專利名稱:光學(xué)自由空間信令系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域:
本發(fā)明涉及一種信令系統(tǒng)及其部件。特別是,本發(fā)明設(shè)計(jì)一種信令方法和裝置,其中通過(guò)調(diào)制一個(gè)自由空間光束來(lái)傳送數(shù)據(jù)。
這里全面參考了國(guó)際專利申請(qǐng)WO98/35328,該專利描述了一個(gè)利用自由空間光束的一點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)的通信系統(tǒng)。尤其是,WO98/35328描述了一個(gè)系統(tǒng),其中多個(gè)用戶終端(例如,假設(shè)在一條街道中的相應(yīng)房屋上)發(fā)射出指向一個(gè)局部分布節(jié)點(diǎn)(例如,假設(shè)一條街道的郵局)的未調(diào)制的光束。在該局部分布節(jié)點(diǎn)處,由一個(gè)調(diào)制器陣列的可獨(dú)立驅(qū)動(dòng)的相應(yīng)調(diào)制器單元根據(jù)一個(gè)數(shù)據(jù)信號(hào)對(duì)每條入射的光束進(jìn)行調(diào)制,并將其反射回發(fā)出該光束的用戶終端。在該用戶終端,檢測(cè)調(diào)制的光束并重現(xiàn)數(shù)據(jù)信號(hào)。
在WO98/35328中所描述的系統(tǒng)的局部分布節(jié)點(diǎn)中,每個(gè)用戶終端發(fā)出的光被位于一個(gè)遠(yuǎn)心透鏡的后焦面的平面反射鏡反射,以便將光線傳播回發(fā)出光線的用戶終端。通過(guò)使用遠(yuǎn)心透鏡,每個(gè)用戶終端發(fā)出的穿過(guò)該遠(yuǎn)心透鏡的主光線(即穿過(guò)遠(yuǎn)心透鏡的入射光瞳的中心的光線)是垂直入射到反射器的反射表面,因此,反射器沿其入射路徑反射回入射光線。這樣,反射器和遠(yuǎn)心透鏡形成一個(gè)反向反射器。使用遠(yuǎn)心透鏡的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是來(lái)自不同用戶終端的光束是以相同的角度入射到相應(yīng)的調(diào)制器單元上,不管用戶終端位于遠(yuǎn)心透鏡的視場(chǎng)內(nèi)的什么位置。這樣,對(duì)于來(lái)自所有用戶終端的光束來(lái)講,調(diào)制的效率(即調(diào)制深度)近似不變,而該效率通常取決于光束到達(dá)調(diào)制器單元的角度。
在WO98/35328中所描述的系統(tǒng)的用戶終端中,一個(gè)激光二極管輸出一束準(zhǔn)直的光束,然后在由望遠(yuǎn)鏡裝置放大前,通過(guò)一個(gè)光束分光器來(lái)傳輸,從局部分布節(jié)點(diǎn)反射回來(lái)的調(diào)制光反向穿過(guò)望遠(yuǎn)鏡裝置,并且由光束分光器反射在一個(gè)光電二極管上。這種配置的一個(gè)問(wèn)題是由激光二極管發(fā)射并通過(guò)光束分光器傳輸?shù)墓獾囊徊糠止獗煌h(yuǎn)鏡裝置的光學(xué)表面反射回光束分光器,然后該望遠(yuǎn)鏡裝置將光反射在光電二極管上,當(dāng)利用從局部分布節(jié)點(diǎn)反射回來(lái)的調(diào)制光束來(lái)恢復(fù)所傳送的數(shù)據(jù)時(shí),造成很大的本底水平,顯著降低了信噪比,并可能導(dǎo)致光電二極管的飽和。
依照發(fā)明的一個(gè)方面,提供了一種包含一個(gè)透鏡和多個(gè)光學(xué)元件的光學(xué)裝置。光束偏轉(zhuǎn)裝置被放置在透鏡和多個(gè)光學(xué)元件之間的光學(xué)路徑上,來(lái)偏轉(zhuǎn)穿過(guò)透鏡的多個(gè)主光線,以便使它們?cè)诠鈱W(xué)上與透鏡的光軸平行。這樣,透鏡和光束偏轉(zhuǎn)裝置可以取代WO98/35328中描述的遠(yuǎn)心透鏡裝置。
依照發(fā)明的另一個(gè)方面,為包含一個(gè)光發(fā)射器和一個(gè)光檢測(cè)器的自由空間反向反射信令系統(tǒng)提供了一個(gè)信令裝置。為光發(fā)射器和光檢測(cè)器提供獨(dú)立的透鏡系統(tǒng),依靠發(fā)射的光束的擴(kuò)散使光線穿過(guò)光檢測(cè)器的透鏡系統(tǒng)被檢測(cè)。這樣,就減少了離開透鏡系統(tǒng)的元件并入射在光檢測(cè)器上的發(fā)射光的反射。而且,可以依照一個(gè)光發(fā)射器和一個(gè)光檢測(cè)器相關(guān)的不同需求來(lái)獨(dú)立地優(yōu)化透鏡系統(tǒng)。
依照發(fā)明的一個(gè)進(jìn)一步的方面,為一個(gè)包含一個(gè)光調(diào)制器和一個(gè)光檢測(cè)器的自由空間的反向反射系統(tǒng)提供了一個(gè)信令裝置。為光調(diào)制器和光檢測(cè)器提供獨(dú)立的透鏡系統(tǒng)。這樣,依照一個(gè)光調(diào)制器和一個(gè)光檢測(cè)器相關(guān)的不同需求來(lái)獨(dú)立地優(yōu)化透鏡系統(tǒng)。
下面將結(jié)合附圖來(lái)描述本發(fā)明的示例實(shí)施方案,附圖中
圖1是用來(lái)在一個(gè)中央分配系統(tǒng)和多個(gè)用戶終端之間分配數(shù)據(jù)的一點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)通信系統(tǒng)的示意圖;圖2是形成圖1顯示的一部分?jǐn)?shù)據(jù)分配系統(tǒng)的一個(gè)用戶終端和相關(guān)用戶設(shè)備的示意圖;圖3顯示了一個(gè)圖2中說(shuō)明的用戶終端的透視圖;圖4是顯示形成圖2中說(shuō)明的部分用戶終端的一個(gè)檢測(cè)器的檢測(cè)表面示意圖;圖5是一個(gè)曲線圖,說(shuō)明為實(shí)現(xiàn)從用戶設(shè)備傳輸?shù)骄植糠植脊?jié)點(diǎn)的上行鏈路數(shù)據(jù)的小信號(hào)調(diào)制而改變用戶終端發(fā)射的激光束的功率的方法;圖6是一個(gè)可視圖形的示意圖,說(shuō)明對(duì)從局部分布節(jié)點(diǎn)傳輸?shù)接脩粼O(shè)備的下行鏈路數(shù)據(jù)進(jìn)行的小信號(hào)調(diào)制的效應(yīng);圖7是形成圖1說(shuō)明的數(shù)據(jù)分配系統(tǒng)部件的一個(gè)局部分布節(jié)點(diǎn)的示意圖;圖8A是在沒有對(duì)其電極施加直流偏壓的第一運(yùn)行模式時(shí),形成圖7中說(shuō)明的局部分布節(jié)點(diǎn)部分的一個(gè)調(diào)制器陣列的一個(gè)調(diào)制器的剖面圖;圖8A是在沒有對(duì)其電極施加直流偏壓的第二運(yùn)行模式時(shí),形成圖7中說(shuō)明的局部分布節(jié)點(diǎn)部分的一個(gè)調(diào)制器陣列中的一個(gè)調(diào)制器的剖面圖;圖8B是在對(duì)其電極施加直流偏壓的第二運(yùn)行模式時(shí),形成圖7中說(shuō)明的局部分布節(jié)點(diǎn)部件的一個(gè)調(diào)制器陣列中的一個(gè)調(diào)制器的剖面圖;圖9是一個(gè)信號(hào)圖,概要說(shuō)明根據(jù)施加到象素電極上的偏壓對(duì)入射到圖8A和8B中顯示的調(diào)制器上的光線進(jìn)行調(diào)制的方法;圖10是一個(gè)形成圖7中顯示的局部分布節(jié)點(diǎn)部件的調(diào)制器陣列的一個(gè)表面的示意圖;圖11概要顯示了圖7中說(shuō)明的形成局部分布節(jié)點(diǎn)部件的楔形陣列和調(diào)制器陣列部分;圖12概要顯示了一個(gè)搜索模式,用于將圖2中顯示的從用戶終端發(fā)射的光束與圖7中顯示的局部分布節(jié)點(diǎn)對(duì)齊,來(lái)建立一個(gè)通信連接;圖13A概要顯示了可取代圖2中說(shuō)明的用戶終端的另外的關(guān)學(xué)組件節(jié)點(diǎn);圖13B概要顯示了可取代圖7中說(shuō)明的局部分布節(jié)點(diǎn)的另外的局部分布節(jié)點(diǎn);圖14概要顯示了用于圖7中顯示的局部分布節(jié)點(diǎn)的另外的楔形陣列和模塊陣列部分;圖15概要顯示了用于圖1中說(shuō)明的數(shù)據(jù)分布系統(tǒng)的一個(gè)另外的用戶終端的主要元件;圖16概要顯示了圖15的一個(gè)放大部分。
