CN112242870B - 一种基于光纤环形器的双工激光通信系统及使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于光纤环形器的双工激光通信系统及使用方法，该激光通信系统由主望远镜、粗跟踪模块、信标光激光器、跟踪反射镜、信标光与通信光分色片、精跟踪模块、激光准直模块、光纤环形器、通信光激光器和探测器组成。粗跟踪模块负责调整望远镜系统的方位，精跟踪模块控制跟踪反射镜实现跟踪，保证双端激光通信系统对准，实现双向双工的激光通信功能。该激光通信系统基于光纤环形器单向传输特点，在同一根光纤进行光的发射和接收双向传输，实现激光收发的双向通信的功能，同时保证光通信中发射和接收同轴条件，达到远距离高精度的通信。该系统适用于收发端方位相对固定的光通信领域，如地面固定点的双工激光通信。

Description

一种基于光纤环形器的双工激光通信系统及使用方法

技术领域

本发明涉及实现激光通信的系统，具体涉及一种基于光纤环形器的双工激光通信系统。它适用于激光通信系统领域，特别适用于收发端方位相对固定的相干激光通信领域，如地面固定点的双工相干激光通信。

背景技术

光用来通信的作用由来已久，古时便有我国军事上使用烽火台传递信息。到了现代，由于光学理念的发展，陆续出现了光纤和激光器等器件。使得光通信的应用和成效前所未有的发展壮大。其中激光通信是一种利用激光传输信息的通信方式。基于激光的高亮度、方向性强、单色性好、相干性强等特征，按传输媒质的不同分为大气激光通信和光纤通信。大气激光通信是利用大气作为传输媒介的激光通信。激光通信应用在量子通信领域，利用光子的偏振态代替经典二进制码(bit)承载编码不同的信息，结合量子纠缠效应能够实现量子密钥的分发，达到量子保密通信的目的，如我国之前成功研制发射的墨子号量子通信卫星。所以，激光通信领域宽广，需要研究人员不断研发改进，得到的研究成果也有很宽广的应用领域。

为了保证远距离光通信的实现，试验对激光的发射和接收光轴同轴度要求逐渐提高。为了实现激光的收发同轴，本发明使用了光纤环形器。光纤环形器能够实现激光的固定方向的环向传输，通常使用三端口的环形器。基于晶体的双折射效应和铁氧体旋磁材料磁致旋光的特性,它能够实现单向传输的效果。由于接收激光和发射激光都经过光纤环形器，所以利用其单向传输的特性能够实现激光的收发同轴。环形器它具有体积小、频带宽、插损小等特点，因而应用十分广泛，可用于光纤光栅的DWDM模块及色散补偿模块，单纤双向传输系统，光时域反射计，光放大器，光纤传感和光纤测试系统，通道均衡器，波长阻塞器，及波长选择开关等等光通信子系统。

本发明提出了一种基于光纤环形器的双工激光通信系统及使用方法，该发明基于光纤环形器单向传输原理，利用它能够在同一根光纤进行光的发射和接收双向传输的特性，实现光通信中要求光的发射和接收同轴条件，达到远距离高精度的通信。该激光通信系统在实际的光通信试验中，可以满足激光高精度收发同轴度的要求。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于光纤环形器的双工激光通信系统及使用方法，主要为了满足在实际的光通信试验中激光高精度收发同轴度的要求。

本发明的方法如附图1所示，它包括主望远镜1、粗跟踪模块2、信标光激光器3、跟踪反射镜4、信标光与通信光分色片5、精跟踪模块6、激光准直模块7、光纤环形器8、通信光激光器9和探测器10组成。

