CN112564794B - 基于时空锁模少模光纤激光器的空间通信系统 - Google Patents

基于时空锁模少模光纤激光器的空间通信系统 Download PDF

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Abstract

基于时空锁模少模光纤激光器的空间通信系统，属于空间通信技术领域，为了解决现有模分复用系统中，在光源外实现复用的结构及加载信号方式复杂的问题，该系统包括：第一信号源、第一泵浦源、第一透镜、第一相位片、第一棱镜、第二信号源、第二泵浦源、第二透镜、第二相位片、第二棱镜、第三信号源、第三泵浦源、第三透镜、第三相位片、第三棱镜、反射镜、短波通二向色镜、第四透镜、少模掺铒光纤、第一偏振控制器、隔离器、第二偏振控制器、第五透镜、分光棱镜、空间通信信道、第六透镜、光子灯笼、第一探测器、第二探测器、第三探测器和数字信号处理器；经过该装置的多个信号相干性较好，有利于降低湍流等大气方面的影响。

Description

基于时空锁模少模光纤激光器的空间通信系统
技术领域
本发明涉及一种基于少模掺铒光纤时空锁模脉冲激光器的空间通信系统，属于空间通信技术领域。
背景技术
自由空间光通信是一种通过激光在大气信道中实现点对点、点对多点或多点对多点间语音、数据、图像信息的双向通信技术。其结合了微波通信和光纤通信的优点，具有传输容量大、频率宽、保密性好、低误码率、抗电磁干扰、组网方便灵活等优点。自由空间光通信因其独特的性质在很多领域都有着广泛的应用。因此各国在空间激光通信领域进行大量研究，并取得了很大进展。空间光通信技术具有非常广阔的应用前景。
在全国光纤工程师会议中R.Ryf等人在Space-division multiplexing over 10km of three-mode fiber using coherent 6×6 MIMO processing文章中提出一种基于模分复用的通信系统。该通信结构为：
本振光光源为1550nm波段单模光纤激光器，经过QPSK调制方式实现信号调制，再经过光纤延迟，偏振分光棱镜，光衰减器，光放大器等结构实现将6个信号加载到3模光纤传播，再经过模式解复用器将模式解复用，最后示波器接收。
然而，该模分复用通信结构存在以下缺点：1)在激光器谐振腔外实现模分复用，采用较多空间光学元件，所以该装置装配复杂，损耗较大。2)为实现将相同波长的6个独立数据加载到少模光纤支持的6种偏振和空间模式中，需要在模式复用器前加光纤实现延迟并使用光放大器加载噪声，此种方式复杂且不易实现。
发明内容
本发明为了解决现有模分复用系统中，在光源外实现复用的结构及加载信号方式复杂的问题，提出了一种基于时空锁模少模光纤激光器的空间通信系统。
本发明采用的技术方案是：
基于时空锁模少模光纤激光器的空间通信系统，该系统包括：第一信号源、第一泵浦源、第一透镜、第一相位片、第一棱镜、第二信号源、第二泵浦源、第二透镜、第二相位片、第二棱镜、第三信号源、第三泵浦源、第三透镜、第三相位片、第三棱镜、反射镜、短波通二向色镜、第四透镜、少模掺铒光纤、第一偏振控制器、隔离器、第二偏振控制器、第五透镜、分光棱镜、空间通信信道、第六透镜、光子灯笼、第一探测器、第二探测器、第三探测器和数字信号处理器；
