一种高阶模外差探测自由空间激光通信系统及通信方法

1.本发明属于通信技术领域，具体涉及一种高阶模外差探测自由空间激光通信系统及通信方法。


背景技术：

2.自由空间激光通信是以光为载波、自由空间为传输介质的通信技术，与微波通信相比具有带宽大、体积小、频谱资源丰富、抗电磁干扰等优点，在星间、星地通信、近地通信、灾区应急通信等等领域有着广泛的应用潜力，也是最后一公里全光通信链路架设的重要环节。近年来，人们对其关注度不断提高，国内外都在全面深入研究大气环境下的激光通信技术，并推动这项技术迈向工程实用化。
3.自由空间激光通信的传输介质是大气，大气湍流使光信号在空间传输时产生光强起伏、相位起伏、光束扩展、光束漂移等效应，导致自由空间激光通信系统性能下降。因此，补偿大气湍流效应是自由空间激光通信技术关键技术之一。
4.近年来，研究者利用少模光纤的大模场面积和多模式特性，提出了各种基于模式分集接收的大气湍流补偿方案，可以有效缓解大气湍流带来的负面效果，但值得注意的是，这些方案发射端均采用基模激光作为信号光发射到大气信道中进行信息传输，但在大气湍流的影响下，高阶模式比低阶模式有着更好的抗湍流性能，这就导致基模信号光受湍流影响更大，因此探究高阶模的信号光在自由空间激光通信系统中的传输性能是十分有意义的。


技术实现要素：

5.针对传统的外差探测自由空间激光通信系统使用基模信号光受湍流影响较大的问题，本发明提出一种高阶模外差探测的自由空间激光通信系统及通信方法，在发射端使用高阶模式信号光代替基模信号光进行传输，在接收端，采用多个高阶模式叠加的光作为本振光进行外差探测，在数字域中利用kramers-kronig(kk)算法恢复相位，重建信号的光场信息，具有抗大气湍流效果强、结构简单、系统稳定等优点。
6.为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
7.一种高阶模外差探测的自由空间激光通信系统，包括可调谐激光器模块1、信号发生模块2、电光调制模块3、高阶模式信号光激发模块4、大气湍流信道模块5、高阶模式本振光激发模块6、光电探测模块7及数字信号处理模块8；其中，可调谐激光器模块1的输出端口与电光调制模块3的一个输入端口连接，信号发生模块2的输出端口与电光调制模块3的另一个输入端口连接，电光调制模块3的输出端口连接高阶模信号光激发模块4的输入端口，高阶模式信号光激发模块4的输出端口与大气湍流信道模块5的输入端口连接，大气湍流信道模块5的输出端口与光电探测模块7的一个输入端口连接，高阶模式本振光激发模块6的输出端口与与光电探测模块7的另一个输入端口连接，光电探测模块7的输出端口连接数字信号处理模块8的输入端口。
8.进一步地，所述可调谐激光器模块1产生连续1550nm波长的光波，输出功率为10dbm；
9.所述信号发生模块2产生的射频信号经由射频线输出至电光调制模块3后进行调制；
10.所述电光调制模块3采用iq调制器，将信号产生模块2的射频信号以幅度、相位信息形式调制到可调谐激光器模块1所产生的光载波上。
11.进一步地，所述高阶模式信号光激发模块4，采用模式选择型光子灯笼，将电光调制模块3调制之后的信号光转化为所需要的高阶模式的信号光，插入损耗平均为2.5db，电光调制模块3的输出端口与光子灯笼的少模输入端口41连接，光子灯笼的单模输出端口42接入大气湍流信道模块5的输入端口。
12.进一步地，大气湍流信道模块5包括发射端光纤准直镜51、空间光调制器52、及接收端光纤准直镜53；所述高阶信号光激发模块4的输出端口连接发射端光纤准直镜51的输入端口，发射端光纤准直镜51的输出端口将调制好的信号光发射至自由空间，然后通过空间光调制器52对光束进行反射和扭曲，畸变光束通过接收端光纤准直镜53准直，经过少模光纤连接到光电探测模块7的输入端口；
13.所述空间光调制器52选用1920
×
