CN108833015A - 一种基于可调谐vcsel的无线光通信系统 - Google Patents

一种基于可调谐vcsel的无线光通信系统 Download PDF

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CN108833015A CN201811039293.9A CN201811039293A CN108833015A CN 108833015 A CN108833015 A CN 108833015A CN 201811039293 A CN201811039293 A CN 201811039293A CN 108833015 A CN108833015 A CN 108833015A
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Abstract

本发明实施例公开了一种基于可调谐VCSEL的无线光通信系统，包括信号发射端和信号接收端，信号发射端包括可调谐垂直腔面发射激光器VCSEL阵列和第一光学组件，设置为根据外部输入的电通信信号控制可调谐VCSEL阵列发出相应的激光信号，将激光信号通过第一光学组件会聚后作为光通信信号输出至自由空间，光通信信号包括多种波长的光；信号接收端包括第二光学组件、光电探测器和信号输出模块，设置为通过第二光学组件获取自由空间中的光通信信号，并传输至光电探测器，通过光电探测器将光信号转换为电流信号，将电流信号经信号输出模块放大、整形和滤波后输出。本发明实施例的技术方案，可提高光通信的速率和信道容量。

Description

一种基于可调谐VCSEL的无线光通信系统
技术领域
本发明实施例涉及光通信技术，尤其涉及一种基于可调谐VCSEL的无线光通信系统。
背景技术
现阶段的无线网络和无线设备所提供的应用和服务已经从根本上改变了我们的生活、工作和社交方式。在未来无线通信的发展中，频谱资源的匮乏将成为制约无线通信发展的最大瓶颈。
无线光通信是一种用于高速率无线通信的候选技术，对现有微波射频通信将会是一个强有力的补充手段。无线光通信在本世纪初随着短距无线通信的兴起和新型发光二极管器件的成熟,形成了新的短距无线光通信的应用。所用的光源可以是紫外光、可见光以及红外光。RGB LED是以红绿蓝三色芯片共同交集混合而成的LED，利用三原色不同比例混合形成白光提供室内照明。现有技术中，基于RGB LED器件的波分复用(Wavelength DivisionMultiplexing，WDM)可见光通信系统，该方案将不同的信号分别加载至三色芯片上，利用RGB LED通过多路波分复用实现红绿蓝三色芯片同时传输三路并行光信号，实现多路波分复用的数字信号传输。
但是，发明人在研发过程中发现，利用商业上的RGB LED构建波分复用无线光通信系统时，发射端光源波长只能存在三个波长，并且三个波长在频谱上距离远，没能够更好地利用好频谱资源，构建起来的自由空间波分复用系统的传输速率和信道容量较低。
发明内容
本发明实施例提供一种基于可调谐VCSEL的无线光通信系统，以实现高调制带宽的无线光通信系统，提高现在已有的无线光通信系统的传输速率和信道容量。
本发明实施例提供一种基于可调谐VCSEL的无线光通信系统，包括信号发射端和信号接收端，所述信号发射端包括可调谐垂直腔面发射激光器(Vertical-cavitysurface-emitting laser，VCSEL)阵列和第一光学组件，设置为根据外部输入的电通信信号控制所述可调谐VCSEL阵列发出相应的激光信号，将所述激光信号通过所述第一光学组件会聚后作为光通信信号输出至自由空间，其中，所述光通信信号包括多种波长的光；
所述信号接收端包括第二光学组件、光电探测器和信号输出模块，设置为通过所述第二光学组件获取自由空间中的所述光通信信号，并传输至所述光电探测器，通过所述光电探测器将光信号转换为电流信号，将所述电流信号经所述信号输出模块放大、整形和滤波后输出。
