CN112532325B - 一种多维复用的光子太赫兹通信系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多维复用的光子太赫兹通信系统，包括依次相连的光频梳生成模块、波分复用模块、信号调制模块、光分路模块、空分复用扇入模块、多芯光纤、空分复用扇出模块、太赫兹信号发射模块、太赫兹棱镜、太赫兹信号接收解调模块。本发明采用光频梳生成模块产生宽带、功率分布较为平坦的光频梳，并通过空分复用扇入扇出模块、多芯光纤同时传输多路光信号。本发明将多种复用技术与光子太赫兹无线通信系统相结合，系统可以通过波分复用模块调节载波的数量，通过空分复用模块调节分路的数量，可以实现Tbit/s量级的数据传播速率，系统容量可灵活配置、结构简单、频谱效率高。

Description

一种多维复用的光子太赫兹通信系统

技术领域

本发明属于无线通信领域，具体地，涉及一种多维复用的光子太赫兹通信系统。

背景技术

随着互联网行业的飞速发展和无线终端用户数量的增加，对无线服务的流量需求急剧增加。在过去的几年中，无线数据流量经历了前所未有的增长。为了满足未来通信的宽带宽需求，需要探索新的频率资源，例如毫米波/太赫兹无线通信和光无线通信。其中，太赫兹频段(0.1–10THz)是一个很有前途的技术选择，它不仅满足带宽需求，而且分辨率高、工作波长短、频谱资源丰富。此外，与毫米波相比，太赫兹波的波长更短，自由空间的衍射更小；与光通信相比，太赫兹波对尘雾干扰等方面不敏感。

鉴于太赫兹波段的这些优势，近些年来，越来越多的团队开始研究和开发太赫兹(THz)无线通信系统，以实现超高的数据速率。目前，太赫兹通信系统典型包括电子学和光子学两类。全电子学的太赫兹通信系统，虽然可以发射较高功率的太赫兹信号，然而由于电子器件固有的带宽限制，使得传输速率受限；光子学太赫兹通信系统，由于采用光电子器件，具有带宽大、传输速率高、功耗低、结构简单等优点，引起了学术界与工业界的广泛关注。

为了进一步提升传输速率，以多种复用技术为基础的光通信系统越来越多，这些复用技术主要包括：波分复用、空分复用、偏振复用等。在太赫兹通信领域，多种复用技术尚未得到充分的研究和应用。通过合理选择这些复用技术，可以显著提高数据传输速率，甚至实现Tbit/s量级的传输速率。因此，多维复用的光子太赫兹通信系统具有重要的研究价值。

经文献检索发现，来自日本大阪大学的Tadao Nagatsuma等人于2013年在OpticExpress期刊上发表论文“Terahertz wireless communications based on photonicstechnologies”。该文献中，单行载流子二极管作为发射机发射太赫兹信号，肖特基势垒二极管作为接收机解调信号，系统可以实现四通道传输速率为50Gbit/s、传播距离0.5m-1m的OOK信号。然而，系统复用方式单一，数据传输速率较低，频谱利用率低；直接解调方式虽然结构简单，成本低，但是灵敏度低，导致接收信噪比较小，误码率较大，限制了高阶调制格式的使用。

又经文献检索发现，来自英国伦敦大学的LUIS GONZALEZ GUERRERO等人于2020年在IEEE Access期刊上发表论文“Integrated Wireless-Optical Backhaul andFronthaul Provision Through Multicore Fiber”。该文献中，作者使用1km的7芯MCF，同时传输前传和回传信号，它们的载波频率分别为毫米波和亚THz频段。回传传输12.5Gbaud的16QAM信号，前传传输7Gbit/s的OOK信号。文献中演示了同时使用多芯光纤的6路同时进行前传和回传信号的全双工传输，实现了57Gbit/s的总数据速率。然而，然而这个系统结构较为复杂，需要使用较多的外腔激光器、光滤波器，数据处理算法较为复杂，系统灵活性较低。此外，由于系统只采用了空分复用方式，数据传输速率较低。

发明内容

鉴于上述，本发明的目的是提供一种多维复用的光子太赫兹通信系统，该光子太赫兹通信系统将多种复用技术与光子太赫兹通信系统相结合，可以实现Tbit/s量级的数据传输速率，而且系统结构简单、灵活可配置、频谱效率高。

为实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：

一种多维复用的光子太赫兹通信系统，包括依次连接的光频梳生成模块、波分复用模块、信号调制模块、光分路模块、空分复用扇入模块、多芯光纤、空分复用扇出模块、多个太赫兹信号发射模块、多个太赫兹棱镜、多个太赫兹信号接收解调模块；

