CN112994803B - 一种光子辅助矢量太赫兹信号通信系统 - Google Patents

一种光子辅助矢量太赫兹信号通信系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种矢量太赫兹信号生成模块、光纤传输模块、矢量太赫兹信号探测模块以及矢量太赫兹信号发射模块；矢量太赫兹信号生成模块包括依次连接的第一二进制序列发生器、第一电放大器和第一强度调制器，第一二进制序列发生器产生表示待传输数据的二进制数据，第一强度调制器基于二进制数据对进入第一强度调制器的光频梳进行幅值调制，经第一强度调制器调制后得到的光信号为带有待传输数据的矢量太赫兹信号。本发明无需数模转换器，利用强度调制器便可完成矢量太赫兹信号的生成，并且无需额外的数字信号处理来进行预编码，产生的THz信号频率稳定，调节方便。对于未来高速率、大容量超5G乃至6G移动通信网络的发展具有重要的应用意义。

Description

一种光子辅助矢量太赫兹信号通信系统
技术领域
本发明涉及通信领域，特别是涉及一种光子辅助矢量太赫兹信号通信系统。
背景技术
虽然5G接入的峰值速率为1～20Gbit/s，但仍不能满足未来宽带通信日益增长的数据流量要求，不久将来数据传输速率将达到400Gbit/s甚至1Tbit/s，因此需要探索新的传输频段。光子辅助毫米波、太赫兹宽带通信技术可实现光纤通信和无线通信的无缝融合，具有光纤通信大容量和无线通信移动性的优势，能够克服电子器件的带宽瓶颈，不仅可以解决大容量移动数据接入和智能设备间高速率无线传输的问题，还能用于深空通信和应急通信等方面。因此，光子辅助毫米波、太赫兹通信是后5G和未来6G极具优势的技术途径，也是空间信息网络高速传输的重要技术手段。
目前，THz产生主要有三种方法：(1)基于纯电子器件，这类THz发生器由射频源、倍频器、电信号混频器及电信号放大器组成。射频信号源产生频率约为几十GHz的射频信号，经过倍频器上变频，使用电信号混频器产生调制信号，经放大后由天线(Antenna)发送，其对电子设备带宽和增益的要求较高，调制和解调时有较大的转换损失，设备通常较为昂贵。(2)基于半导体激光器，如量子级联激光器，可产生1THz以上的THz信号，太赫兹量子级联激光器体积小，结构紧凑，载流子寿命很短，可进行高速调制，但其对THz发射源的性能要求非常苛刻，采用的源往往需要在超低温下工作，因此方案可用性不高。(3)基于光子辅助方式，即光学外差法，激光器产生2束或多束光信号，将信息调制到光载波上，再结合光电探测器，即可产生频率为2束光频率之差的THz信号。若能产生具有一定频率间隔的光信号(光频梳)，那么可选择任意2束光的频率之差作为THz信号的频率。其优势是频率调节较容易，能方便地获得不同频率的THz信号，并且可用于多载波系统。
由于目前所采用的光电探测器具有拍频平方率探测原理，因此基于外部调制器的矢量信号产生方案必须对所发送多阶正交振幅调制信号的幅度和相位信息都进行预编码处理，大幅度地增加了系统复杂度。另外，在传统的光子辅助太赫兹矢量信号产生方案中，通常需要高性能的任意波形发生器(Arbitrary Waveform Generator,AWG)或者数模转换器(Digital Analog Converter，DAC)来实现数字信号向模拟信号的转换，这些器件大多价格昂贵，功耗较大，大大地增加了系统传输成本。另外，现有的数模转换器均存在电子瓶颈，由于其有限的3dB电子带宽，导致目前无法产生高阶的驱动信号或者高速的驱动信号，这些因素均限制了未来高速5G以及超5G，乃至6G移动通信的发展。
发明内容
本发明的目的是提供一种光子辅助矢量太赫兹信号通信系统。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种光子辅助矢量太赫兹信号通信系统，包括：依次连接的光频梳生成模块、矢量太赫兹信号生成模块、光纤传输模块、矢量太赫兹信号探测模块以及矢量太赫兹信号发射模块；所述矢量太赫兹信号生成模块包括依次连接的第一二进制序列发生器、第一电放大器和第一强度调制器，所述第一二进制序列发生器产生表示待传输数据的二进制数据，所述第一强度调制器基于所述二进制数据对进入所述第一强度调制器的光频梳进行幅值调制，经所述第一强度调制器调制后得到的光信号为带有待传输数据的矢量太赫兹信号。
