專利名稱：信號光發(fā)射裝置和光通信系統(tǒng)的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及光通信領域，特別是涉及信號光發(fā)射裝置及利用該信號光發(fā)射裝置發(fā)射信號光的光通信系統(tǒng)。
背景技術：
近距離自由空間的光通信由于其設施簡單、成本低廉而越來越被人們所重視。美國專利US20110164884和中國專利CN102090148分別公開了一種可見光通信的裝置和系統(tǒng)。目前這種光通信系統(tǒng)的信號光發(fā)射裝置有兩種選擇，分別是激 光二極管(LD，laser diode)和發(fā)光二極管(LED, light emitting diode)。然而這兩種光源分別有自己的缺點激光二極管的優(yōu)點在于光強較大，這有利于長距離信號傳輸，而缺點在于方向性過強，輻照范圍小，因此要求接收裝置的放置位置很精確；同時激光對人眼有傷害，危險性較高。發(fā)光二極管的優(yōu)點在于對人眼沒有傷害，而缺點在于其亮度較低，發(fā)光較分散，不利于長距離傳輸。因此，需要一種對人眼無傷害的適用于長距離傳輸的信號光發(fā)射裝置。

發(fā)明內容
本發(fā)明解決的主要技術問題是提出一種對人眼無傷害的適用于長距離傳輸的信號光發(fā)射裝置，以及應用該信號光發(fā)射裝置的光通信系統(tǒng)。本發(fā)明提出一種信號光發(fā)射裝置，應用于光通信系統(tǒng)，包括用于發(fā)射激發(fā)光的激發(fā)源和波長轉換裝置，該波長轉換裝置包括用于接收激發(fā)光并發(fā)射受激光的波長轉換片和用于驅動該波長轉換片相對于激發(fā)光沿預定運動軌跡周期性相對運動的驅動裝置。該信號光發(fā)射裝置還包括控制裝置，用于控制激發(fā)光的強弱或開關，和/或控制激發(fā)光照射到波長轉換片上形成的光斑在該光斑相對于該波長轉換片的不同預定運動軌跡之間的切換，該不同預定運動軌跡具有不同的波長轉換屬性，使信號光發(fā)射裝置發(fā)出的受激光或受激光與激發(fā)光的混合光的屬性發(fā)生改變以形成信號光；還包括光投射裝置，用于收集并投射信號光。本發(fā)明還提出一種光通信系統(tǒng)，包括上述的用于發(fā)射信號光的信號光發(fā)射裝置，和用于接收該信號光的信號光接收裝置，該信號光接收裝置可以將不同屬性的信號光轉換為不同的電信號。在本發(fā)明的信號光發(fā)射裝置和光通信系統(tǒng)，利用激發(fā)光激發(fā)波長轉換裝置，以及激發(fā)狀態(tài)的改變以形成對人眼無傷害的適用于長距離傳輸的信號光。


圖I是本發(fā)明的第一實施例的示意圖；圖Ia是本發(fā)明第一實施例的波長轉換片的正視圖Ib和圖Ic是第一實施例中激發(fā)源的狀態(tài)隨時間變化的兩個舉例；圖Id是信號光強度與激發(fā)源驅動電流之間的關系示意圖；圖2是本發(fā)明的第二實施例的示意圖；圖3是本發(fā)明的第三實施例的波長轉換片的正視圖；圖4a和4b是本發(fā)明的第三實施例的兩種可能的結構的示意圖；圖5是本發(fā)明的第四實施例的結構示意圖；圖5a是本發(fā)明的第四實施例的波長轉換片的正視圖；
圖6是本發(fā)明的第五實施例的結構示意圖。圖7是本發(fā)明的另一種波長轉換片的舉例的正視圖。
