CN110149154B - 用于自由空间光信号的少模前置放大相干接收系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于自由空间光信号的少模前置放大相干接收系统与方法。该系统包括耦合透镜、少模光纤、少模掺铒光纤放大器、光带通滤波器、本振激光器、空间光耦合器、多模光探测器、模数转换器和数字信号处理系统。入射光信号经耦合透镜耦合进少模光纤并输入到少模掺铒光纤放大器，放大后产生的少模光信号经过光带通滤波器滤波后再通过空间光耦合器与本振光合波形成伪单边带信号，之后经过耦合透镜输入多模光探测器转换为电信号，最后经过模数转换器模数转换和数字信号处理系统处理后重建输入信号光场并消除模间色散影响，本发明具有与光信号耦合效率高，灵敏度高和结构简单等优点。

Description

用于自由空间光信号的少模前置放大相干接收系统及方法
技术领域
本发明属于光纤通信，自由空间光通信(FSOC)，光信号检测和数字信号处理领域，更具体地，涉及一种用于自由空间光信号的少模前置放大相干接收系统与方法。
背景技术
对于星地卫星通信，传统的微波通信方式由于受到了容量的限制而发展遇到瓶颈，而自由空间光通信由于有着高容量、保密性高、可以重复利用的频谱资源等优点成为星地卫星通信的最优选择。然而FSOC因为大气的湍流作用，空间光信号耦合进单模光纤(SMF)变得困难，即耦合效率下降；同时大气对信号功率的吸收作用、激光的发射作用以及散射等因素导致接收到的信号光很微弱，再加上低的耦合效率，容易导致接收机误码。这种情况下除了增加光信号接收面积外，提高接收光功率的另一个关键是提高自由空间光信号与光纤的耦合效率。以往大都采用自适应光学系统来补偿大气湍流效应，提高光信号与SMF的耦合效率，其优点是可以使用成熟的SMF器件，缺点是要采用复杂的自适应光学系统，这对成本和功耗要求很高，不适用于卫星、飞机等对通信终端体积功耗要求严苛的场合，因而限制了自由空间光通信系统的发展。
而最近的理论和实验表明随着大气湍流强度的增加，信号光场会发生畸变，使得光信号功率更多的耦合进光纤的高阶模式，从而提高耦合效率。目前的实验报道表明，采用少模光纤(FMF)可以在大气湍流影响下将系统功率预算提高4～6dB。但是虽然使用FMF和少模掺铒光纤放大器(FM-EDFA)可以提高耦合效率、放大接收信号光功率、增加系统功率预算，但是会引入模间色散造成码间干扰，导致接收机灵敏度劣化。
同时我们注意到，现有的传统的数字相干光接收机(DCR)不支持少模光纤输出少模信号的相干检测，为解决此问题目前采用的方案都是模式分集技术，这需要多个单模EDFA和DCR。模式分集技术首先要通过模分复用器将FMF中各个模式信号分解到不同SMF内，再采用多个单模EDFA和多个DCR对各根SMF内的光信号进行放大和相干检测，之后再通过数字信号处理(DSP)系统在数字域内对所有DCR输出的信号进行相干合并。如此复杂的模式分集接收系统并不适用于资源受限的FSOC系统。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种用于空间光通信系统的新型低功耗、低复杂度的少模相干光接收机系统与方法，由此提高接收机与自由空间光信号的耦合效率，同时达到减小接收机系统复杂度和功耗的目的。
为实现上述目的，本发明提供了一种用于自由空间光信号的少模前置放大相干接收系统，包括：依次放置的耦合透镜、少模光纤(FMF)、少模掺铒光纤放大器(FM-EDFA)、光带通滤波器(OBPF)、本振激光器(LO)、相位板、空间光耦合器(OC)、多模光探测器(MM-PD)、模数转换器(ADC)和数字信号处理(DSP)系统；
