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水下抗湍流高速光孤子通信系统
申请号	CN201810441854.1	申请日	2018-05-10	公开(公告)号	CN108418637B	公开(公告)日	2024-05-07
申请人	长春理工大学;			发明人	张鹏; 王阳; 王大帅; 李晓燕; 陈纯毅; 尚吉扬; 刘闯; 王天枢; 张立中; 佟首峰; 姜会林;
摘要	水下抗湍流高速光孤子通信系统，属于无线通信技术领域，为解决现有的水下激光通信系统存在的通信距离短、抗海洋湍流效应差、难以达到长距离高速率通信的问题，该系统为数据源通过电缆连接孤子激光器，孤子激光器输出端与光纤放大器一、ASE 滤波器、光纤放大器二依次为光纤连接，光纤放大器二的输出端光纤端面位于准直透镜的焦点处，LBO倍频晶体与准直透镜、光学发射天线同轴准直放置；光学接收天线与光学发射天线同轴对准，海水池位于光学发射天线和光学接收天线之间；会聚透镜与光学接收天线同轴准直放置，光电探测器位于会聚透镜焦点处；光电探测器、滤波器和解调器依次电缆连接；本发明在海水信道高速长距离通信领域具有广泛的应用前景。
权利要求	1.水下抗湍流高速光孤子通信系统，其特征是，其包括数据源（12）、孤子激光器（13）、光纤放大器一（14）、ASE滤波器（15）、光纤放大器二（16）、准直透镜（17）、LBO倍频晶体（18）、光学发射天线（19）、海水池（20）、光学接收天线（21）、会聚透镜（22）、光电探测器（23）、滤波器（24）和解调器（25）；数据源（12）通过电缆连接孤子激光器（13），孤子激光器（13）输出端与光纤放大器一（14）、ASE滤波器（15）、光纤放大器二（16）依次为光纤连接，光纤放大器二（16）输出端光纤端面位于准直透镜（17）的焦点处，LBO倍频晶体（18）与准直透镜（17）、光学发射天线（19）同轴准直放置；光学接收天线（21）与光学发射天线（19）同轴对准，海水池（20）位于光学发射天线（19）和光学接收天线（21）之间；会聚透镜（22）与光学接收天线（21）同轴准直放置，光电探测器（23）位于会聚透镜（22）焦点处；光电探测器（23）、滤波器（24）和解调器（25）依次电缆连接；光学发射天线（19）和光学接收天线（21）对准后，数据源（12）注入孤子激光器（13）产生调制光信号，经光纤进入到光纤放大器一（14）放大，放大后的光信号由ASE滤波器（15）去噪声后由光纤放大器二（16）进一步放大；放大后信号再通过准直透镜（17）准直进入LBO倍频晶体（18）获得带调制信号的532nm通信光；通信光由光学发射天线（19）发射并通过含海洋湍流的海水池（20）后，由光学接收天线（21）接收，接收到的通信光经过会聚透镜（22）进入光电探测器（23）转换为电信号，得到的电信号由滤波器（24）处理后，再由解调器（25）解调出通信数据，从而完成了水下的激光通信；所述的光纤放大器一（14）为掺杂Yb的小信号光纤放大器，用于放大弱小光调制信号；所述的LBO倍频晶体（18）具有较高的匹配效率和激光损伤阈值，用于将1064nm激光倍频到532nm的范围内。 2.根据权利要求1所述的水下抗湍流高速光孤子通信系统，其特征在于，所述的孤子激光器（13）为波长为1064nm激光器，可产生高重复频率的光孤子脉冲序列。 3.根据权利要求1所述的水下抗湍流高速光孤子通信系统，其特征在于，所述的ASE滤波器（15）用于滤去孤子激光器（13）的噪声和光纤放大器一（14）引入ASE噪声。 4.根据权利要求1所述的水下抗湍流高速光孤子通信系统，其特征在于，所述的光纤放大器二（16）是掺杂Yb的功率光纤放大器，用于放大通信光的功率。 5.根据权利要求1所述的水下抗湍流高速光孤子通信系统，其特征在于，所述的光学发射天线（19）和光学接收天线（21）镀532nm高反射膜，用于532nm通信光的接收和发射。
