[发明专利]用于自由空间光信号的少模前置放大相干接收系统及方法

说明书

本发明公开了一种用于自由空间光信号的少模前置放大相干接收系统与方法。该系统包括耦合透镜、少模光纤、少模掺铒光纤放大器、光带通滤波器、本振激光器、空间光耦合器、多模光探测器、模数转换器和数字信号处理系统。入射光信号经耦合透镜耦合进少模光纤并输入到少模掺铒光纤放大器，放大后产生的少模光信号经过光带通滤波器滤波后再通过空间光耦合器与本振光合波形成伪单边带信号，之后经过耦合透镜输入多模光探测器转换为电信号，最后经过模数转换器模数转换和数字信号处理系统处理后重建输入信号光场并消除模间色散影响，本发明具有与光信号耦合效率高，灵敏度高和结构简单等优点。

技术领域

本发明属于光纤通信，自由空间光通信(FSOC)，光信号检测和数字信号处理领域，更具体地，涉及一种用于自由空间光信号的少模前置放大相干接收系统与方法。

背景技术

对于星地卫星通信，传统的微波通信方式由于受到了容量的限制而发展遇到瓶颈，而自由空间光通信由于有着高容量、保密性高、可以重复利用的频谱资源等优点成为星地卫星通信的最优选择。然而FSOC因为大气的湍流作用，空间光信号耦合进单模光纤(SMF)变得困难，即耦合效率下降；同时大气对信号功率的吸收作用、激光的发射作用以及散射等因素导致接收到的信号光很微弱，再加上低的耦合效率，容易导致接收机误码。这种情况下除了增加光信号接收面积外，提高接收光功率的另一个关键是提高自由空间光信号与光纤的耦合效率。以往大都采用自适应光学系统来补偿大气湍流效应，提高光信号与SMF的耦合效率，其优点是可以使用成熟的SMF器件，缺点是要采用复杂的自适应光学系统，这对成本和功耗要求很高，不适用于卫星、飞机等对通信终端体积功耗要求严苛的场合，因而限制了自由空间光通信系统的发展。

而最近的理论和实验表明随着大气湍流强度的增加，信号光场会发生畸变，使得光信号功率更多的耦合进光纤的高阶模式，从而提高耦合效率。目前的实验报道表明，采用少模光纤(FMF)可以在大气湍流影响下将系统功率预算提高4～6dB。但是虽然使用FMF和少模掺铒光纤放大器(FM-EDFA)可以提高耦合效率、放大接收信号光功率、增加系统功率预算，但是会引入模间色散造成码间干扰，导致接收机灵敏度劣化。

同时我们注意到，现有的传统的数字相干光接收机(DCR)不支持少模光纤输出少模信号的相干检测，为解决此问题目前采用的方案都是模式分集技术，这需要多个单模EDFA和DCR。模式分集技术首先要通过模分复用器将FMF中各个模式信号分解到不同SMF内，再采用多个单模EDFA和多个DCR对各根SMF内的光信号进行放大和相干检测，之后再通过数字信号处理(DSP)系统在数字域内对所有DCR输出的信号进行相干合并。如此复杂的模式分集接收系统并不适用于资源受限的FSOC系统。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种用于空间光通信系统的新型低功耗、低复杂度的少模相干光接收机系统与方法，由此提高接收机与自由空间光信号的耦合效率，同时达到减小接收机系统复杂度和功耗的目的。

为实现上述目的，本发明提供了一种用于自由空间光信号的少模前置放大相干接收系统，包括：依次放置的耦合透镜、少模光纤(FMF)、少模掺铒光纤放大器(FM-EDFA)、光带通滤波器(OBPF)、本振激光器(LO)、相位板、空间光耦合器(OC)、多模光探测器(MM-PD)、模数转换器(ADC)和数字信号处理(DSP)系统；

其中，所述耦合透镜，用于把达到接收端的自由空间信号光耦合进入FMF；

所述FMF，与自由空间光信号有较高的耦合效率，并能够减少湍流效应对入纤光功率的影响；

所述FM-EDFA，用于放大从FMF传入的光信号，补偿自由空间传输和接收机内无源器件对信号光功率的损耗，以提高整个接收机的灵敏度；

所述OBPF，用于滤除FM-EDFA输出端残余的泵浦光和放大的自发辐射噪声，而让信号光正常通过；