CN112737693B - 一种用于大容量空间通信的基阶径向偏振激光复用设备 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于大容量空间通信的基阶径向偏振激光复用设备，包括信号编码器、信号调制模块、载波信号发射模块、信号接收模块、信号解调模块和信号解码器。信号编码器将待发送信息转为电信号，发送至信号调制模块，载波信号发射模块发射中红外波长的径向偏振激光作为载波信号，信号调制模块根据控制信号发送不同偏振角度的线性偏振激光，并发送至载波信号，信号接收端接收调制后载波信号，发送至信号解调器，信号解调器对信号解调并转换为电信号发送至信号解码器，完成空间通讯。本发明使用径向偏振矢量激光作为载波进行偏振复用，克服了基于标量光束载波的偏振光束耦合和传播中的串扰，同时大幅度扩充了信道容量。

Description

一种用于大容量空间通信的基阶径向偏振激光复用设备
技术领域
本发明属于大气激光通信技术领域，具体为一种用于大容量空间通信的基阶径向偏振激光复用设备。
背景技术
大气激光通信是指通过大气利用激光进行信息传递的一种通信方式。它包括发送和接收两个部分，基本原理是载波光信号通过大气作为传输信道完成点到点或点到多点的信息传输。随着技术的发展完善，大气激光通信技术已成为当今信息技术的一大热门技术。
当前社会已经进入“信息时代”，以通信技术和计算机技术为标志的高新科技的发展，给人们的生活也带来了日新月异的变化，人与人之间的信息传输日趋密切，同时方式也日趋多样化。然而，随着通信业务量的大量增加，“电波窗口”日益拥挤，卫星通信采用传统的微波通信技术已经不能满足未来军事及商业的需要。
与传统的通信方式相比较，激光通信具有保密性强、抗干扰能力强的突出优点。与光纤通信相比，大气激光通信无需光纤铺设和维护；与微波通信相比，无需频率使用许可证的审批，不受无线电干扰，现有微波通信技术面临微波频带资源不够、通信容量有限、传输方向性不好等，已经不能满足日益增长的通信需求。
现有的激光偏振复用设备，在这种复用方式中，传输波长的两个独立且相互正交的偏振态作为独立信道分别传输两路信号，从而使光纤的信息传输能力提高一倍且不需要增加额外的带宽资源。传统偏振复用设备中，采用两个偏振方向正交的激光进行同信道传输，避免偏振的串扰，信道容量仅能进行有限次扩展，仅能容量两路信号。
研究空间激光通信，并提出切实有效的空间激光通信方式，在国防、商业领域均具有巨大价值，有利于助推激光技术稳步发展。
发明内容
针对以上问题，本发明提出一种用于大容量空间通信的基阶径向偏振激光复用设备，以基阶径向偏振激光作为载波信号，以不同偏振方向线性偏振激光作为信息载体，对不同偏振方向线性偏振激光进行强度调制加载信息，将不同偏振方向的加载信息后的线性偏振激光耦合至径向偏振激光，实现单一信道的多维信息并行传输。
为实现本发明的目的，提供一种用于大容量空间通信的基阶径向偏振激光复用设备，复用技术涉及的设备包括信号编码器、信号调制模块、载波信号发射模块、信号接收模块、信号解调模块和信号解码器；
信号编码器将待发送信息转为电信号，发送至信号调制模块，载波信号发射模块发射中红外波长的径向偏振激光作为载波信号，信号调制模块根据控制信号发送不同偏振角度的线性偏振激光，并发送至载波信号，信号接收端接收调制后载波信号，发送至信号解调器，信号解调器对信号解调并转换为电信号发送至信号解码器，完成空间通讯；
其中，信号调制模块包括第一可调制激光器，第二可调制激光器，第三可调制激光器，第四可调制激光器，第五可调制激光器，第六可调制激光器，第一偏振片，第二偏振片，第三偏振片，第四偏振片，第五偏振片，第六偏振片，第一全反镜，第二全反镜，第三全反镜，第四全反镜，第五全反镜，第六全反镜，第一反射镜，第二反射镜，第三反射镜，第四反射镜，第五反射镜和第六反射镜；
信号接收模块包括窄带通滤波器，第一分光计，第二分光计，第三分光计，第四分光计和第五分光计；
信号解调模块包括第七偏振片，第八偏振片，第九偏振片，第十偏振片，第十一偏振片，第十二偏振片，第一探测器，第二探测器，第三探测器，第四探测器，第五探测器和第六探测器。
所述载波信号发射模块为径向偏振光产生装置，所述径向偏振光产生装置包括单模光纤激光器、单向透镜、掺铥无序增益介质、单侧镀金的反射式W形轴棱锥和输出耦合镜，所述掺铥无序增益介质为 Tm:CYA或Tm:CGA晶体。
所述载波信号发射模块输出激光为径向偏振激光，为中红外激光，波长为1微米至14微米，最大输出功率5瓦，光束质量因子大于2且小于2.3，光斑为环形光斑。
所述第一可调制激光器，第二可调制激光器，第三可调制激光器，第四可调制激光器，第五可调制激光器，第六可调制激光器为高性能电流直调激光器，输出激光波长与载波信号波长一致，激光相位与载波信号一致，最大输出功率为1W，支持射频信号控制，控制速率最大为10Gbps。
所述第一偏振片，第二偏振片，第三偏振片，第四偏振片，第五偏振片，第六偏振片呈阵列排列，且分别设置在第六可调制激光器、第五可调制激光器、第四可调制激光器、第三可调制激光器、第二可调制激光器和第一可调制激光器的出光方向上；第一全反镜的位于置在第一偏振片的偏振光输出端，第二全反镜设置在第二偏振片的偏振光输出端，第三全反镜的光线输入端设置在第三偏振片的偏振光输出端，第四全反镜设置在第四偏振片的偏振光输出端处，第五全反镜设置在第五偏振片的偏振光输出端处，第六全反镜设置在第六偏振片的偏振光输出端处；