可选的，所述矢量太赫兹信号生成模块还包括保偏耦合器，依次连接的第二二进制序列发生器、第二电放大器和第二强度调制器，光衰减器，90°光相移器以及偏振合束器；
所述保偏耦合器将光频梳生成模块生成的光频梳分为两路，一路进入所述第一强度调制器，另一路进入所述第二强度调制器；
所述第二强度调制器基于所述第二二进制序列发生器产生的表示待传输数据的二进制数据对进入所述第二强度调制器的光频梳进行幅值调制，经所述第二强度调制器调制后得到的光信号为带有待传输数据的矢量太赫兹信号；
所述光衰减器对所述第一强度调制器或所述第二强度调制器输出的光信号强度进行调整，以使所述第一强度调制器与所述第二强度调制器输出的光信号强度相同；
所述90°光相移器对所述第一强度调制器或所述第二强度调制器输出的光信号相移操作，以使所述第一强度调制器与所述第二强度调制器输出的光信号的相位差为90°；
偏振合束器将经强度衰减以及相位偏移的两束光信号合为一束。
可选的，所述矢量太赫兹信号探测模块包括信号分离单元，用于将光纤传输模块传来的光信号分离，包括依次连接的第一光交织器、光陷波器以及第二光交织器。
可选的，所述矢量太赫兹信号探测模块包括：光电探测器，所述光电探测器的输出端与所述矢量太赫兹信号发射模块连接。
可选的，所述光频梳生成模块包括外腔激光器、第三强度调制器、相位调制器、强度调制器驱动模块以及相位调制器驱动模块。其中，所述外腔激光器、所述第三强度调制器以及所述相位调制器依次连接。
可选的，所述强度调制器驱动模块包括依次连接的第一信号射频源、第一倍频器以及第三电放大器，所述第三电放大器的输出端与所述第三强度调制器的驱动端连接。
可选的，所述相位调制器驱动模块包括依次连接的第二信号射频源、第二倍频器以及第四电放大器，所述第四电放大器的输出端与所述相位调制器的驱动端连接。
可选的，所述光频梳生成模块还包括保偏光纤放大器，输入端与所述相位调制器的输出端连接，输出端与所述矢量太赫兹信号生成模块输入端连接。
可选的，所述光纤传输模块包括光纤和光纤放大器，所述光纤的一端与所述矢量太赫兹信号生成模块的输出端连接，另一端与所述光纤放大器的一端连接，所述光纤放大器的另一端与所述矢量太赫兹信号探测模块连接。
可选的，所述矢量太赫兹信号发射模块包括天线。
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：本发明提供的光子辅助矢量太赫兹信号通信系统无需数模转换器，利用强度调制器便可完成矢量太赫兹信号的生成，并且无需额外的数字信号处理来进行预编码，其产生的THz信号频率稳定，调节方便。对于未来高速率、大容量超5G乃至6G移动通信网络的发展具有重要的应用意义。
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性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例1提供的光子辅助矢量太赫兹信号通信系统的结构示意图；
图2为本发明实施例2提供的光子辅助矢量太赫兹信号通信系统的结构示意图。
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。
本发明的目的是提供一种光子辅助矢量太赫兹信号通信系统。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
实施例1
参见图1，本实施例提供了一种光子辅助矢量太赫兹信号通信系统，该系统包括：依次连接的光频梳生成模块1、矢量太赫兹信号生成模块2、光纤传输模块3、矢量太赫兹信号探测模块4以及矢量太赫兹信号发射模块5。
