CN110971297B - 基于超表面微纳芯片的室内光无线通信系统及方法 - Google Patents

基于超表面微纳芯片的室内光无线通信系统及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于超表面微纳芯片的光无线通信系统，涉及光通信领域，包括光纤和至少一超表面微纳芯片，光纤用于传输光波信号；超表面微纳芯片用于接收所述光纤发出的光波信号，并按照预设的相位分布将接收到的光波信号分为若干路光波信号后传递给不同的用户终端。本发明提供的基于超表面微纳芯片的室内光无线通信系统，采用的新兴超表面技术，能够极大的增强光视场角度和传输容量。

Description

基于超表面微纳芯片的室内光无线通信系统及方法
技术领域
本发明涉及光通信领域，具体涉及一种基于超表面微纳芯片的室内光无线通信系统及方法。
背景技术
在过去的几十年，光通信网络容量呈指数增长，使得通信的全球化和无所不在的移动物联网成为可能。随着用户对高质量的宽带视频、多媒体业务、基于IP的实时/准实时业务等新兴数据业务的应用需求不断增长，亟需超大带宽无线通信系统。光学无线电技术具有巨大的带宽和抗干扰等优势，是目前主流无线电通信技术的非常有希望的替代者。
传统光无线系统采用的是硅基液晶空间光调制器LCOS-SLM，其视场角度受限，使得光信号的传输范围受到影响，而且成本高，体积较大，也不利于系统功能集成。
发明内容
针对现有技术中存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种基于超表面微纳芯片的室内光无线通信系统，采用的新兴超表面技术，能够极大的增强光视场角度和传输容量。
为达到以上目的，本发明采取的技术方案是：
一种基于超表面微纳芯片的光无线通信系统，包括：
光纤，其用于传输光波信号；
至少一超表面微纳芯片，其用于接收所述光纤发出的光波信号，并按照预设的相位分布将接收到的光波信号分为若干路光波信号后传递给不同的用户终端。是将入射的光线分为若干路，并将光传递到不同的用户终端。
在上述技术方案的基础上，还包括：
激光器，其用于发射光波信号；
调制器，其用于接收所述激光器发射的光波信号，并将数据信号调制到该光波信号上；
光放大器，其用于接收所述调制器调制后的光波信号，并将该调制后的光波信号进行放大处理，且将放大后的光波信号传输给所述光纤。
在上述技术方案的基础上，还包括一与所述超表面微纳芯片数量配对的分束器，所述分束器设于所述光纤和超表面微纳芯片之间。
在上述技术方案的基础上，每个所述超表面微纳芯片与所述分束器之间均对应设有一准直器。
在上述技术方案的基础上，所述超表面微纳芯片包括：
介质衬底；
若干超表面微纳共振单元，其设于所述介质衬底上，且所有所述超表面微纳共振单元按照预设的位相分布进行设计。
在上述技术方案的基础上，所述超表面微纳共振单元为纳米砖结构。
在上述技术方案的基础上，所有所述超表面微纳共振单元周期性阵列分布。
在上述技术方案的基础上，所述超表面微纳共振单元采用GS算法来设计位相梯度分布。
本发明还提供了一种基于超表面微纳芯片的光无线通信方法，包括步骤：
激光器发射光波信号；
调制器接收所述激光器发射的光波信号，并将数据信号调制到该光波信号上；
光放大器接收所述调制器调制后的光波信号，并将该调制后的光波信号进行放大处理；
光纤接收所述光放大器放大后的光波信号，并传输该光波信号；
超表面微纳芯片接收所述光纤发出的光波信号，并将接收到的光波信号分为若干路光波信号后传递给不同的用户终端。
在上述技术方案的基础上，所述超表面微纳芯片接收所述光纤发出的光波信号之前还包括步骤：准直器对所述光纤发出的光波信号进行准直处理，并将处理后的光波信号发送给所述超表面微纳芯片。
与现有技术相比，本发明的优点在于：本发明的基于超表面微纳芯片的室内光无线通信系统，采用的新兴超表面技术，能够极大的增强光视场角度和传输容量。
附图说明
图1为本发明实施例中基于超表面微纳芯片的光无线通信系统的结构示意图；
图2为本发明实施例中单个超表面微纳共振单元的结构示意图；
图3为本发明实施例中超表面微纳芯片的俯视图。
图中：21-介质衬底，22-超表面微纳共振单元。
具体实施方式
以下将结合附图对本发明中各实施例的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所得到的所有其它实施例，都属于本发明所保护的范围。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。需要指出的是，所有附图均为示例性的表示。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
下面通过具体的实施例子并结合附图对本发明做进一步的详细描述。
参见图1所示，本发明实施例提供了一种基于超表面微纳芯片的光无线通信系统，包括光纤和至少一超表面微纳芯片。光纤用于传输光波信号；超表面微纳芯片用于接收所述光纤发出的光波信号，并按照预设的相位分布将接收到的光波信号分为若干路光波信号后传递给不同的用户终端。。
更进一步地，本发明实施例的基于超表面微纳芯片的光无线通信系统，还包括激光器、调制器和光放大器。
