CN114268377B

CN114268377B - 一种基于大模场单模光纤阵列的光学接收系统

Info

Publication number: CN114268377B
Application number: CN202111654157.2A
Authority: CN
Inventors: 朱世程; 曹珂; 张启; 王家恒; 高西奇; 孙晨
Original assignee: Network Communication and Security Zijinshan Laboratory
Current assignee: Network Communication and Security Zijinshan Laboratory
Priority date: 2021-12-31
Filing date: 2021-12-31
Publication date: 2023-06-09
Anticipated expiration: 2041-12-31
Also published as: CN114268377A

Abstract

本发明公开了一种基于大模场单模光纤阵列的光学接收系统，包括前端信号接收单元和信号集中处理单元，所述前端信号接收单元用于接收空间光信号，并将空间光信号处理为波分复用和模分复用的光信号，所述信号集中处理单元用于将所述波分复用和模分复用的光信号进行解复用，再进行光电信号的转换；所述前端信号接收单元包括大模场单模光纤阵列，大模场单模光纤阵列用于实现空间光信号的接收。本发明中采用大模场单模光纤阵列来替代传统空间光通信中使用的单模光纤，大模场单模光纤阵列由于大模场和单模的特性，抗干扰能力强，没有高阶模的光信号，可用角度和覆盖范围更大，在接收空间光信号时具有更强的收光能力，降低接收系统的对准要求。

Description

一种基于大模场单模光纤阵列的光学接收系统

技术领域

本发明涉及自由空间光学接收系统，尤其涉及一种基于大模场单模光纤阵列的光学接收系统。

背景技术

随着5G无线通信的兴起以及B5G（超5代移动通信系统）/6G对高速率无线通信的需求，具有高传输速率的无线光通信越发受到重视。无线光通信系统中，无论是在超远距离下的星地激光通信、中远距离下的自由空间光通信或是较短距离室内红外和可见光通信，光纤由于其灵活高速等特性，逐步成为接收端主流器件，同时，为了更进一步的增大系统传输速率和通信容量，光纤阵列的使用也越发广泛。

目前在使用光纤的无线光通信领域中，接收端通常使用单模光纤或单模光纤阵列，以支撑足够高的传输速率以及方便使用后续放大器件，部分方案采用传统的多模光纤，或者目前尚未成熟的少模多芯光纤，但都需要综合速率、可用角度、覆盖范围和成本进行折衷。

现有技术的主要问题是单模光纤过小的纤芯尺寸（直径9微米）在使用时对整个系统的对准和动态调节能力提出了极高的要求，特别是在使用单模光纤阵列并行数据传输时，系统抗干扰能力弱。采用少模多芯光纤进行空间光接收一定程度上降低了对准难度，但同时需要模分复用和多芯解调，技术路线并不成熟且整体收益有限。使用常规大口径的多模光纤，则会引入过多的高阶模，一方面干扰后续信号处理，另一方面其模间色散会极大的限制系统通信速率。此外，多模光纤的信号放大也是一个难题，需要兼顾信号的放大与噪声抑制。

发明内容

技术目的：针对现有技术中接收系统的通信速率低、对准要求高的缺陷，本发明公开了一种基于大模场单模光纤阵列的光学接收系统，采用大模场单模光纤阵列来替代传统空间光通信中使用的单模光纤，大模场单模光纤阵列由于大模场和单模的特性，抗干扰能力强，没有高阶模的光信号，可用角度和覆盖范围更大，在接收空间光信号时具有更强的收光能力，降低接收系统的对准要求。

技术方案：为实现上述技术目的，本发明采用以下技术方案。

一种基于大模场单模光纤阵列的光学接收系统，包括前端信号接收单元和信号集中处理单元；

所述前端信号接收单元用于接收空间光信号，输出波分复用和模分复用后的第二光信号；

所述信号集中处理单元用于对所述第二光信号解复用，输出模分解复用和波分解复用后的光信号，并实现光电信号转换；

所述前端信号接收单元包括大模场单模光纤阵列，大模场单模光纤阵列用于实现空间光信号的接收。

优选地，所述前端信号接收单元还包括光学天线，所述大模场单模光纤阵列的输入端与光学天线连接，光学天线用于会聚空间光信号，输出会聚后的空间光信号至大模场单模光纤阵列。

