CN107809300B - 一种基于波分解复用技术的点对多点空间激光通信*** - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于波分解复用技术的点对多点空间激光通信***。发射端的多波长载波信号，经空间‑光纤耦合装置入射到自由空间，后由第一光学天线正向射出，光信号由第二光学天线接收后经空间波分解复用器件将不同波长光信号分别聚焦，耦合进光纤阵列中的不同光纤中，再由第三光学天线组正向射出，通过大气信道传送至第四光学天线，由特定波长的接收模块组分别探测接收，实现多路信号传输。本发明使空间激光通信***的覆盖范围大幅扩大，解决了空间激光通信单点到多点同时传输信息的问题，对现代空间激光通信的组网技术具有重要意义。
Description
技术领域
本发明涉及自由空间激光通信技术，尤其是涉及了一种基于波分解复用技术的点对多点空间激光通信***。
背景技术
自由空间激光通信是指以激光作为载体，在大气或真空中传递数据信息的光通信技术。作为一种新兴的通信技术，自由空间激光通信结合了光纤通信与微波通信的优点，具有高速、便捷、安全、组网灵活、不受传统光纤缺点限制等独特优势，是解决光纤通信中骨干网到用户“最后一公里”传输瓶颈的有效途径，同时在近地轨道卫星之间的激光通信中也有重要的应用。
现阶段，关于点对点间自由空间激光通信***的研究已经比较成熟，但是，为了实现更加便捷、功能更加强大的自由空间激光通信，组网技术的发展势在必行。由于激光载波的频率较高，方向性很强，在具有高速、高安全性等优势的同时，也给组网技术带来了一定的困难。作为组网技术的基础，首先要实现单点到多点的同时信息传输。目前，国内外已提出了一些点对多点自由空间激光通信***方案，如2005年Scott W.Sparrold课题组提出以不同角度发射光信号并在反射弧面上加大发射角度将光信号传送至不同接收终端的组网方案、2016年姜会林课题组提出以新型旋转抛物面面型的光学天线搭建一点对多点同时空间激光通信***的方案等等，这些组网方法光能利用率较低，在一定程度上增大了对传输功率的要求，同时这些组网方法需要的光学天线设计复杂，增加了工艺上的难度和成本。因此，本发明提出基于空间波分解复用器件构建空间激光通信单点到多点的信息传输，为组网奠定基础，该方案具有覆盖范围大，组网灵活，所有节点均为空间可移动节点，可以满足空间激光通信各种场合的需要。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于波分解复用技术的点对多点空间激光通信***，能够实现单点到多点的同时自由空间激光传输。
本发明采用的技术方案如下：
本发明包括发射端和接收端，发射端包括激光器和第一光学天线，激光器和第一光学天线通过空间光耦合连接；在发射端和接收端之间设置空间波分解复用***，空间波分解复用***包括第二光学天线、空间波分解复用组合和第三光学天线组，第二光学天线输入端接收从第一光学天线发射出的空间光信号，第二光学天线输出端经空间波分解复用组合和第三光学天线组连接，第三光学天线组包括多个天线，发射出经空间波分解复用组合处理后的空间光信号到接收端。
所述的接收端包括第四光学天线组和接收模块组，第四光学天线组和接收模块组通过光纤连接，第四光学天线组接收来自第三光学天线组的空间光信号。第四光学天线组包括多个天线，接收模块组包括多个接收模块。
所述接收端的第四光学天线组接收到来自第三光学天线组的光信号后，经空间-光纤耦合装置耦合分别入射到接收模块组探测接收，得到信号数据。
所述的空间波分解复用***中，所述的空间波分解复用组合包括第二空间-光纤耦合装置、波分解复用器件和光纤阵列，第二光学天线经第二空间-光纤耦合装置通过空间光耦合连接到波分解复用器件的输入端，波分解复用器件输出端连接到光纤阵列的各输入端，光纤阵列的各输出端和第三光学天线组通过空间光耦合连接；所述波分解复用器件将接收到的不同波长光信号进行波长分路，分别聚焦耦合到光纤阵列的不同光纤中，光信号耦合成自由空间光后分别由第三光学天线组正向射出。
所述发射端包括激光器、第一光学天线、偏振控制器、信号源、电光调制器和第一空间-光纤耦合装置，激光器的输出端依次经偏振控制器、电光调制器和第一空间-光纤耦合装置耦合连接到第一光学天线，信号源连接到电光调制器；所述发射端的激光器发出的光信号经偏振控制器偏振调节后输入到电光调制器中，电光调制器将信号源的数字信号加载调制到光信号上，然后传输到第一空间-光纤耦合装置，第一经空间-光纤耦合装置耦合成自由空间光后由第一光学天线正向射出。
