一种基于轨道角动量编码的全双工逆向调制自由空间光通信系统技术方案

技术编号:23449547 阅读:44 留言:0更新日期:2020-02-28 22:53
一种基于轨道角动量(Orbital angular momentum,OAM)的逆向调制的全双工自由空间光通信系统方案,可以在逆向调制(Modulating retro‑reflector,MRR)的基础上进行高阶调制从而提高系统的频带利用率,同时可实现全双工通信。本发明专利技术提供的全双工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;全双工的上下行机制又可保证通信双方同时进行通信。本发明专利技术系统结构简单,实施可行性高,易于推广。

A full duplex reverse modulation free space optical communication system based on orbital angular momentum coding

【技术实现步骤摘要】
一种基于轨道角动量编码的全双工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。目前,尚无使用OAM编码的全双工逆向调制方法的公布。不同于已有的MRR调制格式,本方案使用空间光调制器对质询光束进行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的双工逆向调制自由空间光通本文档来自技高网
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【技术保护点】
1.一种基于OAM的全双工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并保证通信双方进行同时通信;/n一套OAM高阶调制的无线光通信双工逆向调制系统,可实现任意OAM模式的高阶调制,其特征在于,该系统包括: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单态OAM光束,接收经逆向调制终端调制后反射回来的经逆向调制端改变的OAM态的涡旋光束并解调出光束携带逆向调制终端加载的OAM态信息;/n所述逆向调制终端,用于将逆向调制端的通信信息调制为高阶编码,并利用空间光调制器将高阶编码对应的OAM模式加载到接收到的OAM光束上,形成携带新的态的OAM光束并反射回发射/接收终端。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于OAM的全双工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并保证通信双方进行同时通信;
一套OAM高阶调制的无线光通信双工逆向调制系统,可实现任意OAM模式的高阶调制,其特征在于,该系统包括: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单态OAM光束,接收经逆向调制终端调制后反射回来的经逆向调制端改变的OAM态的涡旋光束并解调出光束携带逆向调制终端加载的OAM态信息;
所述逆向调制终端,用于将逆向调制端的通信信息调制为高阶编码,并利用空间光调制器将高阶编码对应的OAM模式加载到接收到的OAM光束上,形成携带新的态的OAM光束并反射回发射/接收终端。


2.如权利要求1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/接收终端包括发射装置、扩束器、发射/接收端OAM态检测系统、发射/接收端信号处理系统:
所述发射装置,用来通过在空间光调制器上加载对应的衍射光栅,将单OAM态加载到高斯光束上从而转换为涡旋光束,作为询问光向逆向调制终端发射。发射装置包括激光器、两对透镜组、空间光调制器以及光阑,其特征在于:
所述空间光调制器,计算机可根据发射/接收终端所要加载的信息,将相对应的全息图,转换为振幅或相位调制方式加载到空间光调制器1上,高斯光束经空间光调制器1反射后即可生成多级携带OAM态的涡旋光束;
所述发射/接收端OAM态检测系统,用来探测接收从逆向调制终端反射并经逆向调制终端调制的OAM光束,检测出逆向调制终端加载在涡旋光束上的OAM态信息。


3.如权利要求1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OAM态检测系统、逆向调制端信号处理系统三部分。


4.如权利要求1所述MRR系统,用来通过在空间光调制器上加载对应的衍射光栅,将逆向调制终端发送信息对应的OAM态加载到发射/接收端发射来的单态OAM光束上,发射/接收端发射的OAM光束被改变后再反射回发射/接收终端。MRR系统装置包括接收孔径、分束器、两对透镜组、空间光调制器以及光阑,其特征在于:
所述分束器,用于OAM光束的分束成两束,一束发射向空间光调制器2,一束发射向OAM态检测系统;
所述空间光调制器2,根据逆向调制终端所要加载的信息,计算机可根据逆向调...

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

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