CN1419753A

CN1419753A - 自由空间的波分复用光通信系统

Info

Publication number: CN1419753A
Application number: CN01807212A
Authority: CN
Inventors: 李在升
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2000-03-27
Filing date: 2001-03-13
Publication date: 2003-05-21
Anticipated expiration: 2021-03-13
Also published as: AU2001244747A1; CN1208913C; US20030081294A1; KR20010092939A; JP2003529279A; KR100324797B1; WO2001073979A1

Abstract

本发明提供了一种自由空间的WDM光通信系统，该系统将接收到的通道耦合至一根光纤中，以在接收机端能使用光放大器，也能增加传输距离。使用包括聚光部件、光束到光纤耦合器和光纤耦合器的相同的光束发送和聚焦单元(LBET)，发送和接收的通道被分别耦合至自由空间和光纤中。本发明包括使用放大自发辐射，还提供了一种自由空间的光中继器，在传播过程中用增减复用功能对自由空间的WDM通道进行放大和再生。

Description

自由空间的波分复用光通信系统

技术领域

本发明涉及自由空间的波分复用光通信系统，其中光通过空气直接发送和接收。

背景技术

为通过各种网络实现波分复用(WDM)光通信，在某些不需要花费较高安装成本来敷设光纤的领域，需要通过自由空间直接发送和接收光的自由空间光通信方案。现有的自由空间光通信系统受大气不稳定性和天气不规律的严重影响。而且，由于单模光纤元件在接收端不能使用，因此，难以使用光放大器。

直至现在，自由空间的波分复用光通信不能将接收到的光耦合到现有的单模光纤上。因此，具有单模光纤的用于输入/输出端的各种WDM元件和前置光放大器不能用于接收端，这样很难补偿传输损耗。因此，发送端的光输出功率应该足够大，以完全补偿由于在天气变化中传输大约几千米而造成的大气损耗，因此，自由空间的光通信系统不能广泛地应用。而且，该方法计划用于聚集使用光环行器的光发送和接收设备，光环行器包括光纤输入/输出端。

D.R.Wisely等人曾在自由空间的光传输中使用单一的光通道，其中，在接收端用光电检测器代替光纤，直接与聚焦单元邻接(D.R.Wisely、M.J.McCullagh、P.L.Eardley、P.P.Smyth、D.Luthra、E.C.DeMiranda和R.Cole著，1996年出版，SPIE一书中，卷标2123，第108-119页的“运行在155Mbit/s的地面视线光自由空间链路”)。由于光电检测器的面积应被减小，正比于大大增加光耦合损耗的速率，当速率超过几Gbit/s时，此方案存在一个问题。

G.Nykolak等人介绍了一种使用多模光纤元件的自由空间的WDM光通信方案。(G.Nykolak、P.F.Szajowski、J.Jaxques、H.M.Presby、J.A.Abate、G.E.Tourgee和J.J.Aubm著，1999年出版，SPIE一书中，“1550nm的4×2.5Gb/sWDM自由空间光链路”)。虽然没有提供这些细节，可以相信，在接收端没有使用与聚焦单元邻接的光束到光纤耦合器如光纤梳状GRIN透镜(级别指数)，但是直接使用多模光纤代替。多模光纤元件的频道间隔比单模光纤元件的频道间隔宽，前置光放大器不适用于多模光纤。

I.I.Kim等人使用单通道，然而，单波长在现有的光放大器处不可用。而且，接收端没有使用任何的光放大元件(I.I.Kim、E.J.Korevaar、H.Hakaha、R.Stieger、B.Riley、M.Mitchell、N.M.Wong、A.Lath.C.Mourwund、M.Barclay、J.J.Schuster、AstroTerra Corp著，1999年出版，SPIE一书中，卷标3615，第11-22页的“STRV-2激光通信试验地面端的水平链路功能”)。而且，下述为保证稳定的光信号传输而作的本专利申请中提到的方法还未被试验过：

