專利名稱：自由空間的波分復(fù)用光通信系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及自由空間的波分復(fù)用光通信系統(tǒng)，其中光通過空氣直接發(fā)送和接收。
直至現(xiàn)在，自由空間的波分復(fù)用光通信不能將接收到的光耦合到現(xiàn)有的單模光纖上。因此，具有單模光纖的用于輸入/輸出端的各種WDM元件和前置光放大器不能用于接收端，這樣很難補(bǔ)償傳輸損耗。因此，發(fā)送端的光輸出功率應(yīng)該足夠大，以完全補(bǔ)償由于在天氣變化中傳輸大約幾千米而造成的大氣損耗，因此，自由空間的光通信系統(tǒng)不能廣泛地應(yīng)用。而且，該方法計(jì)劃用于聚集使用光環(huán)行器的光發(fā)送和接收設(shè)備，光環(huán)行器包括光纖輸入/輸出端。
D.R.Wisely等人曾在自由空間的光傳輸中使用單一的光通道，其中，在接收端用光電檢測(cè)器代替光纖，直接與聚焦單元鄰接(D.R.Wisely、M.J.McCullagh、P.L.Eardley、P.P.Smyth、D.Luthra、E.C.DeMiranda和R.Cole著，1996年出版，SPIE一書中，卷標(biāo)2123，第108-119頁的“運(yùn)行在155Mbit/s的地面視線光自由空間鏈路”)。由于光電檢測(cè)器的面積應(yīng)被減小，正比于大大增加光耦合損耗的速率，當(dāng)速率超過幾Gbit/s時(shí)，此方案存在一個(gè)問題。
G.Nykolak等人介紹了一種使用多模光纖元件的自由空間的WDM光通信方案。(G.Nykolak、P.F.Szajowski、J.Jaxques、H.M.Presby、J.A.Abate、G.E.Tourgee和J.J.Aubm著，1999年出版，SPIE一書中，“1550nm的4×2.5Gb/sWDM自由空間光鏈路”)。雖然沒有提供這些細(xì)節(jié)，可以相信，在接收端沒有使用與聚焦單元鄰接的光束到光纖耦合器如光纖梳狀GRIN透鏡(級(jí)別指數(shù))，但是直接使用多模光纖代替。多模光纖元件的頻道間隔比單模光纖元件的頻道間隔寬，前置光放大器不適用于多模光纖。
I.I.Kim等人使用單通道，然而，單波長(zhǎng)在現(xiàn)有的光放大器處不可用。而且，接收端沒有使用任何的光放大元件(I.I.Kim、E.J.Korevaar、H.Hakaha、R.Stieger、B.Riley、M.Mitchell、N.M.Wong、A.Lath.C.Mourwund、M.Barclay、J.J.Schuster、AstroTerra Corp著，1999年出版，SPIE一書中，卷標(biāo)3615，第11-22頁的“STRV-2激光通信試驗(yàn)地面端的水平鏈路功能”)。而且，下述為保證穩(wěn)定的光信號(hào)傳輸而作的本專利申請(qǐng)中提到的方法還未被試驗(yàn)過該方法中提供幾個(gè)聚焦單元，以減小空氣中的波動(dòng)光路徑效應(yīng)。
該方法中，在接收端每個(gè)WDM光通道中使用前置光放大器。
該方法中，光中繼器在傳播過程中對(duì)光信號(hào)進(jìn)行放大和再生。
該方法中，使用分光譜放大自發(fā)輻射作為光源，以使得本自由空間光通信申請(qǐng)中光信號(hào)強(qiáng)度能夠減小。
本發(fā)明采用與聚焦單元鄰接的光束到光纖耦合器，并將接收到的光信號(hào)耦合到單模光纖或多模光纖以加強(qiáng)光耦合效率，尤其是，采用單模光纖更可適用于前置光放大器。
圖2所示為單通道自由空間的光通信系統(tǒng)示意圖。
圖3所示為多個(gè)WDM光通道的光束發(fā)射和聚焦單元的示意圖。
圖4所示為單一光通道的光束發(fā)射和聚焦單元的示意圖。
圖5所示為自由空間光中繼器的示意圖。
圖6所示為雙向自由空間光中繼器的示意圖。
圖7所示為WDM光通信系統(tǒng)的接收部分示意圖。
圖8所示為單一通道的自由空間光通信系統(tǒng)的接收部分示意圖。
