近日，中国科学院光电技术研究所自适应光学技术研究室激光通信团队成功将自适应光学技术应用于地球同步轨道星地相干光通信试验。在中强大气湍流强度下（r0≥3cm），经自适应校正后卫星下行信号光束波前畸变和光束抖动显著抑制，跟踪精度优于亚微弧度量级，波前精度优于λ/10（λ为信号光波长1550nm），保证了空间光至单模光纤的高效耦合，平均单模光纤耦合效率达28%以上。自适应光学校正后，单模光纤平均接收功率从0.2nW提高到4.8nW，相比校正前提高了13.8dB，显著提升了相干接收机的信噪比。自适应光学技术解决了星地相干光通信大气湍流的困扰,有效保障了星地相干光通信的可靠性，为实现同步轨道星地相干光通信试验发挥了重要的作用。
图1 激光通信自适应光学校正系统示意图
图2 卫星高角36°时(r0=4cm)AO校正前后波前畸变(左)和光斑抖动(右)
图3 AO校正前和校正后的单模光纤接收功率
激光通信系统是以激光为信号载体，通过对激光的调制解调来进行信息传输，具有高速、大容量和安全保密的特性，是解决未来大容量数据传输的最优途径之一。长期以来，星地链路存在的大气湍流效应造成信号光束波前畸变、光斑弥散、抖动，影响地面信号光能量接收，特别是使相干激光通信的单模光纤接收尤为困难。在不进行大气湍流抑制的情况下，相干激光通信系统在常规的大气湍流条件下几乎无法工作。为实现高速率、高可靠的星地激光通信，大气湍流干扰问题必须解决。
自适应光学（Adaptive optics, AO）是一项使用可变形镜面校正因大气抖动造成光波波前发生畸变，从而改进光学系统性能的技术。中国科学院光电技术研究所姜文汉院士于1979年在国内率先开展自适应光学研究，突破了波前校正器(包括变形反射镜和高速倾斜反射镜)、波前传感器、波前处理机和波前控制等关键技术的基础上,研制了一系列自适应光学系统,用于天文望远镜高分辨率成像、ICF波前控制和活体人眼视光学研究等。针对激光通信中大气湍流抑制问题，光电所自适应光学技术研究室在国内率先开展了激光通信自适应光学技术研究，解决了大气动态波前高精度校正、高效率空间光至单模光纤耦合、同频收发下大气后向散射的波前干扰等技术问题。2012年至今，已完成了多套大口径激光通信自适应光学地面站的研制。
自适应光学技术为星地相干激光通信提供了良好的解决方案，解决了其星地通信的可靠性问题，使得其适应大气湍流的能力显著增强。从几乎不可用变成夜间全时段和部分白天时段均可连续工作，大大提高了激光通信系统在大气湍流条件下的可用性，下一步团队将向构建单站可全天时工作的激光通信系统而努力。
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