CN104779997B - 基于Stokes参量识别的偏振调制空间激光通信方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于Stokes参量识别的偏振调制空间激光通信方法。该方法在通信数据电信号的控制下，对线偏振光进行偏振调制，以左旋圆偏振态和右旋圆偏振态表示通信逻辑“1”或“0”；通过检测通信光信号的Stokes分量S₃并判断其大小，完成通信数据电信号的识别。本发明能够增强偏振调制空间激光通信系统的大气信道适应性，并且器件成熟，结构简单，降低了推广难度。

Description

基于Stokes参量识别的偏振调制空间激光通信方法

技术领域

本发明属于空间激光通信领域。具体的说，涉及基于Stokes参量识别的偏振调制空间激光通信方法、发射终端以及接收终端。

背景技术

通信数据传输需求的日益增加对网络传输速率提出了更高的要求。在无线通信领域，空间激光通信由于具有通信速率高、光束指向性好、体积和功耗小等优点，已成为无线通信的重要发展趋势。现有空间激光通信系统中光信号的调制方法大都基于光波的强度调制或相位调制。强度调制方法结构简单、易于实现，然而抗大气衰减和大气湍流效应较差。相位调制方法虽然可以在一定程度上提高通信接收系统的探测灵敏度，改善系统的信道适应性，但结构复杂，成本较高。另一方面，光波在大气中传输时偏振度的变化较小，这使得基于偏振调制的空间激光通信在大气信道适应性方面具有明显的优越性。

偏振调制空间激光通信方法是以光波的不同偏振态表示通信数据，在接收端通过对光波偏振态进行检测和识别，完成信息的传递。现有的偏振通信方法大都以光波的正交线偏振态或圆偏振态分别表示通信逻辑进行数据传递的，参见【赵新辉，姚勇，孙云旭等，“一种新的自由空间光通信调制方式——圆偏振位移键控”，光学学报，2008年12月】。由于大气处于运动状态，偏振光经过大气时虽然偏振度变化较小，但偏振态会有微小的变动，这将影响通信系统的可靠性和有效性。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于Stokes参量识别的偏振调制空间激光通信方法、发射终端以及接收终端，以增强偏振调制空间激光通信系统的大气信道可靠性、有效性和适应性。

本发明是这样实现的：

1.技术原理

不论是偏振光、部分偏振光还是自然光，其偏振特性均可以用Stokes参量[S₀ S₁S₂ S₃]进行表征。左旋圆偏振光、右旋圆偏振光和自然光的Stokes参量S_左旋、S_右旋和S_自然分别为：

S_左旋=[S₀ S₁ S₂ S₃]=I₀[1 0 0 -1]

S_右旋=[S₀ S₁ S₂ S₃]=I₀[1 0 0 1]

S_自然=[S₀ S₁ S₂ S₃]=I₀[1 0 0 0]

式中I₀表示光强。Stokes分量S₃表示光波中右旋圆偏振分量与左旋圆偏振分量光强之差。当光波为左旋圆偏振光时，Stokes分量S₃=-I₀；当光波为右旋圆偏振光时，S₃=I₀；当光波为自然光时，S₃=0。

左旋圆偏振光和右旋圆偏振光在大气中传输时，受大气扰动的影响，一方面偏振度会有微小的降低；另一方面，偏振态通常会分别变为左旋椭圆偏振和右旋椭圆偏振。换言之，左旋圆偏振光和右旋圆偏振光经过大气传输后，其Stokes参量可以分别看成是少量自然光与左旋椭圆偏振光或右旋椭圆偏振光的线性叠加，即：

S_{左旋传输后}=S_自然光+S_{左旋椭圆偏振光}

S_{右旋传输后}=S_自然光+S_{右旋椭圆偏振光}

式中S_{左旋传输后}和S_{右旋传输后}分别为左旋圆偏振光和右旋圆偏振光经过大气传输后的斯托克斯参量，S_{左旋椭圆偏振光}、S_{右旋椭圆偏振光}和S_自然光分别为传输后光波中左旋椭圆偏振光、右旋椭圆偏振光和自然光分量的斯托克斯参量。对于左旋椭圆偏振光，-I₀<S₃<0；对于右旋椭圆偏振光，0<S₃<I₀；对于自然光时，S₃=0。因此，左旋圆偏振光经过大气传输后，Stokes分量S₃<0；右旋圆偏振光经过大气传输后，Stokes分量S₃>0。