其中，所述耦合透镜，用于把达到接收端的自由空间信号光耦合进入FMF；
所述FMF，与自由空间光信号有较高的耦合效率，并能够减少湍流效应对入纤光功率的影响；
所述FM-EDFA，用于放大从FMF传入的光信号，补偿自由空间传输和接收机内无源器件对信号光功率的损耗，以提高整个接收机的灵敏度；
所述OBPF，用于滤除FM-EDFA输出端残余的泵浦光和放大的自发辐射噪声，而让信号光正常通过；
所述LO，用于提供本振光，其光谱线位于信号光谱一侧的边缘，与信号光谱中心频率的距离大于等于有效信号带宽的一半。其功率大于FM-EDFA输出信号光功率的10倍以上，从而能够有效抑制MM-PD中信号与自身拍频产生的非线性干扰；
所述相位板，用于控制本振光模场分布，提高多模光探测器内本振与信号光的拍频效率；
所述OC，用于将FM-EDFA输出的少模光信号与本振光进行合波形成伪单边带信号；
所述MM-PD，用于将合波形成的伪单边带信号转换为电信号；
所述ADC，用于将光探测器输出电信号转换为数字信号，以便于DSP系统进行处理；
所述DSP系统，用于对输入数字信号进行处理，实现对入射自由空间光信号的光场重建、模间色散补偿和相干解调。其内部包含光场重建模块、模间色散补偿模块和载波恢复模块。光场重建模块对输入数字信号进行希尔伯特变换，并将结果作为虚部，输入数字信号作为实部构建信号光场。模间色散补偿模块用于消除FM-EDFA内的模间色散和各种码间干扰效应对信号的影响。载波恢复模块用于补偿激光器频偏和相位噪声的影响，实现信号的相干解调。
优选地，所述MM-PD可以采用PIN光电二极管或雪崩光电二极管。
优选地，为了消除偏振敏感性，所述相干接收系统可以采用偏振分集接收的架构，在OBPF后放置偏振分束器，将本振光和信号光分解成X和Y两路，然后再通过两个OC将其与本征光合波形成两路伪单边带信号，再采用两个MM-PD把两路伪单边带信号转换为电信号，再通过2个ADC将电信号采样成为数字信号，最后输入DSP系统。在DSP系统内部对两路信号分别进行光场重建、补偿模间色散后，再将两路相干叠加，最后再进行相干解调。
按照本发明的另一方面，用于自由空间光信号的少模前置放大相干接收方法，包括以下步骤：
首先将经过自由空间传输达到接收端的信号光通过耦合透镜输入FMF。FMF与自由空间光信号具有较高的耦合效率,可以一定程度减少大气湍流效应对入纤光功率的影响；
由FMF输出的信号光直接耦合进入FM-EDFA。进入FM-EDFA的光信号会分配到不同模式内传输变为少模光信号，并在传输中得到放大。放大产生的增益能够补偿自由空间传输和接收机无源器件对信号光功率的损耗，提高接收机灵敏度。在FM-EDFA的输出端采用OBPF滤除残余的泵浦光和放大的自发辐射噪声，仅使光信号通过；
LO用于提供本振光，其光谱线位于输入信号光谱一侧的边缘，与信号光谱中心频率的距离大于等于有效信号带宽的一半。其功率大于FM-EDFA输出信号光功率的10倍以上，从而能够有效抑制MM-PD中信号与自身拍频产生的非线性干扰；
FM-EDFA输出的少模光信号与本振光信号经过OC合波形成伪单边带信号，并通过耦合透镜输入MM-PD；
MM-PD将输入的伪单边带信号转换为电信号，并通过交流耦合方式输入ADC；
ADC将输入模拟电信号转换为数字信号便于DSP系统进行处理；
DSP系统内部包含光场重建模块、模间色散补偿模块和载波恢复模块。光场重建模块对输入数字信号进行希尔伯特变换，并将HT结果作为虚部，输入数字信号作为实部构建信号光场。模间色散补偿模块用于消除FM-EDFA内的模间色散和各种码间干扰效应对信号的影响。载波恢复模块用于补偿激光器频偏和相位噪声的影响，实现信号的相干解调。