光频梳生成模块产生的光频梳经波分复用模块被分离获得所需波长段的光频梳，信号调制模块将产生的通信信号调制到光频梳上，载有通信信号的光频梳经过光分路模块被分为多路信号经过由空分复用扇入模块、多芯光纤以及空分复用扇出模块组成的多路传输通道传输后对应输入多个太赫兹信号发射模块，每个太赫兹信号发射模块对输入信号经处理后产生太赫兹信号并发射，被发射的太赫兹信号经太赫兹棱镜准直和聚焦后由太赫兹信号接收解调模块接收。

优选地，所述光频梳生成模块包括可调谐激光器1、偏振控制器1、射频源1、电放大器1、光调制器1；

可调谐激光器1产生的激光经过偏振控制器1改变偏振态后进入光调制器1，射频源1产生的射频信号经过电放大器1放大后加载到光调制器1，光调制器1将视频信号调制到光信号上产生并输出光频梳至波分复用模块。

优选地，所述波分复用模块输出的光频梳宽度由波分复用模块决定，光频梳间隔由射频源1的输出频率决定。

优选地，所述信号调制模块包括光放大器1、偏振控制器2、光调制器2、任意波形发生器、电放大器2、光放大器2；

波分复用模块输出的光频梳经过光放大器1和偏振控制器2放大后额偏振处理后输入至光调制器2，任意波形发生器产生的通信信号经过电放大器2方法后加载到光调制器2，光调制器2将通信信号调制到光频梳上后输入光放大器2，光放大器2对输入信号放大处理后输出至光分路模块。

优选地，每个太赫兹信号发射模块、太赫兹棱镜以及太赫兹信号接收解调模块组成发射与接收单元，每个反射与接收单元与空分复用扇出模块输出的一路光信号对应。

优选地，所述太赫兹信号发射模块包括光放大器3、光滤波器、偏振控制器3、起偏器、可调谐激光器2、耦合器、衰减器、太赫兹发射器；

空分复用扇出模块输出的一路光信号经光放大器3、光滤波器偏振控制器3以及起偏器进行放大、滤波、偏振以及起偏处理后输入至耦合器，可调谐激光器2产生的激光信号输入至耦合器，耦合器将输入的两路光信号耦合成一路光信号，该光信号经过衰减器衰减后由太赫兹发射器拍频产生太赫兹信号并发射。

优选地，太赫兹信号的频率取决于光频梳生成模块中的可调谐激光器1和太赫兹信号发射模块中的可调谐激光器2输出光信号之间的频率差，可调谐激光器2的输出功率根据起偏器的输出功率设置，以实现功率匹配.

优选地，所述可调谐激光器1和所述可调谐激光器2为DFB激光器、DBR激光器、单纵模固体激光器或外腔激光器。

优选地，所述光放大器1和光放大器2为掺铒光纤放大器或者半导体激光放大器；

所述的光调制器1和光调制器2为强度调制器、相位调制器或双平行马赫曾德尔调制器。

优选地，所述太赫兹发射器为高速单行载流子光电探测器；

所述太赫兹信号接收解调模块为次谐波混频器、光电导天线、肖特基势垒二极管或者量子阱光电探测器。

与现有技术相比，本发明具有的有益效果为：

(1)本发明将多种复用技术与光子太赫兹无线通信系统相结合，可以实现Tbit/s量级的数据传输速率，而且系统结构简单、频谱效率高；

(2)本发明可以在低阶调制格式下实现高数据速率的传输，降低了数字信号处理过程的复杂度；

(3)本发明可以通过波分复用模块调节载波的数量，通过空分复用模块调节分路的数量，系统结构灵活可配置。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。

图1是实施例提供的多维复用的光子太赫兹通信系统的结构示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例对本发明进行进一步的详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施方式仅仅用以解释本发明，并不限定本发明的保护范围。

图1是实施例提供的多维复用的光子太赫兹通信系统的结构示意图。如图1所示，该光子太赫兹通信系统包括依次连接的光频梳生成模块、波分复用模块、信号调制模块、光分路模块、空分复用扇入模块、多芯光纤、空分复用扇出模块、多个太赫兹信号发射模块、多个太赫兹棱镜、多个太赫兹信号接收解调模块。

光频梳生成模块产生的光频梳经波分复用模块被分离获得所需波长段的光频梳，信号调制模块将产生的通信信号调制到光频梳上，载有通信信号的光频梳经过光分路模块被分为多路信号经过由空分复用扇入模块、多芯光纤以及空分复用扇出模块组成的多路传输通道传输后对应输入多个太赫兹信号发射模块，每个太赫兹信号发射模块对输入信号经处理后产生太赫兹信号并发射，被发射的太赫兹信号经太赫兹棱镜准直和聚焦后由太赫兹信号接收解调模块接收。