这样，在通信发射端对激光的偏振态进行调制，以左旋圆偏振光和右旋圆偏振光作为通信逻辑“1”和“0”；在接收端，检测光波偏振特性的Stokes分量S₃，通过判别S₃的正负可以完成通信数据的识别。

2.技术方案

一种基于Stokes参量识别的偏振调制空间激光通信方法，其特殊之处在于，包括以下步骤：

（1）激光器产生通信激光；

（2）将步骤（1）中的通信激光转换为线偏振光；

（3）在通信数据电信号的控制下，对步骤（2）得到的线偏振光进行偏振调制，用偏振调制后的激光作为通信光信号：

当通信数据电信号为高电平时将其调制为左旋圆偏振光，当通信数据电信号为低电平时将其调制为右旋圆偏振光；

（4）将步骤（3）调制得到的通信光信号发射到大气信道中；

（5）通信光信号在大气信道中传输；

（6）采集经过步骤（5）后的通信光信号；

（7）对步骤（6）中采集得到的通信光信号的偏振态进行转换，分别将左旋圆偏振态和右旋圆偏振态转换为两个偏振方向正交的线偏振态；

（8）将步骤（7）中经过偏振态转换后的通信光信号分离为偏振方向正交的两束线偏振光；

（9）对步骤（8）分离得到的两束线偏振光分别进行光电转换，并对转换得到的电信号进行差分运算，差分运算输出的电压信号与通信光信号Stokes分量S₃的大小成正比，以此完成对通信光信号Stokes分量S₃的测量；

（10）利用信号处理装置对步骤（9）测量到的Stokes分量S₃进行判决，当S₃<0时，信号处理装置输出的通信数据电信号为高电平；当S₃>0时，信号处理装置输出的通信数据电信号为低电平。

优选的，上述步骤（3）中对线偏振光进行偏振调制是在线偏振光的光路上设置偏振调制器来实现的。

优选的，上述步骤（7）中，通信光信号经过通信接收终端四分之一波片将左旋圆偏振态和右旋圆偏振态转换为两个偏振方向正交的线偏振态。

优选的，上述步骤（8）中，将步骤（7）经过偏振态转换后的通信光信号分离为偏振方向正交的两束光，是通过在接收终端四分之一波片后接入偏振分光器件，并使接收终端四分之一波片的本征轴和偏振分光器件本征轴夹角为45°来实现的。

优选的，上述步骤（9）中，对步骤（8）分离得到的两束线偏振光分别进行光电转换，并对转换得到的电信号进行差分运算是通过平衡光电探测器实现的。

优选的，上述步骤（3）中，也可以这样偏振调制：当通信数据电信号为高电平时将线偏振光调制为右旋圆偏振光，当通信数据电信号为低电平时将线偏振光调制为左旋圆偏振光；则在步骤（10）利用信号处理装置对步骤（9）测量到的Stokes分量S₃进行判决时，若S₃<0，表示信号处理装置输出的通信数据电信号为低电平，若S₃>0，表示信号处理装置输出的通信数据电信号为高电平。

基于Stokes参量识别的偏振调制空间激光通信发射终端，其特殊之处在于，包括激光器以及依次设置在激光器输出光路上的起偏器、偏振调制器和光学发射天线，激光器输出光垂直射入起偏器，起偏器的输出光垂直射入偏振调制器。

基于Stokes参量识别的偏振调制空间激光通信接收终端，其特殊之处在于，包括光学接收天线以及依次设置在光学接收天线输出光路上的接收终端四分之一波片、偏振分光器件、平衡光电探测器和信号处理装置，光学接收天线输出光垂直射入接收终端四分之一波片，接收终端四分之一波片的输出光垂直射入偏振分光器件，偏振分光器件输出的两束光分别垂直射入平衡光电探测器的两个接收面，平衡光电探测器和信号处理装置电连接。

