CN115133991A - 一种多通道自由空间光通信系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种多通道自由空间光通信系统，包括依次连接的量子点锁模激光器、波分复用器、多通道的自由空间光通信单元和与通信单元数量对应的光电解调单元，自由空间光通信单元包括依次连接的光偏振控制器、光电调制单元、第一调制单元、第二调制单元和第一光学放大器，第一光学放大器连接光电解调单元，光电解调单元还用于连接上位机。采用量子点锁模激光器可以产生一系列等间距、相位相干的光学频率梳，该光学频率梳可以有效地减少数据中心内部所需的电光调制单元与电光解调单元的数量，节约了系统搭建的投入成本，且每个光通道的传输能力得到了很大的提升，从而促进高效率的自由空间光通信技术的发展与应用。
Description
技术领域
本发明属于通信技术领域，特别是涉及一种多通道自由空间光通信系统。
背景技术
随着当今信息时代的飞速发展，为了满足数据中心内部不断增长的通信带宽需求和减少数据中心的能耗，建立传输速率快、信息量大、覆盖空间广的通信网络系统以成为实现5G、6G信息社会的关键步骤。目前，以光波作为载体的光通信技术已经引起人们的强烈重视。
近年，自由空间光通信（FSO: Free Space Optical Communication），或称无线光通信、无纤光通信，作为一种新兴无线宽带连接方式，开始浮出水面。该技术以激光为信息载体，不需要任何有线信道为传输媒介的通信方式，无需频谱许可证，兼具带宽高、协议透明、成本低廉，还有安全性强、功率低、体积小、延时低等特殊优势，被视为世界领先的具有独特技术特征的先进通讯技术，更被认为是最有潜力的颠覆性技术。其可广泛的应用于5G前传、激光通信、卫星通信、太空感应等领域。
光频梳（Optical Frequency Comb）是具有一系列离散、等间隔频谱的稳定光源，其具有很好的相干性，它可以通过被动锁模的方式产生。每一根光频梳源可以当作一路单独的载体，从而实现单个器件的多通道信号传输。
高质量的空间激光信号传输系统对于激光源具有极其严苛的要求，其往往需要具备足够多的光信号通道以提升整体光源的通信传输能力，或增大相邻光信号通道之间的间距以提升单根通道的最快传输速率。目前市面上的空间激光信号传输普遍通过集合多个通道来实现高速率的通信传输，但这很大程度上加大了光通信系统的复杂性以及投入成本。通过宽间距的光频梳源实现高速率、大容量的空间光传输成为了亟待解决的问题。
发明内容
针对以上技术问题，本发明提供一种多通道自由空间光通信系统。
本发明解决其技术问题采用的技术方案是：
一种多通道自由空间光通信系统，包括依次连接的量子点锁模激光器、波分复用器、多通道的自由空间光通信单元和与通信单元数量对应的光电解调单元，自由空间光通信单元包括依次连接的光偏振控制器、光电调制单元、第一调制单元、第二调制单元和第一光学放大器，第一光学放大器连接光电解调单元，光电解调单元还用于连接上位机，
量子点锁模激光器用于通过锁模的方式产生一系列等间距、相位相干的光学频率梳；波分复用器用于将光学频率梳中各个不同波长的光信号分开来得到各个不同波长的单波长信号；光偏振控制器用于改变单波长信号在光纤中的模场形式得到偏正控制后的偏振光；光电调制单元用于将预设的数列信息加载在偏正控制后的偏振光上进行信息编码，得到调制后的单波长信号；第一调制单元用于将调制后的单波长信号调制为平行光信号并发射至自由空间光中；第二调制单元用于接收经过预设距离的自由空间传输的平行光信号并调制成接收光信号；第一光学放大器用于将接收光信号的光功率放大至预设功率大小，得到放大后的接收光信号；光电解调单元用于对放大后的接收光信号进行解调得到解调后的电信号并发送至上位机，以使上位机根据电信号和预设的数列信息得到误码率。
优选地，锁模的方式包括被动锁模、主动锁模和混合锁模。
优选地，量子点锁模激光器的重频为100GHz。
优选地，一种多通道自由空间光通信系统还包括第二光学放大器，量子点锁模激光器通过第二光学放大器连接波分复用器，第二光学放大器用于对量子点锁模激光器产生的光学频率梳进行光功率的放大，并将放大后的光学频率梳发送至波分复用器。
优选地，光电调制单元包括电光调制器和可编程光处理器，可编程光处理器连接电光调制器，光偏振控制器通过电光调制器连接第一调制单元，可编程光处理器携带有预设的数列信息，将预设的数列信息发送至电光调制器，电光调制器将接收的预设的将预设的数列信息加载在偏正控制后的偏振光上进行信息编码，得到调制后的单波长信号。
优选地，第一调制单元为第一光学准直器，第二调制单元为第二光学准直器。
优选地，光电解调单元为光电探测器。
