CN111328444B

CN111328444B - 一种应用非常微弱的光脉冲接收传输信息的接收器和方法

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Publication number: CN111328444B
Application number: CN201880070989.XA
Authority: CN
Inventors: K·巴纳斯泽克; M·亚胡拉
Original assignee: Uniwersytet Warszawski
Current assignee: Uniwersytet Warszawski
Priority date: 2017-10-30
Filing date: 2018-10-27
Publication date: 2021-09-21
Anticipated expiration: 2038-10-27
Also published as: EP3734862B1; PL238571B1; CN111328444A; EP3734862A1; EP3692657A1; WO2019087029A1; US11139897B2; US20210091859A1; PL423300A1

Abstract

本发明的目的是一种应用非常微弱的光脉冲接收传输信息的接收器和方法，接收器包括输入端、光学元件和检测器（SPD），其中所述接收器包括至少一个模块（T），所述模块（T）包括至少一个偏振分离元件、对每个分离的偏振具有不同光程长度的元件、以及至少一个旋转偏振的板（HWP、QWP），其中光信号的一部分沿着较短的光程长度，并且光信号的一部分沿着较长的光程长度，其中所述偏振分离元件为偏振分束器（PBS）立方体，以及所述对每个分离的偏振具有不同光程长度的元件设置在两个偏振分束器（PBS）立方体之间，且所述模块（T）包括至少一个偏振调制器（PoIM）。

Description

一种应用非常微弱的光脉冲接收传输信息的接收器和方法

本发明的目的是一种应用非常微弱的光脉冲接收所传输信息的接收器。本发明还涉及由至少两个模块组成的用于远距离传输信息的系统。本发明被发现可用于广泛理解的卫星通信、远程通信、光学和包括深空在内的远距离弱电磁脉冲的传输。

背景技术

在现有技术中，脉冲位置调制（PPM）是卫星通信中已知且最常用的信号调制技术之一。由于单个PPM码元的帧内光功率分布不均匀，因此该技术需要安装在发射器中的激光器具有很高的瞬时功率。卫星发射器的标准结构是通过电光调幅器对连续工作的激光器中的光脉冲进行裁切，利用随后的脉冲放大来实现PPM调制，例如铒光学放大器（D.O.Caplan，“激光通信发射器和接收器设计”，《光学与光纤通信研究杂志》，2007年，4月刊，第225-362页）。在这种方案中，传输速度可以达到每秒几兆比特，主要受使用的振幅调制器的速度限制。由于几瓦特的瞬时功率很低，这种方案只能在相对较短的距离上传输信息，如地球低轨道、地球静止轨道或地球-月球轨道（M.Toyoshima等人，《NICT空间激光通信技术研发现状及未来计划》，2015年 IEEE ICSOS，新奥尔良，洛杉矶，第1-5页（2015年10月））。

为了在长距离实现与深空通信的PPM协议，需要以千瓦为单位的瞬时光功率（10³W）。目前采用的解决方法是通过调制激光器谐振腔的质量因子（Q开关）来实现的（H.Hemmati，深空光通信，第五章：飞行收发信器，威利数据库，2005年10月）。不幸的是，腔调制频率被限制到几百千赫（kHz），这显著地降低了可获得的传输速度。此外，在这种方案中，将电功率转换为光功率的效率很低，在效率最高的系统中转换效率为10-15%。发射器部分上的高瞬时功率还与散热问题以及光纤元件损坏的风险相关联。

一个期望的解决方案是利用结构光接收器来降低安装在发射器中的激光器的瞬时功率。在这个方案中，光能被分割为若干个脉冲，这些脉冲随后在进行测量的接收器中被合并。当接收到的信号功率变得很低时，就会出现所谓的超加和性现象，即几个脉冲的联合测量比所有脉冲分别测量提供更多的信息。

美国专利文献US20120177385A中描述了一个结构化接收器的典型例子，其中提出了一个具有n个输入端口和n个输出端口的线性光学系统，可将具有特定相位关系的光脉序列冲转换为空间PPM格式。与目前的方案不同的是，该系统要求每个形成序列的光脉冲进入一个不同的输入端口。类似地，每个PPM输出码元都出现在其中一个“n”输出端口上，而不像目前的方案一样出现在同一个输出端口上。如果所有脉冲都以直射方式传播，则该文献中提供的方案还需要对进入和离开设备的单个脉冲进行主动重定向。