本发明具有以下优点：

（1）抗大气干扰能力强。由于通信发射终端利用光波的左旋圆偏振态和右旋圆偏振态分别表征通信数据电信号中的高电平和低电平，接收端通过检测光波的Stokes分量S₃，并且只需判断S₃的正负即可完成通信数据的识别，因此即使光波在大气信道中传输时偏振态不再保持，依然可以判决出原始通信数据。

（2）由于采用了左旋圆偏振态和右旋圆偏振态表征通信数据信息，通信发射和接收终端的起偏和检偏器件的偏振方向无需对准，极大的降低了系统复杂度和使用难度。

（3）结构简单，易于实现。本发明所用器件均有成熟产品，并且发射和通信接收终端结构简单，易于实现和推广。

附图说明

图1是本发明的原理示意图；

图2.1是通信发射终端原理示意图；

图2.2是通信发射终端参考坐标系；

图3.1是通信接收终端原理示意图；

图3.2是通信接收终端参考坐标系；

图4是平衡光电探测器原理示意图。

具体实施方式

参照图1所示，为本发明的原理示意图。

以1550nm波段激光，传输5Gbps的通信数据，本发明基于Stokes参量识别的偏振调制空间激光通信方法包括如下步骤：

（1）激光器产生通信激光。

（2）将步骤（1）中的通信激光转换为线偏振光。参照图2.1，在激光器后面接入一个起偏器，激光器输出光垂直射入起偏器，利用起偏器将通信激光转换为线偏振光。参照图2.2，在与线偏振光传输方向垂直的平面内建立通信发射终端参考坐标系xOy，使得线偏振方向与通信发射终端参考坐标系x轴正向夹角为45°。沿通信发射终端参考坐标系x轴和y轴方向对线偏振光进行分解，光场用琼斯矩阵表示为：

式中I₀表示光强。

（3）在通信数据电信号的控制下，对步骤（2）得到的线偏振光进行偏振调制，当通信数据电信号为高电平时将其调制为左旋圆偏振光，当通信数据电信号为低电平时将其调制为右旋圆偏振光，用偏振调制后的激光作为通信光信号。利用1550nm波段的偏振调制器通过调制光波偏振态完成5Gbps通信数据的电光转换。参照图2.1，在起偏器后面接入一个偏振调制器，起偏器的输出光垂直射入偏振调制器。参照图2.2，偏振调制器中两个本征偏振模分量o光和e光的偏振方向分别与发射终端参考坐标系的x轴和y轴方向一致。基于电光效应，利用通信数据电信号控制偏振调制器中光波两个本征偏振分量的相位延迟。调整电数据信号的电压，当电信号为高电平时，e光和o光的相位延迟为经过偏振调制器后光波的偏振态为左旋圆偏振，对应通信逻辑“1”，在通信发射终端参考坐标系下光场表示为：

当电信号为低电平时，e光和o光的相位延迟为经过偏振调制器后光波的偏振态为右旋圆偏振，对应通信逻辑“0”，在通信发射终端参考坐标系下光场表示为：

这样，分别利用左旋圆偏振和右旋圆偏振表征通信数据电信号中的高电平和低电平，完成了通信数据的电光转换。

（4）将步骤（3）调制得到的通信光信号发射到大气信道中。参照图1，在偏振调制器后面接入光学发射天线，将调制产生的通信光信号发射到大气信道中。

（5）通信光信号在大气信道中传输。参照图1，从光学发射天线出射的通信光信号利用大气空间作为信道进行传输。

（6）采集经过步骤（5）后的通信光信号。参照图1，通信光信号经过大气传输后到达通信接收终端，利用光学接收天线采集通信光信号。受大气信道的影响，信号光光强减小，且光波偏振度和偏振态均会退化。接收光可以看成是由自然光、左旋圆偏振光、右旋圆偏振光三个分量组成。光强I可以表示为：

