基于光载无线技术的毫米波轨道角动量通信装置及方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及光通信技术领域，尤其涉及一种基于光载无线技术的毫米波轨道角动量通信装置及方法。
【背景技术】
[0002]毫米波，尤其是高频毫米波以其高带宽、受杂波影响小、电屏蔽性好等优点，近年来在通信领域得到了迅速发展。高频毫米波在大气中传输时，由于大气中水蒸气、氧分子的吸收作用，能量受到巨大衰减。对毫米波波段，总带宽达到上百GHz以上，60GHz，75-1 1GHz，120GHz以及大于300GHz的频段由于对应大气吸收峰，不需要申请无线电执照属于开放频段。与60GHz以及120GHz相比，10GHz频段的毫米波拥有相对较低的传输损耗以及更宽的传输窗口，在许多国家已经被定义为户外“千兆比特”无线数据传输频段。而传统电域产生毫米波信号需要高频电子设备，价格昂贵、系统复杂。
[0003]为解决毫米波在大气中传输时受到的严重大气衰减以及电域产生高频信号的高额成本，光载无线技术将毫米波的生成以及信号处理从电域搬移至光域，融合了光纤通信高带宽、低损耗、抗电磁干扰以及无线通信的灵活性等优点，成为业界研究的重点。而随着以高清电视、IPTV、云计算等高速数据业务以及智能终端的普及，通信速率迅猛提升。现有无线通信中，带宽资源的开发已趋于极限，资源不足限制了通信带宽的进一步提升。而单纯通过提高无线载波频率来进行扩容非常困难，即使采用了高阶编码以及信道共享技术等，迅速发展的现代通信系统仍然面临着传输速率提升困难的严峻挑战。
[0004]发展新的通信技术变的越来越重要。众所周知，作为信息载体的电磁波具有线动量以及角动量。而目前广泛研究的无线通信系统主要采用平面波，调制以及复用通常基于线动量来实现，其实现方式成熟、结构简单，但进一步提升信息传输容量非常困难。涡旋电磁波是指在传播方向上强度对称，但相位螺旋变化的电磁波束，是能够携带轨道角动量(Orbital Angular Momentum，轨道角动量)的结构化电磁波。因此在传统平面波携带信息的动量，相位、幅度、频率以及偏振态四个维度的基础上增加了一个新的维度一轨道角动量。不同的涡旋态用拓扑荷值I来表示，且理论上I来说具有无穷的正交区间。利用涡旋波束来搭载多级幅度/相位调制信息，能通过复用涡旋波束来实现容量以及频谱效率的倍增。同时，利用涡旋波束来搭载不同的数据信息，有望实现涡旋波束间数据信号的灵活交换以及高速信息处理。因此，轨道角动量正是可以用来进行高效信息传输的新的物理维度。
[0005]目前，利用轨道角动量这一新的维度在通信领域中的应用还处于起步阶段，一系列问题还有待进一步解决。在光通信中，由于单模光纤对轨道角动量模式的损伤，传输信道局限于空间以及特定的Vortex光纤。同时，不论是在光域还是无线领域，轨道角动量态调制速度慢，无法实现信号的高速加载，轨道角动量基本用于信号的复用。
[0006]因此，现有技术还有待于改进和发展。
【发明内容】
[0007]本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术的不足，提供基于光载无线技术的毫米波轨道角动量通信装置及方法，其能够解决由于单模光纤对轨道角动量模式的损伤，轨道角动量传输信道局限于空间以及特定的Vortex光纤，并且轨道角动量态调制速度慢，无法实现信号的高速加载的问题。
[0008]为了解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案如下:
基于光载无线技术的毫米波轨道角动量通信装置，其包括:光学毫米波相位调制链路、与光学毫米波相位调制链路相连接的环形发射天线阵和环形接收天线阵；所述光学毫米波相位调制链路用于将轨道角动量相位信息调制至光学毫米波信号的高阶上边带/下边带，经过高速光电探测器拍频后产生毫米波信号；所述环形发射天线阵用于将毫米波信号辐射至自由空间形成涡旋毫米波；所述环形接收天线阵用于接收涡旋毫米波。
