CN112821946A - 一种基于自加速光束的短距自由空间光互连系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于自加速光束的短距自由空间光互连系统，包括第一收发端模块、自由空间链路模块和第二收发端模块，第一收发端模块通过自由空间链路模块与第二收发端模块光互连；自由空间链路模块包括第一光准直器、第一相位型空间光调制器、第一透镜、障碍物、第二透镜、第二相位型空间光调制器和第二光准直器；第一相位型空间光调制器与第二相位型空间光调制器分别加载反转互补的自加速光束调制相位模板而对自加速光束进行调制与解调，以完成绕过障碍物的非视距光互连。本发明利用自加速光束的自由空间弯曲传输轨迹，完成三维非视距光互连，并且通过调整加载于相位型空间光调制器上的相位模板，灵活操控自加速光束的传输轨迹来完成重构互连。

Description

一种基于自加速光束的短距自由空间光互连系统
技术领域
本发明属于三维短距全双工光互连领域，尤其是指一种基于自加速光束的短距自由空间光互连系统。
背景技术
近年来，随着5G通信、大数据、云计算、物联网等技术的兴起，爆发增长的数据流量对数据互连系统的容量提出了越来越高的要求。与此同时，传统短距电互连由于其固有物理特性所带来的延迟、信号带宽、电磁干扰、功耗等局限性逐渐显现。
在这种背景下，以光波作为传输载波的短距光互连技术，以其大带宽、低延迟、低功耗、低串扰、高互连密度等优良特性受到了广泛关注，并随之提出了一系列的具体实现方案，主要可分为基于波导结构的光互连方案与自由空间光互连方案，而后者由于可以提供三维灵活互连以及更高的互连并行度受到了研究者们的青睐。然而早期的自由空间光互连架构中受限于激光的高指向性，收发机之间需要极其严格校准以保证视距互连距离，自适应调节手段的缺失极大地限制了自由空间光互连技术的进一步发展。
因此波束成型技术应运而生，其采用空间光调制器、微机电反射镜等辅助器件来完成对光束传输方向的自由操控，该技术的产生既解决了自由空间光互连系统中收发两端的精确对准问题，更为灵活可重构光互连带来了可行性。迄今为止，研究者们已对基于波束成型技术的自适应自由空间光互连展开了广泛的理论研究与实验演示。然而这种波束成型技术由于采用了传统高斯光束作为传输载体，所以高斯光束的传输轨迹为直线型，使得当自由空间链路中出现障碍物遮挡时，光互连会遭到中断，即高斯光束无法完成三维非视距互连。
发明内容
本发明的目的在于针对上述问题，提供了一种基于自加速光束的短距自由空间光互连系统。本系统采用了自加速光束替代了传统高斯光束作为光互连中的传输载波，利用自加速光束具有弯曲自加速轨迹的特性，可以完成三维非视距光互连，并且在收发端采用两块完全相同的相位型空间光调制器对称地完成自加速光束的调制与解调，可实现上下行不同波段相同弯曲轨迹的波分复用全双工光互连，重构灵活。
本发明的目的可采用以下技术方案来达到：
一种基于自加速光束的短距自由空间光互连系统及其控制方法，包括第一收发端模块、自由空间链路模块和第二收发端模块，所述第一收发端模块通过自由空间链路模块与第二收发端模块光互连；所述自由空间链路模块包括第一光准直器、第一相位型空间光调制器、第一透镜、障碍物、第二透镜、第二相位型空间光调制器和第二光准直器，所述第一光准直器与第二光准直器将光纤出射的光束准直为高斯光束进入自由空间链路模块传输以及将高斯光束耦合进光纤进行接收探测；第一相位型空间光调制器与第二相位型空间光调制器分别加载反转互补的自加速光束调制相位模板而对自加速光束进行调制与解调，以完成绕过障碍物的非视距光互连。
作为一种优选的方案，所述第一收发端模块和第二收发端模块设为多个，第一收发端模块和第二收发端模块同时通过平行发射高斯光束分别入射于第一相位型空间光调制器和第二相位型空间光调制器进行相位调制，形成多路并行的光互连。