还已知美国专利文献US14981175A，其中信息的传输是通过连续工作的激光器的相位调制来实现的，随后根据本章开头描述的结构加以放大。与现有方案不同的是，在该专利文献中，信号的每个调制片段都被单独地记录，并且没有随后的相位调制信号到PPM格式的转换。

在现有技术中，存在许多已知的使用无线电或微波频带进行卫星通信的系统的例子（例如US3710255A，US13116403A）。这个频段的电磁波（0.5GHz-20GHz）目前既用在地球轨道通信中，又用在由航天器或火星探测器实现的任务中。对探索空间设备收集的数据传输速度日益增长的需求导致人们对光通信越来越感兴趣，光通信被认为是卫星通信的未来（D.Powell，《激光促进空间通信》，《自然》，2013年，499，266–267页）。引起这种兴趣的主要原因是光通信提供了相当宽的传输频带，根据香农-哈特利定理（E.Desurvivre，《经典与量子信息论》，剑桥大学出版社，2009年），它允许将数据传输速度提高几个数量级。

现有技术中使用激光通信连接太空中的卫星，并且在太空到地球之间使用无线电通信（Z.Sodnik和M.Sans，Proc. 2012年空间光学系统及应用国际会议（ICSOS），13-2，阿雅克修，科西嘉岛，法国，2012年10月9日至12日）。为了提高从太空到地球的激光链路的稳定性，有一种已知的方法，可以利用自适应光学元件或多模接收器来补偿由于大气湍流等大气条件而造成的信号失真。

现有技术中有文献提出，采用具有适当折射系数的透镜系统或电介质块的校正子系统，以提高光束进入接收器的接收角度（J.Jin，S.Agne，Jean-Philippe Bourgoin，Y.Zhang，N.Lütkenhaus，T.Jennewein，《物理评论》，A97，043847（2018年））。即使输入光束经历例如由大气湍流引起的波前失真，增大的接收角也使得接收器可以进行有效的操作。

现有技术中的问题

远距离卫星光通信的主要问题是有效地产生瞬时功率很高的PPM格式调制信号。强PPM脉冲不能通过连续工作激光器的幅度调制来有效地生成，而现有的脉冲激光器具有光电转换效率低的特点。

问题的解决方案

本发明涉及利用已调制的连续工作激光器产生的脉冲的偏振相序列，在接收器中将其转换成标准的脉冲位置调制格式，进行信息传输的技术。由于光干扰在接收器中的多个阶段发生，脉冲序列携带的能量被集中在一个脉冲中。这使得在远距离传输光学信息时，可以提高瞬时光功率与平均光功率的比值，同时由于应用了连续工作的激光器，保持了电能向光能转换时的高效率。

发明内容

本发明的目的是一种应用非常微弱的光脉冲接收信息的接收器，包括输入端、光学元件和检测器（SPD），

其中所述接收器包括至少一个模块（T），所述模块（T）包括至少一个偏振分离元件、对每个分离的偏振具有不同光程长度的元件、以及至少一个旋转偏振的板（HWP、QWP），

其中光信号的一部分沿着较短的光程长度，并且光信号的一部分沿着较长的光程长度，

其中所述偏振分离元件为偏振分束器（PBS）立方体，以及

所述对每个分离的偏振具有不同光程长度的元件设置在两个偏振分束器（PBS）立方体之间，且所述模块（T）包括至少一个偏振调制器（PoIM）。

优选地，所述旋转偏振的板可以是半波板（HWP）或四分之一波板（QWP）。

优选地，所述接收器用于模拟信号（PPM）的数字调制。

优选地，所述接收器用于记录远距离的弱光信号。

优选地，在所述接收器系统的输出处设置单光子检测器（SPD），用于检测所述光脉冲。

优选地，所述光信号的波长在600-1700nm的范围内，优选地在700-900或1100-1600nm的范围内，最优选地在1500-1600nm的范围内。

优选地，所述接收器中的模块（T）包括至少一个校正子系统，增加所述接收器的接收角度，优选地，校正子系统为具有适当折射系数的电介质块或4f透镜系统。

本发明的另一目的是一种应用非常微弱的光脉冲传输信息的方法，

其中在接收器中，将具有至少两个不同偏振的光脉冲分离成具有不同偏振的至少两个光信号；

随后，对具有分离偏振之一的信号相对于具有其它偏振的光信号进行迟延，接着利用干涉对信号进行合并和放大；

其中，

随后将信号记录在检测器（SPD）中，以及

其中在从脉冲序列中分离出具有至少两个不同偏振的至少一个光脉冲之前，应用偏振调制器（PoIM）对所述光脉冲的偏振进行旋转+90^o或-90^o，而无论输入序列如何。