优选地，一种多通道自由空间光通信系统还包括光学采样示波器和实时光学示波器，光学采样示波器连接第一光学放大器，实时光学示波器连接光电探测器，光学采样示波器用于采集放大后的接收光信号并生成眼图进行显示，光电探测器用于将接收的放大后的接收光信号转化为电信号，实时光学示波器用于显示接收的电信号。
上述一种多通道自由空间光通信系统，采用量子点锁模激光器可以产生一系列等间距、相位相干的光学频率梳，该光学频率梳可以有效地减少数据中心内部所需的电光调制单元与电光解调单元的数量，节约了系统搭建的投入成本，且每个光通道的传输能力得到了很大的提升，从而促进高效率的自由空间光通信技术的发展与应用。
附图说明
图1为本发明一实施例中一种多通道自由空间光通信系统的结构示意图；
图2为本发明一实施例中量子点锁模激光器的光功率随着时间的监测示意图；
图3为本发明一实施例中随机选取的第一光信号通道和第六光信号通道经过预设距离自由空间光通信之后的64Gbaud-PAM4调制的误码率分析图；
图4为本发明一实施例中与图3对应的眼图采集示意图，其中，图4（a）为随机选取的第一光信号通道经过预设距离自由空间光通信之后的64Gbaud-PAM4调制的眼图采集示意图，图4（b）为随机选取的第六光信号通道经过预设距离自由空间光通信之后的64Gbaud-PAM4调制的眼图采集示意图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图对本发明作进一步的详细说明。
在一个实施例中，如图1所示，一种多通道自由空间光通信系统，包括依次连接的量子点锁模激光器11、波分复用器13、多通道的自由空间光通信单元和与通信单元数量对应的光电解调单元，自由空间光通信单元包括依次连接的光偏振控制器14、光电调制单元、第一调制单元、第二调制单元和第一光学放大器22，第一光学放大器22连接光电解调单元，光电解调单元还用于连接上位机，
量子点锁模激光器11用于通过锁模的方式产生一系列等间距、相位相干的光学频率梳；波分复用器13用于将光学频率梳中各个不同波长的光信号分开来得到各个不同波长的单波长信号；光偏振控制器14用于改变单波长信号在光纤中的模场形式得到偏正控制后的偏振光；光电调制单元用于将预设的数列信息加载在偏正控制后的偏振光上进行信息编码，得到调制后的单波长信号；第一调制单元用于将调制后的单波长信号调制为平行光信号并发射至自由空间光中；第二调制单元用于接收经过预设距离的自由空间传输的平行光信号并调制成接收光信号；第一光学放大器22用于将接收光信号的光功率放大至预设功率大小，得到放大后的接收光信号；光电解调单元用于对放大后的接收光信号进行解调得到解调后的电信号并发送至上位机，以使上位机根据电信号和预设的数列信息得到误码率。
具体地，半导体量子点激光器通过锁模的方式产生一系列等间距、相位相干的光学频率梳。进一步地，锁模的方式包括被动锁模、主动锁模和混合锁模。每一个光频梳可以作为独立的光路通道进行通信传输。如图2所示为量子点锁模激光器11的光功率随着时间的监测情况，如图2所示，在一小时的持续工作过程中，半导体量子点激光器的输出光功率仅有0.06dB的波动，整体保持在+7.17dBm的水平，说明本发明的器件具有较好的稳定性。光频梳通过波分复用器13将光源中各个不同波长的光信号分开来，为之后各个光通道做不同的信号调制做准备；被滤出的单波长信号经过光偏振控制器14改变光信号在光纤中的模场形式以达到最高耦合效率。光功率在空间传输中的损耗将由第一光学放大器22进行补偿，光功率至少需要被放大到+5dBm才能被光电探测器24探测到，之后才可以进行测试与解调。
为了使得单通道的传播速率尽可能的大，相邻光梳之间的间距需要尽量宽一些，本案例中，本发明使用的是拥有100GHz重频的量子点锁模器件。
另外，自由空间光通信单元和测试单元的数量一致，包括至少两个，每个通道的自由空间光通信单元的结构以及每个通道的测试单元的结构都是一样的，通道的数量根据实际需求进行设置。
在一个实施例中，多通道自由空间光通信系统还包括第二光学放大器12，量子点锁模激光器11通过第二光学放大器12连接波分复用器13，第二光学放大器12用于对量子点锁模激光器11产生的光学频率梳进行光功率的放大，并将放大后的光学频率梳发送至波分复用器13。
具体地，在理想状态下，第二光学放大器，即紧跟着激光器的放大器，它主要用于补偿波分复用器的损耗，如果激光器自身功率够强，即单根光梳在经过波分复用器后仍有足够的功率（≥ 0dBm进入电光调制器），则第二光学放大器可以被省略。在实际情况中，波分复用器对光学频率梳会造成大约10dB的损耗，第二光学放大器12用于对量子点锁模激光器11产生的光学频率梳进行光功率的放大，对波分复用器产生的损耗进行补偿。
