高速中红外空间激光通信系统及通信方法
【专利摘要】本发明公开了一种高速中红外空间激光通信系统及通信方法，包括依次相连的第一激光器、近红外高速电光调制器、光参量差频器和发射天线，该近红外高速电光调制器还与高速电信号单元相连，还包括与光参量差频器相连的第二激光器；还包括依次相连的接收天线、光参量和频器、近红外高速光电探测器和高速电信号处理单元，还包括与光参量和频器相连的第三激光器，发射天线通过大气信道与接收天线通信；第一激光器产生的光波频率为ωp1，第二激光器产生的光波频率为ωs1，第三激光器产生的光波频率为ωp2。本发明避免了高速中红外通信器件的不成熟对中红外空间激光通信速率的制约，可实现高速(几十至上百Gbit/s)大容量光信息的空间通信传输与处理。
【专利说明】高速中红外空间激光通信系统及通信方法
【技术领域】
[0001]本发明属于空间激光通信领域。具体的说，涉及到高速中红外空间激光通信系统及通信方法。
【背景技术】
[0002]空间激光通信与微波及光纤通信相比，具有通信容量大、方向性好，防截获及抗电磁干扰能力强、无需申请频谱许可、器件尺寸和功耗小、可以和现有的光纤通信网络融合、无需铺设光纤线路等优点，是实现空间高速、实时通信的有效手段。
[0003]基于器件成熟度的考虑，目前常规的空间激光通信系统普遍采用0.8μπκ1.064 μ m或1.55 μ m三个近红外波段作为信息载波频段。由于大气信道的复杂性，波长较短的近红外激光在传输过程中受大气信道的干扰十分严重，比如波长越短，大气散射效应越强烈，且随着能见度降低，这种散射效应更明显；又如大气湍流效应使得到达接收端的光束发生光强闪烁、相位畸变等现象，影响通信系统的质量与通信链路的稳定，且波长越短、光束受大气湍流影响越剧烈。这些效应均限制了空间激光通信系统的传输距离及通信质量。
[0004]采用波长较长的3-5 μ m中红外波段进行空间激光通信具有明显优势。首先，太阳辐射能量在这一波段比近红外波段减小85%左右，因此中红外波段空间激光通信受到的背景噪声干扰小；其次，大气透过率在这一波段比近红外波段增加10%左右，可以有效的提高光信号的空间传输距离；第三，波长越长，大气散射强度越小，因此采用波长较长的中红外波段，可以降低大气对光信号的散射作用，从而减小信号传输时多路径效应所产生的码间干扰，有助于降低通信误码率；第四，中红外波段大气闪烁指数比近红外波段减小50%左右，光波受到大气湍流强度起伏、光束漂移、光斑抖动等效应的影响明显减小，有助于提高通信的稳定性。
[0005]目前常规中红外激光通信系统所采用的技术方案为:发射端采用较为成熟的中红外量子级联激光器(QCL)，通过控制激光器的驱动电流将电信号加载到中红外激光载波上，或者用一束近红外飞秒激光照射QCL前晶面，通过光学手段实现信号的加载。在常温条件下，量子级联激光器的调制带宽无法超越GHz，若想达到更高调制带宽，则要求其工作在极低温的苛刻环境下，短期内无法实用化，这极大地限制了中红外空间激光通信系统的信息传输速率。在接收端，通常采用中红外波段高带宽光电探测技术，将接收到的中红外光信号直接利用中红外探测器进行光电探测实现信号的接收解调。目前适用于中红外长波段的探测器主要有碲镉汞(HgCdTe)探测器和量子级联探测器(QCD)等，这些器件各有优缺点，但在常温工作条件下，其探测带宽均很难达到百MHz量级。最新的研究结果表明，带宽GHz以上的中红外探测器需要工作在极低温的苛刻环境下，短期内无法实用化。
【发明内容】
[0006]为了克服上述中红外空间激光通信系统信息传输速率低的问题，本发明提供了一种高速中红外空间激光通信系统及通信方法。
[0007]本发明的第一种技术解决方案是:
[0008]一种高速中红外空间激光通信系统，其特殊之处在于:包括发射端和接收端，发射端包括第一激光器、第二激光器、高速电光调制器、高速电信号单兀、光参量差频器和发射天线，接收端包括接收天线、第三激光器、光参量和频器、高速光电探测器和高速电信号处理单元；
[0009]所述第一激光器、高速电光调制器、光参量差频器和发射天线依次相连，高速电光调制器与高速电信号单元相连，第二激光器与光参量差频器相连；
[0010]所述发射天线通过大气信道与接收天线通信；
[0011]所述接收天线和第三激光器分别与光参量和频器相连，光参量和频器、高速光电探测器和高速电信号处理单元依次相连；
[0012]所述第一激光器是能够产生光波频率为ωρ1的近红外激光器，第二激光器是能够产生光波频率为《sl的中红外连续激光器，高速电光调制器是近红外高速电光调制器，第三激光器是能够产生光波频率为ωρ2的中红外连续激光器，高速光电探测器是近红外高速光电探测器；
