1、人類使用光進(jìn)行通信的歷史由來(lái)已久，特別是在衛(wèi)星和潛艇等不便于鋪設(shè)光纖和線纜的特殊環(huán)境中，自由空間光通信因其機(jī)動(dòng)靈活的特性而獲得了廣泛關(guān)注。與傳統(tǒng)的微波無(wú)線通信技術(shù)相比，激光波束的寬度小、方向性好、抗截獲和抗電磁干擾的能力強(qiáng)，在通信的保密性方面具有較大的優(yōu)勢(shì)。并且當(dāng)把光衰減到單光子的尺度時(shí)，還可以將信息編碼在光子的量子態(tài)上，利用量子通信技術(shù)從理論上實(shí)現(xiàn)絕對(duì)安全的保密光通信。
　　在本論文中，主要針對(duì)自由空間保密光通信的應(yīng)用背景，分別

2、著眼于星地量子通信和對(duì)潛艇保密激光通信的實(shí)際需求，進(jìn)行了星載量子光源和對(duì)潛光通信兩項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)的研究。
　　量子通信是迄今為止唯一被嚴(yán)格數(shù)學(xué)證明的絕對(duì)安全通信方式，而基于衛(wèi)星平臺(tái)中繼的星地量子密鑰分發(fā)，是實(shí)現(xiàn)全球化廣域量子保密通信網(wǎng)絡(luò)最有前景和最具有可行性的方案。作為中國(guó)科學(xué)院戰(zhàn)略先導(dǎo)性專項(xiàng)首批四顆科學(xué)衛(wèi)星之一，量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星將通過(guò)衛(wèi)星上所搭載的量子光源，與地面站共同組成天地一體化的空間量子實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，在國(guó)際上首次完成星地高速量子密

3、鑰分發(fā)實(shí)驗(yàn)。
　　針對(duì)星地量子通信的需求，本論文在星地鏈路高衰減和嚴(yán)酷外太空環(huán)境的背景下，設(shè)計(jì)研制了性能優(yōu)異、高可靠性的星載量子光源，光源的功能和性能滿足未來(lái)星地量子密鑰分發(fā)實(shí)驗(yàn)的高要求。
　　首先，針對(duì)量子密鑰分發(fā)的原理和空間高可靠性的應(yīng)用背景，通過(guò)理論分析總結(jié)了星地量子密鑰分發(fā)對(duì)光源的需求，并選擇技術(shù)簡(jiǎn)單、成熟、可靠性高的基于多激光器的方案用于實(shí)現(xiàn)量子光源。然后，在光源設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的過(guò)程中，聯(lián)合奧康光通器件（中山）有限公司共

4、同設(shè)計(jì)研制了一款專用于空間環(huán)境的激光器產(chǎn)品，對(duì)基于增益開(kāi)關(guān)技術(shù)的激光器動(dòng)態(tài)調(diào)制特性進(jìn)行了模擬分析，并在此基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了性能優(yōu)異的弱相干光源，多個(gè)激光器輸出的量子態(tài)在時(shí)間、強(qiáng)度、頻率和相位等維度不可區(qū)分。光源的重復(fù)頻率為100MHz，偏振消光比和信噪比均優(yōu)于25dB，所輸出光脈沖的時(shí)間寬度為123ps，長(zhǎng)時(shí)間的量子態(tài)強(qiáng)度穩(wěn)定性優(yōu)于99.4％。最后，作為量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星有效載荷的一部分，光源已順利通過(guò)了一系列的空間環(huán)境驗(yàn)證試驗(yàn)，并參與了

5、地面模擬在軌運(yùn)行的量子密鑰分發(fā)實(shí)驗(yàn)，取得了良好的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。目前衛(wèi)星有效載荷已經(jīng)順利交付，衛(wèi)星預(yù)計(jì)于2016年7月發(fā)射。
　　由于傳統(tǒng)微波對(duì)潛通信在通信性能和安全性上的局限性，利用激光實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星（飛機(jī)）對(duì)潛艇的保密通信也有著重要的戰(zhàn)略價(jià)值和研究意義。而通過(guò)理論研究復(fù)雜大氣-海水信道的固有光學(xué)特性，建立起基于真實(shí)環(huán)境的信道參數(shù)模型，并在此基礎(chǔ)上結(jié)合實(shí)際的設(shè)備參數(shù)研究分析對(duì)潛光通信系統(tǒng)的通信性能，是實(shí)現(xiàn)對(duì)潛保密激光通信的必經(jīng)途徑。

6、　　針對(duì)對(duì)潛保密激光通信的需求，本論文建立了基于真實(shí)大氣-海水信道參數(shù)模型的對(duì)潛光通信系統(tǒng)的蒙特卡羅仿真算法，并在此基礎(chǔ)上分別研究分析了機(jī)潛高速雙工通信系統(tǒng)和星潛光通信系統(tǒng)的通信性能。
　　首先，針對(duì)真實(shí)的大氣-海水信道，分別建立了基于高度分層的大氣參數(shù)模型、波動(dòng)的大氣-海水界面模型以及基于深度分層的海水參數(shù)模型。海水參數(shù)由不同水質(zhì)類型的海水在特定深度下的葉綠素濃度分布來(lái)決定，可以比較好地模擬真實(shí)海水的固有光學(xué)特性。其次，采用光子

7、傳輸?shù)拿商乜_模擬方法，建立了包含復(fù)雜大氣-海水信道的對(duì)潛光通信系統(tǒng)的仿真算法。再次，針對(duì)飛機(jī)對(duì)潛艇的高速雙工通信方案，分別建立了上下行鏈路的仿真算法，并在此基礎(chǔ)上研究分析了系統(tǒng)的通信性能。結(jié)果表明，在系統(tǒng)通信容量為1Gbps的情況下，JWTⅠ型的海水中潛艇的可通信深度達(dá)到了110m，并且系統(tǒng)的潛在通信容量將會(huì)隨著探測(cè)器帶寬的提高而有顯著的提升。最后，針對(duì)衛(wèi)星對(duì)潛艇激光通信的方案，分別建立了信號(hào)輻射和背景太陽(yáng)輻射的仿真算法，并結(jié)合實(shí)際的

8、設(shè)備參數(shù)研究分析了系統(tǒng)的通信性能。結(jié)果表明，針對(duì)目標(biāo)10-4的通信誤碼率極限，在JWTⅠ型海水中潛艇的最大可通信深度在140m左右，最大通信數(shù)據(jù)率可以達(dá)到8kbps。
　　本論文的創(chuàng)新之處在于:
　　1.針對(duì)星地鏈路高衰減和嚴(yán)酷外太空環(huán)境的背景，設(shè)計(jì)研制了性能優(yōu)異、高可靠性的星載量子光源。光源已順利通過(guò)了一系列的空間環(huán)境驗(yàn)證試驗(yàn)，并參與了地面模擬在軌運(yùn)行的量子密鑰分發(fā)實(shí)驗(yàn)，取得了良好的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，為量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星的科學(xué)目標(biāo)實(shí)