一种OPA与光学相控阵结合的激光通信方法及通信系统

摘要

本发明公开了一种OPA与光学相控阵结合的激光通信方法及通信系统，其中，系统包括：信号发射端和信号接收端，所述信号发射端与所述信号接收端之间连接自由空间传输信道；所述第一光学相控阵和所述第二光学相控阵分设于所述自由空间传输信道两端。本发明通过在激光发射端和激光接收端分别设置OPA，使得激光在进入通信信道内时波长被放大，同时在通信信道内采用由光学相控阵构建的光学相控阵将发射激光束分裂为两束光同时进行扫描捕获，增强光波在传输过程中的绕射能力，同时增大传输距离和扫描效率，在不牺牲激光器发射功率的基础上，缩短捕获时间。

说明书

【技术领域】

本发明涉及激光通信技术领域，具体地说，是一种OPA与光学相控阵结合的激光通信方法及通信系统。

【背景技术】

激光通信是一种以激光为载体实现信息传递的无线通信方式，主要利用电-光和光-电转换的视距传输技术，对通信过程中的数据、影像和声音等进行传输。激光通信系统主要由激光发射模块、信号接收模块以及两者之间的自由空间信道构成，传统的激光通信中，光信号在发射端与接收端之间传输过程中的通信波长只有一种，而常用的工作波长抗信道衰减的能力较弱，因此，如何提高工作波长在通信信道中的传输效率，提高抗信道衰减的能力和传输距离成为激光通信领域需要解决的问题之一。

【发明内容】

本发明的目的是针对现有技术中的不足，提供一种OPA与光学相控阵结合的激光通信方法及通信系统，通过在激光发射端和激光接收端分别设置OPA，使得激光由信号发射端进入通信信道内时波长被放大，从信道内传输至信号接收端时再恢复到短波激光，同时在通信信道内采用由光学相控阵构建的光学相控阵将一束光分裂为两束光同时进行扫描捕获，增强光波在传输过程中的绕射能力，同时增大传输距离和扫描效率，在不牺牲激光器发射功率的基础上，缩短捕获时间。

为实现上述目的，第一方面本发明的技术方案提供了一种OPA与光学相控阵结合的激光通信方法，包括以下步骤：

信号发射端的激光器发射激光束后通过光电调制器对所述激光束的光波进行调制，将所需传输的信息加载到激光载波上；

调制后的激光束利用OPA进行光波转换，将激光器发射的短波激光变换为长波激光；

所述发射激光束经过光学扩束器进行光束发散角的压缩，使得所述发射激光束的传输距离不小于所述信号发射端至信号接收端的距离；

所述发射激光束经过光学相控阵被分为两个分裂光束同时进行扫描捕获；

信号接收端接收到长波激光后将其恢复为短波激光并分别通过信号光接收模块获取信号光通信信息，通过信标光接收模块获取信号光。

优选的，

所述发射激光束经过光学相控阵被分为两个分裂光束同时进行扫描捕获的过程中，至少一个所述分裂光束照射到信号接收端的探测器时，即实现信号发射端与信号接收端瞄准，同时所述信号接收端向所述信号发射端返回一个发射激光束。