所述光纤阵列包含2根及以上不同光纤，每一根光纤聚焦接收不同波长的光信号。
所述光纤阵列中的光纤数量、第三光学天线组中的天线数量、第四光学天线组中的天线数量、接收模块组中的接收器件数量均相同。
所述接收模块组是能够接收并解调特定波长信号的接收机终端。
所述的接收模块组由电光调制器调制类型决定来选择结构类型。
本发明采用基于空间波分解复用器件作为自由空间激光通信组网的核心器件，可实现一点到多点的自由空间激光传输。本发明在减小组网技术复杂度的同时，同时实现了长距离、低功耗和轻量化的单点对多点自由空间激光传输，使空间通信***的覆盖范围大幅扩大，实现多点多信号的同时传输，同时本发明的发射点，中转点和各个接收点都是空间节点，实现了真正意义上的自由空间传输，这对现代空间激光光通信组网具有重要意义。
本发明的有益效果是：
本发明可实现单点对多点的同时自由空间激光传输，光能利用率高，增大了自由空间光通信***的覆盖范围，使空间激光通信***的覆盖范围大幅扩大。
本发明采用的空间波分解复用器件使整个***结构简单，且体积小、重量轻、耦合效率高，解决了空间激光通信单点到多点同时传输信息的问题，为空间激光通信组网提供核心器件支持，具有重要意义。
附图说明
图1为本发明***中的连接结构示意图。
图2为本发明***中的发射端模块的结构示意图。
图3为本发明***中的空间波分解复用***的结构示意图。
图中：1为激光器，2为第一光学天线，3为第二光学天线，4为空间波分解复用组合，5为第三光学天线组，6为第四光学天线组，7为接收模块组，8为偏振控制器，9为信号源，10为电光调制器，11为第一空间-光纤耦合装置，12为第二空间-光纤耦合装置，13为波分解复用器，14为光纤阵列。
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，本发明具体实施包括发射端和接收端，在发射端和接收端之间设置空间波分解复用***。
如图2所示，发射端包括激光器1、第一光学天线2、偏振控制器8、信号源9、电光调制器10和第一空间-光纤耦合装置11，激光器1的输出端依次经偏振控制器8、电光调制器10和第一空间-光纤耦合装置11耦合连接到第一光学天线2，信号源9连接到电光调制器10；所述发射端的激光器1发出的光信号经偏振控制器8偏振调节后输入到电光调制器10中，电光调制器10将信号源9的数字信号加载调制到光信号上，然后传输到第一空间-光纤耦合装置11，第一经空间-光纤耦合装置11耦合成自由空间光后由第一光学天线2正向射出。
如图1所示，接收端包括第四光学天线组6和接收模块组7，第四光学天线组6和接收模块组7通过光纤连接，第四光学天线组6接收来自第三光学天线组5的空间光信号。第四光学天线组6包括多个天线，接收模块组7包括多个接收模块。接收端的第四光学天线组6接收到来自第三光学天线组5的光信号后，经空间-光纤耦合装置耦合分别入射到接收模块组7探测接收，得到信号数据。
如图3所示，空间波分解复用***包括第二光学天线3、空间波分解复用组合4和第三光学天线组5，第二光学天线3输入端接收从第一光学天线2发射出的空间光信号，第二光学天线3输出端经空间波分解复用组合4和第三光学天线组5连接，空间波分解复用组合4包括第二空间-光纤耦合装置12、波分解复用器件13和光纤阵列14，第二光学天线3经第二空间-光纤耦合装置12通过空间光耦合连接到波分解复用器件13的输入端，波分解复用器件13输出端连接到光纤阵列14的各输入端，光纤阵列14的各输出端和第三光学天线组5通过空间光耦合连接；所述波分解复用器件13将接收到的不同波长光信号进行波长分路，分别聚焦耦合到光纤阵列14的不同光纤中，光信号耦合成自由空间光后分别由第三光学天线组5正向射出。
在本发明的具体实施中，激光器可选择通信波段的多波长激光器，空间波分解复用器件可选用现有的各类波分复用或解复用器件，如光纤型波分光复用器或解复用器(CWDM/DWDM)、基于超构表面的薄膜型波分解复用器等，光学天线可选用现有各种空间光准直器件及***，如透镜、光学望远***等，信号源、电光调制器、偏振控制器、空间-光纤耦合装置、解调器、光电探测器均可选用各种商业元器件。
