据中国激光杂志网，于2023年06月08日报道，打破星间激光通信体制藩篱，助力全球互联。
封面解析
相干光通信具有解调多种调制格式的光信号的能力，能够取得接近散粒噪声极限的接收灵敏度。本封面以星间激光通信为应用背景，展示了三颗卫星在太空中两两完成双工的相干光通信的场景，卫星周围的星座图展示了不同调制格式的相干接收，从而进一步打破体制不同带来的不便，为全球互联贡献一份力量。
封面导读
本文提出了一种多体制兼容相干探测卫星激光通信技术，利用相干的手段并结合不同的解调算法，实现了目前空间光通信中最常使用的两种调制格式（OOK、BPSK）的兼容。给出了误码率与光功率的理论曲线与实际曲线的对比，在两种调制格式下均取得了接近散粒噪声极限的超高灵敏度。
研究背景
随着星间通信、星地通信等应用场景中所需传输数据的海量增加，传统射频通信越来越难以满足现实的需求。自由空间激光通信有其独特的优点：大带宽、无许可证频谱、高数据速率、易于快速部署以及低功耗等。伴随着光放大器（掺铒光纤放大器（EDFA）、掺镱光纤放大器（YDFA）等）的发展，强度调制直接探测（IM-DD）系统由于其简单性而被广泛应用。欧洲宇航局（ESA）于1990年展开星间卫星链路实验（SILEX）的部署，并在2002年建立同步轨道卫星（ARTEMIS）与低轨卫星（SPOT-4）间的双向通信激光链路，通信格式为开关键控（OOK）。
直到2017年，哈尔滨工业大学的激光通信终端随“实践十三”同步轨道卫星升空，通信体制仍为OOK。诸多案例证明了OOK体制使用的广泛性，而在2008年，德国Terra合成孔径雷达X波段波长（SAR-X）卫星和美国近场红外实验（NFIRE）卫星第一次建立了数据速率为5.6 Gbit/s的相干激光通信，调制格式为二进制相移键控（BPSK），为空间相干激光通信开了好头，而BPSK也是目前调制格式中理论接收灵敏度最高的体制。
相干光通信的核心在于引入的强本振光的放大作用，使得散粒噪声远远超过其他噪声并成为主导，故实际设计的相干光通信接收机灵敏度可以通过不断改善各项参数来逼近散粒噪声极限，进而完成更高灵敏度的通信接收。
不难发现，在空间激光中，OOK与BPSK两种调制格式在现阶段与未来均会长期存在并得到广泛应用。目前，在激光通信发射端，研究者已经设计出兼容多种调制格式的发射机。然而在接收端，现有的接收机在接收OOK光信号时以直探为主，而接收BPSK信号只能以相干接收的方式。如何做到同时兼容OOK信号与BPSK信号的解调呢？多体制兼容相干探测卫星激光通信技术给出了答案。
对于OOK及BPSK信号均采用相干接收的方式，区别仅仅在于解调算法不同。图1给出了OOK信号相干接收时的星座图、BPSK信号相干接收载波恢复前与载波恢复后的星座图。图2则给出了卫星激光通信多体制兼容相干探测装置的结构图。
对于OOK光信号的相干接收，采用复数化取模后阈值判决的方式进行解调，即异步解调，不需要进行载波恢复，尤其对所用信号光线宽与本振光的线宽要求均不高，该方法非常适合作为现阶段BPSK信号相干接收时锁相算法失灵时的备用手段。算法恢复前与恢复后的IQ两路电信号波形如图3与图4所示。
对于BPSK信号的相干解调通常需要通过算法进行频偏恢复和相位恢复。目前PSK系统载波相位恢复的算法主要有两种实现方式：基于复数运算和基于角度运算。本技术中采用基于复数运算的方法恢复载波相位以完成对于BPSK信号的解调。BPSK信号载波恢复前与载波恢复后的示意图如图5、图6所示。
经过实验测试，得到采用多体制兼容相干探测卫星激光通信技术对于OOK信号与BPSK信号两种通信体制下误码率与接收光功率的关系以及与散粒噪声极限下的关系曲线的对比图，分别如图7（a）、（b）所示。
当通过多体制兼容相干探测技术对1 Gbit/s通信速率的OOK信号光进行相干解调时，在信号光功率为-54.6 dBm时取得了10-3的误码率，距离散粒噪声极限仅为3.3 dB;当通过多体制兼容相干探测技术对1 Gbit/s通信速率的BPSK信号光进行相干解调时，在信号光功率为-57.95 dBm时取得了10-3的误码率，距离散粒噪声极限仅为4.2 dB。本文给出了灵敏度损失的具体原因，点击查看。
空间相干激光通信，通过不断追求散粒噪声极限，在现阶段的技术中，达到了最高的接收机灵敏度，故将在未来拥有更大的舞台。其中相干探测兼容多种调制格式的接收后，更是如虎添翼，通过打破星间激光通信体制藩篱，助力全球互联，故一定会对未来空天信息网络一体化的长足发展做出一定的贡献！
后续工作展望
作为卫星互联网骨干数据传输的主要手段，激光通信发挥的作用越来越大。考虑到星座内部、星座之间的数据互联互通，后续在通信体制上需要在硬件一体化的基础上实现软件的一体化，进一步提升其适用范围，为芯片化设计提供依据。
课题组简介
孙建锋课题组长期从事空间相干传输与探测技术研究。课题组的研究成果在2016年在墨子号上实现了我国首次星地相干激光通信在轨试验，通信速率达到5.12 Gbit/s。提出的光学章动技术可以实现跟踪光轴和通信接收光轴的实时统一，已经被卫星激光通信多个厂家广泛采用。建设了我国第一套卫星激光通信终端光跟瞄动态检测验证平台，其实现方案也被各个终端研制厂家采用，服务于我国多个激光通信型号任务。
在光学相控阵激光通信技术方面，提出了矢量光学相控阵概念，并完成了原理贯通，将相控阵单元数下降四个数量级以上，为光学相控阵的工程应用奠定了基础。
在相干探测技术方面：完成了我国首次国际第二次合成孔径激光成像雷达二维图像，完成了基于线性调频连续波体制的激光测距测速一体化技术研究，实现了距离20 km、测量精度5 cm的实验结果。通过微机电（MEMS）扫描技术，实现了三维相干激光成像雷达图像，并进行了车载实验，获得了连续点云输出。
课题负责人简介
孙建锋，男，汉族，1978年10月生，2005年7月参加工作，中国科学院大学光学工程专业研究生学历，中国科学院大学光学工程专业博士学位。研究员，博士生导师，负责卫星互联网空间激光传输，激光时频、交换和处理等方面的工作。主持过多项激光通信和激光雷达方面的研究工作，作为主任设计师完成了我国首次星地高速相干激光通信试验任务，作为通信总师完成了共12台套激光终端研制任务，发表学术论文200余篇，申请发明专利90余项，参与撰写《剪切干涉术及其进展》1部，主持撰写过《空间相干激光通信技术》和《合成孔径激光成像雷达原理和系统》专著2部，获得上海市自然科学二等奖1项，上海市技术发明奖1项，国防科技进步奖1项。
