CN111901044B - 一种单光束相干光通信装置 - Google Patents

一种单光束相干光通信装置 Download PDF

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Abstract

本发明涉及相干光通信技术领域，尤其涉及一种单光束相干光通信装置，包括ARM‑PC联合控制模块和单光束相干通信***，所述ARM‑PC联合控制模块由ARM和PC组成，由ARM和PC组成的控制电路对单光束相干光通信***中的光源模块、编码模块和解码模块进行协同控制，实现单光束相光通信；所述ARM‑PC联合控制模块控制逻辑包括：初始化模式，用于完成对***的调整和校准；通信模式，用于控制通信***的光信息编码与解码,实现单光束相干光通信；本发明可以在***上电时，进入初始化模式先对***进行校准，在通信模式中，除了控制光源模块、编码模块和解码模块的正常工作外，同时监测***的工作点，当检测到工作点发生漂移时，则启用纠正控制方案对工作点进行调节纠正，使之回到正常状态。

Description

一种单光束相干光通信装置
技术领域
本发明涉及相干光通信技术领域，尤其涉及一种单光束相干光通信装置。
背景技术
在量子光通信领域，用连续变量相干光通信实现量子密钥分发是一种安全高效的密钥传输方式。这种技术不但能与现有的光通信技术对接，而且相较于离散变量量子密钥分发技术，具有低成本、检测效率高等优势。目前，连续变量相干光通信技术是根据马赫-曾德尔干涉原理，把信号光与本振光分开传输，两束光在自由空间中受到不同环境影响，且在接收端难以把两束光重新耦合成一束光，影响了实验的稳定性和可靠性。而基于Stokes参量的单光束相干光通信方式，利用偏振复用原理，把一束线偏振光
Figure GDA0003271984890000011
分解为两个正交分量
Figure GDA0003271984890000012
其中小的偏振分量
Figure GDA0003271984890000013
经过编码作为信号光，大的分量
Figure GDA0003271984890000014
作为本振光，这样就能够用单一光束实现相干光通信，克服了双光束相干光通信存在的缺点。然而这种单光束相干光通信技术，其通信***的控制逻辑和控制对象较多，有光源模块、编码模块、解码模块、ARM控制板、采集卡以及各个模块对应的硬件驱动，各个模块有各自的特性和功能。为了实现单光束相干光通信的有序工作，配置一套电路控制模块来协调各个部分有序工作是必不可少的。在实际测试单光束相干光***性能和优化各种驱动电气指标的基础上，提出电路控制模块必须具备如下基本功能：由ARM和PC联合组成控制电路单元，在单光束相干光通信***进入正常通信前，能够对整个光通信***进行校准，产生准直的脉冲激光束；在正常通信期间，能够控制编码模块和解码模块协调工作，完成编码和解码，同时监控通信***的工作状态，当工作环境和外界环境的波动导致工作点发生漂移，影响通信***的稳定性和效率时，能够行使纠正控制方案，把通信***调节到正常工作状态。在单光束相干光通信的基础上，可以拓展到连续变量相干光通信。
综上所述，本发明提供了一种单光束相干光通信装置，该装置由ARM-PC控制电路模块和单光束相干通信***组成，在控制电路模块的主导下，通信***先进入校准初始化模式的工作状态，然后在正常通信的模式下实现单光束相干光通信，同时监控通信***的工作状态，当通信***工作点发生漂移时，能够行使纠正控制方案，把通信***调节到正常工作状态。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有技术中存在的缺点，而提出的一种单光束相干光通信装置。
为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：
一种单光束相干光通信装置，如图1所示，包括ARM-PC控制电路模块，所述ARM-PC控制电路模块由ARM和PC组成，实现对单光束相干光通信***中的光源模块、编码模块和解码模块进行协同控制，实现单光束相光通信；
所述ARM-PC联合控制模块控制逻辑包括：
初始化模式，首先由控制模块的PF1端口输出高电平接通声光调制器(AOM)的电源模块，使得AOM的驱动上电，进入处理LD发射光束的状态，接着让PF7输出方波信号，AOM进入工作状态，利用声光效应把入射的连续激光束斩波变成脉冲光束，同时进入通信光路的校准与联动，直到通信***满足通信模式的要求，开始进入通信模式的工作状态；
