CN110336610B - 一种高安全性的反射式相干光通信系统发射端及系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种高安全性的反射式相干光通信系统发射端及系统，一种高安全性的反射式相干光通信系统发射端包括偏振控制器、第一偏振分束器、调制器、法拉第旋转器、保偏耦合器或保偏环形器、光电转换器和电比较器；一种高安全性的反射式相干光通信系统，包括激光器、隔离器、四端口耦合器、第二偏振分束器和上述的一种高安全性的反射式相干光通信系统发射端；基于本发明的反射式结构电光调制技术可以满足反射式结构的信号传输、传感、测试等方面的需求。

Description

一种高安全性的反射式相干光通信系统发射端及系统
技术领域
本发明涉及光通信系统技术领域，具体涉及一种高安全性的反射式相干光通信系统发射端及系统。
背景技术
光通信系统根据调制方式和检测手段的差异，分为直接探测系统和相干光通信系统。直接探测系统一般采用直接调制和直接检测解调，结构相对简单，成本较低；相干光通信系统一般采用外调制方式，光载波传输时，通过加载的电压信号来改变载波的幅度信息，频率信息，或者相位信息，解调时多采用相干检测手段。两种检测手段不同的是，直接探测响应的是平均光功率，反应的是光场包络；而相干探测响应的是光的频率或相位。因此相干光通信可以携带更多的信息，传输更大的带宽，这种相干检测接收方式也成为科研工作者争相研究的方向，拥有良好的应用前景。
在调制方式上，采用外调制器可实现幅度调制(ASK)、频率调制(FSK)或者相位调制(PSK)。PSK在系统的接收灵敏度方面具有优势，随着各种关键器件的发展，目前相位调制的相干光通信系统技术已经成熟，并广泛实现了商业应用。基于普遍应用的特点，与其他光通信系统一样，相干光通信的外调制器都和光源(激光器)直接连接并结合辅助电路等组成光发射机部分，再通过光纤向远距离传输。
然而，传统通信系统将激光器放在发射端便于调制光载波，但是这样存在光纤窃取信息的风险，尤其在保密通信或特殊领域的应用方面更难满足安全性的要求。
目前已有的用于保密通信的反射式相干光通信系统，是采用反射式电光相位调制器，在信号调制过程中，前向传输光载波与反向信号光常为同一传输路径，O光调制产生的噪声会干扰到信号光，影响信号的传输质量。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：传统通信系统存在光纤窃取信息的风险，尤其在保密通信或特殊领域的应用方面更难满足安全性的要求，噪声会干扰到信号光，影响信号的传输质量问题，本发明提供了解决上述问题的一种高安全性的反射式相干光通信系统发射端及系统，采用这种非反射式的调制器实现的反射式相干光通信系统可避免信号干扰问题，实现高安全性传输。
本发明通过下述技术方案实现：
一种高安全性的反射式相干光通信系统发射端，包括偏振控制器、第一偏振分束器、调制器、法拉第旋转器、保偏耦合器或保偏环形器、光电转换器和电比较器，从接收端发射的光载波经过光纤传输进入偏振控制器，输出具备偏振态的光载波，再通过第一偏振分束器，输出正交的两束光；其中，第一束光载波依次通过保偏耦合器或保偏环形器、光电转换器和电比较器连接到偏振控制器的外反馈接口；第二束光载波进入调制器进行光载波的相位调制，利用调制器改变光载波的相位后，输出的信号光依次经过两个相同的法拉第旋转器，使信号光的偏振态改变90°；反向传播回来的信号光依次进入保偏耦合器或保偏环形器、第一偏振分束器、偏振控制器，返回至接收端，接收端对接收到的光信号和本振信号进行相干解调。
工作原理是：铌酸锂相位调制器对偏振态的敏感性，调制器只适合对单偏振的光实现调制，其中对E光的调制效率比对O光的调制效率高出3倍多，因此调制时调制器中的光载波为E光时，才能达到最佳调制效率。本发明采用上述方案经偏振分束器输出的一束光载波(该束光载波为E光)直接进入调制器进行调制，可以保证最大调制效率；法拉第旋转器的作用是利用法拉第效应使光的偏振状态旋转，一个法拉第旋转器可以将光的偏振态改变45°，经过两个完全一样的法拉第旋转器，光的偏振态总共改变了90°，使反向信号光与前向光载波相互正交；在本发明中，调制后的信号光，依次经过两个45°法拉第旋转器，使其中一束光载波E光变为O光。从法拉第旋转器输出的信号光经20dB保偏耦合器或者保偏环形器输入到偏振分束器的另一端口，从而沿原光路进行反向传输，起到发射端发射信号的作用。在本发明中，调制过程中调制信号不再反射回调制器中，而是通过两个法拉第旋转器沿另一路径改变偏振态的同时实现反向传输，前向传输光载波与信号光完全分离开，这样减小了信号调制过程中的噪声影响。