作为一种优选的方案，当障碍物或第一收发端模块和第二收发端位置发生改变时，通过重新设计加载于第一相位型空间光调制器与第二相位型空间光调制器上的相位调制模板，控制在第一透镜与第二透镜间的自加速光束的轨迹而完成重构光互连。
作为一种优选的方案，所述第一透镜与第二透镜的焦距相同，以组成4f成像系统。
作为一种优选的方案，所述自由空间链路模块为完全对称的4f成像系统，以支持全双工光互连。
作为一种优选的方案，所述第一收发端模块包括第一激光源、第一调制器、第一光探测器、第一光放大器和第一波分耦合器；所述第二收发端模块包括第二激光源、第二调制器、第二光探测器、第二光放大器和第二波分耦合器；所述第一调制器与第二调制器采用的数据调制格式为高阶调制格式；第一波分耦合器与第二波分耦合器对上下行信号进行复用与解复用；所述上下行信号采用不同传输波长。
实施本发明，具有如下有益效果：
1、本发明利用了自加速光束的自由空间弯曲传输轨迹，可完成三维非视距光互连，并且在收发端采用两块完全相同的相位型空间光调制器对称地完成自加速光束的调制与解调，可实现上下行不同波段相同弯曲轨迹的波分复用全双工光互连。通过调整加载于相位型空间光调制器上的相位模板，可以灵活操控自加速光束的传输轨迹来完成重构互连，解决了现有由于采用了传统高斯光束作为传输载体，所以高斯光束的传输轨迹为直线型，使得当自由空间链路中出现障碍物遮挡时，光互连会遭到中断，即高斯光束无法完成三维非视距互连的问题。
2、本发明利用自加速光束的非衍射性及自愈性，可以大大降低光束传输过程中衍射发散带来的额外链路损耗，并且提供优秀的抗干扰性能，解决了现有由于高斯光束在自由空间传输过程中存在衍射效应，给光互连系统带来额外的链路损耗的问题。
3、当障碍物或第一收发端模块和第二收发端位置发生改变时，通过重新设计加载于第一相位型空间光调制器与第二相位型空间光调制器上的相位调制模板，控制在第一透镜与第二透镜间的自加速光束的轨迹而完成重构光互连。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明基于自加速光束的短距自由空间光互连系统的结构示意图；
图2为本发明基于自加速光束的短距自由空间光互连系统的具体实施方式的结构示意图；
图3为本发明基于自加速光束的短距自由空间光互连系统的具体实施方式中两相位型空间光调制器加载的互补相位模板图；
图4为本发明基于自加速光束的短距自由空间光互连系统的具体实施方式中于不同传输距离处捕捉拍摄的艾里光束强度分布图。
图5为本发明基于自加速光束的短距自由空间光互连系统的具体实施方式中灵活可重构三维非视距互连轨迹与传统基于高斯光束的光互连方案二维视距互连轨迹对比图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例
参照图1和图2，本实施例涉及基于自加速光束的短距自由空间光互连系统，包括第一收发端模块1、自由空间链路模块2和第二收发端模块3，所述第一收发端模块1通过自由空间链路模块2与第二收发端模块3光互连；所述自由空间链路模块2包括第一光准直器21、第一相位型空间光调制器22、第一透镜23、障碍物24、第二透镜25、第二相位型空间光调制器26和第二光准直器27，所述第一光准直器21与第二光准直器27将光纤出射的光束准直为高斯光束进入自由空间链路模块2传输以及将高斯光束耦合进光纤进行接收探测；第一相位型空间光调制器22与第二相位型空间光调制器26分别加载反转互补的自加速光束调制相位模板而对自加速光束进行调制与解调，以完成绕过障碍物24的非视距光互连。
相较于现有基于高斯光束的二维视距光互连的技术方案，本系统利用了自加速光束的自由空间弯曲传输轨迹，可完成三维非视距光互连，并且在收发端采用两块完全相同的相位型空间光调制器对称地完成自加速光束的调制与解调，可实现上下行不同波段相同弯曲轨迹的波分复用全双工光互连。通过调整加载于相位型空间光调制器上的相位模板，可以灵活操控自加速光束的传输轨迹来完成重构互连，解决了现有由于采用了传统高斯光束作为传输载体，所以高斯光束的传输轨迹为直线型，使得当自由空间链路中出现障碍物24遮挡时，光互连会遭到中断，即高斯光束无法完成三维非视距互连的问题。
