CN104410463A - 一种基于量子级联激光器的激光通信方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于量子级联激光器的激光通信方法及系统，其采用红外量子级联激光器，考虑传统大气环境及雾霾等恶劣天气影响，结合光电器件当前发展的技术水平，开展3-5μm和8-12μm激光信号星地激光通信系统的研究，为未来星地激光稳定高速通信技术提供一种可靠的工程化解决方案。

Description

一种基于量子级联激光器的激光通信方法及系统

技术领域

本发明属于精密光机电产品实用领域，尤其涉及一种基于量子级联激光器的激光通信方法及系统。

背景技术

在信息量呈指数增长的今天，大容量通信技术需求强烈，而激光通信具有大通信容量、高传输速率、高隐蔽性、高抗干扰能力等优点，是星地大容量信息保密通信最具竞争力的可选方案之一，是满足民用、军用高码速率大容量通信方式的重要手段之一。但由于受大气衰减、大气闪烁等大气效应的影响，在天气条件较差时，目前建立的近红外波段(800nm、1064nm和1550nm波段)星地激光试验系统可通率难以满足星地激光高速数传工程应用需求。需要寻求新的通信波段或通信体制解决大气效应对星地通信链路的影响问题。

发明内容

为解决上述问题，本发明提供一种基于量子级联激光器的激光通信方法及系统，其采用红外量子级联激光器，考虑传统大气环境及雾霾等恶劣天气影响，结合光电器件当前发展的技术水平，开展3-5μm和8-12μm激光信号星地激光通信系统的研究，为未来星地激光稳定高速通信技术提供一种可靠的工程化解决方案。

本发明的基于量子级联激光器的激光通信方法，其将所述量子级联激光器采用蝶形封装结构进行封装，并通过调整所述量子级联激光器的势阱和势垒将其输出的激光信号控制在3-5μm和8-12μm波段，利用处于3-5μm和8-12μm波段的激光信号在空间中的两个终端之间进行通信。

本发明还提供一种基于量子级联激光器的的激光通信系统，该系统由发射模块和接收模块组成，且所述发射模块和接收模块的内部结构相同，均包括：数据处理器、发射器、光学器件、控制处理器和接收器；

进一步的，所述光学器件包括：光学合束光路和光学收发天线；

所述控制处理器包括：二维转台和控制单元；

其中：

数据处理器，用于接收外部的输入数据，并对其进行组帧和编码后获得串行数据；或者接收接收子系统的电信号，并对其进行解码和分析后输出；

发射器，用于接收数据处理器的串行数据，对其进行调制和驱动后转换成激光信号；

光学合束光路，对发射器的激光信号进行分束处理；或者对光学收发天线接收的激光光束进行汇聚处理；

光学收发天线，对分束处理后的激光信号进行准直处理后发射到空间；或者接收空间中其他激光通信系统发射来的激光光束；

二维转台，用于承载光学收发天线，并通过自身角度调整对光学收发天线进行接收角度的对准；

控制单元，用于根据外部控制指令控制二维转台在俯仰和方位方向上进行运动；

接收器，将光学合束光路汇聚的激光光束转换为电信号；

上述中发射器和接收器均为量子级联激光器，且该量子级联激光器采用蝶形封装结构进行封装，并通过调整量子级联激光器的势阱和势垒将量子级联激光器的激光信号控制在3-5μm和8-12μm波段。

进一步的，所述的基于量子级联激光器的激光通信系统的接收器为碲镉汞探测器或子带间量子阱红外光电探测器。

进一步的，所述的基于量子级联激光器的激光通信系统的光学合束光路采用非圆柱透镜对激光信号进行光束准直处理。

本发明的有益效果在于：

1.采用量子级联激光器作为输出光源，在不采用中红外放大器的情况下，可以实现百Mbps量级数据传输，在采用了中红外放大器情况下，可以实现数Gbps传输数据率；

2.可有效避免日光干扰，太阳光中能量主要集中在可见光波段(400～760nm)，而在中远红外波段能量分布非常少，因此采用中远红外波段进行激光通信可以显著降低日光的干扰，提高通信系统淩日通信能力；

3.有效降低大气散射，当通信激光光束通过大气时，大气分子，悬浮物等对光束的散射是造成激光通信光束衰减的重要因素，而通过研究发现，波长越长，收到大气散射的影响越低，因此，相比于近红外激光通信系统，采用3-5μm和8-12μm激光进行通信的系统将显著降低大气散射影响，提高通信性能；

4.抗大气湍流影响，大气中由于温度不均匀，会存在或大或小的湍流团，形成不规则的透镜，而随着波长的增加，将降低这些不规则透镜的影响，减少由于湍流造成的光束闪烁和波前畸变，在时间上提高通信光束的平滑性，同等光照情况下相比于近红外激光通信可以获得更优的误码率；

