用于光傳輸數字數據的裝置制造方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及用于光傳輸數字數據的裝置，所述裝置包括信號源（1），其用來輸出光學信號，所述光學信號的大小是基于要傳輸的數字數據而調制的。本發(fā)明提供熒光光纖（3），將熒光光纖（3）布置為使得通過外圍區(qū)域接收來自信號源（1）的光學信號，通過熒光光纖（3）輸入光學信號，通過發(fā)熒光的方法在熒光光纖（3）內將光學信號轉換為熒光信號，通過光纖（3）將所述熒光信號路由到光纖末端（5）。
【專利說明】用于光傳輸數字數據的裝置
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及一種用于光傳輸數字數據的裝置以及在其中使用所述裝置的設備。
【背景技術】
[0002]在不同的應用中，例如在雷達天線或計算機斷層掃描儀的情況下，本領域的技術人員面臨的問題是保持旋轉部分與靜止部分之間的數據鏈接。舉例而言，旋轉軸應當總是保持自由，因為那是執(zhí)行計算機斷層掃描時安置患者本身的地方。
[0003]現有技術中已知多種解決這一問題的不同方法。例如，在專利文獻DE 4421616A中描述了這些方法中的一種。在這種現有技術中，彎曲突光光纖以形成環(huán)形的圈。突光光纖本身是一種以適當方式摻雜有熒光染料(例如，羅丹明G、尼羅藍或其它一些熒光染料)的常規(guī)光纖。
[0004]如果用具有適當波長(例如650納米)的光來照射這些熒光光纖，則包含在光纖中的染料將吸收輻射且發(fā)射出具有更大波長的光(斯托克斯位移，Stokes shift)。所述發(fā)射在光纖內且在所有方向上發(fā)生，使得發(fā)出的一些熒光沿著光纖導向至其末端且能夠在末端進行檢測。
[0005]根據上述的現有技術，將源自例如發(fā)光二極管(LED)或激光二極管的信號源的光學信號從熒光光纖的外周表面?zhèn)仁┘拥竭@種熒光光纖上，而且根據歸零制(RZ)或不歸零制(NRZ)的脈沖調制方案來調制這種光學信號。換言之，數字信號是通過離散脈沖來傳送的，其中光的點亮狀態(tài)可代表“ I ”且光的關斷狀態(tài)可代表“ O ”，反之亦然。
[0006]但是，這種技術的一個問題在于:熒光光纖在受到適當波長的激勵后需要一段衰減時間，直到染料回落到基態(tài)，然后再發(fā)生新的激勵。這意味著兩個連續(xù)光脈沖之間的間隔必須大于衰減時間，其中衰減時間依賴于所選擇的染料在I到2.5納秒的范圍內。
[0007]因此，數據傳輸的最大頻率在500MHz的范圍內。
[0008]如果要傳輸更大量的數據，那么必須提供多個信號源和多個熒光光纖。然而，這會使系統(tǒng)變得復雜且昂貴。

【發(fā)明內容】

[0009]因此，本發(fā)明的目的在于提供一種能克服上述這些不足的用于光傳輸數據的裝置。
[0010]可由根據權利要求1的裝置和根據權利要求7的設備來實現該目的。從屬權利要求涉及本發(fā)明的其他有利實施例。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0011]以下將基于說明書附圖和優(yōu)選實施例對本發(fā)明進行詳細地解釋。
[0012]附圖中:
[0013]圖1顯示了在光源和熒光光纖之間進行數據傳輸的功能原理；[0014]圖2顯示了具有根據本發(fā)明的裝置的光纖旋轉發(fā)射器的大概示意設計；
