CN110890918B - 基于非线性晶体的大功率水下无线激光通信系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于水下无线通信技术领域，公开了一种基于非线性晶体的大功率水下无线激光通信系统及方法，基于非线性晶体的大功率水下无线激光通信系统包括光源模块、信号调制模块、射频驱动模块、光放大模块、波长变换模块和光纤准直模块。本发明使用1064nm红外光外调制技术加光放大技术与非线性晶体的倍频特性相结合，通过光纤准直系统实现了速率大于100Mbps、输出波长532nm、发散角小于2mrad，光功率大于1W的大功率无线激光转光纤输出，准直后无线输出的水下激光通信系统；本发明水中封装简单，输出光斑可调，而且可提升传输距离，从而扩大水下高速无线通信的覆盖区域，使水下无线光通信更加实用化。

Description

基于非线性晶体的大功率水下无线激光通信系统及方法

技术领域

本发明属于水下无线通信技术领域，尤其涉及一种基于非线性晶体的大功 率水下无线激光通信系统及方法。

背景技术

目前，最接近的现有技术：

人类正在进入一个大规模高科技开发海洋的新时期，海洋综合利用开发掀 起新的高潮，许多国家都把海洋开发视为综合国力竞争的一个制高点，力求从 海洋开发中获得国家长远发展的持续动力。

很多沿海国家把开发海洋资源列入国家发展战略，出台了各具特色的海洋 开发计划，不断加大海洋资源开发力度，使海洋经济成为世界经济中发展较快 的一个领域。如美国提出“面向海洋——美国未来”的战略，澳大利亚、日本、 韩国、印度等国都在强化海洋资源开发的战略部署，加大资金投入和高新技术 的应用。以美、日为代表的发达国家已经建立了结构庞大的海洋产业群。

所以研究开发海洋信息获取技术将有巨大的市场潜力。

近年来，随着水下无线通信(UWC)技术的发展以及海洋探测系统的应用， 水下无线通信技术得到巨大关注。目前水下无线通信中的水声通信虽然距离远， 但是速率太低，不满足水下大量数据的获取需求。而水下无线射频通信衰减较 大，传输距离过近，不能满足一定距离下的无线通信需要。而水下光学通信所 具有较大的带宽和传输速率。但是由于海水对光的吸收和散射，限制了无线光 在海水中的传输距离。通过选择海水中衰减较小的“蓝绿光窗口”进行水下无 线光通信(UOWC)，但是为了实现水下高速且较长距离的通信需求，需要增加 发射光功率，提高接收机灵敏度。

综上所述，现有技术存在的问题是：

(1)现有水下无线通信中的水声通信虽然距离远，但是速率太低，不满足 水下大量数据的获取需求；同时，水下无线射频通信衰减较大，传输距离过近， 不能满足一定距离下的无线通信需要。

(2)现有水下高速数据获取主要采用光纤通信方式，但是有线的光纤通信 设备携带、移动以及与水下设备对接均不方便，不利于水下通信的随机移动和 未来水下组网。

(3)现有水下无线光学通信由于海水对光的吸收和散射，限制了无线光在 海水中的传输距离。

(4)现有的水下蓝绿激光通信均采用蓝绿光源进行直接调制，输出光功率 较小，很难在水中长距离传输。

解决上述技术问题的难度：

为了实现无线的高速水下数据传输，解决(1)和(2)的问题可采用水下无线 蓝绿光通信实现高速非接触式通信，但是水对无线光的损耗较大，衰减系数在 0.6dB/m到6dB/m，所以要提升传输距离，必须增加光源发射功率。但是目前的 蓝绿激光光源功率较小，通过高速调制之后，发射光功率效率更低，一般在mW 级别且光发散角较大，而且532nm的激光目前没有放大技术可用，导致水中传输 距离很难超过50米。因此在保证高速调制的同时要输出发散角较小的大功率蓝 绿光是关键技术。

解决上述技术问题的意义：

本发明采用1064nm激光的外调制技术保证了传输速率，然后对1064nm的激 光进行放大之后再倍频到532nm，然后根据PPLN晶体的准相位匹配原理设计光 路和温度提高PPLN晶体的倍频效率，保证了输出光功率可在W级别，大幅增加 了输出532nm的光功率，然后使用光纤准直器压缩了发散角，从而使水下无线激 光通信速率达到100Mbps以上的同时，输出大功率小发散角的无线激光，使水下 100米以上距离的非接触式高速通信成为可能。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种基于非线性晶体的大功率水 下无线激光通信系统及方法。