1080像素的反射式相位空间光调制器。
14.进一步地，所述高阶模式本振光激发模块6，包括本地振荡激光器61及非模式选择型光子灯笼62，本地振荡激光器61的输出端口与非模式选择型光子灯笼62的单模输入端口连接，非模式选择型光子灯笼62将本地振荡激光器61产生的基模光转化为多个高阶模式叠加的本振光，光电探测模块7的输入端口连接高阶模式本振光激发模块6的少模输出端口；
15.所述本地振荡激光器61产生连续1550nm波长的光波，输出功率为0dbm。
16.进一步地，光电探测模块7包括3db耦合器71、光电探测器72及数字示波器73，大气湍流信道模块5的输出端口与3db耦合器71的输入端口711连接，非模式选择型光子灯笼62的少模输出端口与3db耦合器71的输入端口712连接，然后3db耦合器71的输出端口713与光电探测器72的输入端口连接，光电探测器72的输出端口与数字示波器73的输入端口连接，数字示波器73的输出端口与数字处理模块8的输入端口连接；
17.所述光电探测器72采用多模光电探测器，带宽为20ghz，接收3db耦合器71输出端的信号光，并将信号光转为电信号输出；
18.所述数字示波器73采用带宽为20ghz，采样频率为100gs/s采样。
19.进一步地，所述数字信号处理模块8，用于测量光电探测模块7输出的电信号，包括重采样，kk算法、正交不平衡补偿、时钟同步、频偏补偿、载波相位恢复及判决输出，实现信号质量的提升及噪声与干扰的补偿。
20.另一方面，本发明还提供了一种高阶模外差探测自由空间激光通信系统的通信方法，具体包括如下步骤：
21.由可调谐激光器模块产生连续光，提供光载波；射频信号由电光调制模块以幅度、相位信息的形式调制在光载波上，调制后的信号光经过高阶模式信号光激发模块激发出高阶模式的信号光，通过大气湍流信道模块发射到自由空间；在大气信道模拟部分，通过大气湍流信道模块的空间光调制器模拟大气湍流，使信道的折射率产生随机波动，对光束进行反射和扭曲，畸变光束通过接收端准直镜准直耦合到少模光纤中并接入光电探测模块，与
本地振荡器产生的高阶模式的本振光进行混频，再经过光电探测模块完成光电转换，最终在数字信号处理模块中完成光场重建，信号的补偿和恢复。
22.与现有技术相比，本发明的优点如下：
23.本发明的一种高阶模外差探测自由空间激光通信系统及通信方法，在发射端使用高阶模式信号光代替基模信号光进行传输，在接收端，采用多个高阶模式叠加的光作为本振光进行外差探测，较传统的基模外差探测自由空间激光通信系统相比，可以提升发射端发射功率的预算，具有抗大气湍流效果强、结构简单、系统稳定等优点。
附图说明
24.为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。在所有附图中，类似的元件或部分一般由类似的附图标记标识。附图中，各元件或部分并不一定按照实际的比例绘制。
25.图1为本发明的高阶模外差探测自由空间激光通信系统结构示意图；
26.图2为本发明的高阶模式信号光激发模块结构示意图；
27.图3为本发明的高阶模式本振光激发模块结构示意图；
28.图4为本发明的3db耦合器结构示意图；
29.图5为本发明的数字信号处理模块结构示意图；
30.图6为不同模式作为信号光时，系统在强，中，弱三种不同湍流情况下的误码率曲线；
31.其中，(a)为不同模式作为信号光时，系统在弱湍流(d/r0＝3.04)情况下的误码率曲线；
32.(b)为不同模式作为信号光时，系统在中湍流(d/r0＝9.37)情况下的误码率曲线；
33.(c)为不同模式作为信号光时，系统在强湍流(d/r0＝16.6)情况下的误码率曲线；
34.图7为不同模式作为信号光时，系统在强，中，弱三种不同湍流情况下的中断概率曲线；
35.其中，(a)为不同模式作为信号光时，系统在弱湍流(d/r0＝3.04)情况下的中断概率曲线；