5.克服雾霾天气，目前我国大气中经常出现雾霾等恶劣天气，严重影响近红外激光通信的链路质量，采用3-5μm和8-12μm的中远红外激光通信，可以有效的应对中低等级的雾霾天气，增加了激光通信系统的可通率。

附图说明

图1为本发明的基于量子级联激光器的激光通信系统示意图；

图2为本发明的基于量子级联激光器的激光通信系统的发射器示意图；

图3为本发明的基于量子级联激光器的激光通信系统的接收器示意图；

图4为本发明的基于量子级联激光器的激光通信系统的光学收发天线示意图。

具体实施方式

针对大气效应影响星地激光高速数传的瓶颈难题，本发明采用红外量子级联激光器，考虑传统大气环境及雾霾等恶劣天气影响，结合光电器件当前发展的技术水平，开展3-5μm和8-12μm激光信号星地激光通信系统的研究，为未来星地激光稳定高速通信技术提供一种可靠的工程化解决方案。

本发明可以有效解决目前激光通信中存在的大气传输衰减问题，特别是有利于在雾霾、大水汽等恶劣气候环境下的星地高速稳定通信；可应用于解决国家重大专项-高分辨率对地观测系统、921空间站提出的星地高速数传的需求；同时可应用于满足空间基础设施和未来天基综合信息网高速星地数传的需求；还可应用于军兵种用天数据链等信息高速星地数传的需求。即本发明可以为建立星地高速激光通信链路奠定技术基础；可以推广到多个领域间星地海量数据传输与分发。

基于量子级联激光器的中红外激光通信系统是由两台通信终端(A、B)组成的，每一个通信终端均能作为发射模块或接收模块，依照需求决定。两个通信终端基本组成结构是一致的，如图1所示。图1中附图标记为：11、数据处理器；12、发射器；13、光学合束光路；14、光学收发天线；15、二维转台；16、控制单17、接收器。激光通信终端主要由数据处理器、发射器、接收器、光学器件、控制处理器组成。

其中外部输入数据通过高速信号线或者光纤输入数据处理器后，由数据处理器进行组帧、编码，通过LVDS接口将高速串行数据送入发射器，经过调制和驱动电路，由量子级联激光器将电信号转换成携带通信信息的激光信号，送入光学器件13、14，光学器件由光学合束光路和光学收发天线组成，光学合束光路完成接收激光和发射激光的分束，光学收发天线完成激光信号的准直，激光光束经过光学器件处理后，将信号光以一定束散角发射到空间中。

当激光光束到达另一侧的通信终端时，经过光学收发天线的汇聚以及分束后，到达接收器，由探测器将光信号转换成电信号，经过放大处理后，送入数据处理器，进行解码、存储、数据比对、数据可用性分析，若数据正常，则向高速数据存储器发送，若数据存在问题无法使用，则同时要求数据发送端进行数据重发；高速数据存储器是激光通信系统特有的组成部分，由于激光通信速率远高于微波通信，为保证数据的有效性，需要有针对的采用并行FLASH对数据进行高速的并行存储，在低速向平台的存储器发送。

在星地环境下进行两个终端间的无线通信，需要克服航天器同地面设备之间相对运动的困难，采用了自动跟瞄对准的方式，将光学器件安装在二维转台上，而二维转台与控制单元构成了控制处理器，通过控制单元控制二维转台在俯仰、方位方向的运动，使光学收发天线在空间完成捕获、粗跟踪、精跟踪等运动控制算法，达到光学收发天线光轴的对准，并能够实时进行跟踪。

激光发射器其实就是激光发射器的调制和驱动电路，主要完成信息的加载，即将有效信息加载到激光信号上。激光发射器调制和驱动电路组成框图如图2所示，图2中附图标记为：21、电子编码器；22、脉冲调制器；23、激光器驱动；24、激光器；25、比较放大器；26、功率控制器；27、检测放大器。激光发射器包括整形或码型变换电路、光源驱动电路、激光器、激光放大器以及为使光源工作在理想工作状态下所需的光检测电路、比较放大电路、自动光功率控制与保护电路(APC)等。被调制的载波信号输入光源的驱动电路，对光信号进行调制，从而控制激光信号的输出频率，实现信号的电/光转换。激光通信发射机系统中各部分的设计目标就是力求保证系统以最有利于激光通信传输的码型、最合理的调制方式，在保证系统正常工作的前提下，尽可能地以通信链路需要的大功率进行发射。