具體實施例方式本發(fā)明的第一實施例的信號光發(fā)射裝置的結構如圖I所示。信號光發(fā)射裝置100中，包括用于發(fā)射激發(fā)光111的激發(fā)源101，和波長轉換裝置，該波長轉換裝置由相互固定連接的波長轉換片103和驅動裝置105組成。其中波長轉換片103用于接收激發(fā)光111并發(fā)射受激光，其正視圖如圖Ia所示。波長轉換片103的外形被加工成圓形，上面包括沿圓周方向均勻分布的區(qū)域141，在該區(qū)域141上包括波長轉換材料。有多種波長轉換材料可以選擇，例如熒光粉、熒光染料或量子點等，熒光粉由于發(fā)展得最為成熟而成為其中的優(yōu)選材料，例如YAG:Ce熒光粉。在一些特殊的應用場合，希望信號光發(fā)射裝置100發(fā)射的信號光是不可見光，這樣可以避免對人視覺上的干擾，此時可以選擇紅外波長轉換材料，使波長轉換片103受激發(fā)射的光是紅外光。激發(fā)光111照射在該區(qū)域141上形成光斑111a。在本實施例中，驅動裝置105是馬達。波長轉換片103被馬達105驅動，相對于激發(fā)光111沿預定運動軌跡Illb周期性相對運動。波長轉換材料的發(fā)光不具有方向性和相干性，因此與激光二極管相比具有安全的優(yōu)點。同時該信號光發(fā)射裝置100的發(fā)光能量密度取決于激發(fā)光光斑Illa的大??；只要光斑Illa的尺寸足夠小，則信號光發(fā)射裝置100的發(fā)光亮度與發(fā)光二極管相比會具有明顯的優(yōu)勢。因此，信號光發(fā)射裝置100可以發(fā)射對人眼無傷害的適用于長距離傳輸的信號光。為了實現激發(fā)光光斑Illa的尺寸足夠小，優(yōu)選的，激發(fā)源101采用激光二極管作為光源，例如藍光激光二極管或紫外激光二極管。在本發(fā)明中，若波長轉換片103靜止不動，則激發(fā)光光斑Illa所在的位置會由于波長轉換材料的熱量的不斷累積而溫度不斷上升，最終使波長轉換材料發(fā)生熱猝滅而不能發(fā)光。驅動裝置105的作用在于使熱量不能在局部的波長轉換材料上累積而是分散于一個較大的區(qū)域，以保持任何一個局部的波長轉換材料的溫度不會很高，進而保證了波長轉換片103的正常工作。由于波長轉換片103發(fā)出的光不具有方向性,信號光發(fā)射裝置100還包括光投射裝置107，用于收集并投射信號光113使該信號光能夠被接收裝置接收。在本實施例中，光投射裝置107包括兩片透鏡組成的透鏡組，它可以把信號光收集后轉化為準直光。實際上，該光投射裝置107并不限于使用透鏡，還可以使用出光口面積大于入光口面積的錐形方棒或出光口面積大于入光口面積的復合拋物面集光器(CPC, compound parabolicconcentrator),只要能夠實現信號光發(fā)射角度的收小和定向投射就可以。信號光發(fā)射裝置100還包括控制裝置109。在本實施例中，該控制裝置109與激發(fā)源101相連，并控制該激發(fā)源101發(fā)射的激發(fā)光111的強弱或開關，使信號光發(fā)射裝置100發(fā)出的出射光113的光強度發(fā)生改變以形成信號光。該出射光113可能是受激光本身，或是受激光與沒有被吸收的激發(fā)光的混合光。下面舉例說明該控制裝置109的工作方法。圖Ib表示了信號光發(fā)射裝置100在發(fā)射數字模式的信號串時，激發(fā)源101的工作狀態(tài)的一個舉例。容易理解，當控制裝置109控制激發(fā)源101關閉時，信號光發(fā)射裝置100不發(fā)光，這代表字符“0”;而當控制裝置109控制激發(fā)源101打開時，信號光發(fā)射裝置100發(fā)光，這代表字符“I”。因此，只要通過控制裝置 109控制激發(fā)源隨著時間的開關狀態(tài)，就可以實現該信號光發(fā)射裝置100發(fā)射數字信號串。容易理解，為了實現高速的通信，激發(fā)源101必須使用能夠快速調制的光源，例如發(fā)光二極管或激光二極管光源。