第一反射镜，第二反射镜，第三反射镜，第四反射镜，第五反射镜和第六反射镜设置在载波源的出光方向上，且第一反射镜位于在第一全反镜的反射光线输出端，第二反射镜位于第二全反镜的反射光线输出端 ，第三反射镜位于第三全反镜的反射光线输出端，第四反射镜位于第四全反镜的反射光线输出端，第五反射镜位于第五全反镜的反射光线输出端，第六反射镜位于第六全反镜的反射光线输出端。
所述第一偏振片，第二偏振片，第三偏振片，第四偏振片，第五偏振片，第六偏振片，第七偏振片，第八偏振片，第九偏振片，第十偏振片，第十一偏振片，第十二偏振片均为线偏振片，直径12.5 mm，根据旋转方向，保留对应偏振方向上的振幅分量。
所述第一反射镜，第二反射镜，第三反射镜，第四反射镜，第五反射镜和第六反射镜在进载波信号的一侧镀增透膜，进调制信号一侧镀发射膜。
所述窄带通滤波器，偏振无关，工作波长与发射波长一致。
所述第一分光计，第四分光计，第五分光计为非偏振分束器，分束比例50：50，长宽高为5 mm；第二分光计，第三分光计为非偏振分束器，分束比例70：30，长宽高为5 mm。
一种用于大容量空间通信的基阶径向偏振激光复用设备的工作方法如下：
(1)信号编码器将待发送信息转换为相应的电信号，发送至信号调制模块;
(2)载波信号发射模块产生径向偏振激光作为载波信号；
(3)根据信号编码器产生的电信号，第一可调制激光器，第二可调制激光器，第三可调制激光器，第四可调制激光器，第五可调制激光器，第六可调制激光器在接收到对应的控制指令后，控制激光的输出，当可调制激光器处于开启状态下时，输出的激光分别经由对应第一偏振片、第二偏振片、第三偏振片、第四偏振片、第五偏振片、第六偏振片进行偏偏振，选择偏振态后的激光经由对应第一全反镜，第二全反镜，第三全反镜，第四全反镜，第五全反镜，第六全反镜发射至对应第一反射镜，第二反射镜，第三反射镜，第四反射镜，第五反射镜，第六反射镜，耦合进载波信号中；处于关断状态下的可调制激光器，不出射激光，即无经过偏振选择的激光耦合进载波信号中；
(4)调制后载波信号发送至窄带通滤波器，窄带通滤波器滤除光噪声，将滤除后的信号光发送至第一分光计，第一分光计将信号光等比例、不改变偏振态情况下分别发送至第二分光计和第三分光计，第三分光计将输入激光以70比30的比例分为两束，对应70比例的光发送至第四分光计，第四分光计将输入激光等比例分为两份光分别出射，第二分光计将输入激光以70比30的比例分为两束，对应70比例的光发送至第五分光计，第五分光计将入射激光等比例分束；
(5) 第二分光计分束后，分束后激光其中一路经由第七偏振片，以径向偏振激光作为载波信号的激光经由第七偏振片后，仅保留偏振方向为与竖直方向相同的振幅分量，对应分量激光强度由第一探测器测得；第五分光计出射激光，其中一路入射至第八偏振片，经由第八偏振片，仅保留与竖直方向偏转30度方向的振幅分量，对应分量激光强度由第二探测器测得，另一路激光入射至第九偏振片，仅保留与竖直方向偏转60度方向的振幅分量，对应分量激光强度由第三探测器测得；第三分光计将入射激光分束后，其中一束激光入射至第十偏振片，仅保留与竖直方向偏转90度方向的振幅分量，对应分量激光强度由第四探测器测得；第四分光计将入射激光分束，其中一路入射至第十一偏振片，经由第十一偏振片，仅保留与竖直方向偏转120度方向的振幅分量，对应分量激光强度由第五探测器测得，另一路激光入射至第十二偏振片，仅保留与竖直方向偏转150度方向的振幅分量，对应分量激光强度由第六探测器测得；
(6)第一探测器，第二探测器，第三探测器，第四探测器，第五探测器，第六探测器将所测的对应分量的激光强度信息，发送至信号解码器，信号解码器根据各振幅分量的强度是否大于一定值，判断对应振幅分量表示的信息，完成解码；
(7)信号解码后，根据二进制信息编译为原始信号，完成空间激光通讯；
径向偏振光是指电矢量振动方向在光束横截面上始终沿径向的一种偏振光，它的模式是波动方程在柱坐标系下的解。径向偏振光束是轴对称偏振光束的一种重要类型。对于轴对称偏振光，其突出的特点就是在光束横截面上任意一点有电场矢量方向与径向的夹角保持不变。典型的例子就是径向偏振光束和环向偏振光束，在光束横截面上任意一点，它们的电场矢量方向分别是始终与径向平行或垂直。
径向偏振光具有环形的光斑模式分布，属于环形光束模式。环形光束模式是激光光束传输模式的一种。与常见的基模高斯光束不同，环形光束模式的光强分布具有轴上零点且光强最大值出现在环绕光轴的一圈。对于径向偏振光束，其偏振的空间分布形式是完全沿径向的。由于相对于光轴两端的电场矢量方向是恰好相反的（即有π的相位差），所以它的环形光束模式的光强分布具有轴上零点。
激光通信是一种利用激光传输信息的通信方式。空间激光通信是以激光为载波，激光的频率很高，比微波的频率高3-4个数量级，有非常巨大的通信容量，可以轻松实现10Gbps以上的通信速率，采用复用的手段能获得Tbps以上的通信速率，轻松实现海量数据的实时传输。此外，空间激光通信还具有抗干扰能力强、抗截获能力强、安全保密性好、体积小重量轻功耗低等优点，通信的质量更高。
大气窗口指天体辐射中能穿透大气的一些波段。由于地球大气中的各种粒子对辐射的吸收和反射，只有某些波段范围内的天体辐射才能到达地面。按所属范围不同分为光学窗口、红外窗口和射电窗口。中红外波段包含多个大气窗口，1.4~1.9μm，透过率为60%~95%，2.0~2.5μm，透过率约80%，3.5~5.0μm，透过率为60%~70%，8.0~14.0μm，透过率约80%。