该方法中提供几个聚焦单元，以减小空气中的波动光路径效应。

该方法中，在接收端每个WDM光通道中使用前置光放大器。

该方法中，光中继器在传播过程中对光信号进行放大和再生。

该方法中，使用分光谱放大自发辐射作为光源，以使得本自由空间光通信申请中光信号强度能够减小。

发明内容

因此，本发明的目的在于通过弥补自由空间的光通信系统中的上述问题，提供更稳定的大规模WDM光通信。

本发明采用与聚焦单元邻接的光束到光纤耦合器，并将接收到的光信号耦合到单模光纤或多模光纤以加强光耦合效率，尤其是，采用单模光纤更可适用于前置光放大器。

附图说明

图1所示为自由空间的WDM光通信系统示意图。

图2所示为单通道自由空间的光通信系统示意图。

图3所示为多个WDM光通道的光束发射和聚焦单元的示意图。

图4所示为单一光通道的光束发射和聚焦单元的示意图。

图5所示为自由空间光中继器的示意图。

图6所示为双向自由空间光中继器的示意图。

图7所示为WDM光通信系统的接收部分示意图。

图8所示为单一通道的自由空间光通信系统的接收部分示意图。

具体实施方式

本发明涉及一种自由空间的波分复用光通信系统，其中包括新的方案，以降低传输损耗，提高现有的自由空间光通信系统传输信号的质量。本发明解决的问题如下：

1.单一的光束发射和聚焦单元可被使用WDM光纤耦合器或光环行器的发送和接收部分共用，其中，光环行器具有输入/输出端。

2.当WDM光通道通过使用光束发射和聚焦单元被接收时，用光束到光纤耦合器将接收到的通道集合到一根光纤中。因此，在接收端使用光放大器和波分分接器，而且来自发送端的光强度可被减小到超过10dB。

3.由于自由空间光通信中无规则的大气干扰和较高的传输损耗导致一些问题，为把来自诸如光束起伏的效应减至最小，在光束发射和聚焦单元提供至少一个聚焦单元。

4.为补偿自由空间中的传播过程中产生的被传输光信号的损耗，设置了自由空间光中继器。

5.由于其他相邻通道的被接收的通道功率随机变化，为每个通道提供一个前置光放大器，与波分分接器邻接，以将光增益波动减至最小。

6.由于存在随机的大气干扰，可通过使用放大自发辐射或分光谱放大自发辐射作为信号光，可解决导致被传输的通道功率无规则变化的起伏问题。

图1所示为自由空间的WDM光通信系统示意图。在光源部分1，至少存在一个光通道，具有不同中心波长的光通道被调制。虽然可以使用一个激光器二极管作为光源，但是它的相位波前在传播过程中不能被连续地稳定，但是由于存在大气的无规则的折射指数变化而无规则变化。这样，被传输的光通道在接收端被耦合到光纤中，由于存在路程差干扰，因此存在导致被接收的功率无规则波动的较大的起伏效应。据此，如果不输入信号而从光纤中得到的放大自发辐射在分光谱后被调制，由于放大自发辐射具有较宽的光带宽，因此路程差干扰效应很弱，因此具有和激光器相似或更好的通信质量。

上述WDM通道经过调制之后被WDM复用器2合并至一根光纤中。然后，WDM光通道经光辅助放大器3放大，并被发送到光环行器4中，然后，以光束6沿光束辐射和聚焦单元5延伸出来的轴向被传输到自由空间。同时，反向接收到的光通道也通过同样的光束辐射和聚焦单元5被耦合到光纤中。

光束辐射和聚焦单元5具有如图3和图4所示的结构，它被传输的光耦合至光纤中，其中，聚焦单元41、51具有Newtonian显微镜或SchmidtCassegrain显微镜的结构，例如将接收到的光聚到光束到光纤耦合器42、52中。在反方向上，光束辐射和聚焦单元5将光信号从光纤中发至自由空间。此方案使得前置光放大器8或28和波分分接器9既能应用于自由空间的光传输系统中，也能应用于光纤通信系统中。因此，此方案有助于补偿传输损耗，并能减小频域内的频道间隔。此外，光束到光纤耦合器42、52将接收到的光耦合至光纤的耦合效应对起伏有些不敏感。为减小由于被传输光束起伏而导致的被接收功率的变化，光束发射和聚焦单元44中聚焦单元41的数目比图3所示的要多。在这种情况下，需要光纤耦合器43来将同样数目的众多的光束到光纤耦合器42输出耦合至一单光纤中。光束到光纤耦合器42可以使用光纤梳状GRIN透镜(级别指数)或一根光纤，纤芯直径在端部逐渐变大。

回到图1，由于存在来自光束辐射和聚焦单元5的反射，被耦合到光纤中的接收到的光信号经过光环行器4，并被发送到滤光器7，滤光器7能阻止高功率光信号被传输而进入接收机端。经过滤光器7接收到的信号被前置光放大器8放大，然后，通过波分分接器9，在光检测部分10被检测。

