便携光通信系统实现高速自由空间光通信 | Advanced Photonics Nexus

Hua-Ying Liu, Yao Zhang, Xiaoyi Liu, et al. High-speed free-space optical communication using standard fiber communication components without optical amplification[J]. Advanced Photonics Nexus, 2023, 2(6): 065001

自由空间光通信（FSO）可以在无需物理线缆的条件下，实现高速、安全的通信，近年来受到了广泛关注。一方面， FSO是实现高速卫星网络，进而推动高速光通信全球化覆盖的关键。另一方面，FSO也可以用于建立低空光通信网络，为光纤未覆盖区域提供了一种经济、高效且灵活的通信解决方案，实现光通信“最后一公里”的覆盖。而低空FSO的实际应用，离不开FSO系统的集成化，它需要具备极高的便携性，同时保持稳定且准确的跟瞄能力，从而快速、灵活地实现通信链路部署。

近日，南京大学固体微结构物理国家重点实验室的谢臻达教授和祝世宁院士团队开发了一套便携光通信系统，重量仅9.5 kg。基于这套系统，他们建立了1 km距离的低损耗光通信链路，并利用商业的光纤光通信模块，在无光放大的前提下直接实现了9.16 Gbps通信带宽的自由空间光通信。

该实验展示了这套FSO系统与商用光纤光通信模块的兼容性，可以用于即插即用的高速光通信链路构建，这种灵活便携的FSO系统，对推动未来自由空间光通信网络实用化起到重要作用。相关成果以“High-speed Free Space Optical Communication using a portable and fast-deployable FSO system”为题发表于Advanced Photonics Nexus 2023年第6期。

FSO系统

该实验设计如图1（a）所示，在通信两节点所使用的FSO系统光学口径和机械设计完全一致，并且使用单模光纤进行耦合，因此仅需一对光通信系统就可以实现双向高速光通信。

如图1（b）和（c）所示，每套光通信系统由一个光通信收发模块，一个捕获、指向和跟踪（APT）系统及其电学控制模块构成。其中，APT系统使用了四级闭环反馈控制，首先通过GPS和惯性导航等多传感器融合实现初始捕获，使目标跟踪点进入光学跟瞄视场，进而通过三级光学跟瞄实现高精度光学建链。整套反馈控制实现了全自动化，可以在10分钟时间内自动在任意节点间建立光通信链路。

图1（a）FSO链路示意图；（b）FSO系统实物图；（c）FSO系统设计图；（d）链路衍射损耗

同时，这套系统配备有主动增稳装置，为后续移动平台的搭载打下基础。该系统选择了90 mm的光学直径，如图1（d）所示，这可以将千米级光链路的衍射损耗控制在极低的水平。基于这套高精度、大光学口径的APT系统，链路损耗可以被控制在极低的水平，因而无需光学放大器，便可直接通过光纤光通信模块实现高速自由空间光通信。这使得FSO系统的体积和功耗大大降低，单个FSO系统重量为9.5 kg，体积为45×40×35 cm³，总功耗小于10 W。

外场测试

最终的外场实验示意图如图2（a）所示，Alice系统被放置在一栋大楼的楼顶，Bob系统被安装在一辆电动小车上，这样可以灵活控制Bob位置建立不同距离的FSO链路。

首先，他们在1 km的FSO链路中测试了APT系统性能。如图2（b）所示，跟瞄平均角度误差为3 μrad。如图2（c）所示，此时跟瞄链路的平均损耗为13.7 dB。在该链路中，他们利用10 Gbps带宽的商用光纤光通信模块进行了通信测试。结果如图2（d）所示，在100 s测试时间内，平均通信带宽为9.16 Gbps。

图2（a）外场实验图。（b）跟瞄误差图，其中0~30 s光学精跟踪仅开启第一级，在第30 s时一、二级同时开启；（c）有/无二级精跟踪时的1 km链路损耗；(d)光通信模块通过光纤直接连接和经过1 km自由空间链路时的通信带宽；（e）4 km链路损耗

此外，该工作还在最远4 km的自由空间光链路中测试了APT系统的性能，链路平均损耗为18 dB。该链路损耗的增加主要来自于大气吸收损耗，未来通过光放大或者挑选更好的实验天气，这套FSO系统有望实现更远距离的自由空间光通信。

综上，该团队建立了1km的FSO链路，并利用商业光纤光通信模块实现了无光放大的自由空间光通信，通信带宽达到了9.16 Gbps。该工作的核心是开发了一套重量仅9.5 kg的便携式光通信系统，可以在10分钟时间内自动构建低损耗的自由空间光链路。基于这套系统，未来标准光纤光通信器件和网络技术可以被直接应用到自由空间光通信网络中。这种集成化、高效率的便携APT系统，不仅可以用于FSO通信，未来也可以用于构建低损耗的量子通信链路，用于实现量子信息的传输。

南京大学博士后刘华颖和硕士张峣为该项成果的共同第一作者，南京大学谢臻达教授和刘华颖博士后为共同通讯作者。该研究得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、国家创新人才博士后培养计划等项目的支持。