CN101490984B - 减少自由空间光通信中的串扰 - Google Patents

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Abstract

一种光发射机包括调制器、色散调节模块、以及光放大器。该光发射机被配置成在自由空间光通信信道上发射光脉冲。该调制器被配置成产生由数据进行幅度和/或相位调制的光载波。该色散调节模块被连接在该调制器和该放大器之间，并且被配置成通过改变从该调制器接收到的光脉冲的色散来改变所述接收到的光脉冲的时间宽度。

Description

减少自由空间光通信中的串扰
技术领域
本发明涉及光放大和自由空间光通信。
背景技术
考虑到安装传输光缆的高成本，自由空间光通信信道能够为点对点光通信信道提供一种廉价的替代方式。在自由空间光通信信道中，数据承载光束穿过传输区域而无需传输光波导的引导。这样，使用自由空间光通信信道就能够避免与安装传输光纤有关的成本。没有了这样的安装成本，就能够显著降低实施一个新的点对点光通信***的总成本。
没有传输光纤还降低了光通信***中的功率传输效率。特别地，数据承载光束的直径能够沿着自由空间光通信信道而发散。因此，与具有同样长度的光通信信道的基于光纤的光通信***相比，自由空间光通信***只能递送较小部分的所发射的光功率。
由于上述低效率的功率传输，所以自由空间光通信***的运行会十分不同于常规的光纤光传输***。通常，自由空间光通信***具有一个产生高输出光功率以补偿数据承载光束的发散的发射机。
发明内容
一些实施例提供被配置成用于在许多自由空间光通信***中发现的特殊情况的通信装置。这些情况可以包括高输出光强度。其中一些实施例包括这样的特征，所述特征支持高输出光功率，同时仍然在它们的光发射机内部仅产生少量的光串扰。
在第一方面中，一种装置包括光发射机。该光发射机包括调制器、色散调节模块、以及光放大器。光发射机被配置成在自由空间光通信信道上发射光脉冲。调制器被配置成产生由数据进行幅度和/或相位调制的光载波。色散调节模块被连接在调制器和该放大器之间，并被配置成通过改变从调制器接收到的光脉冲的累积色散来大大(substantially)改变所述接收到的光脉冲的时间宽度。
在第二方面中，一种方法包括：通过产生调制的光载波来产生光脉冲流，以及大大改变所述流的光脉冲的累积色散以产生相应的时间上变宽的光脉冲。该方法包括：对该时间上变宽的光脉冲进行光放大以产生相应的放大的光脉冲，以及经由自由空间光通信信道将该放大的光脉冲发射到光接收机。
附图说明
通过附图和对各说明性实施例的详细描述来更全面地描述各种实施例。然而，本发明还可以体现为各种形式，并且不限于在附图和对各说明性实施例的详细描述中所描述的实施例。
图1A示意性地说明一个包括自由空间光通信信道的市区点对点光通信***；
图1B示意性地说明一个包括自由空间光通信信道的卫星对卫星光通信***；
图2A是自由空间光通信***的一个实施例的框图，该实施例例如用于图1A-1B的光通信***中；
图2B是自由空间光通信***的一个可选实施例的框图，该实施例例如用于图1A-1B的光通信***中；
图2C是自由空间光通信***的另一个可选实施例的框图，该实施例例如用于图1A-1B的光通信***中；
图2D、图2E和图2F是自由空间光通信***的其他可选实施例的框图，这些实施例例如用于图1A-1B的光通信***中；
图3A是说明执行光通信的一种方法的流程图，该方法例如使用图2A、图2C、图2D和图2F的自由空间光通信***；
图3B是说明执行光通信的一种可选方法的流程图，该方法例如使用图2B、图2C、图2E和图2F的自由空间光通信***；以及
图4示意性地说明在图3A-3B的方法中数据承载流的示例性光脉冲的演变。
在附图和文字中，相同的附图标记指示具有类似功能的元件。
