VPIphotonics自由 系統(tǒng)高級建模仿真和應(yīng)用
點擊次數(shù)：3736 更新時間：2023-12-27
隨著社會的不斷發(fā)展和科技的飛速進步，通信技術(shù)逐漸從地面向更高空間延伸，催生了空間通信這一領(lǐng)域，旨在實現(xiàn)廣域覆蓋和高帶寬傳輸。自由空間光學（FSO）通信，具有高帶寬、低時延、抗干擾能力強等優(yōu)勢，為通信系統(tǒng)帶來了新的可能性，有望成為下一代網(wǎng)絡(luò)的重要組成部分。全球范圍內(nèi)，多個國家和企業(yè)正投入大量資源進行研發(fā)和試驗，以推動該技術(shù)的成熟和商業(yè)化。
近期，光通信仿真領(lǐng)域的企業(yè)VPIphotonics公司推出了一個用于模擬、設(shè)計和分析陸地和自由空間光鏈路上經(jīng)典和通信系統(tǒng)的仿真框架。該框架采用直接和相干檢測方案，解決了地面、地對、對地和間鏈路中的不同F(xiàn)SO應(yīng)用場景的挑戰(zhàn)。在FSO信道建模方面，采用了兩種方法。第一種方法考慮了大氣閃爍、指向誤差、多普勒效應(yīng)、光束衍射引起的衰減以及閃爍引起的發(fā)散。第二種方法則是利用相位屏技術(shù)捕捉光束的波面，從而更詳細地描述信號的傳播。通過這一仿真框架，深入研究并展示了幾個不同F(xiàn)SO應(yīng)用實例的性能。VPIphotonics公司的仿真框架為研究人員和工程師提供了一個強大而全面的工具，用于深入了解FSO通信系統(tǒng)的運作機制，幫助優(yōu)化設(shè)計和提高整個鏈路性能。自由空間光學（FSO）技術(shù)結(jié)合密鑰分發(fā)（QKD），可以在全光網(wǎng)絡(luò)中實現(xiàn)密鑰的共享，為用戶提供靈活、高速和安全的通信，而且可以適用于任何傳輸距離。根據(jù)光信號傳播的物理特性，F(xiàn)SO信道可分為地面、和空間鏈路，例如地對地、地對、對地和間鏈路，如圖1 所示。圖 1：具有不同 FSO 鏈路類型的通信網(wǎng)絡(luò)與射頻鏈路相比，F(xiàn)SO鏈路的優(yōu)勢在于更高的數(shù)據(jù)傳輸率、免許可頻譜、更低的功耗以及更小、更輕的天線。然而，要構(gòu)建一個可靠的FSO系統(tǒng)，需要克服一些特定的挑戰(zhàn)。所有連接地面站的FSO鏈路都依賴于信號通過大氣傳播，因此可能受到不可預測的大氣條件（如湍流、云層覆蓋等）的影響。為了避免由此導致的鏈路中斷，可以采用不同的緩解技術(shù)，包括孔徑平均、站點/時間/空間分集和自適應(yīng)光學等。此外，鏈路的性能可能會受到指向抖動和對準不準確的限制，因此需要適當?shù)闹赶蚝透櫹到y(tǒng)。此外，QKD系統(tǒng)還必須考慮背景噪聲。因此，要根據(jù)特定規(guī)格開發(fā)切合實際的FSO系統(tǒng)設(shè)計，必須分析所有關(guān)鍵的物理效應(yīng)及其對系統(tǒng)性能的影響。這可以通過建立實驗裝置并在特定地點或?qū)嶒炇噎h(huán)境中進行驗證來完成。然而，通常需要對系統(tǒng)性能進行總體研究，包括針對不同大氣條件優(yōu)化系統(tǒng)參數(shù)或選擇FSO通信的最佳位置。在這種情況下，系統(tǒng)工程師可以利用仿真來設(shè)計、分析和優(yōu)化FSO系統(tǒng)，特別是在考慮自由空間信道的特性以及對發(fā)射端和接收端各個組件的要求的情況下，估算其性能和可靠性。下文將介紹使用基于強度的FSO信道模型在地面、對地以及間鏈路上實現(xiàn)經(jīng)典和通信系統(tǒng)的幾個應(yīng)用實例。所述的所有仿真原理圖均在VPIphotonics Design Suite 11.4創(chuàng)建。在 FSO 鏈路中，有幾種緩解技術(shù)可用于減少大氣閃爍的影響。其中一種是孔徑平均法，通過增大接收器尺寸來減輕閃爍效應(yīng)。接收器收集較大角度的散射光，并對較大孔徑的不相關(guān)輻照度波動進行平均。這樣，閃爍指數(shù)就會變小，接收器的功率波動也會減小。除了使用單個接收器進行孔徑平均外，還可以使用空間分集接收器來減少閃爍，尤其是當單個接收器的尺寸不能增加到超過特定限制時。在這種情況下，多個信號副本通過空間獨立的自由空間通道傳輸，并由相互之間有足夠距離的較小接收器陣列進行檢測。接收器陣列產(chǎn)生的光電流合并在一起。圖 2a展示了在 FSO 鏈路中模擬孔徑平均和空間分集接收器的示意圖。在此示例中，10 Gbps NRZ-OOK 信號在自由空間鏈路上傳輸，傳輸波長為 1550 nm。湍流條件為
