一种基于轨道角动量的逆向调制自由空间光通信系统技术方案

一种基于OAM的逆向调制自由空间光通信系统方案，可以在逆向调制的基础上进行高阶调制从而提高系统的频带利用率。本发明专利技术提供的逆向调制自由空间光通信系统，由发射/接收终端和逆向调制终端构成。本发明专利技术基于轨道角动量调制，使得空间光通信逆向调制系统可以进行高阶调制，提高系统的频带利用率。本发明专利技术系统结构简单，实施可行性高，易于推广。

【技术实现步骤摘要】
一种基于轨道角动量的逆向调制自由空间光通信系统
本专利技术涉及通信技术，特别涉及一种基于轨道角动量态编码的无线光通信逆向调制技术。
技术介绍
传统空间光通信需要通信两段均携带激光发射和接收装置，使得终端对重量、体积和功耗有较高要求。由于一些特殊的应用场景存在着发送端和接收端载荷不平衡的问题，例如无人机、无人潜水器等，移动终端无法携带激光器光源，逆向调制技术被用来解决该问题[(1)EffectsofProtonIrradiationonInGaAs/AlGaAsMultipleQuantumWellModulators[C].AerospaceConference.IEEE,2001；(2)Large-aperturemultiplequantumwellmodulatingretroreflectorforfree-spaceopticaldatatransferonunmannedaerialvehicles[J].OpticalEngineering,2001,40(7)；(3)Modulatingretro-reflectorlasercomsystemsattheNavalResearchLaboratory[C].MILITARYCOMMUNICATIONSCONFERENCE,2010-MILCOM2010.IEEE,2010；(4)GoetzPG,RabinovichWS,MahonR,etal.ModulatingRetro-ReflectorLasercomSystemsforSmallUnmannedVehicles[J].IEEEJournalonSelectedAreasinCommunications,2012,30(5)；(5)Free-spaceopticalcommunicationsresearchanddemonstrationsattheUSNavalResearchLaboratory[J].AppliedOptics,2015,54(31)]。发射端首先发射询问光束，经信道传播后到达移动终端的调制回复反射器(Modulatedretro-reflector,MRR)，由MRR将调制信号加载到询问光束并反射回发射端，由发射端的接收器接收并解调获得信号。现有的MRR系统主要分为角反射器MRR系统和猫眼MRR系统。所用的调制器包括微机电系统(MEMS)调制器、声光调制器、铁电液晶(FLC)调制器和多量子阱(MQW)调制器。基于调制器的性能，目前应用在MRR系统的调制格式多为强度调制(OOK)、脉冲位置调制(PPM)和频率调制(FSK)。20世纪90年代中期，美国便开始了MRR空间激光通信系统研究，主要机构有：美国犹他州州立大学菲利普斯实验室、NASA、NRL和美国海军。我国MRR技术的研究起步较晚，参与研究单位较少，主要有：电子科技大学、长春理工大学、解放军理工大学、浙江大学和重庆大学等[(6)基于超磁致伸缩材料的光学逆向调制器初步研究[D].成都:电子科技大学，2007；(7)非对称回复反射自由空间光通信链路性能[J].应用科学学报，2010，28(4)；(8)单光源全双工逆向调制的光通信技术研究[J].光电子.激光,2015(12)；(9)水下调制回复反射光通信的链路性能研究[J].计算机仿真，2013，30(5)；(10)全双工逆向调制回复空间光通信系统性能评价[J].红外与激光工程，2015，44(8)]。目前，国内外研究结果表明，采用OOK、FSK等调制方式的MRR通信速率仅限制于kbps到几十Mbps之间[(11)Shay等用液晶与角反射器构成的MRR首次实现了10kbps的全双工激光通信链路。Firstexperimentaldemonstrationoffull-duplexcommunicationonasinglelaserbeam[J].ProceedingsofSPIE-TheInternationalSocietyforOpticalEngineering,2004,5160(2)；(12)Rabinovich等利用基于量子阱的MRR，实现了通信速率为5Mbps的自由空间光通信链路。Free-spaceopticalcommunicationslinkat1550nmusingmultiple-quantum-wellmodulatingretroreflectorsinamarineenvironment[J].OpticalEngineering,2005,44(5)；(13)Rabinovich等设计了通信速率为45Mbps的猫眼MRR系统。45Mbpscat'seyemodulatingretro-reflectorlinkover7Km[J].ProceedingsofSPIE-TheInternationalSocietyforOpticalEngineering,2006,6304]。高阶调制技术可以用来提高通信速率和频谱利用率。然而，由于传统逆向调制技术大多为强度调制，多进制高阶调制几乎没有被应用于MRR系统中。携带有轨道角动量(OrbitalAngularMomentum,OAM)的涡旋光束在光学操纵、光捕获、生物医学以及光学信息传输等领域引起了广泛的关注。OAM光束有着独特的螺旋相位结构，含有螺旋相位因子，l为方位角指数，表征OAM态，φ为传播方位角(l代表光束单波数内2π相移的个数)。理论上，OAM态的取值是无限的，并且不同OAM态之间相互正交。OAM复用和OAM高阶调制技术在空间光通信领域已有较多研究，可以有效提升无线光通信系统信道容量和速率[(14)Demonstrationof12.8-bit/s/Hzspectralefficiencyusing16-QAMsignalsovermultipleorbital-angular-momentummodes[C].EuropeanConference&ExhibitiononOpticalCommunication.IEEE,2011；(15)OrbitalAngularMomentum-basedSpaceDivisionMultiplexingforHigh-capacityUnderwaterOpticalCommunications[J].ScientificReports,2016,6；(16)Multi-gigabit/sunderwateropticalcommunicationlinkusingorbitalangularmomentummultiplexing[J].OpticsExpress,2016,24(9)]。因此，将OAM用于MRR系统的高阶编码，可有效提升通信系统的信道容量与频谱效率。不同于已有的MRR调制格式，本方案使用DMD对质询光束进行OAM高阶调制，在无噪声环境下理论上可达到任意阶调制。
技术实现思路
本专利技术提出了一种基于OAM的逆向调制自由空间光通信系统方案，可以在逆向调制的基础上进行高阶调制从而提高系统的频带利用率；为了达到本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于OAM的逆向调制自由空间光通信系统方案，可以在逆向调制的基础上进行高阶调制从而提高系统的频带利用率；/n一套OAM高阶调制的无线光通信逆向调制系统，可实现任意OAM模式的高阶调制，其特征在于，该系统包括发射/接收终端和逆向调制终端；/n所述发射/接收终端，用来向逆向调制终端发射作为询问光的高斯光束，也用来接收经逆向调制终端调制后反射回来的携带OAM态的涡旋光束并解调光束携带的OAM态信息从而得到逆向调制端发送的信息；/n所述逆向调制终端，用于实现逆向调制端的高阶编码信息调制，利用数字微镜器件(Digital Mirror Device,DMD)将高阶编码对应的OAM模式加载到询问光上并反射回发射/接收终端。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于OAM的逆向调制自由空间光通信系统方案，可以在逆向调制的基础上进行高阶调制从而提高系统的频带利用率；
一套OAM高阶调制的无线光通信逆向调制系统，可实现任意OAM模式的高阶调制，其特征在于，该系统包括发射/接收终端和逆向调制终端；
所述发射/接收终端，用来向逆向调制终端发射作为询问光的高斯光束，也用来接收经逆向调制终端调制后反射回来的携带OAM态的涡旋光束并解调光束携带的OAM态信息从而得到逆向调制端发送的信息；
所述逆向调制终端，用于实现逆向调制端的高阶编码信息调制，利用数字微镜器件(DigitalMirrorDevice,DMD)将高阶编码对应的OAM模式加载到询问光上并反射回发射/接收终端。


