封面 | 复旦大学迟楠教授团队：星载可见光激光通信，实现超高数据传输速率

《激光与光电子学进展》于2024年第7期（4月）推出“卫星互联网激光通信技术”专题，本封面为复旦大学迟楠教授课题组特邀论文“超高速星载可见光激光通信技术研究”。

封面展示了超高速星基可见光阵列激光通信的示意图。该方案采用了光学集成阵列发射和接收天线，实现了空分复用和波分复用，极大地提升了传输容量。阵列发射的可见光波束经过准直后，多路可见光链路同时进行数据传输，成功实现了集成的40路可见光阵列激光通信，达到了超过400 Gbit/s的数据传输速率，未来有望应用于星基大容量通信链路传输。

文章链接：迟楠, 林显浩, 罗志腾, 徐增熠, 陈慧, 贺志学, 余少华. 超高速星载可见光激光通信技术研究（特邀）[J]. 激光与光电子学进展, 2024, 61(7): 0706002.

随着卫星通信业务和互联网技术的快速发展，传统的单星独立任务模式难以满足空间应用需求，正逐步被具有更高空间和时间分辨率的多卫星协同网络所替代。大量的异构小卫星被部署在太空中，能够通过更长的观测基线来增强任务，具有大故障容限、实时可重构、低成本和较强的灵活性等优势。为实现分布式多卫星节点之间的实时性协作，建立大容量、低延时、高可靠性的星间通信链路是关键技术之一。

近年来，可见光通信(VLC)作为极具前景的补充方案，有丰富且无需授权的频谱资源，传输速率高，抗电磁干扰和保密性强，引起了各国学者的广泛兴趣。可见光波长短，激光的束散角小，并且使用基于宽禁带半导体氮化镓材料的激光器，发射功率大，抗辐照强度高。因此，可见光激光通信有望应用于大容量远距离星间通信链路传输。

复旦大学迟楠教授课题组结合波分复用和空分复用技术，实现了多波长多路信号经光纤引导后通过空间光学透镜天线阵列传输的大容量通信。在1 m多模光纤(MMF)-17 cm自由空间(FSO)-1 m多模光纤(MMF)链路上演示了一个集成的40路波分复用可见光激光通信系统，共复用29个波长。该系统成功实现了418.3 Gbit/s总数据传输速率，展示了波分复用可见光激光通信系统在星间大容量通信中的应用潜力。

图1展示了波分复用可见光激光通信系统的示意图，包括发射机、光学透镜天线阵列和接收机，用以实现超高速可见光激光通信。40个发射器集成在4个4U机箱中，其中每个机箱包含10个发射器。在发射器中，信号通过偏置器(Bias-Tee)与可调谐直流源耦合，经放大后驱动每个可见激光器。半导体制冷器(TEC)和水冷系统用于控制温度。每个激光器发出不同波长的激光，通过微型透镜耦合到光纤中。发射器的输出端通过1米长的多模光纤(MMF)连接到40个光学透镜天线阵列单元，每个光学透镜天线阵列单元宽度为17厘米，模拟自由空间传输。接收器也通过1m长的MMF连接到光学透镜天线阵列。在接收机中，传输信号被光电探测器所检测，通过电子放大器放大后由示波器采集处理。

此外，为了缓解系统中光电器件的带宽限制和高频衰落，该系统还采用了基于佐贝尔网络(Zobel NeTWork)的数字预均衡技术，增强发射信号的高频部分，在接收端获得相对平坦的频谱响应，从而扩大可用的信号带宽。佐贝尔数字预均衡对应的电路如图2(a)所示，其对应的幅频响应曲线如图2(b)所示。通过选取合适的预均衡参数，匹配该激光通信系统的信号带宽，并且根据信道情况调整能量分布，将更多的能量分配到高频部分，极大地增加了高频分量的信噪比，从而提高整体的通信容量。

该研究搭建了超高速波分复用可见光激光通信的演示系统，如图3(a)-(b)所示。该系统采用了离散多音自适应比特功率加载的调制算法，复用29个不同的可见光波长，实现了40路光纤-自由空间-光纤可见光激光链路传输，总速率超过400 Gbit/s。演示系统整体如图3(b)所示。图3(a)展示了发射机的细节。每10个带尾纤的可见光激光器集成在一个4U机箱中，包括直流电源、偏置器(Bias-Tee)、散热器等。图3(c)展示了探测器阵列，每个探测器都能通过多模光纤连接并检测到传输信号。

为了探索大容量可见光激光通信的潜力，结合波分复用和空分复用，本文实现了多路可见光激光通信的集成化，并取得了超过400 Gbit/s的总速率。具体来说，构建了集成的40路波分复用可见光激光通信系统，在1 m多模光纤-17 cm自由空间-1 m多模光纤链路上实现了总共418.3 Gbit/s的数据传输。据悉，这是波分复用可见光激光通信系统达到的最高数据传输速率。

该系统复用了29个可见光波长，并采用了离散多音比特功率加载调制和LC算法。根据实际可见光激光通信的信号带宽等特征，设计了合适的佐贝尔网络用以对发射信号进行数字预均衡，抵抗高频信号的衰落，更好地利用带宽资源。实验证明，该数字佐贝尔网络预均衡可以显著提高可见光激光通信系统的通信容量。该系统未来可结合波束整形技术、调制带宽更大的激光器以及更加先进有效的数字信号处理技术，通信容量有望进一步提升。该系统显示了波分复用可见光激光通信在星间大容量通信中具有巨大的应用潜力。

迟楠，复旦大学信息科学与工程学院院长，教授，博士生导师。国家杰出青年科学基金获得者，美国光学学会会士。1996年7月于北京邮电大学获得工学学士学位，2001年4月于北京邮电大学获得工学博士学位，2001-2004年在丹麦Technical University of Denmark 担任博士后，被聘为助理教授，2005-2006年英国University of Bristol 担任副研究员，2006加入华中科技大学，破格晋升为教授，2008年加入复旦大学。担任IMT-2030 6G推进组可见光通信召集人，中国电子学会通信分会副主任委员，中国通信学会水下通信分会副主任委员。长期从事高速光通信和高速可见光通信方面的研究。发表论文400余篇，Google引用13000余次，出版专著7部。承担了国家自然基金、国家973、国家科技部重点研发、国防科技创新特区等国家级项目与课题多项。获教育部自然科学二等奖、中国产学研合作创新一等奖、国际工业博览会创新奖等各1项。