，閃爍指數(shù)為0.1，接收器直徑D=0.1m 時，發(fā)射光束為準直高斯光束，腰半徑為
。為了研究空間分集接收器的孔徑平均效應(yīng)，我們計算了不同數(shù)量圓形接收器的系統(tǒng)誤碼率。為此，探測器的總面積被認為是固定的，發(fā)射信號功率被設(shè)定為 60 mW。圖3a 顯示了誤碼率與等效接收器孔徑的關(guān)系，等效接收器孔徑相當于圓形接收器的直徑，其面積等于所有空間分集接收器的總面積。接收器數(shù)量不同，誤碼率性能也不同。在接收器孔徑較大的情況下，單個接收器的孔徑平均效應(yīng)比空間分集接收器的效應(yīng)更為顯著。該示意圖運行了500 次，以考慮閃爍統(tǒng)計數(shù)據(jù)。每次運行都相當于對整個傳輸信號塊施加一次獨立的閃爍事件。所有信號塊都在接收器上進行分析，并累積起來進行誤碼率估算。圖 2b 顯示了接收信號的一部分示例，包括 14 個信號塊。除了 FSO 鏈路中閃爍引起的功率衰減外，霧、雨或雪等惡劣天氣條件引起的衰減也會顯著降低鏈路性能。為了模擬不同天氣條件的影響，我們指定了根據(jù)計算得出的特定衰減γ的相應(yīng)值。圖 3a 顯示的是晴朗天氣，而圖 3b 則顯示了在中霧、平均雨量和下雪的情況下，單個檢測器的誤碼率與接收器直徑的關(guān)系。表 1 總結(jié)了這些天氣條件下特定衰減和能見度的相應(yīng)值。通過修改相關(guān)參數(shù)，該示例也同樣適用于對地面站下行鏈路及地面站對上行鏈路通信仿真。
圖 2. a) 帶有空間分集接收器的 FSO 鏈路仿真示意圖；b) 接收到的光信號示例，該信號由與獨立閃爍事件相對應(yīng)的若干塊組成
圖 3. a) 晴朗天氣條件下不同數(shù)量的接收器；b) 不同天氣條件下單個接收器的誤碼率與等效接收器孔徑的關(guān)系
表 1. 不同天氣條件下的大氣能見度和特定衰減值
在間鏈路中，光信號在真空中傳播，光束的振幅和相位波前沒有受到閃爍引起的畸變。這為相干傳輸創(chuàng)造了有利條件，因為無需應(yīng)用自適應(yīng)光學等復雜的緩解技術(shù)。然而，由于的高速運動，必須考慮多普勒效應(yīng)，該效應(yīng)可能高達幾千兆赫，導致相干傳輸系統(tǒng)性能不佳。為避免這種情況，通常會在發(fā)射機上對多普勒引起的頻移進行預補償。此外，接收器可通過使用DSP 或光學鎖相環(huán)等方法來補償幾百兆赫的輕微殘余偏移。圖 4 是用于模擬 LEO 和 GEO 之間 FSO 鏈路中 1 Gbps 光相干 BPSK 數(shù)據(jù)傳輸?shù)氖疽鈭D。的位置是根據(jù)從地球中心測量的間角距對應(yīng)的 φ 角定義的。之間的距離、的相對徑向速度以及接收信號的相應(yīng)多普勒頻移對φ 角的依賴關(guān)系如圖 5 b-d 所示。在本例中，發(fā)射機調(diào)整信號波長以進行多普勒引起的頻移的預補償。殘余頻移通過本地振蕩器頻率偏移進行模擬，假設(shè)其為100 MHz。在接收端使用基于 DSP 的載波頻率和相位恢復來補償這一殘余偏移。除了多普勒效應(yīng)外，由于之間的距離相當大，考慮鏈路中的指向誤差也至關(guān)重要。即使波束的角度位移很小，也會導致明顯的衰減。圖 5a 顯示了不同位置對應(yīng)于-π/2 到π/2 角 φ 的估計鏈路性能，同時考慮了恒定的指向誤差。圖 5e 顯示了在三個不同位置時誤碼率與指向誤差值的關(guān)系。圖 5f 顯示了相應(yīng)的接收光功率與指向誤差的關(guān)系。我們發(fā)現(xiàn)，要在該鏈路中實現(xiàn)無差錯傳輸，指向誤差應(yīng)< ~10 μrad。
圖 4. a) 使用 BPSK 調(diào)制和 DSP 的 FSO 間鏈路模擬示意圖；b) LEO- to-GEO鏈路方案
圖 5. a) 10 μrad 偏置指向誤差時誤碼率與間角距的關(guān)系；b) 傳輸距離；c) 接收信號多普勒頻移 d) 相對徑向速度與間角距的關(guān)系；e) 誤碼率估計值 f) 接收光功率與三個不同位置的偏置指向誤差的關(guān)系
與光纖上的QKD 相比，基于的 QKD 在長距離通信（>100公里）時損耗較小。因此，QKD成為建立全球網(wǎng)絡(luò)的理想候選方案，目前受到廣泛關(guān)注。自由空間通道的極高偏振穩(wěn)定性尤為引人注目，這使得偏振編碼協(xié)議成為 QKD 的普遍選擇。偏振編碼協(xié)議通常使用弱相干脈沖（WCP）源或偏振糾纏光子對源來實現(xiàn)。下面將討論一個使用WCP源和兩個假脫靶態(tài)的偏振編碼BB84協(xié)議的下行場景。傳輸波長設(shè)定為1550 nm，因為該波長的大氣吸收系數(shù)低，太陽輻射減弱。大氣湍流的空間分布