激光器用于发射光波信号；调制器用于接收所述激光器发射的光波信号，并将数据信号调制到该光波信号上；光放大器用于接收所述调制器调制后的光波信号，并将该调制后的光波信号进行放大处理，且将放大后的光波信号传输给所述光纤。
作为一种较好的实施方式，本发明实施例中，激光器为外腔半导体激光器，调制器为马赫曾德调制器，光放大器为掺铒光纤放大器，采用外腔半导体激光器激射1550nm波长的光波，然后将携带有数据的信号通过马赫曾德调制器加在在光信号上，随后用掺铒光纤放大器将光信号放大，放大后的光信号在单模光纤中传输若干公里之后进入室内光纤链路。
在本发明实施例中，基于超表面微纳芯片的光无线通信系统的工作过程为：激光器、调制器和光放大器设于室外，超表面微纳芯片设于室内，通过光纤将光波信号从室外发送至室内，并通过超表面微纳芯片按照预设的相位分布将接收到的光波信号分为若干路光波信号后传递给不同的用户终端，使得传递给用户的若干路光波信号相位不同，偏转角度也不同，可以实现大角度范围对光场进行调控，从而在发送给不同用户时，能够极大的增强光视场角度和传输容量。
更进一步地，本发明实施例的基于超表面微纳芯片的光无线通信系统还包括一与所述超表面微纳芯片数量配对的分束器，所述分束器设于所述光纤和超表面微纳芯片之间。
在本发明实施例中，分光束将光纤传输的光波信号分成若干光束，分别分配到不同的房间，每个房间均设有一超表面微纳芯片，此处分束器与所述超表面微纳芯片数量配对应该理解为分光束分成的光束数量和所述超表面微纳芯片数量相同，超表面微纳芯片将光波信号进行相位调控后发送给室内的不同用户。
更进一步地，在本发明实施例中，每个所述超表面微纳芯片与所述分束器之间均对应设有一准直器。准直器由尾纤与透镜精确定位而成，可以将光纤内的传输光转变成准直光，即平行光，或将外界平行或近似平行的光耦合至单模光纤内。
在本发明实施例中，通过在超表面微纳芯片与分束器之间对应设有一准直器，可以使得进入到超表面微纳芯片上的光波为平行光，从而使得超表面微纳芯片对光波进行相位调控更加可控，最后调控后的偏转角度更为可控，以便准确发送给室内的不同用户，效果更好。
参见图2和图3所示，所述超表面微纳芯片包括介质衬底21和若干超表面微纳共振单元22。若干超表面微纳共振单元22设于所述介质衬底21上，且所有所述超表面微纳共振单元22按照预设的位相梯度进行设计。
具体地，在本发明实施例中，所述超表面微纳共振单元22为纳米砖结构，在实际使用中，也可以根据需要，选择其他形状的超表面微纳共振单元22。
优选地，采用经典的G-S优化算法来设计超表面微纳共振单元22的位相分布，从而设计出所有超表面微纳共振单元22的排列分布，即每个纳米砖的排列分布。
参见图3所示，更为优选地，在本发明实施例中，所有所述超表面微纳共振单元22周期性阵列分布。在x方向和y方向上，纳米砖的排列按照周期性排列，周期的大小取决于相邻的纳米转之间的无耦合或者耦合较小。
在本发明实施例中，超表面微纳芯片2的功能相当于空间光分束器，将入射的激光信号分为与超表面微纳共振单元22数量相同的若干个光束，且划分后的光束强度相同，所有的超表面微纳共振单元22呈M*N阵列排布，其中，M为超表面微纳共振单元22的行数，N为超表面微纳共振单元22的列数，在实际使用中，可均匀排布，也可任意排布。
在本发明实施例中，至少部分所述超表面微纳共振单元22的尺寸不同，可以通过改变超表面微纳共振单元22的尺寸和转向，对入射光波进行相位的调控。通常改变相位的方式有三种，分别为几何相位、传输相位、几何相位与传输相位结合的方式。
本发明实施例还提供了一种基于超表面微纳芯片的光无线通信方法，包括步骤：
激光器发射光波信号；
调制器接收所述激光器发射的光波信号，并将数据信号调制到该光波信号上；
光放大器接收所述调制器调制后的光波信号，并将该调制后的光波信号进行放大处理；
光纤接收所述光放大器放大后的光波信号，并传输该光波信号；
超表面微纳芯片接收所述光纤发出的光波信号，并将光波信号按照预设的相位梯度进行投射后发送给不同的用户终端。
更进一步地，所述超表面微纳芯片接收所述光纤发出的光波信号之前还包括步骤：准直器对所述光纤发出的光波信号进行准直处理，并将处理后的光波信号发送给所述超表面微纳芯片。
作为一种较好的实施方式，本发明实施例中，激光器为外腔半导体激光器，调制器为马赫曾德调制器，光放大器为掺铒光纤放大器，采用外腔半导体激光器激射1550nm波长的光波，然后将携带有数据的信号通过马赫曾德调制器加在在光信号上，随后用掺铒光纤放大器将光信号放大，放大后的光信号在单模光纤中传输若干公里之后进入室内光纤链路。
在本发明实施例中，基于超表面微纳芯片的光无线通信方法的工作过程为：激光器、调制器和光放大器设于室外，超表面微纳芯片设于室内，通过光纤将光波信号从室外发送至室内，并通过超表面微纳芯片按照预设的相位梯度进行透射后，调整光波的相位之后发送给不同的用户终端，可以实现大角度范围对光场进行调控，从而在发送给不同用户时，能够极大的增强光视场角度和传输容量。
本发明不局限于上述实施方式，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围之内。本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

