1 中国科学院上海光学精密机械研究所航天激光工程部，上海 201800
2 中国科学院大学材料与光电研究中心，北京 100049
提出一种基于四象限探测器跟瞄和通信复用的强度调制直接探测的空间光通信系统，以超声波电机驱动的双光楔为光束偏转执行单元形成光束位置跟踪的闭环系统。驱动电机转动周期为15 ms，位置分辨率为0.83 μrad。经理论分析和实验验证，该系统的位置闭环跟踪-3 dB带宽约为4 Hz。当位置探测误差小于10%时，即光束探测精度小于12 μrad，对应的探测灵敏度为-45.2 dBm。在10 Mbit/s的通信速率和无信号编码下，误码率为1×10-3时对应的通信灵敏度为-44 dBm。验证了利用四象限探测器作为跟踪与通信复用探测器的可行性，可应用于小型化、轻量化的星间激光通信终端。
自由空间光通信 四象限探测器 位置分辨率 跟踪带宽 通信灵敏度 激光与光电子学进展
2024, 61(7): 0706013
1 中国科学院上海光学精密机械研究所航天激光工程部，上海 201800
2 中国科学院大学，北京 100049
3 国科大杭州高等研究院物理与光电工程学院，江苏 杭州 310024
研制了一种小型全光纤耦合非平面环形腔固体激光器，在1.5 W的808 nm半导体激光器泵浦下，单模保偏光纤耦合输出功率近600 mW，线宽小于200 Hz，偏振对比度优于20 dB。对该激光器的调谐、频率稳定性、功率稳定性等性能进行了研究，该激光器通过了力学试验(随机振动均方根加速度为19.8g，其中g为重力加速度)和温度试验(－20～＋65 ℃)，试验前后输出功率变化小于5%，可以用于对力学环境和温度环境要求较高的场合。
激光器 非平面环形腔 窄线宽 稳定性 力学试验 温度试验 中国激光
2022, 49(13): 1301002
1 中国科学院上海光学精密机械研究所空间激光工程技术实验室, 上海 201800
2 中国科学院大学, 北京 100049
窄线宽、大调谐带宽的本振激光种子源是空间相干光通信系统中的核心组件之一,通过窄线宽种子源结合外电光调制和窄带光栅滤波的方案,可以实现窄线宽和大调谐带宽,但通过温度控制的光纤光栅难以适应空间动平台间存在的高速多普勒频移。采用压电陶瓷控制的光纤光栅,结合梯度下降算法的闭环系统,实现了光纤光栅和注入激光波长的相对锁定。所提方案可适应40 MHz/s以上的空间多普勒频移。
光通信 空间相干光通信 压电陶瓷 光纤光栅 中国激光
2020, 47(12): 1201002
Author Affiliations
Abstract
1 Key Laboratory of Space Laser Communication and Detection Technology, Shanghai Institute of Optics and Fine Mechanics, Chinese Academy of Sciences, Shanghai 201800, China
2 Center of Materials Science and Optoelectronics Engineering, University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China
3 Laboratory of Space Laser Engineering, Shanghai Institute of Optics and Fine Mechanics, Chinese Academy of Sciences, Shanghai 201800, China
We analyze a feasible high-sensitivity homodyne coherent optical receiver for demodulating optical quadrature phase-shift keying (QPSK). A fourth-power phase-lock loop based on a digital look-up table is used. Considering the non-negligible loop delay, we optimize the loop natural frequency. Without error correction coding, a sensitivity of ?37 dBm/?35 dBm is achieved, while the bit error rate is below 10?9 at 2.5 Gbaud/5 Gbaud rate. For the QPSK communication system, the bit rate is twice the baud rate. The loop natural frequency is 0.647 Mrad/s, and the minimized steady-state phase-error standard deviation is 3.83°.
coherent optical communication quadrature phase-shift keying phase-lock loop loop natural frequency Chinese Optics Letters
2020, 18(9): 090602
Author Affiliations
Abstract
1 Key Laboratory of Space Laser Communication and Detection Technology, Shanghai Institute of Optics and Fine Mechanics, Chinese Academy of Sciences, Shanghai 201800, China
2 Center of Materials Science and Optoelectronics Engineering, University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China
3 Laboratory of Space Laser Engineering, Shanghai Institute of Optics and Fine Mechanics, Chinese Academy of Sciences, Shanghai 201800, China
The influences of nutation trail accuracy, simplification of coupling model, spot position jitter, and power variation of incident light on the detection error are analyzed theoretically. Under the condition of satisfying the requirements, the nutation radius is less than 1.13 μm, the accuracy of the nutation trail is less than 0.04 μm, and the detection range is [?5 μm, +5 μm]. The nutation frequency is 160 times spot position jitter frequency and 100 times intensity jitter frequency of incident light. The analysis is of great significance for determining nutation radius and frequency in the tracking system based on fiber nutation.