在附图中，为了更清楚地说明其中的一个或多个结构，一些特征的相对尺寸可能被夸大。
具体实施方式
图1A和图1B示出光通信***2A、2B的说明性的实施例，这些光通信***使用自由空间光通信信道3A、3B来传输数据承载光脉冲。图1A的自由空间光通信信道3A提供了在位于市区内的建筑物4之间的点对点光通信。每个通信建筑物4包括光发射机、接收机或收发机5，其被配置成在光通信信道3A上(即市区的大气空间中)进行单向或双向光通信。图1B的自由空间光通信信道3B提供了在沿轨道绕地球运行的卫星6之间的点对点光通信。每个卫星6还具有光发射机、接收机或收发机7，其支持在外层空间光通信信道3B上进行单向或双向通信。
在光通信***2A、2B中，自由空间光通信信道3A、3B既不引导数据承载光脉冲，也不引起所述光脉冲的大的色散。在没有这样的波导的情况下，数据承载光脉冲在自由空间光通信信道3A、3B中在它们的传播方向的侧向或横向扩散。因此，光通信***2A、2B的光发射机5、7通常以高电场强度来发射这样的数据承载光脉冲。
在一些光学介质中，由于所述介质的三阶电极化率，所以高电场强度产生大量的非线性光效应。该非线性光效应能够在通过这种介质传播的数据承载流中产生信道间的和/或信道内的串扰。自由空间光通信信道的光学介质通常具有等于零的或非常小的三阶电极化率，并且通常还承载低的电场强度，因为其中的数据承载光束的直径很大。因此，自由空间光通信信道通常产生很小的所述串扰。相反，在用于自由空间通信的光发射机的一些部件中，三阶电极化率可能具有很大的值。在一些这样的部件中电场强度也可能具有很大的值。因此，在用于自由空间光通信***的光发射机中通常存在产生大的串扰的风险。在这种光发射机的光放大器中，产生串扰的风险可能会特别高，因为光放大器可能使用其三阶电极化率具有很大的幅度并且在运行期间可能还支持高的光强度水平的介质。
光通信***2A、2B的各种实施例使用被配置成减少在所述光通信***的光发射机的光放大器中光串扰的产生的装置。在图2A-2F的自由空间光通信***10A、10B、10C、10D、10E和10F中说明一些这样的装置。
每个自由空间光通信***10A-10F包括：多信道光发射机12A、12B、12C、12D、12E和12F；自由空间光通信信道14；以及多信道光接收机16A、16B、16C。在其他实施例(未示出)中，可以用单独的波长信道器件来代替多信道光发射机12A-12F和多信道光接收机16A-16C。
多信道光发射机12A-12C包括N个光源18、N个光调制器20、Nx1光复用器22、第一色散调节模块24、光放大器26、以及光束准直光学器件28。
每个光源18在将被用来承载数据的波长信道上产生连续波(CW)光载波。光源例如是与电或光泵浦器件一起的常规的高功率、窄带激光器。
每个光调制器20将N个输入数字数据流(即输入数据1、...、以及输入数据N)中不同的一个幅度和/或相位调制到CW光载波上，该CW光载波是从对应的一个光源18中接收的。每个光调制器20将幅度和/或相位调制后的光载波(即具有其数据承载光脉冲流的光载波)输出到Nx1光复用器22。
Nx1光复用器22复用来自光调制器20的幅度和/或相位调制后的光载波，并将所得到的光束递送到第一调节模块24。Nx1光复用器22可以具有本领域技术人员公知的任何常规构造。