圖1示意地說(shuō)明一個(gè)數(shù)據(jù)分配系統(tǒng),該系統(tǒng)采用一點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)的信令顯示系統(tǒng)向多個(gè)用戶終端傳送數(shù)據(jù)和從多個(gè)用戶終端接收數(shù)據(jù)。如圖所示,該數(shù)據(jù)分配系統(tǒng)包括一個(gè)中央分配系統(tǒng)1,經(jīng)由相應(yīng)的光導(dǎo)纖維5a到5c將光學(xué)數(shù)據(jù)信號(hào)傳送到多個(gè)局部分布節(jié)點(diǎn)3a-3c和從這些節(jié)點(diǎn)接收光學(xué)數(shù)據(jù)信號(hào)。
在局部分布節(jié)點(diǎn)3a處,從中央分配系統(tǒng)1接收的數(shù)據(jù)流被傳送到相應(yīng)的用戶終端7a-7b,并且利用自由空間光鏈路11a-11d,即不是沿著光學(xué)纖維路徑來(lái)引導(dǎo)光線的一個(gè)光鏈路,從用戶終端7a-7b接收向中央分配系統(tǒng)1傳送的數(shù)據(jù)。類似地,使用自由空間光鏈路11e-11h在局部分布節(jié)點(diǎn)3b和用戶終端7e-7h之間傳送數(shù)據(jù),使用自由空間光鏈路11i到111在局部分布節(jié)點(diǎn)3c和用戶終端7i-71之間傳送數(shù)據(jù)。每一個(gè)用戶終端7至少和一個(gè)用戶裝置(未示出)相連。在該實(shí)施方案中,用戶裝置包括一臺(tái)電視機(jī)(未示出),傳送信道信息到中央分配系統(tǒng)1,并且在響應(yīng)中接收相應(yīng)的電視信號(hào),和一個(gè)通過(guò)中央分配系統(tǒng)訪問(wèn)互聯(lián)網(wǎng)的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)(未示出)。
在該實(shí)施方案中,每一個(gè)用戶終端7發(fā)射一個(gè)低發(fā)發(fā)散度、自由空間的光束,依照被傳送到局部分布節(jié)點(diǎn)和在對(duì)應(yīng)的局部分布節(jié)點(diǎn)3被定向的數(shù)據(jù)來(lái)調(diào)制該光束。每一個(gè)局部分布節(jié)點(diǎn)3具有多個(gè)調(diào)制單元(圖1未示出),用來(lái)調(diào)制和反射來(lái)自于相應(yīng)的用戶終端7的光束,以將數(shù)據(jù)從局部分布節(jié)點(diǎn)3傳送到用戶終端7。
圖2更詳細(xì)地說(shuō)明了圖1中顯示的數(shù)據(jù)分配系統(tǒng)的用戶終端7的主要元件。如圖所示,用戶終端7包括一個(gè)輸出一個(gè)相干光束23的激光二極管。在該實(shí)施方案中,用戶終端7被設(shè)計(jì)為,可以在一個(gè)99.9%的線路利用率下,在200米的范圍內(nèi)與和局部分布節(jié)點(diǎn)3通信。為此,激光二極管21應(yīng)該是一個(gè)50mw的激光二極管,輸出一個(gè)波長(zhǎng)為850nm的激光束。
輸出光束23穿過(guò)一個(gè)透鏡25,以下被稱為準(zhǔn)直透鏡25,減小光束23的發(fā)散角度,基本上形成一個(gè)低發(fā)發(fā)散度光束27。通過(guò)改變準(zhǔn)直透鏡25和光源21之間的距離,可以改變低發(fā)發(fā)散度光束的發(fā)散。然而,那些本領(lǐng)域技術(shù)人員將會(huì)意識(shí)到,由于在激光二極管的發(fā)射光闌處的衍射使得不能徹底準(zhǔn)直該低發(fā)發(fā)散度光束27。在該實(shí)施方案中,準(zhǔn)直透鏡25是一個(gè)低像差透鏡,使得低發(fā)發(fā)散度光束27有一個(gè)比較均勻的波前,該透鏡具有50mm的直徑和一個(gè)剛好大到足以全部收集激光二極管21發(fā)射的光的F值。
盡管光束27的發(fā)散度很低,但由局部分布節(jié)點(diǎn)3反射后入射在用戶終端7上的光束29的尺寸比離開用戶終端7的低發(fā)散度光27的尺寸大得多。在該實(shí)施方案中,如圖3所示,接收的光束29的光束尺寸是很大的,足以包圍一個(gè)透鏡,以下稱之為下行鏈路檢測(cè)透鏡31,該光束臨近于準(zhǔn)直透鏡25。在該實(shí)施方案中,準(zhǔn)直透鏡25和下行鏈路檢測(cè)透鏡31的入口光瞳定位在相同的平面上。
返回到圖2,在圖中為了清楚起見,只顯示了接收到的入射到下行鏈路檢測(cè)透鏡31的光束29的部分,下行鏈路檢測(cè)透鏡31接收到的光束29中的光線聚焦到檢測(cè)器33上,在該實(shí)施方案中,該檢測(cè)器是一個(gè)雪崩光電二極管。下行鏈路檢測(cè)透鏡31具有一個(gè)100mm的直徑,但不要求它具有和準(zhǔn)直透鏡25一樣的質(zhì)量,因?yàn)樗闹饕康膬H僅是將盡可能多的光線引導(dǎo)到檢測(cè)器33上。圖4概要顯示了檢測(cè)器33的檢測(cè)表面61和由聚焦接收光束29的光線的下行鏈路檢測(cè)透鏡31所形成的光斑63。在該實(shí)施方案中,檢測(cè)表面61的直徑是500μm,而光斑63的直徑大約是50um。
檢測(cè)器33把接收的光束轉(zhuǎn)換成依照在局部分布節(jié)點(diǎn)3處提供的調(diào)制而變化的相應(yīng)的電信號(hào)。該電信號(hào)被放大器35放大,然后被一個(gè)過(guò)濾器37過(guò)濾。被過(guò)濾的信號(hào)被輸入到一個(gè)中央控制器39,該控制器完成一個(gè)常規(guī)的時(shí)鐘恢復(fù)和數(shù)據(jù)重現(xiàn)操作,以再現(xiàn)來(lái)自于中心分配系統(tǒng)的數(shù)據(jù)。然后將重現(xiàn)的數(shù)據(jù)傳送到一個(gè)與用戶裝置43相連的接口單元41。
接口單元41還從用戶裝置43接收數(shù)據(jù)并將接收的數(shù)據(jù)輸入到中央控制器39,中央控制器39產(chǎn)生一個(gè)適當(dāng)?shù)男畔ⅲㄟ^(guò)局部分布節(jié)點(diǎn)3傳送到中央分配系統(tǒng)1。激光驅(qū)動(dòng)器43調(diào)制由激光二極管21依照該信息輸出的光束23。在該實(shí)施方案中,激光驅(qū)動(dòng)器43向激光二極管21輸出的光束23施加一個(gè)小信號(hào)調(diào)制。圖5說(shuō)明了這個(gè)調(diào)制并且顯示了CW激光功率水平65和在其上施加的小信號(hào)調(diào)制。由于后向反射系統(tǒng)的不對(duì)稱路徑損失,可以使用小信號(hào)調(diào)制原理提供一個(gè)全“帶寬”的上行鏈路信道。正如那些本領(lǐng)域技術(shù)人員將會(huì)意識(shí)到的,該上行鏈路調(diào)制數(shù)據(jù)將變成下行鏈路數(shù)據(jù)的一個(gè)附加噪聲源。如圖6中所示,圖中顯示了一個(gè)下行鏈路數(shù)據(jù)69的視圖,包括干擾上行鏈路數(shù)據(jù)67和造成的減少噪聲容限70的后果。然而,如果保持足夠低的上行鏈路調(diào)制深度,那么上行鏈路和下行鏈路均能利用相等的帶寬工作。在該實(shí)施方案中,上行鏈路調(diào)制深度大約是CW激光功率水平的3%。關(guān)于小信號(hào)調(diào)制的進(jìn)一步細(xì)節(jié),可以參閱本文全面參考的國(guó)際專利申請(qǐng)WO01/05071。
