一种高速的单光源双向自由空间激光通信系统的制作方法

本发明涉及自由空间激光通信技术，尤其是涉及了一种高速的单光源双向自由空间激光通信系统。

背景技术：

自由空间激光通信系统是指以激光光波作为载体，大气作为介质传输语音、数据、图像等信息的光通信系统。与传统的微波空间通信相比，自由空间激光通信结合了光纤通信与微波通信的优点，既利用激光作为载波保证大通信容量、高速率传输，又采用空间的通信方式，自由灵活，在移动目标之间、固定目标之间、移动目标和固定目标之间以及一些不宜铺设光纤的地域，如卫星与卫星、卫星与地面、卫星与飞机、海岛、海陆以及江河两岸之间的通信等等方面都有极大的应用潜力；在民用方面，市场上海量数据传输的瓶颈也急需解决。自由空间激光通信因其传输带宽大、隐蔽性好不易被截获、方向型好、抗干扰能力强、体积小、重量轻等优点，是空间信息传输最有竞争力的技术途径。

传统的无线光通信系统中基站和终端都需要装载激光发射/接收和自动跟踪瞄准捕获装置，在一定程度上增加了设备的体积和重量以及技术的复杂度。如果采用单一光源作为载波，将光源置于基站上，则可免去终端的激光发射器和自动跟踪瞄准捕获装置，减轻终端设备的体积、重量和功耗，有效降低了空间激光通信系统的应用限制。尽管已有一些方法可实现单光源下双向信号的传输，但普遍传输速率较低，仅达兆比特/秒。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供了一种高速的单光源双向自由空间激光通信系统，能够实现高速自由空间激光通信。

本发明采用电光调制器作为下行调制器件、反射式半导体光放大器作为上行调制器件，即可实现吉比特/秒信号的双向传输。本发明在减小终端设备技术复杂度和功耗的同时，实现了单光源下双向高速信号的空间传输，大大提高了双向传输速率，满足了现阶段空间激光通信技术发展的需要。

本发明采用的技术方案是包括基站和终端：

基站包括激光器、第一偏振控制器、第一信号源、电光调制器、光环形器、第一空间-光纤耦合装置、第一光学天线和第一接收模块，激光器经第一偏振控制器和电光调制器的光输入端通过光纤连接，电光调制器电的输入端与第一信号源通过电缆连接，电光调制器输出端经光环形器和第一空间-光纤耦合装置通过光纤连接，光环形器和第一接收模块通过光纤连接，第一空间-光纤耦合装置和第一光学天线通过空间光耦合连接；

终端包括第二光学天线、第二空间-光纤耦合装置、光耦合器、第二信号源、反射式半导体光放大器和第二接收模块，第二光学天线和第二空间-光纤耦合装置通过空间光耦合连接，光耦合器分别与第二空间-光纤耦合装置、反射式半导体光放大器和第二接收模块通过光纤连接，反射式半导体光放大器的电输入端和第二信号源通过电缆连接。

所述基站的激光器发出的光信号经第一偏振控制器偏振调节后输入到电光调制器中，电光调制器将第一信号源的数字信号加载调制到光信号，然后经光环形器传输到第一空间-光纤耦合装置耦合成自由空间光后由第一光学天线并正向射出。

所述终端的第二光学天线接收到来自第一光学天线的光信号后，经第二空间-光纤耦合装置耦合入射到光耦合器中，光耦合器接收的一部分光信号由第二接收模块探测接收，得到下行信号数据。

光耦合器接收的另一部分光信号入射到反射式半导体光放大器中，光信号经反射式半导体光放大器擦除再调制、放大并反射回光耦合器，再经第二空间-光纤耦合装置耦合回自由光空间，最后由第二光学天线逆向回射，回射的光信号依次由第一光学天线接收并耦合回第一空间-光纤耦合装置，再经过光环形器从其逆向输出端输出到第一接收模块探测接收，得到上行信号数据。

所述反射式半导体光放大器将接收到的光信号通过饱和放大擦除其上原有的幅值调制信息后，将第二信号源发出的电信号调制到擦除后的光信号上，并放大后经光纤反射回空间-光纤耦合装置。

