本地锁相正交偏振自由空间相干光通信装置

摘要

一种本地锁相正交偏振自由空间相干光通信装置，其构成包括单频单模激光器、光纤偏振分束器、光纤拉伸器、第一光相位调制器、第二光相位调制器、数据信号发生器、微波放大器、第一光纤准直器、第二光纤准直器、第一发射半波片、第二发射半波片、第一偏振分束棱镜、第三发射半波片、第二偏振分束棱镜、第一直角棱镜、第一聚焦透镜、第二聚焦透镜、第一平衡探测器、环路滤波器、接收半波片、第三偏振分束棱镜、第二直角棱镜、第三聚焦透镜、第四聚焦透镜、第二平衡探测器和A/D变换器。本发明发射同轴正交偏振信号光并在接收端自干涉接收的结构，能有效克服相位误差；锁相结构位于发射端，简化了接收端的结构；不对光路进行任何调整即能灵活调整系统的通信速率。

权利要求

1.一种本地锁相正交偏振自由空间相干光通信装置，由发射端和接收端构成，其特征在于：

所述的发射端包括单频单模激光器(1)、光纤偏振分束器(2)、光纤拉伸器(3)、第一光相位调制器(4)、第二光相位调制器(5)、数据信号发生器(6)、微波放大器(7)、第一光纤准直器(8)、第二光纤准直器(9)、第一发射半波片(10)、第二发射半波片(11)、第一偏振分束棱镜(12)、第三发射半波片(13)、第二偏振分束棱镜(14)、第一直角棱镜(15)、第一聚焦透镜(16)、第二聚焦透镜(17)、第一平衡探测器(18)和环路滤波器(19)，所述的单频单模激光器(1)输出的激光经所述的光纤偏振分束器(2)分为正交偏振的第一光纤支路和第二光纤支路，第一光纤支路与所述的第一光相位调制器(4)的光输入端连接，第二光纤支路与所述的光纤拉伸器(3)的光输入端连接，该光纤拉伸器(3)的光输出端与第二光相位调制器(5)的光输入端连接，所述的第一光相位调制器(4)和第二光相位调制器(5)的参数相同，所述的数据信号发生器(6)的输出端与微波放大器(7)的输入端连接，所述的微波放大器(7)的第一输出端和第二输出端分别与第一光相位调制器(4)和第二光相位调制器(5)的微波输入端连接，所述的第一光相位调制器(4)的光输出端与所述的第二光纤准直器(9)的光输入端相连，第二光相位调制器(5)的光输出端与所述的第一光纤准直器(8)的光输入端相连，第一光纤准直器(8)的输出光束通过第一发射半波片(10)输出至第一偏振分束棱镜(12)，第二光纤准直器(9)的输出光束经第二发射半波片(11)输出至第一偏振分束棱镜(12)，所述的第一偏振分束棱镜(12)将输入光束分束为两光路，一光路发射至接收端，另一光路经第三发射半波片(13)、第二偏振分束棱镜(14)分为透射光束和反射光束，所述的透射光束经第一聚焦透镜(16)聚焦至第一平衡探测器(18)的一个探测面上，所述的反射光束经第一直角棱镜(15)反射、第二聚焦透镜(17)聚焦至第一平衡探测器(18)的另一个探测面上，所述的第一平衡探测器(18)的输出端接环路滤波器(19)的输入端，该环路滤波器(19)的输出端接所述的光纤拉伸器(3)的第二输入端；

所述的接收端包括接收半波片(20)、第三偏振分束棱镜(21)、第二直角棱镜(22)、第三聚焦透镜(23)、第四聚焦透镜(24)、第二平衡探测器(25)和A/D变换器(26)；

所述的发射端发射的同轴正交偏振光信号经接收半波片(20)旋转其偏振态并通过第三偏振分束棱镜(21)分为两路光束，其中一路光束通过第四聚焦透镜(24)聚焦至第二平衡探测器(25)的一个探测面，另一路光束经过第二直角棱镜(22)反射并通过第三聚焦透镜(23)聚焦至第二平衡探测器(25)的另一个探测面上，第二平衡探测器(25)的输出端连接A/D变换器(26)的输入端，第二平衡探测器(25)的输出信号经过所述的A/D变换器(26)转换恢复出原始的发射数据。