fiber nutation detection error tracking system Chinese Optics Letters
2020, 18(2): 020604
1 中国科学院上海光学精密机械研究所中科院空间激光信息传输与探测技术重点实验室, 上海 201800
2 中国科学院大学材料与光电研究中心, 北京 100049
星间高码率光通信系统中由于无法进行光学中继放大,需要高码率、高通信灵敏度的光学接收机。分析了采用掺铒光纤放大器(EDFA)作为光学预放的高灵敏度零差相干接收机方案,并搭建了零差相干通信系统,测试了系统在通信速率为8~10 Gbit/s下的二进制相移键控(BPSK)通信性能。实验表明,此系统在无编码误码率要求为10 -3时,10 Gbit/s BPSK通信信号接收灵敏度约为-48 dBm,距离量子噪声极限仅7 dB,优于已发表的10 Gbit/s零差相干通信系统测试结果。
光通信 零差相干探测 光学锁相环 掺铒光纤放大器 自由空间光通信 中国激光
2019, 46(11): 1106001
1 中国科学院上海光学精密机械研究所空间激光信息传输与探测技术重点实验室, 上海 201800
2 中国科学院大学材料与光电研究中心, 北京 100049
3 上海科技大学物质科学与技术学院, 上海 201210
随着空间技术的发展,空间数据传输速率日益成为制约空间科技应用的瓶颈。空间相干光通信技术由于其较高的通信灵敏度、较强的抗干扰能力和较高的保密性成为研究的热点。在空间相干光通信技术中,零差相干光通信体制在理论上具有最好的灵敏度和抗干扰能力,但需要复杂的锁相闭环系统,对本振激光器的线宽和激光频率调谐带宽都提出了很高的要求。在1550 nm波段,现有的常规激光器难以同时满足窄线宽和高调谐带宽的要求。为此,采用窄线宽种子源结合外电光调制和窄带光栅滤波的方案,实现了光谱信噪比约为28 dB、线宽约为5 kHz、激光频率调谐带宽约为1.5 MHz的激光光源输出。
激光器 窄线宽 高调谐带宽 外电光调制 窄带光栅滤波 零差相干光通信
1 中国科学院上海光学精密机械研究所空间激光信息传输与探测技术重点实验室, 上海 201800
2 中国科学院大学, 北京 100049
传统的1064 nm稳频激光器虽然能达到很高的频率稳定度和不确定度,但其体积比较庞大,系统设计比较复杂。而对于一些激光频率稳定度要求不高的实际应用,如高光谱分辨率气溶胶探测激光雷达,系统简单与缩小体积应该是更受关注的因素。利用碘分子吸收谱线并结合频率调制光谱技术建立了一套小型化的1064 nm稳频激光器,该系统结构紧凑。通过高稳定的波长计进行监测,测量频率稳定后的激光器在10000 s时的阿伦偏差精度小于0.1 MHz。该稳频的1064 nm激光器系统已被用作高光谱分辨率气溶胶探测激光雷达单频脉冲光源的种子激光器。
激光光学 激光稳频 频率调制光谱技术 激光雷达
1 中国科学院上海光学精密机械研究所空间激光信息传输与探测技术重点实验室, 上海 201800
2 中国科学院大学, 北京 100049
3 上海科技大学物质科学与技术学院, 上海 200120
基于模场匹配原理，分析了耦合效率与抖动幅度、艾里斑半径和单模光纤模场半径比值的关系。为了减小随机角抖动对耦合效率的影响，提出了基于激光章动的空间光到单模光纤的自动耦合方案，利用数据采集卡算出脱靶量并输出补偿电压。分析了算法精度的影响因素、激光章动信号频率与抖动频率的关系，用Matlab仿真及实验验证了算法的可行性。实验得到脱靶量角度精度约为3 μrad，结合空间激光通信系统验证了系统的可行性。没有扰动时系统的耦合效率为67%；引入扰动并用控制系统进行扰动补偿后，系统的耦合效率提高了6.5%，响应速度为40 Hz。耦合系统结构简单，控制算法精度高，控制器信号处理速度快，对空间光到单模光纤的耦合具有重要意义。
光通信 光纤耦合 指向误差 激光章动 数据采集卡
1 中国科学院上海光学精密机械研究所空间激光信息传输与探测技术重点实验室, 上海 201800
2 中国科学院大学, 北京 100049
光学锁相环(OPLL)是相干激光通信系统中的重要组成部分。设计了科斯塔斯数字光学锁相系统，用于星间相干通信中零差接收和多普勒频移跟踪。锁相系统采用可编程逻辑门阵列(FPGA)作为主控单元，本振激光器(LO)采用调制边带注入锁定的可调谐激光器，中心波长为1550 nm，具有窄线宽和快速调谐的优点。与传统锁相环相比，系统具有更快的频率捕获速度，具有更高的稳定性。实验中，能够实现140 MHz 频差范围内的快速锁定，保持锁定时间大于1 h，并能够对20 MHz/s多普勒频移跟踪，为后续星间相干通信实验提供支持。
光通信 可编程逻辑器件 光锁相环 科斯塔斯