其中，光频梳生成模块包括可调谐激光器1、偏振控制器1、射频源1、电放大器1、光调制器1。信号调制模块包括光放大器1、偏振控制器2、光调制器2、任意波形发生器、电放大器2、光放大器2。太赫兹信号发射模块包括光放大器3、光滤波器、偏振控制器3、起偏器、可调谐激光器2、耦合器、衰减器、太赫兹发射器。

其中，可调谐激光器1和2用于产生特定波长、特定功率的激光；偏振控制器1、2、3和起偏器都用于改变输入光的偏振态；光调制器1用于调制输入光信号，使其产生以所述射频源频率为间隔的宽带光频梳；射频源1用于为光调制器1提供射频输入信号；波分复用模块用于分离链路所需波长的光频梳，以实现波分复用；任意波形发生器用于产生特定波特率、特定调制方式的通信信号；光调制器2用于将任意波形发生器产生的信号调制到输入光信号上；光分路模块用于将光信号等功率分为多路信号，分别与空分复用扇入模块相连；空分复用扇入模块、空分复用扇出模块用于实现多路单模光纤与多芯光纤的耦合；多芯光纤用于作为光纤通道同时传输多路光信号；光放大器1、2、3用于保持信号功率，弥补信号传输过程中的功率损耗；光滤波器用于滤除光放大器放大的带外自发辐射噪声；耦合器用于耦合两路光信号；衰减器用于调节太赫兹发射器的输入光功率；太赫兹发射器用于对两个特定太赫兹频差的光信号进行拍频，产生太赫兹信号；太赫兹棱镜用于对太赫兹波进行准直和聚焦，以减小自由空间传播损耗；太赫兹信号接收解调模块用于接收并解调太赫兹信号。

可调谐激光器1和2采用常用的1550nm光通信波段波长可调谐外腔激光器、DFB激光器、DBR激光器或单纵模固体激光器等。光调制器1可采用常用的相位调制器，光调制器2可采用常用的强度调制器，例如双平行马赫曾德尔调制器。可调谐激光器1中心波长设置为1550nm，可调谐激光器1输出光信号经过偏振控制器1进入光相位调制器，偏振控制器1的作用是改变输入光的偏振态，以最大化光相位调制器的输出功率；射频源1的信号经过电放大器1放大后，加载到光相位调制器上，例如，将射频源1的输入设定为10GHz，即可在光相位调制器输出端检测到频率间隔为10GHz的光频梳。

光相位调制器的输出连接到波分复用模块，用于分离所需的光频梳，以实现波分复用；光放大器1和2采用1550nm波段，输出功率约为20dBm的光放大器，可采用半导体激光放大器、掺铒光纤放大器等。

通过任意波形发生器产生所需的通信信号，调制格式可以是M阶QAM或者M阶PSK(M可为2、4、6、8等)；然后连接到光调制器2(采用双平行马赫增德尔调制器)实现信号调制；调制后的信号经过光放大器2放大后连接到光分路模块，将光信号等分为多路信号，与多芯光纤的扇入模块相连；然后在多芯光纤中传输一段距离后，通过扇出模块变为多路信号。以其中的一路为例，输出信号经过光放大器3连接到光滤波器，用于滤除带外放大的自发辐射噪声；滤波后的光信号经过偏振控制器3和起偏器改变光的偏振态，以最大化高速光电探测器的响应度；起偏器的输出信号与可调谐激光器2通过耦合器耦合成一路信号，用于拍频产生太赫兹信号，太赫兹信号的频率取决于可调谐激光器1和2之间的频率差；可调谐激光器2的输出功率根据起偏器的输出功率设置，以实现功率匹配。

太赫兹发射器采用较为常用的单行载流子光电探测器，例如NTT公司的IOD-PMJ-13001型，其频率响应范围为280-380GHz，输出典型值为-11dBm，对应光电流为7mA，直流响应度为0.22A/W。耦合器的输出信号连接到衰减器，用于调节输入单行载流子光电探测器的光功率，防止功率过大损坏探测器；拍频后产生的太赫兹信号经过发射天线发射到自由空间，经过太赫兹棱镜准直和聚焦后，被接收端的天线接收，然后通过太赫兹接收解调模块对信号进行处理。

以上所述的具体实施方式对本发明的技术方案和有益效果进行了详细说明，应理解的是以上所述仅为本发明的最优选实施例，并不用于限制本发明，凡在本发明的原则范围内所做的任何修改、补充和等同替换等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (13)