通信模式，用于编码和解码功能选择，根据协调控制原理，控制单光束相干通信***中的编码模块b和解码模块c，保证编码模块b和解码模块c协同工作，实现信息的编码与解码；
同时在通信模式携带纠正控制方案，该方案可监测通信***的工作点，当通信***发生工作点漂移时，自动启动纠正方案把***调整到正常的工作状态。
优选的，所述单光束相干通信***中的光源模块图1-a用于将半导体激光器(LD)发射的连续激光束加以准直和纯化，并通过声光调制器斩波输出准直的脉冲。
优选的，所述编码模块图1-b通过线偏振片把光源模块的脉冲光束变成偏振态为Sin＝[1 0 -1 0]T输入光，编码驱动器接收来自控制电路模块的两个控制电压Vx和Vz，经放大后分别施加到编码模块的X型电光晶体和Z-型电光晶体，实现把Sin转换成为所需的偏振码Sout1＝[1 S1 S2 S3]T。。
优选的，所述解码模块图1-c由半波片、分量选择器以及零差检测电路组成，其中分量选择器能够从控制电路模块得到0～120V范围的控制电压Vc，把接收到的载波光Sin2＝[1 S′1 S′2 S′3]T后，作为解码模块的输入，由分量选择器选择不同的测量基进行解码。
注意由于大气散射影响和接收限制，Sin2和Sout1之间存在一定的误差，这需要通过数据处理来完成。
本发明的有益效果是：
本发明可以在***上电时，进入初始化模式先对***进行校准，在通信模式中，除了控制光源模块、编码模块和解码模块的正常工作外，同时监测***的工作点，当检测到工作点发生漂移时，则启用纠正控制方案对工作点进行纠正调整，使之回到正常状态。
附图说明
图1是发明的一种单光束相干光通信装置。
图2是单光束相干光通信***的构架图。
图3是控制模块处于通信模式时的控制时序图。
图4是通信模式中的纠正控制模型图。
图5是图1中a的主要部分。
图6是声光调制器接口电路图
图7是图1中b的主要部分。
图8是图7的封装部分。
图9是图1中c的主要部分。
图10是图1中d的主要部分。
图11、图12是图1中f、g的控制逻辑。
图13是图4的测试结果，从结果中可以看出，当检测到第七个数据时，发现误差超过设置的阈值，则启动纠正控制方案，经过一段时间的调整，使工作点回到正常状态，***则继续进行通信。
图14是整个通信装置的测量结果，由图可知，一条为发送的数据，另一条为正确解码的数据，对比两者结果，可知正确解码的数据与发送的数据一致，表明本发明的控制模块可以作为单光束相干光通信装置的控制***。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
参照图1-14，一种单光束相干光通信装置，包括：ARM-PC联合控制模块，其由ARM和PC组成控制电路模块，用于完成对单光束相干光通信***中的光源模块、编码模块和解码模块三个部分进行控制，其核心控制逻辑主要有两个，其一为初始化模式，用于完成对通信***的调整和校准，其二为通信模式，其正常工作时的控制逻辑如图3所示，其主要功能是控制编码模块与解码模块之间的协同工作，实现单光束相干光通信的编码与解码，并且在通信模式中嵌入纠正控制方案，如图4所示，该方案可在***检测到工作点发生漂移时，自动对***的工作状态进行调整，使得工作点恢复正常。
光源模块，如图5所示，半导体激光器发射光经过准直和纯化得到准直的连续激光束；根据通信需要，控制模块为声光调制器提供一个驱动器接口电路。在控制***IO1信号的控制下，声光调制器把连续激光束调制成为与IO1输出同频同占空比的脉冲光，用于后续的编码以及解码操作。
编码模块，接收来自控制装置的两个控制电压Vx和Vz，分别施加到编码模块的X型电光晶体和Z型电光晶体，在这两个电压作用下，编码模块把偏振态为Sin1＝[1 0 -1 0]T输入光调制成偏振态为Sout1＝[1 S1 S2 S3]T的载波光，然后，将编码后的Sout1光束发射到自由空间。
解码模块，它由半波片、分量选择器、分量选择器驱动以及零差检测电路组成，其中分量选择器能够从控制***IO4端口得到0～120V控制电压Vc，把接收到的载波光Sin2＝[1 S′1 S′2 S′3]T后，作为解码模块的输入，由分量选择器选择不同的测量基进行解码，其解码后的信号光为Sout2；然后在控制模块的控制下，光电二极管把解码后的信号光Sout2转换为电信号供零差电路检测，实现解码与检测。
光源模块中在控制模块的控制下，声光调制器把连续激光束调制成脉冲光。在声光调制器的驱动器上附加一个接口电路如图6所示，才能够调整脉冲光的频率和占空比，使超声信号F与控制***输出的IO1信号NB的关系为：