2.當(dāng)WDM光通道通過使用光束發(fā)射和聚焦單元被接收時(shí)，用光束到光纖耦合器將接收到的通道集合到一根光纖中。因此，在接收端使用光放大器和波分分接器，而且來自發(fā)送端的光強(qiáng)度可被減小到超過10dB。
3.由于自由空間光通信中無規(guī)則的大氣干擾和較高的傳輸損耗導(dǎo)致一些問題，為把來自諸如光束起伏的效應(yīng)減至最小，在光束發(fā)射和聚焦單元提供至少一個(gè)聚焦單元。
4.為補(bǔ)償自由空間中的傳播過程中產(chǎn)生的被傳輸光信號(hào)的損耗，設(shè)置了自由空間光中繼器。
5.由于其他相鄰?fù)ǖ赖谋唤邮盏耐ǖ拦β孰S機(jī)變化，為每個(gè)通道提供一個(gè)前置光放大器，與波分分接器鄰接，以將光增益波動(dòng)減至最小。
6.由于存在隨機(jī)的大氣干擾，可通過使用放大自發(fā)輻射或分光譜放大自發(fā)輻射作為信號(hào)光，可解決導(dǎo)致被傳輸?shù)耐ǖ拦β薀o規(guī)則變化的起伏問題。


圖1所示為自由空間的WDM光通信系統(tǒng)示意圖。在光源部分1，至少存在一個(gè)光通道，具有不同中心波長(zhǎng)的光通道被調(diào)制。雖然可以使用一個(gè)激光器二極管作為光源，但是它的相位波前在傳播過程中不能被連續(xù)地穩(wěn)定，但是由于存在大氣的無規(guī)則的折射指數(shù)變化而無規(guī)則變化。這樣，被傳輸?shù)墓馔ǖ涝诮邮斩吮获詈系焦饫w中，由于存在路程差干擾，因此存在導(dǎo)致被接收的功率無規(guī)則波動(dòng)的較大的起伏效應(yīng)。據(jù)此，如果不輸入信號(hào)而從光纖中得到的放大自發(fā)輻射在分光譜后被調(diào)制，由于放大自發(fā)輻射具有較寬的光帶寬，因此路程差干擾效應(yīng)很弱，因此具有和激光器相似或更好的通信質(zhì)量。
上述WDM通道經(jīng)過調(diào)制之后被WDM復(fù)用器2合并至一根光纖中。然后，WDM光通道經(jīng)光輔助放大器3放大，并被發(fā)送到光環(huán)行器4中，然后，以光束6沿光束輻射和聚焦單元5延伸出來的軸向被傳輸?shù)阶杂煽臻g。同時(shí)，反向接收到的光通道也通過同樣的光束輻射和聚焦單元5被耦合到光纖中。
光束輻射和聚焦單元5具有如圖3和圖4所示的結(jié)構(gòu)，它被傳輸?shù)墓怦詈现凉饫w中，其中，聚焦單元41、51具有Newtonian顯微鏡或SchmidtCassegrain顯微鏡的結(jié)構(gòu)，例如將接收到的光聚到光束到光纖耦合器42、52中。在反方向上，光束輻射和聚焦單元5將光信號(hào)從光纖中發(fā)至自由空間。此方案使得前置光放大器8或28和波分分接器9既能應(yīng)用于自由空間的光傳輸系統(tǒng)中，也能應(yīng)用于光纖通信系統(tǒng)中。因此，此方案有助于補(bǔ)償傳輸損耗，并能減小頻域內(nèi)的頻道間隔。此外，光束到光纖耦合器42、52將接收到的光耦合至光纖的耦合效應(yīng)對(duì)起伏有些不敏感。為減小由于被傳輸光束起伏而導(dǎo)致的被接收功率的變化，光束發(fā)射和聚焦單元44中聚焦單元41的數(shù)目比圖3所示的要多。在這種情況下，需要光纖耦合器43來將同樣數(shù)目的眾多的光束到光纖耦合器42輸出耦合至一單光纖中。光束到光纖耦合器42可以使用光纖梳狀GRIN透鏡(級(jí)別指數(shù))或一根光纖，纖芯直徑在端部逐漸變大。
回到圖1，由于存在來自光束輻射和聚焦單元5的反射，被耦合到光纖中的接收到的光信號(hào)經(jīng)過光環(huán)行器4，并被發(fā)送到濾光器7，濾光器7能阻止高功率光信號(hào)被傳輸而進(jìn)入接收機(jī)端。經(jīng)過濾光器7接收到的信號(hào)被前置光放大器8放大，然后，通過波分分接器9，在光檢測(cè)部分10被檢測(cè)。