[0013]所述光参量差频器是能够产生光场频率为Oel=Copl-Cosl的光参量差频器，光参量和频器是能够产生光场频率为ω?=ωρ2+ω3?的光参量和频器。
[0014]基于上述技术方案，本发明还做以下优化限定和改进:
[0015]该系统还包括光域放大单元和预处理单元，该预处理单元是用于对接收到的光信号整形及放大的预处理单元，所述高速电光调制器通过光域放大单元与光参量差频器相连，接收天线通过预处理单元与光参量和频器相连；所述第一激光器是C波段激光器，高速电光调制器是C波段高速电光调制器，高速光电探测器是C波段高速光电探测器。
[0016]上述第一激光器是1.55 μ m波段激光器,高速电光调制器是1.55 μ m波段高速电光调制器，高速光电探测器是1.55 μ m波段高速光电探测器。
[0017]第二激光器是3.8 μ m波段激光器，第三激光器是LlOym波段激光器。
[0018]上述高速电光调制器是LiNb03电光调制器。
[0019]本发明的第二种技术解决方案是:
[0020]一种高速中红外空间激光通信通信方法，其特殊之处在于:包括以下步骤:
[0021]I】近红外高速光信号的产生:
[0022]利用近红外高速电光调制器将高速电信号加载到第一激光器产生的近红外通信光波上，产生近红外高速光信号；
[0023]2】中红外波段高速光信号的产生:
[0024]将步骤I】产生的近红外高速光信号和第二激光器产生的中红外波段光波同时输入到光参量差频器，利用光参量差频器中的非线性介质将步骤I】中的近红外高速光信号转移至中红外波段光波上，产生中红外波段高速光信号；
[0025]3】中红外波段高速光信号的传输及还原:
[0026]步骤2】中产生的中红外波段高速光信号通过发射天线进入大气信道进行传输后由接收天线接收；接收到的中红外波段高速光信号与第三激光器产生的中红外波段光波同时输入到光参量和频器，利用光参量和频器中的非线性介质将中红外波段高速光信号还原成近红外高速光信号；
[0027]4】利用近红外高速光电探测器对步骤3】中还原的近红外高速光信号进行光电转换后传输至高速电信号处理单元进行后续处理。
[0028]为了保证更好的光信号传输质量，上述步骤2】中，将步骤I】产生的近红外高速光信号先经过光域放大单元处理后，再与第二激光器产生的中红外波段光波同时输入到光参量差频器；步骤2】中非线性介质是能够产生二阶非线性差频效应的非线性介质；上述步骤3】中接收天线接收到的中红外波段高速光信号，先经过预处理单元进行整形和放大后，再与第三激光器产生的中红外波段光波同时输入到光参量和频器；步骤3】中非线性介质是能够产生二阶非线性和频效应的非线性介质。
[0029]上述第一激光器是C波段激光器，高速电光调制器是C波段高速电光调制器，高速光电探测器是C波段高速光电探测器。
[0030]上述第一激光器是1.55 μ m波段激光器,高速电光调制器是1.55 μ m波段LiNb03电光调制器，高速光电探测器是1.55 μ m波段高速光电探测器，第二激光器是3.8 μ m波段激光器，第三激光器是1.10 μ m波段激光器。
[0031]本发明的优点是:
[0032](I)利用二阶非线性光参量差频效应将近红外通信波段的高速光信号调制到中红外波段，解决了中红外空间 激光通信系统中高速光信号产生时的速率瓶颈问题；
[0033](2)利用二阶非线性光参量和频效应将中红外波段的高速光信号还原至近红外通信波段，解决了中红外空间激光通信系统中高速光信号接收时的速率瓶颈问题；
[0034](3)利用成熟的近红外波段器件实现了中红外空间激光通信的高速光信号调制与探测，避免了高速中红外通信器件的不成熟对中红外空间激光通信速率的制约，使中红外空间激光通信速率提高至几十甚至百Gbit / s的量级；可实现高速(几十至上百Gbit /s)大容量光信息的空间通信传输与处理；
[0035](4)利用二阶非线性效应实现高速光信号在1.55 μ m近红外波段与3_5 μ m中红外波段之间转移，该过程响应迅速、引入噪声低，并且保证了信号光的强度信息和相位信息同时转移，是一种对信号调制格式(尤其是相位调制格式)透明的转移方式。
【专利附图】
【附图说明】
[0036]图1是本发明的原理示意图；
[0037]图2是中红外空间激光通信高速信号的产生示意图；
[0038]图3是中红外空间激光通信高速信号的接收示意图。
【具体实施方式】
[0039]本发明的技术原理:
[0040]在二阶非线性极化系数^2)不为零的非线性介质中，若有两个不同频率的光波Q1和ω2同时入射，则在二阶非线性的作用下，将产生频率为ω3 = ω1+ω2的光场；若入射的两个光波频率为(^和ω3，则在二阶非线性作用下，将广生频率为ω2= ω3_ωι的光场，这就是和频光与差频光的产生过程。且在这一过程中，各频率对应的波矢量ki (i=l，2，3)满足I^k2-1i3 = O的相位匹配条件，同时，各频率对应的光电场振幅Ε(ω1; ζ)、Ε(ω2，ζ)和Ε(ω3，ζ)之间满足下面的关系:
[0041]
【权利要求】
1.一种高速中红外空间激光通信系统，其特征在于:包括发射端和接收端，发射端包括第一激光器、第二激光器、高速电光调制器、高速电信号单元、光参量差频器和发射天线，接收端包括接收天线、第三激光器、光参量和频器、高速光电探测器和高速电信号处理单元; 所述第一激光器、高速电光调制器、光参量差频器和发射天线依次相连，高速电光调制器与高速电信号单元相连，第二激光器与光参量差频器相连； 所述发射天线通过大气信道与接收天线通信； 所述接收天线和第三激光器分别与光参量和频器相连，光参量和频器、高速光电探测器和高速电信号处理单元依次相连； 所述第一激光器是能够产生光波频率为ωρ1的近红外激光器，第二激光器是能够产生光波频率为《sl的中红外连续激光器，高速电光调制器是近红外高速电光调制器，第三激光器是能够产生光波频率为ωρ2的中红外连续激光器，高速光电探测器是近红外高速光电探测器； 所述光参量差频器是能够产生光场频率为c^1=Wpl-Wsl的光参量差频器，光参量和频器是能够产生光场频率为ω&=ωρ2+ω3?的光参量和频器。
2.根据权利要求1所述的高速中红外空间激光通信系统，其特征在于:该系统还包括光域放大单元和预处理单元，该预处理单元是用于对接收到的光信号整形及放大的预处理单元，所述高速电光调制器通过光域放大单元与光参量差频器相连，接收天线通过预处理单元与光参量和频器相连；所述第一激光器是C波段激光器，高速电光调制器是C波段高速电光调制器，高速光电探测器是C波段高速光电探测器。
3.根据权利要求2所述的高速中红外空间激光通信系统，其特征在于:所述第一激光器是1.55 μ m波段激光器，高速电光调制器是1.55 μ m波段高速电光调制器，高速光电探测器是1.55 μ m波段高速光电探测器。
4.根据权利要求3所述的高速中红外空间激光通信系统，其特征在于:第二激光器是3.8 μ m波段激光器,第三激光器是1.10 μ m波段激光器。
5.根据权利要求4所述的高速中红外空间激光通信系统，其特征在于:所述高速电光调制器是LiNb03电光调制器。
6.一种基于权利要求1至5任一权利要求所述的通信系统的通信方法,其特征在于:包括以下步骤: I】近红外高速光信号的产生: 利用近红外高速电光调制器将高速电信号加载到第一激光器产生的近红外通信光波上，产生近红外高速光信号； 2】中红外波段高速光信号的产生: 将步骤I】产生的近红外高速光信号和第二激光器产生的中红外波段光波同时输入到光参量差频器，利用光参量差频器中的非线性介质将步骤I】中的近红外高速光信号转移至中红外波段光波上，产生中红外波段高速光信号； 3】中红外波段高速光信号的传输及还原: 步骤2】中产生的中红外波段高速光信号通过发射天线进入大气信道进行传输后由接收天线接收；接收到的中红外波段高速光信号与第三激光器产生的中红外波段光波同时输入到光参量和频器，利用光参量和频器中的非线性介质将中红外波段高速光信号还原成近红外高速光信号； 4】利用近红外高速光电探测器对步骤3】中还原的近红外高速光信号进行光电转换后传输至高速电信号处理单元进行后续处理。
7.根据权利要求书6所述的通信方法，其特征在于: 所述步骤2】中，将步骤I】产生的近红外高速光信号先经过光域放大单元处理后，再与第二激光器产生的中红外波段光波同时输入到光参量差频器；步骤2】中非线性介质是能够产生二阶非线性差频效应的非线性介质； 所述步骤3】中接收天线接收到的中红外波段高速光信号，先经过预处理单元进行整形和放大后，再与第三激光器产生的中红外波段光波同时输入到光参量和频器；步骤3】中非线性介质是能够产生二阶非线性和频效应的非线性介质。
8.根据权利要求书7所述的通信方法，其特征在于:所述第一激光器是C波段激光器，高速电光调制器是C波段高速电光调制器，高速光电探测器是C波段高速光电探测器。
9.根据权利要求书8所述的通信方法，其特征在于:所述第一激光器是1.55 μ m波段激光器，高速电光调制器是1.55 μ m波段LiNb03电光调制器，高速光电探测器是1.55 μ m波段高速光电探测器，第二激光器是3.8 μ m波段激光器，第三激光器是1.10 μ m波段激光器。`
【文档编号】H04B10/114GK103701525SQ201310670434
【公开日】2014年4月2日 申请日期:2013年12月10日 优先权日:2013年12月10日
【发明者】黄新宁, 韩彪, 谢小平, 胡辉, 汪伟, 段弢 申请人:中国科学院西安光学精密机械研究所