Figure GDA0003271984890000051
其中，NB为控制***IO1输出的二进制转化为十进制的数。
在发明一实施例中，所述编码模块，如图7，编码模块的驱动器能够从控制模块得到两个编码电压Vx(如图8)和Vz并加以放大，分别施加在三晶片编码模块的X型和Z型电光晶体上，对通过编码模块的偏振光Sin1＝[1 0 -1 0]T进行调制编码，其编码后的光Sout1和编码电压关系为：
Figure GDA0003271984890000061
其中，
Figure GDA0003271984890000062
no、ne分别为寻常光折射率和非寻常光折射率，l为电光晶体的通光长度，d为电光晶体的宽度，λ＝808nm为光的波长，γ为LiNbO3电光晶体系数。
解码模块，由半波片、分量选择器以及零差检测电路组成，其中的分量选择器能够从控制装置IO4端口得到0～120V的控制电压Vc，对编码后的光选择不同的测量基进行解码，其解码的Sout2输出光与Sin2＝[1 S′1 S′2 S′3]T输入光之间的关系如下：
Sout2＝S′2cosδ2+S′3sinδ2
其中，
Figure GDA0003271984890000063
可见当δ2取值为0时，Sout2＝S′2，当δ2取值为π/2时，Sout2＝S′3，见图9、图10。
ARM-PC联合控制模块，其由ARM和PC组成，用于完成对上述三个部分进行控制，其核心控制逻辑主要有两个，其一为初始化模式，用于完成对***的调整和校准，具体控制流程见图11。其二为通信模式，用于控制通信***的编码与解码，实现单光束相干光通信，其控制流程见图12。其中在通信模式中嵌入纠正控制方案，该方案可在***检测到工作点发生漂移时，自动对***的工作状态进行纠正调整，使得工作点恢复正常，见图13。
本实施例中，光源模块a，半导体激光器的发射的激光经过准直、纯化处理，成为准直的连续激光束，入射到声光调制器，在控制***的IO1端控制下，声光调制器连续激光束调制成脉冲光，脉冲光占空比和频率皆可控的，所制备的脉冲光供编码模块编码。超声信号F与控制***输出的IO1信号NB的关系为：
Figure GDA0003271984890000071
编码模块b，脉冲光束在进入编码模块前，经过一个起偏器变成线偏振光Sin1＝[10 -1 0]T，如图7所示编码模块属于三晶片式偏振态变换器，其所需要的两个控制电压Vx和Vz由控制模块提供，Vx和Vz分别施加编码模块的X型电光晶体(如图8所示)和Z-型电光晶体上，在这两个电压作用下，编码模块把Sin1转换为Sout1，Sout1和编码电压关系为：
Figure GDA0003271984890000072
其中，
Figure GDA0003271984890000073
分量选择模块，其由半波片、分量选择器及其驱动偏振分束器PBS组成。
零差检测电路d，前级是两个光电二极管，用于把光信号转化为电流信号，再通过I-V转换电路，把电流信号转化为电压信号，经采集卡采集以及显示等操作；
解码模块c，由半波片、分量选择器以及零差检测电路组成，其中分量选择器能够从控制装置得到控制电压Vc，在接收到编码光后，选择不同Stokes分量加以测量，其接收到的编码光信号为Sin2，其与解码的光信号Sout2之间的关系如下：
Sout2＝S′2 cosδ2+S′3 sinδ2
其中，
Figure GDA0003271984890000081
可见当δ2取值为0时，Sout2＝S′2，当δ2取值为π/2时，Sout2＝S′3。
ARM控制电路f，其功能为对a、b模块进行控制，完成光源的产生和光的调制编码，同时与g进行通信；PC(装有采集卡和LABVIEW)g，其控制c的解码和对d产生的信号进行采集，同时与f保持通信；控制***h，由f、g组成，包含f、g的硬件部分以及相对应的初始化模式通信模式以及纠正控制方案。
通信装置中各个单元的功能和逻辑关系如下：
ARM-PC联合控制模块在有光时段控制光通信***进行单光束相干光通信，在无光间隙用于信号的同步以及补偿模型的更新。控制装置主要分为初始化模式和通信模式，初始化模式主要用来对光路进行调整使得通信***能够满足通信要求。通信模式用于通信过程。图2是单光束相干光通信装置的架构及其各控制引脚定义。在初始化模式时段，首先由控制模块的PF1端口输出高电平接通声光调制器(AOM)的电源模块，使得AOM的驱动上电，进入处理LD发射光束的状态，接着让PF7输出方波信号，AOM进入工作状态，利用声光效应把入射的连续激光束斩波变成脉冲光束，同时进入通信光路的校准与联动，直到通信***满足通信模式的要求，开始进入通信模式的工作状态。