[0015]圖3顯示了根據本發(fā)明的裝置的方框圖；
[0016]圖4顯示了具有根據本發(fā)明的裝置的計算機斷層掃描儀的橫截面圖。
【具體實施方式】
[0017]結合圖1對熒光光纖的基本原理進行描述。從適當的信號源I發(fā)出的光照射到熒光光纖3的外周表面上。包含在熒光光纖3中的染料吸收一些這樣的光然后發(fā)射出具有更長波長的熒光。通過選擇適當的染料和激勵波長，可以最小化通常存在的吸收光譜和發(fā)射光譜之間的部分重疊，從而使得僅有較小的自吸收存在。
[0018]發(fā)射過程會產生衰減時間(所謂的熒光壽命)，其中衰減時間對染料而言是特有的且通常在幾納秒的范圍內。因此，這會限制傳輸帶寬，如前所述。
[0019]依賴于熒光光纖3的結構，特別是其數值孔徑、直徑等等，在熒光光纖3內產生的一些光在熒光光纖3中被捕獲，且通過全反射在熒光光纖3的兩端5處被發(fā)射回外周表面，在兩端5處可用適當方法檢測這些光。因此，可由所謂的傳導效率PE (piping efficiency)來描述所引導的輻射量:
[0020]PE=1- nm/nk
[0021]其中nm和nk代表突光光纖3的光纖表皮和光纖芯的折射率。
[0022]如圖2所示，特別有利的是，把熒光光纖3彎曲成環(huán)形以使得它與第二組件的旋轉軸同軸。在第二組件上設置激光二極管或LED作為光學信號源I，將激光二極管和LED安裝在與旋轉軸存在一定距離的位置上，并且對其進行定向以使得其發(fā)射的光照射到另一組件的熒光光纖3上。如果兩個組件中的一個繞著共有的旋轉軸轉動，則兩個部分之間的安全信號傳輸是可能的。圖2示出了這種數據傳輸的原理。
[0023]如在前言中所提及，在已知系統(tǒng)中每單位時間要傳輸的數據量(帶寬和/或比特率)是由染料的余暉(即熒光壽命)來確定的。對于常規(guī)染料，熒光壽命在納秒的范圍內變化，例如，對于苯乙烯基染料6 (Styril6)而言是2.5納秒，這會使得在利用已知RZ或NRZ調制的情況下將比特率限制為500MHz。另一個不足之處在于當選擇其它具有更短熒光壽命的染料時，得到更低的熒光產量，這將導致熒光光纖3中惡化的信號振幅且從而導致數據傳輸中更高的出錯率。
[0024]這個問題可根據本發(fā)明通過傳輸振幅調制的光學信號而不是傳輸數字光學信號得以解決。這種振幅調制的光學信號可根據已知的脈沖振幅調制或根據正交頻分多路復用/離散多音調制(0FDM/DMT)來調制。也可以使用其它的振幅調制技術。以下將簡要地描述上述的這兩種調制方法。
[0025]此外，根據脈沖振幅調制的原理，可以以RZ或NRZ調制方式傳輸離散的光脈沖。但是，傳輸的脈沖的振幅被調整為多級，例如，針對8比特傳輸調整為8級。換言之，接收器不能從所傳輸的脈沖的振幅恢復對應于I比特的信息，卻能通過對振幅的估計來恢復8比特的信息。
[0026]但是，這里存在很多由上述系統(tǒng)中的傳輸的特定本性引起的問題。在上述系統(tǒng)中，在光纖內將信號源的光學信號轉換為熒光。這些問題基本上包括缺乏激勵光和熒光之間的線性度，這會導致實質上的信號失真。關于這方面，令人驚訝的是，可在接收器端通過適當的預失真或均衡來抵消這種信號失真。
[0027]由于上述的熒光壽命會產生另一問題，這會使激勵脈沖中本來尖銳的輪廓變得模糊。而且，應當注意的是，這里會產生“記憶效應”，即:信號源的第二光脈沖的熒光信號的強度不應當以不受控的方式依賴于前面的第一光脈沖的強度。