优选地，所述大模场单模光纤阵列包括若干大模场单模光纤，每根大模场单模光纤的输出端连接单模光纤，所有单模光纤构成大模场单模光纤阵列的输出接口。

优选地，所述每根大模场单模光纤输出端通过模式转换器连接单模光纤。

优选地，所述大模场单模光纤为有源掺杂的大模场单模光纤。

优选地，所述前端信号接收单元还包括波分复用器和模分复用器，大模场单模光纤阵列、波分复用器、模分复用器依次连接，波分复用器用于耦合不同波长的单模信号，输出波分复用后的第一光信号，模分复用器用于输出模分复用后的第二光信号。

优选地，所述大模场单模光纤阵列被划分为M个子阵列，每个子阵列包括N个大模场单模光纤，子阵列中每根大模场单模光纤独立接收空间光信号，每个子阵列的输出连接一个波分复用器，波分复用器用于将子阵列输出的N个不同波长的多根光纤单模光信号耦合为单根光纤N个单模信号，所有波分复用器输出第一光信号，第一光信号包括N×M个单模信号，M个波分复用器的输出共同连接一个模分复用器，模分复用器用于将N×M个单模信号转换为基模及低阶模信号；所述N为第一光信号的波长数，M为第二光信号的模式数。

优选地，所述信号集中处理单元包括模分解复用器和波分解复用器，模分解复用器用于输出对第二光信号模式解复用后的第三光信号，波分解复用器用于输出对第三光信号波长解复用的第四光信号。

优选地，所述前端信号接收单元和信号集中处理单元通过少模光纤进行光信号传输。

有益效果：本发明中采用大模场单模光纤阵列来替代传统空间光通信中使用的单模光纤，大模场单模光纤阵列由于大模场和单模的特性，抗干扰能力强，没有高阶模的光信号，可用角度和覆盖范围更大，在接收空间光信号时具有更强的收光能力，降低接收系统的对准要求。

附图说明

图1为本发明实施例的一种光学接收系统总体结构示意图；

图2为本发明实施例中从大模场单模光纤阵列至光电探测器的局部结构示意图；

图3为本发明实施例中的大模场单模光纤阵列结构示意图；

其中，1为光学天线，2为大模场单模光纤阵列，3为波分复用器，4为模分复用器，5为少模光纤，6为模分解复用器，7为波分解复用器，8为光电探测器。

具体实施方式

以下结合附图和实施例对本发明的一种基于大模场单模光纤阵列的光学接收系统做进一步的说明和解释。

大模场单模光纤：目前高能光纤激光发展的重要领域，为避免光功率密度过高引起非线性效应，其特点是在极大的光纤尺寸下（数十到数百微米）通过高阶模抑制、滤除等手段，实现单基模运转。应用在光通信领域中，可以避免传统多模光纤的模间色散问题，通信容量远高于同尺寸多模光纤。大模场单模光纤目前主要应用于高功率光纤激光器，用大模场面积降低高功率下的光功率密度，以避免非线性效应的发生，已经成功制备的大模场单模光纤的尺寸达到纤芯直径200微米以上，是单模光纤尺寸的22倍，现有的大模场单模光纤的尺寸较大。

实施例1：

如附图1所示，一种基于大模场单模光纤阵列的光学接收系统，包括前端信号接收单元和信号集中处理单元，所述前端信号接收单元用于接收空间光信号，并将空间光信号处理为波分和模分复用的光信号，所述信号集中处理单元用于将所述波分和模分复用的光信号进行解复用，再进行光电信号的转换。前端信号接收单元和信号集中处理单元通过少模光纤5进行光信号传输。

