自由空间光通信终端及方法与流程

1.本发明涉及一种自由空间光通信终端以及一种相关联的方法。


背景技术：

2.在光通信中，通常在通信链路的两侧具有不同的终端。原因是在典型的场景中，比如光地面-卫星或地面-飞行器链路，两个通信伙伴是非常不同的。另外，由于地面以上较高高度的湍流强度降低，通过大气的传播可能会对上行链路和下行链路产生不同的影响。该问题可能出现在相同伙伴之间的网状网络中，例如，飞行器-飞行器网络，这通常是因为设计与其自身兼容的光学终端相当具有挑战性。在通信链路中，一个终端使用一个信道(例如特定波长)进行发射，并且使用另一个信道(即不同的特定波长)进行接收；对于第二终端，两个信道的角色被调换。这与普通串行电缆的情况相同，其中，存在一根rx线和一根tx线，并且，为了在两个设备之间进行通信，需要交换电缆(绞合电缆)内的rx线和tx线，或者需要在两个设备上具有不同类型的串行端口。由于不可能在大气中交换rx信道和tx信道，因此通常在链路两侧使用不同的终端。


技术实现要素：

3.本发明的目的是将自由空间光通信终端改进为自兼容的。
4.本发明提供了一种自由空间光通信终端，该自由空间光通信终端被配置用于通过自由空间建立到另一个通信终端的光链路，该自由空间光通信终端包括：
[0005]-激光源，该激光源被配置用于生成传出激光脉冲的传出光束，其中，该传出光束从该激光源经由自由空间发射到该另一个通信终端；
[0006]-光电检测设备，该光电检测设备被配置用于检测传入激光脉冲的传入光束，其中，该传入光束从该另一个通信终端传入；
[0007]-光输入/输出组件，该光输入/输出组件被配置用于基于该传入光束和该传出光束各自的光束偏振来选择性地路由该传入光束和该传出光束，使得该传入光束被路由到该光电检测设备，并且该传出光束从该激光源路由到自由空间；以及
[0008]-控制逻辑，该控制逻辑操作性地耦接到该激光源、该光电检测设备和/或该光输入/输出组件。
[0009]
优选地，该光输入/输出组件包括分束器装置，该分束器装置被配置为使得根据各自的光束偏振，该传出光束从该激光源路由到自由空间，并且该传入光束从自由空间路由到该光电检测设备。
[0010]
优选地，该传出光束由该分束器装置反射。优选地，该激光源生成具有s偏振的传出光束。优选地，该分束器装置反射s偏振。优选地，该传入光束由该分束器装置发射。优选地，该分束器装置发射p偏振。优选地，该分束器装置包括偏振分束器。优选地，该光输入/输出组件包括多个堆叠的偏振元件，这些偏振元件沿传入光束方向布置在分束装置之前。优选地，该光输入/输出组件包括诸如法拉第隔离器等偏振隔离装置，该偏振隔离装置沿传出
光束方向布置在分束装置之前。
[0011]
优选地，该激光源被配置用于生成具有线性偏振的传出光束，其中，该光输入/输出组件被配置用于将传出光束的偏振从第一线性偏振改变为第一椭圆偏振或圆偏振，并且用于将传入光束的偏振从第二椭圆偏振或圆偏振改变为第二线性偏振，其中该第二线性偏振与该第一线性偏振不同。
[0012]
优选地，该第一线性偏振和该第二线性偏振彼此正交。优选地，该第一椭圆偏振或圆偏振和该第二椭圆偏振或圆偏振彼此相反。
[0013]
优选地，该光输入/输出组件包括偏振改变装置，该偏振改变装置被配置为使得该传出光束的偏振从该第一线性偏振改变为该第一椭圆偏振或圆偏振，并且使得该传入光束的偏振从该第二椭圆偏振或圆偏振改变为该第二线性偏振。
[0014]
优选地，该偏振改变装置沿传出光束的路径布置在分束器装置之后。优选地，该偏振改变装置沿传入光束的路径布置在分束器之前。优选地，该偏振改变装置被配置为将传出光束的偏振从s偏振改变为第一椭圆偏振或圆偏振。优选地，该偏振改变装置将s偏振改变为第一圆偏振。优选地，该偏振改变装置被配置为将传入光束的偏振从第二椭圆偏振或圆偏振改变为p偏振。优选地，该偏振改变装置包括四分之一波片。
[0015]
优选地，该光链路包括由激光脉冲的不同中心波长定义的多个信道，其中，该激光源被配置为生成包含具有不同中心波长的激光脉冲的传出光束。优选地，该光链路包括由不同中心波长定义的多个信道，其中，相同的信道被配置为tx信道和rx信道，其中，tx信道和rx信道由于各自的光束偏振而被隔离。
[0016]
优选地，该光电检测设备包括光电检测器和可调谐波长滤波器装置，该可调谐波长滤波器装置沿该传入光束的路径布置在该光电检测器之前，其中，该可调谐波长滤波器装置被配置为允许可调谐光谱窗的波长通过。优选地，该可调谐波长滤波器装置包括可调谐带通滤波器。
