适用于长距离无线光通信的部分相干光束生成装置及方法与流程

1.本发明涉及一种适用于长距离无线光通信的部分相干光束生成装置及方法，属于无线光通信技术领域。


背景技术：

2.激光具有光能高、准直度高、相干性好等优点，因此特别适合于激光通信领域，特别在长距离传输时，部分相干光束能够平滑掉部分大气湍流引起的强度起伏，光束形状也保持得更好，采用部分相干光束其光能利用率无疑会更高。根据光束的相干度高低，光束分为高度相干光束和部分相干光束，并由空间相干长度表征光束的相干度，高度相干光束的空间相干长度长于部分相干光束。
3.在现有技术中，采用液晶空间光调制器生成部分相干光束的方法最为常用。例如，申请号为201710426728.4的一件中国发明专利申请提出了一项“相干度随时间可控变化的部分相干光束的产生装置及方法”的技术方案，通过控制液晶空间光调制器上的动态随机相位随时间变化规律，对入射光束进行相位调控，出射光束的空间相干长度由加载的动态相位的随机度所决定，生成相干度可调、可控的部分相干光束。该方案能够快速生成部分相干光束，且产生的光束的空间相干长度可按需调整。
4.但是，所述现有技术存在以下四点不足。第一，由于液晶空间光调制器其自身的物理特性，并不能在大功率激光照射环境下工作，因此，该方案只适用于低功率应用场合，可是，对于长距离无线光通信，如星地链路无线光通信，该方案则不适用。第二，该方案的核心技术措施为控制液晶空间光调制器动态随机相位随时间变化，但是，与gbps甚至更高的通信速率相比，液晶空间光调制器的刷新频率太低，在1khz以下，如果将该方案应用于无线光通信，会出现在一段时间范围内空间相干长度为零(成为非相干光)的情况，这样的光束不适用于无线光通信。第三，液晶空间光调制器在工作过程中本身吸收光束能量，造成高达75％的光束能量损耗。第四，液晶空间光调制器这种器件的造价也较高。


