CN113162692A - 一种共振光通信装置 - Google Patents
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Abstract
本发明实施例公开了一种共振光通信装置，包括：主机和从机，依次设置在光束路径上的第一回复反射器、第一增益介质、第一分束器、电光调制器和信号处理器、设在光束路径上的第二回复反射器、第二增益介质、第二分束器和探测解调模块；第一回复反射器和第二回复反射器用于将入射光按照入射方向进行反射；第一分束器对出射光进行分束，以及将分束后的第一光束导入至信号处理器中；信号处理器用于对第一光束进行光电转换，并对转换后的电信号中携带的信息进行实时检测，当检测到电信号中的同步序列结束时，将目标信息输入至电光调制器中；电光调制器将目标信息加载至第一光束中，并通过第二分束器分束进入探测解调模块对待检测信息进行光电转换输出。
Description
技术领域
本发明实施例涉及通信技术领域，尤其是一种共振光通信装置。
背景技术
随着移动通信技术由1G发展到5G，无线通信系统使用的载波 频率越来越高，由最初的150MHz发展到现在的几十GHz，一方面 是因为低频段的频谱资源趋于饱和，另一方面是因为低频段资源提供 的通信带宽有限，无法满足当今人们对带宽的需求。因此，为了满足 未来通信发展的需求，实现高速、宽带的无线通信势必要向高频段开 发新的频谱资源。由于光波的波长较短且具有几百THz的频率，将 光作为无线通信的载体势必会成为未来无线通信的重要技术手段。
传输速率与移动性之间的权衡是在发展无线光通信技术中势必 要解决的难题。具体来说，以LED灯作为光源的可见光无线通信具 有很大的覆盖面积，移动终端可以在光的覆盖面积内自由移动且不会 中断通信，具有较好的移动性，但灯光的调制带宽有限，会对通信的 传输速率产生很大的限制。另一类无线光通信技术是以激光作为光源 的定向激光通信，这类技术可以实现Gbps级别的传输速率，但需要 使用复杂的机械装置完成瞄准，捕获，跟踪等操作，且机械装置的响 应速度较慢，成本较高，对移动性有极大的限制。
利用分布式光学谐振腔形成稳定的光束，并将其作为载体实现无 线通信是一种新兴的无线光通信技术，该种技术在具有较高传输速率 的同时，也具有较好的移动性，是一种可以突破无线光通信技术发展 瓶颈的技术。
由于光束在谐振腔内进行往复运动，直接将信号调制到光束上会 不可避免地产生非常严重的腔内回波干扰问题，即携带已调信号的光 束在谐振腔内往复运动，影响了后续的通信过程。回波干扰的存在， 对通信的正常进行产生了非常严重的约束，使其在传输速率和移动性 方面的优势无法充分展现出来。因此，如何消除回波干扰是发展该种 通信技术势必要解决的问题。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明创造的实施例采用的一个技术方案 是：提供一种共振光通信装置，包括：形成分布式光学谐振腔的主机 1和从机2，其中，所述主机1包括：依次设置在光束路径上的第一 回复反射器11、第一增益介质12、第一分束器13、电光调制器14和信号处理器15、所述从机2包括设在光束路径上的第二回复反射 器21、第二增益介质22、第二分束器23和探测解调模块24；
其中，所述第一回复反射器11和所述第二回复反射器21用于将 进入的入射光按照原入射方向进行反射；
所述第一分束器13对经所述第一增益介质12增益后的出射光进 行分束以及将分束后的第一光束导入至信号处理器15中；
所述信号处理器15用于对第一光束进行光电转换并对转换后的 电信号中携带的待检测信息进行实时检测，当检测到所述电信号中的 同步序列结束时，将目标信息输入至所述电光调制器14中；
所述电光调制器14将所述目标信息加载至所述第一光束中，并 通过所述第二分束器23分束进入探测解调模块24对待检测信息进行 光电转换，对并转换后的电信号进行信号处理后输出以实现主机1和 从机2的通信。
进一步地，所述第一分束器13用于将反射光按照预设的比例分 束为第一光束反射光和第二光束透射光，以及将所述第一光束反射光 导入至所述信号处理模块15中。
进一步地，所述信号处理模块15还包括：用于接收第一分束器 13的反射光以及连接所述信号发生器的时间同步模块151。
