CN113810148B - 一种双向可重构大容量超颖光广播通信方法及系统 - Google Patents

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Abstract

一种双向可重构大容量超颖光广播通信方法及系统，涉及空间光通信领域，包括：下行链路，将伪随机编码加载在模拟光纤到户的波分复用光载波上，然后对相邻的波分复用信号去时间相关性，再经过偏振控制后正入射到超表面广播器上分为若干个光斑，通过调整入射到超表面广播器上光波的偏振态，使每个光斑有多个波长的波分复用信号一一分配给不同用户；上行链路，每个用户接收到多个波长的波分信号并分配一个光载波，将伪随机编码加载在所述光载波上，经过偏振控制传输到超表面广播器件后，再经过准直后，对光信号进行探测和误码测试。本发明可以降低整个系统的复杂度。

Description

一种双向可重构大容量超颖光广播通信方法及系统
技术领域
本发明涉及空间光通信领域，具体涉及一种双向可重构大容量超颖光广播通信方法及系统。
背景技术
随着社会经济的发展和科技的进步，智能手机，平板电脑等消费电子终端的宽带移动业务，以及构成物联网的众多设备之间的互联互动，使得对于无线通信的需求呈爆炸式的增长。新的移动频段如亚太赫兹也逐渐被开发和利用。然而持续指数增长的数据需求正在耗尽无线通信的频谱和能力。频率短缺和容量需求已经成为制约无线通信发展的最棘手的问题。
光频段拥有更大的带宽，可以为无线通信补充巨大的频谱资源，且不需要无线电频谱许可。光无线通信技术可以从拥挤的无线网络中卸载大量的业务负载，从而为如物联网之类的密集通信提供了良好的解决方案。采用红外光作为光无线通信的频段，需要对红外光束进行精确、独立的二维调控以满足链路信号传输到多用户终端。目前主要采用的主动光调控方法有微机电系统振镜、空间光调制器等传统光电器件，体积大、成本高、不易集成和系统传输角度受限，导致系统复杂。
发明内容
针对现有技术中存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种双向可重构大容量超颖光广播通信方法及系统，降低系统复杂度。
为达到以上目的，一方面，采取一种双向可重构大容量超颖光广播通信方法，包括：
下行链路，将伪随机编码加载在模拟光纤到户的波分复用光载波上，然后对相邻的波分复用信号去时间相关性，再经过偏振控制后正入射到超表面广播器上分为若干个光斑，通过调整入射到超表面广播器上光波的偏振态，使每个光斑有多个波长的波分复用信号一一分配给不同用户；
上行链路，每个用户接收到多个波长的波分信号并分配一个光载波，将伪随机编码加载在所述光载波上，经过偏振控制传输到超表面广播器件后，再经过准直后，对光信号进行探测和误码测试。
在一个实施例中，所述下行链路中，每个光斑有多个波长的波分复用信号一一分配给不同用户之后，每个用户的光信号依次进行放大和滤波后，进行光信号探测和误码测试。
在一个实施例中，所述上行链路中，经过准直后的光信号先进行放大，再进行滤波，最后进行光信号探测和误码测试。
在一个实施例中，所述超表面广播器包括SOI晶圆和多个纳米砖，所述纳米砖在SOI晶圆表面整列分布，且部分纳米砖的转向不同；
纳米砖的转向根据所需反正光斑的分布，通过Gerchberg-Saxton算法获得。
另一方面，提供一种双向可重构大容量超颖光广播通信系统，包括：
第一调制器，用于在下行链路中，将伪随机编码加载在模拟光纤到户的波分复用光载波上；
光学处理器组件，包括光学处理器和两个光学延迟线，用于在下行链路中对相邻的波分复用信号去时间相关性；
第一光纤放大器，对下行链路的光信号放大，
第一偏振控制器，用于调整下行链路中入射到超表面广播器上光波的偏振态；
第一环形器，用于将下行链路的光信号传输给准直器，还用于将上行链路的光信号传输给上行控制单元；
上行控制单元，用于对第一环形器输出的上行光信号进行探测和误码测试；
准直器，用于准直上行链路和下行链路的光信号；
超表面广播器，用于将下行链路的光信号分成不同的光斑，使每个光斑有多个波长的波分复用信号一一分配给不同用户；还用于将上行链路中的光信号传给准直器；
第二调制器，用于在上行链路中，将伪随机编码加载在光载波上，光载波被分配给每个用户，每个用户接收到多个波长的波分信号；
第三光纤放大器，对第二调制器输出的光信号进行放大；