第一色散调节模块24大大增加或减少波长信道上的光脉冲的累积色散的幅度，光发射机12A-12C被配置成在该波长信道上发射数据。色散调节模块24会在接收的光脉冲中产生色散，该色散的幅度大于或等于约[(0.25×105吉比特每秒)/(BR)2][(1550nm)/λ]2皮秒每纳米(ps/nm)，或者甚至大于或等于[(0.5×105吉比特每秒)/(BR)2][(1550nm)/λ]2。所产生的色散的幅度还可以小于或等于约[(4×105吉比特每秒)/(BR)2][(1550nm)/λ]2ps/nm，或者小于或等于约[(2×105吉比特每秒)/(BR)2][(1550nm)/λ]2ps/nm。这里，(BR)2是调制产生的每波长信道光比特率的平方，单位是吉比特每秒(Gb/s)，以及λ是光载波的波长，单位是纳米。对于1.55微米的电信波长，示例性的色散调节模块24在约10吉比特每秒的比特率处可以产生约1000ps/nm或更多的色散，并且在约40吉比特每秒的比特率处可以产生约(1000/16)ps/nm或更多的色散。
在第一色散调节模块24中，大大改变累积色散会产生时间上大大变宽并且峰值强度大大减小的光脉冲。对于接收到的光脉冲，时间上大大变宽会使在光脉冲的一半最大强度处初始全部宽度增加约25％或更多，增加约300％或更多，例如大约335％。时间上大大变宽会使初始光脉冲的峰值强度减少约20％或更多，约67％或更多，并且甚至约93％。这种峰值强度的减少能够降低在光放大器26中串扰的发生。
第一色散调节模块24可以由多种集总光学器件构成。一种示例性器件是具有普通色散或异常色散的单模光纤卷(roll)。该光纤卷具有用于产生上述量的时间变宽和峰值强度减少的适当的长度。另一种示例性器件是光路，该光路包括衍射光栅以及一个或多个被配置成使光经历双程反射而离开该衍射光栅的反射镜。双程反射对光脉冲的累积色散产生期望的改变。一种这样的器件在2002年2月25日由Mark J.Schnitzer提交的美国专利申请No.10/082,870中进行了描述，该申请的全部内容被结合于此以作参考。其他示例性器件包括被配置成产生期望的色散改变的光纤布拉格光栅。根据以上的公开内容，本领域技术人员将能够制造用于第一色散调节模块24的各种器件。
光放大器26放大数据承载流的光脉冲以在输出数据承载流上产生相应的放大的光脉冲。光放大器26可以是任何常规的光放大器，例如掺稀土光纤放大器(比如掺饵光纤放大器)或拉曼放大器。
光束准直光学器件28准直所述输出流的放大的光脉冲以产生准直的数据承载光束，该准直的数据承载光束被引导到自由空间光通信信道14中。光束准直光学器件28将数据承载光束引向光接收机16A-16C。光束准直光学器件28可以包括一个或多个折射透镜和/或反射光学器件的任何常规组合，以用于执行这种准直和光束引导功能。
光发射机12A和12C还包括第二色散调节模块30。该第二色散调节模块30大大增加或减少接收到的放大的光脉冲的累积色散的幅度。在接收到的光脉冲中，累积色散的大大改变的幅度可以大于或等于约[(0.25×105Gb/s)/(BR)2][(1550nm)/λ]2皮秒每纳米(ps/nm)，或者甚至大于或等于[(0.5×105Gb/s)/(BR)2][(1550nm)/λ]2。对累积色散的改变的幅度还可以小于或等于约[(4×105Gb/s)/(BR)2][(1550nm)/λ]2ps/nm，或者小于或等于约[(2×105Gb/s)/(BR)2][(1550nm)/λ]2ps/nm。
通过大大改变色散，第二色散调节模块30产生了时间上大大变窄并且峰值强度大大变大的光脉冲。对于接收到的放大的光脉冲，即AOP，时间上变窄会使在放大的光脉冲AOP的一半最大强度处全部宽度减少约25％或更多，或者甚至会使在放大的光脉冲AOP的一半最大强度处全部宽度减少约75％或更多。色散的大大改变会使接收到的放大的光脉冲AOP的峰值强度增加约20％或更多，并且甚至会使峰值强度增加约400％或更多。第二色散调节模块30将变窄的光脉冲递送到光束准直光学器件28，以用于准直该光脉冲并将其发射到自由空间光通信信道14。