激光发射器中的光源是量子级联激光器，是基于量子工程设计的、有源区具有多级串联放大结构的新型半导体激光器。一般量子级联激光器有源区由30级左右的相同材料结构单元串接而成，所谓“量子”是指基于量子工程设计，而“级联”表示多级相同结构单元的通过串联而放大。量子级联激光器有源区通常由500-600层纳米级的势垒和势阱材料层交替组成，其工作波长主要由势阱材料的厚度决定。设计中通过调整相关势阱和势垒材料的厚度可使量子级联激光器工作在3-5μm和8-12μm等波段，该波段是重要的大气窗口，其大气透射率高达90％左右。为满足高速率、长距离传输系统的需求，高频调制的量子级联激光器封装将采用蝶形封装结构，具有高功率、低阈值、高斜率效率的特性，采用非球面微透镜，压缩光束发散行为，最终激光器得到室温连续波功率≥1W；3dB带宽≥10GHz的性能指标。

光接收器的作用就是将微弱的光信号转换成电信号，随后放大和恢复，当采用直接检测方式时，光接收机的主要组成如图3所示。图3中附图标记为：31、偏置电源；32、光电探测器；33、隔直放大器；34、自动增益放大器；35、均衡器；36、数据时钟恢复电路。光接收器由偏置电源、光电探测器、温度控制器、隔直放大器、自动增益放大器以及数据时钟恢复电路组成。光电探测器可以采用碲镉汞(HgCdTe)、量子阱探测器等，利用光电效应探测光信号(光能)，并将其转变成电信号(电能)的器件。光探测器输出的微弱的电流信号经跨阻放大电路进行第一步放大，隔直放大电路和自动增益放大电路对光电探测器输出进行隔直、降噪、滤波和放大，对信号进行模拟的预处理，自动增益放大器采用多级放大，能够提供足够的增益，同时利用自动增益控制功能保证光信号在一定范围内变化时，输出电信号保持恒定。该部分电路决定了光电转换电路的动态范围。均衡的目的是对经过传输、光电转换和放大后已产生畸变的电信号进行补偿，使输出信号的波形适合后续电路的处理；数据时钟恢复单路则是根据输入的通信信号进行数据和时钟的恢复，实现数字信号的输出。

目前，可应用于中远红外激光通信的探测器件主要有碲镉汞探测器(HgCdTe)和子带间量子阱红外光电探测器(QWIP)。HgCdTe合金型半导体常用于制作本征型PV和PC红外探测器。在混合晶体中调节CdTe和HgTe的比例，可以得到不同长波限的红外探测器。这种探测器的一个优点是调节组分比例的范围，使探测器工作的波长正好落在大气窗口(3-5μm和8-12μm)。目前，HgCdTe探测器是技术最成熟的可商用的红外探测器。HgCdTe探测器通过优化成分和掺杂，可大大提高灵敏度和响应时间。如：商用的(HgCdZn)Te探测器室温使用时探测器探测率可达1×108cmHz1/2/W，响应时间<1ns，可用于1GHz带宽激光通信实验。在此基础上寻找具有更高响应带宽和灵敏度的探测器。

量子阱红外光电探测器(QWIP)利用子带间电子跃迁对输入光信号进行响应，响应时间为皮秒量级。通过改变量子阱的宽度和势垒III-V族半导体材料，探测波长可覆盖3-18μm。量子阱红外光电探测器的缺点是工作温度和量子效率比HgCdTe探测器低，HgCdTe探测器的量子效率为60％～70％,量子阱探测器的量子效率为20％左右。同时HgCdTe探测器比QWIP具有更高灵敏度，工作温度高(热电冷却)。在低温情况下QWIP探测器具有比HgCdTe探测器更高的灵敏度和响应速度，适于高速和超高速通信系统。因此在光接收器设计中，采用碲镉汞探测器(HgCdTe)或者量子阱红外光电探测器(QWIP)，并进行不同方式的温控系统设计，适应于低速和超高速通信速率。

光学器件的设计就是在满足总体设计要求的前提下，尽量减小光传播过程中的几何损耗，保证系统在通信距离及大气衰减时能正常工作，要合理选取发射望远镜的远场发散角、接收望远镜的接收视场角及光学系统的其它参数。目前使用的量子级联激光器发光面方式为空间光发射，且存在快轴和慢轴，使得出射激光器发光面的光斑呈现椭圆形，因此在实际光束准直过程中，需要选择非圆柱透镜准直方案，实现对两个方向上不同的角度压缩，获得理想的准直光束。

经过整形透镜组整形后的光束通过卡塞格伦望远镜对整形后的光束进行进一步的角度压缩，获得理想的出射光束，其结构形式如图4所示。图4中附图标记为：41、激光器；42、整形透镜组；43、卡塞格伦望远镜；

卡塞格伦望远镜43由正组和负组所组成，为全反射无焦系统，即可用作信号发射系统，又可用作信号接收系统。它的优点是光波段范围宽、无色差；特点是结构简单、紧凑，体积小、稳定性好、精度高。

