CN108988945B - 超高速具有多芯前置光放大的空间激光通信接收系统 - Google Patents

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Abstract

超高速具有多芯前置放大的空间激光通信接收系统，属于自由激光通信技术领域，为解决基于光子灯笼的相干接收系统耦合效率低、接收光功率小、通信速率低的问题，接收天线与多芯单模光纤连接，多芯单模光纤与多芯前置光放大器连接；多芯前置光放大器和多个光学环行器的端口a连接；光学环行器的端口b与下一级光学环行器端口a之间用具有反射式光纤布拉格光栅的单模光纤连接；每一级光学环行器的端口c用多路单模光纤与光子灯笼连接；光子灯笼连接雪崩式光电探测器；雪崩式光电探测器输出端口连接解调器该系统，在空间激光通信等领域具有广泛的应用前景。

Description

超高速具有多芯前置光放大的空间激光通信接收系统
技术领域
本发明属于自由激光通信技术领域，具体涉及一种超高速具有多芯前置放大的空间激光通信接收系统。
背景技术
自由空间激光通信是指以激光作为载体，在大气或真空中传递数据信息的通信技术。相比于传统的无线通信，空间光通信技术具有光束窄，方向性好，能较好的解决卫星间电磁波干扰和保密问题，以及信息容量大，速率高，功耗低，天线尺寸小，重量轻等优点。卫星光通信包括深空卫星之间、同步轨道卫星(GEO)之间、中轨道卫星(MEO)之间、低轨道卫星(LEO)之间、以及卫星与地面站之间的激光通信。空间光通信技术具有非常广阔的应用前景。
现有的高速空间激光通信系统，多采用单模光纤耦合的光电探测器，而单模光纤只能接收单一模式光信号且单模光纤接收面积小(约10μm)、接收角很小(几十μrad)，对捕获跟踪系统要求很高。另外如果空间激光通信系统工作在大气湍流条件下，光纤耦合效率严重恶化，接收功率小，系统通信质量下降。
中国专利公开号为“CN106788773A”，专利名称为“一种基于光子灯笼的相干接收系统及方法”，如图1所示，该系统为自由空间光信号被接收天线接收，耦合进入光子灯笼，信号被转化为多路单模光信号输入相干接收机。该系统利用光子灯笼来实现在湍流条件下，既能提高空间光耦合效率，又能实现多种模式混杂时的相干接收。不过该基于光子灯笼的相干接收系统提高耦合效率有限，另外由于接收端没有小信号放大，接收到的光功率微弱，同时无法利用现有的波分复用技术，系统的通信速率仍有提高的空间，无法适应超高速空间自由光通信的要求。
发明内容
本发明为解决基于光子灯笼的相干接收系统耦合效率低、接收光功率小、通信速率低的问题，提出了一种超高速具有多芯前置放大的空间激光通信接收系统，实现波分复用超高速通信。
为解决上述技术问题，本发明的技术方案如下：
超高速具有多芯前置放大的空间激光通信接收系统，其特征是，该系统包括接收天线、多芯单模光纤、多芯前置光放大器、多级光学环行器、反射式光纤布拉格光栅、光子灯笼、雪崩式光电探测器和解调器；接收天线与多芯单模光纤连接，多芯单模光纤与多芯前置光放大器连接；多芯前置光放大器和多个光学环行器的端口a连接；光学环行器的端口b与下一级光学环行器端口a之间用具有反射式光纤布拉格光栅的单模光纤连接；每一级光学环行器的端口c用多路单模光纤与光子灯笼连接；光子灯笼连接雪崩式光电探测器；雪崩式光电探测器输出端口连接解调器。
本发明的有益效果是：该系统利用多芯单模光纤提高光纤耦合效率；其次使用多芯光前置放大器放大光学天线耦合的信号光功率，提高接收光功率；最后在基于光子灯笼、反射式光纤布拉格光栅和光学环行器的组合中，可完成光纤中波分复用的功能，从而实现超高速通信速率。本发明在空间激光通信等领域具有广泛的应用前景。
附图说明
图1为现有的一种基于光子灯笼的相干接收系统。
图2为本发明超高速具有多芯前置放大的空间激光通信接收系统示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作详细说明。
如图2所示，本发明超高速具有多芯前置光放大的空间激光通信接收系统，该系统包括接收天线1、多芯单模光纤2、多芯前置光放大器3、多级光学环行器4、反射式光纤布拉格光栅(FBG)5、光子灯笼6、雪崩式光电探测器(APD)7和解调器8。
接收天线1与多芯单模光纤2连接，多芯单模光纤2与多芯前置光放大器3连接；多芯前置光放大器3和多个光学环行器4的端口a连接；光学环行器4的端口b与下一级光学环行器4的端口a之间用具有反射式光纤布拉格光栅5的单模光纤连接；每一级光学环行器4的端口c用多路单模光纤与光子灯笼6连接；光子灯笼6连接雪崩式光电探测器7；雪崩式光电探测器7输出端口连接解调器8。
含有多个波长的自由空间光进入接收天线1，自由空间光被接收天线1耦合，耦合后的自由空间光通过多芯单模光纤2形成多路单模信号光，多路单模信号光经过多芯前置光放大器3并由多根单模光纤传输进入光学环行器4端口a；进入端口a的光信号包含多个波长的信号光；端口a输入的多波长单模信号光从光学环行器4端口b输出，进入反射式光纤布拉格光栅5；反射式光纤布拉格光栅5将多波长单模信号光中的某一特定波长的单模信号光反射回光学环行器4端口b，其余波长的单模信号光通过反射式光纤布拉格光栅5传输至下一级光学环行器端口a；从光学环行器4端口b返回的单一波长的单模信号光从环行器4端口c输出，通过单模光纤传输至光子灯笼6；多路同波长的单模信号光被光子灯笼6接收耦合成一路单一波长的单模信号，输送至雪崩式光电探测器7；雪崩式光电探测器7将接收到的单一波长的单模信号光转化为电信号输送至解调器8进行信号解调。
多芯前置光放大器3输出的单模个数与光子灯笼6的单模输入个数相同，多路单模信号光经过放大后输出并用于后端波分复用；光子灯笼6多束单模信号光输入，一束信号光输出，其作用为将同一波长的单模信号光耦合为一束少模信号光用于光电信号转换；光子灯笼6个数与信号光包含的不同波长载波数相同。
本发明可以得到基于波分复用的超高速带多芯光前置放大的空间激光通信接收系统，提高了系统的光纤耦合效率、接收光功率以及通信速率，在卫星之间、卫星地面间通信领域具有广阔的应用前景。
本发明的实施例如下：
接收机接收的信号光由三路波长光组成，分别为1548.5nm、1549.3nm、1550.1nm。信号光被接收天线1接收耦合，经多芯单模光纤2分成多路多波长单模信号光。多波长单模信号光经过多芯前置光放大器3并由单模光纤传输到Ⅰ级光学环行器4的端口a，从Ⅰ级光学环行器4的端口b输出包含三路波长的信号光，波长为1548.5nm的单模信号光被反射式光纤布拉格光栅5反射回Ⅰ级光学环行器4的端口b，波长为1549.3nm和1550.1nm的信号光通过反射式光纤布拉格光栅5进入Ⅱ级光学环行器4的端口a。返射回的1548.5nm的信号光从Ⅰ级光学环行器4的端口c输出进入光子灯笼6。光子灯笼6将输入的多路波长为1548.5nm的单模光信号耦合为一路光信号，经过雪崩式光电探测器7转换为电信号传输至解调器8进行信号解调，得到信号数据。进入Ⅱ级光学环行器4的端口a的1549.3nm和1550.1nm的信号光从Ⅱ级光学环行器4的端口b输出，反射式光纤布拉格光栅5将波长为1549.3nm波长的信号光反射回光学回Ⅱ级光学环行器4的端口b，波长为1550.1nm的信号光通过反射式光纤布拉格光栅5。
进入Ⅲ级光学环行器4端口a，反射回的1549.3nm的信号光从Ⅱ级光学环行器端口c输出进入光子灯笼6。光子灯笼6将输入的多路波长为1549.3nm的单模光信号耦合为一路光信号，经过雪崩式光电探测器7转换为电信号传输至解调器8进行信号解调，得到信号数据。进入Ⅲ级光学环行器4的端口a的1550.1nm的信号光从Ⅲ级光学环行器4端口b直接输出进入光子灯笼6，光子灯笼6将输入的多路波长为1550.1nm的单模光信号耦合为一路光信号，经过雪崩式光电探测器7转换为电信号传输至解调器8进行信号解调，得到信号数据。
上述描述中的实施方案可以进一步改变波长、不同波长载波数等，且实施方案仅仅是对本发明专利的优选实施例进行描述，并非对本发明专利的构思和范围进行限定，在不脱离本发明专利设计思想的前提下，本领域中专业技术人员对本发明专利的技术方案作出的各种变化和改进，均属于本发明的保护范围。

