基于直接调制DPSSL的无线光通信装置及其方法与流程

本发明是关于无线通信领域，特别涉及一种基于直接调制DPSSL的无线光通信装置及其方法。

背景技术：

随着高效率、高功率的激光二极管(Laser diode，LD)及其阵列的发展，激光二极管泵浦的固体激光器(Diode-pumped solid-state lasers，DPSSL)在各项性能指标和实现产业化方面取得了极大的进步。DPSSL具有峰值功率高、光束质量好、结构紧凑、稳定性好、寿命长、波长覆盖范围宽等优点。目前，它被广泛应用于工业激光加工、激光测距、激光显示、光学信息处理和光通信等领域。

早期对潜通信试验用的激光器几乎都是DPSSL，而且一般都是通过蓝绿光外调制法，即用外调制器调制连续或脉冲蓝绿光，产生光信号。但是，由于调制蓝绿光波段的外调制器(比如普克尔盒和声光调制器)的调制带宽较低，而且一般需要数百伏以上的驱动电压，所以该方法的应用受到了极大的限制。红外光外调制加波长变换法可以解决这一问题。该方法使用成熟的红外波段光电器件产生高速、大功率的红外光信号，然后经倍频晶体把红外光信号转换为绿光。虽然该方法可以得到较高的调制速率和光功率，但系统非常复杂，需要较多的光放大器等分立光学器件。

如何简单高效地产生高速、大功率、光斑质量优良的光信号是目前无线光通信亟待解决的问题。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是，克服现有技术中的不足，提供一种基于直接调制DPSSL的无线光通信装置及其方法。

为解决上述技术问题，本发明的解决方案是：

提供一种基于直接调制DPSSL的无线光通信装置，包括发射端装置和接收端装置；其特征在于，所述发射端装置包括：第一信号处理器、第一电压放大器、第一可调衰减器、偏压驱动模块、DPSSL和发射端透镜；其中，第一信号处理器、第一电压放大器、第一可调衰减器、偏压驱动模块和DPSSL依次相连，DPSSL的发射端与发射端透镜相对布置。

本发明中，所述DPSSL中包括位于同一光路上的LD、激光晶体和倍频晶体。

本发明中，所述发射端透镜为凸透镜，所述DPSSL位于发射端透镜的光束准直焦点位置。

本发明中，所述接收端装置包括：接收端透镜、光电探测器、第二电压放大器、第二可调衰减器和第二信号处理器；其中，光电探测器、第二电压放大器、第二可调衰减器和第二信号处理器依次相连，光电探测器与接收端透镜相对布置。

本发明中，所述接收端透镜为凸透镜，所述光电探测器位于接收端透镜的光束准直焦点位置。

本发明中，所述无线光通信装置的发射端装置和接收端装置分别带有耐压密封部件；所述发射端装置的第一信号处理器、第一电压放大器、第一可调衰减器、偏压驱动模块、DPSSL和发射端透镜安装在第一耐压密封部件中；其中，发射端透镜设于第一耐压密封部件的空腔中且第一耐压密封部件的壁上设有能透射激光的玻璃窗口，或者发射端透镜嵌于第一耐压密封部件的壁上；所述接收端装置的光电探测器、第二电压放大器、第二可调衰减器和第二信号处理器安装在第二耐压密封部件中；其中，接收端透镜设于第二耐压密封部件的空腔中且第二耐压密封部件的壁上设有能透射激光的玻璃窗口，或者接收端透镜嵌于第二耐压密封部件的壁上。

本发明进一步提供了基于直接调制DPSSL的无线光通信装置实现无线光通信的方法，包括步骤：

(1)发射端装置中的第一信号处理器产生并发出数据信号，该信号经过第一电压放大器的放大和第一可调衰减器的衰减后被送至偏压驱动模块，偏压驱动模块驱动DPSSL中的LD，使LD的工作电压处于线性范围内，并将电信号调制到光信号上；然后由DPSSL发出已调光信号，在经过发射端透镜后进入信道；

(2)已调光信号经信道传递到接收端装置中的接收端透镜，由其聚焦在光电探测器上，光电探测器将检测到的光信号转换成电信号，电信号经过第二电压放大器的放大和第二可调衰减器的衰减后被送至第二信号处理器，第二信号处理器对电信号进行处理。

本发明中，所述DPSSL发出已调光信号的过程包括：偏压驱动模块驱动波长为λ₁的LD，使该LD的工作电压处于线性范围内；由该LD发出的波长为λ₁的光用于泵浦激光晶体，产生波长为λ₂的光；最后通过倍频晶体将该波长为λ₂的光转变为波长为λ₃的光，λ₂＝2×λ₃。

发明原理描述：

本发明中，第一信号处理器用于产生和发出数据信号，第一电压放大器和第二电压放大器用于对信号进行放大处理，第一可调衰减器和第二可调衰减器用于对信号进行衰减处理，第二信号处理器用于接收和处理数据信号。

直接调制DPSSL可以保留直接调制激光二极管法和直接调制发光二极光法所具有的实现简单的优点，又可以克服它们在光斑质量和光功率上的不足。本发明提出之前，是否可以通过直接调制的DPSSL产生用于无线光通信的高速(比如300Mb/s以上)、长距离(比如100m以上)信号尚未被探索和研究，因为直接调制DPSSL的可行性曾长期不被看好。著名半导体公司OSRAM的研究人员曾指出，由于直接调制DPSSL最大的困难在于其调制带宽非常低(增益介质的上能级荧光寿命较长，故3dB带宽一般在2MHz以下)，所以不可能通过直接调制DPSSL产生10MHz以上用于激光显示的绿光信号。