进一步地，所述时间同步模块151包括：用于接收第一分束器 13分出的调制光并以电信号的形式输出探测结果的第一光电探测器 1511。
进一步地，所述信号处理模块15还包括：与所述电光调制器14 电连接用于产生模拟信号的信号发生器152。
进一步地，所述时间同步模块151包括：同步电路1512，用于 对所述第一光电探测器1511输出的电信号进行实时检测，以及当检 测到电信号中的同步序列结束时，控制所述信号发生器152工作，输 出模拟信号并发送到所述电光调制器14。
进一步地，所述探测解调模块24包括：用于接收第二分束器输 出的调制光以及以电信号输出探测结果的第二光电探测器241。
进一步地，所述探测解调模块24还包括：接收所述第二光电探 测器241输出的探测结果并对所述探测结果进行解调以还原出原始 信息的解调器242。
进一步地，所述第一光电探测器1511为自由空间型探测器。
进一步地，所述第二光电探测器241为自由空间型探测器。
本发明实施例的有益效果是：本发明在分布式光学谐振腔的基础 上加以改进，并结合时间同步模块，使系统主机和从机之间可以实现 无腔内干扰的远距离通信；当增益介质处于工作状态时，主机和从机 之间可以自发地建立起与激光类似的共振光，可以实现较高的传输速 率；当主机和从机自由移动时，通信链路不会中断，即使发生中断也 可以快速重新建立链接，具有较好的移动性；当外来物体进入到共振 腔时，会阻断光的传播，破坏光的共振状态，避免光束对外来物体造 成伤害，具有较好的移动性。将分束器，电光调制器和光电探测器等 光学器件与时间同步模块结合，解决了阻碍共振光通信发展的腔内回 波干扰问题。综上所述，本系统在保证较高传输速率的同时，具有较 好的移动性和较好的安全性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例 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为本发明实施例提供的一种共振光通信装置示意图；
图2为本发明实施例提供的另一种共振光通信装置示意图；
图3为本发明实施例提供的再一种共振光通信装置示意图；
图4为本发明实施例提供的一种时间同步的基本流程示意图；
图5为本发明实施例提供的另一种时间同步的基本流程示意图。
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，本领域技 术人员在没有作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。
如图1所示，一种共振光通信装置，包括：形成分布式光学谐振 腔的主机1和从机2，其中，所述主机1包括：依次设置在光束路径 上的第一回复反射器11、第一增益介质12、第一分束器13、电光调 制器14和信号处理器15、所述从机2包括设在光束路径上的第二回复反射器21、第二增益介质22、第二分束器23和探测解调模块24；
其中，所述第一回复反射器11和所述第二回复反射器21用于将 进入的入射光按照原入射方向进行反射；
所述第一分束器13对经所述第一增益介质12增益后的出射光进 行分束以及将分束后的第一光束导入至信号处理器15中；
所述信号处理器15用于对第一光束进行光电转换并对转换后的 电信号中携带的待检测信息进行实时检测，当检测到所述电信号中的 同步序列结束时，将目标信息输入至所述电光调制器14中；
所述电光调制器14将所述目标信息加载至所述第一光束中，并 通过所述第二分束器23分束进入探测解调模块24对待检测信息进行 光电转换，对并转换后的电信号进行信号处理后输出以实现主机1和 从机2的通信。
本实施例中，光学谐振腔是由两个光学反射镜面和之间的增益介 质组成的，光子经两反射镜的反射不断往返运行产生振荡，运行时不 断与受激粒子相遇而产生受激辐射，最后形成稳定的激光输出到腔外。
如图1所示，分布式光学共振系统的组成部分被分为共振光发射 器和共振光接收器两部分。需要特别说明的是，系统中R1和R2为 回复反射器，当入射光进入回复反射器后，将沿着入射方向被反射回 去，使共振光接收器在自由移动的情况下也可以维持光路稳定，这种 特性使系统具有很好的移动性。因此在这种结构下，腔内光束会在发 射器和接收器之间不断反射往返运动，且增益介质可以弥补往返运动 中产生的功率损耗，使腔内光束维持平稳状态。