2.如权利要求1所述的OAM高阶调制的无线光通信逆向调制系统，其特征在于，作为前述逆向调制自由空间光通信系统一种更好的选择，发射/接收终端包括激光器、扩束器、OAM态检测系统、发射/接收端信号处理系统：
所述激光器，用来向逆向调制终端发射连续波高斯询问光束；
所述扩束器，用于将激光器发射的高斯光束扩束，调整光束半径大小以减少光束传播中的光束半径扩展。


3.如权利要求1所述的OAM高阶调制的无线光通信逆向调制系统，其特征在于，所述OAM态检测系统，用来探测从逆向调制终端反射回来的携带OAM信息的光束，检测出逆向调制终端加载在涡旋光束上的OAM态；
所述发射/接收端信号处理系统，用来处理OAM态检测系统检测到的OAM态信息，进行解码处理，得到逆向调制终端发送来的信息。
作为前述逆向调制自由空间光通信系统一种更好的选择，逆向调制终端包括MRR系统、逆向调制端信号处理系统二部分。


4.如权利要求1所述的OAM高阶调制的无线光通信逆向调制系统，其特征在于，所述MRR系统，用来通过在DMD上加载对应的衍射光栅，将OAM态加载到高斯光束上从而转换为涡旋...

【专利技术属性】
技术研发人员：崔小舟，尹霄丽，张兆元，常欢，王拥军，忻向军，
申请(专利权)人：北京邮电大学，
类型：发明
国别省市：北京;11