36.(b)为不同模式作为信号光时，系统在中湍流(d/r0＝9.37)情况下的中断概率曲线；
37.(c)为不同模式作为信号光时，系统在强湍流(d/r0＝16.6)情况下的中断概率曲线；
38.图中：可调谐激光器模块1、信号发生模块2、电光调制模块3、高阶模式信号光激发模块4、大气湍流信道模块5、高阶模式本振光激发模块6、光电探测模块7及数字信号处理模块8、模选光子灯笼少模输入端41、模选光子灯笼单模输出端42、发射端光纤准直镜51、空间光调制器52、接收端光纤准直镜53、本地振荡激光器61、非模选光子灯笼62、非模选光子灯笼单模输入端621、非模选光子灯笼少模输出端622、3db耦合器71、3db耦合器输入端口711、3db耦合器输入端口712、3db耦合器输出端口713、光电探测器72、数字示波器73、数字信号处理模块8。
具体实施方式
39.下面将结合附图对本发明技术方案的实施例进行详细的描述，以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，因此只作为示例，而不能以此来限制本发明的保护范围。
40.需要注意的是，除非另有说明，本技术使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域技术人员所理解的通常意义。
41.实施例1
42.本实例建立了高阶模外差探测自由空间激光通信系统，其结构示意图如图1所示，由可调谐激光器模块1、信号发生模块2、电光调制模块3、高阶模式信号光激发模块4、大气湍流信道模块5、高阶模式本振光激发模块6、光电探测模块7及数字信号处理模块8组成；连接方式如下所述：
43.可调谐激光器模块1的输出端口与电光调制模块3的一个输入端口连接，信号发生模块2的输出端口与电光调制模块3的另一个输入端口连接，电光调制模块3的输出端口连接高阶模信号光激发模块4的少模输入端口41，高阶模式信号光激发模块4的单模输出端口42连接大气湍流信道模块5的发射端光纤准直镜51发射至大气信道，空间光调制器52对光束进行反射和扭曲，导致光波前畸变，畸变光束通过接收端光纤准直镜53准直连接3db耦合器71的输入端口711；本地振荡激光器61的输出端口连接非模选光子灯笼62的单模输入端口621，非模选光子灯笼62的单模输出端口622连接3db耦合器71的输入端口712，3db耦合器71的输出端口713连接光电探测器72，光电探测器的72输出端口连接数字示波器73的输入端口，数字示波器73的输出端口连接数字处理模块8。
44.在本实例中，所述可调谐激光器模块1选用的是nkt photonics公司的窄线宽激光器，产生连续1550nm波长的光波,输出功率为10dbm，窄线宽激光器相位噪声低，对本实例系统性能的影响较小；
45.所述信号发生模块2为型号fujitsu leia-dk的dac开发板，在本实例中，设定输出频率为4ghz射频信号，dac开发板产生的射频信号通过电缆线连接所述电光调制器模块3的电信号输入端口，并加载到光载波上，实现电信号到光信号的转换，产生8gbps的qpsk信号光；
46.所述电光调制模块3采用铌酸锂调制i/q调制器，将信号产生模块2的射频信号以幅度、相位信息形式调制到可调谐激光器模块1所产生的光载波上。
47.本实例所述高阶模式信号光激发模块4，其原理图如图2所示，采用模式选择型光子灯笼，插入损耗平均为2.5db，将电光调制模块3调制之后的信号光转化为lp
01
、lp
11
、lp
21
、lp
02
四种模式的的信号光，lp
11
、lp
21
、lp
02
三种模式的信号光作为本实例所使用的高阶模信号光，分别通过光子灯笼的单模输出端口42接入大气湍流信道模块5的输入端口，发射到大气信道。
48.本实例所述大气湍流信道模块5包括发射端光纤准直镜51、空间光调制器52、及接收端光纤准直镜53，所述空间光调制器52选用1920