1.一种多维复用的光子太赫兹通信系统，其特征在于，包括依次连接的光频梳生成模块、波分复用模块、信号调制模块、光分路模块、空分复用扇入模块、多芯光纤、空分复用扇出模块、多个太赫兹信号发射模块、多个太赫兹棱镜、多个太赫兹信号接收解调模块；

光频梳生成模块产生的光频梳经波分复用模块被分离获得所需波长段的光频梳，信号调制模块将产生的通信信号调制到光频梳上，载有通信信号的光频梳经过光分路模块被分为多路信号经过由空分复用扇入模块、多芯光纤以及空分复用扇出模块组成的多路传输通道传输后对应输入多个太赫兹信号发射模块，每个太赫兹信号发射模块对输入信号经处理后产生太赫兹信号并发射，被发射的太赫兹信号经太赫兹棱镜准直和聚焦后由太赫兹信号接收解调模块接收。

2.如权利要求1所述的多维复用的光子太赫兹通信系统，其特征在于，所述光频梳生成模块包括可调谐激光器1、偏振控制器1、射频源1、电放大器1、光调制器1；

可调谐激光器1产生的激光经过偏振控制器1改变偏振态后进入光调制器1，射频源1产生的射频信号经过电放大器1放大后加载到光调制器1，光调制器1将射频信号调制到光信号上产生并输出光频梳至波分复用模块。

3.如权利要求2所述的多维复用的光子太赫兹通信系统，其特征在于，所述波分复用模块输出的光频梳宽度由波分复用模块决定，光频梳间隔由射频源1的输出频率决定。

4.如权利要求1所述的多维复用的光子太赫兹通信系统，其特征在于，所述信号调制模块包括光放大器1、偏振控制器2、光调制器2、任意波形发生器、电放大器2、光放大器2；

波分复用模块输出的光频梳经过光放大器1和偏振控制器2放大后和偏振处理后输入至光调制器2，任意波形发生器产生的通信信号经过电放大器2放大后加载到光调制器2，光调制器2将通信信号调制到光频梳上后输入光放大器2，光放大器2对输入信号放大处理后输出至光分路模块。

5.如权利要求1所述的多维复用的光子太赫兹通信系统，其特征在于，每个太赫兹信号发射模块、太赫兹棱镜以及太赫兹信号接收解调模块组成发射与接收单元，每个发射与接收单元与空分复用扇出模块输出的一路光信号对应。

6.如权利要求1所述的多维复用的光子太赫兹通信系统，其特征在于，所述太赫兹信号发射模块包括光放大器3、光滤波器、偏振控制器3、起偏器、可调谐激光器2、耦合器、衰减器、太赫兹发射器；

空分复用扇出模块输出的一路光信号经光放大器3、光滤波器、偏振控制器3以及起偏器进行放大、滤波、偏振以及起偏处理后输入至耦合器，可调谐激光器2产生的激光信号输入至耦合器，耦合器将输入的两路光信号耦合成一路光信号，该光信号经过衰减器衰减后由太赫兹发射器拍频产生太赫兹信号并发射。

7.如权利要求6所述的多维复用的光子太赫兹通信系统，其特征在于，太赫兹信号的频率取决于光频梳生成模块中的可调谐激光器1和太赫兹信号发射模块中的可调谐激光器2输出光信号之间的频率差，可调谐激光器2的输出功率根据起偏器的输出功率设置，以实现功率匹配。

8.如权利要求2所述的多维复用的光子太赫兹通信系统，其特征在于，所述可调谐激光器1为DFB激光器、DBR激光器、单纵模固体激光器或外腔激光器。

9.如权利要求6所述的多维复用的光子太赫兹通信系统，其特征在于，所述可调谐激光器2为DFB激光器、DBR激光器、单纵模固体激光器或外腔激光器。

10.如权利要求4所述的多维复用的光子太赫兹通信系统，其特征在于，所述光放大器1和光放大器2为掺铒光纤放大器或者半导体激光放大器。

11.如权利要求2所述的多维复用的光子太赫兹通信系统，其特征在于，所述的光调制器1为强度调制器、相位调制器或双平行马赫曾德尔调制器。

12.如权利要求4所述的多维复用的光子太赫兹通信系统，其特征在于，所述光调制器2为强度调制器、相位调制器或双平行马赫曾德尔调制器。

13.如权利要求6所述的多维复用的光子太赫兹通信系统，其特征在于，所述太赫兹发射器为高速单行载流子光电探测器；

所述太赫兹信号接收解调模块为次谐波混频器、光电导天线、肖特基势垒二极管或者量子阱光电探测器。

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