优选地，在将具有至少两个不同偏振的光脉冲分离成至少两个光信号后，接着旋转所述光信号的偏振。

优选地，合并具有至少两个不同偏振的分离信号，并且随后旋转所述分离信号的偏振。

优选地，应用接收器，所述接收器能够将根据哈达玛码字调制的光脉冲序列映射为PPM格式。

本公开的内容还包含一种用于应用非常微弱的光脉冲接收信息的接收器，包括输入端、光学元件和检测器，其中所述接收器包括至少一个模块，所述模块包括至少一个偏振分离元件、对每个分离的偏振具有不同光程长度的元件、以及至少一个旋转所述偏振的板。

在一方面，所述对每个分离的偏振具有不同光程长度的元件设置在两个偏振分束器（PBS）立方体之间，光信号的一部分跟随较短的光程长度，并且光信号的一部分跟随较长的光程长度。

在一方面，所述模块包括至少一个偏振调制器（PoIM）。

在一方面，所述旋转偏振板可以是半波板（HWP）或四分之一波板（QWP）。

在一方面，所述接收器用于模拟信号（PPM）的数字调制。

在一方面，所述接收器用于记录远距离的弱光信号。

在一方面，在所述接收器系统的输出处设置单光子检测器，用于检测所述光脉冲。

在一方面，所述光信号的波长在600-1700nm的范围内，优选地在700-900或1100-1600nm的范围内，最优选地在1500-1600nm的范围内。

在一方面，所述接收器中的模块包括至少一个校正子系统，增加所述接收器的接收角度，优选地，校正子系统为具有适当折射系数的电介质块或4f透镜系统。

本公开内容还涉及一种应用非常微弱的光脉冲传输信息的系统，包括发射器和接收器，其中所述接收器包括至少一个模块，所述模块包括至少一个偏振分离元件、对每个分离的偏振具有不同光程长度的元件以及旋转所述偏振的半波板（HWP）。

本公开内容的另一部分是一种应用非常微弱的光脉冲传输信息的方法，其中在接收器中，将具有至少两个不同偏振的光脉冲分离成具有不同偏振的至少两个光信号；随后，对具有分离偏振之一的信号相对于具有其它偏振的光信号进行迟延，接着利用干涉对信号进行合并和放大，再随后将信号记录在检测器中。

在一方面，在将具有至少两个不同偏振的光脉冲分成至少两个光信号时，旋转所述光信号的偏振。

在一方面，合并具有至少两个不同偏振的所述分离信号，并且随后旋转所述分离信号的偏振。

在一方面，在从脉冲序列中分离出具有至少两个不同偏振的至少一个光脉冲之前，应用偏振调制器对所述光脉冲的偏振进行旋转+90^o或-90^o，而无论输入序列如何。

在一方面，应用接收器，所述接收器能够将根据哈达玛码字调制的光脉冲序列映射为PPM格式。

本发明的优点

本发明能够在应用激光辐射的光通信接收设备中有效地增加瞬时功率与平均功率的比率，从而维持发射器中将电能转换成光能的高效率。

本发明可能应用的领域

本发明适用于远距离传输微弱信号，例如在空间部门、卫星通信系统（用于将数据从卫星传输到地面接收器）、远程通信以及光学或其他主题相关领域。

本发明和本公开内容的优选实施例

现在将参照附图在优选实施例中更加详细的呈现本发明和本公开内容，其中：

图1是应用非常微弱的光脉冲接收传输的信息的示例性接收器的示例性布置。

图2示出了通过线性光学系统实现的将具有适当选择的偏振和相位的光脉冲序列转换成单个光脉冲，该线性光学系统包括偏振分束器（PBS）、将偏振角旋转45°的半波板（HWP）、光延迟线等组成。

图3示出了一种利用具有适当选择的相位和偏振的光脉冲的序列发送时长，对通信中的信息进行编码的方法。

图4示出了一种有源光接收器，该有源光接收器用于将由相位为±1的BPSK符号组成的长度为2^m的哈达玛码字转换成2^m量级的PPM格式。

图5示出了在通过有源接收器的后续模块时，单个哈达玛码字的示例性转换。

图6示出了一种为延迟“T”配置的有源接收器的单个模块。PoIM，偏振调制器；PBS，偏振分束器立方体；HWP，半波板。该键说明了T=2𝞽时的哈达玛序列的示例性转换。