本发明利用反射式半导体光放大器对已携带信号的光载波进行再调制的特殊性能，采用单一光源作为光载波，同时实现下行信号和上行信号的双向传输。

所述下行信号的传输格式和传输速率由电光调制器的调制类型和最高调制速率决定，其中传输格式根据电光调制器调制类型可为开关键控信号或差分相移键控信号，传输速率可达吉比特/秒。

所述上行信号的传输速率由反射式半导体光放大器的最高调制速率决定，传输格式为开关键控信号，传输速率可达吉比特/秒。

所述下行信号的传输速率大于所述上行信号的传输速率。

所述的第一接收模块采用光电探测器。

所述的第二接收模块由电光调制器调制类型决定：若电光调制器调制类型为开关键控信号，则第二接收模块采用光电探测器；若电光调制器调制类型为差分相移键控信号，则第二接收模块主要由第二偏振控制器、相位编码信号解调器和光电探测器构成，光耦合器输出端依次经第二偏振控制器、相位编码信号解调器后与光电探测器连接，光耦合器输出的信号经第二偏振控制器后，再经相位编码信号解调器解调后输入到光电探测器接收。

本发明的传输速率由基站部分的电光调制器和终端部分的反射式半导体光放大器自身的最高调制速率决定。其中对于终端部分，反射式半导体光放大器一般的最高调制速率至少能够达到吉比特/秒，因此使得本发明相比现有调制、放大、反射独立依次处理的结构模块和方式(现有这种结构的传输速率仅为兆比特/秒)提高了传输速率。

本发明的有益效果是：

本发明可实现双向吉比特/秒的自由空间激光通信，传输速率高，且仅需要单一光源，就能极大地提高双向自由空间激光通信系统的传输速率。

本发明终端设备体积小、功耗低、复杂度低，满足现阶段对高速自由空间激光通信系统的需求，对下一代高速长距离的双向自由空间激光通信技术具有重要的现实意义

附图说明

图1为本发明装置的连接结构示意图。

图2为本发明装置的一种接收模块的结构示意图。

图3为本发明装置的另一种接收模块的结构示意图。

图4为本发明实施例中下行信号经过自由空间激光传输后测得的眼图。

图5为本发明实施例中上行信号经过自由空间激光传输后测得的眼图。

图中：1为激光器，2为第一偏振控制器，3为第一信号源，4为电光调制器，5为光环形器，6为第一空间-光纤耦合装置，7为第一光学天线，8为第二光学天线，9为第二空间-光纤耦合装置，10为光耦合器，11为第二信号源，12为反射式半导体光放大器，13为第一接收模块，14为第二接收模块，15为光电探测器，16为第二偏振控制器，17为相位编码信号解调器。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

如图1所示，本发明双向通信系统包括基站和终端。

如图1所示，基站包括激光器1、第一偏振控制器2、第一信号源3、电光调制器4、光环形器5、第一空间-光纤耦合装置6、第一光学天线7和第一接收模块13，激光器1经第一偏振控制器2和电光调制器4的光输入端通过光纤连接，电光调制器4的电输入端与第一信号源3通过电缆连接，电光调制器4输出端经光环形器5和第一空间-光纤耦合装置6通过光纤连接，光环形器5和第一接收模块13通过光纤连接，第一空间-光纤耦合装置6和第一光学天线7通过空间光耦合连接。

如图1所示，终端包括第二光学天线8、第二空间-光纤耦合装置9、光耦合器10、第二信号源11、反射式半导体光放大器12和第二接收模块14，第二光学天线8和第二空间-光纤耦合装置9通过空间光耦合连接，光耦合器10分别与第二空间-光纤耦合装置9、反射式半导体光放大器12和第二接收模块14通过光纤连接，反射式半导体光放大器12的电输入端和第二信号源11通过电缆连接。

激光器发出的光信号经第一偏振控制器偏振调节后输入到电光调制器中，电光调制器与第一信号源连接，电光调制器的输出端与光环形器的正向输入端连接，经光环形器的正向输出端输入到第一空间-光纤耦合装置耦合到自由空间光中，由第一光学天线正向射出，经过一定距离的自由空间传输，再由第二光学天线接收并经过第二空间-光纤耦合装置耦合入光纤中后射入光耦合器中，一部分光由第二接收模块探测接收，得到下行信号数据。