本发明采用非反射的调制方式实现反射式相干光通信系统，消除了反向O光调制产生的噪声，并且实现中减少了保偏环形器或耦合器器件，避免O光调制产生的噪声干扰到信号光，提高信号的传输质量。
优选地，所述两个相同的法拉第旋转器依次记作第一法拉第旋转器、第二法拉第旋转器，所述法拉第旋转器利用法拉第效应使光的偏振状态旋转，一个法拉第旋转器将光的偏振态改变45°，光依次经过第一法拉第旋转器与第二法拉第旋转器，光的偏振态总共改变90°，使得反向信号光与前向光载波相互正交。
本发明方案中可以采用保偏耦合器或者保偏环形器，采用保偏耦合器或者保偏环形器实现控制可根据实际情况改变控制信号的动态范围，达到稳定的控制。
其中，第一、采用保偏耦合器时：
所述保偏耦合器为20dB保偏耦合器，将光功率按照99:1的比例分开。
所述保偏耦合器将第一偏振分束器输出的其中一束光功率按照99:1的比例分配，选择1％的光反馈至偏振控制器；另外，所述保偏耦合器还将偏振态改变了90°的信号光经第一偏振分束器后返回至原光路进行反向传输。
第二、采用保偏环形器时：
保偏环形器的作用同保偏耦合器的作用一样，偏振分束器输出的光从保偏环形器的第二端口进入，光从保偏环形器的第三端口输出至光电转换器，驱动反馈电路对偏振控制器进行反馈控制。经法拉第旋转器输出的信号光从保偏环形器的第一端口经第二端口进入偏振分束器，沿原光路传输。
优选地，所述调制器采用铌酸锂相位调制器。
一种高安全性的反射式相干光通信系统，包括激光器、隔离器、四端口耦合器、第二偏振分束器和上述的一种高安全性的反射式相干光通信系统发射端；
所述激光器设置于接收端处，激光器发射光载波，经过隔离器连接到四端口耦合器的第一端口上，分别从四端口耦合器的第三端口和第四端口输出；四端口耦合器的第三端口输出的光经过光纤传输进入上述的一种高安全性的反射式相干光通信系统发射端；
在上述的一种高安全性的反射式相干光通信系统发射端，利用调制器将信号加载到光波上，经调制的信号光从上述的一种高安全性的反射式相干光通信系统发射端沿原路反向传输，反向传输的光到达四端口耦合器时，四端口耦合器的第三端口的信号光和第四端口反射的光载波在四端口耦合器内部干涉混频，从四端口耦合器的第二端口输出；
在接收端，通过第二偏振分束器得到互相垂直的两路光信号，分别进行相干解调，信号处理，阈值判断，码型恢复，获得相应的传输信号。
本发明提出的反射式相干光通信系统与现在实际应用的通信系统在结构上不同，主要体现在发射端；传统通信系统将激光器放在发射端便于调制光载波，而本发明将激光器放在接收端，这样只有接收端处的激光器发射光载波的时候，发射端才能调制信号；某些想要通过切断光纤窃取信息的人，一旦采取了行动，光载波便被切断了，信号就不能加载到光载波上，传输也就自动终止了。发射机和本振是同一个激光器，避免接收端使用光锁相环的反馈系统，还解决了激光器相位噪声的问题。
优选地，所述四端口耦合器为3dB耦合器。
本发明具有如下的优点和有益效果：
1、本发明的一种高安全性的反射式相干光通信系统发射端结构合理，在保密通信或特殊领域应用的光纤通信系统中存在潜在应用价值；
2、本发明的一种高安全性的反射式相干光通信系统发射端中利用法拉第旋转器使光的偏振状态旋转，通过采用两个完全相同的45°法拉第旋转器，既能够使光载波与信号光正交，又将两束光分离开，彼此互不影响；
3、本发明的一种高安全性的反射式相干光通信系统，当某些想要通过切断光纤窃取信息的人，一旦采取了行动，光载波便被切断了，信号就不能加载到光载波上，传输也就自动终止了，安全可靠；
4、本发明中发射机和本振是同一个激光器，避免接收端使用光锁相环的反馈系统，还解决了激光器相位噪声的问题。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：