图7示出了无源传输系统中增加接收器接收角度的另一种示例性实施方式。

图8示出了有源传输系统中增加接收器接收角度的另一种示例性实施方式。

在本说明书中，所用术语具有以下含义。本申请文件中未定义的术语具有本领域技术人员根据拥有的最佳的知识、目前的公开情况以及专利申请说明书的上下文所理解的含义。

术语“BPSK”指PSK调制（相移键控）的最简单形式，其中相可以是具有彼此相差180°的两个值中的一个，代表逻辑上的“0”或“1”（二进制相移键控）。

术语“保护时间”指的是保护时间，该保护时间等于脉冲序列的总持续时间，通过脉冲序列分离信号中的每个帧。保护时间用于发射器和检测器的时间同步，因此保护时间是脉冲位置调制中不可缺少的标准元件。如需比较和更好的理解，见图3。

术语“接收角度”是指接收器的光轴与可以进行信号检测的光输入信号光束之间的最大角度。

术语“QWP”是指四分之一波长的板，光一旦通过该板就会改变偏振。沿着等于该板厚度的路径，偏振方向与快轴一致的光超过偏振方向与慢轴方向一致的光四分之一波长。

术语“HWP”是指旋转偏振45°的半波板。

术语“PBS”是指偏振分束器。

术语“PPM”是指一种模拟信号的数字调制（脉冲位置调制）。通过将脉冲相对于基准位置移动，脉冲位置调制与模拟信号的瞬时值成比例。

术语“能见度”是指描述光信号干扰的干扰能见度。干涉能见度定义为（I _max -I _min）/（I _max +I _min），其中I _max为光干扰后（即明条纹中）最大信号强度值，Imin为光干扰后（即暗条纹中）最小信号强度值。当光束完全相干时，干涉能见度为1，而当光束完全非相干时，干涉能见度为0。

本发明和本公开内容的实施例

以下实施例仅为说明本发明和本公开内容及解释它们的个别方面，而不是为了限制它们，实施例不应与界定的附属权利要求的整个范围相关联。

在本公开内容的一个示例性实施例中，信号的光功率被分成脉冲序列，这些脉冲序列通过相长干涉在接收器侧使用适当设计的结构化接收器编绘成单个脉冲。多个脉冲到单个脉冲的转换发生在如图2所示的系统中。

图2所示的系统中的每个“T”模块中，水平地偏振的脉冲相对于垂直地偏振的脉冲有时延，水平地偏振的脉冲与垂直地偏振的脉冲相互叠加。在离开该模块时，受干涉的光形成一个新的序列，该序列的脉冲数目为一半，偏振角度为±45°。之后，新的脉冲序列的偏振角度使用半波板旋转45°，这样，当进入随后的模块时，脉冲将在水平和垂直方向上再次偏振。在使用适当数量的模块时，由光脉冲序列携带的全部能量都积累在一个脉冲中，而这个脉冲由于功率很大，很容易被记录下来，例如通过雪崩光电二极管。如图3所示，用于将发送的信息进行编码的脉冲位置调制是通过将整个脉冲序列进行时移来实现的。为了避免脉冲序列在时间上的重叠，每个信号帧被一个等于脉冲序列总持续时间的保护时间分隔开来。该保护时间用于发射器和检测器的时间同步，因此该保护时间是脉冲位置调制中不可缺少的标准元件。

实施例1

无源信息传输系统

本公开内容的第一个实施例能够降低发射器部分的光学瞬时功率与平均功率的比值，并且涉及在PPM脉冲的所有可能位置上产生在时间上延伸的脉冲的相位-偏振序列。通过适当地选择每个脉冲的相位和偏振，可以使用仅由无源元件组成的光学系统将该序列转换成PPM格式的单个脉冲编码信息。

图2中示出了一种对2^m（对应m=4）脉冲序列进行转换的系统。脉冲的转换发生在以串联的方式连接的模块中（标记为灰色方块），用时延“T”表示。一接收器由具有2^m-1𝞽,::2𝞽:1𝞽递减时延的“m”个模块组成，其中𝞽代表单个PPM窗口的持续时间。在进入模块时，水平偏振相对于垂直偏振被延迟，因此光脉冲序列被缩短两倍。通过彼此的相干干涉，脉冲以对角线或反对角线的方式离开偏振延迟线，然后其通过半波板被旋转成水平偏振和垂直偏振。通过单个模块后，脉冲序列被缩短了两倍，而每个脉冲的功率被提高了两倍。通过“m”个模块后，整个序列的能量集中在一个脉冲中，到达的时间由传输整个序列的时间决定。单个脉冲的到达时间可以用标准的单光子探测器来测量，例如雪崩光电二极管。如图3所示，PPM格式的信息编码通过在适当的时间内发送脉冲序列来进行。为了避免在时间上重叠连续的脉冲序列，这些脉冲序列必须被一个长度等于或大于序列持续时间的保护时间分割开来。