由于存在影響相鄰?fù)ǖ赖脑鲆孢M(jìn)程的接受到的通道功率的波動(dòng)，對(duì)每個(gè)通道可使用多個(gè)前置光放大器8，鄰接于波分分接器9，這樣可以防止整個(gè)交互通道增益特性不穩(wěn)定。而且，當(dāng)前置光放大器8在飽和模式下運(yùn)行時(shí)，增益特性比較穩(wěn)定。對(duì)如圖2所示的單光纖通道的例子，波分復(fù)用器2和波分分接器9和圖1相比可略去。前置光放大器28包括一個(gè)濾光器，以減小放大自發(fā)輻射效應(yīng)。
在傳輸路徑的中間位置可使用至少一個(gè)自由空間的光中繼器56，以防止光損耗在傳播過程中大量增加。圖5所示為使用單自由空間光中繼器56時(shí)的例子，其中，被傳輸?shù)墓庑盘?hào)被自由空間的光中繼器56進(jìn)行放大或再生，自由空間的光中繼器56位于兩個(gè)任意通信節(jié)點(diǎn)155和節(jié)點(diǎn)257之間的傳輸路徑的中間位置。自由空間的光中繼器56可使用一個(gè)光放大器對(duì)通過的光信號(hào)進(jìn)行放大，而且，可通過使用一個(gè)電信號(hào)處理電路對(duì)該通過的光信號(hào)進(jìn)行再生，就像現(xiàn)有的光纖通信系統(tǒng)中的再生中繼器。
圖6所示為雙向自由空間光中繼器的一種可能的結(jié)構(gòu)，其中該中繼器位于兩個(gè)自由空間光通信節(jié)點(diǎn)間的傳輸路徑的中間位置。該雙向自由空間光中繼器使用圖1或圖2中的光束發(fā)射和聚焦單元61、69，以將光通道在傳輸路徑上耦合至光纖，并將放大的光通道發(fā)射回自由空間。通過左光束發(fā)射和聚焦單元61耦合的光信號(hào)通過光環(huán)行器63和濾光器64，濾光器64能夠從光束發(fā)射和聚焦單元61中消除反射光。然后，光信號(hào)在光放大器65被放大，并被發(fā)送到光環(huán)行器68和其他光束發(fā)射和聚焦單元69，以發(fā)射回自由空間。該過程雙向?qū)ΨQ地進(jìn)行。因此，經(jīng)過右光束發(fā)射和聚焦單元69耦合至光纖的光信號(hào)經(jīng)過光環(huán)行器68和濾光器67，濾光器67能消除來自光束發(fā)射和聚焦單元69的反射光。然后，光信號(hào)在光放大器66被放大，并被發(fā)送至光環(huán)行器63和其他光束發(fā)射和聚焦單元61，以發(fā)射回自由空間。
圖7和圖8所示為當(dāng)圖1和圖2中的光束發(fā)射和聚焦單元僅用于接收目的時(shí)的示例，其中，耦合到光纖中的接收到的光信號(hào)通過前置光放大器78、88放大。然后，當(dāng)存在多個(gè)WDM通道時(shí)，信號(hào)在通過波分分接器79后在光檢測(cè)部分80被檢測(cè)。只有存在一個(gè)通道時(shí)，才在光檢測(cè)部分90被直接檢測(cè)。在上述例子中，提供給光檢測(cè)部分80相同數(shù)目的光電檢測(cè)器作為通道數(shù)。
如果根據(jù)光通道的波長(zhǎng)給上述自由空間光中繼器提供減少或增加光通道的能力，還提供轉(zhuǎn)換通道波長(zhǎng)的能力，以對(duì)通道將被減少的遠(yuǎn)程節(jié)點(diǎn)進(jìn)行修正，自由空間光中繼器的位置還可作為通信節(jié)點(diǎn)，因此，有效地實(shí)現(xiàn)自由空間WDM光通信網(wǎng)絡(luò)。
上述光環(huán)行器4、24、63和68可用較便宜的2×2或1×2光纖耦合器代替，然而，這種情況下由于使用了光纖耦合器，光損耗可能會(huì)增加。根據(jù)輸入光的波長(zhǎng)來分配不同輸出端的WDM耦合器能解決損耗問題。如果WDM耦合器具有較高的隔離功能，就不再需要濾光器7、27、64和67，這樣就能減少附加的成本。