由于存在影响相邻通道的增益进程的接受到的通道功率的波动，对每个通道可使用多个前置光放大器8，邻接于波分分接器9，这样可以防止整个交互通道增益特性不稳定。而且，当前置光放大器8在饱和模式下运行时，增益特性比较稳定。对如图2所示的单光纤通道的例子，波分复用器2和波分分接器9和图1相比可略去。前置光放大器28包括一个滤光器，以减小放大自发辐射效应。

在传输路径的中间位置可使用至少一个自由空间的光中继器56，以防止光损耗在传播过程中大量增加。图5所示为使用单自由空间光中继器56时的例子，其中，被传输的光信号被自由空间的光中继器56进行放大或再生，自由空间的光中继器56位于两个任意通信节点155和节点257之间的传输路径的中间位置。自由空间的光中继器56可使用一个光放大器对通过的光信号进行放大，而且，可通过使用一个电信号处理电路对该通过的光信号进行再生，就像现有的光纤通信系统中的再生中继器。

图6所示为双向自由空间光中继器的一种可能的结构，其中该中继器位于两个自由空间光通信节点间的传输路径的中间位置。该双向自由空间光中继器使用图1或图2中的光束发射和聚焦单元61、69，以将光通道在传输路径上耦合至光纤，并将放大的光通道发射回自由空间。通过左光束发射和聚焦单元61耦合的光信号通过光环行器63和滤光器64，滤光器64能够从光束发射和聚焦单元61中消除反射光。然后，光信号在光放大器65被放大，并被发送到光环行器68和其他光束发射和聚焦单元69，以发射回自由空间。该过程双向对称地进行。因此，经过右光束发射和聚焦单元69耦合至光纤的光信号经过光环行器68和滤光器67，滤光器67能消除来自光束发射和聚焦单元69的反射光。然后，光信号在光放大器66被放大，并被发送至光环行器63和其他光束发射和聚焦单元61，以发射回自由空间。

图7和图8所示为当图1和图2中的光束发射和聚焦单元仅用于接收目的时的示例，其中，耦合到光纤中的接收到的光信号通过前置光放大器78、88放大。然后，当存在多个WDM通道时，信号在通过波分分接器79后在光检测部分80被检测。只有存在一个通道时，才在光检测部分90被直接检测。在上述例子中，提供给光检测部分80相同数目的光电检测器作为通道数。

如果根据光通道的波长给上述自由空间光中继器提供减少或增加光通道的能力，还提供转换通道波长的能力，以对通道将被减少的远程节点进行修正，自由空间光中继器的位置还可作为通信节点，因此，有效地实现自由空间WDM光通信网络。

上述光环行器4、24、63和68可用较便宜的2×2或1×2光纤耦合器代替，然而，这种情况下由于使用了光纤耦合器，光损耗可能会增加。根据输入光的波长来分配不同输出端的WDM耦合器能解决损耗问题。如果WDM耦合器具有较高的隔离功能，就不再需要滤光器7、27、64和67，这样就能减少附加的成本。

本发明提供了一种新的WDM自由空间光通信系统和减少传输损耗的方法，和现有的自由空间光通信系统相比，能够提高传输信号的质量。和现有的系统相反，本发明在接收端使用单模光纤，这表示可以使用前置光放大器，也能实现通道频率间隔减少的高密度自由空间WDM光通信。此外，通过使用放大自发辐射、多个光束聚焦单元、通道专用前置光放大器和自由空间光中继器，能持续更稳定、更高的接收功率。而且，本发明由于发送和接收端共用一个单光束发射和聚焦单元，因此具有降低成本和系统大小的优点。