说明书

本地锁相正交偏振自由空间相干光通信装置

技术领域

[0001] 本发明涉及自由空间相干光通信，特别是一种本地锁相正交偏振自由空间相干光通信装置。

背景技术

[0002] 星地激光通信中，更大的数据量需要更高的通信速率，相对于强度调制直接探测的光通信方式，相干光通信机制由于其更高的理论极限灵敏度、更高的光谱效率以及更好的抗背景光噪声干扰等特性得到了研究者的广泛关注。大气干扰特别是大气湍流导致大气折射率的空时随机变化是影响星地相干激光通信的主要因素之一。与采用本振激光器和接收的信号光进行零差或外差的相干探测方式相比，自差干涉接收探测方式无需对信号光和本振光的相位差进行锁定的复杂的光锁相环系统或电锁相环系统，而且能够有效地克服大气湍流的相位干扰，使干涉光场空间波前相互匹配，增加探测效率。

[0003] 现有技术[1](参见Xiaoping  Ma,Jianfeng  Sun,Yanan  Zhi,et al..Technological research of differential phase shift keying receiver in the satellite-to-ground laser communication[C].SPIE,2012,8517:851714)和现有技术[2](参见中国科学院上海光学精密机械研究所.自相位差分干涉光信号接收装置：中国，CN102594456B[P].2014.10.15.)中所述的基于马赫-曾德尔干涉仪(MZI)的1位(1-bit)差分相移键控(以下简称为DPSK)接收系统用来克服星地相干激光通信的大气湍流干扰，这是一种自差干涉接收探测方式，但是该结构须引入两组不同焦距的4-f系统进行光瞳匹配并且两支路的光程差根据不同的通信速率需要由机械元件驱动进行调节，且此结构须在接收端引入监测光进行MZI的相位锁定，增加了系统的复杂度和实现难度。

发明内容

[0004] 本发明提供一种本地锁相正交偏振自由空间相干光通信装置，结合星地相干激光通信中自差干涉接收能够克服大气湍流的相位干扰及无需复杂的光锁相环或电锁相环等优点，针对DPSK接收结构不易调节通信速率和须引入光瞳匹配系统的缺点设计了一种本地锁相正交偏振，该装置在发射端引入本地锁相系统补偿发射正交偏振光路间的相位误差，发射正交偏振光分别由正向和反向微波数据信号进行相位调制并合束为同轴光束发射，在接收端接收的信号光偏振干涉自差接收并由平衡探测器探测，最终恢复出发射的数据信号。

[0005] 本发明主要解决的技术问题是克服现有技术的不足，发射正交偏振同轴光束并在接收端采用自差干涉接收，能够克服大气干扰及多普勒频移引入的相位误差，无须复杂的光锁相环或电锁相环系统；在发射端引入本地锁相系统，简化了接收端的结构；采用互相反向的数据信号驱动电压分别驱动第一光相位调制器和第二光相位调制器，降低了加载到单个相位调制器上的电压范围；在不对光路进行任何调整的前提下改变数据信号产生速率即可改变系统的通信速率，灵活性高。

[0006] 本发明的技术解决方案如下：

[0007] 一种本地锁相正交偏振自由空间相干光通信装置，由发射端和接收端构成，其特点在于：

[0008] 所述的发射端包括单频单模激光器、光纤偏振分束器、光纤拉伸器、第一光相位调制器、第二光相位调制器、数据信号发生器、微波放大器、第一光纤准直器、第二光纤准直器、第一发射半波片、第二发射半波片、第一偏振分束棱镜、第三发射半波片、第二偏振分束棱镜、第一直角棱镜、第一聚焦透镜、第二聚焦透镜、第一平衡探测器和环路滤波器，所述的单频单模激光器输出的激光经所述的光纤偏振分束器分为正交偏振的第一光纤支路和第二光纤支路，第一光纤支路与所述的第一光相位调制器的光输入端连接，第二光纤支路与所述的光纤拉伸器的光输入端连接，该光纤拉伸器的光输出端与第二光相位调制器的光输入端连接，所述的第一光相位调制器和第二光相位调制器的参数相同，所述的数据信号发生器的输出端与微波放大器的输入端连接，所述的微波放大器的第一输出端和第二输出端分别与第一光相位调制器和第二光相位调制器的微波输入端连接，所述的第一光相位调制器的光输出端与所述的第二光纤准直器的光输入端相连，第二光相位调制器的光输出端与所述的第一光纤准直器的光输入端相连，第一光纤准直器的输出光束通过第一发射半波片输出至第一偏振分束棱镜，第二光纤准直器的输出光束经第二发射半波片输出至第一偏振分束棱镜，所述的第一偏振分束棱镜将输入光束分束为两光路，一光路发射至接收端，另一光路经第三发射半波片、第二偏振分束棱镜分为透射光束和反射光束，所述的透射光束经第一聚焦透镜聚焦至第一平衡探测器的一个探测面上，所述的反射光束经第一直角棱镜反射、第二聚焦透镜聚焦至第一平衡探测器的另一个探测面上，所述的第一平衡探测器的输出端接环路滤波器的输入端，该环路滤波器的输出端接所述的光纤拉伸器的第二输入端；

