基于光电结合和轨道角动量复用的太赫兹高速通信系统

摘要

本发明公开了基于光电结合和轨道角动量(OAM)复用的太赫兹高速通信系统，包括发射端、OAM信道复用加载模块、解复用模块和接收端；发射端包括两个独立可调谐的分布反馈式激光器(DFB)、马赫‑曾德尔调制器(MZM)、基带信号和单向传输载流子光电二极管(UTC‑PD)，基带信号调制到一束激光器输出光束上，和另一未调谐光束合束进入UTC‑PD混频产生太赫兹已调载波信号；OAM信道复用加载模块将太赫兹已调载波信号的能量均分并加载不同的轨道角动量，解复用模块和接收端解下并接收加载有不同轨道角动量的信道载波信号；本发明是将太赫兹频段的光纤－无线通信容量按照OAM信道复用的倍数成倍地扩展通信容量。

说明书

技术领域

本发明涉及光纤-无线通信技术领域和轨道角动量（OAM）信道复用，具体是一种基于光电结合和轨道角动量复用的太赫兹高速通信系统。

技术背景

目前，受限于高端光-电转换器件（PD）的响应带宽和响应度，在太赫兹频段的光纤-无线通信仅在日本、德国和美国能够实现，而轨道角动量（OAM）作为信道复用在光频段和微波段均有相应的研究，而在太赫兹频段正处于初步阶段。在太赫兹频段的光纤-无线通信系统中采用轨道角动量复用尚属首次。

发明内容

本发明为解决上述技术问题，提供了一种基于光电结合和轨道角动量复用的太赫兹高速通信系统，采用UTC-PD光子混频器产生太赫兹频段的通信载波，再加载两路OAM信道复用，可以成倍提高光纤-无线通信系统的通信容量。

本发明的技术方案如下：

基于光电结合和轨道角动量复用的太赫兹高速通信系统，其特征在于：包括发射端、OAM信道复用加载模块、解复用模块和接收端；

所述发射端，用于产生太赫兹已调载波信号；

所述OAM信道复用加载模块，用于将太赫兹已调载波信号的能量均分，并加载有不同阶数的轨道角动量；

所述OAM信道解复用模块，用于解下带有不同阶数的轨道角动量的准直的信道载波；

所述接收端，用于接收携带不同阶数的轨道角动量的信道载波。

所述发射端包括两个独立可调谐的DFB激光器（即分布反馈半导体激光器）、MZM（马赫-曾德尔调制器）和UTC-PD（即单向传输载流子光电二极管）；其中一个DFB激光器的输出光束上调制有基带信号，另一个DFB激光器的输出光束未调谐，两个独立可调谐的DFB激光器之间存在一定的差频。所述DFB激光器采用型号为EXFO的FLS-2800。所述两束输出光束均进入UTC-PD（即单向传输载流子光电二极管），混频产生太赫兹已调载波信号。

所述OAM信道复用加载模块前端设置有分束器，集成有近场准直透镜与发射天线；所述太赫兹已调载波信号的能量被分束器均分（平分成两份），并加载不同阶数的轨道角动量，然后通过近场准直透镜与发射天线集成发射出近乎准直的和差频相同的信道载波。

所述OAM信道解复用模块包括两个OAM螺旋相位板、近场准直透镜和接收天线，OAM螺旋相位板与接收天线接收OAM信道复用加载模块发射的波束。

所述接收端包括LNA（低噪声放大器）、BPF（带通滤波器）、混频器、DigitalStorage OSC（数字存储示波器）和Offline DSP（离线数字信号处理模块）。

上述系统架构中：

两个独立可调谐的DFB激光器中，一个DFB激光器产生的DFB激光通过马赫-曾德尔调制器（MZM）调制上基带信号，根据马赫-曾德尔调制器的调制格式（单边带/双边带，AM/QPSK等）设置直流电压偏置点；通过发射天线发射出去的为和差频相同的通信载波加载不同阶数的轨道角动量。

所述OAM螺旋相位板采用+4的螺旋相位板和+8的螺旋相位板。

所述发射端主要是将一束已调制的光载波信号和未调制的另一束DFB激光引入UTC-PD，产生和差频相同的拍频信号，再通过分束器均分成两路，分别采用+4和+8的OAM螺旋相位板对天线发射出去和差频相同的信道载波加载不同阶数的轨道角动量。

所述OAM信道加载模块和OAM信道解复用模块都采用了近场准直透镜和天线集成。

本发明的有益效果如下：

本发明采用UTC-PD光子混频器产生太赫兹频段的通信载波，再加载两路OAM信道复用，可以成倍提高光纤-无线通信系统的通信容量。

附图说明

图1为携带不同阶数的轨道角动量的波前螺旋相位示意图；

图2为本发明产生携带轨道角动量的140GHz通信载波的的发射端的结构示意图；

图3为本发明的接收端的结构示意图；

图4为本发明的系统架构图。

具体实施方式

如图2所示，一种基于OAM信道复用的太赫兹频段光纤-无线通信系统发射端。激励光源端采用两个独立的高性能DFB半导体激光器，对其中一只产生的光通信波长采用马赫-曾德尔强度调制器（IM）调制，与另一束拍频产生140 GHz的载频，高端光-电转换器件采用日本NTT公司的UTC-PD（型号：W型-IOD-PMD-11001，中心频率在140 GHz），将能量平均分成两束（50％，50％）后，分别通过喇叭天线发射，在近场处采用（+4，＋8）反射式相位板，对通信载波加载（+4，+8）阶的轨道角动量。经过一段距离的自由空间传输（室内1m），再经过共轭的反射式相位板（-4，－8）将携带不同轨道角动量（OAM）的信道载波分别解下来，经过接收端的接收天线后，再进行后续的混频和信号处理过程，接收端结构如图3所示。

轨道角动量的阶数（l，做通信信道一般取整数）定义如图1所示，l阶表示波前每行进一个周期，相位旋转2πl。

将通信载波加载不同程度的轨道角动量（OAM， 用于通信信道一般取为整数阶），与常规的复用方式（包括频分复用、时分复用、极化复用等）完全正交，只需在原有信道基础上加上加旋和解旋的环节。

如图4所示，本发明的工作原理为：两路可调谐激光输出波长，其中一路经过马赫曾德尔电光强度调制器将外部电信号调制上光载波，与另一路在单向传输载流子光电二极管上混频产生携带调制信息的太赫兹载波，经OAM信道复用加载模块分多路信道发送，接收端由OAM信道解复用模块和频率下转换电路与信号处理模块构成，完成信号OAM模式解复用、接收与处理。