色散调节模块30可以是任何合适的常规集总器件。一种示例性器件是具有普通色散或异常色散的单模光纤卷。该光纤卷具有适于产生上述量的时间变窄和/或峰值强度增加的长度。另一种示例性器件是光路，该光路包括衍射光栅以及一个或多个被配置成使光经历双程反射而离开该衍射光栅的反射镜。该双程反射产生累积色散的改变，例如如在2002年2月25日由Mark J.Schnitzer提交的美国专利申请No.10/082,870中所描述的那样。其他示例性器件包括被配置成产生期望的色散改变的光纤布拉格光栅。根据以上的公开内容，本领域技术人员将能够制造用于第二色散调节模块30的示例性器件。
多信道光接收机16A-16C包括光束聚焦光学器件32、1xN光解复用器34、以及N个光解调器36。
光束聚焦光学器件32将从自由空间信道14接收到的该部分的发射光束聚焦到1xN光解复用器34的输入上。光束聚焦光学器件32可以包括本领域技术人员所公知的常规的折射光学透镜和/或常规的光学反射镜的任何合适的组合。
1xN光解复用器34根据波长信道来分离不同的光脉冲的数据承载流，并将每个所述流引向一个不同的光解调器36。光解复用器34可以包括本领域技术人员所公知的任何合适的常规解复用结构。
光解调器36从接收到的光脉冲流中恢复对应的数字数据输出流，即输出数据1、...、以及输出数据N。光解调器36可以具有本领域技术人员所公知的任何常规的形式。
光接收机16B和16C还包括色散调节模块38，该色散调节模块38被设置以接收来自光束聚焦光学器件32的光脉冲的数据承载流。色散调节模块38以使接收到的光脉冲时间上大大变窄并且峰值强度增强的方式来大大增加或减少接收到的光脉冲的累积色散的幅度。色散调节模块38对接收到的光脉冲的累积色散改变的量的范围可以与上面对于色散调节模块30所描述的改变的范围相同。色散调节模块38对接收到的光脉冲产生的时间上变窄和峰值强度增加的量的范围也可以与对于色散调节模块30所描述的范围相同。色散调节模块38将时间上变窄且峰值强度增强的光脉冲递送到1xN光解复用器34。
可以按照上面对于色散调节模块30所描述的那样来构造集总色散调节模块38。色散调节模块30和/或色散调节模块38例如可以被配置成产生总色散改变，所述总色散改变被选择以将放大的光脉冲AOP的时间宽度近似地返回到由第一色散调节模块24接收到的光脉冲的时间宽度。
在光发射机12A-12C中，光调制器20可以是常规的单级或多级器件。例如，光调制器20可以首先产生归零(RZ)光脉冲流，然后对该归零光脉冲中的各单独脉冲进行相位调制以承载N个输入数据流。
在光发射机12D-12F的一些实施例中，直接调制可以产生N个被顺序相位调制以产生承载N个输入数据流的相位调制的RZ光脉冲的光脉冲流。
图2D-2F的自由空间光通信***10D-10F包括已经描述过的自由空间光通信信道14和多信道光接收机16A-16C，并且还包括多信道光发射机12D-12F。多信道光发射机12D、12E和12F具有在图2A-2C的各自的多信道光发射机12A、12B和12C中所描述的元件。另外，在多信道光发射机12D-12F中，N个光源18和相关联的泵浦电路19代替了光发射机12A-12C的N个光源18和光调制器20。在多信道光发射机12D-12F中，每个光源18都是能够在N个波长信道之一中产生CW光载波的激光器，并且每个泵浦电路19被配置成对相关联的光源18进行直接幅度调制。直接幅度调制涉及将泵浦水平改变为高于激光阈值与低于激光阈值之间。直接幅度调制产生被N个输入数据流(即输入数据1、...、输入数据N)所调制的N个光载波。因此，在光发射机12D、12E和12F中的每一个中，光源18和相关联的泵浦电路19的组合起到调制器的作用。
图3A和3B说明经由例如图2A-2F的自由空间光通信***10A-10F中的自由空间通信信道来对数据进行光传送的方法40A-40B。方法40A-40B使得示例性光脉冲如在图4中示意性地示出的那样进行演变。
