CN101292188A - 光学调制 - Google Patents

Abstract

一种光学调制器，包括间距可控标准具，该间距可控标准具具有悬挂在基板上方的至少一个弹簧支撑的微反射镜。至少一个电绝缘挡板被设置于微反射镜和基板之间，以避免当微反射镜由于施加的电压被拉向基板时的短路。光学检测器检测第一激光脉冲的到达时间。控制电路由此预测下一入射激光脉冲的到达时间，并且，响应于控制信号，在预测的时间将微反射镜保持在抵靠在绝缘挡板上的下拉状态或者释放微反射镜，从而最大化或最小化穿过调制器透射的光。在经过计算以允许预定数目的机械振荡的时间间隔之后，该微反射镜被往回下拉到该挡板上。

Description

光学调制

技术领域

本发明涉及用于光信号调制的设备、方法、信号和计算机程序及其系统。

背景技术

自由空间光学通信系统的潜能公知为用作在可视两点之间提供高带宽数据链接的装置。正考虑将这种系统用于诸多应用，包括用作都市区域的通信链接以及用于开放式办公室中局域网的元件。

共同未决的专利申请US 10/483,738(A.M Scott等人)披露了一种动态光学反射器和询问系统，其采用间距可控标准具和逆向反射器的组合，将经由标准具接收的光通过该标准具反射回光源。

专利申请US 2002/0101644A1涉及一种用于入射光的相位调制的光调制装置和系统。专利申请US 2004/0008396A1涉及一种同样实现了入射光的相位调制的差分驱动的MEMS空间光调制。这些专利申请均未披露标准具结构的使用。

发明内容

本发明涉及一种调制光学束的装置，使得信息随该束被发送。该调制光学束的装置可以与逆向反射器组合以形成通信装置，该通信装置无需产生光学束，可以通过反射和调制入射在其上的束而无源地工作。

本发明提供了一种可用于控制(多个)光束的强度或相位的调制器。该调制器基于微光机电系统(MOEMS)反射镜结构的阵列或单个元件，其中微反射镜悬挂在基板上方。这可以用于其中基板(例如硅)是透明的波长的透射，且可用于明显更大波长范围的反射，其中基板和反射镜材料对该范围的波长吸收弱。

根据本发明的第一方面，提供了一种用于调制光信号的调制器，该调制器包括间距可控标准具，所述间距可控标准具包括悬挂在基板上方的至少一个弹簧支撑的微反射镜，且该调制器还包括控制电路，所述控制电路被布置成在操作中通过微反射镜和基板之间的电压而施加静电力，由此使所述微反射镜从其平衡位置向所述基板移动，并且将所述微反射镜保持在其平衡位置和所述基板之间的位置。

在一个实施例中，该微反射镜保持在其平衡位置和该基板之间的位置，在该微反射镜到达该位置之后不维持该电压。

在一个实施例中，该调制器还包括位于所述微反射镜和所述基板之间的至少一个绝缘挡板(insulating stop)，由此防止在施加电压时所述微反射镜和基板接触。通过施加“保持”电压，该微反射镜可以向下保持在该绝缘挡板上。

在另一实施例中，在阈值电压之上，该反射镜移动而物理接触一个或多个端部挡板。当静电力超过由装置移位引起的机械恢复力时，该阈值电压被公知为“闭锁”、“吸入(pull-in)”或“下拉(pull-down)”的状态。此外，包含一个或多个端部挡板，使得在位于下拉位置时能够在反射镜和基板之间定义预定偏移。优选地，该偏移可以设计为对应于宽的角度范围上的低光学透射状态。

该电学控制电路可以被布置为减小施加于微反射镜和基板之间的电压，由此从该下拉位置释放所述微反射镜，或者当不位于下拉位置时调整反射镜高度。如果微反射镜处于真空中，则该反射镜可以机械振荡，使得在保持电压减小到预定阈值之下之后，微反射镜和基板之间的间距随时间变化。

该控制电路可被布置成响应于激光脉冲到达所述调制器的时间而释放所述微反射镜。

该调制器设置为，响应于控制信号，该控制电路被布置成在连续的时间释放或不释放所述微反射镜，所述连续时间被计算以最大化或最小化从远程激光源接收的连续脉冲的入射光透射，由此调制所透射的脉冲。