所述前端信号接收单元包括光学天线1、大模场单模光纤阵列2、波分复用器3和模分复用器4，信号集中处理单元包括模分解复用器6、波分解复用器7和光电探测器8。大模场单模光纤阵列2的输入端与光学天线1连接，光学天线1用于将空间光信号会聚传输到大模场单模光纤阵列2中，光学天线1采用透镜或透镜组实现空间光信号的会聚和传输；所述大模场单模光纤阵列2包括若干大模场单模光纤，每根大模场单模光纤的输出端连接单模光纤，所有单模光纤构成大模场单模光纤阵列2的输出接口。

大模场单模光纤阵列2与波分复用器3之间通过单模光纤进行连接，现有的大模场单模光纤由于芯径较大，无法直接通过单模光纤与波分复用器3连接，因此需要对大模场单模光纤阵列2的输出端进行转换。

每根大模场单模光纤输出端通过模式转换器连接单模光纤，进而与波分复用器3连接，本发明中模式转换器实现大模场单模光纤到单模光纤之间的转换，采用现有技术中的模式转换器进行实现，在此不做限制。

本发明中采用大模场单模光纤阵列来替代传统空间光通信中使用的单模光纤，大模场单模光纤阵列由于大模场和单模的特性，抗干扰能力强，没有高阶模的光信号，无需考虑光信号的均衡放大，可用角度和覆盖范围更大，在接收空间光信号时具有更强的收光能力，降低接收系统的对准要求，同时，大模场单模光纤阵列中的大模场单模光纤与单模光纤具有相同的通信速率，波分复用器3、模分复用器4、模分解复用器6和波分解复用器7结合大模场单模光纤阵列2配合使用，实现光信号的波分和模分复用，使得光学接收系统实现超高速通信速率。

现有的光通信系统中，需要采用多根光纤进行多波长、多基模的光信号的传输；本发明中将基于波分的大模场单模光纤通过模式转换器连接单模光纤，结合波分复用器3和模分复用器4，进行多根光纤中的多波长、多基模光信号在单根少模光纤中的多波长少模传输，实现基于少模光纤中的模分和波分复用，达成超高速通信速率。

本实施例中，根据接收的空间光信号的光功率大小，选择是否采用有源掺杂的大模场单模光纤，通过若干有源掺杂的大模场单模光纤构成大模场单模光纤阵列2。在空间光信号的光功率较小的情况下，选择有源掺杂的大模场单模光纤阵列，有源掺杂的大模场单模光纤阵列除了接收空间光信号外还对其进行低噪声的信号放大。有源掺杂是指稀土离子掺杂。

大模场单模光纤阵列2接收的空间光信号依次通过波分复用器3、模分复用器4后，通过一根少模光纤5传输的波分和模分复用的光信号；具体地，所述大模场单模光纤阵列被划分为M个子阵列，每个子阵列包括N个大模场单模光纤，子阵列中每根大模场单模光纤独立接收空间光信号，每根大模场单模光纤输出端通过模式转换器连接单模光纤，每个子阵列的输出连接一个波分复用器，每个波分复用器用于将子阵列输出的N个不同波长的多根光纤（即N个大模场单模光纤输出端通过模式转换器连接的N个单模光纤）单模光信号耦合为单根光纤N个单模信号，所有波分复用器输出第一光信号，第一光信号包括N×M个单模信号，M个波分复用器的输出共同连接一个模分复用器，模分复用器用于将N×M个单模信号转换为基模及低阶模信号；所述N为第一光信号的波长数，M为第二光信号的模式数。N也是波分的个数，M也是模分的个数，波分的个数由大模场单模光纤性能以及选取的波分间隔共同决定。信号集中处理单元包括模分解复用器6、波分解复用器7和光电探测器8，用于将所述波分和模分复用的光信号先进行模式解复用，再进行波分解复用，在光电探测器8中实现光信号转为电信号。

