CN110501783B - 一种少模光纤波束形成系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种少模光纤波束形成系统，属于通信技术领域，由信号发生模块、激光器模块、电光调制模块、模式复用模块、光电探测模块及数据测量模块组成；其中，信号发生模块的输出端口与电光调制模块的一个输入端口相连接，激光器模块的输出端口与电光调制模块的另一个输入端口相连接，电光调制模块的输出端口连接模式复用模块的输入端口，模式复用模块的输出端口与光电探测模块的输入端口连接，光电探测模块与数据测量模块连接。本发明利用少模光纤等光学器件的特性可以实现系统的大带宽、多波束、宽扫描角等能力，系统具有体积合理、操作方便、系统稳定等优点。

Description

一种少模光纤波束形成系统

技术领域

本发明属于通信技术领域，具体涉及一种少模光纤波束形成系统。

背景技术

随着现代通信技术以及半导体激光器、电光调制器等光电子器件的快速发展，相控阵天线、5G等领域对于大带宽通信、多波束形成能力的需求急速增长；同时，这些需求也对现有波束形成技术带来巨大挑战。基于传统的电移向技术的波束形成系统表现出窄带工作特性，由于孔径效应的存在，带宽受到严重抑制；此外，受到天线尺寸的影响，多波束形成能力不足，且容易引起波束倾斜，难以满足下一代通信系统的需求；而基于光学真时延迟技术的波束形成系统不仅具有大的瞬时带宽，没有波束倾斜，可以同时控制多个波束，相较于传统技术，具备明显优势。

目前，越来越多的基于光学真时延迟技术的波束形成方案被提出，较为典型的方案是基于光纤结构的真时延迟波束形成系统。采用光纤结构的波束形成技术使用的是单模光纤，当系统形成多波束时，需要大量单模光纤，增大了系统体积，系统的工作稳定性也相应降低。不同于单模光纤，少模光纤具有多个并行传输的模式，每个模式的传输特性不同，一根少模光纤相当于多根单模光纤同时传输。在多波束形成时，少模光纤中的每个模式对应一根单模光纤，减少了光纤的使用数量，简化了波束形成系统的结构，使得系统结构更加紧凑。未来，少模光纤波束形成系统将推动波束形成技术的进一步革新，并将在智能天线以及5G领域中占据越来越重要的地位。

发明内容

针对基于单模光纤光真时延迟技术的波束系统存在多波束形成时，系统体积偏大等问题，本发明提出一种少模光纤波束形成系统，具有体积合理、结构简单、系统稳定等优点。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种少模光纤波束形成系统，其系统框图如图1所示，由信号发生模块1、激光器模块2、电光调制模块3、模式复用模块4、光电探测模块5及数据测量模块6组成；其中，信号发生模块1的输出端口与电光调制模块3的一个输入端口相连接，激光器模块2的输出端口与电光调制模块3的另一个输入端口相连接，电光调制模块3的输出端口连接模式复用模块4的输入端口，模式复用模块4的输出端口与光电探测模块5的输入端口连接，光电探测模块5与数据测量模块6连接。

进一步地，所述模式复用模块4，包括分束器41、模式转换器42、少模光纤43、模式解复用器44及单模光纤；所述电光调制模块3的输出端口连接分束器41的输入端口，分束器41的输出端口连接模式转换器42的单模光纤输入端口，端口之间通过法兰盘进行连接，其连接损耗小于0.25dB；模式转换器42的输出端口连接少模光纤43的输入端口，少模光纤43的输出端口连接模式解复用器44的少模光纤输入端口；模式解复用器44的单模光纤输出端口连接光电探测模块5的输入端口，光电探测模块5的输出端口最终和数据测量模块6的输入端口连接；具体工作过程如下：