该控制电路还可以被布置成在响应于所述微反射镜的释放时间的预定时间之后重新施加所述电压。

如果重新施加电压的时间对应于反射镜的单个机械振荡或者多个机械振荡，则该反射镜在被施加电压时靠近基板且该反射镜将快速返回到下拉位置。

该微反射镜可位于低大气压，优选地基本上真空的体积内。

如果该微反射镜处于真空中，则机械运动不会由于空气的粘滞曳力而受到阻尼，且按照反射镜的机械振荡决定的速度响应。在大气压下，空气的粘滞曳力导致所有运动显著降低。

该调制器还可包括密堆积图案形式的微反射镜阵列，所有受控的微反射镜在相同时间按相同动作来运动。在这种情况下，从调制器出射的束的散度可由整体阵列的尺寸决定，而不是由单个微反射镜的尺寸决定。

该调制器还可包括逆向反射器，所述逆向反射器被布置成将穿过所述标准具透射的光逆向反射回所述标准具。如果调制器包括受控按相干方式运动的微反射镜阵列，则逆向反射器逆向反射的束的散度可由该逆向反射器的尺寸决定，而不是由该微反射镜本身的尺寸决定。

本发明还提供一种用于通信目的的系统，该系统包括一个或多个实施本发明的设备以及其它附加设备的示例。

具体而言，根据本发明的再一方面，提供了一种用于光学通信的系统，该系统包括根据第一方面的调制器。

本发明还涉及上述设备操作的方法，且所述方法包括用于执行设备的每个功能的方法步骤。

本发明还提供计算机软件，该计算机软件是机器可读取形式的且被布置成在操作中执行所述设备和/或方法的每个功能。在此上下文中，该计算机程序也旨在包含用于描述、模拟或实施用于实施本发明的芯片和/或电路布局的硬件描述代码。

本发明还涉及在本发明的操作中采用的新颖信号。

对于本领域技术人员而言，很明显，优选特征可以恰当地组合，且可以与本发明的任意方面组合。

附图说明

为了示出本发明如何付之实施，在下文通过示例并参考附图来描述本发明的实施例，附图中：

图1(a)示出了依据本发明的典型微反射镜元件和典型弹簧结构的透视图(基板未示出)；

图1(b)示出了依据本发明的微反射镜元件和典型弹簧结构的侧视图；

图1(c)示出了依据本发明的微反射镜元件阵列的俯视图；

图2示出了依据本发明的微反射镜和基板之间的间距与时间的关系的示意性曲线图；

图3(a)示出了依据本发明的光学调制器对于垂直入射角的透射特性的示意性曲线图；

图3(b)示出了依据本发明的光学调制器对于60度入射角的透射特性的示意性曲线图；

图4示出了依据本发明的调制器在时间上的动态响应的示意性曲线图；

图5示出了依据本发明将施加电压与透射信号进行比较的示意性曲线图；

图6示出了依据本发明的第一调制器装置的示意性图示；

图7示出了依据本发明的第二调制器装置的示意性图示；

图8示出了依据本发明的包含逆向反射器(retro-reflector)的第三调制器装置的示意性图示；

图9(a)示出了依据本发明的包含逆向反射器的第四调制器装置的示意性图示；

图9(b)示出了依据本发明的包含逆向反射器的第五调制器装置的示意性图示；

图9(c)示出了依据本发明的系统的示意性图示；

图10示出了依据本发明的调制方法的流程图。

具体实施方式

参考图1(a)至1(c)，可用于控制一个(或多个)光束的强度的调制器基于MOEMS反射镜结构的单个元件10或阵列11，其中一个或多个微反射镜10悬挂12在基板13上方。这种布置可用于其中基板(例如硅)是光学透明的波长的透射，且可用于明显更大范围的波长的反射。

个体元件包括微反射镜10，该微反射镜10悬挂在基板13上方相隔零点几微米到几微米的距离。微反射镜由弹簧14支撑，使得当在基板和微反射镜之间施加电压时，静电力将该微反射镜从平衡位置(不施加电压)拉向基板。