偏振复用设备利用光的偏振维度，在同一波长信道中，通过光的两个相互正交偏振态同时传输两路独立数据信息达到加倍***总容量和频谱利用率目的。在光纤通信中，传输波长的两个独立且相互正交的偏振态作为独立信道分别传输两路信号，从而使光纤的信息传输能力提高一倍且不需要增加额外的带宽资源。
传统的偏振复用设备采用两个独立且相互正交的偏振态分别传输两路信号，扩容了信道的同时也制约了信道的扩容。因为偏振的独特性质，若采用非正交的偏振态进行传输，会因偏振态之间的相互影响导致信息损坏。
以径向偏振激光作为载波信号，将信号通过强度调制加载在不同偏振的线性偏振激光上，将加载信号后的线性偏振激光耦合至径向偏振激光中，在径向偏振激光中，不同偏振方向的激光并不会发生串扰，各自的偏振态依旧保持独立，保证了信息的无损。
信号调制模块中，可调制激光器输入端由信号编码器实时控制，根据控制信号，信号编码器控制可调制激光器的电源通断，电源打开，有激光出射，对应振幅分量上会产生一定的功率，表示1，电源断开，无激光出射，对应振幅分量无功率，表示0，即实现了信号的加载，不同偏振方向对应的可调制激光器分别进行信息的加载，实现多维信息的并行传输。
信号解调模块中，先将调制后的载波信号分束，使用偏振片滤除其他偏振方向的光，测得单一偏振方向下，对应偏振方向的光功率，根据初始状态的光功率值进行比对，高于一定值，将其定义为1，小于一定值将其定义为0。根据径向偏振激光的特性，使用偏振片对其进行解调，偏振片对应方向上的振幅分量不会受到影响。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果为：
1、适用范围广，本发明所述的一种用于大容量空间通信的基阶径向偏振激光复用设备在使用时，无具体波长限制，可适用于各种波长的空间激光通信，均能有效提高信道容量；无适用条件限制，可用于卫星之间激光通信、地面之间激光通信和卫星与地面之间激光通信。
2、信道容量扩充，以径向偏振激光作为载波信号，并基于径向偏振激光进行激光复，避免了不同偏振方向的激光之间的串扰问题，也大幅度扩充了大气激光通信的信道容量，每一个偏振方向上都可以携带信息进行光通信，每多一个偏振方向进行耦合便多一路信息，大幅度扩充了信道容量。
3、多维信息并行传输，以径向偏振激光作为载波信号，以不同偏振方向线性偏振激光作为信息载体，对不同偏振方向线性偏振激光进行强度调制加载信息，将不同偏振方向的加载信息后的线性偏振激光耦合至径向偏振激光，实现单一信道的多维信息并行传输。
4、信息无损，以径向偏振激光作为载波信号，将信号通过强度调制加载在不同偏振的线性偏振激光上，将加载信号后的线性偏振激光耦合至径向偏振激光中，在径向偏振激光中，不同偏振方向的激光并不会发生串扰，各自的偏振态依旧保持独立，保证了信息的无损。
附图说明
图1是一个实施例的一种用于大容量空间通信的基阶径向偏振激光复用设备示意图；
图2是一个实施例的竖直偏振方向的线偏振激光与径向偏振激光的耦合示意图；
图3是一个实施例的径向偏振激光经偏振片的解码示意图；
图4是一个实施例的一种径向偏振激光的产生装置示意图；
图5是一个实施例的径向偏振激光的空间分布示意图。
图中：1-信号编码器，2-载波源，31-第一可调制激光器，32-第二可调制激光器，33-第三可调制激光器，34-第四可调制激光器，35-第五可调制激光器，36-第六可调制激光器，41-第一偏振片，42-第二偏振片，43-第三偏振片，44-第四偏振片，45-第五偏振片，46-第六偏振片，411-第七偏振片，421-第八偏振片，431-第九偏振片，441-第十偏振片，451-第十一偏振片，461-第十二偏振片，51-第一全反镜，52-第二全反镜，53-第三全反镜，54-第四全反镜，55-第五全反镜，56-第六全反镜，61-第一反射镜，62-第二反射镜，63-第三反射镜，64-第四反射镜，65-第五反射镜，66-第六反射镜，71-第一分光计，72-第二分光计，73-第三分光计，74-第四分光计，75-第五分光计， 81-第一探测器，82-第二探测器，83-第三探测器，84-第四探测器，85-第五探测器，86-第六探测器，9-信号解码器，10-窄带通滤波器，101- 1700nm波长单模光纤激光器，102-单向透镜，103-掺铥无序增益介质，104-反射式W形轴棱锥，105-输出耦合镜。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步详细的说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不限定本申请。
在本文中提及“实施例”意味着，结合实施例描述的特定特征、结构或特性可以包含在本申请的至少一个实施例中。在说明书中的各个位置出现该短语并不一定均是指相关的实施例，也不是与其它实施例互斥的独立的备选的实施例。本领域技术人员显式地和隐式的理解的是，本文描述的实施例可以与其它实施例相结合。
为使本发明的上述目的、特征优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步详细的说明。
实施例一