图1为本发明的反射式相干光通信系统发射端实施例1结构图。
图2为本发明的反射式相干光通信系统发射端实施例2结构图。
图3为本发明的反射式相干光通信系统结构图。
附图中标记及对应的零部件名称：
1-偏振控制器，2-第一偏振分束器，3-调制器，5a-保偏耦合器，5b-保偏环形器，5b01-保偏环形器5b的第一端口，5b02-保偏环形器的第二端口，5b03-保偏环形器的第三端口，6-光电转换器，7-电比较器，8-激光器，9-隔离器，10-四端口耦合器，11-第二偏振分束器，12-发射端，13-反射端，14-相干接收器，4a-第一法拉第旋转器，4b-第二法拉第旋转器，101-四端口耦合器10的第一端口，102-四端口耦合器10的第二端口，103-四端口耦合器10的第三端口，104-四端口耦合器10的第四端口。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。
实施例1
如图1所示，一种高安全性的反射式相干光通信系统发射端，包括偏振控制器1、第一偏振分束器2、调制器3、法拉第旋转器、保偏耦合器5a、光电转换器6和电比较器7，从接收端发射的光载波经过光纤传输进入偏振控制器1，输出具备偏振态的光载波，再通过第一偏振分束器2，输出正交的两束光；其中，第一束光载波依次通过保偏耦合器5a、光电转换器6和电比较器7连接到偏振控制器1的外反馈接口；第二束光载波进入调制器3进行光载波的相位调制，利用调制器3改变光载波的相位后，输出的信号光依次经过两个相同的法拉第旋转器，使信号光的偏振态改变90°；反向传播回来的信号光依次进入保偏耦合器5a、第一偏振分束器2、偏振控制器1，返回至接收端，接收端对接收到的光信号和本振信号进行相干解调。
本实施例中，所述调制器3采用铌酸锂相位调制器。
具体地，采用偏振控制器1的原因在于铌酸锂相位调制器3对偏振的敏感性，调制器3只适合对单偏振的光实现调制，其中对e光的调制效率比对o光的调制效率高出3倍多，因此增加了偏振控制器1便于提高调制效率。
第一偏振分束器2将输入光分解成两个偏振态相互垂直的偏振光，由于光路可逆，改变了偏振态的反向信号光输入到另一个端口时可以返回原光路。
所述两个相同的法拉第旋转器依次记作第一法拉第旋转器4a、第二法拉第旋转器4b，法拉第旋转器的作用是利用法拉第效应使光的偏振状态旋转，一个法拉第旋转器可以将光的偏振态改变45°，经过两个完全一样的旋转器(即光依次经过第一法拉第旋转器4a与第二法拉第旋转器4b)，光的偏振态总共改变了90°，使反向信号光与前向光载波相互正交。这样的目的是使信号光经过保偏耦合器5a后能从第一偏振分束器2的另一端口返回至原光路中去。
另外，由45°旋转器和反射镜组成的法拉第旋转镜，也能起到同样的作用。但是，若采用带反射端的旋转镜，在信号调制过程中，光载波与反向信号光为同一传输路径，o光调制产生的噪声会干扰到信号光，影响信号的传输质量。为了避免这一问题，采用两个45°法拉第旋转器，既可使光载波与信号光正交，又将两束光分离开，彼此互不影响。
所述保偏耦合器5a为20dB保偏耦合器，将光功率按照99:1的比例分开。具体地，所述保偏耦合器5a的作用为：一是将第一偏振分束器2输出的其中一束光功率按照99:1的比例分配，选择1％的光反馈至偏振控制器1，使得最终输入到调制器3的光载波功率最大；二是将偏振态改变了90°的信号光经第一偏振分束器2后返回至原光路进行反向传输。
工作原理是：铌酸锂相位调制器对偏振态的敏感性，调制器只适合对单偏振的光实现调制，其中对E光的调制效率比对O光的调制效率高出3倍多，因此调制时调制器中的光载波为E光时，才能达到最佳调制效率。本发明采用上述方案经偏振分束器输出的一束光载波(该束光载波为E光)直接进入调制器进行调制，可以保证最大调制效率；法拉第旋转器的作用是利用法拉第效应使光的偏振状态旋转，一个法拉第旋转器可以将光的偏振态改变45°，经过两个完全一样的法拉第旋转器，光的偏振态总共改变了90°，使反向信号光与前向光载波相互正交；在本发明中，调制后的信号光，依次经过两个45°法拉第旋转器，使其中一束光载波E光变为O光。从法拉第旋转器输出的信号光经保偏环形器或20dB保偏耦合器输入到偏振分束器的另一端口，从而沿原光路进行反向传输，起到发射端发射信号的作用。在本发明中，调制过程中调制信号不再反射回调制器中，而是通过两个法拉第旋转器沿另一路径改变偏振态的同时实现反向传输，前向传输光载波与信号光完全分离开，这样减小了信号调制过程中的噪声影响。