采用Hufnagel- Valley 5/7 模型定義。對于下行鏈路方案，上集成了一個 1 GHz 時鐘頻率的發(fā)射機，產(chǎn)生一個腰半徑
的準直高斯光束。接收端由兩個單光子探測器和一個相位調(diào)制器組成，用于主動選擇測量基準（圖 6b）。假定單光子探測器完全相同，后脈沖概率為 6%，暗計數(shù)率為 2.5 kHz，死時間為 10 ns，效率為 10%。我們建立了時間和光譜濾波模型，以抑制背景光噪聲：在接收端前方放置了一個 0.3 nm 的窄帶通濾波器，探測器的門寬設(shè)定為 100 ps。此外，接收器的視場很窄，為 100 μrad。鏈路中的其他損耗來自大氣衰減（0.5 dB）和耦合損耗（3 dB）。圖 7 顯示了總鏈路損耗，包括衍射損耗和額外損耗，總計為13.5 dB。限制 QKD 鏈路性能的影響之一是背景光噪聲。到達單光子探測器的背景噪聲功率用以下表達式計算：其中，?? 是背景光輻射度，??OV 是接收器的視場，
是接收器的面積，??r 是接收器的直徑，Δ?? 是接收器的帶通濾波器。背景光輻射值取決于時間、和地面站位置以及天氣條件。其變化范圍從
（晴朗無月的夜晚）到 
（艷陽高照的條件下）。圖 8 顯示，在給定的系統(tǒng)參數(shù)下，即使糾錯效率為 1，也不可能在白天條件下建立 QKD 鏈路。在進一步模擬中，我們考慮了背景光輻射為
的夜間運行情況。
圖 6. a) 使用帶有誘餌狀態(tài)的偏振編碼 BB84 的 FSO 到地面QKD 鏈路仿真示意圖；b) Bob接收器方案：PBS/C - 偏振分束器/合路器，PM - 相位調(diào)制器，SPCM - 單光子計數(shù)模塊
圖 7. 天頂角為 0?，不同接收器直徑 ????時的總鏈路損耗
圖 8. 不同接收器直徑????時，QBER（虛線）和密鑰率（實線）與背景光輻射的關(guān)系。到的距離：500 km；天頂角 0?
軌道的繞行：我們假定一顆LEO太陽同步的軌道是圓形的，以計算到的距離及其天頂角如何隨時間變化。為簡化問題，我們忽略了在繞行過程中地球的自轉(zhuǎn)。軌道的傾角設(shè)定為 88?，軌道高度為 500 km。通信是在天頂角小于 70? 時進行的，因此單次通過時間為 270 秒（圖 9a）。接收器直徑設(shè)定為 1 m。
考慮到協(xié)議參數(shù)，誘餌態(tài)和真空態(tài)的平均光子數(shù)分別設(shè)為每個脈沖 0.1 個和 0 個?；A(chǔ)概率為
，脈沖類型概率
。對信號態(tài)的平均光子數(shù)進行了優(yōu)化，以獲得最大的秘鑰率，結(jié)果表明每個脈沖的信號態(tài)平均光子數(shù)為0.32。圖 9b 顯示了隨時間變化的閃爍平均秘鑰率。在這樣的單程中，總共可以獲得 18.4 Mbits 的密鑰比特。
圖 9. 到的距離和天頂角與時間的關(guān)系（左）以及密鑰與時間的關(guān)系（右）
本文描述了在VPIphotonics仿真軟件中建立的大氣層和間自由空間光信道模型，該軟件還支持多種 QKD 協(xié)議，可對不同的 FSO 通信系統(tǒng)進行仿真和研究。通過三個不同的應(yīng)用實例展示了 FSO 信道模型的功能。研究涵蓋了不同鏈路類型中的多種物理損傷，如閃爍、指向抖動和多普勒效應(yīng)。此外，證明了空間分集接收器可減輕地面鏈路中的閃爍效應(yīng)，DSP 可減輕相干間鏈路中多普勒引起的頻移效應(yīng)，同時對基于的QKD系統(tǒng)的性能進行了研究，發(fā)現(xiàn)相對基于光纖的解決方案其覆蓋范圍更廣。
VPIphotonics仿真軟件
VPIPhotonics的光通信仿真軟件提供了一個強大而靈活的工具集，支持工程師在自由空間光學（FSO）通信系統(tǒng)的設(shè)計、優(yōu)化和驗證過程中進行全面的仿真和分析。VPIPhotonics提供了廣泛的光通信元件和設(shè)備的建模能力，包括光源、光纖、放大器、光調(diào)制器、探測器等。這使得用戶可以在仿真中精確地模擬光通信系統(tǒng)中的各個組件，以更全面地了解系統(tǒng)性能。軟件具有高度可定制的特性，使用戶能夠根據(jù)其具體需求自定義仿真模型。這對于光通信系統(tǒng)中可能涉及的各種參數(shù)和配置非常重要，可以幫助工程師進行靈活的設(shè)計和優(yōu)化。VPIPhotonics提供強大的性能分析功能，允許用戶評估光通信系統(tǒng)的關(guān)鍵性能指標，如誤碼率、信噪比等。