所述信号发生模块1产生射频信号，传输至电光调制模块3，经电光转换单元调制到光载波上；电光转换单元完成了电到光的转换，实现了射频信号在光信号上的调制。激光器模块2提供射频信号需要的光载波。调制后的光信号经过光纤等光学媒介传输至模式复用模块4(光子移相网络)，用光学手段实现了射频信号的相位延时。在模式复用模块4中，光信号首先进入分束器，由分束器把光信号分成多路，分别进入模式转换器的不同端口，利用模式转换器激发少模光纤中的不同模式(如模式1、模式2、模式3……)，激发不同模式后，通过少模光纤传输至模式解复用器端口。在传输期间，不同模式之间会产生一定的时延，这是由于在少模光纤中不同模式的传播速率不同。利用模式解复用器将不同模式分离，在模式解复用器的不同输出端口之间设置预定的真实延迟增量，最终实现光真时延迟网络。

进一步地，所述信号发生模块1产生信号频率为f(0.1-160MHz)的脉冲信号，幅度为A(1-15V)，占空比为D(20％-80％)，通过改变信号发生模块1的参数，实现参数可调的脉冲信号输出，信号经由射频线输出至电光调制模块3后进行调制。

进一步地，所述激光器模块2产生波长为λ的连续光波,输出功率为P(10-40mw)，光信号经由光源尾纤输出至电光调制模块3，此时的光纤尾纤为单模光纤，仅仅支持基模这一种模式，即LP01模，激光器模块2为射频信号提供光载波。

所述电光调制模块3由于受到激光器频响特性的限制，一般使用外调制器进行调制，调制模块是影响光控波束形成系统幅度和相位性能的重要因素之一，不同的调制模式和调制器件对于系统的影响各不相同。调制器通过改变光波的某一特性而将信息加载到光波上，本发明使用强度调制器，强度调制是光载波的强度(光强)随调制信号规律而变化的激光振荡。信号发生模块1产生的脉冲信号通过电光调制模块3调制到激光器模块2所产生的光载波上，调制后的信号经单模光纤最终传输至模式复用模块4作进一步处理。

所述模式复用模块4如图2所示，由分束器41、模式转换器42、少模光纤43、模式解复用器44组成，用于连接电光调制模块3和光电探测模块5，并实现了光真时延迟网络。模式复用模块4是波束形成系统的核心器件，模块的性能对波束形成系统的方向特性和系统性能存在着较大的影响。

所述分束器是可将一束光分成两束光或多束光的光学装置。本发明中，分束器将电光调制模块3调制的光信号分成多束光并输入到模式转换器42的端口。

所述模式转换器42是一种单模光纤到多模光纤过渡的低损耗光波导器件，一般情况下，入射的单模光纤有15um、10um、8um、5um这四种不同的尺寸。模式转换器42可以实现由基模到各个高级模式转换的同时，完成各个高阶模式的复用，实现模式转换与模式复用的高度集中。电光调制模块3输出的光信号经过支持基模传输的单模光纤进入到模式转换器42的入口端进行空间模式转换，得到某一激发模式，如模式1(或模式2或模式3……)，并由少模尾纤输出所需的单一受激模式。所述光信号经过分束器的输出端与模式转换器42不同的端口(如模式1端口)连接，其中所述分束器输出端及模式转换器42的入口端的光传输媒介为单模光纤，仅支持基模一种模式；经过模式转换器42进行空间模式转换，从模式转换器42输出端口421输出所受激模式(如模式1或模式2……)，其中所述输出端口光传输媒介为少模光纤，可支持多种模式同时传输。

所述少模光纤43连接于模式转换器42输出端口421与模式解复用器44输入端口441之间，其支持多个模式并行传输，每一个模式视为独立的信道加载信息，形成多输入多输出通道。在理想条件下，各个模式之间是相互正交的。由于少模光纤中支持传输的多个模式具有不同的传播速度，在少模光纤中传输一段距离后，各个模式信道间的光信号会出现时延，计算不同模式的群速度可以获得差分模式群时延，这是形成光真时延时网络的基础。受激模式1(或模式2或模式3……)进入少模光纤传输一定距离后进入模式解复用器44的输入端口441。