光学收发天线由一个高次曲面(也可称为凹面反射镜或高次反射面)和一个球面镜(也可称为凸面反射镜或次镜，)组成，两个反射镜的焦点重合，组成无焦系统，构成反射式无焦望远镜形式，由抛物面的特性可知，入射平行光出射也为严格的平行光。光学收发天线的主要作用是压缩光束的发散角，以便获得更远的作用距离。

光学收发天线的孔径直接影响着光学收发天线的增益，孔径越大，增益越大，因此从提高光学收发天线增益的角度来说，光学收发天线的孔径取为150mm。

光学收发天线对激光束压缩的倍数为主、次镜的焦距之比，即β＝f_主/f_次。压缩比越大，光束质量越高，方向性越好，光束传输的距离就越远。另外，在材料方面，空间环境要求光学收发天线重量要轻，可考虑采用热膨胀系数非常低，抗张强度大，使用寿命长，非常适合用作环境温度变化很大的空间光通信系统的光学材料。本项目拟采用的方案是采用黑金刚石BD-2材料的非球面透镜，根据激光器的波长设计镀膜。

本发明解决了以下问题：

1.可有效避免日光干扰，太阳光中能量主要集中在可见光波段(400～760nm)，而在中远红外波段能量分布非常少，因此采用中远红外波段进行激光通信可以显著降低日光的干扰，提高通信系统淩日通信能力；

2.有效降低大气散射，当通信激光光束通过大气时，大气分子，悬浮物等对光束的散射是造成激光通信光束衰减的重要因素，而通过研究发现，波长越长，收到大气散射的影响越低，因此，相比于近红外激光通信系统，采用3-5μm和8-12μm激光进行通信的系统将显著降低大气散射影响，提高通信性能；

3.抗大气湍流影响，大气中由于温度不均匀，会存在或大或小的湍流团，形成不规则的透镜，而随着波长的增加，将降低这些不规则透镜的影响，减少由于湍流造成的光束闪烁和波前畸变，在时间上提高通信光束的平滑性，同等光照情况下相比于近红外激光通信可以获得更优的误码率；

4.克服雾霾天气，目前我国大气中经常出现雾霾等恶劣天气，严重影响近红外激光通信的链路质量，采用3-5μm和8-12μm的中远红外激光通信，可以有效的应对中低等级的雾霾天气，增加了激光通信系统的可通率。

5.环境友好，目前部分研究中使用光波混频技术实现太赫兹频率输出手段实现中红外激光通信，但该方法要求环境苛刻，对环境的温度、振动、光束入射角度均严格要求，同时光电转换效率低，这些因素都限制了应用范围。而量子级联激光器本质上是半导体激光器，应用环境较为友好，对于发射端仅采用半导体散热片即可实现。

当然，本发明还可有其他多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员当可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (4)

1.一种基于量子级联激光器的激光通信方法，其特征在于，将所述量子级联激光器采用蝶形封装结构进行封装，并通过调整所述量子级联激光器的势阱和势垒将其输出的激光信号控制在3-5μm和8-12μm波段，利用处于3-5μm和8-12μm波段的激光信号在空间中的两个终端之间进行通信。

2.一种基于量子级联激光器的的激光通信系统，其特征在于，该系统由发射模块和接收模块组成，且所述发射模块和接收模块的内部结构相同，均包括：数据处理器、发射器、光学器件、控制处理器和接收器；

进一步的，所述光学器件包括：光学合束光路和光学收发天线；

所述控制处理器包括：二维转台和控制单元；

其中：

数据处理器，用于接收外部的输入数据，并对其进行组帧和编码后获得串行数据；或者接收接收子系统的电信号，并对其进行解码和分析后输出；

发射器，用于接收数据处理器的串行数据，对其进行调制和驱动后转换成激光信号；

光学合束光路，对发射器的激光信号进行分束处理；或者对光学收发天线接收的激光光束进行汇聚处理；

光学收发天线，对分束处理后的激光信号进行准直处理后发射到空间；或者接收空间中其他激光通信系统发射来的激光光束；

二维转台，用于承载光学收发天线，并通过自身角度调整对光学收发天线进行接收角度的对准；

控制单元，用于根据外部控制指令控制二维转台在俯仰和方位方向上进行运动；

接收器，将光学合束光路汇聚的激光光束转换为电信号；

上述中发射器和接收器均为量子级联激光器，且该量子级联激光器采用蝶形封装结构进行封装，并通过调整量子级联激光器的势阱和势垒将量子级联激光器的激光信号控制在3-5μm和8-12μm波段。

3.如权利要求2所述的基于量子级联激光器的激光通信系统，其特征在于，接收器为碲镉汞探测器或子带间量子阱红外光电探测器。

4.如权利要求2所述的基于量子级联激光器的激光通信系统，其特征在于，光学合束光路采用非圆柱透镜对激光信号进行光束准直处理。