回到圖2,中央控制單元39還連接到第一電機(jī)驅(qū)動(dòng)器45a,為水平步進(jìn)電機(jī)47提供驅(qū)動(dòng)信號(hào),將中央控制單元39連接到第二電機(jī)驅(qū)動(dòng)器45b,為縱向步進(jìn)電機(jī)49提供驅(qū)動(dòng)信號(hào)。在該實(shí)施方案中,把激光二極管21,準(zhǔn)直透鏡25,檢測(cè)器33,和下行鏈路檢測(cè)透鏡31安裝在一起形成單一的光學(xué)裝置51,而且水平步進(jìn)電機(jī)47能夠圍繞一縱軸旋轉(zhuǎn)光學(xué)裝置51,使得準(zhǔn)直光束27在一個(gè)水平平面內(nèi)移動(dòng),縱向步進(jìn)電機(jī)49能夠圍繞一橫軸旋轉(zhuǎn)光學(xué)裝置51,使得準(zhǔn)直光束27在一個(gè)垂直平面內(nèi)移動(dòng)。這樣,可以改變發(fā)射光束的方向。
圖7概要說(shuō)明了局部分布節(jié)點(diǎn)3的主要元件。如圖所示,局部分布節(jié)點(diǎn)3包括一個(gè)通信控制單元71,它接收沿著光纖5傳輸?shù)挠脕?lái)傳送來(lái)自中心分配系統(tǒng)的數(shù)據(jù)的光學(xué)信號(hào),和根據(jù)接收的光學(xué)信號(hào)來(lái)重現(xiàn)被傳送的數(shù)據(jù)。通信控制單元71根據(jù)輸出到一個(gè)依次為調(diào)制器陣列75提供相應(yīng)驅(qū)動(dòng)信號(hào)的調(diào)制器驅(qū)動(dòng)電路73的傳送數(shù)據(jù),來(lái)產(chǎn)生控制信號(hào)。在該實(shí)施方案中,調(diào)制器陣列75的調(diào)制器單元是由調(diào)制器驅(qū)動(dòng)電路73獨(dú)立尋址的,由調(diào)制器驅(qū)動(dòng)電路73輸出的驅(qū)動(dòng)信號(hào)改變調(diào)制器單元的反射率。
在該實(shí)施方案中,調(diào)制器陣列75包括量子斯塔克效應(yīng)(QCSEQuantum Confined Stark)裝置的一個(gè)二維平面集成陣列(有時(shí)也被稱為自電光裝置或SEEDS)。圖8A概要說(shuō)明了QCSE裝置91的一個(gè)橫截面。如圖所示,QCSE裝置91包括一個(gè)透明窗93,來(lái)自于適當(dāng)?shù)挠脩艚K端7的光束穿過(guò)該窗,其下面是基于砷化鎵(GaAs)材料的三個(gè)層95-1,95-2,95-3。層95-1是一個(gè)P導(dǎo)電型層,層95-2是一個(gè)本征層,其上形成多個(gè)量子阱,層95-3是一個(gè)N導(dǎo)電型層。95的三個(gè)層共同形成一個(gè)p-i-n二極管。如圖所示,P導(dǎo)電型層95-1與一個(gè)電極101相連,N導(dǎo)電型層95-3連接在一個(gè)接地端子103上。在N導(dǎo)電型層95-3下面設(shè)置一個(gè)反射層97,在該實(shí)施方案中為一個(gè)布拉格反射器,在反射層97下面設(shè)置一個(gè)基底層99。
運(yùn)行中,來(lái)自用戶終端7的光束穿過(guò)窗93進(jìn)入到基于砷化鎵的層95中。本征層95-2吸收的光的數(shù)量取決于加到電極101上的直流偏壓。理想情況下,當(dāng)電極101上沒被施加直流偏壓時(shí),如圖8A中說(shuō)明的那樣,光束穿過(guò)窗93,并在本征層95-2內(nèi)被完全吸收。因此,當(dāng)電極101上沒被施加直流偏壓時(shí),沒有光被反射回相應(yīng)的用戶終端7。另一方面,當(dāng)在電極101上施加一個(gè)大約-5伏的直流偏壓時(shí),如圖8B中說(shuō)明的那樣,來(lái)自于相應(yīng)的用戶終端7的光束穿過(guò)窗93和基于砷化鎵的層95,并且被反射層97反射。所以,通過(guò)依照來(lái)自于調(diào)制器驅(qū)動(dòng)電路73的驅(qū)動(dòng)信號(hào)改變施加于電極101的偏壓,QCSE調(diào)制器91的幅值調(diào)制接收的光束并將已調(diào)制的光束反射回用戶終端7。
在理想情況下,如圖9說(shuō)明的那樣,在電極101上施加一個(gè)不產(chǎn)生反射光的零偏壓,來(lái)傳送一個(gè)二進(jìn)制0,在電極101上施加一個(gè)大約-5伏的直流偏壓,使來(lái)自于用戶終端7的光束從QCSE裝置91反射回去,來(lái)傳送一個(gè)二進(jìn)制1。然而,典型情況下,當(dāng)沒有向電極101施加直流偏壓時(shí),QCSE調(diào)制器91將反射光束的70%,而當(dāng)在電極101上施加一個(gè)大約-5伏的直流偏壓時(shí),將反射光束的95%。因此,實(shí)際中,當(dāng)傳輸一個(gè)二進(jìn)制0和傳輸一個(gè)二進(jìn)制1時(shí),在用戶終端7上檢測(cè)的光線數(shù)量之間相差大約25%。
可以通過(guò)增加附加的量子阱以增加本征層95-2的深度,來(lái)提高通過(guò)本征層95-2吸收的接收光束的數(shù)量。然而,如果增加本征層95-2的深度,則為了產(chǎn)生允許光線通過(guò)本征層95-2所需的穿過(guò)本征層95-2的電場(chǎng),必須向電極101施加一個(gè)較高的電壓。因此,要折中考慮本征層95-2的吸收率和施加于電極101的電壓。
利用QCSE調(diào)制器91,可以實(shí)現(xiàn)各個(gè)調(diào)制器單元的調(diào)制率超過(guò)每秒一兆比特。
圖10顯示了該實(shí)施方案中使用的調(diào)制器陣列75的表面。如圖所示,調(diào)制器陣列75是一個(gè)二維陣列,在Y方向設(shè)置有16個(gè)調(diào)制器元件91,在垂直于Y方向的X方向設(shè)置兩個(gè)調(diào)制器元件91。那些本領(lǐng)域技術(shù)人員將會(huì)意識(shí)到,通過(guò)在X方向只有兩個(gè)調(diào)制器,使調(diào)制器陣列75的結(jié)構(gòu)大為簡(jiǎn)化,因?yàn)榭梢詮年嚵械膫?cè)面對(duì)調(diào)制器元件91進(jìn)行尋址。
在該實(shí)施方案中,每一個(gè)調(diào)制器元件91在X方向有一個(gè)大約1mm的長(zhǎng)度,和在Y方向具有一個(gè)大約100m的寬度。在多樓層的建筑物內(nèi)就是選擇這樣的設(shè)計(jì)來(lái)匹配類似的用戶分布。特別是,調(diào)制器陣列被排列為X方向與建筑物的水平方向?qū)?yīng),而Y方向與建筑物的縱向?qū)?yīng),X方向提供的調(diào)制器元件91比Y方向的少,因?yàn)橛脩魬?yīng)該主要分布在Y方向。調(diào)制器元件91沿X方向的長(zhǎng)度比沿Y方向的寬度大,以確保在建筑物側(cè)面有足夠的覆蓋范圍。
局部分布節(jié)點(diǎn)3還包括一個(gè)具有多個(gè)光檢測(cè)元件的檢測(cè)器陣列77。每一個(gè)檢測(cè)元件把來(lái)自于相應(yīng)的用戶終端7的入射光轉(zhuǎn)換成輸入到檢測(cè)電路79的一個(gè)相應(yīng)的電信號(hào)。在檢測(cè)電路79中,來(lái)自于檢測(cè)器陣列的電信號(hào)被放大,然后檢測(cè)電路79執(zhí)行常規(guī)時(shí)鐘恢復(fù)和數(shù)據(jù)再現(xiàn)處理,以恢復(fù)來(lái)自于用戶終端7的信息數(shù)據(jù)。然后將恢復(fù)的來(lái)自所有用戶終端7的信息數(shù)據(jù)輸出到通信控制單元71,該單元將信息數(shù)據(jù)作為光學(xué)信號(hào),沿光纖5傳輸?shù)街醒敕峙鋯卧?br>