如图1所示的一种用于大容量空间通信的基阶径向偏振激光复用设备，包括信号编码器1、信号调制模块、载波信号发射模块、信号接收模块、信号解调模块和信号解码器9；信号编码器1将待发送信息转换为相应的电信号，发送至信号调制模块；载波信号发射模块产生1970nm波长的径向偏振激光作为载波信号；信号调制模块根据信号编码器1发送的电信号，产生对应的信号，对应的信号经由偏振片进行偏偏振，产生对应的调制激光，并将调制激光耦合进载波信号中，信号接收模块接收对应的激光，并发送至对应信号解调模块，信号解调模块将解调后的电信号发送至信号解码器9，信号解码器9对信号进行解码，完成大气通讯。
其中，信号调制模块包括第一可调制激光器31，第二可调制激光器32，第三可调制激光器33，第四可调制激光器34，第五可调制激光器35，第六可调制激光器36，第一偏振片41，第二偏振片42，第三偏振片43，第四偏振片44，第五偏振片45，第六偏振片46，第一全反镜51，第二全反镜52，第三全反镜53，第四全反镜54，第五全反镜55，第六全反镜56，第一反射镜61，第二反射镜62，第三反射镜63，第四反射镜64，第五反射镜65和第六反射镜66；
所述第一偏振片41，第二偏振片42，第三偏振片43，第四偏振片44，第五偏振片45，第六偏振片46呈阵列排列，且分别设置在第六可调制激光器36、第五可调制激光器35、第四可调制激光器34、第三可调制激光器33、第二可调制激光器32和第一可调制激光器31的出光方向上；第一全反镜51的设置在第一偏振片41的偏振光输出端，第二全反镜52设置在第二偏振片42的偏振光输出端，第三全反镜53的光线输入端设置在第三偏振片43的偏振光输出端，第四全反镜54设置在第四偏振片44的偏振光输出端处，第五全反镜55设置在第五偏振片45的偏振光输出端处，第六全反镜56设置在第六偏振片46的偏振光输出端处；
第一反射镜61，第二反射镜62，第三反射镜63，第四反射镜64，第五反射镜65和第六反射镜66设置在载波源2的出光方向上，且第一反射镜61位于在第一全反镜51的反射光线输出端，第二反射镜62位于第二全反镜52的反射光线输出端 ，第三反射镜63位于第三全反镜53的反射光线输出端，第四反射镜64位于第四全反镜54的反射光线输出端，第五反射镜65位于第五全反镜55的反射光线输出端，第六反射镜66位于第六全反镜56的反射光线输出端。
信号接收模块包括窄带通滤波器10，第一分光计71，第二分光计72，第三分光计73，第四分光计74和第五分光计75；
信号解调模块包括第七偏振片411，第八偏振片421，第九偏振片431，第十偏振片441，第十一偏振片451，第十二偏振片461，第一探测器81，第二探测器82，第三探测器83，第四探测器84，第五探测器85和第六探测器86；
本实施例中信号编码器1，笔记本电脑，CPU为AMD Ryzen 7 4800H，16G运行内存；
其中，载波源2，波长1970nm，径向偏振激光，最大输出功率5w；
第一可调制激光器31，波长1970nm，NEL (NTT)高性能电流直调激光器， 10Gbps速率，PMF保偏尾纤输出功率>50.0mW , SMA射频母头; 蝶形封装, 内部带制冷, 支持城域和长途应用；
第二可调制激光器32，波长1970nm，NEL (NTT)高性能电流直调激光器, 10Gbps速率, PMF保偏尾纤输出功率>50.0mW , SMA射频母头; 蝶形封装, 内部带制冷, 支持城域和长途应用；
第三可调制激光器33，波长1970nm，NEL (NTT)高性能电流直调激光器, 10Gbps速率, PMF保偏尾纤输出功率>50.0mW , SMA射频母头; 蝶形封装, 内部带制冷, 支持城域和长途应用；
第四可调制激光器34，波长1970nm，NEL (NTT)高性能电流直调激光器, 10Gbps速率, PMF保偏尾纤输出功率>50.0mW , SMA射频母头; 蝶形封装, 内部带制冷, 支持城域和长途应用；
第五可调制激光器35，波长1970nm，NEL (NTT)高性能电流直调激光器, 10Gbps速率, PMF保偏尾纤输出功率>50.0mW , SMA射频母头; 蝶形封装, 内部带制冷, 支持城域和长途应用；
第六可调制激光器36，波长1970nm，NEL (NTT)高性能电流直调激光器, 10Gbps速率, PMF保偏尾纤输出功率>50.0mW , SMA射频母头; 蝶形封装, 内部带制冷, 支持城域和长途应用；
第一偏振片41，线偏振片，直径12.5 mm，工作波长1500 - 5000 nm，起偏方向与竖直方向重合；
第二偏振片42，线偏振片，直径12.5 mm，工作波长1500 - 5000 nm，起偏方向与竖直方向呈30度夹角；
第三偏振片43，线偏振片，直径12.5 mm，工作波长1500 - 5000 nm，起偏方向与竖直方向呈60度夹角；
第四偏振片44，线偏振片，直径12.5 mm，工作波长1500 - 5000 nm，起偏方向与竖直方向呈90度夹角；
第五偏振片45，线偏振片，直径12.5 mm，工作波长1500 - 5000 nm，起偏方向与竖直方向呈120度夹角；
第六偏振片46，线偏振片，直径12.5 mm，工作波长1500 - 5000 nm，起偏方向与竖直方向呈150度夹角；
第七偏振片411，线偏振片，直径12.5 mm，工作波长1500 - 5000 nm，起偏方向与竖直方向重合；
第八偏振片421，线偏振片，直径12.5 mm，工作波长1500 - 5000 nm，起偏方向与竖直方向呈30度夹角；
第九偏振片431，线偏振片，直径12.5 mm，工作波长1500 - 5000 nm，起偏方向与竖直方向呈60度夹角；
