CN111934761B - 基于少模并行混频的抗大气湍流高速相干激光通信装置 - Google Patents

基于少模并行混频的抗大气湍流高速相干激光通信装置 Download PDF

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Abstract

基于少模并行混频的抗大气湍流高速相干激光通信装置，涉及自由激光通信技术领域，为了解决现有空间激光传输系统探测灵敏度低、传输速率低和耦合效率低的问题，本发明首先利用少模光纤接收经大气湍流后的信号光，经少模掺铒光纤放大器放大后的信号光与含有多个模式的本振光在空间光混频器中进行并行混频；然后将混频后的四路信号利用光子灯笼、平衡探测器完成了对多个模式的分级解复用和模式多级的相干接收，最后经过模/数转换器转换成数字信号后再经数字信号处理器进行处理；本发明提高了激光通信系统的抗大气湍流的能力，提升了激光通信传输系统的传输容量以及传输速率，在卫星之间、卫星地面间激光通信等领域具有广泛的应用前景。

Description

基于少模并行混频的抗大气湍流高速相干激光通信装置
技术领域
本发明涉及自由激光通信技术领域，具体涉及一种基于少模并行混频的抗大气湍流高速相干激光通信装置。
背景技术
自由空间激光通信是指以激光作为载体，在大气或真空中传递数据信息的光通信技术。相比于传统的无线通信，空间光通信技术具有光束窄，方向性好，能较好的解决卫星间电磁波干扰和保密问题，以及信息容量大，速率高，功耗低，天线尺寸小，重量轻等优点。卫星光通信包括深空卫星之间、同步轨道卫星(GEO)之间、中轨道卫星(MEO)之间、低轨道卫星(LEO)之间、以及卫星与地面站之间的激光通信。空间光通信技术具有非常广阔的应用前景。
现有的空间激光通信系统，多采用单模自由空间光90°混频器，而单模自由空间光90°混频器只有单一的空间信道接收单一模式光信号，传输容量较低。随着空间自由度的增加，单模自由空间光90°混频器的数量不断增加，所占空间增大，使接收器变得更复杂，系统成本和损耗也会增加，另外单模光纤只能传输单一模式，系统通信速率较低。
文献(Turbulence-Resistant Free-Space Optical Communication Using Few-Mode Preamplified Receivers,Bin Huang,christian Carboni,Huiyuan Liu,etal.2017European Conference on Optical Communication(ECOC).)提出利用前置放大器的抗湍流自由空间光通信系统。该系统包括激光器、准直器、相位片、空间滤波器、少模掺铒光纤放大器和多模光电探测器。该系统与单模前置放大接收器相比，光功率提升6dB。不过该系统是非相干的OOK调制，相比于相干调制的探测灵敏度低，无法适应超高速空间自由光通信的要求。
发明内容
本发明为了解决现有空间激光传输系统探测灵敏度低、传输速率低和耦合效率低的问题，提出了一种基于少模并行混频的抗大气湍流高速相干激光通信装置。
本发明的技术方案是：
基于少模并行混频的抗大气湍流高速相干激光通信装置，其特征是，信号源与驱动器通过电缆连接，驱动器与QPSK调制器通过电缆连接，1550nm窄线宽激光器一与QPSK调制器通过单模光纤连接；QPSK调制器用单模光纤与光放大器一连接，光放大器一与空间放置的准直器一连接；经准直器一在大气信道传输后与准直器二连接，光经准直器二后会聚进入少模光纤与980nm泵浦源一共同连接到少模波分复用器一，光从少模波分复用器一后经过少模掺铒光纤进入少模波分复用器二，980nm泵浦源二和少模波分复用器二，在少模光纤上加少模偏振控制器一通过准直器三进入自由空间光90°混频器的S端口；1550nm窄线宽激光器二用单模光纤与光放大器二连接，光放大器二与光纤耦合器连接，光纤耦合器分别与偏振控制器一、偏振控制器二和偏振控制器三连接，偏振控制器一出射的光依次入射到准直器四和棱镜一；偏振控制器二出射的光依次经过准直器五、相位片一、棱镜二和棱镜一；偏振控制器三出射的光依次经过准直器六、相位片二、棱镜三和棱镜一；最后光