本发明采用非反射的调制方式实现反射式相干光通信系统，消除了反向O光调制产生的噪声，并且实现中减少了保偏环形器或耦合器器件，避免O光调制产生的噪声干扰到信号光，提高信号的传输质量。
实施例2
如图2所示，一种高安全性的反射式相干光通信系统发射端，包括偏振控制器1、第一偏振分束器2、调制器3、法拉第旋转器、保偏环形器5b、光电转换器6和电比较器7，从接收端发射的光载波经过光纤传输进入偏振控制器1，输出具备偏振态的光载波，再通过第一偏振分束器2，输出正交的两束光；其中，第一束光载波依次通过保偏环形器5b、光电转换器6和电比较器7连接到偏振控制器1的外反馈接口；第二束光载波进入调制器3进行光载波的相位调制，利用调制器3改变光载波的相位后，输出的信号光依次经过两个相同的法拉第旋转器，使信号光的偏振态改变90°；反向传播回来的信号光依次进入保偏环形器5b、第一偏振分束器2、偏振控制器1，返回至接收端，接收端对接收到的光信号和本振信号进行相干解调。
本实施例中，所述调制器3采用铌酸锂相位调制器。
具体地，采用偏振控制器1的原因在于铌酸锂相位调制器3对偏振的敏感性，调制器3只适合对单偏振的光实现调制，其中对e光的调制效率比对o光的调制效率高出3倍多，因此增加了偏振控制器1便于提高调制效率。
第一偏振分束器2将输入光分解成两个偏振态相互垂直的偏振光，由于光路可逆，改变了偏振态的反向信号光输入到另一个端口时可以返回原光路。
所述两个相同的法拉第旋转器依次记作第一法拉第旋转器4a、第二法拉第旋转器4b，法拉第旋转器的作用是利用法拉第效应使光的偏振状态旋转，一个法拉第旋转器可以将光的偏振态改变45°，经过两个完全一样的旋转器(即光依次经过第一法拉第旋转器4a与第二法拉第旋转器4b)，光的偏振态总共改变了90°，使反向信号光与前向光载波相互正交。这样的目的是使信号光经过保偏环形器5b后能从第一偏振分束器2的另一端口返回至原光路中去。
另外，由45°旋转器和反射镜组成的法拉第旋转镜，也能起到同样的作用。但是，若采用带反射端的旋转镜，在信号调制过程中，光载波与反向信号光为同一传输路径，o光调制产生的噪声会干扰到信号光，影响信号的传输质量。为了避免这一问题，采用两个45°法拉第旋转器，既可使光载波与信号光正交，又将两束光分离开，彼此互不影响。
保偏环形器的作用同保偏耦合器的作用一样，偏振分束器输出的光从保偏环形器的第二端口5b02进入，光从保偏环形器的第三端口5b03输出至光电转换器，驱动反馈电路对偏振控制器进行反馈控制。经法拉第旋转器输出的信号光从保偏环形器的第一端口5b01经保偏环形器的第二端口5b02进入偏振分束器，沿原光路传输。
实施例3
如图3所示，本实施例与实施例1、实施例2的区别在于，一种高安全性的反射式相干光通信系统，包括激光器8、隔离器9、四端口耦合器10、第二偏振分束器11和实施例1中的一种高安全性的反射式相干光通信系统发射端12；本实施例中，所述四端口耦合器10为3dB耦合器；
如图3所示为本发明的反射式相干光通信系统结构图。实心箭头的实线为前向光波传输路径，实心箭头的虚线为反向光波传输路径，空心箭头的实线为反馈电路部分。
所述激光器8设置于接收端处，激光器8发射光载波，经过隔离器9连接到四端口耦合器10的第一端口101上，分别从四端口耦合器10的第三端口103和第四端口104输出；四端口耦合器10的第三端口103输出的光经过光纤传输进入实施例1中的一种高安全性的反射式相干光通信系统发射端12；在实施例1中的一种高安全性的反射式相干光通信系统发射端12，利用调制器3将信号加载到光波上，经调制的信号光从实施例1中的一种高安全性的反射式相干光通信系统发射端12沿原路反向传输，反向传输的光到达四端口耦合器10时，四端口耦合器10的第三端口103的信号光和第四端口104从反射端13反射的光载波在四端口耦合器10内部干涉混频，从四端口耦合器10的第二端口102输出；在接收端，通过第二偏振分束器11得到互相垂直的两路光信号分别进入相干接收器14，分别进行相干解调，信号处理，阈值判断，码型恢复，获得相应的传输信号。