本系统利用自加速光束的非衍射性及自愈性，可以大大降低光束传输过程中衍射发散带来的额外链路损耗，并且提供优秀的抗干扰性能，解决了现有由于高斯光束在自由空间传输过程中存在衍射效应，给光互连系统带来额外的链路损耗的问题。
所述第一收发端模块1和第二收发端模块3设为多个，第一收发端模块1和第二收发端模块3同时通过平行发射高斯光束分别入射于第一相位型空间光调制器22和第二相位型空间光调制器26进行相位调制，形成多路并行的光互连。
当障碍物24或第一收发端模块1和第二收发端位置发生改变时，通过重新设计加载于第一相位型空间光调制器22与第二相位型空间光调制器26上的相位调制模板，控制在第一透镜23与第二透镜25间的自加速光束的轨迹而完成重构光互连。
所述第一透镜23与第二透镜25的焦距相同，以组成4f成像系统。
所述自由空间链路模块2为完全对称的4f成像系统，以支持全双工光互连。
所述第一收发端模块1包括第一激光源11、第一调制器12、第一光探测器13、第一光放大器14和第一波分耦合器15；所述第二收发端模块3包括第二激光源31、第二调制器32、第二光探测器33、第二光放大器34和第二波分耦合器35；所述第一调制器12与第二调制器32采用的数据调制格式为高阶调制格式；第一波分耦合器15与第二波分耦合器35对上下行信号进行复用与解复用；所述上下行信号采用不同传输波长，以避免由器件反射回波带来的串扰。
具体的，以下实施例为下行传输C波段4*100G波分复用信号、上行传输O波段4*100G波分复用信号的全双工光互连，在两收发端中采用两个波分耦合器完成对上下行不同波段信号的复用与解复用。
接下来说明基于自加速光束的全双工光互连实现过程。以下行C波段信号调制传输解调过程为例，首先由偏振控制器调整偏振态后的信号经由准直器准直为高斯光束出射进入自由空间链路。之后出射的高斯光束经过一个线偏振片调整偏振态与相位型空间光调制器调制敏感方向一致。调整好偏振态的高斯光束入射到相位型空间光调制器上加载适当的相位调制后再经由一个透镜进行傅里叶变换即可生成自加速光束。在此实施例中，自加速光束选用为最经典的二维艾里光束，因此在相位型空间光调制器上需要加载适当的三次相位调制，具体可以表示为：
PSLM1＝exp[i(1/3kx 3+nxkx 2+lxkx)]×exp[i(1/3ky 3+nyky 2+lyky)]
附图3(a)中给出了本实施例中此处加载的相位调制模板图。加载了三次相位的高斯光束经过透镜进行傅里叶变换转换为二维艾里光束，之后二维艾里光束会沿预设好的抛物线轨迹在两块透镜之间传输。附图4(a1)-(a3)中给出了本实施例中下行C波段二维艾里光束在不同传输距离处的光场强度分布图，可见在如附图4(a2)所示链路中心位置处的二维艾里光束的光场在横向尺度上产生了一定横向偏移，因此可以进行一定程度的非视距互连。之后二维艾里光束继续传输经由另一个透镜进行第二次傅里叶变换，在4f系统后焦面处转化为附带了额外三次相位的高斯光束。于是在第二块相位型空间光调制器上加载反转互补的相位模板即可将三次相位补偿转化为标准高斯光束，之后经由另一个准直器进行耦合接收。第二块相位型空间光调制器上加载的反转互补相位调制可以表示为：
PSLM2＝exp[-i(1/3kx 3+nxkx 2+lxkx)]×exp[-i(1/3ky 3+nyky 2+lyky)]
附图3(b)中给出了本实施例中在第二块相位型空间光调制器上加载的反转互补的相位调制模板。另一方面，由于本系统为全对称4f系统，上行O波段信号将会经过完全一致的调制传输解调过程并沿相同抛物线轨迹进行传输，即系统支持双波段波分复用全双工非视距光互连。附图4(b1)-(b3)中给出了本实施例中上行O波段二维艾里光束在不同传输距离处的光场强度分布图。需注意因相位型空间光调制器为波长敏感器件，所使用的C波段相位型空间光调制器对O波段光相位调制特性不理想，所调制产生的O波段二维艾里光束存在一定的光束质量劣化，但该质量劣化程度较小，对于整个互连系统的传输性能影响在可接受范围之内。