而激發(fā)源101打開時的驅動功率是預先設定的，例如使用發(fā)光二極管或激光二極管的額定驅動電流。當然也可以使用比額定驅動電流低的驅動電流，這有利于激發(fā)源101使用壽命的延長，只要信號光強度足以滿足傳輸的要求即可。激發(fā)源101關閉時，控制裝置109仍然可能在該激發(fā)源101的線路兩端保持一定的偏置電壓，此時由于該偏置電壓低于激發(fā)源101的閾值電壓因此該激發(fā)源仍保持關閉狀態(tài)。偏置電壓的使用有助于該激發(fā)源的調制速率的提升。甚至當需要信號光發(fā)送字符“0”時，激發(fā)源101可以不關閉而是降低驅動電流使其工作在低功率狀態(tài)，只要此時信號光的強度低于接收裝置的信號閾值就會被判斷為“O”。這樣激發(fā)源的驅動電流或電壓的調制幅度可以進一步縮小，調試速率可以進一步加快。在本實施例中，區(qū)域141上的波長轉換材料的分布是均勻的，實際上這種均勻性是允許存在一定的誤差的，因為雖然波長轉換材料不均勻會導致信號光強度的變化，但是只要該強度高于接收裝置的接收閾值，就會被判斷為字符“I”而不影響通信的質量。除了可以發(fā)送數字模式的信號光，信號光發(fā)射裝置100還可以發(fā)射模擬模式的信號光，圖Ic表示了此時激發(fā)源的工作狀態(tài)的一個舉例。此時控制裝置會根據需要發(fā)送的信號強度調節(jié)激發(fā)源的驅動功率以調節(jié)激發(fā)光的強弱，進而使信號光的強度隨之改變。值得注意的是，由于信號光的強度同時取決于激發(fā)光的強度和波長轉換片的效率，因此信號光的強度與激發(fā)源的驅動功率成非線性關系；圖Id表示了信號光強度與激發(fā)源的驅動電流之間的關系的一個舉例?？梢姡S著驅動電流的增加，信號光強度會趨于飽和狀態(tài)而增加幅度減小。因此當信號光發(fā)射裝置需要發(fā)送模擬信號光時，需要先建立信號光強度與驅動電流的對應關系表并將其存儲在控制裝置內部存儲器中；當需要發(fā)送一個特定強度的信號光時，可以先根據該特定強度的數值在該關系表中查詢相對應的驅動電流值，再根據該驅動電流值來驅動激發(fā)源。當然，也可以建立信號光強度與驅動功率的對應關系表，類似相近的技術都屬于本發(fā)明的保護范圍。在本實施例中，利用控制裝置控制激發(fā)光的開關或強弱，可以控制該信號光發(fā)射裝置發(fā)射的信號光的開關或強弱以使其攜帶信息，因此在本實施例中信號信息的載體是信號光的強度的改變。實際上，信號信息的載體還可以是信號光的其它屬性的改變，例如信號光的波長或偏振態(tài)等，這在后面的實施例中會有所介紹。
作為本發(fā)明的第二實施例，在上述第一實施例的信號光發(fā)射裝置的基礎上，本發(fā)明還提出了一種光通信系統(tǒng)，如圖2所示。在該光通信系統(tǒng)中，包括如圖I所示的信號光發(fā)射裝置，還包括放置于信號光發(fā)射裝置的照射范圍內的信號光接收裝置231，該信號光接收裝置231可以將不同屬性的信號光轉換為不同的電信號，進而得到信號光中攜帶的信息。最常用的信號光接收裝置是光電二極管。信號光照射到光電二極管表面會使該光電二極管的正負極兩端產生電勢差，若將該正負極相導通則會產生電流，因此可以通過測量該電勢差或電流來確定信號光光強的變化。這可以直接應用于當信號光強度作為信息載體的情況。 而當信號光的其它屬性作為信息載體時，仍然可以使用光電二極管來得到信號光中的信息。例如，當信號光中的波長作為信息載體時，可以在光電二極管的表面使用一個濾光片，該濾光片只透射信號光中一個特定波長的光，這個波長的光作為字符“1”，而其它波長作為字符“O”。