优选地，为了消除偏振敏感性，所述相干接收方法可以采用偏振分集接收方式，在OBPF后放置偏振分束器，将本振光和信号光分解成X和Y两路，然后再通过两个OC将其与本征光合波形成两路伪单边带信号，再采用两个MM-PD把两路伪单边带信号转换为电信号，再通过2个ADC将电信号采样成为数字信号，最后输入DSP系统。在DSP系统内部对两路信号分别进行光场重建、补偿模间色散后，再将两路相干叠加，最后再进行相干解调。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：
(1)本发明仅仅通过使用成本低廉的FMF提高空间光到光纤的耦合效率，增加系统功率预算。同时FMF或FM-EDFA引入的模间色散可以通过DSP系统在数字域中进行补偿，或者通过优化光纤波导结构、折射率分布和减小光纤长度来抑制模间色散的影响；FM-EDFA引入DMG可以通过设计光纤波导结构、泵浦模场分布、铒离子分布和光纤长度等方式进行有效的抑制；并且由FM-EDFA引入的ASE噪声导致接收机灵敏度的劣化一般在2dB以下,而在不考虑劣化下使用FMF(FM-EDFA)接收带来的系统功率预算提高4～6dB，因此总体上有利于系统功率预算的提高。
(2)将FM-EDFA输出的少模光信号与本振光合成伪单边带信号，再采用单个光探测器和单个ADC就可以在DSP内部重建少模光信号光场，相较于以往的模式分集数字相干光接收机，所需光放大器、光探测器、ADC和DSP数量均大幅降低，因此系统结构简单，可靠性好，成本低，功耗小。
(3)本发明中MM-PD将输入的伪单边带信号转换为电信号后通过交流耦合方式输入ADC，避免了强本振直流分量导致的ADC量化误差，减少了对ADC位宽的需求。同时在光场重建中不包含任何非线性运算，不仅减少了计算量，还避免了非线性运算导致的频谱展宽，极大的减少了对DSP运算速度的要求。
附图说明
图1为本发明实施例一提供的一种用于自由空间光信号的少模前置放大相干接收系统的结构示意图；
图2为本发明优选方案的实施例二提供的一种用于自由空间光信号的少模前置放大偏振分集相干接收系统的示意图；
图3为本发明实施例二中自由空间光信号与FMF(包含4个模式)耦合效率随湍流强度(用D/r0表示，其中D为接收面上的光束直径，r0为大气相干长度)的变化曲线。同时给出了传统单模光纤的耦合效率变化曲线。信号光的波长为1550nm，发射光束半径为4.17cm准直高斯光束，传输距离为2km，接收孔径大小为20cm；
图4为在固定的大气湍流强度下，实施例二和传统单模相干光接收系统的输出信号误码率BER随到达光纤端面前的信号光功率的变化曲线。同时在考虑FMF和FM-EDFA中的模间色散对信号质量的影响的条件下，绘制了采用模间色散补偿、不采用模间色散补偿的实施例二的输出信号误码率BER随光纤端面前的信号光功率的变化曲线。为了便于比较，还给出模间色散完全被补偿的理想结果。
在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：
1-耦合透镜，2-少模光纤FMF，3-少模掺铒光纤放大器FM-EDFA，4-耦合透镜，5-光带通滤波器OBPF，6-光耦合器OC，7-相位板phase plate，8-本振激光器LO，9-耦合透镜，10-多模光探测器MM-PD，11-模数转换器ADC，12-数字信号处理器DSP，15-偏振分束器。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
本发明提供的用于自由空间光信号的少模前置放大相干接收方法及系统，由此达到抵抗大气湍流对FSOC系统性能的影响，同时减小接收机系统复杂度以及降低功耗的目的。