从棱镜一出射进入自由空间光90°混频器的Lo端口；光经自由空间光90°混频器的Ⅰ端口出射到空间放置的准直器七，经准直器七耦合进光子灯笼一；Ⅱ端口出射到空间放置的准直器八，经准直器八耦合进光子灯笼二；Ⅲ端口出射到空间放置的准直器九，经准直器九耦合进光子灯笼三；Ⅳ端口出射到空间放置的准直器十，经准直器十耦合进光子灯笼四，光子灯笼一和光子灯笼二的第一路连接平衡探测器一、第二路连接平衡探测器三、第三路连接平衡探测器五，光子灯笼三和光子灯笼四的第一路连接平衡探测器二、第二路连接平衡探测器四、第三路连接平衡探测器六，平衡探测器一和平衡探测器二通过电缆与模/数转换器一连接、平衡探测器三和平衡探测器四通过电缆与模/数转换器二连接、平衡探测器五和平衡探测器六通过电缆与模/数转换器三连接，模/数转换器一、模/数转换器二和模/数转换器三通过电缆与数字信号处理器连接。
本发明的有益效果是：首先本发明空间光混频器可实现多个模式的并行混频，实现轻小型化。其次完成了模式的分级解复用和模式多级的相干接收，提高探测灵敏度。最后利用少模光纤接收经空间信道传输后的信号，可有效抑制大气湍流对空间光接收的影响，提高耦合效率，实现较大传输容量和高速通信速率。
本发明提高了激光通信传输系统的抗大气湍流的能力，提升了激光通信传输系统的传输容量以及传输速率，在卫星之间、卫星地面间激光通信等领域具有广泛的应用前景。
附图说明
图1为本发明基于少模并行混频的抗大气湍流高速相干激光通信装置示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作详细说明。
如图1所示，本发明基于少模并行混频的抗大气湍流高速相干激光通信装置，该装置包括信号源1、驱动器2、1550nm窄线宽激光器一3、QPSK调制器4、光放大器一5、准直器一6、准直器二7、980nm泵浦源一8、少模波分复用器一9、少模掺铒光纤10、少模波分复用器二11、980nm泵浦源二12、少模偏振控制器一13、准直器三14、自由空间光90°混频器15、1550nm窄线宽激光器二16、光放大器二17、光纤耦合器18、偏振控制器一19、准直器四20、棱镜一21、偏振控制器二22、准直器五23、相位片一24、棱镜二25、偏振控制器三26、准直器六27、相位片二28、棱镜三29、准直器七30、光子灯笼一31、准直器八32、光子灯笼二33、准直器九34、光子灯笼三35、准直器十36、光子灯笼四37、平衡探测器一38、平衡探测器二39、平衡探测器三40、平衡探测器四41、平衡探测器五42、平衡探测器六43、模/数转换器一44、模/数转换器二45、模/数转换器三46和数字信号处理器47。
信号源1与驱动器2通过电缆连接；驱动器2与QPSK调制器4通过电缆连接，1550nm窄线宽激光器一3与QPSK调制器4通过单模光纤连接；QPSK调制器4用单模光纤与光放大器一5连接，光放大器一5与空间放置的准直器一6连接；经准直器一6在大气信道传输后与准直器二7连接，光经准直器二7后会聚进入少模光纤与980nm泵浦源一8共同连接到少模波分复用器一9，光从少模波分复用器一9后经过少模掺铒光纤10进入少模波分复用器二11，980nm泵浦源二12和少模波分复用器二11，在少模光纤上加少模偏振控制器一13通过准直器三14进入自由空间光90°混频器15的S端口；1550nm窄线宽激光器二16用单模光纤与光放大器二17连接，光放大器二17与光纤耦合器18连接，光纤耦合器18分别与偏振控制器一19、偏振控制器二22和偏振控制器三26连接，偏振控制器一19出射的光依次入射到准直器四20和棱镜一21；偏振控制器二22出射的光依次经过准直器五23、相位片一24、棱镜二25和棱镜一21；偏振控制器三26出射的光依次经过准直器六27、相位片二28、棱镜三29和棱镜一21；最后光从棱镜一21出射进入自由空间光90°混频器15的Lo端口。