高速中紅外空間激光通信系統(tǒng)及通信方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種高速中紅外空間激光通信系統(tǒng)及通信方法，包括依次相連的第一激光器、近紅外高速電光調(diào)制器、光參量差頻器和發(fā)射天線，該近紅外高速電光調(diào)制器還與高速電信號(hào)單元相連，還包括與光參量差頻器相連的第二激光器；還包括依次相連的接收天線、光參量和頻器、近紅外高速光電探測器和高速電信號(hào)處理單元，還包括與光參量和頻器相連的第三激光器，發(fā)射天線通過大氣信道與接收天線通信；第一激光器產(chǎn)生的光波頻率為ωp1，第二激光器產(chǎn)生的光波頻率為ωs1，第三激光器產(chǎn)生的光波頻率為ωp2。本發(fā)明避免了高速中紅外通信器件的不成熟對(duì)中紅外空間激光通信速率的制約，可實(shí)現(xiàn)高速(幾十至上百Gbit/s)大容量光信息的空間通信傳輸與處理。
【專利說明】高速中紅外空間激光通信系統(tǒng)及通信方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于空間激光通信領(lǐng)域。具體的說，涉及到高速中紅外空間激光通信系統(tǒng)及通信方法。
【背景技術(shù)】
[0002]空間激光通信與微波及光纖通信相比，具有通信容量大、方向性好，防截獲及抗電磁干擾能力強(qiáng)、無需申請(qǐng)頻譜許可、器件尺寸和功耗小、可以和現(xiàn)有的光纖通信網(wǎng)絡(luò)融合、無需鋪設(shè)光纖線路等優(yōu)點(diǎn)，是實(shí)現(xiàn)空間高速、實(shí)時(shí)通信的有效手段。
[0003]基于器件成熟度的考慮，目前常規(guī)的空間激光通信系統(tǒng)普遍采用0.8μπκ1.064 μ m或1.55 μ m三個(gè)近紅外波段作為信息載波頻段。由于大氣信道的復(fù)雜性，波長較短的近紅外激光在傳輸過程中受大氣信道的干擾十分嚴(yán)重，比如波長越短，大氣散射效應(yīng)越強(qiáng)烈，且隨著能見度降低，這種散射效應(yīng)更明顯；又如大氣湍流效應(yīng)使得到達(dá)接收端的光束發(fā)生光強(qiáng)閃爍、相位畸變等現(xiàn)象，影響通信系統(tǒng)的質(zhì)量與通信鏈路的穩(wěn)定，且波長越短、光束受大氣湍流影響越劇烈。這些效應(yīng)均限制了空間激光通信系統(tǒng)的傳輸距離及通信質(zhì)量。
[0004]采用波長較長的3-5 μ m中紅外波段進(jìn)行空間激光通信具有明顯優(yōu)勢。首先，太陽輻射能量在這一波段比近紅外波段減小85%左右，因此中紅外波段空間激光通信受到的背景噪聲干擾?。黄浯?，大氣透過率在這一波段比近紅外波段增加10%左右，可以有效的提高光信號(hào)的空間傳輸距離；第三，波長越長，大氣散射強(qiáng)度越小，因此采用波長較長的中紅外波段，可以降低大氣對(duì)光信號(hào)的散射作用，從而減小信號(hào)傳輸時(shí)多路徑效應(yīng)所產(chǎn)生的碼間干擾，有助于降低通信誤碼率；第四，中紅外波段大氣閃爍指數(shù)比近紅外波段減小50%左右，光波受到大氣湍流強(qiáng)度起伏、光束漂移、光斑抖動(dòng)等效應(yīng)的影響明顯減小，有助于提高通信的穩(wěn)定性。