其特征在于：所述的信标光激光器3发射激光覆盖对方通信终端，对方通信终端捕获并跟踪我方信标光，发射信标光和通信光覆盖我方激光通信终端，所述的粗跟踪模块2根据接收到的信标光来控制调整主望远镜1的方位，对方的信标光及通信光经过跟踪反射镜4、信标光与通信光分色片5后进入后光路，信标光进入精跟踪模块6、通信光进入激光准直模块7，精跟踪模块6再通过信标光的光斑位置控制跟踪反射镜4，将通信光激光器9经过光纤环形器8、激光准直模块7准直的激光准确的发射至对方，通信终端双方利用激光准直模块7及光纤环形器8互相接收对方的通信光，被探测器10接收，实现双向的激光通信功能。

该方法基于光纤环形器单向传输原理，利用它能够在同一根光纤进行光的发射和接收双向传播的特性，实现光通信中要求的光的发射和接收同轴条件，达到远距离高精度的通信。所述的主望远镜1为扩束系统，用于实现通信光接收光束光斑压缩及通信光发射光束发散角压缩的功能；所述的信标光激光器3的波长需要被对方通信终端跟踪模块的探测波长范围覆盖；所述的粗跟踪模块2、精跟踪模块6的探测波长范围需要覆盖对方信标光激光器的波长；所述的跟踪反射镜4可以进行光束的方向调节；所述的通信光激光器9的波长需要与激光准直模块7、光纤环形器8和对方探测器的波长范围相适应；所述的探测器10的波长范围需要覆盖对方的通信光波长；所述的光纤环形器8有三个接口，具备单向传输的特性。只存在8-1端单向传输到8-2端，8-2端单向传输到8-3端。

本发明提供一种基于光纤环形器的双工激光通信系统及使用方法，具体实施步骤如下：

1)选择可互相观测通信的A、B两地点，确保链路上没有挡光物体。在A、B两地各自放置一套本发明所述的激光通信系统，包括主望远镜1、粗跟踪模块2、信标光激光器3、跟踪反射镜4、信标光与通信光分色片5、精跟踪模块6、激光准直模块7、光纤环形器8、通信光激光器9和探测器10

2)任选一点，如A点。开启信标光激光器3，信标光指向B点。B点利用粗跟踪模块2和精跟踪模块6通过信标光的光斑位置变化来调整望远镜系统的空间位置和跟踪反射镜4完成对A点的跟踪。开启B点的信标光激光器3，并调整A点的跟踪反射镜4使得跟踪点光斑出现在精跟踪模块6视场内，此时完成了A、B两点的光路对准。

3)开启A、B两点的通信光激光器9，B点发射的通信光会被A点的主望远镜1收集，经过跟踪反射镜4、信标光与通信光分色片5、激光准直模块7和光纤环形器8后，被探测器10接收。同时A点发射的通信光经过同样的光路被B接收到。由于发射和接收的通信光经过同一个光纤环形器8，通信光实现收发同轴。A、B两点也达到了收发同轴的状态，可以进行相关的通信光测试。

本发明方法所使用的光纤环形器具体原理如下:

环形器是将进入其任一端口的入射波，按照由静偏磁场确定的方向顺序传入下一个端口的多端口器件。其有单向传输特性，它表明器件从8-1到8-2，从8-2到8-3是导通的，反过来信号从8-2到8-1，从8-3到8-2和从8-1到8-3是隔离的。

环形器单向传输的原理，是利用了晶体的双折射效应和磁致旋光效应。如附图2，一束激光从8-1端口入射，首先经过第一个双折射晶体，将入射光分解成偏振方向互相垂直的两束线偏光，即o光和e光。再经过第一个磁光晶体，由于磁致旋光效应，两束线偏光的偏振态都变为o光。之后经过第二个双折射晶体，由于两束线偏光都是o光，因此不发生偏振态和光的折射。而后经过第二个磁光晶体，两束线偏光的偏振态重新变为o光和e光，之后经过第三个双折射晶体后，两束线偏光合束，从8-2端口出射。而从8-2端口入射的激光，先经过第三个双折射晶体分开成o光和e光，再经过第二个磁光晶体，此时两束偏振光的偏振态变成e光，而后经过第二个双折射晶体时，两束偏振光的偏振态虽然不发生变化，但由于e光在双折射晶体的传播会发生折射，导致了两束光的空间位置发生了偏移，此时两束光的空间位置与光从端口8-1到端口8-2的空间位置在垂直于晶体光轴的方向上有了平移量。而后经过第一个磁光晶体后，两束偏振光又变成了一束o光和e光，再经过第一个双折射晶体后合束，从端口8-3出射。本发明使用的为双折射晶体型的双磁晶体光学环行器。