方法40A-40B包括产生承载了数字数据流的幅度和/或相位调制的光载波(步骤42)。调制的光载波的产生可以由例如激光器的直接幅度调制来引起，或者可以由例如激光器所产生的CW光载波的光调制来引起。幅度和/或相位调制的CW光载波的产生在光载波的波长信道中产生了输入光脉冲(IOP)流。幅度和/或相位调制可以由图2A-2C中的光调制器20之一来执行，或者可以由图2D-2F中的光源18和相关联的泵浦电路19的之一的组合来执行。
方法40A-40B包括大大改变每个输入光脉冲IOP的色散以产生相应的时间上大大变宽的光脉冲(TBOP)(步骤44)。如图4所示，时间上大大变宽的光脉冲TBOP具有低于相应的输入光脉冲IOP的平均光强度和峰值光强度。时间上大大变宽可使得在输入光脉冲IOP的一半最大强度处初始全部宽度增加约25％或更多，增加约300％或更多，例如335％。时间上大大变宽可使输入光脉冲IOP的峰值强度减少约20％或更多，约67％或更多。
在步骤44，可以通过使输入光脉冲IOP通过色散调节模块24来大大改变输入光脉冲IOP的色散。通过色散调节模块24的通路会大大增加或减少输入光脉冲IOP的色散例如以便产生最终累积色散，所述最终累积色散的幅度大于或等于约[(0.25×105Gb/s)/(BR)2][(1550nm)/λ]2ps/nm，或者大于或等于约[(0.5×105Gb/s)/(BR)2][(1550nm)/λ]2ps/nm。最终累积色散的幅度还可以小于或等于约[(4×105Gb/s)/(BR)2][(1550nm)/λ]2ps/nm，或者甚至可以小于或等于[(2×105Gb/s)/(BR)2][(1550nm)/λ]2ps/nm。
方法40A-40B包括对每个时间上变宽的光脉冲TBOP进行光放大以产生相应的具有较大时间积分总功率的放大的光脉冲(AOP)(步骤46)。可以通过在使每个时间上变宽的光脉冲TBOP通过光放大器26的同时泵浦该光放大器来执行光放大步骤46。如图4所示，放大会增加时间上变宽的光脉冲TBOP的时间积分功率，而不会显著地增加它的时间宽度。然而，每个放大的光脉冲AOP的峰值光强度低于在没有对光脉冲进行早先的时间变宽的情况下的峰值光强度。
由于峰值强度较低，所以放大的光脉冲AOP所产生的信道间的和/或信道内的串扰会少于在没有这样的基于色散的前置放大的变宽的情况下所产生的串扰。因此，在很容易产生串扰的光发射机的任何部分中，例如在光放大器的介质中，光脉冲以“时间上变宽的形式”被维持。在光强度高和/或光传播所通过的介质的三阶非线性极化率高的光发射机12A-12F的任何部分中，可以保持光脉冲是宽的。
方法40A-40B包括以将光脉冲递送到光接收机(例如光接收机16A-16F之一)的方式将放大的光脉冲AOP流发射到自由空间光通信信道(例如光通信信道14)(步骤48)。自由空间光通信信道可以是例如图1A的自由空间光通信信道3A中的两个建筑物之间的大气区域，或者可以包括例如图1B的自由空间光通信信道3B中的外层空间的区域。自由空间光通信信道在光发射机与光接收机之间提供了点对点通信，所述光发射机例如是执行发射的光发射机12A-12F中的任何一个，所述光接收机例如是接收所发射的数据承载光脉冲的光接收机16A-16F中的任何一个。
方法40A-40B包括大大改变每个放大的光脉冲AOP的累积色散以产生比相应的放大的光脉冲AOP时间上大大变窄的输出光脉冲(OOP)(步骤50)。该时间上大大变窄可使得放大的光脉冲AOP在一半最大强度处全部宽度减少约25％或更多，或者甚至可使得在放大的光脉冲AOP的一半最大强度处全部宽度减少约75％或更多。例如，如图4所示，输出光脉冲OOP可以大约具有相应的输入光脉冲IOP的时间宽度，所述输入光脉冲IOP的时间宽度又大大窄于相应的放大的光脉冲AOP。还如图4所示，时间上变窄还对光脉冲的平均强度和峰值强度产生相关联的增加。光脉冲的时间宽度和/或强度的这种改变对于由此后续的数据解调会是有利的。