第二偏振控制器，调控上行链路光信号的偏振属性；
第二环形器，用于将上行链路的光信号传输给超表面广播器；还用于将下行链路的光信号传输给下行控制单元；
下行控制单元，用于对第二环形器输出的下行光信号进行探测和误码测试。
在一个实施例中，所述系统还包括：
第一半导体激光器，用于发射从波长1549.2nm至1551nm波长间隔25GHz的波分复用光载波来模拟光纤到户；
第一伪随机编码发生器，用于产生伪随机编码。
在一个实施例中，所述下行控制单元包括：
第一光纤放大器，用于将每个用户的下行光信号进行放大；
可调谐滤波器，用于对放大的光信号进行滤波；
第一可调谐光衰减器，用于调整光信号的光功率；
第一光电探测器，用于探测调整后的光信号；
第一误码仪，用于对第一光电探测器探测到的光信号进行误码测试。
在一个实施例中，所述系统还包括：
第二半导体激光器，用于发射上行链路的波分复用光载波；
第二伪随机码发生器，用于为上行链路的多个波分复用信号进行编码。
在一个实施例中，所述上行控制单元包括：
第四光纤放大器，用于将第一环形器输出的上行光信号进行放大；
第二可调谐光衰减器，用于调整该放大后光信号的光功率；
第二光电探测器，用于探测调整后的光信号；
第二误码仪，用于对第二光电探测器探测到的光信号进行误码测试。
在一个实施例中，所述超表面广播器包括SOI晶圆和多个纳米砖，所述纳米砖在SOI晶圆表面整列分布，并且部分纳米砖的转向不同；
纳米砖的转向根据所需反正光斑的分布，通过Gerchberg-Saxton算法获得。
上述技术方案中的一个具有如下有益效果：
将超表面结构用于广播系统中，利用超表面广播器尺寸小、结构紧凑、以及制备成本低廉的优势，实现双向可重构大容量超颖光广播通信，降低了整个系统的复杂度，为高性能光无线通信系统和未来6G光网络架构提供了全新的途径。另外，超表面结构可以实现大角度的广场调控，调控能力更强。
附图说明
图1为双向可重构大容量超颖光广播通信系统示意图；
图2为两个用户分别分配不同波长作为上行光载波的光谱图；
图3为超表面广播器结构单元图；
图4为800μm显示下，超表面广播器上纳米砖的分布图；
图5为4μm显示下，超表面广播器上纳米砖的分布图；
图6为超表面广播器上纳米砖的整体分布图；
图7为通过cmos半导体工艺制备的超表面广播器的电镜图；
图8为超表面广播器在右旋圆偏振下的广播分布图；
图9为超表面广播器在左旋圆偏振下的广播分布图；
图10为超表面广播器在线偏振下的广播分布图；
图11为LC偏振态下行链路光信号的误码率和眼图；
图12为RC偏振态下行链路光信号的误码率和眼图；
图13为线偏振态下行链路光信号的误码率和眼图；
图14为上行链路光信号的误码率和眼图。
附图说明：
10、第一伪随机编码发生器；11、第一调制器；12、第一光纤放大器；13、第一偏振控制器；14、第一环形器；15、下行控制单元；151、第二光纤放大器；152、第一可调谐光衰减器；153、第一光电探测器；154、第一误码仪；155、可调谐滤波器；16、第一半导体激光器；17、光学处理器；
20、第二伪随机编码发生器；21、第二调制器；22、第三光纤放大器；23、第二偏振控制器；24、第二环形器；25、上行控制单元；251、第四光纤放大器；252、第二可调谐光衰减器；253、第二光电探测器；254、第二误码仪；26、第二半导体激光器；
31、准直器；32、超表面广播器。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
如图1所示，提供双向可重构大容量超颖光广播通信系统的实施例。系统包括在下行链路中依次设置的第一调制器11、光学处理器组件、第一光纤放大器12、第一偏振控制器13、第一环形器14，还包括准直器31、超表面广播器32和下行控制单元15。上述系统还包括在上行链路中依次设置的第二调制器21、第三光纤放大器22、第二偏振控制器23、第二环形器24，还包括上行控制单元25。
其中，第一调制器11用于在下行链路中，将伪随机编码加载在模拟光纤到户的波分复用光载波上。
进一步的，上述系统还包括第一半导体激光器16和第一伪随机编码发生器10。第一半导体激光器16用于发射从波长1549.2nm至1551nm波长间隔25GHz的波分复用光载波，用来模拟光纤到户的波分复用信号。第一伪随机编码发生器10用于产生伪随机编码。第一调制器11用于将伪随机编码通过10Gbps的OOK(On-Off Keying，二进制启闭键控)格式加载在波分复用光载波上。优选的，第一调制器11可以采用马赫曾德尔调制器。