本發(fā)明提供了一種新的WDM自由空間光通信系統(tǒng)和減少傳輸損耗的方法，和現(xiàn)有的自由空間光通信系統(tǒng)相比，能夠提高傳輸信號(hào)的質(zhì)量。和現(xiàn)有的系統(tǒng)相反，本發(fā)明在接收端使用單模光纖，這表示可以使用前置光放大器，也能實(shí)現(xiàn)通道頻率間隔減少的高密度自由空間WDM光通信。此外，通過使用放大自發(fā)輻射、多個(gè)光束聚焦單元、通道專用前置光放大器和自由空間光中繼器，能持續(xù)更穩(wěn)定、更高的接收功率。而且，本發(fā)明由于發(fā)送和接收端共用一個(gè)單光束發(fā)射和聚焦單元，因此具有降低成本和系統(tǒng)大小的優(yōu)點(diǎn)。
權(quán)利要求
1.一種使用光束發(fā)送和聚焦單元的自由空間的光通信系統(tǒng)，包括一個(gè)光聚焦單元(51)，用于對(duì)自由空間入射的光束(50)進(jìn)行聚焦；一個(gè)光束到光纖耦合器(52)，用于將上述聚焦單元(51)的輸出光耦合至一根光纖。
2.如權(quán)利要求1所述的自由空間的光通信系統(tǒng)，其特征在于，使用光纖梳狀GRIN(等級(jí)指數(shù))透鏡作為上述光束到光纖耦合器。
3.如權(quán)利要求1所述的自由空間的光通信系統(tǒng)，其特征在于，使用在一端附近纖芯直徑逐漸變大的光纖作為上述光束到光纖耦合器。
4.如權(quán)利要求1所述的自由空間的光通信系統(tǒng)，其特征在于上述光束發(fā)射和聚焦單元包括多個(gè)聚焦單元(41)；光束到光纖耦合器(42)，其數(shù)目等于上述聚焦單元(41)的數(shù)目；一個(gè)增加的光纖耦合器(43)，用于將上述光束到光纖耦合器(42)的輸出耦合至單光纖中。
5.如權(quán)利要求1所述的自由空間的光通信系統(tǒng)，其特征在于，使用放大的自輻射作為光源。
6.如權(quán)利要求1所述的自由空間的光通信系統(tǒng)，其特征在于，使用分光譜放大的自輻射作為光源。
7.如權(quán)利要求1所述的自由空間的光通信系統(tǒng)，其特征在于，接收端包括一個(gè)光束發(fā)射和聚焦單元(85)，用于將以光束形式傳輸?shù)墓庑盘?hào)聚焦至一根光纖中；一個(gè)前置光放大器(88)，用于對(duì)上述光束發(fā)射和聚焦單元(88)的輸出進(jìn)行放大；一個(gè)光檢測(cè)部分(90)，用于對(duì)上述前置光放大器(88)輸出進(jìn)行光檢測(cè)。
8.如權(quán)利要求7所述的自由空間的光通信系統(tǒng)，其特征在于一個(gè)波分分接器(79)，對(duì)前置光放大器(78)逐通道的經(jīng)波分復(fù)用的輸出進(jìn)行解復(fù)用，加到前置光放大器(78)的輸出端，上述波分分接器(79)輸出被光檢測(cè)部分(80)逐通道地單獨(dú)檢測(cè)。
9.如權(quán)利要求7所述的自由空間的光通信系統(tǒng)，包括一個(gè)光源部分(21)，用于產(chǎn)生一個(gè)需要發(fā)送的經(jīng)過調(diào)制的光通道，一個(gè)光輔助放大器(23)，用于對(duì)光源部分(21)的輸出進(jìn)行放大，一個(gè)光環(huán)行器(24)，用于將上述光輔助放大器的輸出發(fā)送到光束發(fā)射和聚焦單元(25)，光束發(fā)射和聚焦單元(25)設(shè)置于光束發(fā)射和聚焦單元(25)和濾光器(27)之間，因此，發(fā)送和接收單光通道。
10.如權(quán)利要求8所述的自由空間的光通信系統(tǒng)，包括一個(gè)光源部分(1)，用于產(chǎn)生幾個(gè)需要以不同波長(zhǎng)發(fā)送的調(diào)制光通道；一個(gè)光波分復(fù)用器(2)，用于將上述光源部分(1)的耦合光通道耦合至一根光纖中；一個(gè)光輔助放大器(3)，用于對(duì)上述波分復(fù)用器(2)的輸出進(jìn)行放大；一個(gè)光環(huán)行器(4)，用于將上述光輔助放大器(3)的輸出發(fā)送至光束發(fā)射和聚焦單元(5)，光束發(fā)射和聚焦單元(5)設(shè)置于光束發(fā)射和聚焦單元(5)和濾光器(7)之間，因此，發(fā)送和接收經(jīng)過波分復(fù)用的光通道。