本发明是这样实现的，一种基于非线性晶体的大功率水下无线激光通信系 统，包括：

光源模块，采用波长1064nm的DFB窄线宽激光器做种子源，用恒流源驱动， 输出功率为30mW的线偏振光，使用单模保偏光纤耦合输出；

信号调制模块，由FPGA生成TTL电平，首先经过阻抗匹配及电平衰减，然 后通过射频驱动模块将信号放大到调制器输入端；通过铌酸锂晶体的强度调制 实现电光调制，使光信号随输入电信号变化；

射频驱动模块：实现高频小信号放大，与强度调制器耦合，满足强度调制 器的输入增益要求。

光放大模块，采用保偏掺镱光纤和975nm泵浦光源通过三级放大实现平均输 出光功率20W的1064nm激光，且输出光保持相同的偏振特性；

波长变换模块，利用PPLN晶体的非线性实现倍频功能，输出532nm的大功 率激光；

光纤准直模块，通过聚焦透镜耦合进光纤，用纤芯直径100um-200um的多模 光纤耦合输出后，使用准直器使输出发散角小于2mrad，耦合效率60％-70％。

进一步，光源模块中，所述光源输出光束通过保偏光纤连接到铌酸锂光调 制器的光信号输入端。

进一步，信号调制模块中，所述FPGA产生TTL电平的高速电信号，经过阻 抗匹配及电平衰减与射频驱动器连接，然后通过射频驱动器之后达到一定的输 出功率，驱动电光调制器。光调制器利用LiNbO3晶体的普克尔电光效应使输出 的光信号随电信号变化；

所述信号输出速率大于100Mbps，光功率为15mW，波长1064nm，使用单模 保偏光纤耦合输出。

进一步，光放大模块中，所述信号输出信号100Mbps时，光功率可达20W， 光波长1064nm，单模双包层保偏光纤耦合输出。

进一步，波长换模块中，所述PPLN晶体结构25mm×2mm×1mm，通过调节 光学结构和工作温度40°-45°之间，可将10W的1064nm的红外光转换为532nm的 绿光，转换效率大于20％，从而使输出的无线光功率达到2W。通过聚焦透镜耦 合进光纤，用纤芯直径100um-200um的多模光纤耦合输出。

进一步，光纤准直模块中，使用准直器压缩输出光发散角小于2mrad，光斑 直径可调。

本发明的另一目的在于提供一种基于非线性晶体的大功率水下无线激光通 信方法，所述方法包括以下步骤：

步骤一，采用波长1064nm的DFB窄线宽激光器做种子源，用恒流源驱动， 输出功率为30mW的线偏振光，使用单模保偏光纤耦合输出。

步骤二，光源输出光束通过光纤连接到铌酸锂光调制器的光信号输入端。 被调制的电信号由FPGA生成TTL电平，通过射频驱动模块将信号放大到调制器 输入端。

步骤三，通过铌酸锂晶体的强度调制实现电光调制，使光信号随输入电信 号变换。调制器输出的光信号通过光纤进入光放大器，光放大器采用掺镱光纤 和975nm波长的多个泵浦光源。

步骤四，光放大器输出的大功率光信号首先输入到波长变换模块中的准直 器中。

步骤五，PPLN晶体为非线性晶体通过倍频效应实现波长变换，光纤输出的 1064nm光信号通过准直器整形为平行光，然后透过焦距为105mm的聚焦透镜聚 焦到PPLN晶体上。调节光学结构和温度控制，使PPLN晶体的波长转换效率最优， 然后通过聚焦透镜耦合进光纤，用纤芯直径100um-200um的多模光纤耦合输出。

步骤六，使用准直器使输出发散角小于2mrad，耦合效率60％-70％，将准直 器密闭封装可放入水下进行通信。

本发明实施例提供的一种实施所述基于非线性晶体的大功率水下无线激光 通信方法的信息处理终端。

综上所述，本发明的优点及积极效果为：

本发明采用基于铌酸锂晶体(LiNbO3)的高速光信号外调制技术；利用泵 浦源进行基频光信号放大技术；基于倍频晶体的非线性光学理论、光波导理论 和准相位匹配理论的波长转换技术；高效的光束耦合准直技术；并且使用1064nm 红外光外调制技术加光放大技术与非线性晶体的倍频特性以及光束压缩技术相 结合，实现了速率大于100Mbps、输出波长532nm、光功率大于1W、发散角小 于2mrad的大功率水下长距离无线激光通信系统。设计的发射系统光斑仿真效果 如图4所示，试验测试光斑如图5所示，测试数据结果如表1所示。波长转换系统 的功率转换效率理论仿真和测试结果对比如图6所示。系统测试性能数据如表2 所示。本发明通过设计大功率无线激光通信系统，在水中传输距离大于100米， 且易于封装，从而扩大水下高速无线通信的覆盖区域，使水下无线光通信更加 实用化。