Claims (4)

1.一种基于超表面微纳芯片的光无线通信系统，其特征在于，包括：
光纤，其用于传输光波信号；
至少一超表面微纳芯片，其用于接收所述光纤发出的光波信号，并按照预设的相位分布将接收到的光波信号分为若干路光波信号后传递给不同的用户终端；
还包括：
激光器，其用于发射光波信号；
调制器，其用于接收所述激光器发射的光波信号，并将数据信号调制到该光波信号上；
光放大器，其用于接收所述调制器调制后的光波信号，并将该调制后的光波信号进行放大处理，且将放大后的光波信号传输给所述光纤；
还包括一与所述超表面微纳芯片数量配对的分束器，所述分束器设于所述光纤和超表面微纳芯片之间；
每个所述超表面微纳芯片与所述分束器之间均对应设有一准直器；
所述超表面微纳芯片包括：
介质衬底(21)；
若干超表面微纳共振单元(22)，其设于所述介质衬底(21)上，且所有所述超表面微纳共振单元(22)按照预设的位相分布进行设计；
所有所述超表面微纳共振单元(22)周期性阵列分布；
至少部分所述超表面微纳共振单元(22)的尺寸不同，通过改变所述超表面微纳共振单元(22)的尺寸和转向，对接收到的光波进行相位的调控。
2.如权利要求1所述的基于超表面微纳芯片的光无线通信系统，其特征在于：所述超表面微纳共振单元(22)为纳米砖结构。
3.如权利要求1所述的基于超表面微纳芯片的光无线通信系统，其特征在于：所述超表面微纳共振单元(22)采用GS算法来设计位相分布。
4.一种基于权利要求1所述的基于超表面微纳芯片的光无线通信系统的方法，其特征在于，包括步骤：
激光器发射光波信号；
调制器接收所述激光器发射的光波信号，并将数据信号调制到该光波信号上；
光放大器接收所述调制器调制后的光波信号，并将该调制后的光波信号进行放大处理；
光纤接收所述光放大器放大后的光波信号，并传输该光波信号；
超表面微纳芯片接收所述光纤发出的光波信号，并将接收到的光波信号分为若干路光波信号后传递给不同的用户终端；
所述超表面微纳芯片接收所述光纤发出的光波信号之前还包括步骤：准直器对所述光纤发出的光波信号进行准直处理，并将处理后的光波信号发送给所述超表面微纳芯片。
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