這對于系統(tǒng)設(shè)計和優(yōu)化非常關(guān)鍵。VPIPhotonics的圖形化用戶界面使其易于使用，用戶可以通過直觀的界面進行仿真配置和結(jié)果分析，減少了學習曲線，提高了工作效率。總體而言，VPIphotonics是一款在系統(tǒng)建模、仿真和優(yōu)化方面表現(xiàn)較好的軟件。其靈活性和精度使其成為光學工程師和研究人員的工具，為復雜光學系統(tǒng)的設(shè)計和性能優(yōu)化提供了強大的支持。[1] Ecker, S., Pseiner, J., Piris, J. and Bohmann, M., "Advances in Entanglement-Based QKD for Space Applications," arXiv:2210.02229 [quant-ph] (2022).[2] Kaushal, H. and Kaddoum, G. "Optical Communication in Space: Challenges and Mitigation Techniques," IEEE Communications Surveys & Tutorials 19(1) 57-96 (2017).[3] Khalighi, M. A. and Uysal, M., "Survey on Free Space Optical Communication: A Communication Theory Perspective," IEEE Communications Surveys & Tutorials 16(4) 2231–58 (2014).[4] Kr?i?, A., Heinig, D., Goy, M. and Steinlechner, F., "Dual-Downlink Quantum Key Distribution with Entangled Photons: Prospects for Daylight Operation," ICSO (2022).[5] Richter, A., "Modelling high-capacity nonlinear transmission systems," Springer, WDM Systems and Networks- Modeling, Simulation, Design and Engineering, 13–61 (2012).[6] Lowery, A., Lenzmann, O., Koltchanov, I., et al., "Multiple signal representation simulation of photonic devices, systems, and networks", IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics 6(2), 282–296 (2000).[7] Louchet, H., Karelin, N. and Richter, A., "Modelling high-capacity nonlinear transmission systems," CRC Press, Optical Communication Systems: Limits and Possibilities, 1–61 (2019).[8] Kreinberg, S., et al., "Modelling Weak-Coherent CV-QKD Systems Using a Classical Simulation Framework", International Conference on Transparent Optical Networks (ICTON), 1–4 (2019).[9] Bachor H.-A. and Ralph, T. C., "A guide to experiments in quantum optics", Wiley-VCH, Weinheim (2004)[10] Collett, M. J., Loudon, R. and Gardiner C. W., "Quantum Theory of Optical Homodyne and Heterodyne Detection," Journal of Modern Optics 34(6-7), 881–902 (1987).[11] Tontini, A., Gasparini, L. and Perenzoni, M., "Numerical Model of SPAD-Based Direct Time-of-Flight Flash LIDAR CMOS Image Sensors, " Sensors 20(18), 5203 (2020).