[0005]目前常規(guī)中紅外激光通信系統(tǒng)所采用的技術(shù)方案為:發(fā)射端采用較為成熟的中紅外量子級(jí)聯(lián)激光器(QCL)，通過控制激光器的驅(qū)動(dòng)電流將電信號(hào)加載到中紅外激光載波上，或者用一束近紅外飛秒激光照射QCL前晶面，通過光學(xué)手段實(shí)現(xiàn)信號(hào)的加載。在常溫條件下，量子級(jí)聯(lián)激光器的調(diào)制帶寬無法超越GHz，若想達(dá)到更高調(diào)制帶寬，則要求其工作在極低溫的苛刻環(huán)境下，短期內(nèi)無法實(shí)用化，這極大地限制了中紅外空間激光通信系統(tǒng)的信息傳輸速率。在接收端，通常采用中紅外波段高帶寬光電探測技術(shù)，將接收到的中紅外光信號(hào)直接利用中紅外探測器進(jìn)行光電探測實(shí)現(xiàn)信號(hào)的接收解調(diào)。目前適用于中紅外長波段的探測器主要有碲鎘汞(HgCdTe)探測器和量子級(jí)聯(lián)探測器(QCD)等，這些器件各有優(yōu)缺點(diǎn)，但在常溫工作條件下，其探測帶寬均很難達(dá)到百M(fèi)Hz量級(jí)。最新的研究結(jié)果表明，帶寬GHz以上的中紅外探測器需要工作在極低溫的苛刻環(huán)境下，短期內(nèi)無法實(shí)用化。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]為了克服上述中紅外空間激光通信系統(tǒng)信息傳輸速率低的問題，本發(fā)明提供了一種高速中紅外空間激光通信系統(tǒng)及通信方法。
[0007]本發(fā)明的第一種技術(shù)解決方案是:
[0008]一種高速中紅外空間激光通信系統(tǒng)，其特殊之處在于:包括發(fā)射端和接收端，發(fā)射端包括第一激光器、第二激光器、高速電光調(diào)制器、高速電信號(hào)單兀、光參量差頻器和發(fā)射天線，接收端包括接收天線、第三激光器、光參量和頻器、高速光電探測器和高速電信號(hào)處理單元；
[0009]所述第一激光器、高速電光調(diào)制器、光參量差頻器和發(fā)射天線依次相連，高速電光調(diào)制器與高速電信號(hào)單元相連，第二激光器與光參量差頻器相連；
[0010]所述發(fā)射天線通過大氣信道與接收天線通信；
[0011]所述接收天線和第三激光器分別與光參量和頻器相連，光參量和頻器、高速光電探測器和高速電信號(hào)處理單元依次相連；
[0012]所述第一激光器是能夠產(chǎn)生光波頻率為ωρ1的近紅外激光器，第二激光器是能夠產(chǎn)生光波頻率為《sl的中紅外連續(xù)激光器，高速電光調(diào)制器是近紅外高速電光調(diào)制器，第三激光器是能夠產(chǎn)生光波頻率為ωρ2的中紅外連續(xù)激光器，高速光電探測器是近紅外高速光電探測器；
[0013]所述光參量差頻器是能夠產(chǎn)生光場頻率為Oel=Copl-Cosl的光參量差頻器，光參量和頻器是能夠產(chǎn)生光場頻率為ω?=ωρ2+ω3?的光參量和頻器。
[0014]基于上述技術(shù)方案，本發(fā)明還做以下優(yōu)化限定和改進(jìn):
[0015]該系統(tǒng)還包括光域放大單元和預(yù)處理單元，該預(yù)處理單元是用于對(duì)接收到的光信號(hào)整形及放大的預(yù)處理單元，所述高速電光調(diào)制器通過光域放大單元與光參量差頻器相連，接收天線通過預(yù)處理單元與光參量和頻器相連；所述第一激光器是C波段激光器，高速電光調(diào)制器是C波段高速電光調(diào)制器，高速光電探測器是C波段高速光電探測器。
[0016]上述第一激光器是1.55 μ m波段激光器,高速電光調(diào)制器是1.55 μ m波段高速電光調(diào)制器，高速光電探測器是1.55 μ m波段高速光電探測器。
[0017]第二激光器是3.8 μ m波段激光器，第三激光器是LlOym波段激光器。
[0018]上述高速電光調(diào)制器是LiNb03電光調(diào)制器。
[0019]本發(fā)明的第二種技術(shù)解決方案是:
[0020]一種高速中紅外空間激光通信通信方法，其特殊之處在于:包括以下步驟:
[0021]I】近紅外高速光信號(hào)的產(chǎn)生:
