[发明专利]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

说明书

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。本发明系统结构简单，实施可行性高，易于推广。

技术领域

本发明涉及通信技术，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。

背景技术

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) Effects ofProton Irradiation on InGaAs/AlGaAs Multiple QuantumWell Modulators[C].Aerospace Conference.IEEE,2001；(2)Large-aperture multiplequantum well modulating retroreflector for free-space optical data transferon unmanned aerial vehicles[J].Optical Engineering,2001, 40(7)；(3)Modulatingretro-reflector lasercom systems at the Naval Research Laboratory[C].MILITARYCOMMUNICATIONS CONFERENCE,2010-MILCOM 2010.IEEE,2010；(4)Goetz P G, RabinovichW S,Mahon R,et al.Modulating Retro-Reflector Lasercom Systems for SmallUnmanned Vehicles[J].IEEE Journal on Selected Areas in Communications,2012,30(5)；(5)Free-space optical communications research and demonstrations at theUS Naval Research Laboratory[J].Applied Optics,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(Modulated retro-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。First experimentaldemonstration offull-duplex communication on a single laser beam[J].Proceedings of SPIE-The International Society for Optical Engineering,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-space optical communications link at 1550nm using multiple-quantum-well modulating retroreflectors in a marine environment[J].OpticalEngineering,2005,44(5)；(13)Rabinovich等设计了通信速率为45Mbps的猫眼MRR系统。45Mbps cat's eye modulating retro-reflector link over 7Km[J].Proceedings ofSPIE-The International Society for Optical Engineering,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。