矢量太赫兹信号生成模块2包括保偏耦合器20，依次连接的第一二进制序列发生器21、第一电放大器22和第一强度调制器23，依次连接的第二二进制序列发生器26、第二电放大器25和第二强度调制器24，光衰减器27，90°光相移器28以及偏振合束器29。保偏耦合器20将光频梳生成模块1生成的光频梳分为两路，一路进入第一强度调制器23，另一路进入第二强度调制器24。第一二进制序列发生器21产生表示待传输数据的二进制数据，第一强度调制器23基于二进制数据对进入第一强度调制器23的光频梳进行幅值调制，经第一强度调制器23调制后得到的光信号为带有待传输数据的矢量太赫兹信号。第二强度调制器24基于第二二进制序列发生器26产生的表示待传输数据的二进制数据对进入第二强度调制器24的光频梳进行幅值调制，经第二强度调制器24调制后得到的光信号为带有待传输数据的矢量太赫兹信号。光衰减器27对第一强度调制器23或第二强度调制器24输出的光信号强度进行调整，以使第一强度调制器23与第二强度调制器24输出的光信号强度相同。90°光相移器28对第一强度调制器23或第二强度调制器24输出的光信号相移操作，以使第一强度调制器23与第二强度调制器24输出的光信号的相位差为90°。偏振合束器29将经强度衰减以及相位偏移的两束光信号合为一束。
作为本实施例的一种实施方式，光频梳生成模块1包括外腔激光器10、第三强度调制器11、相位调制器12、强度调制器驱动模块以及相位调制器驱动模块。其中，外腔激光器10、第三强度调制器11以及相位调制器12依次连接。其中，强度调制器驱动模块包括依次连接的第一信号射频源14、第一倍频器15以及第三电放大器16，第三电放大器16的输出端与第三强度调制器11的驱动端连接。相位调制器驱动模块包括依次连接的第二信号射频源19、第二倍频器18以及第四电放大器17，第四电放大器17的输出端与相位调制器12的驱动端连接。
作为本实施例的一种实施方式，光频梳生成模块1还包括保偏光纤放大器13，输入端与相位调制器12的输出端连接，输出端与矢量太赫兹信号生成模块2输入端连接。
作为本实施例的一种实施方式，光纤传输模块3包括光纤30和光纤放大器13，光纤30的一端与矢量太赫兹信号生成模块2的输出端连接，另一端与光纤放大器13的一端连接，光纤放大器13的另一端与矢量太赫兹信号探测模块4连接。
在本实施例中，矢量太赫兹信号探测模块4包括信号分离单元和光电探测器43，信号分离单元用于将光纤传输模块3传来的光信号分离，即将偏振合束器29合成的两束光分开。信号分离单元包括依次连接的第一光交织器40、光陷波器41以及第二光交织器42。光电探测器43的输入端与信号分离单元的输出端连接，光电探测器43的输出端与矢量太赫兹信号发射模块5连接。
作为本实施例的一种实施方式，矢量太赫兹信号发射模块5包括天线50。
本实施例中，外腔激光器10产生中心频率为fc的连续相干光，并将该连续相干光发送至第三强度调制器11；第一信号射频源14发出的频率为14.02GHz的射频信号源经第一倍频器15六倍频之后与第三电放大器16放大之后驱动第三强度调制器11，第三强度调制器11工作在双边带调制模式，第三强度调制器11输出光谱频率为fc、fc+14.02*6、fc-14.02*6，并且将其输出送入相位调制器12。第二信号射频源19发出的频率为9.8GHz的射频信号源经第二倍频器18四倍频与第四电放大器17放大之后驱动相位调制器12，控制驱动信号幅度让相位调制器12输出仅包括三阶频谱分量，输出经保偏光纤放大器13后送入保偏耦合器20。保偏耦合器20后分为上下两路传输的偏振光；其中，上路偏振光送入第一强度调制器23，第一二进制序列发生器21产生的表示待传输数据的二进制信号data1经第一电放大器22放大之后驱动第一强度调制器23，第一强度调制器23的输出信号送入光衰减器27；第二二进制序列发生器26产生的表示待传输数据的二进制信号data2经第二电放大器25放大之后驱动第二强度调制器24，下路偏振光送入第二强度调制器24，其输出送入90°光相移器28；调节光衰减器27使得两路的输出光功率相等，90°光相移器28使得上下两路的相位差等于90°。上下两路偏振光经偏振合束器29之后合一束光，经光纤放大器31之后送入50/200GHz的第一光交织器40，第一光交织器40输出送入光陷波器41滤除中心载波，光陷波器41输出送入50/100GHz的第二光交织器42，其输出光谱分量为fc-84.12-3*39.2、fc+84.12+3*39.2，其光谱间隔为403.44GHz。第二光交织器42的输出经过光电探测器43，产生频率为403.44GHz的矢量QPSK信号，其输出可表示为Iout，Iout∝data22(t)cos[j2π(2fRF1+6fRF2)t]-data12(t)sin[j2π(2fRF1+6fRF2)t]其中，fRF1为84.12GHz，fRF2为39.2GHz，2fRF1+6fRF2为403.44GHz。光电探测器43的输出通过天线50发射到自由空间中，实现太赫兹矢量信号的无线发射。