如圖7中所示,為調(diào)制器陣列75和檢測(cè)器陣列77提供了單獨(dú)的光學(xué)系統(tǒng)。特別是,調(diào)制器陣列75基本上被定位在一個(gè)透鏡的后焦面內(nèi),以下被稱為調(diào)制器透鏡79。那些本領(lǐng)域技術(shù)人員將會(huì)意識(shí)到,調(diào)制器透鏡79將從一個(gè)用戶終端接收的一個(gè)低發(fā)散的光束引向后焦面內(nèi)的一點(diǎn),該點(diǎn)的位置取決于接收光束的入射角度。換句話說(shuō),調(diào)制器透鏡79在其視場(chǎng)內(nèi)將不同的方向映射到調(diào)制器陣列上的不同位置。由此,調(diào)制器陣列能夠調(diào)制和反射來(lái)自于調(diào)制器透鏡79視場(chǎng)內(nèi)的不同位置上的多個(gè)用戶終端7的光束。
在該實(shí)施方案中,提供一個(gè)楔形陣列81,偏轉(zhuǎn)來(lái)自于用戶終端7的通過(guò)調(diào)制器透鏡79傳送的光束,以使主光線垂直于調(diào)制器陣列75的相應(yīng)的調(diào)制器元件入射。在該實(shí)施方案中,楔形陣列81被定位在調(diào)制器陣列75的前面,以使由調(diào)制器透鏡79從一個(gè)用戶終端79采集的全部光線穿過(guò)楔形陣列的一個(gè)單一的楔形棱鏡。如果沒有楔形陣列81,穿過(guò)調(diào)制器透鏡79的來(lái)自于各用戶終端7的光線中的主光線通常不能垂直于調(diào)制器陣列75入射,因此由調(diào)制器陣列75反射的調(diào)制光不能沿著相同的路徑傳播回發(fā)射光線的用戶終端7。
圖11更詳細(xì)地顯示了楔形陣列81的作用。如圖所示,楔形陣列81包括多個(gè)在空間上與調(diào)制器陣列75的相應(yīng)調(diào)制器元件91匹配的楔形棱鏡111_1,111_2,111_3,使每一個(gè)楔形棱鏡111與一個(gè)相關(guān)的調(diào)制器元件91相鄰。楔形陣列81的每一個(gè)楔形棱鏡111以一個(gè)由楔角和楔形棱鏡111的折射率n決定的角度來(lái)反射入射光線。如圖11中所示,光113_1,即穿過(guò)入口光瞳中心的主光線,以一個(gè)與調(diào)制器陣列75的平面法線呈θ角的方向入射到楔形棱鏡111_2上,棱鏡的楔角用表示。如圖11中的虛線所示,如果沒有楔形陣列81,那么主光線113_1將以和法線所成的θ角入射到調(diào)制器元件91_2上,因此不能沿自身路徑反射。選擇滿足下面公式楔形角φ=tan-1(sinθn-cosθ)]]>該關(guān)系式保證主光線113_1是以一個(gè)等于θ的角度偏轉(zhuǎn)的,使得主光線113_1在調(diào)制器元件91_2上是垂直入射的,并利用調(diào)制器元件91_2反射到其自身之上。對(duì)于一個(gè)通常有效的薄楔近似而言,主光線以外的光線也通過(guò)角度θ反射,因此,例如,光線113_2將由調(diào)制器91_2沿著光線113_3的路徑反射,反之亦然。
隨著一個(gè)用戶終端7的主光線和調(diào)制器陣列75的法線之間的角度的增加,相應(yīng)的楔形棱鏡的楔角也必須增加,因?yàn)橐筝^大的偏轉(zhuǎn),以便使主光線在調(diào)制器陣列75上是垂直入射的。因此,位于接近于調(diào)制器透鏡79的光軸的楔形陣列81的中心的楔形棱鏡,具有比那些離楔形陣列81中心更遠(yuǎn)的楔形棱鏡111較小的楔角。為了清楚起見,圖11顯示了一個(gè)楔形陣列81和調(diào)制器陣列75的經(jīng)過(guò)一個(gè)與調(diào)制器陣列75垂直的平面的橫截面。那些本領(lǐng)域技術(shù)人員將會(huì)意識(shí)到,因?yàn)檎{(diào)制器陣列75是二維的,楔形陣列81是由楔形棱鏡的一個(gè)二維陣列來(lái)形成的,通常在X方向和Y方向?qū)?huì)具有不同的楔角。
在該實(shí)施方案中,楔形陣列111是通過(guò)注塑模制一種光學(xué)塑料材料來(lái)形成的。
檢測(cè)器陣列77位于相應(yīng)透鏡的后聚焦平面,此后稱該透鏡為上行鏈路檢測(cè)透鏡83。正如那些本領(lǐng)域技術(shù)人員將會(huì)意識(shí)到的,通過(guò)該上行鏈路檢測(cè)透鏡83的主光線不需垂直于檢測(cè)器陣列77入射。因此,該上行鏈路檢測(cè)透鏡83被簡(jiǎn)單設(shè)計(jì)為從用戶終端7聚集盡可能多的光線,并將該聚集的光線引向相應(yīng)的檢測(cè)元件。在該實(shí)施方案中,上行鏈路檢測(cè)透鏡83的尺寸是調(diào)制器透鏡79的兩倍,但大約有相同的焦距。換句話說(shuō),該上行鏈路檢測(cè)透鏡79的焦距是調(diào)制器透鏡83的f值的一半。
在一個(gè)用戶終端7可以與一個(gè)局部分布節(jié)點(diǎn)3進(jìn)行通信之前,必須進(jìn)行一個(gè)初始化過(guò)程。下面將簡(jiǎn)要描述一個(gè)初始化過(guò)程。一旦建立一個(gè)新的用戶終端7,安裝人員手工對(duì)準(zhǔn)該用戶終端7,以便使得用戶終端7輸出的激光束大致上定向在該局部分布節(jié)點(diǎn)3上。然后,安裝人員將該新的用戶終端7調(diào)整為一個(gè)安裝模式,其中利用水平步進(jìn)電機(jī)47和垂直步進(jìn)電機(jī)49進(jìn)行一個(gè)自動(dòng)的微調(diào)對(duì)齊定位。
該安裝模式從位于水平和垂直步進(jìn)電機(jī)的行程中心的用戶終端7中的光學(xué)部件51開始。
用戶終端7輸出一個(gè)傳輸一個(gè)連接請(qǐng)求信號(hào)(LRS)激光束。如果光學(xué)分布節(jié)點(diǎn)3檢測(cè)到該LRS,那么該光學(xué)分布節(jié)點(diǎn)3向用戶終端7發(fā)送一個(gè)回應(yīng)。該光學(xué)分布節(jié)點(diǎn)3發(fā)送該回應(yīng)的原因是如果該用戶終端檢測(cè)到一個(gè)反射的LRS,不能保證由用戶終端7輸出的光束是由一個(gè)光學(xué)分布節(jié)點(diǎn)3發(fā)射的,因?yàn)樵摴馐赡苁怯善湟晥?chǎng)內(nèi)的其它物體反射回來(lái)的。
如果用戶終端7沒有檢測(cè)到從局部分布節(jié)點(diǎn)3的回應(yīng),那么該光學(xué)部件是由步進(jìn)電機(jī)以一個(gè)步進(jìn)的方形螺旋形式來(lái)移動(dòng)的(如圖12中所示),用戶終端7在水平和垂直步進(jìn)電機(jī)的每一個(gè)步長(zhǎng)之后檢測(cè)一個(gè)來(lái)自于局部分布節(jié)點(diǎn)3的回應(yīng),直到檢測(cè)到一個(gè)回應(yīng)。
在安裝模式期間,由用戶終端7發(fā)射的激光束的功率是維持在一個(gè)肉眼安全的水平,避免如果該激光束偶然入射到人或動(dòng)物時(shí),產(chǎn)生任何嚴(yán)重視覺傷害的可能性。
在該實(shí)施方案中,入射到局部分布節(jié)點(diǎn)3的光束的尺寸必須足夠大,能夠至少包圍調(diào)制器透鏡79和上行鏈路檢測(cè)透鏡83的一個(gè)很大部分。這是通過(guò)改變激光器二極管21和準(zhǔn)直透鏡25之間的距離,直到達(dá)到局部分布節(jié)點(diǎn)3處所需的光束尺寸來(lái)實(shí)現(xiàn)的。還需保證入射到用戶終端7上的反射光束充分大,以包圍下行檢測(cè)透鏡29的相當(dāng)大的部分。但是,不必一定如此,而且在用戶終端7處是很難校正的。
下面將參照?qǐng)D13A和13B來(lái)描述一個(gè)第二實(shí)施方案,圖中,在第一實(shí)施方案的用戶終端7的光學(xué)部件上增加一個(gè)反射器和一個(gè)偏振光束分光器,以便使用戶終端輸出的光束與下行鏈路檢測(cè)透鏡31的光軸對(duì)齊。用戶終端的其余部件與第一實(shí)施方案相同。在圖13A和13B中,將不再描述那些與第一實(shí)施方案中具有同樣的參考編號(hào)的相應(yīng)部件相同的部件。