可选的，所述可调谐VCSEL为机械控制可调谐VCSEL。
可选的，所述光电探测器包括光电二极管或雪崩光电二极管。
可选的，所述信号发射端还包括：控制模块和驱动模块；
所述控制模块与所述可调谐VCSEL阵列相连，设置为控制所述可调谐VCSEL阵列上每个VCSEL发射出不同波长的光束；
所述驱动模块与所述可调谐VCSEL阵列相连，设置为控制所述可调谐VCSEL阵列上每个VCSEL的工作状态。
可选的，所述第一光学组件包括菲涅尔透镜、蛙眼透镜、凸透镜或者其他具有会聚作用的光学组件。
可选的，所述第二光学组件包括：一一对应设置的多个接收端透镜和多个光学滤波片；
所述接收端透镜设置为将获取到的自由空间中的光信号的光功率汇聚后传输至对应的所述光学滤波片；
所述光学滤波片设置为滤除预设波长以外的其他波长携带的信号，以使得所述光信号中不同波长光携带的信号分离开。
可选的，所述光电探测器的数量与所述光学滤波片相同；所述光电探测器与所述光学滤波片一一对应设置，以接收经所述光学滤波片滤光后的所述光信号。
可选的，所述第一光学组件包括波分复用器、光功率放大器、脉冲模式发生器、调制器、解波分复用器、光学开关组和多个第一获取、追踪与对准(Acquisition trackingand pointing，ATP)装置；可选的，光功率放大器包括掺铒光纤放大器(Erbium DopedFiber Amplifier，EDFA)或者半导体光放大器(Semiconductor Optical Amplifier，SOA)；
所述波分复用器与所述光功率放大器连接，设置为将接收到的所述可调谐VCSEL阵列发出的激光光束耦合后，传输至所述光功率放大器；
所述光功率放大器与所述调制器连接，设置为将接收到的耦合激光光束的光功率放大至预设光功率后传输至所述调制器；
所述脉冲模式发生器与所述调制器连接，设置为向所述调制器输出包含预设信息的脉冲信号；
所述调制器与所述解波分复用器连接，设置为将所述脉冲信号耦合至接收到的所述耦合激光光束，得到调制光信号并输出至所述解波分复用器；
所述解波分复用器设置为将接收到的所述调制光信号根据波长分离开得到分离调制光信号，将每个所述分离调制光信号输出至所述光学开关组中相应的光学开关单元；
所述光学开关组中包括与所述可调谐VCSEL阵列中可调谐VCSEL数量相同的光学开关单元，每个所述光学开关单元与所述第一ATP装置一一对应连接，设置为在所述光学开关单元的控制下，将所述分离调制光信号分配到对应的所述第一ATP装置；
所述第一ATP装置设置为将接收到的所述分离调制光信号输出到自由空间中。
可选的，所述第二光学组件包括第二ATP装置，设置为获取经所述第一ATP装置输出至自由空间的所述分离调制光信号，并输出至所述光电探测器。
可选的，所述调制器所采取的调制格式包括非归零码-二进制启闭键控(Non-Return to Zero-On-Off Keying，NRZ-OOK)、脉冲调制(Pulse Position Modulation，PPM)、脉冲宽度调制(Pulse-width Modulation，PWM)和正交频分复用(OrthogonalFrequency Division Multiplexing，OFDM)。
本发明通过可调谐VCSEL阵列发出的激光携带信息并采用波分复用技术，解决基于RGB LED的光通信系统频谱资源利用不充分，构建起来的自由空间波分复用系统的传输速率和信道容量较低的问题，实现提高无线光通信系统的调制带宽，提高传输速率和信道容量的效果。
附图说明
图1是本发明实施例一中的一种基于可调谐VCSEL的无线光通信系统的结构示意图；
图2是本发明实施例一中的机械控制可调谐VCSEL的俯视图；
图3是图2所示的机械控制可调谐VCSEL的剖视图；
图4是本发明实施例二中的一种基于可调谐VCSEL的无线光通信系统的结构示意图；