优选的，

所述信号光接收模块接收到信号光后，通过信号光解调接收电路读取信号光中的通信信息。

优选的，

所述信标光接收模块接收到信标光后，通过信标光处理电路读取信标光的光束指向信息，并将该信息反馈给光学相控阵。

第二方面本发明的技术方案提供了一种OPA与光学相控阵结合的激光通信系统，包括：信号发射端和信号接收端，所述信号发射端与所述信号接收端之间连接自由空间传输信道；

所述信号发射端沿光源发射方向依次排列有激光器、光电调制器、发射端OPA、光学扩束器和第一光学相控阵；

所述信号接收端沿激光入射方向依次排列有第二光学相控阵、光学缩束器、接收端OPA、信号光接收模块和信标光接收模块；

所述第一光学相控阵和所述第二光学相控阵分设于所述自由空间传输信道两端。

优选的，

所述发射端OPA，用于实现光波转换，将所述激光器发出的短波激光变换为长波激光后进入所述光学扩束器；

所述接收端OPA，用于将经过光学缩束器传输的长波激光恢复到原来的短波激光后发送至信号光接收模块和信标光接收模块。

优选的，

所述信号光接收模块和所述信标光接收模块同时与所述接收端OPA相连，

所述信号光接收模块包括：信号光探测器，用于接收经过所述接收端OPA恢复到短波激光中的信号光、信号解调接收电路，用于读取信号光中的通信信息；

所述信标光接收模块包括：信标光探测器，用于接收经过所述接收端OPA恢复到短波激光中的信标光；信标光处理电路，用于读取信标光的光束指向信息，并将该信息依次反馈给所述第一光学相控阵和所述第二光学相控阵。

优选的，

所述第一光学相控阵和所述第二光学相控阵均采用光学相控阵使所述激光器发射的激光束分为两个分裂光束，其中第一分裂光束沿发射激光的入射方向传播，第二分裂光束的传播方向与所述第一分裂光束的传播方向夹角小于90°，且所述第二分裂光束绕所述光学相控阵的光轴旋转。

优选的

所述两个分裂光束中，所述第一分裂光束沿所述发射激光的入射方向传播波，该分裂光束覆盖接受终端出现概率密度最高的中心区域，所述第二分裂光束的传播方向与所述第一分裂光束的传播方向夹角小于90°，且所述第二分裂光束绕光轴旋转，绕中心区域对不确定区域做环形扫描。

优选的，

所述光学相控阵包括方解石晶体。

本发明优点在于：

本发明通过在激光发射端和激光接收端分别设置OPA，在保证短波激光在传递信息中的保密性和高效性的基础上，在激光进入通信信道内时波长被放大，防止在远距离信标光或信号光传递的过程中受到大气内各种粒子的干扰造成偏离，在信号接收端再将长波恢复到短波激光进行调制，实现激光从光源端加大波长，并在接收端实现收束，以此获得更优的抗干扰性。

本发明同时在通信信道内采用由光学相控阵构建的光学相控阵将一束光分裂为两束光同时进行扫描捕获，在不牺牲激光器发射功率的基础上，提高扫描效率，缩短捕获时间。

【附图说明】

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中涉及的技术方案对应附图加以简单说明，显而易见的，本说明书中所描述的附图仅仅是本发明的一些可能的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出任何创造性劳动的基础上，可以依据以下附图获得与本发明技术方案相同或相似的其他附图。

附图1是本发明一种OPA与光学相控阵结合的激光通信系统的信号发射端框图；

附图2是本发明一种OPA与光学相控阵结合的激光通信系统的信号接收端框图；

附图3是本发明本发明一种OPA与光学相控阵结合的激光通信方法中分裂光束扫描示意图。

【具体实施方式】

下面将结合附图及具体实施例，对本发明所描述的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，本说明书中所描述的实施例仅是本发明的一部分可行技术方案，本领域普通技术人员基于本发明的实施例，在没有付出任何创造性劳动的基础上得到的其他实施例，应当视为属于本发明保护的范围。

本说明书中所记载的本发明的各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时，应当认为该技术方案的结合不存在。

OPA(Optical Parametric Amplification)光学参量放大是通过利用非线性光学效应来增加特定频率的光强度的操作，配备有该机制的设备称为光学参量放大器。本发明利用OPA对激光光波进行波长转换，既保证了激光通信中短波激光传递信息的保密性和高效性，又能够通过波长转换通过通信波长的信道抗衰减能力，保证通信波在自由空间传输信道中的传输距离更远。