上述光学处理器组件包括光学处理器17和两个光学延迟线两个光学延迟线为图1中的奇数通道和偶数通道，光学处理器17和光学延迟线二者配合使用，用于在下行链路中，对相邻的波分复用信号去除他们的时间相关性。
第一光纤放大器12，用于对下行链路中去除时间相关性的光信号进行放大。
第一偏振控制器13，用于对第一光纤放大器12放大后的光信号进行调整，并将调整后的光信号送入第一环形器14。
第一环形器14，用于将下行链路的光信号传输给准直器31，还用于将上行链路的光信号传输给上行控制单元25。
准直器31，用于准直上行链路和下行链路的光信号。
超表面广播器32，用于将下行链路光信号分成不同的光斑，使每个光斑有多个波长的波分复用信号一一分配给不同用户。
具体的，经过准直器31的下行链路光信号正入射到超表面广播器32，光波被分为多个光斑，通过调整第一偏振控制器13，可以调整下行链路中入射到超表面广播器32上光波的偏振态，不同的偏振对于不同光斑的分布。如图8所示，为超表面广播器在右旋圆偏振下的广播分布图，图中圆点表示光斑。如图9所示，为超表面广播器在左旋圆偏振下的广播分布图，图中圆点表示光斑。如图10所示，为超表面广播器在线偏振下的广播分布图，图中圆点表示光斑。
第二调制器21，用于在上行链路中，将伪随机编码加载在光载波上，光载波被分配给每个用户，每个用户接收到多个波长的波分信号。优选的，第二调制器21同样可以采用马赫曾德尔调制器。
进一步的，上述系统还包括第二半导体激光器26和第二伪随机编码发生器20，第二半导体激光器26用于发射上行链路的波分复用光载波，每个用户收到多个波长的波分信号，例如10个用户，每个用户收到10个波长的波分信号，每个用户分配一个波长作为上行链路信号传输的光载波，且每个用户分配的波长各不相同。第二伪随机编码发生器20与第一伪随机编码发生器10一样，用于产生伪随机编码，第二调制器21将伪随机编码通过OOK波分信号的光载波上。如图2所示，为两个用户分别分配不同波长作为上行光载波的光谱图。
第三光纤放大器22，对第二调制器21输出的上行链路的光信号进行放大。
第二偏振控制器23，用于调控上行链路光信号的偏振属性，并将调整后的光信号送入第二环形器24。
第二环形器24，用于将上行链路的光信号传输给超表面广播器32，还用于将下行链路的光信号传输给下行控制单元15。
上述下行控制单元15，用于对第二环形器24输出的下行链路的光信号进行探测和误码测试。如图1所示，具体的，下行控制单元15包括依次设置的第二光纤放大器151、可调谐滤波器155、第一可调谐光衰减器152、第一光电探测器153和第一误码仪154。
其中，第二光纤放大器151用于将每个用户的下行光信号(即下行链路光信号)进行放大，本实施例中，超表面广播器32产生的光斑，每个光斑有10个波长的波分复用信号通过第二环形器24分配给10个不同的用户，分配给每个用户的光信号通过光纤放大器151进行放大。可调谐滤波器155用于对放大的光信号进行滤波。第一可调谐光衰减器152，用于调整滤波后光信号的光功率。第一光电探测器153，用于探测第一可调谐光衰减器152调整后的光信号。第一误码仪154，用于对第一光电探测器153探测到的光信号进行误码测试。
上述上行控制单元25，用于对第一环形器14输出的光信号进行探测和误码测试。如图1所示，具体的，上行控制单元25包括依次设置的第四光纤放大器251、第二可调谐光衰减器252、第二光电探测器253和第二误码仪254。
其中，第四光纤放大器251，用于将第一环形器输出的上行光信号进行放大。第二可调谐光衰减器252，用于调整该放大后上行光信号的光功率。第二光电探测器253，用于探测第二可调谐光衰减器252调整后的光信号。第二误码仪254，用于对第二光电探测器253探测到的光信号进行误码测试。
超表面是指按照周期性排列的二维亚波长共振结构，它能够控制光波的相位、振幅、偏振等光学特性。如图3-图7所示，上述超表面广播器包括基于商用大规模应用的SOI(Silicon-On-Insulator，绝缘衬底上的硅)晶圆和多个纳米砖。例如，晶体硅层的厚度是340nm，二氧化硅的层厚是2μm。超表面广播器的设计是采用超表面几何相位的方法，其结构单元如图3所示，通过数值计算，得到在圆偏振光波正入射情况下，通信中心波长1550nm处的偏振反射率。根据所需反射光斑的分布，通过Gerchberg-Saxton算法，可以得到SOI晶圆上的相位分布如图4和图5所示，然后转移到SOI晶圆上不同转向的纳米砖整列分布。如图6和图7所示，是通过cmos半导体工艺制备的超表面广播器的电镜图。