[0022]利用近紅外高速電光調(diào)制器將高速電信號(hào)加載到第一激光器產(chǎn)生的近紅外通信光波上，產(chǎn)生近紅外高速光信號(hào)；
[0023]2】中紅外波段高速光信號(hào)的產(chǎn)生:
[0024]將步驟I】產(chǎn)生的近紅外高速光信號(hào)和第二激光器產(chǎn)生的中紅外波段光波同時(shí)輸入到光參量差頻器，利用光參量差頻器中的非線性介質(zhì)將步驟I】中的近紅外高速光信號(hào)轉(zhuǎn)移至中紅外波段光波上，產(chǎn)生中紅外波段高速光信號(hào)；
[0025]3】中紅外波段高速光信號(hào)的傳輸及還原:
[0026]步驟2】中產(chǎn)生的中紅外波段高速光信號(hào)通過發(fā)射天線進(jìn)入大氣信道進(jìn)行傳輸后由接收天線接收；接收到的中紅外波段高速光信號(hào)與第三激光器產(chǎn)生的中紅外波段光波同時(shí)輸入到光參量和頻器，利用光參量和頻器中的非線性介質(zhì)將中紅外波段高速光信號(hào)還原成近紅外高速光信號(hào)；
[0027]4】利用近紅外高速光電探測器對(duì)步驟3】中還原的近紅外高速光信號(hào)進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換后傳輸至高速電信號(hào)處理單元進(jìn)行后續(xù)處理。
[0028]為了保證更好的光信號(hào)傳輸質(zhì)量，上述步驟2】中，將步驟I】產(chǎn)生的近紅外高速光信號(hào)先經(jīng)過光域放大單元處理后，再與第二激光器產(chǎn)生的中紅外波段光波同時(shí)輸入到光參量差頻器；步驟2】中非線性介質(zhì)是能夠產(chǎn)生二階非線性差頻效應(yīng)的非線性介質(zhì)；上述步驟3】中接收天線接收到的中紅外波段高速光信號(hào)，先經(jīng)過預(yù)處理單元進(jìn)行整形和放大后，再與第三激光器產(chǎn)生的中紅外波段光波同時(shí)輸入到光參量和頻器；步驟3】中非線性介質(zhì)是能夠產(chǎn)生二階非線性和頻效應(yīng)的非線性介質(zhì)。
[0029]上述第一激光器是C波段激光器，高速電光調(diào)制器是C波段高速電光調(diào)制器，高速光電探測器是C波段高速光電探測器。
[0030]上述第一激光器是1.55 μ m波段激光器,高速電光調(diào)制器是1.55 μ m波段LiNb03電光調(diào)制器，高速光電探測器是1.55 μ m波段高速光電探測器，第二激光器是3.8 μ m波段激光器，第三激光器是1.10 μ m波段激光器。
[0031]本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是:
[0032](I)利用二階非線性光參量差頻效應(yīng)將近紅外通信波段的高速光信號(hào)調(diào)制到中紅外波段，解決了中紅外空間 激光通信系統(tǒng)中高速光信號(hào)產(chǎn)生時(shí)的速率瓶頸問題；
[0033](2)利用二階非線性光參量和頻效應(yīng)將中紅外波段的高速光信號(hào)還原至近紅外通信波段，解決了中紅外空間激光通信系統(tǒng)中高速光信號(hào)接收時(shí)的速率瓶頸問題；
[0034](3)利用成熟的近紅外波段器件實(shí)現(xiàn)了中紅外空間激光通信的高速光信號(hào)調(diào)制與探測，避免了高速中紅外通信器件的不成熟對(duì)中紅外空間激光通信速率的制約，使中紅外空間激光通信速率提高至幾十甚至百Gbit / s的量級(jí)；可實(shí)現(xiàn)高速(幾十至上百Gbit /s)大容量光信息的空間通信傳輸與處理；