又例如，當信號光中的偏振狀態(tài)作為信息載體時，可以在發(fā)光二極管表面使用一個偏振片，該偏振片只能允許某一個偏振態(tài)的光通過，其余偏振態(tài)的光則被吸收或反射，因此該被允許透過的偏振態(tài)的光代表字符“ 1”，而其它偏振態(tài)的光為字符“O”。值得說明的是，該光通信系統(tǒng)也可以使用下述的實施例中的信號光發(fā)射裝置來發(fā)射信號光。本發(fā)明的第三實施例的信號光發(fā)射裝置中的波長轉換片的正視圖如圖3所示。其中包括兩個區(qū)域341和342，控制裝置可以控制激發(fā)光斑在這兩個區(qū)域所對應的運動軌跡341b和342b之間的切換。區(qū)域341和342具有不同的波長轉換屬性，因此運動軌跡341b和342b上也具有不同波長轉換屬性，進而分別產生的發(fā)射光具有不同的屬性。下面舉例予以具體說明。舉例I :區(qū)域341包括黃色熒光粉，可以受激發(fā)射黃光；區(qū)域342包括紅色熒光粉，可以受激發(fā)射紅光。此時運動軌跡341b和342b分別產生的發(fā)射光的峰值波長不同。舉例2 :激發(fā)源采用藍色激光二極管作為光源；區(qū)域341包括黃色熒光粉，可以受激發(fā)射黃光；區(qū)域342包括散光材料，藍色激光入射到該散光材料后被散射以消除其相干性和方向性。此時運動軌跡341b和342b分別產生的發(fā)射光的峰值波長不同。舉例3 :區(qū)域341和區(qū)域342都包括黃色熒光粉，可以受激發(fā)射黃光；區(qū)域341上覆蓋偏振方向是水平方向的線偏振片，區(qū)域342上覆蓋偏振方向是數值方向的線偏振片。此時運動軌跡341b和342b分別產生的發(fā)射光的偏振方向相互垂直。舉例4 :區(qū)域341和區(qū)域342分別包括兩種不同的黃色熒光粉，均可以受激發(fā)射黃光。這兩種黃色熒光粉的波長轉換效率不同，因此此時運動軌跡341b和342b分別產生的發(fā)射光的光強度不同。圖4a和4b分別表示了兩種信號光發(fā)射裝置的結構的舉例，其中控制裝置可以控制激發(fā)光斑在不同運動軌跡341b和342b之間的切換。在圖4a中，還包括方向偏轉裝置402，該光線偏轉裝置402可以控制激發(fā)光的方向發(fā)生偏轉，使其照射到波長轉換片上形成的光斑在該波長轉換片上的位置發(fā)生變化。具體來說，在本實施例中，光線偏轉裝置是反射鏡402，激發(fā)源401發(fā)出的激發(fā)光經過反射鏡402的反射后入射于波長轉換片403上，可以理解，控制裝置(圖中未畫出)可以通過調整反射鏡402的放置角度來調整激發(fā)光的光斑在波長轉換片上的位置，進而實現其在不同運動軌跡之間的切換。
實際上還有其它的光線偏轉裝置的實現方式，例如使用一個轉動的棱鏡，或是直接偏轉激發(fā)源；這是現有技術，此處不贅述。在圖4b中，與波長轉換片固定連接的驅動裝置405與一個偏移裝置裝置406固定連接，該偏移裝置用于使驅動裝置的位置發(fā)生偏移，可以理解，控制裝置(圖中未畫出可以通過控制偏移裝置來調整激發(fā)光的光斑在波長轉換片上的位置，進而實現其在不同運動軌跡之間的切換。當然，偏移裝置也可以與激發(fā)源固定連接并使其位置發(fā)生偏移，這可以達到相同的效果。在本實施例中，與第一實施例不同的是，通過控制裝置控制激發(fā)光光斑在波長轉換片上不同軌跡上的切換，來改變信號光的某種屬性以使其攜帶信息。根據上面的描述可以理解，這只適用于傳輸數字信號的情況。當然，也可以結合第一實施例和第三實施例，即 控制裝置控制激發(fā)光的開光或強弱，同時控制裝置還控制激發(fā)光光斑在波長轉換片上不同軌跡上的切換，來使信號光攜帶信息。在第一和第三實施例中，驅動裝置都是馬達，它驅動波長轉換片進行圓周運動；實際上，驅動裝置還可以是其它驅動裝置。