[0009] 所述的接收端包括接收半波片、第三偏振分束棱镜、第二直角棱镜、第三聚焦透镜、第四聚焦透镜、第二平衡探测器和A/D变换器；

[0010] 所述的发射端发射的同轴正交偏振光信号经接收半波片旋转其偏振态并通过第三偏振分束棱镜分为两路光束，其中一路光束通过第四聚焦透镜聚焦至第二平衡探测器的一个探测面，另一路光束经过第二直角棱镜反射并通过第三聚焦透镜聚焦至第二平衡探测器的另一个探测面上，第二平衡探测器的输出端连接A/D变换器的输入端，第二平衡探测器的输出信号经过所述的A/D变换器转换恢复出原始的发射数据。

[0011] 所述的数据信号发生器的输出端与微波放大器的输入端连接，数据信号发生器输出的方波微波数据信号经过微波放大器放大为正向的电平值在0到Vπ/2之间变化的方波驱动信号和与之反向的电平值在0到-Vπ/2之间变化的方波驱动信号，其中Vπ/2代表使通过第一光相位调制器或第二光相位调制器的光信号变化π/2相位所需的驱动电压。微波放大器的第一输出端和第二输出端分别与第一光相位调制器和第二光相位调制器的微波输入端连接，所述的正向的方波驱动信号与反向的方波驱动信号分别由微波放大器的第一输出端和第二输出端输出并加载到第一光相位调制器和第二光相位调制器上，对通过第一光相位调制器和第二光相位调制器的光信号进行相位调制。所述的的第一光相位调制器的光输出端与所述的第二光相位调制器的光输出端分别连接所述的第一光纤准直器和第二光纤准直器的光输入端，第一光纤准直器的输出光束通过第一发射半波片旋转偏振态并输出至第一偏振分束棱镜，第二光纤准直器的输出光束通过第二发射半波片旋转偏振态并输出至第一偏振分束棱镜，所述的第一偏振分束棱镜将输入光束分束为两光路，两光路均由同轴正交偏振的光信号构成，其中一个光路发射至接收端，另一光路通过所述的第三发射半波片，通过第三发射半波片的光束经第二偏振分束棱镜分光，其中一路通过第一聚焦透镜聚焦至第一平衡探测器的一个探测面上，另一光路通过第一直角棱镜反射，然后通过第二聚焦透镜聚焦至第一平衡探测器的另一个探测面上，所述的第一平衡探测器的输出端连接环路滤波器的输入端，环路滤波器的输入端连接光纤拉伸器的微波输入端，所述的第一平衡探测器的输出信号经环路滤波器滤波，环路滤波器的输出信号驱动光纤拉伸器进行相位补偿；

[0012] 本发明具有如下特点：

[0013] 1、采用互相反向微波信号驱动电压分别驱动第一光相位调制器和第二光相位调制器，降低了加载到单个相位调制器上的电压范围。

[0014] 2、在发射端的本地锁相系统以部分发射光信号作为输入，输出误差补偿信号驱动相位补偿器，用于补偿发射正交偏振光之间的相位误差。

[0015] 3、本发明采用简单的偏振自差干涉接收平衡探测，是自由空间光通信通用的自差干涉接收方式。

[0016] 本发明的技术效果：

[0017] 1、本发明本地锁相正交偏振自由空间相干光通信装置是一种正交偏振同轴发射，自差偏振干涉接收的本地锁相正交偏振自由空间相干光通信装置，应用于星地相干激光通信能够有效克服大气湍流的相位干扰，无须复杂的光锁相环和电锁相环系统。