要理解无源接收器系统如何能够将脉冲序列转换成单个脉冲，最简单的方法是以相反的方式（从右侧到左侧）分析系统的运行。当一个高功率的光脉冲从右侧进入系统时，光脉冲在每个模块中分离成具有特定相位和偏振的脉冲序列。到目前为止，该系统的这一工作模式已经被用来通过单光子探测器进行光子数分辨率的模拟测量（D.Achilles等人，《光子数分辨率的光纤辅助探测》，《光学快报》，2003年，28，2387-2389）。

脉冲的偏振-相位序列可以利用连续工作激光器的45^o偏振光束和分别调制水平偏振和垂直偏振的两相调制器来产生。为了保持适当的保护时间，光束必须在连续序列之间被阻断，例如通过振幅调制器（例如EOSpace AX-1x2-0MVS-40-PFA-PFA）阻断，从而使发射器有效利用50%的可用光功率。

与标准的光传输协议类似，在该系统中，如果发射器对应于系统输出端单个脉冲的正交偏振同时产生两个脉冲序列，则可以使信息传输速度提高一倍。

在信号传输时，应当用左旋和右旋的圆偏振（如通过四分之一波板）来代替水平偏振、垂直偏振，由此不管发射器和接收器的彼此角度方向如何都能通信。

图2给出了两种不同的延迟线。延迟线中的第一个在类似马赫-曾德干涉仪的系统中，第二个在带有两个四分之一波板（QWP）的迈克尔逊干涉仪的系统中。系统输出的光功率集中在携带有以PPM格式编码的信息的单个脉冲中，以便有效地检测信号。图2示出了一种无源系统的可扩张结构，该结构能够对长度为2^m（m=4）的由多个脉冲组成的单个序列进行转换。每个“m”延迟模块由偏振延迟线和半波板组成，由定义有延迟“T”的正方形块标记。

图3示出了一种利用适当选择相位和偏振的光脉冲的序列发送时长对通信中的信息进行编码的方法。图2中所示的转换器将该序列转换为单个脉冲，其到达时间取决于发送类似于标准脉冲位置调制序列的时间。信号帧之间的死区时间（也称为保护时间）确保两个连续脉冲序列不会在时间上重叠。在该方案中，峰值功率与平均功率之比提高了八倍。

实施例1A

一种包括校正子系统的用于传输信息的无源系统的可选实施例，该校正子系统增加接收器接受信号的角度。

图7示出了用于传输信息的无源系统的替代实施例，它由三点（a-c）组成。

图7点（a）示出了一种通过线性光学系统将具有适当选择的偏振和相位的光脉序列冲转换成单个光脉冲的总体方案。脉冲的转换发生在以时间延迟描述的连接模块（标记为灰色矩形）中。每个模块将脉冲序列缩短一半，同时使每个输出脉冲的光能量增加两倍。

图7点（b）中，用于脉冲时间转换的单个模块“T”额外地设有校正子系统，增加了输入信号的接收角度。这张图示出了本公开内容的一个新实施例，其由一个偏振分束器（PBS）立方体组成，脉冲序列进入立方体中，立方体将脉冲按照不同的偏振分离。随后，使用两个独立的四分之一波板（QWP）将不同偏振的脉冲重新组合，其中在QWP后面放置有反射镜。PBS立方体与一面反射镜之间的距离大于PBS立方体与第二面反射镜之间的距离。不同的光路使两个分离的光脉冲序列同时返回同一偏振分束器（PBS）立方体。两个分离的脉冲序列在PBS立方体中重新连接，在立方体中，由于相长干涉，单个脉冲加强并且脉冲序列的数量减少了一半。

如前一个实施例（实施例1）所示，在一PBS立方体中分离的彼此延迟的偏振，将返回到相同的偏振分束器（PBS）立方体中，而不是返回到第二个。由于四分之一波板（QWP）的设置，重组的光信号通过第二个PBS端口离开，可以进行进一步处理。在其中一臂上安装了校正子系统，使接收器能够承受进入接收器的信号波阵面的失真，失真可能是大气湍流导致的。