×
1080像素的反射式纯相位空间光调制器，每个像素的大小为8um
×
8um；每个像素有256个灰度，并引入d/r0来表征大气湍流强度，其中，d为发射光束直径，r0为大气相干长度参数。其中，湍流模型采用修正von karman湍流模型，在该模型下的功率谱公式为
[0049][0050]
式中κ0＝2π/l0和κm＝5.92/l0，f是空间频率，fm为对应内尺度的频率、f0为对应外尺度的频率，l0为湍流内尺度，l0为湍流外尺度，r0是大气相干长度，和大气结构常数成反比。
[0051]
本实例所述高阶模式本振光激发模块6，其原理图如图3所示，包括本地振荡激光器61和非模式选择型光子灯笼62，所述本地振荡激光器61选用的是nkt photonics公司的窄线宽可调谐激光器，输出功率为0dbm，为满足kk关系的最小相位条件，本振光功率的中心频率f2调节至信号光中心频率f1的4ghz处，混频后信号由多模光电探测器转换为电信号。非模式选择型光子灯笼62平均插入损耗为3.5db，将本地振荡激光器61产生的基模光转化为多个高阶模式叠加的本振光用于相干检测。
[0052]
本实例所述光电探测模块7，其原理图如图4所示，包括3db耦合器71、光电探测器72及数字示波器73，所述3db耦合器71是一种180
°
混频器，本质上为外差检测。传统的外差检测的解调方式有同步解调和异步解调，但是这两种方法都需要保持本振光与信号光频率的严格匹配和相位的锁定，通常以光锁相环结构实现，成本高昂且实现相对困难。本文利用基于kramers-kronig(kk)关系的外差检测，通过光学前端得到的信号幅值信息，在数字域中进行光场重建，信号光与本振光需满足kk关系的最小相位条件即：(1)本振光幅值至少大于信号光幅值(2)本振光的中心频率位于信号光的频带范围之外，此时可以通过测量的中频信号恢复出原始信号的相位信息。
[0053]
所述光电探测器72采用北京康冠公司的多模光电探测器，带宽为20ghz，接收3db耦合器71输出端的信号光，并将信号光转为电信号输出。
[0054]
所述数字示波器73采用tektronix dsa72004c，带宽为20ghz，采样频率为100gs/s。
[0055]
本实例所述数字信号处理模块8用于测量光电探测模块7输出的电信号，其原理图如图5所示，采用离线处理，采用kk算法进行光场重建，恢复出原始信号的幅度和相位信息，采用gram-schmidt算法对iq不平衡进行补偿和正交化，gardner算法进行时钟同步，viterbi-viterbi算法对频偏与相位噪声进行补偿，最终通过判决输出，完成信号的解调接收。
[0056]
实施例2
[0057]
本实施例提供了一种高阶模外差探测自由空间激光通信系统的通信方法，具体包括如下步骤：
[0058]
首先设定可调谐激光器的输出功率为10dbm，波长为1550.12nm，为系统提供光载波；由dac开发板产生射频驱动信号，射频信号经由iq调制器调制到光载波上，产生8gbps的qpsk信号光，实现电信号到光信号的转换。调制后的光信号通过模选光子灯笼激发出lp
01
、lp
11
、lp
21
、lp
02
四种模式的信号光，分别经过发射端光纤准直镜发射到自由空间，入射到空间光调制器上。通过空间光调制器模拟大气湍流对光束进行反射和扭曲。畸变光束通过接收端准直器准直，然后耦合到少模光纤中，与高阶模本振光激发模块产生的多个高阶模叠加的本振光进行混频，再经过光电探测器完成光电转换，最终在数字信号处理模块中，首先
进行光场重建，然后进行信号的补偿和恢复，包括重采样，kk算法、正交不平衡补偿、时钟同步、频偏补偿、载波相位恢复及判决输出，完成系统的离线数字信号处理操作。
[0059]