图5是本发明实施例三中的一种基于可调谐VCSEL的无线光通信系统的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。
实施例一
图1为本发明实施例一提供的一种基于可调谐VCSEL的无线光通信系统的结构示意图，本实施例可适用于自由空间光通信的情况，该基于可调谐VCSEL的无线光通信系统包括信号发射端110和信号接收端120。
信号发射端110包括可调谐VCSEL阵列111和第一光学组件112，设置为根据外部输入的电通信信号控制可调谐VCSEL阵列111发出相应的激光信号，将激光信号通过第一光学组件112会聚后作为光通信信号输出至自由空间。
其中，光通信信号包括多种波长的光，由于信号发射端110中配置有可调谐VCSEL阵列111，而可调谐VCSEL可以输出不同波长的激光，那么，就可以根据外部输入的电通信信号，控制可调谐VCSEL阵列中不同的可调谐VCSEL发出不同波长的激光，而且可以控制可调谐VCSEL的工作状态，从而将电通信信号中的携带的信息加入激光中成为携带信息的激光信号。
可选的，可调谐VCSEL为机械控制可调谐VCSEL。机械控制技术一般采用微机电系统(Micro-Electro-Mechanical System，MEMS)，这种可调谐VCSEL适合用来做光通信系统中的发光元件。图2与图3展示了机械控制可调谐VCSEL的结构。可调谐VCSEL由设置于顶部的第一反射镜210和设置于底部的第二反射镜220构成的法布里-珀罗谐振腔及有源区230组成。通常第一反射镜210和第二反射镜220反射镜均为分布布拉格反射镜，分布布拉格反射镜是一种高低折射率材料交替而成的多层结构。通常来说，分布布拉格反射镜由折射率不同的三五族半导体材料，例如GaAs和AlGaAs层叠构成，有源区230为InGaAs等材料的多量子阱结构。第一反射镜210和有源区230之间，以及第二反射镜220和有源区230之间均为空气层，空气层与半导体材料界面处有一层抗反射膜，共同构成耦合腔。根据耦合方式的不同，腔体结构的具体设计可以分为半导体耦合腔，空气耦合腔和扩展腔。在基于MEMS的可调谐VCSEL的制备工艺上，通常来说，在硅衬底240上通过分子束外延和金属有机化学气相沉积等方法沉积出所需的半导体化合物材料层，通过湿法腐蚀技术和等离子刻蚀技术制备悬臂梁，选择性刻蚀制备金属电极，最后去除牺牲层得到可调谐VCSEL。
一般的基于MEMS的可调谐VCSEL采用机械控制技术，即改变谐振腔长度的方式来调节出射光波长。通过在顶部MEMS驱动电极250和底部MEMS驱动电极260之间施加电压，可以使得反射镜受到力的作用，偏离原来的位置，从而使谐振腔的长度改变，顶部的第一反射镜210通过悬臂梁270与顶部MEMS驱动电极250相连。因为法布里-珀罗谐振腔通常只有一个特定的谐振波长是在增益谱的范围内的，也就是说只有某一特定波长能够实现光增益。当激光器腔长改变时，对应的谐振波长将会变化，从而实现了出射光波长的改变。
信号接收端120包括第二光学组件121、光电探测器122和信号输出模块123，设置为通过第二光学组件121获取自由空间中的光通信信号，并传输至光电探测器122，通过光电探测器122将光信号转换为电流信号，将电流信号经信号输出模块123放大、整形和滤波后输出。
其中，在信号发射端110将光通信信号输出至自由空间后，利用信号接收端120获取自由空间中的光通信信号，并还原为电通信信号后输出，以便后续做解调等信号处理的工作，从而获取光信号所携带的信息。可以理解的是，自由空间中除了由信号发射端110输出的光通信信号以外，可能包含其他光源发出的光。在还原信号时，将针对携带信号的波长的光进行电信号的转换，以获得其中携带的信息。通常信号接收端120放置在光通信信号传输的方向上，以便可以通过第二光学组件121获取到光通信信号。可选的，光电探测器122包括光电二极管或雪崩光电二极管，一般光电探测器输出的电信号电压较低，不适于后续对信号的处理，所以需要对光电探测器输出的电流信号进行相应的跨阻放大、二级放大、整形和滤波后，转换为可处理的电压信号再输出。