[0018] 2、与现有技术相比，本发明接收端结构简单，在不对光路进行任何调整的前提下，改变数据信号产生速率，即可改变系统的通信速率，灵活性高。

附图说明

[0019] 图1为本发明结构示意图。

[0020] 图2为图1中第一发射半波片10、第二发射半波片11、第三发射半波片13、接收半波片20的快轴c和发射光束正交偏振方向的最优偏振安排示意图。

具体实施方式

[0021] 下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明，但不应以此限制本发明的保护范围。

[0022] 图1为本发明本地锁相正交偏振自由空间相干光通信装置的结构示意图。由图可见，本发明本地锁相正交偏振自由空间相干光通信装置，由发射端和接收端构成，[0023] 所述的发射端包括单频单模激光器1、光纤偏振分束器2、光纤拉伸器3、第一光相位调制器4、第二光相位调制器5、数据信号发生器6、微波放大器7、第一光纤准直器8、第二光纤准直器9、第一发射半波片10、第二发射半波片11、第一偏振分束棱镜12、第三发射半波片13、第二偏振分束棱镜14、第一直角棱镜15、第一聚焦透镜16、第二聚焦透镜17、第一平衡探测器18和环路滤波器19，所述的单频单模激光器1输出的激光经所述的光纤偏振分束器2分为正交偏振的第一光纤支路和第二光纤支路，第一光纤支路与所述的第一光相位调制器4的光输入端连接，第二光纤支路与所述的光纤拉伸器3的光输入端连接，该光纤拉伸器3的光输出端与第二光相位调制器5的光输入端连接，所述的第一光相位调制器4和第二光相位调制器5的参数相同，所述的数据信号发生器6的输出端与微波放大器7的输入端连接，所述的微波放大器7的第一输出端和第二输出端分别与第一光相位调制器4和第二光相位调制器5的微波输入端连接，所述的第一光相位调制器4的光输出端与所述的第二光纤准直器9的光输入端相连，第二光相位调制器5的光输出端与所述的第一光纤准直器8的光输入端相连，第一光纤准直器8的输出光束通过第一发射半波片10输出至第一偏振分束棱镜12，第二光纤准直器9的输出光束经第二发射半波片11输出至第一偏振分束棱镜12，所述的第一偏振分束棱镜12将输入光束分束为两光路，一光路发射至接收端，另一光路经第三发射半波片13、第二偏振分束棱镜14分为透射光束和反射光束，所述的透射光束经第一聚焦透镜16聚焦至第一平衡探测器18的一个探测面上，所述的反射光束经第一直角棱镜15反射、第二聚焦透镜17聚焦至第一平衡探测器18的另一个探测面上，所述的第一平衡探测器18的输出端接环路滤波器19的输入端，该环路滤波器19的输出端接所述的光纤拉伸器3的第二输入端；

[0024] 所述的接收端包括接收半波片20、第三偏振分束棱镜21、第二直角棱镜22、第三聚焦透镜23、第四聚焦透镜24、第二平衡探测器25和A/D变换器26；

[0025] 所述的发射端发射的同轴正交偏振光信号经接收半波片20旋转其偏振态并通过第三偏振分束棱镜21分为两路光束，其中一路光束通过第四聚焦透镜24聚焦至第二平衡探测器25的一个探测面，另一路光束经过第二直角棱镜22反射并通过第三聚焦透镜23聚焦至第二平衡探测器25的另一个探测面上，第二平衡探测器25的输出端连接A/D变换器26的输入端，第二平衡探测器25的输出信号经过所述的A/D变换器26转换恢复出原始的发射数据。

[0026] 单频单模激光器1输出的单频单模光场表示为：

[0027]

[0028] 其中，A表示光场振幅，ω0代表光波频率， 表示光场的随机相位。激光输出光场通过光纤偏振分束器2分为偏振方向正交，光强相等的两路光信号，分别表示为：

[0029]

[0030]

[0031] 其中一路光束与光纤拉伸器3的光输入端连接，引入补偿相位 这里以V偏振光束为例：

[0032]