图7点（c）示出了校正子系统的示例性实施例，该校正子系统可以是具有适当选择的折射系数的电介质块或线性光学系统。它还示出了一种示例性的线性光学系统，由两个焦距相同的透镜组成，透镜彼此相距两个焦距，通常称为4f系统。

校正子系统本身不是一个原创元件。关于现有技术的讨论中引用了两篇论文对此进行了描述。在这些报告中，分离偏振的主题并没有出现。代替PBS的是，使用了普通光分离板（Z.Sodnik和M.Sans，Proc.2012年国际空间光学系统与应用会议（ICSOS），13-2，阿雅克修，科西嘉岛，法国，2012年10月9日至12日，以及J.Jin，S.Agne，Jean-Philippe Bourgoin，Y.Zhang，N.Lütkenhaus，T.Jennewein，《物理评论》，A97，043847（2018年））。

实施例2

一种用于传输哈达玛序列信息的有源系统

论文（S.Guha，《达到超加性容量的结构化光学接收器》，《物理评论快报》，2011年，106，240502-1–240502-4）提出使用由BPSK信号组成的码字，相位为“0”或“π”，标记符号为“+”（加）或“-”（减）。用于通信的码字是具有指定顺序的哈达玛矩阵的后续行。哈达玛矩阵是一种正交对称矩阵，它的阶数是二的自然幂。哈达玛矩阵中的元素只有数字“1”或“-1”。如表1中m=3所示，对于数量级为2^mx2^m的哈达玛矩阵，矩阵的每一行可能明确地与比特序列b_m-1b_m-2...b₁b₀关联，比特长度为“m”。单个比特的值定义了矩阵行的各个部分之间的关系层级。哈达玛码字中所选元素的符号可以通过将其上的所有因子1，-1相乘来确定。哈达玛码字随后被用来对光脉冲序列进行相位调制。

图4中示出了一种有源接收器系统，该系统能够将根据哈达玛码字调制的光脉序列映射成PPM格式。在接收器内部，序列的单个脉冲以这样一种方式相长地干涉，即在接收器的输出端，整个光能量集中在单个脉冲中。输出脉冲在时间上的位置取决于哈达玛码字，其中脉冲序列根据哈达玛码字被调制。图5示出了在接收器的各个阶段的不同脉冲序列到输出PPM格式的转换。

有源系统由串联的模块组成，其布局如图6所示。每个模块的第一个元件是一个偏振调制器，无论输入顺序如何，该偏振调制器在图4所示的每个模块前面将所选脉冲的偏振按箭头的方向旋转90^o或-90^o。随后，对于每个模块，水平偏振的脉冲相对于垂直偏振的脉冲具有延迟时间为“T”的特性。与无源接收器类似，光脉冲序列被缩短了两倍，而彼此的相干干涉使脉冲离开偏振延迟线时，呈对角线或反对角线偏振。随后，利用半波板HWP将对角线偏振转换为线性偏振。在每个模块的末端有第二个偏振延迟线，为水平偏振引入一个“T”的延迟。

对于长度为2^m的哈达玛码字，接收器由“m”个模块组成，其时间延迟递减为2^m-1&# 120765;,::2𝞽:1𝞽，其中𝞽代表单个PPM窗口的持续时间。由于上述原因，将脉冲序列转换为PPM格式所需的模块数与序列的长度成对数比例。集中整个光能的输出脉冲出现在时间上编号为

的位置，该位置使用对应于二进制比特序列b_m- ₁b_m-2...b₁b₀的十进制表示。这个位置可以用一个标准的单光子探测器来测量。如果无法在任何预期位置记录脉冲，这种测量将被拒绝，原因是这种测量类似于基于PPM调制的标准通信模式不具有决定性。

表1示出了将比特序列b_m-1b_m-2...b₁b₀转换为长度为2^m的哈达玛码字的模式，其中m=3，该码字由BPSK±1字符组成。哈达玛码字中的各个字符是由表中的置于其上的所有因子±1的乘积决定的。

表1

图4示出了一种主动光接收器，光接收器将由相位为±1的BPSK符号组成的长度为2^m的阿达马码字转换为2^m阶的PPM格式。图4中示出的实施例对应于m=3的值。结构化接收器的可拓展结构由引入了2^m-1𝞽...2𝞽,𝞽,时间间隔的有源模块组成，其中𝞽代表时间间隔。弧形箭头表示由各个模块中的偏振调制器实现的、信号的各个片段的偏振旋转方向。