Claims

1.一种使用光束发送和聚焦单元的自由空间的光通信系统，包括：

一个光聚焦单元(51)，用于对自由空间入射的光束(50)进行聚焦；

一个光束到光纤耦合器(52)，用于将上述聚焦单元(51)的输出光耦合至一根光纤。

2.如权利要求1所述的自由空间的光通信系统，其特征在于，使用光纤梳状GRIN(等级指数)透镜作为上述光束到光纤耦合器。

3.如权利要求1所述的自由空间的光通信系统，其特征在于，使用在一端附近纤芯直径逐渐变大的光纤作为上述光束到光纤耦合器。

4.如权利要求1所述的自由空间的光通信系统，其特征在于：

上述光束发射和聚焦单元包括：

多个聚焦单元(41)；

光束到光纤耦合器(42)，其数目等于上述聚焦单元(41)的数目；

一个增加的光纤耦合器(43)，用于将上述光束到光纤耦合器(42)的输出耦合至单光纤中。

5.如权利要求1所述的自由空间的光通信系统，其特征在于，使用放大的自辐射作为光源。

6.如权利要求1所述的自由空间的光通信系统，其特征在于，使用分光谱放大的自辐射作为光源。

7.如权利要求1所述的自由空间的光通信系统，其特征在于，接收端包括：

一个光束发射和聚焦单元(85)，用于将以光束形式传输的光信号聚焦至一根光纤中；

一个前置光放大器(88)，用于对上述光束发射和聚焦单元(88)的输出进行放大；

一个光检测部分(90)，用于对上述前置光放大器(88)输出进行光检测。

8.如权利要求7所述的自由空间的光通信系统，其特征在于：

一个波分分接器(79)，对前置光放大器(78)逐通道的经波分复用的输出进行解复用，加到前置光放大器(78)的输出端，

上述波分分接器(79)输出被光检测部分(80)逐通道地单独检测。

9.如权利要求7所述的自由空间的光通信系统，包括：

一个光源部分(21)，用于产生一个需要发送的经过调制的光通道，

一个光辅助放大器(23)，用于对光源部分(21)的输出进行放大，

一个光环行器(24)，用于将上述光辅助放大器的输出发送到光束发射和聚焦单元(25)，光束发射和聚焦单元(25)设置于光束发射和聚焦单元(25)和滤光器(27)之间，因此，发送和接收单光通道。

10.如权利要求8所述的自由空间的光通信系统，包括：

一个光源部分(1)，用于产生几个需要以不同波长发送的调制光通道；

一个光波分复用器(2)，用于将上述光源部分(1)的耦合光通道耦合至一根光纤中；

一个光辅助放大器(3)，用于对上述波分复用器(2)的输出进行放大；

一个光环行器(4)，用于将上述光辅助放大器(3)的输出发送至光束发射和聚焦单元(5)，光束发射和聚焦单元(5)设置于光束发射和聚焦单元(5)和滤光器(7)之间，因此，发送和接收经过波分复用的光通道。

11.如权利要求8所述的自由空间的光通信系统，还包括：

多个前置光放大器，紧接于波分分接器(9)，用于各通道。

12.如权利要求8所述的自由空间的光通信系统，其特征在于，前置光放大器(8)紧接于上述波分分接器(9)，其数量根据通道数量增加。

13.自由空间的光中继器(56)，应用于如权利要求1所述的自由空间的光通信系统，在传输过程中对光信号沿传输路径进行放大和再生，传输路径位于任意的两个使用自由空间的光束相互通信的通信节点之间。

14.如权利要求13所述的，位于两个自由空间光通信系统之间的传输路径中间位置的自由空间的光中继器，包括：

一个光束发射和聚焦单元(60)，用于将传输的光通道耦合至一光纤中，并用于将放大的光发射回自由空间；

一个光环行器(63)，用于将上述光束发射和聚焦单元(60)的输出发送至滤光器(64)，并将经过光放大器(66)放大的光通道发送至上述光束发射和聚焦单元(60)；

一个滤光器(64)，用于消除从上述光束发射和聚焦单元(60)反射的光信号；

一个光放大器(65)，用于对上述滤光器(64)的输出进行放大；

一个光束发射和聚焦单元(69)，用于将传输的光信号耦合至一根光纤中，并再次将放大的光通道发射回自由空间；

一个光环行器(68)，用于将上述光束发射和聚焦单元(69)的输出发送至滤光器(67)，并将在光放大器(65)放大的光通道发送至上述光束发射和聚焦单元(69)；

一个滤光器(67)，用于消除从上述光束发射和聚焦单元(69)反射的光信号；

一个光放大器(66)，用于对上述滤光器(67)的输出进行放大。

15.如权利要求13所述的自由空间的光中继器，其特征在于，光通道根据波长数的需要增减。

16.如权利要求15所述的自由空间的光中继器，其中，结合一个波长转换器，使光通道的截止点可变化。

17.如权利要求9或10所述的自由空间的光通信系统，其特征在于，使用光纤耦合器代替上述光环行器。

18.如权利要求14所述的自由空间的光中继器，其特征在于，使用光耦合器代替上述光环行器。

19.如权利要求9或10所述的自由空间的光通信系统，其特征在于，使用WDM耦合器代替上述光环行器。

20.如权利要求14所述的自由空间的光通信系统，其特征在于，使用WDM耦合器代替上述光环行器。