本发明提出的反射式相干光通信系统与现在实际应用的通信系统在结构上不同，主要体现在发射端12；传统通信系统将激光器放在发射端12便于调制光载波，而本发明将激光器8放在接收端，这样只有接收端处的激光器8发射光载波的时候，发射端12才能调制信号；某些想要通过切断光纤窃取信息的人，一旦采取了行动，光载波便被切断了，信号就不能加载到光载波上，传输也就自动终止了。发射机和本振是同一个激光器，避免接收端使用光锁相环的反馈系统，还解决了激光器相位噪声的问题。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种高安全性的反射式相干光通信系统发射端，其特征在于：包括偏振控制器（1）、第一偏振分束器（2）、调制器（3）、法拉第旋转器、保偏耦合器（5a）或保偏环形器（5b）、光电转换器（6）和电比较器（7），从接收端发射的光载波经过光纤传输进入偏振控制器（1），输出具备偏振态的光载波，再通过第一偏振分束器（2），输出正交的两束光；其中，第一束光载波依次通过保偏耦合器（5a）或保偏环形器（5b）、光电转换器（6）和电比较器（7）连接到偏振控制器（1）的外反馈接口；第二束光载波进入调制器（3）进行光载波的相位调制，利用调制器（3）改变光载波的相位后，输出的信号光依次经过两个相同的法拉第旋转器，使信号光的偏振态改变90°；反向传播回来的信号光依次进入保偏耦合器（5a）或保偏环形器（5b）、第一偏振分束器（2）、偏振控制器（1），返回至接收端，接收端对接收到的光信号和本振信号进行相干解调；
所述两个相同的法拉第旋转器依次记作第一法拉第旋转器（4a）、第二法拉第旋转器（4b），所述法拉第旋转器利用法拉第效应使光的偏振状态旋转，一个法拉第旋转器将光的偏振态改变45°，光依次经过第一法拉第旋转器（4a）与第二法拉第旋转器（4b），光的偏振态总共改变90°，使得反向信号光与前向光载波相互正交；
所述调制器（3）采用铌酸锂相位调制器。
2.根据权利要求1所述的一种高安全性的反射式相干光通信系统发射端，其特征在于：所述保偏耦合器（5a）为20dB保偏耦合器，将光功率按照99:1的比例分开。
3.根据权利要求2所述的一种高安全性的反射式相干光通信系统发射端，其特征在于：所述保偏耦合器（5a）将第一偏振分束器（2）输出的其中一束光功率按照99:1的比例分配，选择1％的光反馈至偏振控制器（1）；另外，所述保偏耦合器（5a）还将偏振态改变了90°的信号光经第一偏振分束器（2）后返回至原光路进行反向传输。
4.一种高安全性的反射式相干光通信系统，其特征在于：包括激光器（8）、隔离器（9）、四端口耦合器（10）、第二偏振分束器（11）和权利要求1至3中任意一项所述的一种高安全性的反射式相干光通信系统发射端；
所述激光器（8）设置于接收端处，激光器（8）发射光载波，经过隔离器（9）连接到四端口耦合器（10）的第一端口（101）上，分别从四端口耦合器（10）的第三端口（103）和第四端口（104）输出；四端口耦合器（10）的第三端口（103）输出的光经过光纤传输进入权利要求1至3中任意一项所述的一种高安全性的反射式相干光通信系统发射端；
在权利要求1至3中任意一项所述的一种高安全性的反射式相干光通信系统发射端，利用调制器（3）将信号加载到光波上，经调制的信号光从权利要求1至3中任意一项所述的一种高安全性的反射式相干光通信系统发射端沿原路反向传输，反向传输的光到达四端口耦合器（10）时，四端口耦合器（10）的第三端口（103）的信号光和第四端口（104）反射的光载波在四端口耦合器（10）内部干涉混频，从四端口耦合器（10）的第二端口（102）输出；
在接收端，通过第二偏振分束器（11）得到互相垂直的两路光信号，分别进行相干解调，信号处理，获得相应的传输信号。
5.根据权利要求4所述的一种高安全性的反射式相干光通信系统，其特征在于：所述四端口耦合器（10）为3dB耦合器。
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