I=I_up+I_lp+I_rp

式中I_up、I_lp和I_rp分别表示接收光中的自然光分量、左旋圆偏振分量和右旋圆偏振分量的光强，并且

I_up=α(1-β)I₀

I_lp=αβγI₀

I_rp=αβ(1-γ)I₀

式中α表征接收光强与通信发射终端出射光强的比值，且0<α<1。β表示接收光的偏振度,且0<β<1。γ表示左旋圆偏振光占接收光中完全偏振分量的比例，当通信发射终端出射光为左旋圆偏振光时，0.5<γ≤1；当通信发射终端出射光为右旋圆偏振光时，0≤γ<0.5。

（7）对步骤（6）中采集得到的通信光信号的偏振态进行转换，分别将左旋圆偏振态和右旋圆偏振态转换为两个偏振方向正交的线偏振态。参照图3.1，光学接收天线后面接入1550nm波段的接收终端四分之一波片，光学接收天线输出光垂直入射到接收终端四分之一波片。参照图3.2，在接收终端四分之一波片所在平面内建立通信接收终端坐标系x’Oy’，使得接收终端四分之一波片的两个本征偏振模分量o光和e光与通信接收终端参考坐标系x’轴正向夹角分别为45°和135°，并且e光与o光的相位延迟差为

在通信接收终端参考坐标系下，入射到接收终端四分之一波片上的通信光信号中左旋圆偏振分量和右旋圆偏振分量的光场和的琼斯矩阵分别表示为：

其中是右旋和左旋分量间的相位差。

在通信接收终端参考坐标系下，经过接收终端四分之一波片后，通信光信号中左旋圆偏振光分量的琼斯矩阵变为：

通信光信号中右旋圆偏振光分量的琼斯矩阵变为：

此时通信光信号中的左旋圆偏振分量和右旋圆偏振分量转换为两个偏振方向正交的线偏振分量，而通信光信号中的自然光分量经过接收终端四分之一波片后偏振特性保持不变，依然是自然光。

（8）将步骤（7）中经过偏振态转换后的通信光信号分离为偏振方向正交的两束线偏振光。参照图3.1，接收终端四分之一波片后面接入偏振分光器件，接收终端四分之一波片的输出光垂直射入偏振分光器件，将通信光中的两个正交线偏振分量分离为线偏振A光和线偏振B光。参照图3.2，线偏振A光的偏振方向与通信接收终端参考坐标系x’轴方向一致，线偏振B光的偏振方向与通信接收终端参考坐标系y’轴方向一致。则线偏振A光和线偏振B光的光强I_A和I_B分别为：

（9）对步骤（8）分离得到的两束线偏振光分别进行光电转换，并对转换得到的电信号进行差分运算，差分运算输出的电压信号与通信光信号Stokes分量S₃的大小成正比，以此完成对通信光信号Stokes分量S₃的测量。参照图3.1，偏振分光器件后面接入平衡光电探测器。参照图4，偏振分光器件输出的线偏振光A和线偏振光B分别垂直射入到平衡光电探测器中的光电探测器A的接收面和光电探测器B的接收面。在平衡光电探测器中，首先光电探测器A和光电探测器B分别对线偏振光A和线偏振光B进行光电转换，得到电压U₁和U₂；然后对电压U₁和U₂做差分，得到输出电信号U=U₁-U₂，即

即：

U=RS₃=Rαβ(1-2γ)I₀

式中R为平衡光电探测器的电压响应度，S₃为接收信号光的Stokes分量，因此平衡探测器的输出电压U正比于接收信号光的Stokes分量S₃。

（10）利用信号处理装置对步骤（9）测量到的Stokes分量S₃进行判决，当S₃<0时，信号处理装置输出的通信数据电信号为高电平；当S₃>0时，信号处理装置输出的通信数据电信号为低电平。参照图3.1，在平衡光电探测器后面接入信号处理装置，判决电压U的大小。由于平衡探测器的输出电压U正比于接收信号光的Stokes分量S₃，若通信发射终端的出射信号光为左旋圆偏振光，则0.5<γ≤1，此时U=Rαβ(1-2γ)I₀<0，且S₃<0，信号处理装置输出高电平，对应通信逻辑“1”；若通信发射终端的出射信号光为右旋圆偏振光，则0≤γ<0.5，此时U=Rαβ(1-2γ)I₀>0，且S₃>0，信号处理装置输出低电平，对应通信逻辑“0”。此时输出的电信号序列即为通信数据。