另一部分光输入到反射式半导体光放大器中，反射式半导体光放大器与第二信号源连接，光信号经反射式半导体光放大器擦除再调制、放大并反射经过光耦合器，再经第二空间-光纤耦合装置耦合回自由空间，经第二光学天线逆向回射，经过一定距离的自由空间传输，由第一光学天线接收并经过第一空间-光纤耦合装置耦合到光纤中，经过光环形器后从光环形器的逆向输出端输出，由第一接收模块探测接收，得到上行信号数据。

如图2所示，反射式半导体光放大器12调制格式为开关键控信号，所述的第一接收模块13采用光电探测器15，即光环形器5的反向输出端口与光电探测器15连接。

如图2所示，若电光调制器4的调制格式为开关键控信号，所述的第一接收模块14采用光电探测器15，即光耦合器10的一个输出口与光电探测器15连接。

如图3所示，若电光调制器4的调制格式为差分相移键控信号，所述的第二接收模块14采用第二偏振控制器16、相位编码信号解调器17和光电探测器15，即光耦合器10的一个输出端经第二偏振控制器16后再经相位编码信号解调器17解调后与光电探测器15连接。

在本发明的具体实施中，激光器可选择通信波段的各种激光器，光学天线可选用现有各种空间光准直器件及系统，如透镜、光学望远系统等，电光调制器、偏振控制器、光环形器、空间-光纤耦合装置、反射式半导体光放大器、解调器、光电探测器均可选用各种商业元器件。

本发明装置的光信号由激光器1提供，下行信号经过电光调制器4加载，上行信号经过反射式半导体光放大器12加载，第一空间-光纤耦合装置6和第二空间-光纤耦合装置9用于自由空间和光纤之间光的耦合，第一光学天线7和第二光学天线8用于自由空间光的发射和接收。

对于接收模块，如图2，当第一接收模块和第二接收模块仅有一个光电探测器15，用于开关键控信号的接收检测；如图3中，当第二接收端由第二偏振控制器16，相位编码信号解调器17和光电探测器15构成，用于差分相移键控信号的接收检测。第二接收模块选择那种接收方案取决于第一信号源3发出的信号编码类型。

本发明的实施例如下：

本发明以调制传输10吉比特/秒的下行差分相移键控信号(DPSK)和1.25吉比特/秒的上行开关键控信号(OOK)为例进行实验验证。

激光器发出1550纳米的光经偏振控制器后输入到相位调制器中，相位调制器与第一信号源连接，第一信号源产生10吉比特/秒的伪随机二进制序列用以模拟实际应用中的调制信号，并加载到相位调制器上产生下行差分相移键控信号，下行差分相移键控信号经过空间-光纤耦合装置耦合到自由空间，由第一光学天线正向发射、空间传输、第二光学天线接收后，再由第二空间-光纤耦合装置耦合回光纤进入1：1耦合器中，一部分光经相位编码信号解调器解调后由光电探测器探测，探测的经过自由空间传输后的下行差分相移键控信号的眼图如图4所示。

另一部分光输入到反射式半导体光放大器，由第二信号源产生1.25吉比特/秒的伪随机二进制序列加载到反射式半导体光放大器上产生上行开关键控信号(OOK)，反射的上行开关键控信号(OOK)进入空间-光纤耦合装置耦合到自由空间，由第一光学天线正向发射、空间传输、第二光学天线接收后，由第一空间-光纤耦合装置耦合回光纤经过环形器的逆向输出端输出后并用光电探测器探测，探测的经过自由空间传输后的上行开关键控信号眼图如图5所示。

本发明实施例的反射式半导体光放大器的型号为SOA-RL-OEC-1550，体积为12厘米×15厘米×3厘米、重量约200克，由于其自身的调制速率在1.25吉比特/秒左右，因此本实施例能达到的最大传输速率也在1.25吉比特/秒左右。但具体实际操作中可以采用更高速率的反射式半导体光放大器，因此本发明结构应用中的最大传输速率不限于此。

由此可见，本发明技术效果显著，可用于双向的空间激光通信，双向传输速率高，且仅需要一个光源即可实现。