本发明通过设计大功率无线激光通信系统，提升传输距离，从而扩大水下 高速无线通信的覆盖区域，使水下无线光通信更加实用化。

附图说明

图1本发明实施例提供的基于非线性晶体的大功率水下无线激光通信系统 结构框图；

图2是本发明实施例提供的基于非线性晶体的大功率水下无线激光通信系 统原理图。

图中：1、光源模块；2、信号调制模块；3、射频驱动模块；4、光放大模 块；5、波长变换模块；6、光准直模块。

图3是本发明实施例提供的基于非线性晶体的大功率水下无线激光通信方 法流程图。

图4是本发明实施例提供的测试中的数据效果图一。

图5是本发明实施例提供的测试中的数据效果图二。

图6是本发明实施例提供的测试中的数据效果图三。

图7是本发明实施例提供的100米水槽的试验场景图。

图8是本发明实施例提供的发射端的封装结构及水中光束传输效果图。

图9是本发明实施例提供的水中传输100米时接收端的信号误码率显示图。

图10是本发明实施例提供的水中传输100米时接收端的信号波形图。

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。

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种基于非线性晶体的大功率水 下无线激光通信系统及方法，下面结合附图对本发明作详细的描述。

本发明实施例提供的一种基于非线性晶体的大功率水下无线激光通信系统 采用1064nm的光源做为种子源进行信号调制及放大，然后通过非线性晶体进行 光信号倍频为532nm的绿光，从而实现大功率的绿激光输出。

如图1和图2所示，本发明实施例提供的一种基于非线性晶体的大功率水下 无线激光通信系统包括光源模块1、信号调制模块2、射频驱动模块3、光放大模 块4、波长变换模块5和光准直模块6。

其中，光源模块1为小功率输出的窄脉宽种子源，输出恒定功率为1064nm得 偏振激光给电光调制器。信号调制模块2中，首先FPGA产生TTL电平的高速电信 号，通过射频驱动器之后达到一定的输出功率，驱动电光调制器。光调制器利 用LiNbO3晶体的普克尔电光效应使输出的光信号随电信号变化。光放大模块4 采用保偏掺镱光纤和975nm泵浦光源通过三级放大实现平均输出光功率20W的 1064nm激光，且输出光保持相同的偏振特性。系统的核心是波长转换模块5，该 模块利用PPLN晶体的非线性通过设计光学结构实现倍频功能，输出532nm的大 功率激光。

光源模块采用波长1064nm的DFB窄线宽激光器做种子源，用恒流源驱动， 输出功率为30mW的线偏振光，使用单模保偏光纤耦合输出。

光源输出光束通过光纤连接到铌酸锂光调制器的光信号输入端。被调制的 电信号，由FPGA生成TTL电平，通过射频驱动模块3，将信号放大到调制器输入 端。通过铌酸锂晶体的强度调制实现电光调制，使光信号随输入电信号变换。 信号输出速率大于100Mbps，光功率为15mW，波长1064nm，使用单模保偏光纤 耦合输出。调制器输出的光信号通过光纤进入光放大器，光放大器采用掺镱光 纤和975nm波长的多个泵浦光源，信号输出信号100Mbps时，光功率可达20W， 光波长1064nm，单模双包层保偏光纤耦合输出。

光放大器输出的大功率光信号首先输入到波长变换模块中的准直器中，通 过准直器将光纤输出的1064nm光信号整形为平行光，然后透过焦距为105mm的 聚焦透镜聚焦到PPLN晶体上。

PPLN晶体为非线性晶体，利用准相位匹配原理，实现倍频效应进行波长变 换。该晶体25mm×2mm×1mm，通过调节光学结构和工作温度40°-45°之间，可 将10W的1064nm的红外光转换为532nm的绿光，转换效率为23％，从而使输出的 无线光功率达到2W。然后通过聚焦透镜耦合进光纤，用纤芯直径100um-200um 的多模光纤耦合输出后，使用准直器使输出发散角小于2mrad，耦合效率 60％-70％。将准直器密闭封装可放入水下通信。