此外，本发明中给出的基于自加速光束的自由空间光互连方案中的三维非视距互连轨迹是灵活可重构的，在此以本实施例作以实现方式说明。本实施例中相位型空间光调制器上加载的相位模板由六个可调参数进行联合调控，由此六个参数可以构成一个生成矢量
Figure BDA0002885716010000061
进而，调制产生的二维艾里光束的抛物线轨迹可以表示为：
Figure BDA0002885716010000071
因此，可以通过简单更改生成矢量中的对应参数对二维艾里光束的抛物线轨迹进行操控调整。在附图5中三条虚线轨迹给出了三种不同生成矢量下的二维艾里光束的非视距抛物线轨迹，同时附图5中的实线直线轨迹给出了传统基于高斯光束的二维视距直线互连轨迹作以对比。
总的而言，本发明采用了由两块相位型空间光调制器与两透镜所组成的4f系统完成对高斯光束到自加速光束的调制以及再到高斯光束的解调，使上下行信号在自由空间链路中以自加速光束的形式沿预设的弯曲轨迹进行传输，以此完成全双工非视距光互连的功能。同时自加速光束的弯曲轨迹可以通过简单调整加载与相位型空间光调制器上的相位模板进行操控调整以完成灵活可重构光互连。
以上所揭露的仅为本发明一种较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，因此依本发明权利要求所作的等同变化，仍属本发明所涵盖的范围。

Claims (6)

1.一种基于自加速光束的短距自由空间光互连系统，其特征在于，包括第一收发端模块、自由空间链路模块和第二收发端模块，所述第一收发端模块通过自由空间链路模块与第二收发端模块光互连；所述自由空间链路模块包括第一光准直器、第一相位型空间光调制器、第一透镜、障碍物、第二透镜、第二相位型空间光调制器和第二光准直器，所述第一光准直器与第二光准直器将光纤出射的光束准直为高斯光束进入自由空间链路模块传输以及将高斯光束耦合进光纤进行接收探测；第一相位型空间光调制器与第二相位型空间光调制器分别加载反转互补的自加速光束调制相位模板而对自加速光束进行调制与解调，以完成绕过障碍物的非视距光互连。
2.根据权利要求1所述的一种基于自加速光束的短距自由空间光互连系统，其特征在于，所述第一收发端模块和第二收发端模块设为多个，第一收发端模块和第二收发端模块同时通过平行发射高斯光束分别入射于第一相位型空间光调制器和第二相位型空间光调制器进行相位调制，形成多路并行的光互连。
3.根据权利要求1所述的一种基于自加速光束的短距自由空间光互连系统，其特征在于，当障碍物或第一收发端模块和第二收发端位置发生改变时，通过重新设计加载于第一相位型空间光调制器与第二相位型空间光调制器上的相位调制模板，控制在第一透镜与第二透镜间的自加速光束的轨迹而完成重构光互连。
4.根据权利要求1所述的一种基于自加速光束的短距自由空间光互连系统，其特征在于，所述第一透镜与第二透镜的焦距相同，以组成4f成像系统。
5.根据权利要求1所述的一种基于自加速光束的短距自由空间光互连系统，其特征在于，所述自由空间链路模块为完全对称的4f成像系统，以支持全双工光互连。
6.根据权利要求1所述的一种基于自加速光束的短距自由空间光互连系统，其特征在于，所述第一收发端模块包括第一激光源、第一调制器、第一光探测器、第一光放大器和第一波分耦合器；第二收发端模块包括第二激光源、第二调制器、第二光探测器、第二光放大器和第二波分耦合器；所述第一调制器与第二调制器采用的数据调制格式为高阶调制格式；第一波分耦合器与第二波分耦合器对上下行信号进行复用与解复用；所述上下行信号采用不同传输波长。
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