如图1所示为本发明实施例提供的一种用于自由空间光信号的少模前置放大相干接收系统的结构示意图，在图1所示的系统中包括：依次放置的耦合透镜1-耦合透镜，2-少模光纤FMF，3-少模掺铒光纤放大器FM-EDFA，4-耦合透镜，5-光带通滤波器OBPF，6-光耦合器OC，7-相位板phase plate，8-本振激光器LO，9-耦合透镜，10-多模光探测器MM-PD，11-模数转换器ADC，12-DSP系统光场重建模块，13-DSP系统光场模间色散补偿模块，14-DSP系统载波恢复模块。
在本发明实施例中，FM-EDFA的泵浦方式为包层泵浦；按实际情况，也可以选择芯层泵浦的方式；
在本发明实施例中，透镜可以使用传统的球面镜，也可以选择只调相位的空间光调制器(phase-only Spatial Light Modulation,SLM)作为替代；
在本发明实施例中，相位板可以使用传统的磨制玻璃或镀膜玻璃，也可以选择只调相位的空间光调制器(phase-only Spatial Light Modulation,SLM)作为替代；
耦合透镜，用于把达到接收端的自由空间信号光耦合进入FMF；
FMF，与自由空间光信号有较高的耦合效率，并能够减少湍流效应对入纤光功率的影响；
FM-EDFA，用于放大从FMF传入的光信号，补偿自由空间传输和接收机内无源器件对信号光功率的损耗，以提高整个接收机的灵敏度；
OBPF，用于滤除FM-EDFA输出端残余的泵浦光和放大的自发辐射噪声，而让信号光正常通过；
LO，用于提供本振光，其光谱线位于信号光谱一侧的边缘，与信号光谱中心频率的距离大于等于有效信号带宽的一半。其功率大于FM-EDFA输出信号光功率的10倍以上，从而能够有效抑制MM-PD中信号与自身拍频产生的非线性干扰；
相位板，用于控制本振光模场分布，提高多模光探测器内本振与信号光的拍频效率；
OC，用于将FM-EDFA输出的少模光信号与本振光进行合波形成伪单边带信号；
MM-PD，用于将合波形成的伪单边带信号转换为电信号；
ADC，用于将光探测器输出电信号转换为数字信号，以便于DSP系统进行处理；
DSP系统，用于对输入数字信号进行处理，实现对入射自由空间光信号的光场重建、模间色散补偿和相干解调。其内部包含光场重建模块、模间色散补偿模块和载波恢复模块。光场重建模块对输入数字信号进行希尔伯特变换，并将结果作为虚部，输入数字信号作为实部构建信号光场。模间色散补偿模块用于消除FM-EDFA内的模间色散和各种码间干扰效应对信号的影响。载波恢复模块用于补偿激光器频偏和相位噪声的影响，实现信号的相干解调。
本发明同时提供了一种用于自由空间光信号的少模前置放大相干接收方法，包括以下步骤：
首先将经过自由空间传输达到接收端的信号光通过耦合透镜输入FMF。FMF与自由空间光信号具有较高的耦合效率,可以一定程度减少大气湍流效应对入纤光功率的影响；
由FMF输出的信号光直接耦合进入FM-EDFA。进入FM-EDFA的光信号会分配到不同模式内传输变为少模光信号，并在传输中得到放大。放大产生的增益能够补偿自由空间传输和接收机无源器件对信号光功率的损耗，提高接收机灵敏度。在FM-EDFA的输出端采用OBPF滤除残余的泵浦光和放大的自发辐射噪声，仅使光信号通过；
LO提供本振光，其光谱线位于输入信号光谱一侧的边缘，与信号光谱中心频率的距离大于等于有效信号带宽的一半。其功率大于FM-EDFA输出信号光功率的10倍以上，从而能够有效抑制MM-PD中信号与自身拍频产生的非线性干扰；
FM-EDFA输出的少模光信号与本振光信号经过OC合波形成伪单边带信号，并通过耦合透镜输入MM-PD；