Claims (3)

1.超高速具有多芯前置放大的空间激光通信接收系统，其特征是，该系统包括接收天线(1)、多芯单模光纤(2)、多芯前置光放大器(3)、多级光学环行器(4)、反射式光纤布拉格光栅(5)、光子灯笼(6)、雪崩式光电探测器(7)和解调器(8)；
接收天线(1)与多芯单模光纤(2)连接，多芯单模光纤(2)与多芯前置光放大器(3)连接；
多芯前置光放大器(3)和多个光学环行器(4)的端口a连接；光学环行器(4)的端口b与下一级光学环行器(4)端口a之间用具有反射式光纤布拉格光栅(5)的单模光纤连接；每一级光学环行器(4)的端口c用多路单模光纤与光子灯笼(6)连接；直至最后一级光学环行器(4)的端口b用多路单模光纤与光子灯笼(6)连接；
光子灯笼(6)连接雪崩式光电探测器(7)；雪崩式光电探测器(7)输出端口连接解调器(8)；
光学环行器(4)的各个端口的光路环向为a、b、c走向。
2.根据权利要求1所述的超高速具有多芯前置放大的空间激光通信接收系统，其特征在于，接收天线(1)接收含有多个波长的自由空间光，自由空间光被接收天线(1) 耦合进入多芯单模光纤(2)形成多路单模信号光，多路单模信号光经过多芯前置光放大器(3)并由多根单模光纤传输进入光学环行器(4)端口a；端口a输入的多波长单模信号光从光学环行器(4)端口b输出，进入反射式光纤布拉格光栅(5)；反射式光纤布拉格光栅(5)将多波长单模信号光中的某一特定波长的单模信号光反射回光学环行器(4)端口b，其余波长的单模信号光通过反射式光纤布拉格光栅(5)传输至下一级光学环行器(4)端口a；从光学环行器(4)端口b返回的单一波长的单模信号光从环行器(4)端口c输出，通过单模光纤传输至光子灯笼(6)；多路同波长的单模信号光被光子灯笼(6)接收耦合成一路单一波长的单模信号，输送至雪崩式光电探测器(7)；雪崩式光电探测器(7)将接收到的单一波长的单模信号光转化为电信号输送至解调器(8)进行信号解调。
3.根据权利要求1所述的超高速具有多芯前置放大的空间激光通信接收系统，其特征在于，多芯前置光放大器(3)输出的单模个数与光子灯笼(6) 的单模输入个数相同；光子灯笼(6)个数与信号光包含的不同波长载波数相同。
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