本发明提供一种基于光纤环形器的双工激光通信系统及使用方法，该发明的优点在于：1、利用光纤环形器的单向传输特性，在同一根光纤实现通信光的接收和发射，具有高精度的收发同轴度；2、信标光可以实现相同信号光波长之间的激光通信互通，收发双端可以完全一样，不需要进行窄波段的空间分光来实现激光通信的实时双工功能。

附图说明

图1为用于一种基于光纤环形器的双工激光通信系统。

图2为光纤环形器结构示意图。

具体实施方式

以下结合附图1对本发明的实施实例进行详细的描述。

本发明中所采用的主要器件描述如下：

1)主望远镜1：商业用的天文望远镜，放大倍数为10倍；

2)信标光激光器3与通信光激光器9：信标光激光器3采用长春新产业公司的产品，型号为MRL-671，其主要性能参数：激光波长为671±1nm，连续光输出，出光能量50mw，能量稳定性<5％,激光发散角<1.2mrad，光束出光口径约1.5mm。通信光激光器9采用自研的产品，其主要性能参数：波长1550nm，连续光，能量稳定性<5％,激光发散角<1mrad；

3)粗跟踪模块2和精跟踪模块6：跟踪模块由跟踪相机及处理电路组成，处理电路控制跟踪反射镜4的反射角度变化，从而保证发射端和接收端光轴对准；

4)跟踪反射镜4：跟踪镜购买NEWPORT公司的两轴音圈电机，型号为FSM-320Fast；其主要性能参数：工作波段为650-1700nm时，平均反射率大于96％，角度分辨率RMS值≤1μrad,角度变化范围：±1.5°；

5)信标光与通信光分色片5：分色片反射1550nm信号光、透射671nm信标光，1550nm反射效率优于98％，671nm透射效率优于97％；

6)激光准直模块7：非球面透镜采用Thorlabs公司的产品，型号为AL50100。口径为30mm，焦距为100mm；

7)光纤环形器8：采用Thorlabs公司的产品，型号为6015-3-APC。波长范围：1525-1610nm，具有三个端口；

8)探测器10：采用Thorlabs公司的产品，型号为S122C，其主要性能参数：工作波段700-1800nm；功率测试范围为50nw-40mw；探头为Ge探测器；本发明方法的主光路示意图如附图1所示，具体情况描述如下：

1、选择可互相观测通信的A、B两地点，确保链路上没有挡光物体。在A、B两地各自放置一套本发明所述的激光通信系统，包括主望远镜1、粗跟踪模块2、信标光激光器3、跟踪反射镜4、信标光与通信光分色片5、精跟踪模块6、激光准直模块7、光纤环形器8、通信光激光器9和探测器10。

2、在A点开启信标光激光器3，信标光发射671nm的激光覆盖B点。B点利用粗跟踪模块2和精跟踪模块6通过信标光的光斑位置变化来调整望远镜系统的空间位置和跟踪反射镜4，使得粗精跟踪相机视场内都能完全看到信标光的光斑。此时B完成对A点的跟踪。开启B点的信标光激光器3后，671nm的信标光覆盖A。调整A点的跟踪反射镜4使得跟踪点光斑出现在精跟踪模块6视场内，此时完成了A、B两点的光路对准。