光经自由空间光90°混频器15的Ⅰ端口出射到空间放置的准直器七30，经准直器七30耦合进光子灯笼一31；Ⅱ端口出射到空间放置的准直器八32，经准直器八32耦合进光子灯笼二33；Ⅲ端口出射到空间放置的准直器九34，经准直器九34耦合进光子灯笼三35；Ⅳ端口出射到空间放置的准直器十36，经准直器十36耦合进光子灯笼四37，光子灯笼一31和光子灯笼二33的第一路连接平衡探测器一38、第二路连接平衡探测器三40、第三路连接平衡探测器五42，光子灯笼三35和光子灯笼四37的第一路连接平衡探测器二39、第二路连接平衡探测器四41、第三路连接平衡探测器六43，平衡探测器一38和平衡探测器二39通过电缆与模/数转换器一44连接、平衡探测器三40和平衡探测器四41通过电缆与模/数转换器二45连接、平衡探测器五42和平衡探测器六43通过电缆与模/数转换器三46连接，模/数转换器一44、模/数转换器二45和模/数转换器三46通过电缆与数字信号处理器47连接。
所述少模波分复用器一9、少模波分复用器二11，是支持少量模式的波分复用器，可将980nm少模泵浦光和耦合进少模光纤的1550nm信号光合成一束，并在少模光纤中传输。
所述少模掺铒光纤10，是作为增益介质并支持LP01、LP11和LP21三个模式。
所述自由空间光90°混频器15，其由空间块状元件组成，利用偏振分光棱镜将输入的信号光与本振光的P光和S光进行分离，用波片产生相位延迟，从而使输出的4路信号光具有90°相位差。
所述相位片一24，将LP01转换模式为LP11，所述相位片二28，将LP01转换模式为LP21。
所述的光子灯笼，采用品牌为Phoenix Photonics，型号为PLS，波长范围1450-1620nm，插入损耗<2dB，模式相关损耗<2dB，偏振相关损耗<0.5dB。
本发明的工作过程如下：
信号源1产生信号并通过驱动器2和QPSK调制器4加载到1550nm窄线宽激光器一3产生的1550nm的信号光上，经光放大器一5放大，进入准直器一6对信号光进行扩束准直后在大气信道中传输，信号光经准直器二7耦合进入少模光纤后与泵浦源一8共同连接到少模波分复用器一9，少模光纤和泵浦源二12共同连接到少模波分复用器二11，对少模掺铒光纤进行双侧泵浦使信号光放大，然后经过少模偏振控制器一13控制少模光纤中信号光的偏振态，经过准直器三14后耦合进自由空间光90°混频器15的S端口；1550nm窄线宽激光器二16产生1550nm的本振光，经光放大器二17放大，进入1×3的光纤耦合器18后分成三条光纤分别传输，第一条光纤经过偏振控制器一19控制光纤中本振光的偏振态，经过准直器四20对本振光进行扩束准直，再进入棱镜一21；第二条光纤经过偏振控制器二22控制光纤中本振光的偏振态，经过准直器五23进行本振光的扩束准直，通过相位片一24改变本振光传输的模式，再进入棱镜二25和棱镜一21，与第一条光束汇聚在一起；第三条光纤经过偏振控制器三26控制光纤中本振光的偏振态，经过准直器六27对本振光进行扩束准直，通过相位片二28改变本振光传输的模式，再进入棱镜三29、棱镜二25和棱镜一21与前两条光束汇聚在一起后耦合进自由空间光90°混频器15的Lo端口。经自由空间光90°混频器15后在Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ和Ⅳ四个端口输出，在Ⅰ端口，经准直器七30对输出光束进行扩束准直，经1×3的光子灯笼一31进行模式解复用，在Ⅱ端口，经准直器八32对输出光束进行扩束准直，经1×3的光子灯笼二33进行模式解复用，在Ⅲ端口，经准直器九34对输出光束进行扩束准直，经1×3的光子灯笼三35进行模式解复用，在Ⅳ端口，经准直器十36对输出光束进行扩束准直，经1×3的光子灯笼四37进行模式解复用，光子灯笼一31和光子灯笼二33的第一路连接平衡探测器一38、第二路连接平衡探测器三40、第三路连接平衡探测器五42进行光信号转换成电信号；光子灯笼三35和光子灯笼四37的第一路连接平衡探测器二39、第二路连接平衡探测器四41、第三路连接平衡探测器六43进行光信号转换成电信号；平衡探测器一38和平衡探测器二39经过模/数转换器一44进行模拟信号转换成数字信号，平衡探测器三40和平衡探测器四41经过模/数转换器二45进行模拟信号转换成数字信号，平衡探测器五42和平衡探测器六43经过模/数转换器三46进行模拟信号转换成数字信号，再一起与数字信号处理器47连接，将信号以数字方式表示并处理。

