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。

为了进一步提高零差相干光通信系统的接收灵敏度, 对空间光混频器的信号光分光比进行了优化。根据零差相干通信系统数学模型, 推导了信号光分光比和环路相位误差、通信误码率的数学表达式, 经过计算分析可知当光混频器Q支路的信号光满足锁相环要求时, 可通过提高I支路信号光分光比来降低误码率和提高接收灵敏度。在分光比优化后光混频效率提高了53.5%, 通信探测灵敏度提高了3 dB。利用VPI软件进行建模仿真, 得到不同分光比下系统的眼图和相位噪声功率。仿真结果显示, 探测灵敏度提高了2.83 dB。最后, 搭建了零差相干光通信桌面实验系统, 研究了空间光混频器分光比和系统误码率、锁相环工作的影响规律, 当分光比由0.5减小至0.2时, 系统误码率由3.53×10-9下降至4.25×10-10, 当分光比为0.1时, 锁相环失锁, 误码率为1。实验结果基本符合理论和仿真结果, 所得分光比的影响规律和优化结果将为空间零差相干通信系统的研制提供技术参考。

在空间相干光通信应用中, 针对传统激光器线宽较宽、相位噪声大、易导致锁相环路失锁的问题, 研制了单频Nd:YAG非平面环形(NPRO)激光器, 其线宽小于1 kHz, 相对强度噪声(RIN)低于-150 dB/Hz, 具有窄线宽、低噪声的特点。搭建了光锁相环路, 在信号光功率-67 dBm的情况下实现了两台NPRO激光器的相位锁定。在此基础上开展了信号频率为10 MHz和1.25 GHz的模拟通信实验, 在信号光功率分别为-60 dBm和-53 dBm时可观测到较理想的眼图。在2.5 Gbps数字通信实验中, 接收灵敏度达到-50 dBm, 此时误码率为3.2×10-6。系统灵敏度可接近量子极限, 明显优于传统的IM/DD方式, 是一种适合长距离、大容量传输的空间通信方式。