[0028]因此，應當注意的是，根據本發(fā)明，激勵光的最大強度應當顯著地低于熒光光纖3的飽和度。此外，兩個連續(xù)脈沖之間的間隔應當足夠大到能保證熒光的可靠衰減。最終，對于本技術，可有益地使用為傳輸校正信息而獲得的一些額外數據傳輸帶寬來進行錯誤校正。這里可使用已知的例如DFE (“決策反饋均衡”)或FFE (“前饋均衡”)的技術。
[0029]圖3顯示了在這樣的上下文中根據本發(fā)明的裝置的方框圖。
[0030]在數據源中(未圖示)，將數字信號發(fā)送到預失真器11。在預失真器11中，數字信號以適當的脈沖持續(xù)時間和脈沖高度被轉換為模擬信號，且作為模擬信號被施加到例如激光二極管或LED的信號源I。由信號源I發(fā)出的光學信號因此具有基于要傳輸的數字數據而調制的大小。
[0031]該光學信號落在熒光光纖3的外周表面上，穿透進入熒光光纖3且激勵包含在熒光光纖3中的熒光染料，從而發(fā)出具有比激勵波長更長的第二波長的光，如前所述。
[0032]熒光的信號大小是激勵光信號大小的函數，但這種關系通常不是線性的。額外干擾效應(例如前述的光學熒光光纖3中的隨著光纖末端和激勵位置之間的不同光纖長度而變化的自吸收和衰減，特別是在信號源和光學光纖彼此相對運動的情況下)將導致信號的進一步失真，信號最終到達光纖末端5中的一個，且在該處由適當的檢測器轉換回電信號?？梢员憷貫楣鈾z測器提供均衡器9，其使所接收到的信號均衡并且將其轉換回數字信號。
[0033]預失真器11和均衡器9可傳輸預設的比特序列，然后可設置預失真和/或均衡以使得能在接收器端恢復這個比特序列。此外，特別是在優(yōu)選地采用本發(fā)明的旋轉系統(tǒng)中，還可根據旋轉的角度來執(zhí)行預失真和/或均衡，使得可以補償不同的光纖長度和相關聯的信號損壞。
[0034]一種允許更高數據傳輸速率的第二調制技術是上文所述的正交頻分多路復用/離散多音調制技術。在已知類型的頻分中，將多個信道調制到信號源I的光學信號上。接著，這些信道中的每一個可以獨立地傳輸一個比特。根據已知技術，可調制256或512個信道。利用這些頻分復用方法，可同時傳輸分配在多個載波上的多個信號。正交頻分復用方法優(yōu)選作為多載波調制的例子。在已知的類型中，將要傳輸的數據劃分成相應地具有更低比特數據率的多個數據子流。接著使用已知的調制方法(例如具有低帶寬的正交振幅調制方法)來調制這些數據子流。然后，所得的更高頻率信號再次相加，且作為經過振幅調制的模擬信號通過信號源I傳輸出去。
[0035]將以此種方式調制的信號源I的光學信號轉換為熒光光纖3中相應的熒光信號。雖然這種熒光信號以失真的形式存在，但它能夠被恢復且仍然包含輸出信息，且還能通過在光纖的末端處的適當的解調和接收器電路7和9將失真的熒光信號轉換回原始的輸出數據。
[0036]在這種不再通過離散光脈沖而進行的調制方法中，為了將熒光光纖3中的記憶效應維持在極限之內(即:為了防止由于可能的熒光飽和度而產生的傳輸信號中的信息丟失)，確保信號源激勵光的最大振幅和最高調制頻率都足夠低是特別重要的。[0037]采用這種技術的傳輸因為具有更高的數據傳輸率因而允許以已知的方式將錯誤校正信息加入到原始數據中，使得可由傳輸的大量數據來補償更大的錯誤敏感性，這將導致當從整體上考慮時會有更高的有用數據傳輸率。
[0038]圖4顯示了用作系統(tǒng)和/或設備的結合了計算機斷層掃描儀17的本發(fā)明的應用，對于計算機斷層掃描儀17，可以尤其有利地利用根據本發(fā)明的裝置。采用計算機斷層掃描，必須在短時間段內在旋轉部分和靜止部分之間規(guī)律地傳輸大量數據。因為將對其作檢查的患者(即，患者的病床13)被安置在旋轉軸的位置，所以通過旋轉軸進行傳輸是不可能的。因此，根據本發(fā)明，由圖4所示，將環(huán)形的熒光光纖3布置在計算機斷層掃描儀的靜止部分上，其中光纖的末端5連接至適當的檢測器電路15。