第十偏振片441，线偏振片，直径12.5 mm，工作波长1500 - 5000 nm，起偏方向与竖直方向呈90度夹角；
第十一偏振片451，线偏振片，直径12.5 mm，工作波长1500 - 5000 nm，起偏方向与竖直方向呈120度夹角；
第十二偏振片461，线偏振片，直径12.5 mm，工作波长1500 - 5000 nm，起偏方向与竖直方向呈150度夹角；
第一全反镜51，金镜，单侧镀金；
第二全反镜52，金镜，单侧镀金；
第三全反镜53，金镜，单侧镀金；
第四全反镜54，金镜，单侧镀金；
第五全反镜55，金镜，单侧镀金；
第六全反镜56，金镜，单侧镀金；
第一反射镜61，一面镀增透膜，有效波长2微米波段，一面镀反射膜，有效波长2微米波段；
第二反射镜62，一面镀增透膜，有效波长2微米波段，一面镀反射膜，有效波长2微米波段；
第三反射镜63，一面镀增透膜，有效波长2微米波段，一面镀反射膜，有效波长2微米波段；
第四反射镜64，一面镀增透膜，有效波长2微米波段，一面镀反射膜，有效波长2微米波段；
第五反射镜65，一面镀增透膜，有效波长2微米波段，一面镀反射膜，有效波长2微米波段；
第六反射镜66，一面镀增透膜，有效波长2微米波段，一面镀反射膜，有效波长2微米波段；
第一分光计71，50:50非偏振分束器立方，1800-2000 nm，尺寸高5 mm；
第二分光计72，30:70非偏振分束器立方，1800-2000 nm，尺寸高5 mm；
第三分光计73，30:70非偏振分束器立方，1800-2000 nm，尺寸高5 mm；
第四分光计74，50:50非偏振分束器立方，1800-2000 nm，尺寸高5 mm；
第五分光计75，50:50非偏振分束器立方，1800-2000 nm，尺寸高5 mm；
第一探测器81，铟镓砷探测器，900 - 2600nm，上升时间17 ns，探测面积0.2平方毫米；
第二探测器82，铟镓砷探测器，900 - 2600 nm，上升时间17 ns，探测面积0.2平方毫米；
第三探测器83，铟镓砷探测器，900 -2600 nm，上升时间17 ns，探测面积0.2平方毫米；
第四探测器84，铟镓砷探测器，900 - 2600 nm，上升时间17 ns，探测面积0.2平方毫米；
第五探测器85，铟镓砷探测器，900 - 2600 nm，上升时间17 ns，探测面积0.2平方毫米；
第六探测器86，铟镓砷探测器，900 - 2600 nm，上升时间17 ns，探测面积0.2平方毫米；
信号解码器9，笔记本电脑，CPU为AMD Ryzen 7 4800H，16G运行内存；
窄带通滤波器10，自由空间滤波器，直径3.5mm，工作波长1900nm-2000nm;
如图1所示的一种用于大容量空间通信的基阶径向偏振激光复用设备，包括信号编码器1、信号调制模块、载波信号发射模块、信号接收模块、信号解调模块和信号解码器9；信号编码器1将待发送信息转换为相应的电信号，发送至信号调制模块；载波信号发射模块产生1970nm波长的径向偏振激光作为载波信号；信号调制模块根据信号编码器1发送的电信号，产生对应的信号，对应的信号经由偏振片进行偏偏振，产生对应的调制激光，并将调制激光耦合进载波信号中，信号接收模块接收对应的激光，并发送至对应信号解调模块，信号解调模块将解调后的电信号发送至信号解码器9，信号解码器9对信号进行解码，完成大气通讯。
本实施例中所述的信号调制模块包扩第一可调制激光器31，第二可调制激光器32，第三可调制激光器33，第四可调制激光器34，第五可调制激光器35，第六可调制激光器36，第一偏振片41，第二偏振片42，第三偏振片43，第四偏振片44，第五偏振片45，第六偏振片46，第一全反镜51，第二全反镜52，第三全反镜53，第四全反镜54，第五全反镜55，第六全反镜56，第一反射镜61，第二反射镜62，第三反射镜63，第四反射镜64，第五反射镜65，第六反射镜66；根据信号编码器产生的电信号，当第一可调制光源接收到打开的控制指令时，第一可调制光源发出1970nm波长激光，3微米波长激光经过第一偏振片41，仅保留偏振方向与竖直方向重合的线偏振光，线偏振光经第一反射镜51反射至第一反射镜61，载波信号穿过镀增透膜一面的反射镜61与经反射镜61反射的线偏振光耦合。
如图2所示，偏振方向竖直的线偏振光与径向偏振激光耦合，径向偏振激光对应竖直方向上的光振幅分量增加，即强度增加；其他偏振方向的振幅分量不变。
第一可调制激光器31，第二可调制激光器32，第三可调制激光器33，第四可调制激光器34，第五可调制激光器35，第六可调制激光器36在接收到对应的控制指令后，执行相似操作，当可调制激光器处于开启状态下时，输出的激光分别经由对应第一偏振片41、第二偏振片42、第三偏振片43、第四偏振片44、第五偏振片45、第六偏振片46进行偏偏振，选择偏振态后的激光经由对应第一全反镜51，第二全反镜52，第三全反镜53，第四全反镜54，第五全反镜55，第六全反镜56发射至对应第一反射镜61，第二反射镜62，第三反射镜63，第四反射镜64，第五反射镜65，第六反射镜66，耦合进载波信号中；处于关断状态下的可调制激光器，不出射激光，即无经过偏偏振的激光耦合进载波信号中，可调制激光器可根据按控制信号进行10G/s最大频率的导通和断开；