圖13A顯示了第二實(shí)施方案的用戶終端的光學(xué)元件。激光器二極管21發(fā)射一個(gè)線性偏振的光束23,該光束穿過(guò)準(zhǔn)直透鏡25,形成低發(fā)發(fā)散度光束27。一個(gè)反射器121定位在與光束27的傳播方向呈45度角的方向上,以便使光束27通過(guò)一個(gè)直角反射,并指向一個(gè)與下行鏈路檢測(cè)透鏡31光軸呈45度角放置的偏振光束分光器123。偏振光束分光器123的偏振分離表面反射來(lái)自于反射器121的線性偏振光,以便使其沿著下行鏈路檢測(cè)透鏡31的光軸,朝著局部分布節(jié)點(diǎn)遠(yuǎn)離用戶終端。
圖13B顯示了第二實(shí)施方案的局部分布節(jié)點(diǎn)的主要部件。如圖所示,與第一實(shí)施方案中的局部分布節(jié)點(diǎn)之間僅有的差別在于,在調(diào)制器透鏡79前面(即在調(diào)制器透鏡79遠(yuǎn)離調(diào)制器陣列75的一側(cè))設(shè)置一個(gè)四分之一波長(zhǎng)片131。如上所述,對(duì)用戶終端的準(zhǔn)直透鏡25被掃描,直到入射到用戶分布節(jié)點(diǎn)的光束既包含調(diào)制器透鏡79也包含上行鏈路檢測(cè)透鏡83。用戶終端的某些光線穿過(guò)四分之一波長(zhǎng)片131,將線性偏振光轉(zhuǎn)化為圓偏振光。然后該圓偏振光由調(diào)制器陣列75反射,并向回穿越調(diào)制器透鏡79和四分之一波長(zhǎng)片131,在穿過(guò)調(diào)制器透鏡之前將圓偏振光轉(zhuǎn)化為線性偏振光,其偏振方向與用戶終端的光束的方向垂直。
返回到圖13A,來(lái)自于局部分布節(jié)點(diǎn)的線性偏振光經(jīng)由偏振光束分光器123的偏振分離表面?zhèn)鞑?,然后由下行鏈路檢測(cè)透鏡31聚焦到檢測(cè)器33上。
如上所述,利用反射器121和偏振光束分光器123來(lái)調(diào)整由激光器二極管21沿著檢測(cè)透鏡31的光軸發(fā)出的光束,保證了從局部分布節(jié)點(diǎn)被回射的光束29是在下行鏈路檢測(cè)透鏡31上入射的。而且,由于下行鏈路檢測(cè)透鏡31是設(shè)置在檢測(cè)器33和偏振光束分光器123之間,因此不會(huì)出現(xiàn)光線從激光器二極管21離開下行鏈路檢測(cè)透鏡31光學(xué)表面的反射。
在第一和第二實(shí)施方案中,調(diào)制器陣列75的調(diào)制器單元91之間是利用間隙分隔的。這意味著,在透鏡的視場(chǎng)中存在不能可靠地進(jìn)行用戶終端和局部分布節(jié)點(diǎn)間通信的位置,因?yàn)檫@些位置是沿著映射到像素間的間隔的方向的。下面將參考圖14來(lái)描述一個(gè)第三實(shí)施方案,其中楔形陣列的楔形棱鏡是彎曲的,以形成一個(gè)相關(guān)調(diào)制器單元的放大映像。這樣,從局部分布節(jié)點(diǎn)的外部來(lái)看,調(diào)制器陣列似乎具有一個(gè)100%的組裝密度。
圖14顯示了部分的楔形陣列和調(diào)制器陣列。第三實(shí)施方案的其余部件與第一實(shí)施方案的相應(yīng)部件相同,因此不再贅述。
如圖14所示,楔形陣列中的每個(gè)楔形棱鏡135_1、135_2和135_3均具有一個(gè)彎曲的表面。對(duì)于每個(gè)楔形棱鏡,曲面中心處的切線與調(diào)制器陣列75的表面平行的平面呈一個(gè)Φ角。該角度Φ是根據(jù)上述的公式1來(lái)選擇的,偏轉(zhuǎn)以一個(gè)與調(diào)制器陣列的平面表面的法線呈θ到達(dá)彎曲表面的主光線,使其垂直入射到相關(guān)的調(diào)制器單元91_2上。楔形棱鏡135的表面的彎曲意味著楔形棱鏡135的彎曲表面上的點(diǎn)離楔形陣列141的中心越遠(yuǎn),曲面上該點(diǎn)的切線與一個(gè)平行于調(diào)制器陣列75的表面的平面之間的角度越大。因此,彎曲的表面具有一個(gè)相關(guān)的正光功率,形成相關(guān)調(diào)制器單元91的一個(gè)放大的映像。
關(guān)于如何利用一個(gè)具有相關(guān)光功率的單元陣列來(lái)提高有效組裝密度的進(jìn)一步細(xì)節(jié),可以查閱國(guó)際專利申請(qǐng)WO01/05069,這里參考了其全部的內(nèi)容。
在第一至第三實(shí)施方案中,相對(duì)于局部分布節(jié)點(diǎn),用戶終端是位于一個(gè)固定的位置。下面將參考圖15和16來(lái)描述一個(gè)第四實(shí)施方案,其中,用戶終端可以相對(duì)于局部分布節(jié)點(diǎn)移動(dòng)。在該實(shí)施方案中,局部分布節(jié)點(diǎn)與第一實(shí)施方案中相同。
圖15概要顯示了局部分布節(jié)點(diǎn)3和第四實(shí)施方案中的一個(gè)用戶終端的主要部件。對(duì)于那些與第一實(shí)施方案中具有同樣的參照編號(hào)的相應(yīng)部件,將不再描述。
如圖15所示,接口單元41用作一個(gè)用戶裝置(未示出)和用戶終端的一個(gè)中央控制單元141簡(jiǎn)的接口。由接口單元41從用戶裝置收到的數(shù)據(jù)被輸入到該中央控制單元,根據(jù)該接收數(shù)據(jù)為一個(gè)激光器驅(qū)動(dòng)器143產(chǎn)生控制信號(hào)。激光器驅(qū)動(dòng)器143為一個(gè)發(fā)射器陣列145產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)信號(hào),在該實(shí)施方案中,發(fā)射器陣列145包括一個(gè)二維像素平面陣列,每個(gè)像素位置都有一個(gè)發(fā)射激光的在垂直方向彎曲的表面(VCSEL)。最好是使用VCSEL,因?yàn)榘l(fā)射器陣列145可以利用一個(gè)單片半導(dǎo)體晶片來(lái)制造,而不必切割晶片。這樣可以得到比傳統(tǒng)二極管激光器更高的激光單元密度。從位于瑞士蘇黎世(Badenerstrasse 569,8048Zurich,Switzerland)的CSEM SA可以獲得在1mW-30mW的功率范圍內(nèi)輸出具有850nm波長(zhǎng)的光束的VCSEL陣列。
在該實(shí)施方案中,激光器驅(qū)動(dòng)器143能夠單獨(dú)驅(qū)動(dòng)發(fā)射器陣列145的VCSEL,并依照中央控制單元輸出的控制信號(hào)施加一個(gè)小信號(hào)調(diào)制,以便將上行鏈路數(shù)據(jù)從用戶裝置傳送到局部分布節(jié)點(diǎn)。從每個(gè)VCSEL發(fā)射的光線入射到一個(gè)楔形陣列147的相應(yīng)的楔形棱鏡上。楔形陣列147的楔形棱鏡使該發(fā)射光偏轉(zhuǎn),以使得由一個(gè)垂直于發(fā)射器陣列145表面的VCSEL發(fā)射的光線穿過(guò)準(zhǔn)直透鏡25的光闌阻擋(aperture stop)的中心。
圖16顯示的是反射器陣列145、楔形陣列147和準(zhǔn)直透鏡25的放大視圖。如圖所示,楔形陣列147的楔形棱鏡在空間上與發(fā)射器陣列145的VCSEL匹配,使得每個(gè)VCSEL與一個(gè)相應(yīng)的楔形棱鏡相關(guān)聯(lián)。而且,在該實(shí)施方案中,楔形陣列147與發(fā)射器陣列145相鄰,使得從一個(gè)VCSEL發(fā)出的所有光線基本上都穿過(guò)楔形陣列147的相關(guān)楔形棱鏡。從發(fā)射器陣列145的一個(gè)VCSEL垂直發(fā)出的光被相關(guān)的楔形棱鏡偏轉(zhuǎn),以便穿過(guò)準(zhǔn)直透鏡25的光闌阻擋的中心。利用前面的公式(1)來(lái)確定楔形陣列147的每個(gè)楔形棱鏡的楔角φ,角度θ為經(jīng)過(guò)從光闌阻擋的中心到楔形棱鏡的直線和準(zhǔn)直透鏡25的光軸之間的夾角。因此,該楔角將隨著楔形棱鏡距楔形陣列147的中心的距離的增加而增加。
使用楔形陣列147具有的優(yōu)勢(shì)是,準(zhǔn)直透鏡25對(duì)反射鏡陣列147的每個(gè)VCSEL發(fā)出的光的采集效率近似不變,因此對(duì)于每個(gè)VCSEL,從用戶終端輸出的光的強(qiáng)度是相同的。相反,利用傳統(tǒng)的準(zhǔn)直透鏡,VCSEL陣列中心處的VCSEL的發(fā)出的輸出光功率要大于反射鏡陣列145的邊緣處的VCSEL發(fā)出的光功率。