[12] Recolons, J. and Dios, F., "Accurate calculation of phase screens for the modelling of laser beam propagation through atmospheric turbulence", Proc. SPIE, Atmospheric Optical Modeling, Measurement, and Simulation, 589107 (2005).[13] Majumdar, A. K., "Advanced Free Space Optics (FSO): A Systems Approach," Springer New York, New York, NY, (2015).[14] Kaushal, H., Jain, V. K. and Kar S., " Free Space Optical Communication," Springer India, New Delhi, 41–89 (2017).[15] Andrews, L. C., and Phillips, R. L. "Laser Beam Propagation through Random Media," SPIE Press, Bellingham, WA, chapters 9, 10, 12 (2005)[16] Beland, R. R., "Atmospheric Propagation of Radiation," in The Infrared and Electro-Optical Systems Handbook, Vol. 2, SPIE Optical Engineering Press, Bellingham, WA, 159-224 (1993).[17] Frehlich, R., "Simulation of Laser Propagation in a Turbulent Atmosphere, " Applied Optics 39(3), 393 (2000).[18] Delen, N., and Hooker, B., "Free-Space Beam Propagation between Arbitrarily Oriented Planes Based on Full Diffraction Theory: A Fast Fourier Transform Approach," Journal of the Optical Society of America A 15(4), 857 (1998).[19] Villasenor, E., Malaney, R., Mudge, K. A. and Grant, K. J., "Atmospheric Effects on Satellite-to-Ground Quantum Key Distribution Using Coherent States," GLOBECOM 2020 - 2020 IEEE Global Communications Conference (2020).[20] Ma, J., Li, X., Yu, S., Tan, L. and Han Q., "Influence of Satellite Vibration on Optical Communication Performance for Intersatellite Laser Links," Optical Review 19(1), 25–28 (2012).[21] Yang, Q., Tan, L. and Ma, J., "Doppler Characterization of Laser Inter-Satellite Links for Optical LEO Satellite Constellations," Optics Communications 282(17), 3547–52 (2009).[22] Recommendation ITU-R P.1814, "Prediction methods required for the design of terrestrial free-space optical links," ITU, Geneva, Switzerland, (2007)[23] Committee for Space Data Systems (CCSDS), "Optical High Data Rate (HDR) Communication - 1064 nm," CCSDS 141.11-O-1, Orange Book, (2018).