11.如權(quán)利要求8所述的自由空間的光通信系統(tǒng)，還包括多個(gè)前置光放大器，緊接于波分分接器(9)，用于各通道。
12.如權(quán)利要求8所述的自由空間的光通信系統(tǒng)，其特征在于，前置光放大器(8)緊接于上述波分分接器(9)，其數(shù)量根據(jù)通道數(shù)量增加。
13.自由空間的光中繼器(56)，應(yīng)用于如權(quán)利要求1所述的自由空間的光通信系統(tǒng)，在傳輸過程中對(duì)光信號(hào)沿傳輸路徑進(jìn)行放大和再生，傳輸路徑位于任意的兩個(gè)使用自由空間的光束相互通信的通信節(jié)點(diǎn)之間。
14.如權(quán)利要求13所述的，位于兩個(gè)自由空間光通信系統(tǒng)之間的傳輸路徑中間位置的自由空間的光中繼器，包括一個(gè)光束發(fā)射和聚焦單元(60)，用于將傳輸?shù)墓馔ǖ礼詈现烈还饫w中，并用于將放大的光發(fā)射回自由空間；一個(gè)光環(huán)行器(63)，用于將上述光束發(fā)射和聚焦單元(60)的輸出發(fā)送至濾光器(64)，并將經(jīng)過光放大器(66)放大的光通道發(fā)送至上述光束發(fā)射和聚焦單元(60)；一個(gè)濾光器(64)，用于消除從上述光束發(fā)射和聚焦單元(60)反射的光信號(hào)；一個(gè)光放大器(65)，用于對(duì)上述濾光器(64)的輸出進(jìn)行放大；一個(gè)光束發(fā)射和聚焦單元(69)，用于將傳輸?shù)墓庑盘?hào)耦合至一根光纖中，并再次將放大的光通道發(fā)射回自由空間；一個(gè)光環(huán)行器(68)，用于將上述光束發(fā)射和聚焦單元(69)的輸出發(fā)送至濾光器(67)，并將在光放大器(65)放大的光通道發(fā)送至上述光束發(fā)射和聚焦單元(69)；一個(gè)濾光器(67)，用于消除從上述光束發(fā)射和聚焦單元(69)反射的光信號(hào)；一個(gè)光放大器(66)，用于對(duì)上述濾光器(67)的輸出進(jìn)行放大。
15.如權(quán)利要求13所述的自由空間的光中繼器，其特征在于，光通道根據(jù)波長(zhǎng)數(shù)的需要增減。
16.如權(quán)利要求15所述的自由空間的光中繼器，其中，結(jié)合一個(gè)波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換器，使光通道的截止點(diǎn)可變化。
17.如權(quán)利要求9或10所述的自由空間的光通信系統(tǒng)，其特征在于，使用光纖耦合器代替上述光環(huán)行器。
18.如權(quán)利要求14所述的自由空間的光中繼器，其特征在于，使用光耦合器代替上述光環(huán)行器。
19.如權(quán)利要求9或10所述的自由空間的光通信系統(tǒng)，其特征在于，使用WDM耦合器代替上述光環(huán)行器。
20.如權(quán)利要求14所述的自由空間的光通信系統(tǒng)，其特征在于，使用WDM耦合器代替上述光環(huán)行器。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種自由空間的WDM光通信系統(tǒng)，該系統(tǒng)將接收到的通道耦合至一根光纖中，以在接收機(jī)端能使用光放大器，也能增加傳輸距離。使用包括聚光部件、光束到光纖耦合器和光纖耦合器的相同的光束發(fā)送和聚焦單元(LBET)，發(fā)送和接收的通道被分別耦合至自由空間和光纖中。本發(fā)明包括使用放大自發(fā)輻射，還提供了一種自由空間的光中繼器，在傳播過程中用增減復(fù)用功能對(duì)自由空間的WDM通道進(jìn)行放大和再生。
文檔編號(hào)H04B10/105GK1419753SQ01807212
公開日2003年5月21日 申請(qǐng)日期2001年3月13日 優(yōu)先權(quán)日2000年3月27日
發(fā)明者李在升 申請(qǐng)人:李在升