本实施例提供的光子辅助矢量太赫兹信号通信系统具有以下优势：
1)采用光学方法产生400GHz的太赫兹信号，其产生的太赫兹信号相位噪声小，频率稳定；其产生的THz信号频率便于调节。相对于普通的多光源外差产生THz信号，本实施例进行拍频的两束光谱由同一光源产生，故其拍频后产生的THz信号相位噪声小，频率稳定。利用强度调制器与相位调制级联，通过系统参数的设计，构造出光频梳的光谱分布，可以通过挑选任意间隔为THz波段的光谱分量，光电探测之后可产生THz波段的信号，采用此方法产生的THz信号频率可以调节；并且此方法可用于多载波系统，通过对不同阶数的光谱分量加载不同的信号，可实现多载波传输，可以提升系统传输容量。
2)采用强度调制器完成了矢量QPSK信号的生成，无需造价昂贵的任意波形发生器(AWG)和数模转换器(DAC)，可直接将二进制序列发生器产生的代表待传输数据的二进制信号经电放大器放大后用来驱动调制器。一束光经保偏耦合器后一分为二，然后利用强度调制器分别将dta1与data2加载到两束光，通过90°光相移器是两束光相位相差90°；再利用偏振合束器将两束光中的X偏振与Y偏振方向合为一束光，经电探测后，可实现矢量调制，并且其矢量信号的产生无需预编码。
实施例2
参见图2，本实施例提供了一种光子辅助矢量太赫兹信号通信系统，该系统包括：依次连接的光频梳生成模块1、矢量太赫兹信号生成模块2、光纤30传输模块3、矢量太赫兹信号探测模块4以及矢量太赫兹信号发射模块5；矢量太赫兹信号生成模块2包括依次连接的第一二进制序列发生器21、第一电放大器22和第一强度调制器23，第一二进制序列发生器21产生表示待传输数据的二进制数据，第一强度调制器23基于二进制数据对进入第一强度调制器23的光频梳进行幅值调制，经第一强度调制器23调制后得到的光信号为带有待传输数据的矢量太赫兹信号。
作为本实施例的一种实施方式，光频梳生成模块1包括外腔激光器10、第三强度调制器11、相位调制器12、强度调制器驱动模块以及相位调制器驱动模块。其中，外腔激光器10、第三强度调制器11以及相位调制器12依次连接。其中，强度调制器驱动模块包括依次连接的第一信号射频源14、第一倍频器15以及第三电放大器16，第三电放大器16的输出端与第三强度调制器11的驱动端连接。相位调制器驱动模块包括依次连接的第二信号射频源19、第二倍频器18以及第四电放大器17，第四电放大器17的输出端与相位调制器12的驱动端连接。
作为本实施例的一种实施方式，光频梳生成模块1还包括保偏光纤放大器3114，输入端与相位调制器12的输出端连接，输出端与矢量太赫兹信号生成模块2输入端连接。
作为本实施例的一种实施方式，光纤30传输模块3包括光纤30和光纤放大器31，光纤30的一端与矢量太赫兹信号生成模块2的输出端连接，另一端与光纤放大器31的一端连接，光纤放大器31的另一端与矢量太赫兹信号探测模块4连接。
作为本实施例的一种实施方式，矢量太赫兹信号探测模块4包括：光电探测器43，光电探测器43的输出端与矢量太赫兹信号发射模块5连接。
作为本实施例的一种实施方式，矢量太赫兹信号发射模块5包括天线50。
本实施例利用强度调制器与相位调制级联，通过系统参数的设计，构造出光频梳的光谱分布，可以通过挑选任意间隔为THz波段的光谱分量，光电探测之后可产生THz波段的信号，采用此方法产生的THz信号频率可以调节。采用强度调制器完成了矢量QPSK信号的生成，无需造价昂贵的任意波形发生器(AWG)和数模转换器(DAC)，可直接将二进制序列发生器产生的代表待传输数据的二进制信号经电放大器放大后用来驱动调制器。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (9)