具体的，可以通过商业软件CST STUDIO SUITE模拟纳米结构的反射率，并扫描超表面广播器的几何参数(如图3中的C、L和W)来优化性能。在模拟中，在超表面广播器周围设置周期性边界条件，取向角设为0°，CP平面波通常入射到超表面广播器上，通过反射场端口采集交叉极化和共极化反射率。优化后的超表面广播器的几何参数为：C＝860nm,L＝600nm,W＝300nm。
当CP光束
Figure BDA0003268464800000091
照射超表面广播器时，反射光可以表示为：
Figure BDA0003268464800000101
其中，Ain为入射CP光的振幅，r长为入射光沿超表面广播器的长轴偏振时的反射系数，r短为入射光沿超表面广播器的短轴偏振时的反射系数。共极化和交叉极化分量的反射率可以通过以下方法推导：
Figure BDA0003268464800000102
其中，Rco为共极化的反射率，Rcross为交叉极化分量的反射率。在CP光入射下，交叉极化分量具有±2α的几何相移，左圆极化(LCP)入射为正，右圆极化(RCP)入射为负。因此，可以将所需要的相位分布存储在超表面的方向分布中，这有助于超表面广播器的设计。另一方面，共偏振分量没有相位调制，最终在超表面广播器中贡献零级光。
通过Gerchberg-Saxton算法，将一个纯相位全息像记录到超表面，，优化后的相位分布为φ(x,y)，则重建全息像的强度分布I1(x,y)可表示为：
Figure BDA0003268464800000103
其中FT表示傅里叶变换的算子。由于在LCP和RCP入射下存在相反的相位延迟，一旦改变入射CP光的旋向，相位分布就会变为-φ(x,y)。因此，相位分布为-φ(x,y)的重建全息像的强度可表示为：
Figure BDA0003268464800000104
其中，*表示共轭，λ表示工作波长，l表示超表面与像面之间的距离，
Figure BDA0003268464800000105
是超表面器件上的相位分布。由上述公式可以很容易地发现，在LCP和RCP入射下重建的全息像是中心对称的。
如图11所示，为LC偏振态下，下行链路光信号的误码率和眼图。如图12所示，为RC偏振态下，下行链路光信号的误码率和眼图。如图13所示，为线偏振态下，下行链路光信号的误码率和眼图。图11-图13中，均有10个用户的各自波长，各波长测得的误码率与ROP曲线在图中均有体现。图11-图13中还分别包括了系统提供1550nm波长时，误码率在10-7、10-5和10-3水平的接收机眼图。
如图14所示，为上行链路光信号的误码率和眼图。由线偏振态下，1549.2nm和1550nm波长的误码率与ROP的关系曲线可以看出，这两条曲线具有相似的性能。
本发明还提供一种双向可重构大容量超颖光广播通信方法，可以与上述实施例配合使用。
在下行链路中，将伪随机编码加载在模拟光纤到户的波分复用光载波上，然后对相邻的波分复用信号去时间相关性，再经过偏振控制后正入射到超表面广播器上分为若干个光斑，通过调整入射到超表面广播器上光波的偏振态，使每个光斑有多个波长的波分复用信号一一分配给不同用户。之后，每个用户的光信号依次进行放大和滤波后，进行光信号探测和误码测试。
在上行链路中，每个用户接收到多个波长的波分信号并分配一个光载波，将伪随机编码加载在所述光载波上，经过偏振控制传输到超表面广播器件后，再经过准直后，对光信号进行探测和误码测试。具体的，经过准直后的光信号先进行放大，再进行滤波，最后进行光信号探测和误码测试。
本实施例中采用的超表面广播器与上述实施例相同，包括SOI晶圆和多个纳米砖，所述纳米砖在SOI晶圆表面整列分布，且部分纳米砖的转向不同。利用超表面广播器尺寸小、结构紧凑、制备成本低等优势，本方法加大降低了系统复杂度，并且超表面可以实现大角度的光场调控，调控能力更强。
以上仅为本发明的实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均包含在申请待批的本发明的权利要求范围之内。