所述模式解复用器44实现空间模式的分离，所述少模光纤输出端口432与所述模式解复用器44输入端口441连接，此时所述端口的光传输媒介均为少模光纤，可同时传输多种模式；受激模式1(或模式2或模式3……)在少模光纤传输后经过空间模式的解复用从相应的模式端口输出，其中所述端口的光传输媒介为单模光纤，仅支持基模一种模式。

所述单模光纤连接模式解复用器44的不同输出端口，不同端口之间单模光纤长度不同。所述单模光纤模块仅支持基模这一种模式传输。光信号经单模光纤传输至光电探测模块5的输入端口。

所述光电探测模块5用于接收经过单模光纤传输后的信号光，并将信号光转为电信号，所述单模光纤模块输出端口与光电探测模块5的输入端口连接，将单模光纤输出的光进行光电探测并输出相应的电信号，其中，本发明所述光电探测方式为直接探测，结构简单，使用方便。

所述数据处理模块6用于接收光电探测模块5输出的电信号。根据天线波束扫描原理及射频信号频率、不同模式之间时延等相关参数，计算波束的最大指向，半功率波束宽度等天线的一系列信息。

与现有技术相比，本发明的优点如下：

本发明所涉及的少模光纤波束形成系统以相邻模式之间的真时延迟差作为构成光真时延迟网络的基础条件。与其他波束形成系统相比，本发明首次把空间维度作为一个新的参量引入到波束形成系统中。利用少模光纤等光学器件的特性可以实现系统的大带宽、多波束、宽扫描角等能力，系统具有体积合理、操作方便、系统稳定等优点，为波束形成系统提供了一种新的思路，在智能天线、5G等领域具有广泛的前景。

附图说明

图1：本发明所述的少模光纤波束形成系统结构示意图；

图2：模式复用模块结构示意图；

图3：实例所述的少模光纤形成系统结构示意图；

图4：延迟步进为50ns时，不同模式之间时延的测量结果图；图(a)表示LP01模-LP11a模之间时延大小为50ns，图(b)表示LP01模-LP21a模之间时延大小为100ns，图(c)表示LP01模-LP02模之间时延大小为150ns；

图5：延迟步进为100ns时，不同模式之间时延的测量结果图；图(a)表示LP01模-LP11a模之间时延大小为100ns，图(b)表示LP01模-LP21a模之间时延大小为200ns，图(c)表示LP01模-LP02模之间时延大小为300ns；

图6：延迟步进为50ns时，天线方向图的实验结果；

图7：延迟步进为100ns时，天线方向图的实验结果；

图中：信号发生模块1、激光器模块2、电光调制模块3、模式复用模块4、光电探测模块5、数据测量模块6、分束器41、模式转换器42、少模光纤43、模式解复用器44、任意波形发生器输出端口11、激光器输出端口21、电光调制器第一输入端口31、电光调制器第二输入端口32、电光调制器输出端口33、分束器输入端口411、模式转换器输出端口421、少模光纤输入端口431、少模光纤输出端口432、模式解复用器输入端口441。

具体实施方式

下面结合附图和具体实例方案对本发明进行详细说明。

实施例1

本发明建立了一种基于少模光纤的四通道真时延迟波束形成系统，如图3所示。其系统框图如图1所示，由信号发生模块1、激光器模块2、电光调制模块3、模式复用模块4、光电探测模块5、数据测量模块6组成；其中，信号发生模块1的输出端口与电光调制模块3的一个输入端口相连接，激光器模块2的输出端口与电光调制模块3的另一个输入端口相连接，电光调制模块3的输出端口连接模式复用模块4的输入端口，模式复用模块4的输出端口与光电探测模块5的输入端口连接，光电探测模块5与数据测量模块6连接。本实例中，信号发生模块采用任意波形发生器产生射频信号；激光器模块采用单频激光光源，提供系统所需光载波；电光调制模块采用外调制器，实现电信号到光信号的转换；模式复用模块采用分束器41、模式转换器42、少模光纤43、模式解复用器44实现模式转换与分离，模式转换器为光子灯笼A，模式解复用器为光子灯笼B，最终得到光真时延迟网络，少模光纤选用了4模5km的阶跃光纤，作为实现真时延迟网络的基础；光电探测模块采用光电探测器实现了光信号到电信号的转换；数据测量模块接收光电探测模块的电信号，得到不同模式之间时延大小等相关信息。