[0033] 微波信号发生器6产生电平值在0到Vp之间变化的数据信号,这里以伪随机二元序列(PRBS)为例，信号由微波放大器7放大为电平值在0到Vπ/2之间变化的方波PRBS码信号，表示为M(t)，以及与之反向的电平值在0到-Vπ/2之间变化的方波PRBS码信号，表示为-M(t)，其中Vπ/2表示使通过光相位调制器的光场相位变化π/2的电压。这两路数据信号分别输入至第一光相位调制器4和第二光相位调制器5的微波输入端，两正交偏振光路分别与第一光相位调制器4和第二光相位调制器5的光输入端连接，并分别被相位调制，第一光位调制器4和第二光位调制器5的光输出端分别与第一光纤准直器8和第二光纤准直器9的光输入端连接，经过准直出射的光场分别表示为：

[0034]

[0035]

[0036] 其中，circ表示圆域函数，R代表光斑半径，平面波在光斑范围内的光强均匀分布，Vπ表示使通过光相位调制器的光场相位变化π的电压， 表示两正交偏振光场之间的相位误差。两光束分别通过第一发射半波片10和第二发射半波片11，其偏振方向安排参见附图2，其中c10和c11分别代表第一发射半波片10和第二发射半波片11的快轴方向，坐标系坐标轴x、y、z的方向如图2所示，图2中的22.5°夹角为使系统达到最优效果的偏振安排方向。通过第一发射半波片10和第二发射半波片11的光场分别表示为：

[0037]

[0038]

[0039] 其中， E'HT(x,y,t)和E'VT(x,y,t)通过第一偏振分束棱镜12分束，其中一束发射至第三发射半波片13，通过发射半波片13前的光场表示为：

[0040]

[0041]

[0042] 通过发射半波片13的光场表示为：

[0043]

[0044]

[0045] 通过发射半波片13的光场经过第二偏振分束棱镜14分光干涉，其中一路光束通过第一聚焦透镜16聚焦至第一平衡探测器18的其中一个探测面上，另一路光束经第一直角棱镜反射并通过第二聚焦透镜17聚焦至第一平衡探测器18的另一个探测面上，第一平衡探测器18将接收到的光信号转化为电流信号，表示为：

[0046]

[0047] 其中，

[0048]

[0049]

[0050]

[0051] 为保证系统达到最优效果，偏振方向α、θ应设置为α＝θ或者α+θ＝π。最终输出电信号表示为：

[0052]

[0053] 其中，D代表第一平衡探测器18的感光面积，R代表第一平衡探测器18的响应度。为使相位误差信号传输至相位误差信号反馈系统，本实施例采用类似于相干光通信中平衡锁相环传输剩余载波的原理，使调制信号2M(t)的高电平略小于调制器的半波电压Vπ，这里表示为2Ml(t)。为表示方便，将i(t)的第一相位项改写为 第二项改写为其中，d(t)∈{+1,-1}，ψ为略小于 的相位调制项。采用类似于锁相环
的线性模型，利用第一平衡探测器18和环路滤波器19滤除数据项d(t)，则第一平衡探测器
18的输出电流表示为：

[0054]

[0055] 当相位误差 时，输出电流可以表示为：

[0056]

[0057] 设环路滤波器19的输入阻抗为Z，其传递函数为F(s)，光纤拉伸器3的传递函数为G(s)，输出的补偿相位为 其中s表示拉普拉斯变换变量。第一平衡探测器18的输出电流i(t)拉普拉斯变换为I(s)，则整个反馈回路合成的传递函数表示为其中 则环路传递函数可以写为：

[0058]

[0059] 在光纤拉伸器3引入的补偿相位能够完全消除发射相位误差 的情况下，发射至接收端的光场表示为：

[0060]

[0061]

[0062] 在接收端通过接收半波片20旋转其偏振态，通过接收半波片20的光场表示为：

[0063]

[0064]

[0065] E3(x,y,t)和E4(x,y,t)通过第三偏振分束棱镜21分光干涉，其中一路光束通过第三聚焦透镜24聚焦至第二平衡探测器25的其中一个探测面上，另一路光束经第二直角棱镜22反射并通过第四聚焦透镜24聚焦至第二平衡探测器25的另一个探测面上，第二平衡探测器25将接收到的光信号转化为电流信号，表示为：

[0066]

[0067] 其中，

[0068]

[0069]

[0070] 最终输出的电信号表示为：

[0071]

[0072] 其中，D'代表第二平衡探测器25的感光面积，R'代表第二平衡探测器25的响应度。i'(t)经过A/D变换器26采样，恢复出发射数据。