在本發(fā)明的第四實施例的信號光發(fā)射裝置500中，如圖5所示，波長轉換片503與一個直線往復運動的馬達(圖中未畫出)固定連接在一起，使其與激發(fā)源501發(fā)射的激發(fā)光發(fā)生直線的相對運動。在本實施例中，波長轉換片503也可以如第三實施例那樣具有兩個或以上區(qū)域，每如圖5a所示。其中區(qū)域503a和503b具有不同的波長轉換屬性。在上述實施例中的信號光發(fā)射裝置中，激發(fā)光從波長轉換片的一個面入射，光投射裝置從波長轉換片的另一個面收集信號光。實際上，激發(fā)光與信號光可以在波長轉換片的同側。本發(fā)明的第五實施例的結構示意圖如圖6所示。在該信號光發(fā)射裝置600中，激發(fā)源601發(fā)射的激發(fā)光611入射于一個分光濾光片602上,該分光濾光片透射激發(fā)光611,同時反射波長轉換片603受激發(fā)出的受激光613。激發(fā)光611透射分光濾光片602后入射于波長轉換片603上，并激發(fā)波長轉換片603發(fā)射受激光613，該受激光613經過透鏡607的收集并準直后入射于分光濾光片602并被其反射形成信號光出射。在本實施例中，透鏡607起到了光投射裝置的作用，同時也起到了會聚激發(fā)光到波長轉換片的作用?？梢岳斫獾氖牵景l(fā)明并不限制信號光發(fā)射裝置的激發(fā)光及信號光的光路的結構，以上只是舉例。圖7顯示了本發(fā)明中的另外一種波長轉換片，其中711a表示激發(fā)光入射到該波長轉換片上的光斑，711b表示該光斑的運動軌跡，751、752、753和754分別表示該運動軌 跡711b上的不同的區(qū)域，每一個區(qū)域具有不同的波長轉換屬性，因此每一個區(qū)域對應的信號光的屬性也不同。這可以應用于多信道的時分復用通信。例如在本實施例中，區(qū)域751、752,753和754分別對應于信道I至4，當區(qū)域751轉動到激發(fā)光光斑711a的位置時，參考第一實施例的描述，該信號光發(fā)射裝置可以發(fā)射信道I的信號；當區(qū)域751轉動出激發(fā)光光斑711a的位置而區(qū)域752轉動到光斑711a的位置時，該信號光發(fā)射裝置停止反射信道I的信號而發(fā)射信道2的信號，依此類推，這樣該信號光發(fā)射裝置就可以依次循環(huán)的發(fā)射信道I至4的信號，實現這四個信道的時分復用。與之相對應的，該四個信道對應于四個信號光接收裝置，它們分別按照各自接受的信號光的屬性不同而區(qū)分自己所對應的信號光。例如在本實施例中，四個區(qū)域751、752、753和754分別包括四種不同顏色的熒光粉，因此其各自發(fā)射的信號光的峰值波長不同，這樣在與其對應的四個信號光接收裝置就可以利用濾光片來分別過濾掉其余光而只接收自己所對應的信號光?？梢岳斫猓\動軌跡711b上的至少包括兩個區(qū)，就可以這兩個區(qū)對應的兩個信道的時分復用。值得一提的是，利用如圖3或圖5a所示的波長轉換片也可以實現多信道的時分復用，只要利用控制裝置控制激發(fā)光光斑在區(qū)域341和342之間切換就可以實現這兩區(qū)域所對應的不同的信道之間的時分復用。因此，圖3和圖5a所示的波長轉換片的結構，既可以用來實現信號光屬性的變化以使其攜帶信號，也可以實現信道的切換。

以上所述僅為本發(fā)明的實施例，并非因此限制本發(fā)明的專利范圍，凡是利用本發(fā)明說明書及附圖內容所作的等效結構或等效流程變換，或直接或間接運用在其他相關的技術領域，均同理包括在本發(fā)明的專利保護范圍內。
權利要求