Claims (3)

1.基于少模并行混频的抗大气湍流高速相干激光通信装置，其特征是，信号源(1)与驱动器(2)通过电缆连接，驱动器(2)与QPSK调制器(4)通过电缆连接，1550nm窄线宽激光器一(3)与QPSK调制器(4)通过单模光纤连接；QPSK调制器(4)用单模光纤与光放大器一(5)连接，光放大器一(5)与空间放置的准直器一(6)连接；经准直器一(6)在大气信道传输后与准直器二(7)连接，光经准直器二(7)后会聚进入少模光纤与980nm泵浦源一(8)共同连接到少模波分复用器一(9)，光从少模波分复用器一(9)后经过少模掺铒光纤(10)进入少模波分复用器二(11)，980nm泵浦源二(12)和少模波分复用器二(11)，在少模光纤上加少模偏振控制器一(13)通过准直器三(14)进入自由空间光90°混频器(15)的S端口；1550nm窄线宽激光器二(16)用单模光纤与光放大器二(17)连接，光放大器二(17)与光纤耦合器(18)连接，光纤耦合器(18)分别与偏振控制器一(19)、偏振控制器二(22)和偏振控制器三(26)连接，偏振控制器一(19)出射的光依次入射到准直器四(20)和棱镜一(21)；偏振控制器二(22)出射的光依次经过准直器五(23)、相位片一(24)、棱镜二(25)和棱镜一(21)；偏振控制器三(26)出射的光依次经过准直器六(27)、相位片二(28)、棱镜三(29)和棱镜一(21)；最后光从棱镜一(21)出射进入自由空间光90°混频器(15)的Lo端口；光经自由空间光90°混频器(15)的Ⅰ端口出射到空间放置的准直器七(30)，经准直器七(30)耦合进光子灯笼一(31)；Ⅱ端口出射到空间放置的准直器八(32)，经准直器八(32)耦合进光子灯笼二(33)；Ⅲ端口出射到空间放置的准直器九(34)，经准直器九(34)耦合进光子灯笼三(35)；Ⅳ端口出射到空间放置的准直器十(36)，经准直器十(36)耦合进光子灯笼四(37)，光子灯笼一(31)和光子灯笼二(33)的第一路连接平衡探测器一(38)、第二路连接平衡探测器三(40)、第三路连接平衡探测器五(42)，光子灯笼三(35)和光子灯笼四(37)的第一路连接平衡探测器二(39)、第二路连接平衡探测器四(41)、第三路连接平衡探测器六(43)，平衡探测器一(38)和平衡探测器二(39)通过电缆与模/数转换器一(44)连接、平衡探测器三(40)和平衡探测器四(41)通过电缆与模/数转换器二(45)连接、平衡探测器五(42)和平衡探测器六(43)通过电缆与模/数转换器三(46)连接，模/数转换器一(44)、模/数转换器二(45)和模/ 数转换器三(46)通过电缆与数字信号处理器(47)连接；
所述自由空间光90°混频器(15)，其利用偏振分光棱镜将输入的信号光与本振光的P光和S光进行分离，用波片产生相位延迟，从而使输出的四路信号光具有90°相位差；
所述相位片一(24)将LP01转换模式为LP11；所述相位片二(28)将LP01转换模式为LP21。
2.根据权利要求1所述的基于少模并行混频的抗大气湍流高速相干激光通信装置，其特征在于，所述少模掺铒光纤(10)作为增益介质，支持LP01、LP11和LP21三个模式。
3.根据权利要求1所述的基于少模并行混频的抗大气湍流高速相干激光通信装置，其特征在于，所述的光子灯笼，采用品牌为Phoenix Photonics，型号为PLS，波长范围1450-1620nm，插入损耗<2dB，模式相关损耗<2dB，偏振相关损耗<0.5dB。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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Zhenxing He;Peng Zhang.1.7μm Band Modulated Optical Signal Transmission through Water Fog using Pump Modulated Tm-Doped Fiber Laser.《2019 Asia Communications and Photonics Conference (ACP)》.2020, *

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