整个系统最终可达到输出波长532nm，光功率大于1W，信号速率100Mbps 的水下无线光输出。

如图3所示，本发明实施例提供的一种基于非线性晶体的大功率水下无线激 光通信方法包括以下步骤：

S101：采用波长1064nm的DFB窄线宽激光器做种子源，用恒流源驱动，输 出功率为30mW的线偏振光，使用单模保偏光纤耦合输出。

S102：光源输出光束通过光纤连接到铌酸锂光调制器的光信号输入端。被 调制的电信号由FPGA生成TTL电平，经过阻抗匹配和电平匹配，通过射频驱动 模块将信号放大到调制器输入端。

S103：通过铌酸锂晶体的强度调制实现电光调制，使光信号随输入电信号 变换。调制器输出的光信号通过光纤进入光放大器，光放大器采用掺镱光纤和 975nm波长的多个泵浦光源。

S104：光放大器输出的大功率光信号首先输入到波长变换模块中的准直器 中，通过准直器将光纤输出的1064nm光信号整形为平行光，然后透过焦距为 105mm的聚焦透镜聚焦到PPLN晶体上。

S105：PPLN晶体为非线性晶体，设计光学结构使PPLN实现准相位匹配， 通过倍频效应实现波长变换，然后通过聚焦透镜耦合进光纤，用纤芯直径 100um-200um的多模光纤耦合输出后，使用准直器使输出发散角小于2mrad，耦 合效率60％-70％，将准直器密闭封装可放入水下通信。

下面结合工作原理对本发明作进一步描述。

本发明实施例提供的基于非线性晶体的大功率水下无线激光通信系统在工 作时，首先，通过光源模块1采用波长1064nm的DFB窄线宽激光器做种子源，用 恒流源驱动，输出功率为30mW的线偏振光，使用单模保偏光纤耦合输出。利用 信号调制模块2，光源输出光束通过光纤连接到铌酸锂光调制器的光信号输入 端；被调制的电信号由FPGA生成TTL电平，通过射频驱动模块3将信号放大到调 制器输入端；通过铌酸锂晶体的强度调制实现电光调制，使光信号随输入电信 号变换；信号输出速率大于100Mbps，光功率为15mW，波长1064nm，使用单模 保偏光纤耦合输出。调制器输出的光信号通过光纤进入光放大器，通过光放大 模块4利用光放大器采用掺镱光纤和975nm波长的多个泵浦光源，信号输出信号100Mbps时，光功率可达20W，光波长1064nm，单模双包层保偏光纤耦合输出。 光放大器输出的大功率光信号首先输入到波长变换模块5中的准直器中，通过光 准直模块6利用准直器将光纤输出的1064nm光信号整形为平行光，然后透过焦距 为105mm的聚焦透镜聚焦到PPLN晶体上，PPLN晶体为非线性晶体通过倍频效 应实现波长变换；所述晶体结构25mm×2mm×1mm，通过调节光学结构和工作温 度40°-45°，可将10W的1064nm的红外光转换为532nm的绿光，转换效率为23％， 从而使输出的无线光功率达到2W；然后通过聚焦透镜耦合进光纤，用纤芯直径 100um-200um的多模光纤耦合输出后，使用准直器使输出发散角小于2mrad，耦合效率60％-70％；将准直器密闭封装可放入水下通信。整个系统最终可达到输 出波长532nm，光功率大于1W，信号速率100Mbps的水下无线光输出。

下面结合具体应用对本发明作进一步描述。

在100米的水池中进行测试，水质衰减系数为0.7dB/m，发射光功率1.2W， 发散角0.27mrad，输出光束直径40mm，传输100Mbps的伪随机码时，100米处的 信号幅度23mV，误码率为6×10^-6。

设计的发射系统光斑仿真效果如图4所示，试验测试光斑如图5所示，测试 数据结果如表1所示。波长转换系统的功率转换效率理论仿真和测试结果对比如 图6所示。系统测试性能数据如表2所示。

表1是光斑发散角测试数据。

表1

表2是系统性能数据

次数	水质	速率	距离	接收信号	误码率
						1	<u>0.87dB</u>/m	<u>100Mbps</u>	75米	<u>5mV</u>	2×10<sup>-1</sup>
2	<u>0.65dB/m</u>	<u>100Mbps</u>	100米	<u>23mV</u>	6×10<sup>-6</sup>

具体应用场景效果如图7、图8、图9、图10。图7为100米水槽的试验场景， 图8为发射端的封装结构及水中光束传输效果，图9为接收端的信号误码率显示， 图10为接收端的信号波形，可显示信号的速率、幅度和波形质量。从这几幅图 可看出，该发射系统通过100米水槽传输之后，信号未失真，最小脉冲10ns，幅 度23mV，信号误码率为6.07×10^-6。