利用下行鏈路檢測(cè)透鏡31來(lái)收集從局部分布節(jié)點(diǎn)接收到的調(diào)制光,并將其引導(dǎo)到檢測(cè)器陣列149的光檢測(cè)單元。在該實(shí)施方案中,檢測(cè)器陣列149是一個(gè)二維的光電二極管陣列。檢測(cè)器陣列149的每個(gè)檢測(cè)單元將入射光轉(zhuǎn)變?yōu)橐粋€(gè)相應(yīng)的電信號(hào),輸入到一個(gè)檢測(cè)電路151,該電路對(duì)電信號(hào)進(jìn)行放大和濾波,將濾波后的信號(hào)輸入到一個(gè)中央控制單元141。該中央控制單元141利用濾波后的信號(hào)來(lái)重現(xiàn)從局部分布節(jié)點(diǎn)傳送來(lái)的數(shù)據(jù),并通過(guò)接口單元41將該數(shù)據(jù)發(fā)送給用戶裝置。
正如這里全面參考的國(guó)際專利申請(qǐng)WO00/48338中所描述的那樣,局部分布節(jié)點(diǎn)相對(duì)于用戶終端的方向?qū)Q定由檢測(cè)器陣列149中的哪一個(gè)檢測(cè)元件來(lái)檢測(cè)來(lái)自于該局部分布節(jié)點(diǎn)的調(diào)制光。因此可以進(jìn)行一個(gè)跟蹤操作,其中根據(jù)由檢測(cè)器陣列149中的哪一個(gè)檢測(cè)元件來(lái)檢測(cè)從局部分布節(jié)點(diǎn)返回的光,選擇用于向局部分布節(jié)點(diǎn)輸出光束的發(fā)射器陣列145中的VCSEL。修正和進(jìn)一步的實(shí)施方案在上述說(shuō)明的實(shí)施方案中,利用多個(gè)楔形棱鏡形成一個(gè)在空間上與光學(xué)元件匹配的楔形陣列。該楔形棱鏡的楔角是根據(jù)其在楔形陣列中的位置而變化的,使得該楔形陣列和一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)透鏡(不是遠(yuǎn)心的)共同構(gòu)成一個(gè)近似的遠(yuǎn)心透鏡。
盡管所描述的實(shí)施方案中的楔形陣列是通過(guò)噴射模制光學(xué)塑料制成的,但本領(lǐng)域技術(shù)人員將會(huì)意識(shí)到可采用其它的制造技術(shù)。
在第三實(shí)施方案中,楔形棱鏡的一個(gè)光學(xué)表面是彎曲的,以便提供一個(gè)正的光功率,來(lái)放大相關(guān)的調(diào)制器單元的尺寸,以提高調(diào)制器單元的有效組裝密度。該彎曲的表面也可是非球面的,來(lái)校正散光或其它的光學(xué)象差。那些本領(lǐng)域技術(shù)人員將會(huì)意識(shí)到具有彎曲表面的楔形棱鏡也可用于發(fā)射器陣列。
在所描述的實(shí)施方案中,由于折射作用,光束被楔形棱鏡偏轉(zhuǎn)。那些本領(lǐng)域技術(shù)人員將會(huì)意識(shí)到,可以提供一個(gè)具有不同折射率分布的平面結(jié)構(gòu),以便提供替代具有恒定折射率的楔形棱鏡的折射效應(yīng)。該平面結(jié)構(gòu)的折射率分布是這樣設(shè)置的,使得每個(gè)折射單元具有一個(gè)相關(guān)的正光功率,該折射率分布也可校正光學(xué)象差。而且,不必使用折射來(lái)獲得光束偏轉(zhuǎn)。例如,可以使用一個(gè)衍射光學(xué)單元(如一個(gè)全息圖),甚至采用一個(gè)反射器陣列。
在所描述的實(shí)施方案中,在用戶終端為光發(fā)射器或光檢測(cè)器設(shè)置分離的光學(xué)系統(tǒng),以減少指向光檢測(cè)器上的回反射。那些本領(lǐng)域技術(shù)人員將會(huì)意識(shí)到,也可在系統(tǒng)中使用楔形陣列(或等效結(jié)構(gòu)),其中利用光束分光器在光學(xué)上將準(zhǔn)直透鏡的光軸和下行鏈路檢測(cè)透鏡對(duì)齊,如在WO98/35328和WO00/48338中所描述的那樣,以便近似形成一個(gè)遠(yuǎn)心光學(xué)系統(tǒng)。
在第二實(shí)施方案中,由反射器121和偏振光束分光器123形成一個(gè)光束調(diào)節(jié)設(shè)備,將用戶終端發(fā)射的光束與檢測(cè)器的透鏡系統(tǒng)的光軸對(duì)齊。
如上所述,在用戶終端為光發(fā)射器和光檢測(cè)器以及在局部分布節(jié)點(diǎn)為調(diào)制器陣列和光檢測(cè)器設(shè)置分離的光學(xué)系統(tǒng)可以根據(jù)其相關(guān)的光學(xué)元件來(lái)單獨(dú)優(yōu)化透鏡系統(tǒng)。僅為了示范起見,在所述的實(shí)施方案中給出了一些特定的細(xì)節(jié),但并不是本發(fā)明所必須的。
那些本領(lǐng)域技術(shù)人員將會(huì)意識(shí)到,對(duì)于分離光學(xué)系統(tǒng)相關(guān)的優(yōu)勢(shì)而言,楔形陣列不是必須的。例如,可以用具有位于遠(yuǎn)心透鏡的后焦面的調(diào)制器陣列的遠(yuǎn)心透鏡來(lái)替代調(diào)制器陣列和楔形陣列。
在第一實(shí)施方案中,光發(fā)射器和光檢測(cè)器是與其相關(guān)的光學(xué)系統(tǒng)一同安裝的,作為一個(gè)單一的光學(xué)組件,由步進(jìn)電機(jī)來(lái)移動(dòng),以便控制發(fā)出的光束?;蛘撸獍l(fā)射器及其相關(guān)的透鏡系統(tǒng)可以與光檢測(cè)器及其透鏡系統(tǒng)分開安裝。也可以采用這里全面參考的WO01/05072中所描述的光束調(diào)整技術(shù)。在另一實(shí)施方案中,可以通過(guò)移動(dòng)構(gòu)成發(fā)射器的透鏡部件的透鏡單元來(lái)控制光束。
那些本領(lǐng)域技術(shù)人員將會(huì)意識(shí)到,如果改變發(fā)射的光束的方向,那么返回的光束通常不會(huì)聚焦到檢測(cè)器的檢測(cè)表面的中心。但是,如果檢測(cè)表面遠(yuǎn)大于聚焦點(diǎn)的尺寸,如第一實(shí)施方案中那樣,則不會(huì)有什么問(wèn)題。那些本領(lǐng)域技術(shù)人員將會(huì)意識(shí)到,對(duì)于第一實(shí)施方案中的配置,檢測(cè)表面不必遠(yuǎn)大于聚焦光斑的尺寸,因?yàn)楫?dāng)發(fā)射的光束的方向改變時(shí),可移動(dòng)檢測(cè)透鏡的光軸來(lái)匹配發(fā)射的光束的方向。
在所描述的實(shí)施方案中,從多個(gè)用戶終端發(fā)出的光束入射到局部分布節(jié)點(diǎn)的調(diào)制器陣列的相應(yīng)調(diào)制器單元上,并回射回到其起始的用戶終端?;蛘?,可以在局部分布節(jié)點(diǎn)設(shè)置多個(gè)光發(fā)射器,并在每個(gè)用戶終端設(shè)置調(diào)制器。
在第一至第三實(shí)施方案中,使用了QCSE調(diào)制器。那些本領(lǐng)域技術(shù)人員將會(huì)意識(shí)到,也可以采用其它類型的反射器和調(diào)制器。例如,可以使用一個(gè)平面鏡作為反射器,可以在透鏡和該平面鏡之間設(shè)置一個(gè)透射調(diào)節(jié)器(如液晶)。而且,那些本領(lǐng)域技術(shù)人員將會(huì)意識(shí)到,反射器和/或調(diào)制器無(wú)需集成在一個(gè)單一裝置中,反射器和/或調(diào)制器也不必定位在一個(gè)公共面上,盡管為了易于裝置的制造和定位,這些特征是優(yōu)選的。
在第一至第三實(shí)施方案中,以一個(gè)矩形方陣的形式來(lái)排列調(diào)制器單元。但這不是必須的,也可以以不同形式的規(guī)則陣列,甚至以一個(gè)不規(guī)則陣列來(lái)排列調(diào)制器單元。
在第四實(shí)施方案中,使用了一個(gè)VCSEL陣列。那些本領(lǐng)域技術(shù)人員將會(huì)意識(shí)到,也可采用其它形式的光發(fā)射器。例如,可以采用常規(guī)的激光器二極管。