在电压致动静电装置中，在给定阈值之下，该静电力平衡了由于装置位移引起的机械恢复力，且装置处于稳定平衡状态。在该阈值之上，由于静电力超过恢复力且微反射镜不受控制地朝基板移动，该装置变得不稳定——公知为“闭锁”、“吸入”或“下拉”的状态。对于给定驱动电压，施加高于阈值的电压能够实现更大的反射镜运动范围——通常比亚阈值状态高约3倍。

该微反射镜可以是平面形式的任意形状，但是应基本上平坦且平行于基板。该微反射镜可方便地为方形，但是也可以是其它形状。可以密堆积成阵列的形状尤为优选：例如三角形、矩形和六角形。

当光15a被引导到该装置上时，某些光被反射15b，且某些光被透射15c到基板并从另一侧出射(对于基板而言波长透明的情况)。悬挂反射镜所反射和透射的光将与基板所反射和透射的光干涉，且该装置的实际透射和反射将在依赖于下述因素的高值和低值之间变化：光在该装置上的入射角；悬挂反射镜和基板之间的间距；以及该系统的其它预定特性，例如悬挂微反射镜的厚度、制作该微反射镜的材料的折射率以及入射光的波长。

在操作中，当微反射镜和基板之间的间距变化时，透射在高值和低值之间变化，提供了入射光的调制装置。该调制可以工作于透射或反射模式。注意，该微反射镜通常厚零点几微米且即使在硅是高度吸收光的可见光区域也是半透明的，使得由硅制成的调制器可以用于可见波段的反射。也可以使用硅以外的材料，例如二氧化硅或氮化硅，这对于本领域技术人员而言是显而易见的。这种情况下，基板需要是透明的(且例如可以是二氧化硅或氮化硅)，且微反射镜和底层将是二氧化硅或氮化硅或者硅的薄层或材料组合。

调制器的透射和反射性能可以使用用于Fabry-Perot标准具透射和反射的已知公式来描述，如本申请文件的方程2所给出。注意，反射和透射光经历相位偏移以及幅值变化。这也可以用于需要调制光束相位的装置。

当微反射镜制作成由密堆积反射镜铺设(tiling)所覆盖的延伸面积的阵列时，该微反射镜变成空间光调制器(SLM)。在SLM中，微反射镜可以被分别控制，分组控制，或者一起控制。优选地，微反射镜阵列的元件被布置或者操作成相干地移动：亦即，布置成以相同的时序和幅值同步地移动，使得跨越阵列的光的最终相位是一致的；对于多个微反射镜的组以及可能全部的微反射镜，元件一起移动，从而对入射在装置上的波前部分产生基本一致的效果。这具有如下优点，调制光的衍射性能由延伸波前决定，而不是由单个微反射镜元件的衍射决定。与较大装置相比，小反射镜的阵列可达成高的速度同时维持良好的反射镜平整度。

每一个微反射镜分别在两个稳定位置之间致动，其中当使用两种电压状态控制时可以确保反射镜位于这两个稳定位置。第一个稳定位置为“平衡位置”，其中当没有电压(或者低于给定阈值的电压)施加到反射镜和基板之间时，微反射镜10静止地悬挂在基板上方。在不施加电压的实施例中，支撑弹簧14不伸展。在备选实施例中，施加亚阈值电压，在调制器的状态改变时通过对电池再充电来减小总的调制器功耗。当静电力和机械力在原始平衡位置(不施加电压)和基板之间平衡时，反射镜将停留在较低的平衡位置。