在通信模式下，控制模块控制通信***的编码模块和解码模块协同工作，实现单光束相干光通信。同时，为了预防外界的震动造成工作点漂移，专门设置了纠正控制方案，如图4所示，由切换开关、补偿模型、触发开关以及GRNN(广义回归神经网络)等组成，切换开关处于常闭状态。在正常通信过程中连通触点1。当***检测到误差超过阈值δ时，启动纠正控制方案，将启动触发开关，输出一个信号给切换开关，使常闭触点1转移到常开触点2，让信号进入到GRNN(广义回归神经网络)，重新训练出一个新的补偿模型，在脉冲进入无光间隙时段，用新计算出的模型替换旧的补偿模型，同时向触发开关释放复位信号，控制切换开关重新连接到触点1。
在对各个模块性能测试的基础上，结合各个模块的控制逻辑，启动通信模式，其上电控制逻辑如图3所示。这种控制方案具备并行工作特性，不仅可以节约控制模块的联动时间，而且能确保在解码模块检测之前，编码模块的电压已达到稳定。
一个通信周期的工作过程：
第1步：IO1的PF1端口输出高电平接通光源模块AOM的电源。
第2步：IO1的PF7输出高电平数字信号用来驱动AOM及其驱动产生脉冲激光，经过28μs输出光信号。在这段时间内转而处理下述步骤。
第3步：ADC模块通过PA2端口采集电压信号计算随机数。
第4步：ARM中的两个独立DAC模块通过两个独立的通道PA4、PA5输出编码电压给编码模块驱动，用来对信号光进行调制编码。
第5步：采集卡的AI1模拟输入端口检测到光脉冲信号后，触发P01端口输出数字信号，以控制分量选择器选取哪个分量进行测量。
第6步：采集卡对测量的信号进行保存。
第7步：在通信过程中检测到信号的误差超过阈值δ，则启动纠正控制方案重新训练出补偿模型，并对旧的模型进行替换更新，否则跳过此步骤。
第8步：在通信结束后，发送方和接收方需要通过PA6-P00、PA7-P02这两条信号线对编码和检测的分量进行校验，保留一致的分量，剔除掉不同的分量。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种单光束相干光通信装置，包括ARM-PC联合控制模块，其特征在于，所述ARM-PC联合控制模块，由ARM和PC组成控制电路对单光束相干光通信***中的光源模块a、编码模块b和解码模块c进行协同控制，实现单光束相光通信；
所述ARM-PC联合控制模块控制逻辑包括：
初始化模式，首先由控制模块的PF1端口输出高电平接通声光调制器AOM的电源模块，使得AOM的驱动上电，进入处理LD发射光束的状态，接着让PF7输出方波信号，AOM进入工作状态，利用声光效应把入射的连续激光束斩波变成脉冲光束，同时进入通信光路的校准与联动，直到通信***满足通信模式的要求，开始进入通信模式的工作状态；
通信模式，用于编码和解码功能选择，根据协调控制原理，控制单光束相干通信***中的编码模块b和解码模块c，保证编码模块b和解码模块c协同工作，实现信息的编码与解码；
同时在通信模式携带纠正控制方案，该方案可监测通信***的工作点，当通信***发生工作点漂移时，自动启动纠正方案把***调整到正常的工作状态。
2.根据权利要求1所述的一种单光束相干光通信装置，其特征在于，所述单光束相干通信***中的光源模块a用于将半导体激光器(LD)发射的连续激光束加以准直和纯化，并通过声光调制器斩波输出准直的脉冲激光束。
3.根据权利要求1所述的一种单光束相干光通信装置，其特征在于，所述单光束相干通信***中的编码模块通过线偏振片把光源模块的脉冲光变成偏振态为Sin1＝[1 0 -1 0]T输入光，编码驱动器接收来自控制模块的两个控制电压Vx和Vz，经放大后分别施加到编码模块的X型电光晶体和Z-型电光晶体，实现把Sin转换成为所需的偏振码Sout1＝[1 S1 S2 S3]T。
4.根据权利要求1所述的一种单光束相干光通信装置，其特征在于，所述单光束相干光通信***中的解码模块由半波片、分量选择器以及零差检测电路组成，其中分量选择器能够从控制装置得到0～120V范围的控制电压Vc，把接收到的载波光Sin2＝[1 S′1 S′2 S′3]T后，作为解码模块的输入，由分量选择器选择不同的测量基进行解码。
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