实施例2A

一种包含校正子系统的用于传输信息的有源系统的可选实施例，其增加接收器对信号的接收角度。

图8为有源信息传输系统的一个可选实施例，它包括三点（a-c）。

图8点（a）示出了一种利用适当选择的偏振和相位将光脉冲序列通过有源线性光学系统转换为单个光脉冲的总体方案。脉冲的转换发生在用时延描述的连接模块（标记为灰色矩形）中。每个模块将脉冲序列缩短一半，同时使每个输出脉冲的光能量增加两倍。

图8（b）示出了一种用于对脉冲进行有源的瞬时转换的单个模块“T”，该模块附加了两个增加输入信号接收角度的校正子系统。这张图示出了本发明的新实施例，该实施例由两个偏振分束器（PBS）立方体组成，而非四个立方体（实施例2）。第一偏振分束器（PBS）立方体，脉冲序列经电光偏振调制器（PolM）调制后进入立方体，分离出具有正交偏振的脉冲。随后，使用两个独立的四分之一波板（QWP）将具有正交偏振的脉冲重新组合，并在其后面放置反射镜。第一PBS立方体与一个反射镜之间的距离大于第一PBS立方体与第二反射镜之间的距离。不同的光路导致两个分离的光脉冲序列同时返回到第一偏振分束器（PBS）立方体。两个分离的脉冲序列在第一PBS立方体中重新连接，其中在立方体中，由于相长干涉，各个脉冲加强并且脉冲序列的数量减少了一半。在通过半波板（HWP）时，将脉冲的偏振旋转45°，脉冲被定向到第二PBS立方体，在该立方体后面设置两面与立方体距离不同的反射镜。设置第二PBS立方体、一对四分之一波板和一对反射镜的目标是引入一个与偏振相关的时延。在第一PBS立方体和其中一个反射镜之间，以及第二PBS立方体和其中一个反射镜之间，均设置了一校正子系统，增加了输入信号的接收角度。

图8点（c）示出了校正子系统的示例性实施例，该校正子系统可以是具有适当选择的折射系数的电介质块或线性光学系统。它还提出了一个示例性的线性光学系统，由两个焦距相同的透镜彼此相隔两个焦距的距离组成，通常称为4f系统。

实施例3

系统无源和有源设计的优缺点

在远距离光通信中，对发射器的瞬时功率与平均功率的高比值的要求可以用本文描述的接收器来实现。在本发明所述的光通信系统中，发射器发送根据相位和偏振度调制的相干光脉冲序列。另一方面，接收器将接收到的脉冲合并，适当地对其进行干涉，以便将该序列携带的全部光能量集中到单个脉冲中。根据标准的PPM调制模式，在输出脉冲的位置对信息进行编码。本专利文献中描述的发射器、发送脉冲的系统与接收器的构造不同（是发明的客体），该构造不可避免地要涉及到本发明所要解决的许多技术问题，其实现相对容易。

接收器的系统（包括无源系统和有源系统）对测量到的光信号的空间或时间失真具有鲁棒性，这种失真可能出现在脉冲传输期间。在自由-空间量子加密的研究上提高接收器对这类失真的承受度方面取得了重大进展（Jin，S.Agne，Jean-Philippe Bourgoin，Y.Zhang，N.Lütkenhaus，T.Jennewein，《兼容多模光学通道的高效时间-纠缠量子比特分析仪》，《物理评论》 A97，043847 （2018）oraz arXiv:1509.07490，2015）。

光通信技术所面临的另一个挑战是，如何稳定偏振延迟线，使其精确到波长的几分之一，从而保证脉冲的干涉（相长或相消）能够及时在个别位置保持高度可视。干涉的高可见性还要求组成偏振相序列的所有脉冲相互相干。这意味着信号在传播过程中的所有失真必须在时间尺度上比单个序列的持续时间慢得多。

由于激活/关闭电光调制器所需的时间，个别时间位置边缘的干涉可见性也有可能受到损害。解决这一问题的一个可能办法是在发射机中使用高重复频率的脉冲激光器，使脉冲的能量精确地集中在调制器处于稳定状态中适当时间位置的中间位置。