第一信号源、第一泵浦源之间通过电缆连接；第二信号源、第二泵浦源之间通过电缆连接；第三信号源、第三泵浦源之间通过电缆连接；第一泵浦源、第一透镜、第一相位片和第一棱镜依次共光轴设置；第二泵浦源、第二透镜、第二相位片和第二棱镜依次共光轴设置；第三泵浦源、第三透镜、第三相位片和第三棱镜依次共光轴设置；第三棱镜、第二棱镜、第一棱镜与反射镜依次共光轴设置；反射镜、短波通二向色镜及第四透镜依次共光轴设置；少模掺铒光纤a端口位于第四透镜的焦点处，b端口通过熔融连接方式与第一偏振控制器c端口连接；第一偏振控制器d端口、隔离器e端口、隔离器f端口、第二偏振控制器g端口依次通过熔融连接方式连接；第二偏振控制器h端口位于第五透镜焦点处；第五透镜、分光棱镜和第六透镜依次共光轴设置；分光棱镜与二向色镜共光轴设置；光子灯笼i端口位于第六透镜焦点处；光子灯笼j端口与第一探测器连接，光子灯笼k端口与第二探测器连接，光子灯笼l端口与第三探测器连接，第一探测器、第二探测器、第三探测器共同与数字信号处理器通过电缆连接。
所述第一泵浦源、第二泵浦源与第三泵浦源为中心波长800nm波段，单模输出光纤激光器。
所述第一相位片转换模式为LP01、第二相位片转换模式为LP11、第三相位片转换模式为LP21。
所述反射镜与短波通二向色镜的旋转角度为45°。
所述短波通二向色镜，800nm波段透射，1550nm波段反射。
所述少模掺铒光纤为增益介质，传输模式数目为三个。
所述第一偏振控制器和第二偏振控制器为三环偏振控制器其所用光纤为少模光纤，对腔内偏振态进行调节。
所述分光棱镜中心波长为1550nm，分光比为50:50。
所述光子灯笼为1×3端口，用于使用少模光纤进行模式分割多路复用。
本发明有益效果：
1)该装置结构使用较少的光学元件，结构较为简单。
2)采用泵浦调制的方式，将单一信号源的信号加载到单一800nm波段泵浦源后经少模掺铒光纤增益为1550nm波段光传递信息的方式，可在激光器谐振腔中实现信号的独立调制并复用。
3)经过该装置的多个信号相干性较好，有利于降低湍流等大气方面的影响。
附图说明
图1：本发明基于时空锁模少模光纤激光器的空间通信系统结构图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作详细说明。
如图1所示，本发明基于时空锁模少模光纤激光器的空间通信系统，其包括：第一信号源1、第一泵浦源2、第一透镜3、第一相位片4、第一棱镜5、第二信号源6、第二泵浦源7、第二透镜8、第二相位片9、第二棱镜10、第三信号源11、第三泵浦源12、第三透镜13、第三相位片14、第三棱镜15、反射镜16、短波通二向色镜17、第四透镜18、少模掺铒光纤19、第一偏振控制器20、隔离器21、第二偏振控制器22、第五透镜23、分光棱镜24、空间通信信道25、第六透镜26、光子灯笼27、第一探测器28、第二探测器29、第三探测器30和数字信号处理器31。
第一信号源1、第一泵浦源2之间通过电缆连接；第二信号源6、第二泵浦源7之间通过电缆连接；第三信号源11、第三泵浦源12之间通过电缆连接；第一泵浦源2、第一透镜3、第一相位片4和第一棱镜5依次共光轴设置；第二泵浦源7、第二透镜8、第二相位片9和第二棱镜10依次共光轴设置；第三泵浦源12、第三透镜13、第三相位片14和第三棱镜15依次共光轴设置；第一棱镜5、第二棱镜10、第三棱镜15与反射镜16依次共光轴设置；反射镜16、短波通二向色镜17及第四透镜18依次共光轴设置，其中反射镜16与短波通二向色镜17的旋转角度为45°。少模掺铒光纤19的a端口位于第四透镜18的焦点处，b端口通过熔融连接方式与第一偏振控制器20的c端口连接；第一偏振控制器20的d端口、隔离器21的e端口、隔离器21的f端口、第二偏振控制器22的g端口依次通过熔融连接方式连接；第二偏振控制器22的h端口位于第五透镜焦点处；第五透镜23、分光棱镜24、第六透镜26共光轴；分光棱镜24与二向色镜17共光轴；光子灯笼27的i端口位于第六透镜26焦点处。光子灯笼27的j端口与第一探测器28连接，光子灯笼27的k端口与第二探测器29连接，光子灯笼27的l端口与第三探测器30连接，第一探测器28、第二探测器29、第三探测器30共同与数字信号处理器31通过电缆连接。