本实施例中所述的信号接收模块包括窄带通滤波器10，第一分光计71，第二分光计72，第三分光计73，第四分光计74，第五分光计75，载波信号发送至窄带通滤波器10，窄带通滤波器10滤除光噪声，将滤除后的信号光发送至第一分光计71，第一分光计71将信号光等比例、不改变偏振态情况下分别发送至第二分光计72和第三分光计73，第三分光计73将输入激光以70比30的比例分为两束，对应70比例的光发送至第四分光计74，第四分光计74将输入激光等比例分为两份光分别出射，第二分光计72将输入激光以70比30的比例分为两束，对应70比例的光发送至第五分光计75，第五分光计75将入射激光等比例分束；
本实施例中所述的信号解调模块包括第七偏振片411，第八偏振片421，第九偏振片431，第十偏振片441，第十一偏振片451，第十二偏振片461，第一探测器81，第二探测器82，第三探测器83，第四探测器84，第五探测器85，第六探测器86；第二分光计72分束后激光其中一路经由第七偏振片411，以径向偏振激光作为载波信号的激光经由第七偏振片411后，仅保留偏振方向为与竖直方向相同的振幅分量，如图3所示，对应分量激光强度由第一探测器81测得。
第五分光计75出射激光，其中一路入射至第八偏振片421，经由第八偏振片421，仅保留与竖直方向偏转30度方向的振幅分量，对应分量激光强度由第二探测器82测得，另一路激光入射至第九偏振片431，仅保留与竖直方向偏转60度方向的振幅分量，对应分量激光强度由第三探测器83测得。第三分光计将入射激光分束后，其中一束激光入射至第十偏振片441，仅保留与竖直方向偏转90度方向的振幅分量，对应分量激光强度由第四探测器84测得。第四分光计74将入射激光分束，其中一路入射至第十一偏振片451，经由第十一偏振片451，仅保留与竖直方向偏转120度方向的振幅分量，对应分量激光强度由第五探测器85测得，另一路激光入射至第十二偏振片461，仅保留与竖直方向偏转150度方向的振幅分量，对应分量激光强度由第六探测器83测得。
第一探测器81，第二探测器82，第三探测器83，第四探测器84，第五探测器85，第六探测器86将测的对应分量的激光强度信息，发送至信号解码器，信号解码器根据各振幅分量的强度是否大于一定值，判断对应振幅分量表示的信息，完成解码。
实施例二
如图4所示的一种基阶径向偏振激光产生装置，包括1700nm波长单模光纤激光器101，单向透镜102，掺铥无序增益介质103，反射式W形轴棱锥104和输出耦合镜105。
1700nm波长单模光纤激光器101，波长1700nm，单模光纤激光器，功率0至12W可调；
单向透镜102，一侧镀增透膜，有效波长1680至1720nm，一侧镀反射膜，有效波长2μm波段；
掺铥无序增益介质103，Tm:CYA晶体，长宽高为6mm*3*mm*3mm；
反射式W形轴棱锥104，玻璃材质，采用金刚石车削工艺加工，加工精度0.5mm，内测镀金；
输出耦合镜105，输出效率5%；
1700nm波长单模光纤激光器101产生10W的1700nm的激光，1700nm的激光经过掺铥无序增益介质103产生能级跃迁，能级跃迁后的光子在由单向透镜102、掺铥无序增益介质103、反射式W形轴棱锥104、输出耦合镜105组成的谐振腔内谐振，产生1970nm波长的激光，1970nm的激光经过在反射式W形轴棱锥104内的二次反射，形成径向偏振激光，径向偏振激光反射经掺铥无序增益介质103、单向透镜102在输出耦合镜105处输出5%的径向偏振激光，95%的径向偏振激光在耦合镜105处沿光路返回，继续谐振。
输出激光的光斑形状如图5中a图所示，灰色阴影区域表示光斑分布，黑色箭头表示所在位置光的偏振方向，图5中b图表示光的截面强度分布。
实施例三
基于实施例一的结构，用于大容量空间通信的基阶径向偏振激光复用方法如下：
(1)信号编码器1将待发送信息转换为相应的电信号，发送至信号调制模块;
(2)载波信号发射模块2产生径向偏振激光作为载波信号；
(3)根据信号编码器1产生的电信号，第一可调制激光器31，第二可调制激光器32，第三可调制激光器33，第四可调制激光器34，第五可调制激光器35，第六可调制激光器36在接收到对应的控制指令后，控制激光的输出，当可调制激光器处于开启状态下时，输出的激光分别经由对应第一偏振片41、第二偏振片42、第三偏振片43、第四偏振片44、第五偏振片45、第六偏振片46进行偏偏振，选择偏振态后的激光经由对应第一全反镜51，第二全反镜52，第三全反镜53，第四全反镜54，第五全反镜55，第六全反镜56发射至对应第一反射镜61，第二反射镜62，第三反射镜63，第四反射镜64，第五反射镜65，第六反射镜66，耦合进载波信号中；处于关断状态下的可调制激光器，不出射激光，即无经过偏振选择的激光耦合进载波信号中；
(4)调制后载波信号发送至窄带通滤波器10，窄带通滤波器10滤除光噪声，将滤除后的信号光发送至第一分光计71，第一分光计71将信号光等比例、不改变偏振态情况下分别发送至第二分光计72和第三分光计73，第三分光计73将输入激光以70比30的比例分为两束，对应70比例的光发送至第四分光计74，第四分光计74将输入激光等比例分为两份光分别出射，第二分光计72将输入激光以70比30的比例分为两束，对应70比例的光发送至第五分光计75，第五分光计75将入射激光等比例分束；