第二个稳定位置为“下拉”位置，其中所施加的电压超过阈值，导致微反射镜被稳固地向下拉向基板。

绝缘挡板(例如凸起部或者其它凸起的电绝缘特征)16可以设置于基板和微反射镜之间，使得当电压超过阈值时，反射镜被拉动而牢固地抵靠在挡板上而不能再进一步拉向基板。这些下拉挡板由此防止微反射镜和基板之间的不期望的电接触，因为电接触将导致短路和电损伤。再者，包含一个或多个端部挡板使得在下拉位置时可以定义反射镜和基板之间的预定偏移。此外，该一个或多个端部挡板提供机械阻尼，加速稳定时间。优选地，该偏移可以特别地设计成对应于在宽角度范围上的低透射状态。优选地，该端部挡板被布置成使得在位于下拉位置的反射镜内形成轻微程度弓形，从而提供附加能量以克服机械接触内的任何粘合能。在一个可能实施例中，大致方形或矩形的反射镜包含位于或靠近反射镜的每个角以及位于或靠近反射镜的中心的端部挡板。

反射镜可以使用MEMS工艺，优选地使用多晶硅表面微加工工艺来实现。优选地，使用基板上的一个或多个衬套(bush)16(绝缘岛)以及反射镜下的凹座(dimple)17来实现端部挡板。更优选地，该衬套可包含氮化硅和/或多晶硅，且反射镜和凹座包含多晶硅。

当小的电压被施加到微反射镜时，微反射镜将从其平衡位置移动小的量。当电压超过特定阈值时，该移动变得不稳定，且微反射镜将下降(snap down)到“下拉位置”。难以施加模拟控制电压以将微反射镜移动到距基板任意距离的位置，这要求电压的精细控制且它容易受由于阵列内反射镜之间轨道长度差异引起的任何压降的影响。在正常或简单控制系统中，在模拟控制下只能将微反射镜在平衡位置和下拉位置之间移动约三分之一路程；随后该微反射镜将动态地完全移动到下拉位置。在实践中，该下降位置在本发明中是优选的，其中优选地使用两个离散电压状态在平衡位置和下拉位置之间切换该微反射镜。

当微反射镜受到源于所施加的电压信号而形成的力时，该移动由反射镜的机械谐振频率和空气的阻尼效果来决定。反射镜连同其弹簧系统以典型谐振器的方式运作，谐振频率可以由常规的可购得的软件工具来确定。给定布置的精确谐振频率将依赖于弹簧的强度和反射镜的质量以及阻尼程度。对于例如两个直弹簧和25微米×25微米反射镜尺寸的典型结构，该谐振频率约为300kHz。更大的反射镜具有明显更低的谐振频率。具有更硬弹簧的装置具有明显更高的谐振频率。

在大气压和低至几十毫巴的压力下，空气导致微反射镜的运动受到很大阻尼，且状态之间变化所花的时间由该阻尼过程支配。在几毫巴或更小的压力下，微反射镜以高Q谐振器的方式运作：也就是说，该微反射镜以强振荡方式运动。当反射镜被下拉并抵靠在下拉挡板上时，该振荡不表现出来，这是因为下拉挡板提供了机械阻尼；但是当通过将所施加的电压切换到零(或者低于将微反射镜保持在下拉位置所需的阈值)，微反射镜从其下拉位置释放时，该振荡是明显的。

当在真空中释放微反射镜时，它将向上朝其平衡位置弹起，且随后在该位置附近振荡，在每个周期之后返回到该下拉位置附近。这受到的阻尼非常弱，且该运动随后将按照下述的完全可预测方式继续，其中幅值和频率相对独立于最初保持微反射镜向下的精确真空度或者绝对电压。

微反射镜在基板上方的位移由下式给出：

x(t)＝x₀-(x₀-x₁)cos(Ωt)exp(-βt)，    (1)

其中x为基板到微反射镜的距离，x₀为平衡位置，x₁为下拉位置，t为距离微反射镜释放的时间，Ω为谐振频率，且β为阻尼系数。

在低压下，振荡具有低阻尼系数且将呈现过冲，使得对于例如1.5微米的(微反射镜和基板之间的)最大要求板间距，可以将平衡位置设计为接近0.75微米并依赖该过冲来实现所需的最大间距。当标准具从距离基板的最小间距移动到最大间距时，在第一半周期内完成板间距的完整范围。在半周期和完整周期之间的时间之后，基板电压被重新施加，且板继续振荡，它朝基板往回运动，其中该微反射镜被所施加的场重新捕获并返回到初始的“下拉”位置。一个周期内的典型板间距与时间的关系如图2所示，其中水平轴代表时间(任意单位)，垂直轴代表微反射镜自基板的位移。所示示例中的平衡位置为1微米。备选地允许微反射镜执行预定数目(1、2、3或更多)的振荡且随后重新施加电压，以将微反射镜重新捕获在下拉位置。