3、开启A、B两点的通信光激光器9，B点发射的1550nm通信光会被A点的主望远镜1收集，经过跟踪反射镜4、信标光与通信光分色片5、激光准直模块7和光纤环形器8后，被探测器10接收到。与此同时A点发射的1550nm通信光经过同样的光路被B接收到。由于发射和接收的通信光经过同一个光纤环形器8，使得通信光实现收发同轴。A和B两点达到了收发同轴的状态，可以进行相关的通信光测试。

Claims (6)

1.一种基于光纤环形器的双工激光通信系统，包括主望远镜(1)、粗跟踪模块(2)、信标光激光器(3)、跟踪反射镜(4)、信标光与通信光分色片(5)、精跟踪模块(6)、激光准直模块(7)、光纤环形器(8)、通信光激光器(9)和探测器(10)，其特征在于：

所述的信标光激光器(3)发射激光覆盖对方通信终端，对方通信终端捕获并跟踪我方信标光，发射信标光和通信光覆盖我方激光通信终端，所述的粗跟踪模块(2)根据接收到的信标光来控制调整主望远镜(1)的方位，对方的信标光及信号光经过跟踪反射镜(4)、信标光与通信光分色片(5)后进入后光路，信标光进入精跟踪模块(6)、信号光进入激光准直模块(7)，精跟踪模块(6)再通过信标光的光斑位置控制跟踪反射镜(4)，将通信光激光器(9)经过光纤环形器(8)、激光准直模块(7)准直的激光准确的发射至对方，通信终端双方利用激光准直模块(7)及与发射激光相同的光纤环形器(8)互相接收对方的信号光，被探测器(10)接收，实现双向的激光通信功能。

2.根据权利要求1所述的一种基于光纤环形器的双工激光通信系统，其特征在于：所述的主望远镜(1)为激光扩束系统，主次镜都为抛物面反射镜，组合系统的面型优于1/10λ。

3.根据权利要求1所述的一种基于光纤环形器的双工激光通信系统，其特征在于：所述的信标光激光器(3)的波长为可见光波段，使用发射连续激光的激光器。

4.根据权利要求1所述的一种基于光纤环形器的双工激光通信系统，其特征在于：所述的跟踪反射镜(4)使用压电反射镜，角度分辨率RMS值≤1μrad。

5.根据权利要求1所述的一种基于光纤环形器的双工激光通信系统，其特征在于：所述的光纤环形器(8)有三个接口，具备单向传输的特性，只存在(8-1)端单向传输到(8-2)端，(8-2)端单向传输到(8-3)端。

6.一种基于权利要求1所述的一种基于光纤环形器的双工激光通信系统的双工激光通信系统的使用方法，其特征包括以下步骤：

1)选择可互相观测通信且距离超过2km的A、B两地点，确保链路上没有挡光物体，在A、B两地各自放置一套本发明所述的激光通信系统，该系统包括主望远镜(1)、粗跟踪模块(2)、信标光激光器(3)、跟踪反射镜(4)、信标光与通信光分色片(5)、精跟踪模块(6)、激光准直模块(7)、光纤环形器(8)、通信光激光器(9)和探测器(10)；

2)任选一点A点，开启信标光激光器(3)，信标光指向B点；B点利用粗跟踪模块(2)和精跟踪模块(6)通过信标光的光斑位置变化来调整望远镜系统的空间位置和跟踪反射镜(4)完成对A点的跟踪，开启B点的信标光激光器(3)，并调整A点的跟踪反射镜(4)使得跟踪点光斑出现在精跟踪模块(6)视场内，此时完成了A、B两点的光路对准；

3)开启A、B的通信光激光器(9)，B点发射的通信光被A点的主望远镜(1)收集，经过跟踪反射镜(4)、信标光与通信光分色片(5)、激光准直模块(7)和光纤环形器(8)后，被探测器(10)接收；同时A点发射的通信光经过同样的光路被B接收，由于发射和接收的通信光经过同一个光纤环形器(8)，通信光实现收发同轴，A、B两点也实现了收发同轴，可以进行相关的通信光测试。

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