本实施例的技术方案，通过可调谐VCSEL阵列发出的激光携带信息并采用波分复用技术，解决基于RGB LED的光通信系统频谱资源利用不充分，构建起来的自由空间波分复用系统的传输速率和信道容量较低的问题，实现提高无线光通信系统的调制带宽，提高传输速率和信道容量的效果。
实施例二
图4为本发明实施例二提供的一种基于可调谐VCSEL的无线光通信系统的结构示意图，本实施例的技术方案在上述实施例的基础上进一步细化，如图4所示，可选的，信号发射端110还包括：控制模块113和驱动模块114。
控制模块113与可调谐VCSEL阵列111相连，设置为控制可调谐VCSEL阵列111上每个VCSEL发射出不同波长的光束。
驱动模块114与可调谐VCSEL阵列111相连，设置为控制可调谐VCSEL阵列111上每个VCSEL的工作状态。其中，VCSEL的工作状态包括发出激光和停止发出激光。由控制模块113控制可调谐VCSEL阵列111上的VCSEL发射出不同波长的光束，这样可以允许在同一光学路径上由不同波长的光携带信息，使信息容量得到提高；由驱动模块114控制可调谐VCSEL阵列111上的VCSEL是否发出激光，从而使单个VCSEL发出的激光携带信息。
可选的，第一光学组件112包括菲涅尔透镜、蛙眼透镜、凸透镜或者其他具有会聚作用的光学组件。波分复用允许多个光波长被放置在相同的光学路径上。在光源配置重叠的地方，信道将得到更大的功率密度。
可选的，第二光学组件121包括：一一对应设置的至少两个接收端透镜1211和至少两个光学滤波片1212；其中，为了将获取不同波长的光信号，信号接收端120主要由阵列结构组成，不同的支路输出不同波长携带的信号。接收端透镜1211将自由空间的光信号的光功率尽可能地汇聚到一点，而光学滤波片1212将自由空间不同波长的光信号分离开，以便得到预设波长的光携带的信号。第二光学组件的数量与可调谐VCSEL阵列111上的VCSEL的数量相同。
接收端透镜1211设置为将获取到的自由空间中的光信号的光功率汇聚后传输至对应的光学滤波片1212；
光学滤波片1212设置为滤除预设波长以外的其他波长携带的信号，以使得光信号中不同波长的光携带的信号分离开。
可选的，光电探测器122的数量与光学滤波片1212相同；光电探测器122与光学滤波片1212一一对应设置，以接收经光学滤波片1212滤光后的光信号。
然后，光电探测器122将光信号转换为电流信号。信号输出模块123包括放大器组1231和检波单元1232，电流信号通过放大器组1231，放大器组1231可以由跨阻放大器(trans-impedance amplifier，TIA)与二级信号放大器等组成，其中，TIA将电流信号转换为电压信号，其他放大器对电压信号做进一步的放大。最后，检波单元1232将信号恢复输出，以便后续做解调等信号处理的工作。
本实施例的技术方案，信号接收端设置为阵列结构，将同一光学路径中不同波长的光通信信号分离开，单独恢复为电通信信号输出，实现提高传输速率和信道容量的效果。
实施例三
图5为实施例三提供的一种基于可调谐VCSEL的无线光通信系统的结构示意图。本实施例的技术方案在上述提供的技术方案的基础上进一步细化。信号发射端110包括可调谐VCSEL阵列111和第一光学组件112，可选的，第一光学组件112包括波分复用器1121、光功率放大器1122、脉冲模式发生器1123、调制器1124、解波分复用器1125、光学开关组1126和多个第一获取、追踪与对准ATP装置1127。可选的，光功率放大器1122包括掺铒光纤放大器EDFA或者半导体光放大器SOA。
波分复用器1121与光功率放大器1122连接，设置为将接收到的可调谐VCSEL阵列111发出的激光光束耦合后，传输至光功率放大器；