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 (5)

1.一种基于非线性晶体的大功率水下无线激光通信系统，其特征在于，所述系统包括：

光源模块，采用波长1064nm的DFB窄线宽激光器做种子源，用恒流源驱动，输出功率为30mW的线偏振光，使用单模保偏光纤耦合输出；

信号调制模块，由FPGA生成TTL电平，首先经过阻抗匹配及电平衰减，然后通过射频驱动模块将信号功率放大到调制器输入端；通过铌酸锂晶体的强度调制实现电光调制，使光信号随输入电信号变化；

射频驱动模块：用于实现高频小信号放大，与强度调制器耦合，满足强度调制器的输入增益要求；

光放大模块，采用保偏掺镱光纤和975nm泵浦光源通过三级放大实现平均输出光功率20W的1064nm激光，且输出光保持相同的偏振特性；

波长变换模块，利用PPLN晶体的非线性原理实现倍频功能，输出532nm的输出光功率大于1W的大功率激光；

光纤准直模块，通过聚焦透镜耦合进光纤，用纤芯直径100um-200um的多模光纤耦合输出后，使用准直器使输出光发散角小于2mrad，光斑直径能调节；光纤准直模块为无源系统，封装后入水；

光源模块中的光源输出光束通过保偏光纤连接到铌酸锂电光调制器的光信号输入端；

信号调制模块中的FPGA产生TTL电平的高速电信号，首先与射频驱动模块进行阻抗匹配和电平匹配，然后通过射频驱动模块之后达到一定的输出功率，驱动电光调制器；电光调制器利用LiNbO3晶体的普克尔电光效应使输出的光信号强度随电信号幅度变化；

所述信号输出速率大于100Mbps，平均光功率为15mW，波长1064nm，使用单模保偏光纤耦合输出。

2.如权利要求1所述基于非线性晶体的大功率水下无线激光通信系统，其特征在于，光放大模块中信号输出速率100Mbps时，光功率20W，光波长1064nm，单模双包层保偏光纤耦合输出。

3.如权利要求1所述基于非线性晶体的大功率水下无线激光通信系统，其特征在于，波长变换模块中所述PPLN晶体结构为25mm×2mm×1mm，通过将1064nm激光准直后聚焦到光学结构，并调节工作温度40°-45°，将1064nm的红外光转换为532nm的输出光功率大于1W的绿光。

4.如权利要求1所述基于非线性晶体的大功率水下无线激光通信系统，其特征在于，光纤准直模块还用于将无线光耦合到光纤准直模块，使无线光通过光纤延长到几米甚至几十米远的距离后进行封装；光纤准直模块还可将光纤进来的532nm的激光通过调节发散角和输出光斑直径，然后以输出光功率大于1W的无线光形式输出；光纤准直模块为光学系统，封装入水。

5.一种如权利要求1所述基于非线性晶体的大功率水下无线激光通信系统的基于非线性晶体的大功率水下无线激光通信方法，其特征在于，所述基于非线性晶体的大功率水下无线激光通信方法包括以下步骤：

步骤一，采用波长1064nm的DFB窄线宽激光器做种子源，用恒流源驱动，输出功率为30mW的线偏振光，使用单模保偏光纤耦合输出；

步骤二，光源输出光束通过光纤连接到铌酸锂光调制器的光信号输入端；被调制的电信号由FPGA生成TTL电平，通过阻抗和电平匹配，连接射频驱动模块，然后射频驱动模块将信号放大到调制器输入端；

步骤三，通过铌酸锂晶体的强度调制实现电光调制，使光信号随输入电信号变化；调制器输出的光信号通过保偏光纤进入光放大器；

步骤四，光放大器采用掺镱光纤和975nm波长的多个泵浦光源；光放大器输出的大功率光信号使用保偏光纤连接到波长变换模块中的准直器中；

步骤五，PPLN晶体为非线性晶体通过倍频效应实现波长变换；光纤输出的1064nm光信号通过准直器整形为平行光，然后透过焦距为105mm的聚焦透镜聚焦到PPLN晶体上；调节工作温度，使PPLN晶体的倍频效率最大，然后通过聚焦透镜耦合进光纤，用纤芯直径100um-200um的多模光纤耦合输出；

步骤六，光纤准直器通过调节焦距，将光纤进来的532nm激光以平行光输出，输出发散角小于2mrad，且光斑直径大小能调节，然后将准直器密闭封装放入水中，以输出光功率大于1W的无线光形式输出。

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