[0009]所述光学毫米波相位调制链路为八路光学毫米波相位调制链路，其具体包括:激光光源、用于耦合激光光源输出光束的第一耦合器、用于调制光源并抑制奇数阶光边带得到两个二阶边带及中心光载波的马赫增德尔调制器、用于驱动马赫增德尔调制器对光源进行调制的RF射频发生器、用于过滤中心载波的梳状滤波器、用于滤波得到光载波二阶上/下边带并将轨道角动量相位信号映射调制至光载波上/下边带上的滤波调制单元、用于将光载波耦合进入光纤的第二耦合器、用于传输光载波的光纤、用于放大光载波的放大器和用于进行滤波并拍频产生携带轨道角动量相位信息的毫米波信号的高速滤波光电探测单
J L ο
[0010]所述毫米波信号通过25GHz的射频发生器驱动单一马赫增德尔调制器同时调制八路光源，在光域中实现射频源信号的四倍频产生10GHz的光学毫米波信号。
[0011]所述光学毫米波相位调制链路为八路光学毫米波相位调制链路，其具体包括:激光光源、用于耦合激光光源输出光束的第一耦合器、两个用于调制光源并抑制奇数阶光边带以及二阶边带得到两个四阶边带及中心光载波的马赫增德尔调制器、用于产生两个矢量正交的射频信号驱动马赫增德尔调制器对光源进行调制的RF射频发生器、功分器和相位延时器、用于过滤中心载波的梳状滤波器、用于滤波得到光载波四阶上/下边带和完整光载波，并将轨道角动量相位信号映射调制至光载波四阶上/下边带上的滤波调制单元、用于将光载波耦合进入光纤的第二耦合器、用于传输光载波的光纤、用于放大光载波的放大器和用于进行滤波拍频产生携带轨道角动量相位信息的毫米波信号的高速滤波光电探测单元。
[0012]所述毫米波信号通过12.5GHz的射频发生器驱动两个级联马赫增德尔调制器以及调控马赫增德尔调制器的偏置电压，在光域中实现射频源信号的八倍频产生10GHz的光学毫米波信号。
[0013]所述高速滤波光电探测单元包括:用于滤波的滤波器和进行拍频产生携带相位/幅度信息的高速光电探测器。
[0014]所述滤波调制单元包括:用于滤波的滤波器和用于将轨道角动量相位信号映射调制至光载波高阶上/下边带上的相位调制器。
[0015]基于光载无线技术的毫米波轨道角动量通信方法，其以轨道角动量为信息承载维度，具体过程如下:首先通过光学毫米波相位调制链路在光域将轨道角动量相位信息调制至光学毫米波信号的高阶上边带/下边带，并经过拍频产生携带轨道角动量相位信息的毫米波信号，所述毫米波信号通过环形发送天线阵将毫米波辐射至自由空间形成涡旋毫米波，最后所述毫米波通过环形接收天线阵进行接收解调，并采用混频器对接收到的毫米波信号进行下变频。
[0016]所述光学毫米波为八路，其波频段为10GHz微波频段。
[0017]有益效果:与现有技术相比，本发明所提供的基于光载无线技术的毫米波轨道角动量通信装置及方法，其包括光学毫米波相位调制链路、与光学毫米波相位调制链路相连接的环形发射天线阵和环形接收天线阵；所述光学毫米波相位调制链路用于将轨道角动量相位信息调制至八路光学毫米波信号的高阶上边带/下边带，经过高速光电探测器拍频后产生毫米波信号；所述环形发射天线阵用于将毫米波信号辐射至自由空间形成涡旋毫米波；所述环形接收天线阵接收涡旋毫米波；其采用轨道角动量作为一个新的信息承载维度，大幅提高毫米波通信容量以及频谱利用率，利用光载无线技术将毫米波的轨道角动量调制从电域搬移至光域，从而实现毫米波轨道角动量的高速调制，并利用天线阵将毫米波轨道角动量信号辐射至自由空间以及接收解调。本发明的毫米波轨道角动量通信装置突破了传统轨道角动量调制速度慢，解调复杂、效率低下等不足；兼具了光载无线通信的优势，可以利用光纤来实现毫米波轨道角动量信息的长距离传输；可拓展传统无线解调技术来实现毫米波轨道角动量的解调，保证了系统的便捷性。
【附图说明】
[0018]图1为本发明基于光载无线技术的毫米波轨道角动量通信装置示意图。
[0019]图2为本发明提供第一实施例的基于光载无线技术的毫米波轨道角动量通信装置示意图。
[0020]图3为本发明提供第二实施例的基于光载无线技术的毫米波轨道角动量通信装置示意图。
[0021]图4为本发明提供第三实施例的基于光载无线技术的毫米波轨道角动量通信装置示意图。
[0022]图5为本发明提供第四实施例的基于光载无线技术的毫米波轨道角动量通信装置示意图。
【具体实施方式】
[0023]本发明提供的基于光载无线技术的毫米波轨道角动量通信装置及方法，为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，以下对本发明进一步详细说明。应当理解，