[0035](4)利用二階非線性效應(yīng)實(shí)現(xiàn)高速光信號(hào)在1.55 μ m近紅外波段與3_5 μ m中紅外波段之間轉(zhuǎn)移，該過程響應(yīng)迅速、引入噪聲低，并且保證了信號(hào)光的強(qiáng)度信息和相位信息同時(shí)轉(zhuǎn)移，是一種對(duì)信號(hào)調(diào)制格式(尤其是相位調(diào)制格式)透明的轉(zhuǎn)移方式。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0036]圖1是本發(fā)明的原理示意圖；
[0037]圖2是中紅外空間激光通信高速信號(hào)的產(chǎn)生示意圖；
[0038]圖3是中紅外空間激光通信高速信號(hào)的接收示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0039]本發(fā)明的技術(shù)原理:
[0040]在二階非線性極化系數(shù)^2)不為零的非線性介質(zhì)中，若有兩個(gè)不同頻率的光波Q1和ω2同時(shí)入射，則在二階非線性的作用下，將產(chǎn)生頻率為ω3 = ω1+ω2的光場；若入射的兩個(gè)光波頻率為(^和ω3，則在二階非線性作用下，將廣生頻率為ω2= ω3_ωι的光場，這就是和頻光與差頻光的產(chǎn)生過程。且在這一過程中，各頻率對(duì)應(yīng)的波矢量ki (i=l，2，3)滿足I^k2-1i3 = O的相位匹配條件，同時(shí)，各頻率對(duì)應(yīng)的光電場振幅Ε(ω1; ζ)、Ε(ω2，ζ)和Ε(ω3，ζ)之間滿足下面的關(guān)系:
[0041]
【權(quán)利要求】
1.一種高速中紅外空間激光通信系統(tǒng)，其特征在于:包括發(fā)射端和接收端，發(fā)射端包括第一激光器、第二激光器、高速電光調(diào)制器、高速電信號(hào)單元、光參量差頻器和發(fā)射天線，接收端包括接收天線、第三激光器、光參量和頻器、高速光電探測器和高速電信號(hào)處理單元; 所述第一激光器、高速電光調(diào)制器、光參量差頻器和發(fā)射天線依次相連，高速電光調(diào)制器與高速電信號(hào)單元相連，第二激光器與光參量差頻器相連； 所述發(fā)射天線通過大氣信道與接收天線通信； 所述接收天線和第三激光器分別與光參量和頻器相連，光參量和頻器、高速光電探測器和高速電信號(hào)處理單元依次相連； 所述第一激光器是能夠產(chǎn)生光波頻率為ωρ1的近紅外激光器，第二激光器是能夠產(chǎn)生光波頻率為《sl的中紅外連續(xù)激光器，高速電光調(diào)制器是近紅外高速電光調(diào)制器，第三激光器是能夠產(chǎn)生光波頻率為ωρ2的中紅外連續(xù)激光器，高速光電探測器是近紅外高速光電探測器； 所述光參量差頻器是能夠產(chǎn)生光場頻率為c^1=Wpl-Wsl的光參量差頻器，光參量和頻器是能夠產(chǎn)生光場頻率為ω&=ωρ2+ω3?的光參量和頻器。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高速中紅外空間激光通信系統(tǒng)，其特征在于:該系統(tǒng)還包括光域放大單元和預(yù)處理單元，該預(yù)處理單元是用于對(duì)接收到的光信號(hào)整形及放大的預(yù)處理單元，所述高速電光調(diào)制器通過光域放大單元與光參量差頻器相連，接收天線通過預(yù)處理單元與光參量和頻器相連；所述第一激光器是C波段激光器，高速電光調(diào)制器是C波段高速電光調(diào)制器，高速光電探測器是C波段高速光電探測器。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的高速中紅外空間激光通信系統(tǒng)，其特征在于:所述第一激光器是1.55 μ m波段激光器，高速電光調(diào)制器是1.55 μ m波段高速電光調(diào)制器，高速光電探測器是1.55 μ m波段高速光電探測器。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的高速中紅外空間激光通信系統(tǒng)，其特征在于:第二激光器是3.8 μ m波段激光器,第三激光器是1.10 μ m波段激光器。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的高速中紅外空間激光通信系統(tǒng)，其特征在于:所述高速電光調(diào)制器是LiNb03電光調(diào)制器。