技术实现要素：

5.为了替代采用液晶空间光调制器生成部分相干光束的方案，避免因液晶空间光调制器的特点而给部分相干光束的生成带来诸如工作光功率低、调制刷新频率低、光能损耗高、器件造价高等弊端，我们发明了一种适用于长距离无线光通信的部分相干光束生成装置及方法。
6.本发明之适用于长距离无线光通信的部分相干光束生成装置其特征在于，如附图所示，恒温装置a与宽谱段激光器接触，恒流驱动器a与宽谱段激光器电连接；恒温装置b与窄线宽激光器接触，恒流驱动器b与窄线宽激光器电连接；恒温装置a、恒流驱动器a、恒温装置b、恒流驱动器b分别与控制器的输出端电连接；宽谱段激光器、窄线宽激光器、第一光纤分束器1、第二光纤分束器2、第一光谱仪、第二光谱仪、光纤合束器3、edfa(掺铒光纤放大器)、光纤模式转换器4、多模光纤5之间有线光连接，其中：宽谱段激光器的输出光纤接入第
一光纤分束器1，第一光纤分束器1的一个输出口与第一光谱仪连接，另一个输出口与光纤合束器3的一个输入口连接，窄线宽激光器的输出光纤接入光纤合束器3的另一个输入口，光纤合束器3的输出口与edfa的输入口连接，edfa的输出口与第二光纤分束器2 的输入口连接，第二光纤分束器2的一个输出口与第二光谱仪连接，另一个输出口与光纤模式转换器4连接，光纤模式转换器4的输出光纤接入多模光纤5；第一光谱仪、第二光谱仪还分别与控制器的输入端电连接；宽谱段激光器的中心波长、窄线宽激光器的中心波长以及 edfa的工作波长均为1550纳米，宽谱段激光器的谱段宽度为20～100纳米，窄线宽激光器的线宽为0.5～2纳米；多模光纤5备有若干根，彼此的色散常数τ不同，择一使用。
7.本发明之适用于长距离无线光通信的部分相干光束生成方法其特征在于，如附图所示，确定需要生成的部分相干光束的相干度γ，选定具有光谱常数α的宽谱段激光器和具有色散常数τ的某一多模光纤5，由公式γ＝[1+(ατ/t
c
)2]
‑
0.25
计算出相干时间t
c
；启动所述适用于长距离无线光通信的部分相干光束生成装置，宽光谱激光器、窄线宽激光器发出的光由光纤合束器3合束并由edfa放大后，再由第二光纤分束器2分出一部分光给第二光谱仪；第二光谱仪测量该束光的相干时间，a、当与所述计算出的相干时间t
c
相同，由第二光纤分束器2分出的另一部分光经由光纤模式转换器4和多模光纤5后输出需要生成的部分相干光束，b、当与所述计算出的相干时间t
c
不同，第二光谱仪向控制器发送相干时间差信号，由控制器据此向恒流驱动器a、恒流驱动器b发送控制信号，分别改变宽光谱激光器、窄线宽激光器的发光强度，从而改变光纤合束器3输出口输出的光的相干时间，使其与所述计算出的相干时间t
c
相同。
[0008]
本发明之适用于长距离无线光通信的部分相干光束生成方法其特征在于，如附图所示，由控制器根据以下公式控制恒流驱动器a、恒流驱动器b，实现部分相干光束的生成：
[0009][0010]
式中：γ为需要生成的部分相干光束的相干度，ξ＝i
coh
/i
pcb
，其中i
coh
为合束后的光束中来自窄线宽激光器的光的平均光强，i
pcb
为合束后的光束中来自宽谱段激光器的光的平均光强。
[0011]
本发明其技术效果如下所述。
[0012]
由于舍弃液晶空间光调制器，所以，因采用液晶空间光调制器给部分相干光束的生成带来的诸如工作光功率低、调制刷新频率低、光能损耗高、器件造价高等问题随之消失，例如：
[0013]
1、第一光纤分束器1、第二光纤分束器2、光纤合束器3、光纤模式转换器4、多模光纤 5等光纤器件均能适合大功率应用，即使经edfa(掺铒光纤放大器)放大，也不会损坏其后的光纤模式转换器4、多模光纤5；
[0014]
2、在有线光路中，各个光纤器件不存在“刷新频率”的问题；
[0015]
3、在有线光路中，各个光纤器件同样不存在对光束能量吸收的问题；看似第一光纤分束器1、第二光纤分束器2分别将光束分出一部分分别给第一光谱仪、第二光谱仪，然而，分光比例分别不大于10％、1％，并且，经edfa放大后，所分出的不大于10％形成的光能损失可忽略；另外，本发明采用两只激光器也有提高输出光功率的效果；
[0016]
4、相比于液晶空间光调制器，本发明中的各个光纤器件都具有成本低的优势。
附图说明
[0017]
附图1是本发明之部分相干光束生成装置结构示意图及部分相干光束生成方法各步骤关系示意图，该图同时作为摘要附图。
具体实施方式
[0018]
关于本发明之适用于长距离无线光通信的部分相干光束生成装置需要进一步说明的内容：
[0019]
宽谱段激光器为蝶形封装的超宽谱半导体激光器，谱段宽度为55纳米，发光的光功率为 22mw。
[0020]
窄线宽激光器为to封装的分布反馈式半导体激光器，线宽为1纳米，发光的光功率为 2mw。
[0021]
恒温装置a、恒温装置b的结构相同。在恒温装置a或者恒温装置b中，珀尔帖器件紧密贴合在热沉的下表面上，热敏电阻安装于所述下表面上；珀尔帖器件两极、热敏电阻两极均分别通过导线与温度控制器的对应引脚连接。
[0022]
恒温装置a与宽谱段激光器接触，或者恒温装置b与窄线宽激光器接触，是指宽谱段激光器、窄线宽激光器分别安装在恒温装置a、恒温装置b中的热沉的上表面上。
[0023]
恒温装置a或者恒温装置b分别与控制器的输出端电连接是指恒温装置a或者恒温装置b中的温度控制器分别与控制器的输出端电连接。
[0024]
恒流驱动器a、恒流驱动器b相同。恒流驱动器a或者恒流驱动器b的最大输出电流为 250ma，电流输出精度为0.5％。
[0025]
第一光纤分束器1、第二光纤分束器2均为拉锥型光纤分束器；第一光纤分束器1的分光功率比为90:10，10％光功率的输出口与第一光谱仪连接，90％光功率的输出口与光纤合束器3的一个输入口连接；第二光纤分束器2的分光功率比为99:1，1％光功率的输出口与第二光谱仪连接，99％光功率的输出口与光纤模式转换器4连接。
[0026]
第一光谱仪、第二光谱仪相同，均为近红外光谱仪。
[0027]
光纤合束器3为熔融拉锥型光纤合束器。
[0028]
edfa的最大输出功率为20dbm(接近100mw)。
[0029]
光纤模式转换器4为单多模式转换器。
[0030]
选用色散常数τ经验值为3.5ps/(nm.km)的多模光纤5，对应长度为20m、芯径为105μm，数值孔径为0.22。
[0031]
经过上述限定，本发明之适用于长距离无线光通信的部分相干光束生成装置能够生成相干度γ为25μm的部分相干光束。
[0032]
关于本发明之适用于长距离无线光通信的部分相干光束生成方法需要进一步说明的内容：
[0033]
如附图所示，由控制器根据对宽谱段激光器、窄线宽激光器中心波长的要求，分别向恒温装置a、恒温装置b发送温度控制信号，以使宽谱段激光器、窄线宽激光器分别工作在各自某一温度上。
[0034]
由控制器根据对宽谱段激光器谱段宽度、窄线宽激光器线宽的要求，分别向恒流驱动器 a、恒流驱动器b发送电流控制信号，以使宽谱段激光器、窄线宽激光器分别由某一
驱动电流驱动、分别发出具有各自某一平均光强的光。
[0035]
第一光谱仪检测到宽谱段激光器发出的光的实时中心波长、谱段宽度，当实时中心波长、谱段宽度与要求的中心波长、谱段宽度有偏差，则向控制器发送中心波长差信号、谱段宽度差信号，由控制器据此向恒温装置a、恒流驱动器a发送控制信号，通过升、降宽谱段激光器的工作温度分别使中心波长向长波、短波方向移动，通过增、减宽谱段激光器的发光强度分别增、减谱段宽度，使得实时中心波长、谱段宽度分别与要求的中心波长、谱段宽度相同。