[0017]
优选地，该光输入/输出组件包括另一个可调谐波长滤波器装置，该另一个可调谐波长滤波器装置沿该传出光束的路径布置在自由空间之前，其中，该另一个可调谐波长滤波器装置被配置为允许可调谐光谱窗的波长通过。优选地，该另一个可调谐波长滤波器装置包括可调谐带通滤波器。
[0018]
优选地，该激光源包括激光增强放大器，该激光增强放大器被配置为在饱和模式下操作，以放大传出激光脉冲。优选地，该激光增强放大器是光纤放大器。
[0019]
优选地，该光电检测设备包括激光前置放大器，该激光前置放大器被配置为在低噪声模式下操作，以便放大传入激光脉冲，而添加最小的噪声。优选地，该激光前置放大器是光纤放大器。
[0020]
优选地，该光通信终端进一步包括射频收发器，该射频收发器操作性地耦接到该控制逻辑，以实现与该另一个通信终端的握手。
[0021]
本发明提供了一种自由空间光通信装备，包括第一自由空间光通信终端和第二自由空间光通信终端，其中，两个终端均如上所述进行配置。
[0022]
本发明提供了一种在如上所述进行配置的第一自由空间光通信终端与第二自由空间光通信终端之间的自由空间光通信方法，该方法包括：
[0023]-生成传出激光脉冲的传出光束，其中，该传出光束经由自由空间发射到该第二自
由空间光通信终端；
[0024]-检测传入激光脉冲的传入光束，其中，该传入光束是从该第一自由空间光通信终端传入的传出光束；
[0025]-基于该传入光束和该传出光束各自的光束偏振，来选择性地将该传入光束路由到该光电检测设备或将该传出光束从该激光源路由到自由空间。
[0026]
优选地，该传出光束被反射到自由空间，而该传入光束通过分束器装置从自由空间发射。
[0027]
优选地，该激光源生成具有线性偏振的传出光束，并且该光输入/输出组件将传出光束的偏振从第一线性偏振改变为第一椭圆偏振或圆偏振，并且将传入光束的偏振从第二椭圆偏振或圆偏振改变为第二线性偏振，其中，该第二线性偏振与该第一线性偏振不同。
[0028]
优选地，该激光源生成传出光束，该传出光束包含具有针对该光链路的每个信道的不同中心波长的激光脉冲，并且在该光电检测设备中，可调谐波长滤波器装置被调谐为允许该传入光束的可调谐光谱窗的波长通过。
[0029]
优选地，该光输入/输出组件包括另一个可调谐波长滤波器装置，该另一个可调谐波长滤波器装置被调谐为允许该传出光束的可调谐光谱窗的波长通过。
[0030]
优选地，该传出光束由在饱和模式下操作的激光增强放大器放大。
[0031]
优选地，该传入光束由在低噪声模式下操作的激光前置放大器放大，从而以最小的噪声放大传入激光脉冲。
[0032]
优选地，两个终端之间的握手通过无线电传输执行。
[0033]
实现该目的的一个想法是复制功能，例如，两个终端可以以两个不同的波长接收和发射。这可以通过复制sfp模块的收发器数量来实现。另一个想法是实施可重新配置的终端，使得一个终端可以在第一配置与第二配置之间切换，在第一配置中，其使用第一波长发射并使用第二波长接收，在第二配置中，终端以第二波长发射并以第一波长接收。
[0034]
与这些解决方案相比，本发明提供了一种更便宜、零件更少且更可靠的解决方案。本发明提供了一种实施终端的方式，该终端可以容易地被重新配置为能够与其自身的相同版本进行通信。该终端可以部署在飞行器或卫星上以实现空中网状网络，该空中网状网络十分灵活，可以在每对飞行器之间动态地建立链路。
[0035]
在此，实施可重新配置的终端(其可以链接到自身的相同版本)的方法是使用波长和偏振的组合来区分rx信道和tx信道。光偏振用于区分通信模式：在第一模式中，终端发射例如右旋圆偏振光并接收左旋圆偏振光，而在第二模式中则相反。两种模式之间的切换是通过将四分之一波片旋转90
°
来完成的，或者可替代地将半波片置于静态四分之一λ之前。这种方案的好处是它允许使用偏振分束器来分离终端内的rx光束和tx光束。它还与波长复用兼容。
[0036]
每个终端都可以在tx和rx中改变波长。用于接收或发射的波长与偏振之间存在一一对应关系。例如，假设有20个处于不同波长λ1至λ
20
的信道，则第一终端可以使用右旋圆偏振在λ1至λ
10
下发射，并在具有左旋圆偏振的波长λ
11
至λ
20
下接收；终端2则反之。波长的改变可以使用控制逻辑来完成，该控制逻辑优选地使用fpga来实施。在上述示例中，每个终端携带20个sfp模块。所有tx端口被复用在一起，而所有rx传入信道被解复用，以便连接各自的sfp端口。根据不同的模式，只有一半的sfp模块用于传输。可以相应地选择rx链中的可调谐