说明书全文	水下抗湍流高速光孤子通信系统技术领域 [0001] 本发明属于无线通信技术领域，具体涉及基于光孤子抗干扰特性的水下高速远距离无线通信系统。背景技术 [0002] 水下无线通信(UWOC)是指通过使用无线载波即无线电波，声波和光波在无导向的水环境中传输数据,与无线电通信和水声通信相比，UWOC具有更高的传输带宽，从而提供更高的数据速率。由于这种高速传输优势，UWOC近年来引起了相当的关注，波长在400nm到580nm之间的光波在海水中衰减比较小，称为“蓝绿窗口”，目前UWOC系统中大多采用蓝绿激光器直接调制，信号多使用矩形和高斯形脉冲，大量实验显示此类系统满足不了长距离的通信要求，现有水下激光通信速率满足Gbps量级时，通信距离在几十米范围。。为此在保持高速通信的同时追求更远的通信距离是不可避免的趋势。 [0003] 文献：Liu,Xiaoyan,et al."34.5m Underwater optical wireless communication with 2.70Gbps data rate based on a green laser with NRZ‑OOK modulation."Solid State Lighting:International Forum on Wide Bandgap Semiconductors China(SSLChina:IFWS),2017 14th China International Forum on.IEEE,2017.，其结构如图1所示，具体结构为网络分析仪1产生时钟信号驱动脉冲产生器2得到伪随机序列注入偏置器3，而偏置器3通过直流源4调节直流偏置。伪随机序列经过偏执器控制520nm激光器5产生调制后的光信号。光信号经过发射透镜组6准直发射后，再经过水池并通过接收透镜组8接收汇聚到APD光电探测器9的靶面上。通过光电转换后得到电信号与脉冲产生器2产生的时钟信号一起注入误码仪10和信号示波器11进行误码率和波形的测量。该系统利用520nm激光器直接调制的方法，并采用NRZ‑OOK调制，实现了高速率远距离激光通信。不过该装置的速率受到直接调制方式的限制，通信速率再提高比较困难。所用的调制格式在海洋湍流中容易出现变形，存在数据传输距离近等问题，无法适应高速率远距离通信等领域的发展。发明内容 [0004] 本发明为解决现有的水下激光通信系统存在的通信距离短、抗海洋湍流效应差、难以达到长距离高速率通信的问题，提出了一种基于1064nm孤子激光器的水下抗湍流高速光孤子通信系统 [0005] 本发明技术方案如下： [0006] 水下抗湍流高速光孤子通信系统，其特征是，其包括数据源、孤子激光器、光纤放大器一、ASE滤波器、光纤放大器二、准直透镜、LBO倍频晶体、光学发射天线、海水池、光学接收天线、会聚透镜、光电探测器、滤波器和解调器； [0007] 数据源通过电缆连接孤子激光器，孤子激光器输出端与光纤放大器一、ASE滤波器、光纤放大器二依次为光纤连接，光纤放大器二的输出端光纤端面位于准直透镜的焦点处，LBO倍频晶体与准直透镜、光学发射天线同轴准直放置；光学接收天线与光学发射天线同轴对准，海水池位于光学发射天线和光学接收天线之间；会聚透镜与光学接收天线同轴准直放置，光电探测器位于会聚透镜焦点处；光电探测器、滤波器和解调器依次电缆连接。 [0008] 光学发射天线和光学接收天线对准后，数据源注入孤子激光器产生调制光信号，经光纤进入到光纤放大器一放大，放大后的光信号由ASE滤波器去噪声后由光纤放大器二进一步放大；放大后信号再通过准直镜准直进入LBO倍频晶体获得带调制信号的532nm通信光；通信光由光学发射天线发射并通过含海洋湍流的海水池后，由光学接收天线接收，接收到的通信光经过会聚透镜进入光电探测器转换为电信号，得到的电信号由滤波器处理后，再由解调器解调出通信数据，从而完成了水下的激光通信。 [0009] 所述的孤子激光器为波长为1064nm激光器，可产生高重复频率的光孤子脉冲序列。 [0010] 所述的光纤放大器一为掺杂Yb的小信号光纤放大器，用于放大弱小光调制信号。 [0011] 所述的ASE滤波器用于滤去孤子激光器的噪声和光纤放大器引入ASE噪声。 [0012] 所述的光纤放大器二是掺杂Yb的功率光纤放大器，用于放大通信光的功率。 [0013] 所述的光学发射天线和光学接收天线镀532nm高反射膜，用于532nm通信光的接收和发射。 [0014] 本发明的有益效果是：1)高功率高通信速率：相比于直接调节532nm激光器，1064nm激光器容易实现高通信速率(Gbps)，同时利用掺杂Yb光纤放大器可以增加发射功率有利于实现远距离通信，同时结构中在会聚透镜之前加入倍频晶体，将孤子源发出的近红外通信光转变为蓝绿光532nm，减小了海水由于散射和吸收对通信光的损耗，有利于实现远距离通信。2)抗湍流能力强：相比于传统通信，利用光孤子通信能有效抵抗海洋湍流的影响，能提高通信距离。 [0015] 本发明水下抗湍流高速光孤子通信系统在海水信道高速长距离通信领域具有广泛的应用前景。附图说明 [0016] 图1为现有有高速率远距离水下激光通信系统示意图。 [0017] 图2为本发明水下抗湍流高速光孤子通信系统示意图。 [0018] 图3为占空比为0.5和1的光孤子、高斯、矩形脉冲在海洋弱湍流采用IM‑OOK调制时的误码率对比图。具体实施方式 [0019] 下面结合附图对本发明作详细说明。 [0020] 如图2所示，水下抗湍流高速光孤子通信系统，其包括数据源12、孤子激光器13、光纤放大器一14、ASE滤波器15、光纤放大器二16、准直透镜17、LBO倍频晶体18、光学发射天线19、海水池20、光学接收天线21、会聚透镜22、光电探测器23、滤波器24和解调器25。 [0021] 数据源12通过电缆连接孤子激光器13，孤子激光器13输出端与光纤放大器一14、ASE滤波器15、光纤放大器二16依次为光纤连接，光纤放大器二16输出端光纤端面位于准直透镜17的焦点处，LBO倍频晶体18与准直透镜17、光学发射天线19同轴准直放置。光学接收天线21与光学发射天线19同轴对准，海水池20位于光学发射天线19和光学接收天线21之间。会聚透镜22与光学接收天线21同轴准直放置，光电探测器23位于会聚透镜22焦点处。光电探测器23、滤波器24和解调器25依次电缆连接，解调器25输出为解调的数据。 [0022] 光学发射天线19和光学接收天线21对准后，数据源12注入孤子激光器13产生调制光信号，经光纤进入到光纤放大器一14放大，放大后的光信号由ASE滤波器15去噪声后由光纤放大器二16进一步放大。放大后信号再通过准直镜17准直进入LBO倍频晶体18获得带调制信号的532nm通信光。通信光由光学发射天线19发射并通过含海洋湍流的海水池20后，由光学接收天线21接收，接收到的通信光经过会聚透镜22进入光电探测器23转换为电信号，得到的电信号由滤波器24处理后，再由解调器25解调出通信数据，从而完成了水下的激光通信。 [0023] 所述的孤子激光器13为波长为1064nm激光器，可产生高重复频率的光孤子脉冲序列。 [0024] 所述的光纤放大器一14为掺杂Yb的小信号光纤放大器，用于放大弱小光调制信号。 [0025] 所述的ASE滤波器15用于滤去激光器的噪声和光纤放大器14引入ASE噪声。 [0026] 所述的光纤放大器二16是掺杂Yb的功率光纤放大器，用于放大通信光的功率。 [0027] 所述的LBO(三硼酸锂)倍频晶体18具有较高的匹配效率和激光损伤阈值等优点，用于将1064nm激光倍频到532nm即“蓝绿窗口”的范围内。 [0028] 所述的光学发射天线19和光学接收天线21用于532nm通信光的接收和发射，镀532nm高反射膜。 [0029] 所述的解调器25，用于信号的恢复和再生。 [0030] 如图3为光孤子形、高斯形、矩形脉冲通信在不同信噪比(SNR)下的误码率变化曲线。由图可知，在SNR＝‑10dB时，光孤子形脉冲要比传统的高斯形和脉冲矩形脉冲小3‑4个数量级，故图3说明光孤子比传统通信更具有抗湍流干扰的性能，能进行更远距离的激光通信。 [0031] 本发明可以得到高速长距离的水下光通信装置，随着各种光电器件的不断发展，将会得到更远距离的高速通信装置，并且其应用也将更加广泛。

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