MM-PD将输入的伪单边带信号转换为电信号，并通过交流耦合方式输入ADC；
ADC将输入模拟电信号转换为数字信号便于DSP系统进行处理；
DSP系统内部包含光场重建模块、模间色散补偿模块和载波恢复模块。光场重建模块对输入数字信号进行希尔伯特变换，并将HT结果作为虚部，输入数字信号作为实部构建信号光场。模间色散补偿模块用于消除FM-EDFA内的模间色散和各种码间干扰效应对信号的影响。载波恢复模块用于补偿激光器频偏和相位噪声的影响，实现信号的相干解调。
图2为本发明优选方案的实施列提供的一种用于自由空间光信号的少模前置放大偏振分集相干接收系统的示意图。在图2所示的系统中包括：依次放置的耦合透镜1，少模光纤FMF 2，少模掺铒光纤放大器FM-EDFA 3，耦合透镜4，光带通滤波器OBPF 5，光耦合器OC6，相位板7(phase plate)，本振激光器LO 8，耦合透镜9，多模光探测器MM-PD 10，模数转换器ADC 11，DSP系统光场重建模块12，DSP系统光场模间色散补偿模块13，DSP系统载波恢复模块14，以及附加的偏振分束器15。
偏振分束器15，用于将本振光和信号光分解成X和Y两路；
DSP系统，内部对两个光信号的光场重建、补偿模间色散后，将两路相干叠加，最后再进行相干解调。
图3为本发明实施例中自由空间光信号与FMF(包含4个模式)耦合效率随湍流强度的变化曲线。同时给出了传统单模光纤的耦合效率变化曲线。从图中可以看出FMF的耦合效率比SMF的耦合效率高，并且当D/r0由0.96增加到137.4，两者的耦合效率差从1.31dB增加到7.5dB。说明采用FMF是可以达到提高耦合效率的目标的，并且效果随D/r0的增加更加明显。
图4为在固定的大气湍流强度D/r0＝14的情况下，本发明实施例和基于传统单模相干光接收系统的输出信号误码率BER随到光纤端面前的信号光功率的变化曲线。同时在考虑FMF和FM-EDFA中的模间色散对信号质量的影响条件下，绘制了采用模间色散补偿、不采用模间色散补偿的本发明实施例的输出信号误码率BER随光纤端面上接收信号光功率的变化曲线。为了便于比较，还给出模间色散完全被补偿的理想结果。可以看出，经过数字域算法补偿，BER-光功率曲线靠近理想情况下的曲线，同时功率预算可以提高4.77dB。说明本发明的确相比传统的基于单模前置放大相干接收系统与方法更具有优势。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种用于自由空间光信号的少模前置放大相干接收系统，其特征在于，包括：依次放置的耦合透镜、少模光纤、少模掺铒光纤放大器、光带通滤波器、本振激光器、相位板、空间光耦合器、多模光探测器、模数转换器和数字信号处理系统；
所述耦合透镜，用于把达到接收端的自由空间信号光耦合进入少模光纤；
所述少模光纤，用于接收自由空间光信号并输入少模掺铒光纤放大器；
所述少模掺铒光纤放大器，用于放大从少模光纤输入的光信号，以补偿自由空间传输和接收机内无源器件对信号光功率的损耗，提高整个接收机的灵敏度；
所述光带通滤波器，用于滤除少模掺铒光纤放大器输出端残余的泵浦光和放大的自发辐射噪声，而让信号光正常通过；
所述本振激光器，用于提供本振光，其光谱线位于信号光谱一侧的边缘，与信号光谱中心频率的距离大于等于有效信号带宽的一半；
所述相位板，用于控制本振光模场分布，提高多模光探测器内本振与信号光的拍频效率；
所述空间光耦合器，用于将少模掺铒光纤放大器输出的少模光信号与本振光进行合波形成伪单边带信号；
所述多模光探测器，用于将合波形成的伪单边带信号转换为电信号；