晶体的光轴：当光在晶体内沿某个特殊方向传播时不发生双折射，该方向称为晶体的光轴。

本发明的一种OPA与光学相控阵结合的激光通信方法及通信系统，可以应用于空天一体化网络建立中，激光通讯作为关键组成技术，需要确保多方位的环境通讯需求。在利用光学相控阵捕获建立信息通路的部分中，既要满足快速移动单位间的高效捕获，也要满足类似卫星对地面的超距捕获。还可以应用于海洋通讯领域中，由于海洋环境随时处于变化状态，对于信息通路的抗干扰性和信息链接稳定性要求更高，在通信信道中，波长越长，绕射能力越强，传输距离就能越远，然而，在激光通信中，为了确保传递信息的保密性与高效性，发射激光的波长短，在远距离信标光或信号光传递的过程中很容易受到大气内各种粒子的干扰造成偏离。本发明的技术方案基于整合双折射原理的高效捕跟技术和放大激光波长的抗干扰技术(OPA)，建立最适合应用场景的整套相控阵捕跟优化方案，将激光从光源端加大波长，同时在信号接收端对光波长进行收束回复，保证激光在信息通道内传播中具备更优的抗干扰性同时可以增大信息的传输距离。

参照附图1-3所示的本发明的OPA与光学相控阵结合的激光通信系统示意框图，通过该系统实现本发明的OPA与光学相控阵结合的激光通信方法，包括以下步骤：

信号发射端的激光器发射激光束后通过光电调制器对所述激光束的光波进行调制，将所需传输的信息加载到激光载波上；

调制后的激光束利用接收端OPA进行光波转换，将激光器发射的短波激光变换为长波激光，具体的是将激光从1.55微米变换到3-5微米的波长，然后在自由空间传输信道中传输；

所述发射激光束经过光学扩束器进行光束发散角的压缩，使得所述发射激光束的传输距离不小于所述信号发射端至信号接收端的距离；

所述发射激光束经过光学相控阵被分为两个分裂光束同时进行扫描捕获；

信号接收端接收到长波激光后将其恢复为短波激光并分别通过信号光接收模块获取信号光通信信息，通过信标光接收模块获取信号光。因为长波器件的灵敏度不能满足通信的高灵敏性，所以在信号接收端设置接收端OPA将长波先转换成1.55um的短波激光后再进行光电信号的调制。

在激光通信的自由空间传输信道中，波长越长，绕射能力越强，传输距离就能越远，故本发明在信号发射端，通过发射端OPA将激光器的发射激光工作波长往长波方向转移，增强通信波在自由空间传输信道中的抗信道衰减的能力，以此增大传输距离。

在一个优选的实施例中，本发明的光学相控阵采用光学相控阵使激光器发射激光束后经过光学相控阵内的双折射晶体发生双折射现象产生两个折射光，使一束发射激光束被分为两个分裂光束同时进行扫描捕获的过程中，至少一个所述分裂光束照射到信号接收端的探测器时，即实现信号发射端与信号接收端瞄准，同时所述信号接收端向所述信号发射端返回一个发射激光束。

所述信号光接收模块接收到信号光后，通过信号光解调接收电路读取信号光中的通信信息。所述信标光接收模块接收到信标光后，通过信标光处理电路读取信标光的光束指向信息，并将该信息反馈给光学相控阵。

另一方面本发明的技术方案包括一种OPA与光学相控阵结合的激光通信系统，用于实现上述OPA与光学相控阵结合的激光通信方法，其包括信号发射端(如附图1所示为其示意框图)和信号接收端(如附图2所示为其示意框图)，所述信号发射端与所述信号接收端之间连接自由空间传输信道。

如附图1所示，所述信号发射端沿光源发射方向依次排列有激光器1、光电调制器2、发射端OPA3、光学扩束器4和第一光学相控阵5。其中激光器1用于发射激光；光电调制器2用于对光波进行调制，将所需传输的信息加载到激光载波上；发射端OPA3用于实现光波转换，将所述激光器发出的短波激光变换为长波激光后进入所述光学扩束器；光学扩束器4用于压缩发射激光束的光束发散角；第一光学相控阵5用于实现信号发射端激光束的快速偏转，将发射激光束被分裂为两个光束同时进行扫描捕获。