Claims (10)

1.一种双向可重构大容量超颖光广播通信方法，其特征在于，包括：
下行链路，将伪随机编码加载在模拟光纤到户的波分复用光载波上，然后对相邻的波分复用信号去时间相关性，再经过偏振控制后正入射到超表面广播器上分为若干个光斑，通过调整入射到超表面广播器上光波的偏振态，使每个光斑有多个波长的波分复用信号一一分配给不同用户；
上行链路，每个用户接收到多个波长的波分信号并分配一个光载波，将伪随机编码加载在所述光载波上，经过偏振控制传输到超表面广播器件后，再经过准直后，对光信号进行探测和误码测试。
2.如权利要求1所述的双向可重构大容量超颖光广播通信方法，其特征在于，所述下行链路中，每个光斑有多个波长的波分复用信号一一分配给不同用户之后，每个用户的光信号依次进行放大和滤波后，进行光信号探测和误码测试。
3.如权利要求1所述的双向可重构大容量超颖光广播通信方法，其特征在于，所述上行链路中，经过准直后的光信号先进行放大，再进行滤波，最后进行光信号探测和误码测试。
4.如权利要求1所述的双向可重构大容量超颖光广播通信方法，其特征在于，所述超表面广播器包括SOI晶圆和多个纳米砖，所述纳米砖在SOI晶圆表面整列分布，且部分纳米砖的转向不同；
纳米砖的转向根据所需反正光斑的分布，通过Gerchberg-Saxton算法获得。
5.一种双向可重构大容量超颖光广播通信系统，其特征在于，包括：
第一调制器，用于在下行链路中，将伪随机编码加载在模拟光纤到户的波分复用光载波上；
光学处理器组件，包括光学处理器和两个光学延迟线，用于在下行链路中对相邻的波分复用信号去时间相关性；
第一光纤放大器，对下行链路的光信号放大，
第一偏振控制器，用于调整下行链路中入射到超表面广播器上光波的偏振态；
第一环形器，用于将下行链路的光信号传输给准直器，还用于将上行链路的光信号传输给上行控制单元；
上行控制单元，用于对第一环形器输出的上行光信号进行探测和误码测试；
准直器，用于准直上行链路和下行链路的光信号；
超表面广播器，用于将下行链路的光信号分成不同的光斑，使每个光斑有多个波长的波分复用信号一一分配给不同用户；还用于将上行链路中的光信号传给准直器；
第二调制器，用于在上行链路中，将伪随机编码加载在光载波上，光载波被分配给每个用户，每个用户接收到多个波长的波分信号；
第三光纤放大器，对第二调制器输出的光信号进行放大；
第二偏振控制器，调控上行链路光信号的偏振属性；
第二环形器，用于将上行链路的光信号传输给超表面广播器；还用于将下行链路的光信号传输给下行控制单元；
下行控制单元，用于对第二环形器输出的下行光信号进行探测和误码测试。
6.如权利要求5所述的双向可重构大容量超颖光广播通信系统，其特征在于，所述系统还包括：
第一半导体激光器，用于发射从波长1549.2nm至1551nm波长间隔25GHz的波分复用光载波来模拟光纤到户；
第一伪随机编码发生器，用于产生伪随机编码。
7.如权利要求5所述的双向可重构大容量超颖光广播通信系统，其特征在于，所述下行控制单元包括：
第一光纤放大器，用于将每个用户的下行光信号进行放大；
可调谐滤波器，用于对放大的光信号进行滤波；
第一可调谐光衰减器，用于调整光信号的光功率；
第一光电探测器，用于探测调整后的光信号；
第一误码仪，用于对第一光电探测器探测到的光信号进行误码测试。
8.如权利要求6所述的双向可重构大容量超颖光广播通信系统，其特征在于，所述系统还包括：
第二半导体激光器，用于发射上行链路的波分复用光载波；
第二伪随机码发生器，用于为上行链路的多个波分复用信号进行编码。
9.如权利要求5所述的双向可重构大容量超颖光广播通信系统，其特征在于，所述上行控制单元包括：
第四光纤放大器，用于将第一环形器输出的上行光信号进行放大；
第二可调谐光衰减器，用于调整该放大后光信号的光功率；
第二光电探测器，用于探测调整后的光信号；
第二误码仪，用于对第二光电探测器探测到的光信号进行误码测试。
10.如权利要求5所述的双向可重构大容量超颖光广播通信系统，其特征在于，所述超表面广播器包括SOI晶圆和多个纳米砖，所述纳米砖在SOI晶圆表面整列分布，并且部分纳米砖的转向不同；
纳米砖的转向根据所需反正光斑的分布，通过Gerchberg-Saxton算法获得。
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