通过按这种方式控制微反射镜的释放时序，可以使在整个运动范围内对反射镜位置的控制依赖于时序控制，而不依赖于精细电压控制。可以使用高速数字电子电路(例如0.35微米CMOS)来实现这种精细时序控制。

现在参考图3(a)和3(b)，当标准具反射镜的间距遵从图3(a)和3(b)所示的时间相关性时，使用Fabry Perot标准具中透射和反射的公式(方程2给出透射)并结合微反射镜和基板之间间距随时间的方程，可以确定透过该微反射镜的透射与时间的关系。图3(a)示出了垂直入射的实验透射数据，而图3(b)示出了60度入射角的相应数据。同样，水平轴代表时间而垂直轴代表透过微反射镜的光学透射。

在所示第一示例中，对于垂直于标准具平面入射的光，当微反射镜远离基板上升时出现两个透射峰，且当微反射镜朝基板回退时出现相应的两个峰。第二示例示出，在60度，当微反射镜移动到最大位移时出现一个透射峰，且当微反射镜返回到下拉位置时出现第二透射峰。然而，峰的时序和数目随光束入射角变化，使得非常期望知道入射角从而优化标准具时序。每个曲线图示出在两个温度(约20℃和70℃)的透射特性，表明这两个操作值之间良好的符合程度。

备选地，振荡图案的测量可用于确定光在该调制器上的入射角(实践中，推导出cos(θ)的测量值，其中θ为入射角)。

假设检测器系统能够分辨由调制器产生的动态调制，该装置可用于控制连续波(cw)激光(或者具有可预测脉冲图案的激光)(图9(b)和9(c))。备选地，假设脉冲持续时间明显比微反射镜的振荡周期短，该装置可用于控制重复脉冲激光(图9(a))。这种情况下，询问器系统中的检测器(新图10或9(c))不需要能够分辨调制器的动态行为，且仅需分辨询问器的各个脉冲。可以使用时序电路，该时序电路可以由检测入射脉冲的到达时间的检测器组成，该时序电路的时序可以用于预计后一脉冲的精确到达时间。微反射镜被保持在下拉位置且随后在一时间被释放，该时间被计算为使得，在激光脉冲预计到达的时间该微反射镜系统将位于对该脉冲施加期望数量的调制的位置。

现在参考图4，示出了标准具的动态响应与时间的关系(时钟脉冲)。上迹线41代表入射激光脉冲(任意单位)；中迹线42示出施加到微反射镜的电压(下拉电压对应于“2.5×10^-6”，0V对应于“2×10^-6”)；下迹线43示出基板和MEOMS反射镜之间的间距(单位为米)。

如果激光脉冲在最大位移附近到达(第一和第三脉冲)，则透射最大且逻辑1被发送。如果激光脉冲在反射镜接近基板时到达(第二脉冲)，则透射最小且逻辑0被发送。

现在参考图5，示出了实验数据，其中迹线51示出了微反射镜驱动电压，迹线52和53示出了两个激光脉冲的发射功率。微反射镜的释放和第一脉冲的到达之间的延迟使得透射是高的52。微反射镜的释放和第二脉冲的到达之间的延迟使得透射是低的52。

该调制器可以与逆向反射器、检测器和驱动电子电路一起使用以形成可以与如图9(c)所示的远程询问器系统通信的应答器。该应答器示于右侧；而在左侧示出了具有准直透镜98的激光器95以及具有会聚透镜96的检测器97。如果应答器离得足够远，来自该应答器的光衍射并传播，使得该光不只是返回到激光询问器，而且还溢出并传递到接收器光学元件，随后检测器将检测任何从应答器反射回来的光。这种情况下，询问器将检测由远程应答器产生的调制。