本发明装置的多波长光载波由激光器1提供，经过电光调制器10加载信号，第一空间-光纤耦合装置11和第二空间-光纤耦合装置12用于自由空间和光纤之间光的耦合，第一光学天线2、第二光学天线3、第三光学天线组5和第四光学天线组6用于自由空间光的发射和接收。
本发明的实施例如下：
激光器发出四路波长分别为1548.5nm、1549.3nm、1550.1nm、1550.9nm的光信号经偏振控制器后输入到电光调制器中，电光调制器与信号源连接，信号源产生10Gb/s的伪随机二进制序列用以模拟实际应用中的调制信号，并加载到电光调制器上产生正交相移键控信号(QPSK)，正交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。
波分解复用***的第二光学天线收到来自第一光学天线射出的光信号后，经过光纤型密集波分解复用器(DWDM)进行波长分离，将四路不同波长光信号分别耦合到光纤阵列的不同光纤中。4路光信号经空间-光纤耦合装置分别耦合成自由空间光后分别由第三光学天线组正向射出。接收端的第四光学天线组接收到来自第三光学天线组的光信号后，经空间-光纤耦合装置耦合分别入射到接收模块组由解调器和光电探测器解调探测接收，得到信号数据。
上述描述中的实施方案可以进一步改变波长、不同波长载波数和传输速率等，且实施方案仅仅是对本发明专利的优选实施例进行描述，并非对本发明专利的构思和范围进行限定，在不脱离本发明专利设计思想的前提下，本领域中专业技术人员对本发明专利的技术方案作出的各种变化和改进，均属于本发明的保护范围。
Claims (4)
1.一种基于波分解复用技术的点对多点空间激光通信***，包括发射端和接收端；其特征在于：在发射端和接收端之间设置空间波分解复用***，空间波分解复用***包括第二光学天线(3)、空间波分解复用组合(4)和第三光学天线组(5)，第二光学天线(3)输入端接收从第一光学天线(2)发射出的空间光信号，第二光学天线(3)输出端经空间波分解复用组合(4)和第三光学天线组(5)连接，第三光学天线组(5)中的天线有多个不同的方向，第三光学天线组(5)发射出经空间波分解复用组合(4)处理后的空间光信号到接收端；
所述发射端包括激光器(1)、第一光学天线(2)、偏振控制器(8)、信号源(9)、电光调制器(10)和第一空间-光纤耦合装置(11)，激光器(1)的输出端依次经偏振控制器(8)、电光调制器(10)和第一空间-光纤耦合装置(11)耦合连接到第一光学天线(2)，信号源(9)连接到电光调制器(10)；激光器(1)选择通信波段的多波长激光器，发出多波长光载波，所述发射端的激光器(1)发出的光信号经偏振控制器(8)偏振调节后输入到电光调制器(10)中，电光调制器(10)将信号源(9)的数字信号加载调制到光信号上，然后传输到第一空间-光纤耦合装置(11)，第一经空间-光纤耦合装置(11)耦合成自由空间光后由第一光学天线(2)正向射出。
2.根据权利要求1所述的一种基于波分解复用技术的点对多点空间激光通信***，其特征在于：所述的空间波分解复用***中，所述的空间波分解复用组合(4)包括第二空间-光纤耦合装置(12)、波分解复用器件(13)和光纤阵列(14)，第二光学天线(3)经第二空间-光纤耦合装置(12)通过空间光耦合连接到波分解复用器件(13)的输入端，波分解复用器件(13)输出端连接到光纤阵列(14)的各输入端，光纤阵列(14)的各输出端和第三光学天线组(5)通过空间光耦合连接；所述波分解复用器件(13)将接收到的不同波长光信号进行波长分路，分别聚焦耦合到光纤阵列(14)的不同光纤中，光信号耦合成自由空间光后分别由第三光学天线组(5)正向射出。
3.根据权利要求1所述的一种基于波分解复用技术的点对多点空间激光通信***，其特征在于：所述的接收端包括第四光学天线组(6)和接收模块组(7)，第四光学天线组(6)和接收模块组(7)通过光纤连接，第四光学天线组(6)接收来自第三光学天线组(5)的空间光信号。
4.根据权利要求2所述的一种基于波分解复用技术的点对多点空间激光通信***，其特征在于：所述光纤阵列(14)包含两根及以上不同光纤，每一根光纤聚焦接收不同波长的光信号。
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