若光束在传播的过程中被物体挡住，则会因无法沿着原入射方向 被反射回去而导致共振状态无法稳定，连接中断，这种特性使系统具 有很好的安全性。
本实施例中，通信装置包括了主机1和从机2两个设备，主机1 中的第一回复反射器11和第一增益介质12与从机2中的第二回复反 射器21和第二增益介质22构成了分布式光学谐振腔，确保光可以在 从机1和主机2之间往返运行形成稳定的共振光。为了实现主机1和 从机2之间的通信，在主机1的光束路径上放置电光调制器14，将 要发送的信息加载到腔内光束上面，在从机通过第一分束器13将部 分腔内光束引入探测解调模块24，将发送的信息恢复出来。
本发明的一个实施例，所述第一分束器13用于将反射光按照预设 的比例分束为第一光束反射光和第二光束透射光，以及将所述第一光 束反射光导入至所述信号处理模块15中。
需要说明的是，第一分束器13可以将腔内光束分为两部分：透射 光和反射光，且分出的各光束的功率占原输入光束功率的一定比例。 反射光送入到信号处理模块，用以完成时间同步工作，透射光在腔内 进行往返运动，用以维持腔内光束的稳定性。
如图2～4所示，本发明的一个实施例，所述信号处理模块15还 包括：用于接收第一分束器13的反射光以及连接所述信号发生器的 时间同步模块152以及与所述电光调制器14电连接用于产生模拟信 号的信号发生器152。
本发明的一个实施例，所述时间同步模块151包括：用于接收第 一分束器13分出的调制光并以电信号的形式输出探测结果的第一光 电探测器1511。以及同步电路1512，其中，同步电路1512用于对所 述第一光电探测器1511输出的电信号进行实时检测，以及当检测到 电信号中的同步序列结束时，控制所述信号发生器152工作，输出模 拟信号并发送到所述电光调制器14。
本实施例中，通过对腔内光束上携带信息的实时检测，来决定何 时将待发送信息加载到腔内光束上。本发明在主机1的光束路径上的 第一增益介质12的电光调制器14之间插入一个第一分束器13，将 部分腔内光束导入到信号处理模块15，在完成处理操作后，将待发 送信息通过电光调制器14加载到腔内光束上。电光调制器14将输入 光束的参数进行改变后输出，改变的参数包括光的振幅，相位和频率 中的一项或多项。当电光调制器14为振幅电光调制器时，通过识别 输入的电信号的电压变化来改变光的振幅，将信息加载到光束上。
时间同步模块151通过对第一分束器13分出的反射光进行实时检 测，来控制信号发生器何时产生模拟信号并输入到电光调制器14中。 信号发生器152可以将输入的数字信号转换为特定频率的模拟信号， 输入到电光调制器14中。
本发明的一个实施例，如图5所示，当主机1和从机2第一次进 行通信时，即在第一个周期时，发送信号由同步序列，保护间隔，帧 和保护间隔组成。从主机1和从机2进行第二次通信开始，发送信号 仅由帧和保护间隔组成。需要特别强调的一点是，在每一个周期内，帧的长度都必须完全相同。
同步电路1512对第一光电探测器1511输入的电信号进行实时检 测，当检测到同步序列恰好结束时，通知信号发生器152产生要发送 的信号，输入到电光调制器14中，将信号加载到腔内光束上，如图 3所示，同步电路可以使每一个周期发送的信号实现完美乘性叠加。 从机2中的解调器将本次接收到的信号与上次接收到的信号相除，便 可以得到当前周期内主机发送的信号，实现无回波干扰的共振光通信。
可选地，第一光电探测器1511为自由空间型探测器。
本发明的一个实施例，所述探测解调模块24包括：用于接收第 二分束器输出的调制光以及以电信号输出探测结果的第二光电探测 器241。探测解调模块24还包括：接收所述第二光电探测器241输 出的探测结果并对所述探测结果进行解调以还原出原始信息的解调 器242。
本发明实施例中，光电探测器14接收分束器反射出的部分腔内 光束，并将其转换为电信号输入到解调器242中。解调器242包括除 法器及低通滤波器等。任何可以从光电探测器输出电信号中恢复出原 始信息信号的器件或模块都可以视为是所述的解调器。第二光电探测 器241将分束器分出的腔内光束转换为电信号，输入到同步电路当中。 需要说明的是，第二光电探测器241为由空间型探测器。