在一个实施例中，光电调制单元包括电光调制器16和可编程光处理器15，可编程光处理器15连接电光调制器16，光偏振控制器14通过电光调制器16连接第一调制单元，可编程光处理器15携带有预设的数列信息，将预设的数列信息发送至电光调制器16，电光调制器16将接收的预设的数列信息加载在偏正控制后的偏振光上进行信息编码，得到调制后的单波长信号。
具体地，经过偏正控制的偏振光将通过光纤耦合传到电光调制器16（MZM）进行信息编码，这一步中赋在光信号上的信息为可编程光处理器15发送的信息编码。这里的信息编码指预先设置好的数列信息，例如NRZ（不归零码）或者PAM4（4PulseAmplitudeModulation，四电平脉冲幅度调制）形式的数列，之后将加到光通道上进行传播。
在一个实施例中，第一调制单元为第一光学准直器17，第二调制单元为第二光学准直器21。
具体地，调制完的单波长信号将通过第一光学准直器17发射至自由空间光中，其作用主要将光纤中的发射光信号调制为平行光信号。经过一定距离的自由空间传输的光信号将通过第二光学准直器21接收，用于将传输的平行光信号调制为接收光信号。
在一个实施例中，光电解调单元为光电探测器24。
在一个实施例中，一种多通道自由空间光通信系统还包括光学采样示波器23和实时光学示波器25，光学采样示波器23连接第一光学放大器22，实时光学示波器25连接光电探测器24，光学采样示波器23用于采集放大后的接收光信号并生成眼图进行显示，光电探测器24用于将接收的放大后的接收光信号转化为电信号，实时光学示波器25用于显示接收的电信号。
具体地，将上一步放大后的光进行测试与验证，其中包含使用光学采样示波器23进行眼图的采集，光电探测器24作用为将接收到的光信号转化为电信号，实时光学示波器25用于显示接收的电信号，传播完成后再通过对接收信号的解调复原来推测传输过程的误码率情况，最后通过上位机根据电信号和预设的数列信息通过编程与算法计算得出误码率。
图3所示为随机选取的两个光信号通道（1和6）经过2米的自由空间光通信之后的64Gbaud-PAM4调制的误码率分析图，图4为图3对应的眼图采取示意图。从测试结果看，本发明的单通道就可具备64Gbaud-PAM4的调制速率，即128Gbit/s/波长。同时，这两个光信号通道的整体传输表现相差不大，说明本申请的光学频率梳具有较好的传输一致性，即每个光信号通道具有较均一的性能表现。
在一个最详细的实施例中，量子点锁模激光器11、第二光学放大器12、波分复用器（WDM）13、光偏振控制器14、可编程光处理器15、电光调制器（MZM）16、第一光学准直器17（发射端）组成光信号调制与发射端1，第二光学准直器（接收端）、第一光学放大器22、光学采样示波器23、光电探测器24和实时光学示波器25组成光信号接受与解调端2，详细步骤如下：步骤一：半导体量子点锁模激光器11通过锁模的方式产生一系列等间距、相位相干的光学频率梳。锁模方式包括被动锁模、主动锁模与混合锁模。每一个光频梳可以作为独立的光路通道进行通信传输。为了使得单通道的传播速率尽可能的大，相邻光梳之间的间距需要尽量宽一些，本发明使用的是拥有100GHz重频的量子点锁模器件。步骤二：第二光学放大器12将由激光器产生的光学频率梳进行光功率的放大。步骤三：放大后的光频梳通过波分复用器13，将光源中各个不同波长的光信号分开来，为之后各个光通道做不同的信号调制做准备。步骤四：被滤出的单波长信号经过光偏振控制器14改变光信号在光纤中的模场形式以达到最高耦合效率。步骤五：经过偏正控制的偏振光将通过光纤耦合传到电光调制器（MZM）16进行信息编码，这一步中赋在光信号上的信息为可编程光处理器15发送的预设的数列信息。步骤六：调制完的单波长信号将通过第一光学准直器17发射至自由空间光中，其作用主要将光纤中的发射光信号调制为平行光信号。步骤七：经过一定距离的自由空间传输的光信号将通过第二光学准直器21接收，它用于将传输的平行光信号调制为接收光信号。步骤八：光功率在空间传输中的损耗将由第一光学放大器22进行补偿。(光功率至少需要被放大到+5dBm才能被光电探测器探测到，之后才可以进行测试与解调)。步骤九：将上一步放大后的光进行测试与验证，光学采样示波器用于采集放大后的接收光信号并生成眼图进行显示，光电探测器用于将接收的放大后的接收光信号转化为电信号，实时光学示波器用于显示接收的电信号。误码率的计算通过后期的编程与算法而得出。
本发明提供了一种多通道自由空间光通信系统，得益于每个光通道超高速率的传输能力，该高重频光学频率梳可以有效地减少数据中心内部所需的电光调制单元与电光解调的数量，节约了系统搭建的投入成本，从而促进高效率的自由空间光通信技术的发展与应用。