在所示出的光通信系统中，最好是使用大约1550nm的通信波长范围内的光。然而，也可以使用波长在700-900或1100-1600nm的范围内的激光。对这些光谱范围，现有可用的非常快的偏振调制器（10-50GHz的波段），以及有很长相干时间的高效二极管激光器。使用的光的确切波长可能与夫琅和费谱线之一相对应，这将使接收机的背景电平大大降低。在选定的光波长范围内，其为，即759.4nm、849.8nm、854.2nm、866.2nm、1268.1nm、1328.4nm、1414.2nm、1477.7nm、1496.1nm、1508.4nm的线。还需要使用与水粒子的光谱吸收线保持足够距离的波长。在优选的光波长范围内，其为718nm、810nm、1130nm、1380nm的线。

高端激光二极管和调制器仅由几家占据电信设备市场主导地位的生产商（住友-日本、英菲涅拉-美国、菲尼萨尔-美国、阿尔卡特-法国）在全球范围内提供。菲尼萨尔（Finisar）公司（美国）是激光二极管的示例性生产商，其产品可以用于构建发射器，该二极管的示例性型号为FinisarS7500。构建接收器所需的具有非常低半波电压的偏振调制器可以从电光空间（EoSpace）公司（美国）购买。调制器的一个示例为（EoSpace PM-DV5-40-PFU-PFU-LV-UL）型。

半波板和偏振分束器立方体是可由许多制造商生产的常规光学元件，用于构建接收器。提供这种元件的示例性生产商包括纽波特（NewPort）公司（美国），板05RP02-40，立方体05BC16PC.11。一种价格更低、质量好的解决方案涉及托尔实验室（Thorlabs）公司（美国）的产品，板WPH05M-1550，立方体PBS25-1550。最便宜的选择是中国公司，如福克斯泰克光子技术（Foctek）公司，根据需求生产光学元件。但在此种情况下，应注意交货商品的各项指标与生产厂家申报的指标可能不一致。

一种示例性电光子检测器（PSD）是雪崩光电二极管，该雪崩光电二极管能够以高时间分辨率检测接收器系统输出端的光脉冲。光电二极管可以采用量子ID（Id Quantique）公司（瑞士）的ID230型或者微光子设备（Micro Photon Devices）公司（意大利）的$PD-050-CTB-FC型。

Claims

1.一种应用非常微弱的光脉冲接收信息的接收器，包括输入端、光学元件和检测器(SPD)，

其中所述接收器包括至少一个模块(T)，所述模块(T)包括至少一个偏振分离元件、对每个分离的偏振具有不同光程长度的元件、以及至少一个旋转偏振的板(HWP、QWP)，

其特征在于，所述偏振分离元件为偏振分束器(PBS)立方体，以及

所述对每个分离的偏振具有不同光程长度的元件设置在两个偏振分束器(PBS)立方体之间，

且所述模块(T)包括至少一个偏振调制器(PolM),

其中所述接收器用于模拟信号(PPM)的数字调制，以及

其中所述接收器用于记录远距离的弱光信号。

2.根据权利要求1所述的接收器，其特征在于，所述旋转偏振的板可以是半波板(HWP)或四分之一波板(QWP)。

3.根据上述权利要求中任一项所述的接收器，其特征在于，在所述接收器系统的输出处设置单光子检测器(SPD)，用于检测所述光脉冲。

4.根据权利要求1或2所述的接收器，其特征在于，所述光信号的波长在600-1700nm的范围内。

5.根据权利要求1或2所述的接收器，其特征在于，所述光信号的波长在700-900或1100-1600nm的范围内。

6.根据权利要求1或2所述的接收器，其特征在于，所述光信号的波长在1500-1600nm的范围内。

7.根据权利要求1或2所述的接收器，其特征在于，所述接收器中的模块(T)包括至少一个校正子系统，增加所述接收器的接收角度；所述校正子系统为具有适当折射系数的电介质块或4f透镜系统。

8.一种应用非常微弱的光脉冲传输信息的方法，

其特征在于，

随后将信号记录在检测器(SPD)中，

其中在从脉冲序列中分离出具有至少两个不同偏振的至少一个光脉冲之前，应用偏振调制器(PolM)对所述光脉冲的偏振进行旋转+90°或-90°，而无论输入序列如何，以及

其中应用接收器，所述接收器能够将根据哈达玛码字调制的光脉冲序列映射为PPM格式。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，在将具有至少两个不同偏振的光脉冲分离成至少两个光信号后，接着旋转所述光信号的偏振。

10.根据权利要求8或9所述的方法，其特征在于，合并具有至少两个不同偏振的分离信号，并且随后旋转所述分离信号的偏振。