蓋的P型InAlAs頂［7］。工作波長由多量子阱層確定，涵蓋的波段約為1550nm。圖8所示為集成光電接收器的MRR MQW。

圖8 集成光電接收器的MRR MQW

NRL于2000年在小型旋翼無人機上安裝了口徑5mm的MQW MRR，實現(xiàn)通信速率400Kbps～2Mbps，通信距離35～65m的原理試驗。于2006年開展了采用貓眼鏡頭的長距離通信研究，實現(xiàn)通信距離7km，通信速率45Mbps的激光通信試驗［6］。NRL和美國國家航空航天局（NASA）聯(lián)合開展了空間用調制反射鏡陣列MODRAS（Modulating Retro-reflector Array in Space）試驗，試驗設計指標為通信速率12Mbps，衛(wèi)星軌道高度400km，通信波長為1064nm。圖9所示為美國NASA母星與小衛(wèi)星間通信示意圖。

圖9 美國NASA母星與小衛(wèi)星間通信示意圖

2.2.2 微機電系統(tǒng)

MEMS回復調制器是采用微機械變形鏡或衍射光柵結構，通信范圍為0.1～10km，采用變形鏡的MEMS的遠程調制速率達100kHz，采用衍射光柵結構MEMS調制器最高調制速度可達1Mbps，然而此時需要λ/4的機械撓度，且調制器的波長和角度需要匹配，因此可用視場通常只有6°或更小。MEMS調制器較MQW調制器速度要低很多，但是制造費用和對環(huán)境敏感程度較MQW調制器也低很多。圖10為Trevor K Chan和Joseph E Ford提出的MEMS回復調制器示意圖。

圖10 Trevor K Chan和Joseph E Ford提出的MEMS回復調制器示意圖

2.2.3 鐵電液晶調制器

圖11所示為鐵電液晶尋址光調制器的示意圖。液晶材料的光學性質可通過電場而改變，鐵電液晶的響應速度可達微秒量級，因此作為光調制層，液晶材料被廣泛應用，鐵電液晶空間光調制器具有響應快、開關功耗低以及雙穩(wěn)態(tài)開關特性等優(yōu)點，但其調制速率只能達到幾十kHz。

圖11 鐵電液晶尋址光調制器示意圖

3 應用展望

由于MQW具有較高的調制速率，而貓眼能夠解決光學系統(tǒng)和光調制器的矛盾，所以貓眼和MQW組成的MRR系統(tǒng)成為MRR FSO技術的主要研究方向。圖12所示為貓眼多量子阱MRR?；谡{制反射激光通信系統(tǒng)的結構特點，該通信鏈路可廣泛應用于無人機、飛機、偵察車、衛(wèi)星、水下通信鏈路等對載重、功耗和體積等有限制的通信鏈路，配合射頻通信實現(xiàn)安全可靠信息傳輸，應用前景廣闊，對未來激光通信的發(fā)展具有重要的意義。

圖12 貓眼多量子阱MRR

［1］張來線，孫華燕.貓眼逆向調制自由空間激光通信技術的研究進展［J］.中國光學，2013，6（5）：681-691.

［2］丁德強，柯熙政.非對稱回復反射自由空間光通信鏈路性能［J］.應用科學學報，2010，28（4）：337-341.

［3］MahaAchour.Free-spaceopticalcommunication by retro-modulation：concept，technologies and challenges［J］.Proc.of SPIE，2004，56（14）：52-63.

［4］Mark plett，William S.Rabinovich，etc.Free-space opticalcommunication link across 16 kilometers over the Chesapeake Bay to a modulated retroreflector array［J］.Optical Engineering，2008，47（4）：1-10.

［5］William S，Rabinovich Peter G，Goetz Rita Mahon，et al.45-Mbit/s cat’s-eye modulating retro-reflectors［J］.Optical Engineering，2007，46（10）：1-11.

［6］Rabinovich W S，Mahon R.45 Mbps cat’s eye modulating retro-reflector link over 7 Km［J］.Proc.of SPIE，2206，63（4）：1-11.

［7］王健華，金峰，俞謙，等.InGaAs/InAlAs多量子阱電吸收光調制器［J］.半導體學報，1998，19（1）：43-49.

［8］孫華燕，張來線.逆向調制自由空間激光通信技術研究進展［J］.激光與光電子學進展，2013，50（4）：1-9.