由于少模中各模式之间的正交特性，每一个模式可以看作一个独立的信道。对于大气激光通信系统中fmf接收到的多个模式的信号光，如果给予另一束包含对应模式的本振光源进行混频，可以将其看作每个模式光信号与对应本振光源的混频，然后进行光电转换，则可以实现接收光信号每个模式的相干探测。检测光电流是每个模式对应光电流的和，本质上可以看作是一种对各模式相干探测后的等增益合并。
[0060]
图6给出了lp
01
模式作为信号光的传统外差探测系统和lp
11
、lp
21
、lp
02
三种模式分别作为信号光的高阶模外差探测系统在强，中，弱三种不同湍流情况下的误码率曲线。在低湍流强度下，ber＝3
×
10-4
时，高阶模信号光比基模信号光可以提升1-2db的发射功率预算，在中高湍流强度下，高阶模信号光比基模信号光可以提升2-4db的发射功率预算。
[0061]
图7给出了lp
01
模式作为信号光的传统外差探测系统和lp
11
、lp
21
、lp
02
三种模式分别作为信号光的高阶模外差探测系统在强，中，弱三种不同湍流情况下的中断概率曲线。在低湍流强度下，中断概率为20％时，高阶模信号光比基模信号光可以提升1-2db的发射功率预算，在中高湍流强度下，高阶模信号光比基模信号光可以提升2-5db的发射功率预算。由此可见，使用高阶模信号光的高阶模外差探测系统具有更好的抗大气湍流特性。
[0062]
以上结合附图详细描述了本发明的实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明的保护范围。
[0063]
另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合，为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。
[0064]
此外，本发明的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本发明的思想，其同样应当视为本发明所公开的内容。

技术特征：
1.一种高阶模外差探测的自由空间激光通信系统，其特征在于，包括可调谐激光器模块(1)、信号发生模块(2)、电光调制模块(3)、高阶模式信号光激发模块(4)、大气湍流信道模块(5)、高阶模式本振光激发模块(6)、光电探测模块(7)及数字信号处理模块(8)；其中，可调谐激光器模块(1)的输出端口与电光调制模块(3)的一个输入端口连接，信号发生模块(2)的输出端口与电光调制模块(3)的另一个输入端口连接，电光调制模块(3)的输出端口连接高阶模信号光激发模块(4)的输入端口，高阶模式信号光激发模块(4)的输出端口与大气湍流信道模块(5)的输入端口连接，大气湍流信道模块(5)的输出端口与光电探测模块(7)的一个输入端口连接，高阶模式本振光激发模块(6)的输出端口与与光电探测模块(7)的另一个输入端口连接，光电探测模块(7)的输出端口连接数字信号处理模块(8)的输入端口。2.如权利要求1所述的一种高阶模外差探测的自由空间激光通信系统，其特征在于，所述可调谐激光器模块1产生连续1550nm波长的光波，输出功率为10dbm；所述信号发生模块(2)产生的射频信号经由射频线输出至电光调制模块3后进行调制；所述电光调制模块(3)采用iq调制器，将信号产生模块(2)的射频信号以幅度、相位信息形式调制到可调谐激光器模块(1)所产生的光载波上。3.如权利要求1所述的一种高阶模外差探测的自由空间激光通信系统，其特征在于，所述高阶模式信号光激发模块(4)，采用模式选择型光子灯笼，将电光调制模块(3)调制之后的信号光转化为所需要的高阶模式的信号光，插入损耗平均为2.5db，电光调制模块(3)的输出端口与光子灯笼的少模输入端口(41)连接，光子灯笼的单模输出端口(42)接入大气湍流信道模块(5)的输入端口。4.如权利要求1所述的一种高阶模外差探测的自由空间激光通信系统，其特征在于，所述大气湍流信道模块(5)包括发射端光纤准直镜(51)、空间光调制器(52)、及接收端光纤准直镜(53)；所述高阶信号光激发模块(4)的输出端口连接发射端光纤准直镜(51)的输入端口，发射端光纤准直镜(51)的输出端口将调制好的信号光发射至自由空间，然后通过空间光调制器(52)对光束进行反射和扭曲，畸变光束通过接收端光纤准直镜(53)准直，经过少模光纤连接到光电探测模块(7)的输入端口；所述空间光调制器(52)选用1920