为了实现上述目的，根据本发明实施的基于被动光频梳的多通道自由空间光通信系统，与现有技术相比，本发明基于超高频被动光频梳的多通道自由空间光通信系统具有如下有益效果：
（1）通过使用高增益、宽谱源的量子点材料，可以轻易的得到频率间距稳定的光信号通道，同时确保了产生的光信号具有较高的输出功率；（2）通过使用量子点材料独特的温度不敏感特性，使得该通信系统在室温下也可以稳定工作；（3）通过较短的锁模激光器腔长可以轻易的得到频率间距在几十乃至上百GHz的光通道，以此达到单通道超高速的传输能力，以及使用较少的光通道便可达到T级的光传输能力。
以上对本发明所提供的一种多通道自由空间光通信系统方法进行了详细介绍。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核心思想。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，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。
Claims (8)
1.一种多通道自由空间光通信系统，其特征在于，包括依次连接的量子点锁模激光器、波分复用器、多通道的自由空间光通信单元和与所述通信单元数量对应的光电解调单元，所述自由空间光通信单元包括依次连接的光偏振控制器、光电调制单元、第一调制单元、第二调制单元和第一光学放大器，所述第一光学放大器连接所述光电解调单元，所述光电解调单元还用于连接上位机，
所述量子点锁模激光器用于通过锁模的方式产生一系列等间距、相位相干的光学频率梳；所述波分复用器用于将所述光学频率梳中各个不同波长的光信号分开来得到各个不同波长的单波长信号；所述光偏振控制器用于改变所述单波长信号在光纤中的模场形式得到偏正控制后的偏振光；所述光电调制单元用于将预设的数列信息加载在所述偏正控制后的偏振光上进行信息编码，得到调制后的单波长信号；所述第一调制单元用于将所述调制后的单波长信号调制为平行光信号并发射至自由空间光中；所述第二调制单元用于接收经过预设距离的自由空间传输的平行光信号并调制成接收光信号；所述第一光学放大器用于将所述接收光信号的光功率放大至预设功率大小，得到放大后的接收光信号；所述光电解调单元用于对所述放大后的接收光信号进行解调得到解调后的电信号并发送至所述上位机，以使所述上位机根据所述电信号和所述预设的数列信息得到误码率。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述锁模的方式包括被动锁模、主动锁模和混合锁模。
3.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述量子点锁模激光器的重频为100GHz。
4.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，还包括第二光学放大器，所述量子点锁模激光器通过所述第二光学放大器连接所述波分复用器，所述第二光学放大器用于对所述量子点锁模激光器产生的光学频率梳进行光功率的放大，并将放大后的光学频率梳发送至所述波分复用器。
5.根据权利要求4所述的系统，其特征在于，所述光电调制单元包括电光调制器和可编程光处理器，所述可编程光处理器连接所述电光调制器，所述光偏振控制器通过所述电光调制器连接所述第一调制单元，所述可编程光处理器携带有预设的数列信息，将所述预设的数列信息发送至所述电光调制器，所述电光调制器将接收的所述预设的将预设的数列信息加载在所述偏正控制后的偏振光上进行信息编码，得到调制后的单波长信号。
6.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，所述第一调制单元为第一光学准直器，所述第二调制单元为第二光学准直器。
7.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，所述光电解调单元为光电探测器。
8.根据权利要求7所述的系统，其特征在于，还包括光学采样示波器和实时光学示波器，所述光学采样示波器连接所述第一光学放大器，所述实时光学示波器连接所述光电探测器，所述光学采样示波器用于采集所述放大后的接收光信号并生成眼图进行显示，所述光电探测器用于将接收的所述放大后的接收光信号转化为电信号，所述实时光学示波器用于显示接收的所述电信号。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication | ||
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Application publication date: 20220930 |