在第一至第四實(shí)施方案中,描述了全雙工傳輸系統(tǒng)。也可采用一個(gè)單工傳輸系統(tǒng),其中,將一個(gè)未調(diào)制的光束發(fā)送到一個(gè)后向反射器,在該處,對(duì)光束進(jìn)行調(diào)制并反射,利用一個(gè)檢測(cè)器對(duì)被反射回的光進(jìn)行檢測(cè)。也可以采用一個(gè)半雙工系統(tǒng),其中由用戶終端發(fā)送一個(gè)未調(diào)制光束到局部分布節(jié)點(diǎn),在該節(jié)點(diǎn)處對(duì)光束進(jìn)行調(diào)制并反射回用戶終端,按一個(gè)方向傳送數(shù)據(jù),或者由用戶終端發(fā)射調(diào)制的數(shù)據(jù),將數(shù)據(jù)傳送給局部分布節(jié)點(diǎn)。在這種情況下,也可以用QCSE調(diào)制器來(lái)檢測(cè)來(lái)自用戶終端的調(diào)制器光束。
那些本領(lǐng)域技術(shù)人員將會(huì)意識(shí)到,術(shù)語(yǔ)“光”包括電磁波頻譜中的紫外線和紅外線區(qū)域以及可見光區(qū)域的電磁波。盡管上述的實(shí)施方案使用的是具有850nm左右的波長(zhǎng)的激光束,但也可采用其它波長(zhǎng)。特別是,1.5μm的波長(zhǎng)是另一種很具吸引力的選擇,因?yàn)樗旧硎菍?duì)人眼無(wú)損的,而且對(duì)于該波長(zhǎng)的光纖通信,已經(jīng)開發(fā)出了低價(jià)的反射鏡和檢測(cè)器。
盡管利用一個(gè)單一透鏡對(duì)用戶終端和局部分布節(jié)點(diǎn)的透鏡進(jìn)行了概要的描述,但是應(yīng)當(dāng)清楚,在實(shí)際中,每個(gè)透鏡可以具有多個(gè)透鏡單元。
權(quán)利要求
1.一種光學(xué)裝置,包括一個(gè)透鏡;多個(gè)光學(xué)單元;和用于偏轉(zhuǎn)在透鏡和多個(gè)光學(xué)單元之間的一個(gè)光學(xué)路徑中提供的光束的裝置,其中上述的光束偏轉(zhuǎn)裝置包括多個(gè)光束偏轉(zhuǎn)單元,每個(gè)光束偏轉(zhuǎn)單元與一個(gè)相應(yīng)的光學(xué)單元相關(guān)聯(lián),能夠進(jìn)行操作來(lái)偏轉(zhuǎn)一個(gè)穿過(guò)透鏡的主光線,使主光線與相關(guān)的光學(xué)單元基本上垂直。
2.一種依照權(quán)利要求1的光學(xué)裝置,其中每個(gè)光學(xué)單元基本上是平面的。
3.一種依照權(quán)利要求2的光學(xué)裝置,其中多個(gè)光學(xué)單元基本上位于一個(gè)公共平面中。
4.一種依照權(quán)利要求3的光學(xué)裝置,其中多個(gè)光學(xué)單元被集成在一個(gè)單一裝置中。
5.一種依照上述的權(quán)利要求中的任意一項(xiàng)的光學(xué)裝置,其中多個(gè)光束偏轉(zhuǎn)單元基本上位于一個(gè)公共平面中。
6.一種依照權(quán)利要求5的光學(xué)裝置,其中多個(gè)光束偏轉(zhuǎn)單元被集成在一個(gè)單一裝置中。
7.一種依照上述的權(quán)利要求中的任意一項(xiàng)的光學(xué)裝置,其中多個(gè)光學(xué)單元是以一個(gè)規(guī)則陣列排列的。
8.一種依照上述的權(quán)利要求中的任意一項(xiàng)的光學(xué)裝置,其中多個(gè)光學(xué)單元是以一個(gè)矩形方陣列排列的。
9.一種依照上述的權(quán)利要求中的任意一項(xiàng)的光學(xué)裝置,其中多個(gè)光束偏轉(zhuǎn)單元在空間上與多個(gè)光學(xué)單元的空間排列相匹配。
10.一種依照上述的權(quán)利要求中的任意一項(xiàng)的光學(xué)裝置,其中每個(gè)光學(xué)單元包括一個(gè)反射單元。
11.一種依照權(quán)利要求10的光學(xué)裝置,進(jìn)一步包括用于施加一個(gè)能夠操作改變反射單元反射率的信號(hào)的裝置。
12.一種依照權(quán)利要求11的光學(xué)裝置,其中能夠操作該信號(hào)施加裝置對(duì)反射單元進(jìn)行單獨(dú)尋址。
13.一種依照權(quán)利要求10-12中的任意一項(xiàng)的光學(xué)裝置,其中多個(gè)光束偏轉(zhuǎn)單元中的每一個(gè)單元與關(guān)聯(lián)的反射單元相鄰。
14.一種依照上述的權(quán)利要求中的任意一項(xiàng)的光學(xué)裝置,其中多個(gè)光學(xué)單元包括至少一個(gè)量子斯塔克效應(yīng)裝置。
15.一種依照權(quán)利要求1-9中的任意一項(xiàng)的光學(xué)裝置,其中多個(gè)光學(xué)單元包括多個(gè)光發(fā)射器,可操作每個(gè)光發(fā)射器發(fā)射一個(gè)光束。
16.一種依照權(quán)利要求15的光學(xué)裝置,其中多個(gè)光發(fā)射器中的至少一個(gè)包含一個(gè)垂直凹形表面發(fā)射激光器。
17.一種依照權(quán)利要求15或16的光學(xué)裝置,其中多個(gè)光束偏轉(zhuǎn)單元中的每一個(gè)都是與相關(guān)的光發(fā)射器相鄰的,以便基本上使所有由光發(fā)射器發(fā)出的光都能入射到相關(guān)聯(lián)的光學(xué)單元上。
18.一種依照上述的權(quán)利要求中的任意一項(xiàng)的光學(xué)裝置,其中至少一個(gè)光束偏轉(zhuǎn)單元包括一個(gè)折射單元。
19.一種依照權(quán)利要求18的光學(xué)裝置,其中該至少一個(gè)折射單元包括一個(gè)楔形棱鏡。
20.一種依照權(quán)利要求19的光學(xué)裝置,其中該楔形棱鏡的表面是彎曲的,以使該楔形棱鏡具有一個(gè)相關(guān)的光功率。
21.一種依照權(quán)利要求20的光學(xué)裝置,其中該相關(guān)的光功率是正的。
22.一種依照權(quán)利要求20或21的光學(xué)裝置,其中楔形棱鏡的彎曲表面被配置用來(lái)校正由透鏡或楔形棱鏡中的至少一個(gè)所引起的象差。
23.一種依照權(quán)利要求18的光學(xué)裝置,其中上述的至少一個(gè)折射單元是由一個(gè)具有可變折射率分布的平面層形成的。
24.一種依照權(quán)利要求23的光學(xué)裝置,其中上述的至少一個(gè)折射單元具有一個(gè)提供光功率的折射率分布。
25.一種依照權(quán)利要求24的光學(xué)裝置,其中該相關(guān)的光功率是正的。
26.一種依照權(quán)利要求24或25的光學(xué)裝置,其中上述折射率分布能夠校正由透鏡或楔形棱鏡陣列中的至少一個(gè)所引起的象差。
27.一種依照權(quán)利要求1-15中的任意一項(xiàng)的光學(xué)裝置,其中上述的至少一個(gè)光束偏轉(zhuǎn)單元包括一個(gè)衍射單元。
28.一種依照權(quán)利要求1-15中的任意一項(xiàng)的光學(xué)裝置,其中上述的至少一個(gè)光束偏轉(zhuǎn)單元包括一個(gè)反射單元。
29.一種光學(xué)裝置,包括一個(gè)透鏡;多個(gè)光學(xué)單元;和用于偏轉(zhuǎn)在透鏡和多個(gè)光學(xué)單元之間的一個(gè)光學(xué)路徑中提供的光束的裝置,其中上述的光束偏轉(zhuǎn)裝置包括多個(gè)光束偏轉(zhuǎn)單元,每個(gè)光束偏轉(zhuǎn)單元與一個(gè)相應(yīng)的光學(xué)單元相關(guān)聯(lián),能夠操作來(lái)偏轉(zhuǎn)一個(gè)與透鏡的光軸呈一個(gè)傾斜的角度穿過(guò)透鏡的主光線,以便使該主光線與透鏡的光軸平行。