复用器和解复用器通常为同一装置，复用器实现装置的正向复用功能，解复用器实现装置的反向解复用功能。波分复用器和波分解复用器采用棱镜色散型波分复用器、熔锥光纤型波分复用器、衍射光栅型波分复用器或介质薄膜型波分复用器，其中衍射光栅型波分复用器包括阵列波导光栅（AWG，Arrayed Waveguide Grating），实现多根传输不同波长信号单模光纤到一根单模光纤传输或反向的模式复用/解复用功能），模分复用器和模分解复用器采用基于空间自由法的模式复用/解复用器、基于硅基液晶的可重新编辑自由空间模式的复用/解复用器、光子灯笼、基于结构定向耦合器的模式复用/解复用器、基于相位控制器和单模光纤组的模式复用/解复用器。

本实施例中，波分复用器3和波分解复用器7采用相同型号或不同型号的波分复用器，波分复用器3和波分解复用器7可以均采用阵列波导光栅，模分复用器4和模分解复用器6采用相同型号或不同型号的模分复用器，模分复用器4和模分解复用器6可以均采用光子灯笼（光子灯笼用于实现多根单模光纤到一根少模光纤或者反向的模式复用/解复用功能）。

前端信号接收单元和信号集中处理单元通过少模光纤5进行多波长多模式的光信号集中传输。

本实施例中空间光信号的传输和处理过程为：空间光信号被光学天线1接收，本实施例中空间光信号为C+L波段或1310波段，C+L波段是指C波段和L波段，C（conventional，常规）波段，也被称为最常用的波段，波长范围为1530nm~1565nm。L（long-wavelength，长波长）波段是损耗第二低的波段，波长范围为1565nm~1625nm。光学天线1将接收和会聚后的空间光信号传输至大模场单模光纤阵列2中，大模场单模光纤阵列采用N×M分区设计（即大模场单模光纤阵列被划分为M个子阵列，每个子阵列包括N个大模场单模光纤，），子阵列中每根大模场单模光纤独立接收空间光信号，每个子阵列的输出连接一个波分复用器，每个波分复用器用于将子阵列中N个不同波长的信号耦合成单根光纤N个单模信号，M个波分复用器连接一个模分复用器，模分复用器用于将N×M个单模信号转换为基模及低阶模信号，即输出经过波分和模分复用的第二光信号第二光信号通过少模光纤5进行传输，依次通过模分解复用器6和波分解复用器7，第二光信号先进行模式解复用，输出第三光信号，再进行波长解复用输出第四光信号，第四光信号包括N×M路光信号，N×M路光信号分别与光电探测器8连接，将光信号转为电信号。

实施例2：

如附图2和附图3所示，在本实施例的一种基于大模场单模光纤阵列的光学接收系统中，在前端信号接收单元中，光学天线1接收空间光信号，用于对空间光信号会聚后传输，大模场单模光纤阵列2采用6*6矩阵模式，采用大模场单模光纤阵列，每一根大模场单模光纤独立接收会聚后的空间光信号，由于大模场单模光纤本身单模范围有限，大模场单模光纤阵列2进行9×4分区，即将6*6的矩阵分为四个3*3子阵列，大模场单模光纤阵列被划分为4个子阵列，即M=4，每个子阵列包括9个大模场单模光纤，即3*3子阵列，N=9，根据本实施例中大模场单模光纤的单模范围，4个子阵列中，每个子阵列中接收1546nm~1552.4nm、波长间隔0.8nm的信号光，即9个波分的个数，大模场单模光纤接收单波长的光信号，也就是说，每个子阵列中的9个大模场单模光纤，分别接收9个固定波长的光信号，即波长为1546nm、1546.8 nm、1547.6 nm、1548.4 nm、1549.2 nm、1550 nm、1550.8 nm、1551.6 nm、1552.4 nm的光信号，每个大模场单模光纤的输出端被拉锥为单模光纤，每个大模场单模光纤输出一路单波长、单基模的光信号，每个子阵列输出9路不同波长的光信号至一个阵列波导光栅（Arrayed Waveguide Grating，AWG）中，大模场单模光纤阵列中共4个子阵列，即大模场单模光纤阵列与4个AWG连接。每个AWG对9路不同波长的光信号波分复用，4个AWG输出第一光信号至一个光子灯笼中，AWG和光子灯笼中间通过单模光纤连接，第一光信号包括N×M个单模信号。光子灯笼将第一光信号进行模分复用，将单基模信号转换为不同的基模和低阶模信号，输出第二光信号，第二光信号包括36路光信号，第二光信号的模式为LP₀₁、LP₁₁、LP₂₁、LP₃₁，其中，LP₀₁为基模，LP₁₁、LP₂₁、LP₃₁为低阶模。光子灯笼输出的第二光信号通过少模光纤传输至信号集中处理单元。