光功率放大器1122与调制器1124连接，设置为将接收到的耦合激光光束的光功率放大至预设光功率后传输至调制器1124；
脉冲模式发生器1123与调制器1124连接，设置为向调制器1124输出包含预设信息的脉冲信号；
调制器1124与解波分复用器1125连接，设置为将脉冲信号耦合至接收到的耦合激光光束，得到调制光信号并输出至解波分复用器1125；
解波分复用器1125设置为将接收到的调制光信号根据波长分离开得到分离调制光信号，将每个分离调制光信号输出至光学开关组1126中相应的光学开关单元；
光学开关组1126中包括与可调谐VCSEL阵列111中可调谐VCSEL数量相同的光学开关单元，每个光学开关单元与第一ATP装置1127一一对应连接，设置为在光学开关单元的控制下，将分离调制光信号分配到对应的第一ATP装置1127；
第一ATP装置1127设置为将接收到的分离调制光信号输出到自由空间中。
其中，本实施例提供的基于可调谐VCSEL的无线光通信系统可以作为一种结合波分复用与空分复用的无线广播系统，该广播系统的信号发射端由可调谐VCSEL阵列111、波分复用器1121、光功率放大器1122、脉冲模式发生器1123、调制器1124、解波分复用器1125、光学开关组1126以及第一ATP装置1127组成。光学开关组1126中光学开关单元的阵列排布与可调谐VCSEL阵列111中VCSEL的阵列排布相同。不同波长的激光从可调谐VCSEL阵列111中发射出，随后进入一个波分复用器1121，该波分复用器1121将不同波长的入射激光耦合在一起，接着经过一个光功率放大器1122，光功率放大器1122将波分复用器1121输出的光功率进一步放大以实现更好的通信质量，以及对无线信道的能量散失做进一步的补偿。在这个系统中采用的方式是外调制的方式。通过采用一个脉冲模式发生器1123发射出特定的信号，接着通过一个调制器1124，将脉冲模式发生器1123输出的信号耦合到光功率放大器1122输出的光中。调制器1124所采取的调制格式可以是NRZ-OOK、PPM、PWM与OFDM等适合信道传输的格式。调制器1124将一路已调制完的光输出至解波分复用器1125，解波分复用器1125将携带着信号的光分开为不同的波长的光，此时不同波长的光都携带着来自脉冲模式发生器1123所发出的相同的信息。不同波长的多路光接着输入进一个光学开关组1126，通过每个光学开关单元的控制，每一个信号被分配到不同的第一ATP装置1127，第一ATP装置1127将不同波长的光作为光通信信号输出到自由空间中。
可选的，第二光学组件包括第二ATP装置1213，设置为获取经第一ATP装置1127输出至自由空间的分离调制光信号，并输出至光电探测器122。作为无线广播系统，信号接收端120可以设置单个或者多个，每个信号接收端120的结构可以相同。
其中，该无线广播通信系统的信号接收端120由第二ATP装置1213、光电探测器122、放大器组1231与检波单元1232组成。信号光在经过自由空间的传输之后，通过一个第二ATP装置1213获取自由空间中的信号光。接着，通过一个光电探测器122，光电探测器122将第二ATP装置1213获取到的光转换为电流信号。放大器组1231可以由TIA与二级信号放大器等组成，其中，TIA将电流信号转换为电压信号，其他放大器对电压信号做进一步的放大。最后，检波单元1232将信号恢复输出，以便后续做解调等信号处理的工作。
本实施例的技术方案，通过信号发射端将分发出去，可以由多个信号接收端接收，从而形成无线广播系统，更加充分地利用调制带宽，提高了广播信号的信道容量。
注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。

Claims (10)

1.一种基于可调谐VCSEL的无线光通信系统，包括信号发射端和信号接收端，其特征在于：