所述模数转换器，用于将光探测器输出电信号转换为数字信号，以便于数字信号处理系统进行处理；
所述数字信号处理系统，用于对输入数字信号进行处理，实现对入射自由空间光信号的光场重建、少模光纤和少模掺铒光纤放大器内模间色散的补偿和相干解调。
2.根据权利要求1所述的用于自由空间光信号的少模前置放大相干接收系统，其特征在于，所述数字信号处理系统内部包含光场重建模块、模间色散补偿模块和载波恢复模块；
所述光场重建模块对输入数字信号进行希尔伯特变换，并将希尔伯特变换结果作为虚部，输入数字信号作为实部构建信号光场；
所述模间色散补偿模块，用于消除少模掺铒光纤放大器内的模间色散和各种码间干扰效应对所构建信号光场的影响；
所述载波恢复模块，用于补偿激光器频偏和相位噪声的影响，实现信号的相干解调。
3.根据权利要求1所述的用于自由空间光信号的少模前置放大相干接收系统，其特征在于，所述多模光探测器采用PIN光电二极管或雪崩光电二极管。
4.根据权利要求1所述的用于自由空间光信号的少模前置放大相干接收系统，其特征在于，所述光带通滤波器后放置有偏振分束器，所述偏振分束器用于将本振光和信号光分解成X和Y两路，然后再通过两个空间光耦合器将其与本征光合波形成两路伪单边带信号，再采用两个多模光探测器把两路伪单边带信号转换为两路电信号，再通过两个模数转换器将电信号转换为两路数字信号，最后输入数字信号处理系统；在数字信号处理系统内部对两路数字信号分别进行光场重建、补偿模间色散后，再将两路相干叠加，最后再进行相干解调。
5.根据权利要求1所述的用于自由空间光信号的少模前置放大相干接收系统，其特征在于，所述本振激光器的功率大于少模掺铒光纤放大器输出信号光功率的10倍以上。
6.一种用于自由空间光信号的少模前置放大相干接收方法，其特征在于，包括以下步骤：
将经过自由空间传输达到接收端的信号光通过耦合透镜输入少模光纤；
由所述少模光纤信号光直接耦合进入少模掺铒光纤放大器；进入所述少模掺铒光纤放大器的光信号分配到不同模式内传输变为少模光信号，并在传输中得到放大；所述少模掺铒光纤放大器的输出端采用光带通滤波器滤除残余的泵浦光和放大的自发辐射噪声，仅使光信号通过；
本振激光器提供本振光，其光谱线位于输入信号光谱一侧的边缘，与信号光谱中心频率的距离大于等于有效信号带宽的一半；
少模掺铒光纤放大器输出的少模光信号与本振光信号经过空间光耦合器合波形成伪单边带信号，并通过耦合透镜输入多模光探测器；
多模光探测器将输入的伪单边带信号转换为电信号，并通过交流耦合方式输入模数转换器；
模数转换器将输入模拟电信号转换为数字信号便于数字信号处理系统进行处理；
数字信号处理系统内部包含光场重建模块、模间色散补偿模块和载波恢复模块；其中，光场重建模块对输入数字信号进行希尔伯特变换，并将结果作为虚部，输入数字信号作为实部构建信号光场；模间色散补偿模块消除少模掺铒光纤放大器内的模间色散和各种码间干扰效应对信号的影响；载波恢复模块补偿激光器频偏和相位噪声的影响，实现信号的相干解调。
7.根据权利要求6所述的用于自由空间光信号的少模前置放大相干接收方法，其特征在于，
在光带通滤波器后放置偏振分束器，将本振光和信号光分解成X和Y两路，然后再通过两个空间光耦合器将其与本征光合波形成两路伪单边带信号，再采用两个多模光探测器把两路伪单边带信号转换为两路电信号，再通过两个模数转换器将电信号转换为两路数字信号，最后输入数字信号处理系统；
数字信号处理系统内部对两路数字信号分别进行光场重建、补偿模间色散后，再将两路相干叠加，最后再进行相干解调。
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