所述第一泵浦源2、第二泵浦源7与第三泵浦源12为中心波长800nm波段，单模输出光纤激光器。将每个泵浦源设置为不同比例，通过计算泵浦和信号模式之间交叠积分的关系，调节模间增益差。
所述第一相位片4转换模式为LP01，第二相位片9转换模式为LP11，第三相位片14转换模式为LP21。
所述短波通二向色镜17为800nm波段透射，1550nm波段反射。
所述少模掺铒光纤19为增益介质，传输模式数目为三个。
所述第一偏振控制器20、第二偏振控制器22为三环偏振控制器其所用光纤为少模光纤，对腔内偏振态进行调节。少模光纤为三模椭圆芯光纤，椭圆芯一条半径a为8.15μm，另一条半径b的范围为4.5μm<b<8.15μm，包层直径为1.25μm，纤芯折射率为1.449，包层折射率为1.444，在此范围内，少模光纤将支持三个模式，LP11a和LP11b模间的有效折射率差值neff为10-4～10-3。据研究表明，椭圆芯的的少模光纤可以打破简并模间的简并；模式间的有效折射率差值大于10-4，可以实现模式之间的低模式串扰。
所述隔离器21为偏振相关型光隔离器，尾纤为三模椭圆芯少模光纤。与第一偏振控制器20、第二偏振控制器22组成非线性偏振旋转结构，实现时空锁模。
所述分光棱镜24中心波长为1550nm，分光比为50:50。
所述光子灯笼27为1×3端口三模式选择光子灯笼，用于使用少模光纤进行模式分割多路复用。在少模端打入不同的模式，沿着锥区传输，激光将进入到与之对应的单模光纤中，实现少模端与单模端的模式对应。
本发明工作过程如下：
第一信号源1发出的初始信号一加载到第一泵浦源2产生光信号一，光信号一经过第一透镜3准直扩束后通过第一相位片4变为LP01模式光，然后LP01模式光经过第一棱镜5的反射面照射在反射镜16上；第二信号源6发出的初始信号二加载到第二泵浦激光器7产生光信号二，光信号二经过第二透镜8准直扩束后通过第二相位片9变为LP11模式光，然后LP11模式光经过第二棱镜10的反射面反射后光经过第一棱镜5的透射面照射在反射镜16上；第三信号源11发出的初始信号三加载到第三泵浦激光器12产生光信号三，光信号三经过第三透镜13准直扩束后通过第三相位片14变为LP21模式光，然后LP21模式光经过第三棱镜15的反射面反射后光经过第一棱镜5和第二棱镜10的透射面照射在反射镜16上。照射在反射镜16上的三束光共同经过短波通二向色镜17后通过第四透镜18耦合进少模掺铒光纤19，少模掺铒光纤19光谱吸收800nm波段部分，而后产生中心波长1550nm波段的光谱，然后进入第一偏振控制器20，经过第一偏振控制器-隔离器-第二偏振控制器结构实现多横模的锁定。通过第二偏振控制器22控制激光谐振腔内的偏振态，通过第二偏振控制器22的光经过第五透镜23进行扩束准直后通过分光棱镜24，部分光反射到短波通二向色镜17后继续回到谐振腔中振荡，另一部分光透射后输出在空间通信信道25传输，然后经过第六透镜26耦合进光子灯笼27的少模光纤端，经过光子灯笼27的解复用后输出三个基模分别经过光子灯笼单模光纤端的三根光纤，三个基模光分别通过第一探测器28、第二探测器29和第三探测器30将光信号转化为电信号后传输到数字信号处理器31进行信号处理。