1.一種信號光發(fā)射裝置，應用于光通信系統(tǒng)，其特征在于，包括 用于發(fā)射激發(fā)光的激發(fā)源； 波長轉換裝置，該波長轉換裝置包括用于接收激發(fā)光并發(fā)射受激光的波長轉換片和用于驅動該波長轉換片相對于所述激發(fā)光沿預定運動軌跡周期性相對運動的驅動裝置； 控制裝置，用于控制所述激發(fā)光的強弱或開關，和/或控制激發(fā)光照射到所述波長轉換片上形成的光斑在該光斑相對于該波長轉換片的不同預定運動軌跡之間的切換，使信號光發(fā)射裝置發(fā)出的受激光或受激光與激發(fā)光的混合光的屬性發(fā)生改變以形成信號光；所述不同預定運動軌跡具有不同的波長轉換屬性； 光投射裝置，用于收集并投射所述信號光。
2.根據權利要求I所述的信號光發(fā)射裝置，其特征在于，所述激發(fā)源為激光二極管光源。
3.根據權利要求I所述的信號光發(fā)射裝置，其特征在于，所述激發(fā)光照射到所述波長轉換片上形成的光斑在該光斑相對于該波長轉換片的預定運動軌跡上包括第一區(qū)，該第一區(qū)包括第一波長轉換材料。
4.根據權利要求3所述的信號光發(fā)射裝置，其特征在于，所述預定運動軌跡上，還包括第二區(qū)，該第二區(qū)包括第二波長轉換材料或散光材料。
5.根據權利要求I所述的信號光發(fā)射裝置，其特征在于，所述波長轉換片包括紅外波長轉換材料，用于吸收所述激發(fā)光并放射紅外光。
6.根據權利要求I所述的信號光發(fā)射裝置，其特征在于，波長轉換片上的不同預定運動軌跡具有不同的波長轉換效率，或不同的受激光波長，或不同的偏振態(tài)。
7.根據權利要求I所述的信號光發(fā)射裝置，其特征在于，波長轉換片上存在特定預定運動軌跡，在該特定預定運動軌跡上包括散光材料而不包括波長轉換材料。
8.根據權利要求I所述的信號光發(fā)射裝置，其特征在于，控制裝置包括光線偏轉裝置，該光線偏轉裝置可以控制激發(fā)光的方向發(fā)生偏轉，使其照射到所述波長轉換片上形成的光斑在該波長轉換片上的位置發(fā)生變化。
9.根據權利要求I所述的信號光發(fā)射裝置，其特征在于，控制裝置包括偏移裝置，該偏移裝置用于使所述驅動裝置或激發(fā)源的位置發(fā)生偏移，使激發(fā)光照射到所述波長轉換片上形成的光斑在該波長轉換片上的位置發(fā)生變化。
10.一種光通信系統(tǒng)，其特征在于，包括 根據權利要求I至9中任意一項所述的用于發(fā)射信號光的信號光發(fā)射裝置； 至少一個用于接收所述信號光的信號光接收裝置，該信號光接收裝置可以將所述不同屬性的信號光轉換為不同的電信號。
全文摘要
本發(fā)明提出一種信號光發(fā)射裝置和光通信系統(tǒng)。該信號光發(fā)射裝置包括用于發(fā)射激發(fā)光的激發(fā)源和波長轉換裝置，該波長轉換裝置包括用于接收激發(fā)光并發(fā)射受激光的波長轉換片和用于驅動該波長轉換片相對于激發(fā)光沿預定運動軌跡運動的驅動裝置。該信號光發(fā)射裝置還包括控制裝置，用于控制激發(fā)光的強弱或開關，和/或控制激發(fā)光照射到波長轉換片上形成的光斑在波長轉換片的不同預定運動軌跡之間的切換，使信號光發(fā)射裝置發(fā)出的受激光或受激光與激發(fā)光的混合光的屬性發(fā)生改變以形成信號光。本發(fā)明的信號光發(fā)射裝置和光通信系統(tǒng)，利用激發(fā)光激發(fā)波長轉換裝置，及其激發(fā)狀態(tài)的改變形成對人眼無傷害的適用于長距離傳輸的信號光。
文檔編號H04B10/10GK102801470SQ20121001128
公開日2012年11月28日 申請日期2012年1月14日 優(yōu)先權日2012年1月14日
發(fā)明者李屹, 胡飛 申請人:深圳市光峰光電技術有限公司