实施例1中使用的信号发生模块为北京普源精电科技有限公司的RIGOL任意波形发生器。在本实例中，设定输出频率为1MHz，幅度为5V，占空比为50％的脉冲信号。激光器模块选用的是飞博源光电科技有限公司的半导体激光器，设定输出功率为10mw光信号。电光调制模块选用的是北京康冠世纪光电有限公司的基于M-Z推挽结构的LiNbO3电光强度调制器，型号为KG-AM-10，插入损耗为4dB。模式复用模块中选用光子灯笼作为模式转换器和模式解复用器。所选用光子灯笼为OLKIN OPTICS公司的全光纤6模选择性多路复用器，可支持六个模式转换与分离，分别为LP01模、LP11a模、LP11b模、LP21a模、LP21b模、LP02模，本实例只选用其中四个模式，即LP01模、LP11a模、LP21a模、LP02模。少模光纤选用长飞光纤光缆股份有限公司的四模阶跃光纤，衰减系数在1550nm波段小于0.2dB/km(LP01模式)，模式之间差分群时延分别为：LP01模-LP11a模之间为2.8ps/m，LP01模-LP21a模之间为5.9ps/m，LP01模-LP02模之间为5.92ps/m。光电探测模块选用了飞博源光电科技有限公司的恒温型增益可调InGaAs光电探测器，响应度在1550nm波段为8.5A/W。数据测量模块选用了安捷伦DSO6032A数字示波器，带宽300MHz,采样率2GSa/s。

本实施例中，将激发少模光纤的LP01模、LP11a模、LP21a模、LP02模这4个模式作为真时延迟网络的四个通道，相邻通道间的时延分别设定为50ns和100ns,具体框图如图3所示。

连接方式如下所述：

任意波形发生器的输出端口11与电光调制器的输入端口31相连接，单频激光器的输出端口21与电光调制器的输入端口32相连接。电光调制器的输出端口33连接分束器的输入端口411，分束器的四个输出端口分别连接光子灯笼A的四个单模光纤输入端口，端口之间通过法兰盘进行连接，其连接损耗小于0.25dB。光子灯笼A的少模光纤输出端口421连接少模光纤43的输入端口431，少模光纤43的输出端口432连接光子灯笼B的少模光纤输入端口441，其中连接点C、D熔接方式采用对芯熔接，熔接损耗应小于0.01dB。光子灯笼B的四个单模光纤输出端口分别连接四个光电探测器的输入端口，光电探测器的输出端口最终和数据测量模块的输入端口连接。

本实例详细的系统框图如图6所示，工作流程如下：

首先设定任意波形发生器输出射频信号的各项参数，设定频率、幅度以及占空比等，然后设定激光器的输出功率后输出光信号。射频信号和光信号输入到电光调制器，将电信号调制到光载波上。调制后的光信号经过分束器进入光子灯笼A进行空间模式转换并在少模光纤中传输一段距离，各个模式之间形成时延，并利用光子灯笼B将不同模式进行分离，形成光真时延迟网络。分离后的光信号进入光电探测器进行光电转换，最后将转换后的电信号输入数据测量模块，通过测量不同模式之间的时延，计算得出天线单元的阵内相移值，进而得出波束的最大指向和半功率波束宽度。

本实例使用任意波形发生器、激光器、电光调制器得到调制信号的输出。实现方法为：任意波形发生器产生系统所需的脉冲信号，输入到电光调制器的输入端口31，通过改变初始参数的设置，可以得到不同频率、不同占空比的射频信号；激光器提供脉冲信号的光载波，输入到电光调制器的输入端口32；由调制器的电光转换单元完成电到光的转换，输出端口33输出调制后的光信号。