如附图2所示，所述信号接收端沿激光入射方向依次排列有第二光学相控阵6、光学缩束器7、接收端OPA8、信号光接收模块和信标光接收模块；所述第一光学相控阵5和所述第二光学相控阵6分设于所述自由空间传输信道两端。所述接收端OPA，用于将经过光学缩束器传输的长波激光恢复到原来的短波激光后发送至信号光接收模块和信标光接收模块。所述信号光接收模块和所述信标光接收模块同时与所述接收端OPA8相连。所述信号光接收模块包括：信号光探测器9和信号解调接收电路10，所述信号光探测器9用于接收经过所述接收端OPA8恢复到短波激光中的信号光；所述信号解调接收电路10，用于读取信号光中的通信信息。所述信标光接收模块包括信标光探测器11和信标光处理电路12，其中，信标光探测器11，用于接收经过所述接收端OPA8恢复到短波激光中的信标光；信标光处理电路12，用于读取信标光的光束指向信息，并将该信息依次反馈给所述第一光学相控阵5和所述第二光学相控阵6。

参照附图3所示的扫描捕获过程中，所述第一光学相控阵5和所述第二光学相控阵6均采用包括双折射晶体的光学相控阵使所述激光器1发射的激光束通过双折射晶体发生双折射现象产生两个折射光线，使发射激光束被分为两个分裂光束，其中，第一分裂光束沿发射激光的入射方向传播，第二分裂光束的传播方向与所述第一分裂光束的传播方向夹角小于90°，且所述第二分裂光束绕所述光学相控阵的光轴旋转。在一个优选的实施例中，所述双折射晶体选用方解石晶体，信号发射端的激光器1的发射激光加载了需要传输的信息之后，经过第一光学相控阵5压缩光束发散角，使光束更加集中的进入第一光学相控阵5内的方解石中发生双折射现象，产生两条折射光线，其中一条折射光线为寻常光线(o光)遵守通常的折射定律，折射光线在入射面内，另外一条折射光线为非常光线(e光)不遵守通常的折射定律，不在入射面内。以发射激光束进入第一光学相控阵5的入射线为轴转方解石，寻常光线(o光)不会随之转动，其在晶体内各个方向的传播速度相同，非常光线(e光)会绕着寻常光线(o光)转动，其在晶体内的传播速度会随着方向变化。通过调整发射激光束进入第一光学相控阵5的入射方向，可以使得经过方解石的发射激光束被分解得到的第一分裂光束为寻常光线(o光)，第二分裂光束为非常光线(e光)，通过使方解石沿入射线为轴转动，进而使第二分裂光束为非常光线(e光)绕着第一分裂光束为寻常光线(o光)螺旋传播。实际应用中，可以通过在光学相控阵内加电极，通过所述电极对所述光学相控阵施加不同电压，使得所述第二分裂光束绕所述光学相控阵的光轴旋转。具体在进行扫描捕获时，所述两个分裂光束中，所述第一分裂光束沿所述发射激光的入射方向传播波，该分裂光束覆盖接受终端出现概率密度最高的中心区域，所述第二分裂光束的传播方向与所述第一分裂光束的传播方向夹角小于90°，且所述第二分裂光束绕光轴旋转，绕中心区域对不确定区域做环形扫描。通过这种扫描方式，由于第二分裂光束的传播方向与所述第一分裂光束的传播方向夹角保持一致，通过第二分裂光束的环形扫描可以保证在不牺牲通信链路作用距离的前提下使得扫面效率更高，捕获时间更短。

激光由于波长短的特性确保了利用其传递信息的保密性与高效性，然而在远距离信标光或信号光传递的过程中很容易受到大气内各种粒子的干扰造成偏离。本发明的技术方案将激光从光源端加大波长，以此获得更优的抗干扰性，并在接收端实现收束，保证了短波激光在通信中的保密性和高效性。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明方法的前提下，还可以做出若干改进和补充，这些改进和补充也应视为本发明的保护范围。