30.一種光學(xué)裝置,包括一個(gè)透鏡;一個(gè)具有多個(gè)調(diào)制器單元的調(diào)制器陣列;和用于偏轉(zhuǎn)在透鏡和調(diào)制器陣列之間的一個(gè)光學(xué)路徑中提供的光束的裝置,其中上述的光束偏轉(zhuǎn)裝置包括多個(gè)光束偏轉(zhuǎn)單元,每個(gè)光束偏轉(zhuǎn)單元與一個(gè)相應(yīng)的調(diào)制器單元相關(guān)聯(lián),能夠被操作來(lái)偏轉(zhuǎn)一個(gè)穿過(guò)透鏡的主光線,使主光線與相關(guān)的調(diào)制器單元垂直。
31.一個(gè)信令系統(tǒng),包括第一個(gè)和第二信令裝置,第一信令裝置包括用于發(fā)射一個(gè)光束的裝置;用于將發(fā)射的光束傳送到第二信令裝置的裝置;用于從第二信令裝置接收一個(gè)調(diào)制的光束的裝置;和用于根據(jù)調(diào)制的光束來(lái)重現(xiàn)一個(gè)數(shù)據(jù)信號(hào)的裝置。第二信令裝置包括一個(gè)依照權(quán)利要求30的光學(xué)裝置,其中從第一信令裝置中發(fā)出的光束是垂直于調(diào)制器陣列的調(diào)制器單元入射的,調(diào)制器陣列調(diào)制根據(jù)數(shù)字信號(hào)發(fā)射的光束,以產(chǎn)生調(diào)制的光束并將其反射回第一信令裝置。
32.一種光學(xué)裝置,包括一個(gè)透鏡;一個(gè)具有多個(gè)光發(fā)射單元的發(fā)射器陣列;和用于偏轉(zhuǎn)在透鏡和調(diào)制器陣列之間的一個(gè)光學(xué)路徑中提供的光束的裝置,其中上述的光束偏轉(zhuǎn)裝置包括多個(gè)光束偏轉(zhuǎn)單元,每個(gè)光束偏轉(zhuǎn)單元與一個(gè)相應(yīng)的光發(fā)射單元相關(guān)聯(lián),能夠進(jìn)行操作利用光發(fā)射單元來(lái)垂直偏轉(zhuǎn)一個(gè)光線,使該垂直的光線沿著一個(gè)主光線的路徑穿過(guò)透鏡。
33.一個(gè)包括第一個(gè)和第二信令裝置的信令系統(tǒng),其中第一信令裝置包括一個(gè)依照權(quán)利要求32的光學(xué)裝置,其中第一信令裝置的多個(gè)發(fā)射器中的每一個(gè)都能夠發(fā)射一個(gè)載有信息的相應(yīng)光束;和第二信令裝置包括i)一個(gè)用于聚集從第一信令裝置的一個(gè)光發(fā)射器中發(fā)出的光的透鏡系統(tǒng);ii)一個(gè)用于從該透鏡系統(tǒng)接收聚集的光線并將接收到的光線轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的電信號(hào)的光檢測(cè)器;和iii)用于處理來(lái)自于光檢測(cè)器的電信號(hào)來(lái)重現(xiàn)所述信息的裝置。
34.一個(gè)包含第一和第二信令裝置的自由空間信令系統(tǒng)第一信令裝置包括用于發(fā)射一個(gè)光束的裝置;用于將發(fā)射的光束傳到第二信令裝置的裝置;用于從第二信令裝置接收一個(gè)調(diào)制的光束的裝置;一個(gè)用于將接收到的調(diào)制光束轉(zhuǎn)換為一個(gè)相應(yīng)的電信號(hào)的光電轉(zhuǎn)換器;和用于利用該相應(yīng)的電信號(hào)來(lái)重現(xiàn)一個(gè)數(shù)據(jù)信號(hào)的裝置。第二信令裝置包括用于從第一信令裝置中接收發(fā)出的光束的裝置;用于根據(jù)所述數(shù)據(jù)信號(hào)來(lái)調(diào)制接收到的光束的裝置;和用于將調(diào)制的光束回射回第一信令裝置。其中所述第一信令裝置的傳送裝置包括一個(gè)第一透鏡系統(tǒng),第一信令系統(tǒng)的接收裝置包括一個(gè)與第一透鏡系統(tǒng)相互分離的第二透鏡系統(tǒng)。
35.一種依照權(quán)利要求34的信令裝置,其中第一和第二透鏡系統(tǒng)分別具有第一和第二光軸,第一和第二透鏡是這樣定位的,使得第一個(gè)和第二光軸不相互對(duì)齊。
36.一個(gè)包含第一和第二信令裝置的自由空間光學(xué)信令系統(tǒng)第一信令裝置包括用于發(fā)射一個(gè)光束的裝置;用于將發(fā)射的光束傳到第二信令裝置的裝置;用于從第二信令裝置接收一個(gè)調(diào)制的光束的裝置;一個(gè)用于將接收到的調(diào)制光束轉(zhuǎn)換為一個(gè)相應(yīng)的電信號(hào)的光電轉(zhuǎn)換器;和用于利用該相應(yīng)的電信號(hào)來(lái)重現(xiàn)一個(gè)數(shù)據(jù)信號(hào)的裝置。第二信令裝置包括用于從第一信令裝置中接收發(fā)出的光束的裝置;用于根據(jù)所述數(shù)據(jù)信號(hào)來(lái)調(diào)制接收到的光束的裝置;和用于將調(diào)制的光束回射回第一信令裝置,和其中第一信令系統(tǒng)的傳送裝置包括一個(gè)第一透鏡系統(tǒng)和光束調(diào)整裝置,第一信令系統(tǒng)的接收裝置包括一個(gè)與第一透鏡系統(tǒng)相互分離的第二透鏡系統(tǒng)。其中第一透鏡系統(tǒng)是這樣配置的,使得由發(fā)射裝置發(fā)出的光線穿過(guò)第一透鏡系統(tǒng),到達(dá)光束調(diào)整裝置上,光束調(diào)整裝置被配置用來(lái)調(diào)整沿著第二透鏡系統(tǒng)的光軸直接發(fā)射到第二信令裝置,而不穿過(guò)第二透鏡系統(tǒng)的光束。
37.一個(gè)依照權(quán)利要求36的信令系統(tǒng),其中光束調(diào)整裝置包括一個(gè)光束分光器,第二透鏡系統(tǒng)在光學(xué)上定位于光束組合器和光電轉(zhuǎn)換器之間。
38.一個(gè)依照權(quán)利要求34-37中任意一項(xiàng)的信令系統(tǒng),其中第一信令系統(tǒng)進(jìn)一步包括根據(jù)要從第一信令裝置發(fā)送給第二信令裝置的信息來(lái)調(diào)制由光發(fā)射器發(fā)射的光束的裝置,和其中第二信令裝置進(jìn)一步包括一個(gè)光電轉(zhuǎn)換器,用于檢測(cè)發(fā)射的光束,并將發(fā)射的光束轉(zhuǎn)換為一個(gè)相應(yīng)的電信號(hào);用于至少將發(fā)射的光束的一部分傳送到光電轉(zhuǎn)換器上的裝置;和用于根據(jù)該相應(yīng)的電信號(hào)來(lái)恢復(fù)信息的裝置。
39.一個(gè)依照權(quán)利要求38的信令系統(tǒng),其中第一信令裝置的調(diào)制裝置被配置用來(lái)對(duì)發(fā)射的光束實(shí)施一個(gè)小信號(hào)調(diào)制。
40.一個(gè)依照權(quán)利要求38或39的信令系統(tǒng),其中第二信令裝置的傳送裝置包括一個(gè)第三透鏡系統(tǒng),第二信令系統(tǒng)裝置的接收裝置包括一個(gè)與第三透鏡系統(tǒng)相互獨(dú)立的第四透鏡系統(tǒng)。
41.一種依照權(quán)利要求40的信令裝置,其中第三和第四透鏡系統(tǒng)分別具有第三和第四光軸,第三和第四透鏡系統(tǒng)是這樣定位的,使得第三和第四光軸不相互對(duì)齊。
全文摘要
描述了一種具有一個(gè)光學(xué)裝置的光學(xué)自由空間信令系統(tǒng),該光學(xué)裝置包括一個(gè)透鏡和多個(gè)光學(xué)單元。在透鏡和多個(gè)光學(xué)單元之間的路徑上提供一個(gè)用來(lái)偏轉(zhuǎn)光束的光束偏轉(zhuǎn)器。該光束偏轉(zhuǎn)器具有多個(gè)光束偏轉(zhuǎn)單元,每個(gè)光束偏轉(zhuǎn)單元與一個(gè)相應(yīng)的光學(xué)單元相關(guān)聯(lián),能夠偏轉(zhuǎn)穿過(guò)透鏡的主光線,使得該主光線垂直于相關(guān)的光學(xué)單元。該光學(xué)裝置與向后發(fā)射系統(tǒng)具有特定的但不是唯一的關(guān)聯(lián)性。
文檔編號(hào)H04B10/112GK1442002SQ0181268
公開日2003年9月10日 申請(qǐng)日期2001年7月11日 優(yōu)先權(quán)日2000年7月11日
發(fā)明者A·E·格林, E·莫里森 申請(qǐng)人:量子束有限公司