(5)第二分光计72分束后，分束后激光其中一路经由第七偏振片411，以径向偏振激光作为载波信号的激光经由第七偏振片411后，仅保留偏振方向为与竖直方向相同的振幅分量，对应分量激光强度由第一探测器81测得；第五分光计75出射激光，其中一路入射至第八偏振片421，经由第八偏振片421，仅保留与竖直方向偏转30度方向的振幅分量，对应分量激光强度由第二探测器82测得，另一路激光入射至第九偏振片431，仅保留与竖直方向偏转60度方向的振幅分量，对应分量激光强度由第三探测器83测得；第三分光计73将入射激光分束后，其中一束激光入射至第十偏振片441，仅保留与竖直方向偏转90度方向的振幅分量，对应分量激光强度由第四探测器84测得；第四分光计74将入射激光分束，其中一路入射至第十一偏振片451，经由第十一偏振片451，仅保留与竖直方向偏转120度方向的振幅分量，对应分量激光强度由第五探测器85测得，另一路激光入射至第十二偏振片461，仅保留与竖直方向偏转150度方向的振幅分量，对应分量激光强度由第六探测器83测得；
(6)第一探测器81，第二探测器82，第三探测器83，第四探测器84，第五探测器85，第六探测器86将所测的对应分量的激光强度信息，发送至信号解码器，信号解码器根据各振幅分量的强度是否大于一定值，判断对应振幅分量表示的信息，完成解码；
(7)信号解码后，根据二进制信息编译为原始信号，完成空间激光通讯。
需要说明的是，本申请实施例所涉及的术语“第一\第二\第三”仅仅是区别类似的对象，不代表针对对象的特定排序，可以理解地，“第一\第二\第三”在允许的情况下可以互换特定的顺序或先后次序。应该理解“第一\第二\第三”区分的对象在适当情况下可以互换，以使这里描述的本申请的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。
本申请实施例的术语“包括”和“具有”以及它们任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。例如包含了一系列步骤或模块的过程、方法、装置、产品或设备没有限定于已列出的步骤或模块，而是可选地还包括没有列出的步骤或模块，或可选地还包括对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或模块。
以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (7)

1.一种用于大容量空间通信的基阶径向偏振激光复用设备，其特征在于，复用技术涉及的设备包括信号编码器(1)、信号调制模块、载波信号发射模块(2)、信号接收模块、信号解调模块和信号解码器(9)；
信号编码器将待发送信息转为电信号，发送至信号调制模块，载波信号发射模块发射中红外波长的径向偏振激光作为载波信号，信号调制模块根据控制信号发送不同偏振角度的线性偏振激光，并发送至载波信号，信号接收端接收调制后载波信号，发送至信号解调器，信号解调器对信号解调并转换为电信号发送至信号解码器，完成空间通讯；
其中，信号调制模块包括第一可调制激光器（31），第二可调制激光器（32），第三可调制激光器（33），第四可调制激光器（34），第五可调制激光器（35），第六可调制激光器（36），第一偏振片（41），第二偏振片（42），第三偏振片（43），第四偏振片（44），第五偏振片（45），第六偏振片（46），第一全反镜（51），第二全反镜（52），第三全反镜（53），第四全反镜（54），第五全反镜（55），第六全反镜（56），第一反射镜（61），第二反射镜（62），第三反射镜（63），第四反射镜（64），第五反射镜（65）和第六反射镜（66）；所述第一偏振片（41），第二偏振片（42），第三偏振片（43），第四偏振片（44），第五偏振片（45），第六偏振片（46）呈阵列排列，且分别设置在第六可调制激光器（36）、第五可调制激光器（35）、第四可调制激光器（34）、第三可调制激光器（33）、第二可调制激光器（32）和第一可调制激光器(31)的出光方向上；第一全反镜（51）设置在第一偏振片（41）的偏振光输出端，第二全反镜（52）设置在第二偏振片（42）的偏振光输出端，第三全反镜（53）的光线输入端设置在第三偏振片（43）的偏振光输出端，第四全反镜（54）位于在第四偏振片（44）的偏振光输出端处，第五全反镜（55）设置在第五偏振片（45）的偏振光输出端处，第六全反镜（56）设置在第六偏振片（46）的偏振光输出端处；
信号接收模块包括窄带通滤波器（10），第一分光计（71），第二分光计（72），第三分光计（73），第四分光计(74)和第五分光计(75)；
信号解调模块包括第七偏振片(411)，第八偏振片(421)，第九偏振片(431)，第十偏振片(441)，第十一偏振片(451)，第十二偏振片(461)，第一探测器(81)，第二探测器(82)，第三探测器(83)，第四探测器(84)，第五探测器(85)和第六探测器(86)；
其中，第一偏振片( 41) ，起偏方向与竖直方向重合；第二偏振片( 42) ，起偏方向与竖直方向呈30度夹角；第三偏振片( 43) ，起偏方向与竖直方向呈60度夹角；第四偏振片(44) ，起偏方向与竖直方向呈90度夹角；第五偏振片( 45) ，起偏方向与竖直方向呈120度夹角；第六偏振片( 46) ，起偏方向与竖直方向呈150度夹角；第七偏振片( 411) ，起偏方向与竖直方向重合；
第八偏振片( 421) ，起偏方向与竖直方向呈30度夹角；第九偏振片( 431) ，起偏方向与竖直方向呈60度夹角；第十偏振片( 441) ，起偏方向与竖直方向呈90度夹角；第十一偏振片( 451) ，起偏方向与竖直方向呈120度夹角；