[24] Schaefer, S., Gregory M. and Rosenkranz, W., "Coherent Receiver Design Based on Digital Signal Processing in Optical High-Speed Intersatellite Links with M -Phase-Shift Keying," Optical Engineering 55(11), 111614 (2016).[25] Rosenkranz, W. and Schaefer, S., "Receiver Design for Optical Inter-Satellite Links Based on Digital Signal Processing," International Conference on Transparent Optical Networks (ICTON), 1-4 (2016).[26] Bedington, R., Arrazola, J. M. and Ling, A., "Progress in Satellite Quantum Key Distribution," Npj Quantum Information 3(1), 30 (2017).[27] Toyoshima, M., Takenaka, H., Shoji, Y., Takayama, Y., Koyama, Y. and Kunimori, H., "Polarization Measurements through Space-to-Ground Atmospheric Propagation Paths by Using a Highly Polarized Laser Source in Space," Optics Express 17(25), 22333-22340 (2009).[28] Ma, X., Qi, B., Zhao, Y. and Lo, H.-K., "Practical Decoy State for Quantum Key Distribution," Physical Review A 72(1), 012326 (2005).[29] Recommendation ITU-R P. 1621, "Propagation Data Required for the Design of Earth-Space Systems Operating between 20 THz and 375 THz," ITU, Geneva, Switzerland, (2003)[30] Ntanos, A., Lyras, N. K., Zavitsanos, D., Giannoulis, G., Panagopoulos, A. D. and Avramopoulos, H., "LEO Satellites Constellation-to-Ground QKD Links: Greek Quantum Communication Infrastructure Paradigm," Photonics 8(12), 544 (2021).[31] Yuan, Z. L., Kardynal, B. E., Sharpe, A. W. and Shields, A. J., "High Speed Single Photon Detection in the near Infrared. " Applied Physics Letters 91(4), 041114 (2007).[32] Walsh, S.M., Karpathakis, S.F.E., McCann, A.S. et al. Demonstration of 100 Gbps coherent free-space optical communications at LEO tracking rates. Sci Rep 12, 18345 (2022).[33] R. Navitskaya, S. Li, P. Novik, I. Koltchanov, A. Richter* VPIphotonics GmbH, Carnotstr. 6, 10587 Berlin, Germany “Simulation framework for classical and quantum communications over the free-space optical channel” (2023)