[0039]將熒光光纖的環(huán)設計為與旋轉軸同軸且位于離此旋轉軸一定的距離處，因而給患者提供足夠空間。在離旋轉軸一定距離的旋轉部分上設置例如LED或激光二極管的信號源
I。該信號源發(fā)出具有例如640納米波長的光到熒光光纖3的外周表面上。
[0040]將由計算機斷層掃描儀的旋轉部分記錄的圖像信息轉換為數字數據，通過脈沖振幅調制方法或多頻復用方法將數字數據轉換成信號源I上的經過振幅調制的光學信號，然后將光學信號傳輸到熒光光纖3。在旋轉部分的旋轉時，光總是照射在光纖3上。由于已知旋轉部分和靜止部分之間的相對角度，因此可獲得對光纖3的長度的適當補償。
[0041]將信號源I的光學信號轉換為熒光光纖3中的熒光，且將該熒光路由到光纖3的末端5。例如光電管等的適當的檢測器15將熒光信號轉換為電信號，然后對電信號進行均衡、解調以及模擬到數字的轉換。由此一來，在接收器端恢復了數字圖像數據。由于根據本發(fā)明的設備使得可以獲得高的數據傳輸帶寬，因此，可以以適當的錯誤校正數據來傳輸圖像數據，使得可獲得旋轉部分和靜止部分間的安全、可靠且快速的數據傳輸。
[0042]本文參照優(yōu)選的示例性實施例對本發(fā)明進行了描述，但本發(fā)明并不受限于這些優(yōu)選的示例性實施例。除了計算機斷層掃描儀之外，還可以有利地在雷達天線中使用本發(fā)明。
【權利要求】
1.一種用于光傳輸數字數據的裝置，包括: 信號源(I )，其被配置為以基于要傳輸的數字數據調制的大小來輸出光學信號，以及熒光光纖(3)，其被布置為在外周表面上接收來自所述信號源(I)的光學信號，且被設計為當接收到所述信號源(I)的光學信號時發(fā)熒光以及在所述光纖(3)中將熒光信號路由到光纖末端(5)。
2.根據權利要求1所述的裝置，還包括: 均衡器(9)，其被布置為補償由所述熒光光纖(3)引起的所述光學信號的失真。
3.根據權利要求1或2所述的裝置，還包括: 預失真器(11)，其被布置為對所述數字數據進行預失真以用來補償傳輸路徑中的失真。
4.根據權利要求2或3所述的裝置，其被設計為根據決策反饋均衡技術和/或前饋均衡技術來操作。
5.根據前述權利要求中的任一項所述的裝置，其中所述信號源(I)被設計用來根據脈沖振幅調制方法或正交頻分多路復用/離散多音技術來調制所述光學信號。
6.根據前述權利要求中的任一項所述的裝置，其中所述信號源(I)和所述熒光光纖(3)被設計為能夠彼此相對運動。
7.一種用于在圍繞公共軸彼此相對旋轉的兩個部分之間進行數字數據傳輸的設備，所述設備具有根據前述權利要求中任一項所述的裝置，其中所述信號源(I)以環(huán)繞旋轉軸的環(huán)的形式布置在一個部分上，且所述突光光纖(3)以相同方式布置在另一個部分上。
8.根據權利要求7所述的設備，其中所述設備是計算機斷層掃描儀。
9.根據權利要求7所述的設備，其中所述設備是雷達設備。
【文檔編號】H04B10/2507GK104040916SQ201280045298
【公開日】2014年9月10日 申請日期:2012年6月21日 優(yōu)先權日:2011年7月15日
【發(fā)明者】漢斯·波伊塞爾, 奧拉夫·齊曼, 亞歷山大·巴赫曼 申請人:紐倫堡應用技術大學