带通以进一步改善tx/rx隔离。
[0037]
四分之一波片的光轴的旋转可以以机械或电子(例如使用液晶)方式进行。
[0038]
哪些终端使用哪种波长/偏振(即模式1或模式2)可以通过射频(rf)握手预先传达。例如，这可以通过为每个终端指配值(可替代地可以从其gps坐标计算)并且将具有较高值的终端设置为模式2并将另一个设置为模式1来完成。应当注意的是，为了简洁和说明，没有示出所有终端部件，特别是没有示出本领域公知的精瞄组件。
[0039]
两个终端的通信装备通常涉及终端之间的自由空间和在其中传播的光束、以及除了输入/输出组件之外在终端内使用的光纤。两个终端的tx端口可以是s偏振的，而两个终端的rx端口可以是p偏振的。每个终端能够使用单一波长或由fpga控制的sfp模块实施的多个波长来发射和接收。tx路径可以包括多路复用器(mux)和掺铒光纤(edfa)增强器；rx路径包括可调谐带通滤波器、edfa前置放大器和解复用器(demux)。相对于本地参考系的四分之一波片角度取向优选地对于上部终端为+45
°
，而对于下部终端为-45
°
。这允许上部终端发射右旋圆偏振光并接收左旋圆偏振光，而下部终端则相反。波长分离和带通滤波器的使用可以用于改善tx信道与rx信道之间的隔离。
附图说明
[0040]
参照下面列出的所附示意图更详细地描述本发明的实施例：
[0041]
图1描绘了根据本发明的自由空间光通信装备的实施例；以及
[0042]
图2描绘了在通信装备中使用的光谱。
具体实施方式
[0043]
图1图示了自由空间光通信装备10的实施例。该装备包括第一光通信终端12和第二光通信终端14。第一终端12和第二终端14间隔开，它们之间具有自由空间16的区域。第一终端12和第二终端14在它们之间经由自由空间16建立光链路18。第一光通信终端12和第二光通信终端14关于它们的部件被相同地配置，因此为了简洁起见，仅更详细地描述第一光通信终端12。
[0044]
第一光通信终端12包括激光源20、光电检测设备22、光输入/输出组件24和控制逻辑26。
[0045]
控制逻辑26操作性地耦接到激光源20、检测设备22和光输入/输出组件24以控制这些装置。
[0046]
激光源20生成传出光束28。激光源20包括耦接到控制逻辑26的多路复用器30(mux 30)。mux 30生成被传送到激光增强放大器32的激光脉冲。激光增强放大器32和mux 30经由光学信道彼此连接。传出光束28在光学信道内传播到激光增强放大器32。激光增强放大器32优选地在饱和模式下操作，这意味着传出激光脉冲优选地被放大到激光增强放大器32(例如，掺铒光纤放大器(edfa))的饱和输出功率。
[0047]
激光增强放大器32发出传出光束28，该传出光束进一步传播到光输入/输出组件24。
[0048]
光输入/输出组件24包括分束器装置34。分束器装置34优选地包括偏振分束器36。分束器装置34被布置成使得传出光束28被反射到自由空间16。
[0049]
光输入/输出组件24包括偏振改变装置38，例如四分之一波片39。偏振改变装置38也可以包括诸如光弹性调制器等有源偏振改变元件，而不是诸如四分之一波片39等无源元件。偏振改变装置38被配置为使得线性偏振改变为圆偏振。
[0050]
光电检测设备22包括可调谐波长滤波器装置40。可调谐波长滤波器装置40可以包括可调谐带通滤波器。可调谐波长滤波器装置40被配置为允许光谱窗42的波长通过。光谱窗42在波长域中的位置由控制逻辑26控制。
[0051]
光电检测设备22包括激光前置放大器44。激光前置放大器44经由光纤耦接到可调谐波长滤波器装置40。可调谐波长滤波器装置40可以通过使用旋转滤波器或具有多个滤波器的线性平移平台来实施。激光前置放大器44可以再次被配置为类似于激光增强放大器32的激光光纤放大器。然而，激光前置放大器44在低噪声模式下操作。在低噪声模式中，激光前置放大器44的增益被选择为使得传入光束46仅被放大了可靠地检测传入光束46所需的量，从而避免了噪声的增加。
[0052]
光电检测设备22包括同样经由光纤耦接到激光前置放大器44的解复用器48(demux 48)。解复用器48检测传入光束46的入射激光脉冲，并将信号发射到控制逻辑26。控制逻辑26优选地经由可编程逻辑电路(比如fpga或定制设计的芯片)实现。
[0053]
此外，第一光通信终端12可以包括射频收发器50(rf收发器50)，其用于第一光通信终端12与第二光通信终端14之间的握手。