本发明中涉及的光包括红外光，紫外光和可见光等。只需将所述 的回复反射器替换为对对应波段光具有回复发射的器件，所述电光调 制器，光电探测器，分束器等光学器件替换为对应波段的电光调制器， 光电探测器，分束器等光学器件，所述增益介质替换为对对应波段的 光具有增益作用的增益介质。
本发明的基于时间同步模块的无腔内干扰的共振光通信装置，采 用的分布式光学谐振腔类似于传统激光通信中的光学谐振腔，因此该 装置的腔内光束具有很高的功率密度，可以实现较高的传输速率。由 于回复反射器可以使入射光沿着入射方向被反射回去，该装置可以在 从机自由移动的状态下进行通信，具有较好的移动性。由于腔内光束 系统的物理原理，当有异物阻碍光束传播时，连接会立即中断，具有 较好的安全性。
本发明结构涉及到共振光通信领域，但与现有技术不同的是，本 发明为消除腔内的回波干扰，实现高传输速率，增加了含有同步电路 的信号处理模块来实现回波干扰消除。此外，也描述了一种可行的调 制和解调方案，以满足未来通信发展的需求。
以上所述仅是本发明的部分实施方式，应当指出，对于本技术领 域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出 若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种共振光通信装置，其特征在于，包括：形成分布式光学谐振腔的主机1和从机2，其中，所述主机1包括：依次设置在光束路径上的第一回复反射器11、第一增益介质12、第一分束器13、电光调制器14和信号处理器15、所述从机2包括设在光束路径上的第二回复反射器21、第二增益介质22、第二分束器23和探测解调模块24；
其中，所述第一回复反射器11和所述第二回复反射器21用于将进入的入射光按照原入射方向进行反射；
所述第一分束器13对经所述第一增益介质12增益后的出射光进行分束以及将分束后的第一光束导入至信号处理器15中；
所述信号处理器15用于对第一光束进行光电转换，并对转换后的电信号中携带的待检测信息进行实时检测，当检测到所述电信号中的同步序列结束时，将目标信息输入至所述电光调制器14中；
所述电光调制器14将所述目标信息加载至所述第一光束中，并通过所述第二分束器23分束进入探测解调模块24对待检测信息进行光电转换，对并转换后的电信号进行信号处理后输出以实现主机1和从机2的通信。
2.根据权利要求1所述的共振光通信装置，其特征在于，所述第一分束器13用于将反射光按照预设的比例分束为第一光束反射光和第二光束透射光，以及将所述第一光束反射光导入至所述信号处理模块15中。
3.根据权利要求1所述的共振光通信装置，其特征在于，所述信号处理模块15还包括：用于接收第一分束器13的反射光以及连接所述信号发生器的时间同步模块151。
4.根据权利要求1所述的共振光通信装置，其特征在于，所述时间同步模块151包括：用于接收第一分束器13分出的调制光并以电信号的形式输出探测结果的第一光电探测器1511。
5.根据权利要求1所述的共振光通信装置，其特征在于，所述信号处理模块15还包括：与所述电光调制器14电连接用于产生模拟信号的信号发生器152。
6.根据权利要求5所述的共振光通信装置，其特征在于，所述时间同步模块151包括：同步电路1512，用于对所述第一光电探测器1511输出的电信号进行实时检测，以及当检测到电信号中的同步序列结束时，控制所述信号发生器152工作，输出模拟信号并发送到所述电光调制器14。
7.根据权利要求1所述的共振光通信装置，其特征在于，所述探测解调模块24包括：用于接收第二分束器输出的调制光以及以电信号输出探测结果的第二光电探测器241。
8.根据权利要求1所述的共振光通信装置，其特征在于，所述探测解调模块24还包括：接收所述第二光电探测器241输出的探测结果并对所述探测结果进行解调以还原出原始信息的解调器242。
9.根据权利要求1所述的共振光通信装置，其特征在于，所述第一光电探测器1511为自由空间型探测器。
10.根据权利要求1所述的共振光通信装置，其特征在于，所述第二光电探测器241为自由空间型探测器。
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