上述实施例的步骤（3）中，当通信数据电信号为高电平时将其调制为右旋圆偏振光，当通信数据电信号为低电平时将其调制为左旋圆偏振光；则在步骤（10）判断时，若S₃<0，表示信号处理装置输出的通信数据电信号为低电平；若S₃>0，表示信号处理装置输出的通信数据电信号为高电平。

上述通信过程中所需器件均有成熟产品。因此上述实施例表明，本发明所提供基于Stokes参量识别的偏振调制空间激光通信方法是可行的，且能够增强偏振调制空间激光通信系统的大气信道适应性。

Claims (6)

1.一种基于Stokes参量识别的偏振调制空间激光通信方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)激光器产生通信激光；

(2)将步骤(1)中的通信激光转换为线偏振光；

(3)在通信数据电信号的控制下，对步骤(2)得到的线偏振光进行偏振调制，用偏振调制后的激光作为通信光信号：

当通信数据电信号为高电平时将其调制为左旋圆偏振光，当通信数据电信号为低电平时将其调制为右旋圆偏振光；

(4)将步骤(3)调制得到的通信光信号发射到大气信道中；

(5)通信光信号在大气信道中传输；

(6)采集经过步骤(5)后的通信光信号；

(7)对步骤(6)中采集得到的通信光信号的偏振态进行转换，分别将左旋圆偏振态和右旋圆偏振态转换为两个偏振方向正交的线偏振态；

(8)将步骤(7)中经过偏振态转换后的通信光信号分离为偏振方向正交的两束线偏振光；

(9)对步骤(8)分离得到的两束线偏振光分别进行光电转换，并对转换得到的电信号进行差分运算，差分运算输出的电压信号与通信光信号Stokes分量S₃的大小成正比，以此完成对通信光信号Stokes分量S₃的测量；

(10)利用信号处理装置对步骤(9)测量到的Stokes分量S₃进行判决，当S₃<0时，信号处理装置输出的通信数据电信号为高电平；当S₃>0时，信号处理装置输出的通信数据电信号为低电平。

2.根据权利要求1所述的基于Stokes参量识别的偏振调制空间激光通信方法，其特征在于，步骤(3)中对线偏振光进行偏振调制是在线偏振光光路上设置偏振调制器来实现的。

3.根据权利要求1所述的基于Stokes参量识别的偏振调制空间激光通信方法，其特征在于，步骤(7)中，通信光信号经过通信接收终端四分之一波片将左旋圆偏振态和右旋圆偏振态转换为两个偏振方向正交的线偏振态。

4.根据权利要求3所述的基于Stokes参量识别的偏振调制空间激光通信方法，其特征在于，步骤(8)中，将步骤(7)经过偏振态转换后的通信光信号分离为偏振方向正交的两束光，是通过在接收终端四分之一波片后接入偏振分光器件，并使接收终端四分之一波片的本征轴和偏振分光器件本征轴夹角为45°来实现的。

5.根据权利要求4所述的基于Stokes参量识别的偏振调制空间激光通信方法，其特征在于，步骤(9)中，对步骤(8)分离得到的两束线偏振光分别进行光电转换，并对转换得到的电信号进行差分运算是通过平衡光电探测器实现的。

6.根据权利要求1所述的基于Stokes参量识别的偏振调制空间激光通信方法，其特征在于，上述步骤(3)中，将偏振调制方式替换为：当通信数据电信号为高电平时将线偏振光调制为右旋圆偏振光，当通信数据电信号为低电平时将线偏振光调制为左旋圆偏振光；在步骤(10)利用信号处理装置对步骤(9)测量到的Stokes分量S₃进行判决时，若S₃<0，表示信号处理装置输出的通信数据电信号为低电平，若S₃>0，表示信号处理装置输出的通信数据电信号为高电平。