AWG正向使用实现波分复用，反向使用实现波分解复用，光子灯笼正向使用实现模分复用，反向使用实现模分解复用，在前端信号接收单元中，AWG和光子灯笼均正向使用，在信号集中处理单元中，AWG和光子灯笼反向使用，实现相应的波分解复用和模分解复用。

在信号集中处理单元中，类似地，少模光纤输出的第二光信号先经过一个光子灯笼进行模分解复用，输出第三光信号，每个光子灯笼连接4个AWG，每个AWG对接收的光信号进行波分解复用，4个AWG共同输出第四光信号，每个AWG输出9路光信号，每路光信号为单波长、单基模的光信号，通过单模光纤传输至光电探测器中。

本实施例中，大模场单模光纤阵列中的大模场单模光纤若使用有源掺杂的大模场单模光纤，则有源掺杂的大模场单模光纤对光信号放大后传输。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，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

1.一种基于大模场单模光纤阵列的光学接收系统，其特征在于：包括前端信号接收单元和信号集中处理单元；

所述前端信号接收单元包括大模场单模光纤阵列，大模场单模光纤阵列用于实现空间光信号的接收；

所述前端信号接收单元还包括波分复用器和模分复用器，大模场单模光纤阵列、波分复用器、模分复用器依次连接，波分复用器用于耦合不同波长的单模信号，输出波分复用后的第一光信号，模分复用器输出模分复用后的第二光信号。

2.根据权利要求1所述的一种基于大模场单模光纤阵列的光学接收系统，其特征在于：所述前端信号接收单元还包括光学天线，所述大模场单模光纤阵列的输入端与光学天线连接，光学天线用于会聚空间光信号，输出会聚后的空间光信号至大模场单模光纤阵列。

3.根据权利要求1所述的一种基于大模场单模光纤阵列的光学接收系统，其特征在于：所述大模场单模光纤阵列包括若干大模场单模光纤，每根大模场单模光纤的输出端连接单模光纤，所有单模光纤构成大模场单模光纤阵列的输出接口。

4.根据权利要求3所述的一种基于大模场单模光纤阵列的光学接收系统，其特征在于：所述每根大模场单模光纤输出端通过模式转换器连接单模光纤。

5.根据权利要求3所述的一种基于大模场单模光纤阵列的光学接收系统，其特征在于：所述大模场单模光纤为有源掺杂的大模场单模光纤。

6.根据权利要求1所述的一种基于大模场单模光纤阵列的光学接收系统，其特征在于：所述大模场单模光纤阵列被划分为M个子阵列，每个子阵列包括N个大模场单模光纤，子阵列中每根大模场单模光纤独立接收空间光信号，每个子阵列的输出连接一个波分复用器，波分复用器用于将子阵列输出的N个不同波长的多根光纤单模信号耦合为单根光纤N个单模信号，所有波分复用器输出第一光信号，第一光信号包括N×M个单模信号，M个波分复用器的输出共同连接一个模分复用器，模分复用器用于将N×M个单模信号转换为基模及低阶模信号；所述N为第一光信号的波长数，M为第二光信号的模式数。

7.根据权利要求1所述的一种基于大模场单模光纤阵列的光学接收系统，其特征在于：所述信号集中处理单元包括模分解复用器和波分解复用器，模分解复用器用于输出对第二光信号模式解复用后的第三光信号，波分解复用器用于输出对第三光信号波长解复用的第四光信号。

8.根据权利要求1所述的一种基于大模场单模光纤阵列的光学接收系统，其特征在于：所述前端信号接收单元和信号集中处理单元通过少模光纤进行光信号传输。