[0054]
图2描绘了可以在通信装备10中使用的典型光谱。该图在水平轴线上描绘了波长，并且在竖直轴线上描绘了波长的强度或波长滤波器的透射率(例如，图示了光谱窗42)。
[0055]
如示意性描绘的，光链路18包括多个信道52。信道52被分为第一组54和第二组56。第一组54可以是发射信道tx，而第二组56可以是关于第一光学器件的接收信道rx。该图进一步描绘了可调谐波长滤波器装置40的光谱窗42，该光谱窗抑制了在期望范围之外的任何信道。换言之，光谱窗42取决于第二光通信终端14接收第一组54还是第二组56而向第一组54或第二组56移位，反之亦然。
[0056]
现在将参考图1和图2进一步详细地描述自由空间光通信装备10的操作。
[0057]
最初，第一光通信终端12和第二光通信终端14使用rf收发器50执行握手。通过该握手，第一光通信终端12和第二光通信终端14可以定义，例如，信道52的第一组54被第一光通信终端12用作发射信道tx，而信道52的组56被第一光通信终端12用作接收信道rx。针对第二光通信终端14的定义相反。
[0058]
要从第一光通信终端12发送到第二光通信终端14的消息可以由控制逻辑26编码，该控制逻辑控制mux 30发出具有激光脉冲的传出光束28，所述激光脉冲根据要发送的消息进行调制。传出光束28通过光纤传播到激光增强放大器32，该激光增强放大器放大传出光束28的激光脉冲。激光脉冲以s偏振的方式被偏振，并朝着光输入/输出组件24传播。分束器装置34将传出光束28反射到偏振改变装置38。偏振改变装置38由控制逻辑26控制，以将传出光束的偏振从线性偏振改变为圆偏振，诸如右旋圆偏振。随后，传出光束28离开第一光通信终端12，并通过自由空间26朝向第二光通信终端14传播。
[0059]
在进入第二光通信终端14之后，现在(关于第二光通信终端14的)传入光束46进入偏振改变装置38，该偏振改变装置将右旋圆偏振转变为p偏振。传入光束46随后行进到分束器装置34，并且由分束器装置34发射到光电检测设备22。
[0060]
当进入光电检测设备22时，传入光束46穿过可调谐波长滤波器装置40，该可调谐波长滤波器装置的光谱窗42被调谐为，使得允许第一组54的所有信道52穿过，而所有其他波长被抑制。传入光束46穿过光纤进入激光前置放大器44。激光前置放大器44将传入光束46的传入激光脉冲放大到足以使demux 48可以检测到这些传入激光脉冲，但不会放大太多，以避免噪声的增加。放大的传入光束46穿过另一根光纤进入以通常的方式检测光信号的demux 48，并且控制逻辑26评估接收到的信号，并将从第一光通信终端12发送的消息输出到第二光通信终端14。
[0061]
由于两个终端是对称地配置的，所以可以同时从第二光通信终端14向第一光通信终端12发射第二消息。因此，光链路18允许在第一光通信终端12与第二光通信终端14之间同时进行双向通信。
[0062]
为了改进自由空间光通信，本发明提出了一种光通信终端12，该光通信终端包括激光源20、光电检测设备22以及光输入/输出组件24。这些部件由控制逻辑26控制。为了使光通信终端12自兼容，光输入/输出组件24根据传出光束28和传入光束46各自的光束偏振来选择性地路由该传出光束和该传入光束。为此，光输入/输出组件24可以包括偏振分束器36以及四分之一波片39。
[0063]
附图标记清单：
[0064]
10 自由空间光通信装备
[0065]
12 第一光通信终端
[0066]
14 第二光通信终端
[0067]
16 自由空间
[0068]
18 光链路
[0069]
20 激光源
[0070]
22 光电检测设备
[0071]
24 输入/输出组件
[0072]
26 控制逻辑
[0073]
28 传出光束
[0074]
30 多路复用器(mux)
[0075]
32 激光增强放大器
[0076]
34 分束器装置
[0077]
36 偏振分束器
[0078]
38 偏振改变装置
[0079]
39 四分之一波片
[0080]
40 可调谐波长滤波器装置
[0081]
42 光谱窗
[0082]
44 激光前置放大器
[0083]
46 传入光束
[0084]
48 解复用器(demux)
[0085]
50 射频收发器(rf收发器)
[0086]
52 信道
[0087]
54 第一组
[0088]
56 第二组
[0089]
tx 发射信道
[0090]
rx 接收信道