1.一种光子辅助矢量太赫兹信号通信系统，其特征在于，包括：依次连接的光频梳生成模块、矢量太赫兹信号生成模块、光纤传输模块、矢量太赫兹信号探测模块以及矢量太赫兹信号发射模块；所述矢量太赫兹信号生成模块包括依次连接的第一二进制序列发生器、第一电放大器和第一强度调制器，所述第一二进制序列发生器产生表示待传输数据的二进制数据，所述第一强度调制器基于所述二进制数据对进入所述第一强度调制器的光频梳进行幅值调制，经所述第一强度调制器调制后得到的光信号为带有待传输数据的矢量太赫兹信号；
所述矢量太赫兹信号生成模块还包括保偏耦合器，依次连接的第二二进制序列发生器、第二电放大器和第二强度调制器，光衰减器，90°光相移器以及偏振合束器；
所述保偏耦合器将光频梳生成模块生成的光频梳分为两路，一路进入所述第一强度调制器，另一路进入所述第二强度调制器；
所述第二强度调制器基于所述第二二进制序列发生器产生的表示待传输数据的二进制数据对进入所述第二强度调制器的光频梳进行幅值调制，经所述第二强度调制器调制后得到的光信号为带有待传输数据的矢量太赫兹信号；
所述光衰减器对所述第一强度调制器或所述第二强度调制器输出的光信号强度进行调整，以使所述第一强度调制器与所述第二强度调制器输出的光信号强度相同；
所述90°光相移器对所述第一强度调制器或所述第二强度调制器输出的光信号相移操作，以使所述第一强度调制器与所述第二强度调制器输出的光信号的相位差为90°；
偏振合束器将经强度衰减以及相位偏移的两束光信号合为一束。
2.根据权利要求1所述的光子辅助矢量太赫兹信号通信系统，其特征在于，所述矢量太赫兹信号探测模块包括信号分离单元，用于将光纤传输模块传来的光信号分离，包括依次连接的第一光交织器、光陷波器以及第二光交织器。
3.根据权利要求1所述的光子辅助矢量太赫兹信号通信系统，其特征在于，所述矢量太赫兹信号探测模块包括：光电探测器，所述光电探测器的输出端与所述矢量太赫兹信号发射模块连接。
4.根据权利要求1所述的光子辅助矢量太赫兹信号通信系统，其特征在于，所述光频梳生成模块包括外腔激光器、第三强度调制器、相位调制器、强度调制器驱动模块以及相位调制器驱动模块，其中，所述外腔激光器、所述第三强度调制器以及所述相位调制器依次连接。
5.根据权利要求4所述的光子辅助矢量太赫兹信号通信系统，其特征在于，所述强度调制器驱动模块包括依次连接的第一信号射频源、第一倍频器以及第三电放大器，所述第三电放大器的输出端与所述第三强度调制器的驱动端连接。
6.根据权利要求4所述的光子辅助矢量太赫兹信号通信系统，其特征在于，所述相位调制器驱动模块包括依次连接的第二信号射频源、第二倍频器以及第四电放大器，所述第四电放大器的输出端与所述相位调制器的驱动端连接。
7.根据权利要求4所述的光子辅助矢量太赫兹信号通信系统，其特征在于，所述光频梳生成模块还包括保偏光纤放大器，输入端与所述相位调制器的输出端连接，输出端与所述矢量太赫兹信号生成模块输入端连接。
8.根据权利要求1所述的光子辅助矢量太赫兹信号通信系统，其特征在于，所述光纤传输模块包括光纤和光纤放大器，所述光纤的一端与所述矢量太赫兹信号生成模块的输出端连接，另一端与所述光纤放大器的一端连接，所述光纤放大器的另一端与所述矢量太赫兹信号探测模块连接。
9.根据权利要求1所述的光子辅助矢量太赫兹信号通信系统，其特征在于，所述矢量太赫兹信号发射模块包括天线。
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Assignee: XI'AN SUOWEI PHOTOELECTRIC TECHNOLOGY Co.,Ltd.

Assignor: XI'AN University OF POSTS & TELECOMMUNICATIONS

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Denomination of invention: A Photon Assisted Vector Terahertz Signal Communication System

Granted publication date: 20220208

License type: Common License

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