所述信号发射端包括可调谐垂直腔面发射激光器VCSEL阵列和第一光学组件，设置为根据外部输入的电通信信号控制所述可调谐VCSEL阵列发出相应的激光信号，将所述激光信号通过所述第一光学组件会聚后作为光通信信号输出至自由空间，其中，所述光通信信号包括多种波长的光；
所述信号接收端包括第二光学组件、光电探测器和信号输出模块，设置为通过所述第二光学组件获取自由空间中的所述光通信信号，并传输至所述光电探测器，通过所述光电探测器将光信号转换为电流信号，将所述电流信号经所述信号输出模块放大、整形和滤波后输出。
2.根据权利要求1所述的基于可调谐VCSEL的无线光通信系统，其特征在于，所述可调谐VCSEL为机械控制可调谐VCSEL。
3.根据权利要求1所述的基于可调谐VCSEL的无线光通信系统，其特征在于，所述光电探测器包括光电二极管或雪崩光电二极管。
4.根据权利要求1所述的基于可调谐VCSEL的无线光通信系统，其特征在于，所述信号发射端还包括：控制模块和驱动模块；
所述控制模块与所述可调谐VCSEL阵列相连，设置为控制所述可调谐VCSEL阵列上每个VCSEL发射出不同波长的光束；
所述驱动模块与所述可调谐VCSEL阵列相连，设置为控制所述可调谐VCSEL阵列上每个VCSEL的工作状态。
5.根据权利要求4所述的基于可调谐VCSEL的无线光通信系统，其特征在于，所述第一光学组件包括菲涅尔透镜、蛙眼透镜或凸透镜。
6.根据权利要求4或5所述的基于可调谐VCSEL的无线光通信系统，其特征在于，所述第二光学组件包括：一一对应设置的多个接收端透镜和多个光学滤波片；
所述接收端透镜设置为将获取到的自由空间中的所述光信号的光功率会聚后传输至对应的所述光学滤波片；
所述光学滤波片设置为滤除预设波长以外的其他波长携带的信号，以使得所述光信号中不同波长的光携带的信号分离开。
7.根据权利要求6所述的基于可调谐VCSEL的无线光通信系统，其特征在于，所述光电探测器的数量与所述光学滤波片相同；所述光电探测器与所述光学滤波片一一对应设置，以接收经所述光学滤波片滤光后的所述光信号。
8.根据权利要求1所述的基于可调谐VCSEL的无线光通信系统，其特征在于，所述第一光学组件包括波分复用器、光功率放大器、脉冲模式发生器、调制器、解波分复用器、光学开关组和多个第一获取、追踪与对准ATP装置；
所述波分复用器与所述光功率放大器连接，设置为将接收到的所述可调谐VCSEL阵列发出的激光光束耦合后，传输至所述光功率放大器；
所述光功率放大器与所述调制器连接，设置为将接收到的耦合激光光束的光功率放大至预设光功率后传输至所述调制器；
所述脉冲模式发生器与所述调制器连接，设置为向所述调制器输出包含预设信息的脉冲信号；
所述调制器与所述解波分复用器连接，设置为将所述脉冲信号耦合至接收到的所述耦合激光光束，得到调制光信号并输出至所述解波分复用器；
所述解波分复用器设置为将接收到的所述调制光信号根据波长分离开得到分离调制光信号，将每个所述分离调制光信号输出至所述光学开关组中相应的光学开关单元；
所述光学开关组中包括与所述可调谐VCSEL阵列中可调谐VCSEL数量相同的光学开关单元，每个所述光学开关单元与所述第一ATP装置一一对应连接，设置为在所述光学开关单元的控制下，将所述分离调制光信号分配到对应的所述第一ATP装置；
所述第一ATP装置设置为将接收到的所述分离调制光信号输出到自由空间中。
9.根据权利要求8所述的无线光通信系统，其特征在于，所述第二光学组件包括第二ATP装置，设置为获取经所述第一ATP装置输出至自由空间的所述分离调制光信号，并输出至所述光电探测器。
10.根据权利要求8或9所述的无线光通信系统，其特征在于，所述调制器所采取的调制格式包括非归零码-二进制启闭键控NRZ-OOK、脉冲调制PPM、脉冲宽度调制PWM和正交频分复用OFDM。
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