本实例的模式复用模块采用的是光子灯笼A+少模光纤43+光子灯笼B的方法，其中，光子灯笼A为模式转换器，光子灯笼B为模式解复用器。基本工作过程如下：电光调制器输出的调制信号经过分束器分成四束光，分别进入光子灯笼A的四个单模端口，在光子灯笼A的内部发生空间模式转换，激发四种模式后经过5km少模光纤传输进入光子灯笼B进行模式分离。

本实例采用直接探测方式接收信号。对光子灯笼B44的四路输出信号(LP01模、LP11a模、LP21a模、LP02模)在输出端口直接连接在光电探测器的各个端口上即可实现。

图4、图5分别给出了延迟步进为50ns、100ns时，LP01模-LP11a模、LP01模-LP21a模、LP01模-LP02模之间的时延大小。从图中可以看出，延迟步进为50ns时，LP01模-LP11a模之间时延为50ns、LP01模-LP21a模之间时延为100ns、LP01模-LP02模之间时延为150ns；延迟步进为100ns时，LP01模-LP11a模之间时延为100ns、LP01模-LP21a模之间时延为200ns、LP01模-LP02模之间时延为300ns。图6、图7分别给出了延迟步进50ns、100ns时，天线方向图的实验结果。延迟步进为50ns时，最大波束指向为5.74°，半功率波束宽度为25.13°；延迟步进为100ns时，最大波束指向为11.54°，半功率波束宽度为25.52°。

对本发明所述的少模光纤波束形成系统进行了详细的介绍，以上的介绍主要是为了用于对本发明的方法及其核心思想进一步的理解；同时，对于本领域的一般技术人员，根据本发明的思想，再具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制，在不背离本发明所述方法的精神和权利要求范围的情况下，对其进行的各种显而易见的改变(如脉冲信号的产生，光子灯笼以及少模光纤所支持模式数量等)都在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种少模光纤波束形成系统，其特征在于，由信号发生模块(1)、激光器模块(2)、电光调制模块(3)、模式复用模块(4)、光电探测模块(5)及数据测量模块(6)组成；其中，信号发生模块(1)的输出端口与电光调制模块(3)的一个输入端口相连接，激光器模块(2)的输出端口与电光调制模块(3)的另一个输入端口相连接，电光调制模块(3)的输出端口连接模式复用模块(4)的输入端口，模式复用模块(4)的输出端口与光电探测模块(5)的输入端口连接，光电探测模块(5)与数据测量模块(6)连接；所述模式复用模块(4)，包括分束器(41)、模式转换器(42)、少模光纤(43)、模式解复用器(44)及单模光纤；所述电光调制模块(3)的输出端口连接分束器(41)的输入端口，分束器(41)的输出端口连接模式转换器(42)的单模光纤输入端口，端口之间通过法兰盘进行连接，其连接损耗小于0.25dB；模式转换器(42)的输出端口连接少模光纤(43)的输入端口，少模光纤(43)的输出端口连接模式解复用器(44)的少模光纤输入端口；模式解复用器(44)的单模光纤输出端口连接光电探测模块(5)的输入端口，光电探测模块(5)的输出端口最终和数据测量模块(6)的输入端口连接。

2.如权利要求1所述的一种少模光纤波束形成系统，其特征在于，所述信号发生模块(1)产生脉冲信号，所述脉冲信号的信号频率为0.1-160MHz、幅度为1-15V、占空比为20％-80％。

3.如权利要求1所述的一种少模光纤波束形成系统，其特征在于，所述激光器模块(2)产生连续光波,所述连续光波的输出功率为10-40mw。

4.如权利要求1所述的一种少模光纤波束形成系统，其特征在于，模式转换器(42)及模式解复用器(44)均为光子灯笼。

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