Claims (10)

1.基于时空锁模少模光纤激光器的空间通信系统，其特征是，该系统包括：第一信号源(1)、第一泵浦源(2)、第一透镜(3)、第一相位片(4)、第一棱镜(5)、第二信号源(6)、第二泵浦源(7)、第二透镜(8)、第二相位片(9)、第二棱镜(10)、第三信号源(11)、第三泵浦源(12)、第三透镜(13)、第三相位片(14)、第三棱镜(15)、反射镜(16)、短波通二向色镜(17)、第四透镜(18)、少模掺铒光纤(19)、第一偏振控制器(20)、隔离器(21)、第二偏振控制器(22)、第五透镜(23)、分光棱镜(24)、空间通信信道(25)、第六透镜(26)、光子灯笼(27)、第一探测器(28)、第二探测器(29)、第三探测器(30)和数字信号处理器(31)；
第一信号源(1)和第一泵浦源(2)之间通过电缆连接；第二信号源(6)、第二泵浦源(7)之间通过电缆连接；第三信号源(11)、第三泵浦源(12)之间通过电缆连接；第一泵浦源(2)、第一透镜(3)、第一相位片(4)和第一棱镜(5)依次共光轴设置；第二泵浦源(7)、第二透镜(8)、第二相位片(9)和第二棱镜(10)依次共光轴设置；第三泵浦源(12)、第三透镜(13)、第三相位片(14)和第三棱镜(15)依次共光轴设置；第三棱镜(15)、第二棱镜(10)、第一棱镜(5)与反射镜(16)依次共光轴设置；反射镜(16)、短波通二向色镜(17)及第四透镜(18)依次共光轴设置；少模掺铒光纤(19)的a端口位于第四透镜(18)的焦点处，b端口通过熔融连接方式与第一偏振控制器(20)的c端口连接；第一偏振控制器(20)的d端口、隔离器(21)的e端口、隔离器(21)的f端口、第二偏振控制器(22)的g端口依次通过熔融连接方式连接；第二偏振控制器(22)的h端口位于第五透镜焦点处；第五透镜(23)、分光棱镜(24)、第六透镜(26)共光轴；分光棱镜(24)与短波通二向色镜(17)共光轴；光子灯笼(27)的i端口位于第六透镜(26)焦点处；光子灯笼(27)的j端口与第一探测器(28)连接，光子灯笼(27)的k端口与第二探测器(29)连接，光子灯笼(27)的l端口与第三探测器(30)连接，第一探测器(28)、第二探测器(29)、第三探测器(30)共同与数字信号处理器(31)通过电缆连接。
2.根据权利要求1所述的基于时空锁模少模光纤激光器的空间通信系统，其特征在于，所述第一泵浦源(2)、第二泵浦源(7)与第三泵浦源(12)为中心波长800nm波段，单模输出光纤激光器。
3.根据权利要求1所述的基于时空锁模少模光纤激光器的空间通信系统，其特征在于，所述第一相位片(4)转换模式为LP01、第二相位片(9)转换模式为LP11、第三相位片(14)转换模式为LP21。
4.根据权利要求1所述的基于时空锁模少模光纤激光器的空间通信系统，其特征在于，所述反射镜(16)与短波通二向色镜(17)的旋转角度为45°。
5.根据权利要求1所述的基于时空锁模少模光纤激光器的空间通信系统，其特征在于，所述短波通二向色镜(17)为800nm波段透射，1550nm波段反射。
6.根据权利要求1所述的基于时空锁模少模光纤激光器的空间通信系统，其特征在于，所述少模掺铒光纤(19)为增益介质，传输模式数目为三个。
7.根据权利要求1所述的基于时空锁模少模光纤激光器的空间通信系统，其特征在于，所述隔离器(21)为偏振相关型光隔离器，尾纤为三模椭圆芯少模光纤；与第一偏振控制器(20)、第二偏振控制器(22)组成非线性偏振旋转结构，实现时空锁模。
8.根据权利要求1所述的基于时空锁模少模光纤激光器的空间通信系统，其特征在于，所述第一偏振控制器(20)、第二偏振控制器(22)为三环偏振控制器其所用光纤为少模光纤，对腔内偏振态进行调节。
9.根据权利要求1所述的基于时空锁模少模光纤激光器的空间通信系统，其特征在于，所述分光棱镜(24)中心波长为1550nm，分光比为50:50。
10.根据权利要求1所述的基于时空锁模少模光纤激光器的空间通信系统，其特征在于，所述光子灯笼(27)为1×3端口，用于使用少模光纤进行模式分割多路复用。
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