在步骤50，方法40A包括在将光脉冲发射到自由空间通信信道之前对光脉冲的色散进行大大的改变，例如正如在图2A、2C、2D和2F的集总色散调节模块30中那样。
在步骤50，方法40B包括在从自由空间光通信信道接收到光脉冲之后对光脉冲的累积色散进行大大的改变，正如在图2B、2C、2E和2F的集总色散调节模块38中那样。
在一些实施例中，方法40A-40B还在将光脉冲发射到自由光通信信道之前以及从自由空间光通信信道接收到光脉冲之后都对光脉冲的累积色散进行大大的改变，正如在图2C和2F的集总色散调节模块30、38中那样。上述的光脉冲的色散的大大改变可以涉及将放大的光脉冲AOP的累积色散的幅度增加或减少至少[(0.25×105Gb/s)/(BR)2][(1550nm)/λ]2ps/nm，或者甚至[(0.5×105Gb/s)/(BR)2][(1550nm)/λ]2ps/nm或更多。
由于自由空间光通信信道通常是大气和/或外层空间，所以自由空间光通信信道不被预期对该放大的光脉冲进行在时间上的大大变宽。因此在步骤50，累积色散的改变会产生基本上具有相应的输入光脉冲(IOP)的累积色散和时间宽度的输出光脉冲(OOP)，其中在步骤50的累积色散的改变的幅度大约等于步骤44的累积色散的改变，并且符号与步骤44的累积色散的改变相反。
方法40A-40B还包括例如在图2A-2F的N个解调器36之一中从所得到的时间上变窄的光脉冲流中解调出数据(步骤52)。可以通过早先的光脉冲的时间上变窄来增强这种解调，因为所述的时间上变窄通常会增加光脉冲的峰值强度。还可以通过早先的光脉冲的时间上变窄来增强解调，因为所述时间上变窄通常会减少相邻光脉冲之间的重叠量。实际上，由步骤44的色散改变而产生的时间上变宽会引起相邻光脉冲之间的重叠，这种重叠会以其他方式干扰所述光脉冲流承载的数字数据流的正确解调。
根据公开内容、附图和权利要求书，本发明的其他实施例对于本领域技术人员来说将是显而易见的。

Claims (10)

1.一种用于自由空间光通信的装置，包括：
光发射机，其包括调制器、色散调节模块、以及光放大器，所述发射机被配置成在自由空间光通信信道上发射光脉冲；以及
其中所述调制器被配置成产生由数据进行幅度和/或相位调制的光载波；以及
其中所述色散调节模块被连接在所述调制器和所述放大器之间，并且被配置成通过改变从所述调制器接收到的光脉冲的色散来改变所述接收到的光脉冲的时间宽度。
2.权利要求1所述的装置，还包括第二色散调节模块，所述第二色散调节模块被连接以使通过了所述光放大器的光脉冲在时间上变窄。
3.权利要求2所述的装置，其中所述第二色散调节模块位于所述光发射机中。
4.权利要求2所述的装置，还包括：
光接收机，其被设置以从所述自由空间光通信信道中接收所发射的光脉冲；以及
其中所述第二色散调节模块位于所述光接收机中。
5.权利要求4所述的装置，还包括：
第三色散调节模块，其被连接以使通过了所述光放大器的光脉冲在时间上变窄，所述第三色散调节模块位于所述光发射机中。
6.权利要求2所述的装置，其中所述第二色散调节模块被配置成将在其中接收到的光脉冲的时间宽度减少20％或更多。
7.一种用于自由空间光通信的方法，包括：
通过产生调制的光载波来产生光脉冲流；
改变所述流的光脉冲的色散以产生相应的时间上变宽的光脉冲；
对所述时间上变宽的光脉冲进行光放大以产生相应的放大的光脉冲；以及
经由自由空间光通信信道将所述放大的光脉冲发射到光接收机。
8.权利要求7所述的方法，还包括：
改变已被光放大的光脉冲的色散以产生相应的时间上变窄的光脉冲。
9.权利要求7所述的方法，其中色散的改变将所述流的光脉冲的时间宽度增加至少25％。
10.权利要求7所述的方法，其中改变所述光放大的光脉冲的色散包括：将所述光放大的光脉冲的时间脉冲宽度减少20％或更多。
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