×
1080像素的反射式相位空间光调制器。5.如权利要求1所述的一种高阶模外差探测的自由空间激光通信系统，其特征在于，所述高阶模式本振光激发模块(6)，包括本地振荡激光器(61)及非模式选择型光子灯笼(62)，本地振荡激光器(61)的输出端口与非模式选择型光子灯笼(62)的单模输入端口连接，非模式选择型光子灯笼(62)将本地振荡激光器(61)产生的基模光转化为多个高阶模式叠加的本振光，光电探测模块(7)的输入端口连接高阶模式本振光激发模块(6)的少模输出端口；所述本地振荡激光器(61)产生连续1550nm波长的光波，输出功率为0dbm。6.如权利要求1所述的一种高阶模外差探测的自由空间激光通信系统，其特征在于，所述光电探测模块(7)包括(3)db耦合器(71)、光电探测器(72)及数字示波器(73)，大气湍流信道模块(5)的输出端口与(3)db耦合器(71)的输入端口(711)连接，非模式选择型光子灯笼(62)的少模输出端口与(3)db耦合器(71)的输入端口(712)连接，然后(3)db耦合器(71)的输出端口(713)与光电探测器(72)的输入端口连接，光电探测器(72)的输出端口与数字示波器(73)的输入端口连接，数字示波器(73)的输出端口与数字处理模块(8)的输入端口
连接；所述光电探测器(72)采用多模光电探测器，带宽为20ghz，接收3db耦合器(71)输出端的信号光，并将信号光转为电信号输出；所述数字示波器(73)采用带宽为20ghz，采样频率为100gs/s采样。7.如权利要求1所述的一种高阶模外差探测的自由空间激光通信系统，其特征在于，所述数字信号处理模块(8)，用于测量光电探测模块(7)输出的电信号，包括重采样，kk算法、正交不平衡补偿、时钟同步、频偏补偿、载波相位恢复及判决输出，实现信号质量的提升及噪声与干扰的补偿。8.如权利要求1所述的一种高阶模外差探测的自由空间激光通信系统的通信方法，其特征在于，具体包括如下步骤：由可调谐激光器模块产生连续光，提供光载波；射频信号由电光调制模块以幅度、相位信息的形式调制在光载波上，调制后的信号光经过高阶模式信号光激发模块激发出高阶模式的信号光，通过大气湍流信道模块发射到自由空间；在大气信道模拟部分，通过大气湍流信道模块的空间光调制器模拟大气湍流，使信道的折射率产生随机波动，对光束进行反射和扭曲，畸变光束通过接收端准直镜准直耦合到少模光纤中并接入光电探测模块，与本地振荡器产生的高阶模式的本振光进行混频，再经过光电探测模块完成光电转换，最终在数字信号处理模块中完成光场重建，信号的补偿和恢复。

技术总结
本发明公开了一种高阶模外差探测自由空间激光通信系统及通信方法，属于通信技术领域，包括可调谐激光器模块、信号发生模块、电光调制模块、高阶模式信号光激发模块、大气湍流信道模块、高阶模式本振光激发模块、光电探测模块及数字信号处理模块；可调谐激光器模块、信号发生模块均与电光调制模块连接，电光调制模块依次与高阶模信号光激发模块、大气湍流信道模块、光电探测模块连接连接；高阶模式本振光激发模块依次与光电探测模块、数字信号处理连接；本发明在发射端使用高阶模式信号光进行传输，在接收端采用多个高阶模式叠加的光作为本振光进行外差探测，在数字域中利用KK算法恢复相位，具有抗大气湍流效果强、结构简单、系统稳定优点。稳定优点。稳定优点。


技术研发人员：胡贵军 马文奇 杨帆 王海燕
受保护的技术使用者：吉林大学
技术研发日：2023.05.29
技术公布日：2023/8/9