为实现在有限的带宽中尽可能地提高传输速率，可以在直接调制DPSSL时通过利用现有软件无线电思想和各种数字信号处理技术。例如，通过采用正交频分复用技术(Orthogonal frequency division multiplexing，OFDM)将高速串行的比特信息动态分配到相互正交、频谱相互重叠的子载波上，使得每个子信道的传输特性能够近似理想，各个子载波可采用高阶调制格式，有效地提升系统的频谱效率和传输速率，实现高速的无线光通信。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、相对于现有技术中外调制法的系统复杂度高，而直接调制激光二极管法和直接调制发光二极光法在光斑质量和光功率上存在不足的缺陷，本发明具有峰值功率高、光束质量好、结构紧凑、稳定性好、实现简单等优点。

2、本发明结合软件无线电思想和各种数字信号处理技术(如OFDM技术)可以有效地提升直接调制DPSSL系统的频谱效率和传输速率，实现高速长距离的无线光信息传输，具有极大的研究价值和广阔的应用前景。

附图说明

图1为本发明中基于直接调制DPSSL的水下无线光通信装置的系统框架图。

图2为本发明中发射端装置结构框图。

图3为本发明中接收端装置结构框图。

图4为DPSSL的结构示意图。

图中的附图标记为：1发射端装置；10第一信号处理器；11第一电压放大器；12第一可调衰减器；13偏压驱动模块；14DPSSL；15发射端透镜；2接收端装置；20接收端透镜；21光电探测器；22第二电压放大器；23第二可调衰减器；24第二信号处理器。

具体实施方式

下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述。

首先需要说明的是，本发明中发射端装置1和接收端装置2中所用各电子元件(部件)均为成熟技术，且都有相应的市售产品。本领域技术人员在阅读理解申请文件的基础上，依据其掌握的软件无线电知识和各种数字信号处理技能完全可以再现本发明。

如图1所示的一种基于直接调制DPSSL的水下无线光通信装置包括发射端装置1和接收端装置2，能利用海水信道构成无线光通信系统。水下无线光通信装置应当包括具备空腔的耐压密封部件。(当然，如果作为陆上通讯使用，是不需要耐压密封部件的，只需将其替换为一般外壳部件即可。)

本实施例中的发射端装置1和接收端装置2分别带有耐压密封部件。其中：

发射端装置1如图2所示，包括：安装在第一耐压密封部件中的第一信号处理器10、第一电压放大器11、第一可调衰减器12、偏压驱动模块13、DPSSL 14和发射端透镜15；其中，第一信号处理器10、第一电压放大器11、第一可调衰减器12、偏压驱动模块13、DPSSL 14依次相连，DPSSL 14的发射端与发射端透镜15相对布置，且DPSSL 14位于发射端透镜15的光束准直焦点位置。发射端透镜15设于第一耐压密封部件的空腔中且第一耐压密封部件的壁上设有能透射激光的玻璃窗口，或者发射端透镜15嵌于第一耐压密封部件的壁上。

接收端装置2如图3所示，包括：安装在第二耐压密封部件中的接收端透镜20、光电探测器21、第二电压放大器22、第二可调衰减器23和第二信号处理器24；其中，光电探测器21、第二电压放大器22、第二可调衰减器23和第二信号处理器24依次相连，光电探测器21与接收端透镜20相对布置，且光电探测器21位于接收端透镜20的光束准直焦点位置。接收端透镜20设于第二耐压密封部件的空腔中且第二耐压密封部件的壁上设有能透射激光的玻璃窗口，或者接收端透镜20嵌于第二耐压密封部件的壁上。

其中，发射端透镜15和接收端透镜20均为凸透镜。第一信号处理器10用于产生并发出数据信号。偏压驱动模块13用于驱动DPSSL 14中的LD，使LD的工作电压处于线性范围内，实现将电信号调制到光信号上。第一电压放大器11和第二电压放大器22用于对信号进行放大处理。第一可调衰减器12和第二可调衰减器23用于对信号进行衰减处理。第二信号处理器24用于接收和处理数据信号。

DPSSL 14中包括位于同一光路上的LD、激光晶体和倍频晶体，具体结构可参考图4。以DPSSL 14产生绿光的过程为例：首先，偏压驱动模块驱动波长为808nm的LD，使该LD的工作电压处于线性范围内；然后，由该LD发出的波长为808nm的光泵浦激光晶体(如掺钕钒酸钇(Neodymium-Doped Yttrium Vanadate,Nd:YVO4)晶体)产生1064nm的红外光；最后，再通过倍频晶体(如磷酸钛氧钾(Potassium Titanyl Phosphate,KTP)晶体)将红外光转变为532nm的绿光；基于类似原理，DPSSL 14也可以产生蓝光。

基于直接调制DPSSL的水下无线光通信装置的具体运行流程为：

发射端装置1中的第一信号处理器10产生并发出数据信号，该信号经过第一电压放大器11的放大和第一可调衰减器12的衰减后被送至偏压驱动模块13，偏压驱动模块13将该信号调制到DPSSL 14上，由DPSSL 14发出已调光信号，经发射端透镜15后进入海水信道。已调光信号经海水信道传到接收端装置2中的接收端透镜20，由其聚焦在光电探测器21上，光电探测器21检测到光信号，并将光信号转换成电信号，电信号经过第二电压放大器22的放大和第二可调衰减器23的衰减后被送至第二信号处理器24，进行信号处理，这样完整的通信过程就实现了。

最后，需要注意的是，以上列举的仅是本发明的具体实施例。显然，本发明不限于以上实施例，还可以有很多变形。本领域的普通技术人员能从本发明公开的内容中直接导出或联想到的所有变形，均应认为是本发明的保护范围。