第十二偏振片( 461) ，线偏振片，直径12.5 mm，工作波长1500 - 5000 nm，起偏方向与竖直方向呈150度夹角；
所述基阶径向偏振激光复用的具体方法如下：
(1)信号编码器(1)将待发送信息转换为相应的电信号，发送至信号调制模块;
(2)载波信号发射模块(2)产生径向偏振激光作为载波信号；
(3)根据信号编码器(1)产生的电信号，第一可调制激光器(31)，第二可调制激光器(32)，第三可调制激光器(33)，第四可调制激光器(34)，第五可调制激光器(35)，第六可调制激光器(36)在接收到对应的控制指令后，控制激光的输出，当可调制激光器处于开启状态下时，输出的激光分别经由对应第一偏振片(41)、第二偏振片(42)、第三偏振片(43)、第四偏振片(44)、第五偏振片(45)、第六偏振片(46)进行偏振，偏振后的激光经由对应第一全反镜(51)，第二全反镜(52)，第三全反镜(53)，第四全反镜(54)，第五全反镜(55)，第六全反镜(56)发射至对应第一反射镜(61)，第二反射镜(62)，第三反射镜(63)，第四反射镜(64)，第五反射镜(65)，第六反射镜(66)，耦合进载波信号中；处于关断状态下的可调制激光器，不出射激光，即无经过偏振选择的激光耦合进载波信号中；
(4)调制后载波信号发送至窄带通滤波器(10)，窄带通滤波器(10)滤除光噪声，将滤除后的信号光发送至第一分光计(71)，第一分光计(71)将信号光等比例、不改变偏振态情况下分别发送至第二分光计(72)和第三分光计(73)，第三分光计(73)将输入激光以70比30的比例分为两束，对应70比例的光发送至第四分光计(74)，第四分光计(74)将输入激光等比例分为两份光分别出射，第二分光计(72)将输入激光以70比30的比例分为两束，对应70比例的光发送至第五分光计(75)，第五分光计(75)将入射激光等比例分束；
(5) 第二分光计(72)分束后，分束后激光其中一路经由第七偏振片(411)，以径向偏振激光作为载波信号的激光经由第七偏振片(411)后，仅保留偏振方向为与竖直方向相同的振幅分量，对应分量激光强度由第一探测器(81)测得；第五分光计(75)出射激光，其中一路入射至第八偏振片(421)，经由第八偏振片(421)，仅保留与竖直方向偏转30度方向的振幅分量，对应分量激光强度由第二探测器(82)测得，另一路激光入射至第九偏振片(431)，仅保留与竖直方向偏转60度方向的振幅分量，对应分量激光强度由第三探测器(83)测得；第三分光计(73)将入射激光分束后，其中一束激光入射至第十偏振片(441)，仅保留与竖直方向偏转90度方向的振幅分量，对应分量激光强度由第四探测器(84)测得；第四分光计(74)将入射激光分束，其中一路入射至第十一偏振片(451)，经由第十一偏振片(451)，仅保留与竖直方向偏转120度方向的振幅分量，对应分量激光强度由第五探测器(85)测得，另一路激光入射至第十二偏振片(461)，仅保留与竖直方向偏转150度方向的振幅分量，对应分量激光强度由第六探测器(86)测得；
(6)第一探测器(81)，第二探测器(82)，第三探测器(83)，第四探测器(84)，第五探测器(85)，第六探测器(86)将所测的对应分量的激光强度信息，发送至信号解码器(9)，信号解码器(9)根据各振幅分量的强度是否大于一定值，判断对应振幅分量表示的信息，完成解码；
(7)信号解码后，根据二进制信息编译为原始信号，完成空间激光通讯。
2.根据权利要求1所述的一种用于大容量空间通信的基阶径向偏振激光复用设备，其特征在于，所述载波信号发射模块为径向偏振光产生装置，所述径向偏振光产生装置包括单模光纤激光器、单向透镜、掺铥无序增益介质、单侧镀金的反射式W形轴棱锥和输出耦合镜，所述掺铥无序增益介质为 Tm:CYA或Tm:CGA晶体。
3.根据权利要求2所述的一种用于大容量空间通信的基阶径向偏振激光复用设备，其特征在于，所述载波信号发射模块输出激光为基阶径向偏振激光，为中红外激光，波长为1微米至14微米，最大输出功率5瓦，光束质量因子大于2且小于2.3，光斑为环形光斑。
4.根据权利要求1所述的一种用于大容量空间通信的基阶径向偏振激光复用设备，其特征在于，所述第一可调制激光器，第二可调制激光器，第三可调制激光器，第四可调制激光器，第五可调制激光器，第六可调制激光器为高性能电流直调激光器，输出激光波长与载波信号波长一致，激光相位与载波信号一致，最大输出功率为1W，支持射频信号控制，控制速率最大为10Gbps。
5.根据权利要求1所述的一种用于大容量空间通信的基阶径向偏振激光复用设备，其特征在于，所述第一偏振片，第二偏振片，第三偏振片，第四偏振片，第五偏振片，第六偏振片，第七偏振片，第八偏振片，第九偏振片，第十偏振片，第十一偏振片，第十二偏振片均为线偏振片，直径12.5 mm，根据旋转方向，保留对应偏振方向上的振幅分量。
6.根据权利要求1所述的一种用于大容量空间通信的基阶径向偏振激光复用设备，其特征在于，所述第一反射镜，第二反射镜，第三反射镜，第四反射镜，第五反射镜和第六反射镜在进载波信号的一侧镀增透膜，进调制信号一侧镀发射膜。
7.根据权利要求1所述的一种用于大容量空间通信的基阶径向偏振激光复用设备，其特征在于，所述窄带通滤波器，偏振无关，工作波长与发射波长一致。
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