6.一種基于權(quán)利要求1至5任一權(quán)利要求所述的通信系統(tǒng)的通信方法,其特征在于:包括以下步驟: I】近紅外高速光信號(hào)的產(chǎn)生: 利用近紅外高速電光調(diào)制器將高速電信號(hào)加載到第一激光器產(chǎn)生的近紅外通信光波上，產(chǎn)生近紅外高速光信號(hào)； 2】中紅外波段高速光信號(hào)的產(chǎn)生: 將步驟I】產(chǎn)生的近紅外高速光信號(hào)和第二激光器產(chǎn)生的中紅外波段光波同時(shí)輸入到光參量差頻器，利用光參量差頻器中的非線性介質(zhì)將步驟I】中的近紅外高速光信號(hào)轉(zhuǎn)移至中紅外波段光波上，產(chǎn)生中紅外波段高速光信號(hào)； 3】中紅外波段高速光信號(hào)的傳輸及還原: 步驟2】中產(chǎn)生的中紅外波段高速光信號(hào)通過發(fā)射天線進(jìn)入大氣信道進(jìn)行傳輸后由接收天線接收；接收到的中紅外波段高速光信號(hào)與第三激光器產(chǎn)生的中紅外波段光波同時(shí)輸入到光參量和頻器，利用光參量和頻器中的非線性介質(zhì)將中紅外波段高速光信號(hào)還原成近紅外高速光信號(hào)； 4】利用近紅外高速光電探測器對(duì)步驟3】中還原的近紅外高速光信號(hào)進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換后傳輸至高速電信號(hào)處理單元進(jìn)行后續(xù)處理。
7.根據(jù)權(quán)利要求書6所述的通信方法，其特征在于: 所述步驟2】中，將步驟I】產(chǎn)生的近紅外高速光信號(hào)先經(jīng)過光域放大單元處理后，再與第二激光器產(chǎn)生的中紅外波段光波同時(shí)輸入到光參量差頻器；步驟2】中非線性介質(zhì)是能夠產(chǎn)生二階非線性差頻效應(yīng)的非線性介質(zhì)； 所述步驟3】中接收天線接收到的中紅外波段高速光信號(hào)，先經(jīng)過預(yù)處理單元進(jìn)行整形和放大后，再與第三激光器產(chǎn)生的中紅外波段光波同時(shí)輸入到光參量和頻器；步驟3】中非線性介質(zhì)是能夠產(chǎn)生二階非線性和頻效應(yīng)的非線性介質(zhì)。
8.根據(jù)權(quán)利要求書7所述的通信方法，其特征在于:所述第一激光器是C波段激光器，高速電光調(diào)制器是C波段高速電光調(diào)制器，高速光電探測器是C波段高速光電探測器。
9.根據(jù)權(quán)利要求書8所述的通信方法，其特征在于:所述第一激光器是1.55 μ m波段激光器，高速電光調(diào)制器是1.55 μ m波段LiNb03電光調(diào)制器，高速光電探測器是1.55 μ m波段高速光電探測器，第二激光器是3.8 μ m波段激光器，第三激光器是1.10 μ m波段激光器。`
【文檔編號(hào)】H04B10/114GK103701525SQ201310670434
【公開日】2014年4月2日 申請(qǐng)日期:2013年12月10日 優(yōu)先權(quán)日:2013年12月10日
【發(fā)明者】黃新寧, 韓彪, 謝小平, 胡輝, 汪偉, 段弢 申請(qǐng)人:中國科學(xué)院西安光學(xué)精密機(jī)械研究所