施加在接收的脉冲上的调制可以是幅值调制，或者相位调制，或者二者兼有。

在真实cw询问器中，应答器可以不需要检测器且可以简单地发送调制图案由任何询问器来检测。备选地，可以使用检测器来检测询问器光的存在。在准cw调制询问器中，应答器检测器可以使用询问器束中的时序信息(例如强度尖峰或强度间歇)以根据该时序信息来同步调制。对于产生一系列短脉冲的询问器的情形，则该应答器可以检测一个脉冲的到达，并使用该时序信息来确定最优时序以产生下一脉冲的调制。例如可以通过检测一个脉冲的到达并收集有关到达角度的信息，随后使用查询表来确定最优延迟，由此确定所述最优释放时间。例如，该系统可以在最大值和最小值之间切换该脉冲的透射或反射，或者该系统可用于控制脉冲的幅值，使得它们都具有相同的强度，或者使得它们按某种方式被编码。可以在振荡的第一半周期内完成这一点。备选地可以在机械振荡期间的任意可预测点来完成这一点，或者甚至允许微反射镜进行两次振荡并在第二次振荡中实现对脉冲的调制(如果希望实现全双工通信，则这是重要的)。

现在参考图6，调制器61因此可以具有与其相关联的检测器62，使得可以检测一个脉冲的到达并使用该信息来释放微反射镜，从而调制后续脉冲。

现在参考图7，在上述方案的变型中，远程激光照射器可由与长脉冲或连续波激光系统组合的重复短脉冲激光系统组成。在这种布置中，短脉冲可以用作时序脉冲。调制器可将该短脉冲用于时序，且随后对照射的连续波或长脉冲部分施加调制。例如通过该调制相对于时序脉冲的时间偏移，随后来编码该调制束。如果询问器具有足够快的检测器或者足够灵敏的检测器，则无需具有任何有关询问器束的时序信息且无需用于应答器的检测器。询问器检测器可以检测时间分辨调制，或者可以检测平均逆向反射功率内的小的快速变化。

图7示意性示出了使用激光脉冲的调制器61的询问，该激光脉冲包括时序脉冲71和准cw激光脉冲72。准cw部分被调制73；可以通过调制或者不调制每个脉冲来编码该束；或者可以选择调制或者施加时间延迟调制。可以使用初始时序脉冲，或者可以使用矩形波询问脉冲的上升沿(见左下部的示例)。调制脉冲的示例示于右中部。

现在参考图8，调制器61可以与逆向反射器81组合且由此用作调制的逆向反射器。尽管调制器微反射镜元件例如可以是约25μm宽，不过该逆向反射器可以大得多，例如5至15mm宽。假设各个微反射镜相干地运动，穿过调制器的光的散度将由总阵列尺寸决定，而不是由单个微反射镜的衍射引起的散度决定。较大逆向反射器元件的使用有助于形成反射光的严格准直束。该调制的逆向反射器装置随后可以被发送脉冲图案82的激光询问器照射。调制的逆向反射器装置随后调制入射脉冲并将脉冲83逆向反射回询问器。在该情形中，询问器脉冲基本上是脉动的且逆向反射的光或者被全部逆向反射或者全部衰减。询问器随后接收逆向反射脉冲并将其解码成“1”和“0”序列。调制器装置可以使用检测器62来检测脉冲，并使用控制单元84来预测后续脉冲的到达时间，使用一个脉冲的检测来确定释放微反射镜的时间，从而调制后续脉冲。这种情况下，逆向反射器上的到达角度必须受控制；备选地该逆向反射系统可以使用某种形式的角度检测来确定微反射镜释放的最优时序。

备选地，询问器和逆向反射调制器系统的组合系统可以优化性能。调制器可以按固定时延操作，且询问器可以确定到达角度并改变脉冲时序，从而达成最优调制。

调制器产生最大或最小信号的最优时序是角度相关的。如果上述系统用于任意角度的入射光，则检测器优选地应包含确定到达角度的装置，这是因为最优反射镜时序依赖于入射光的入射角。备选地，该询问器可包含估算标签(tag)上的入射角的装置并改变标签上的脉冲时序以保证最大调制。

现在参考图9(a)和9(b)，备选地可以使用调制的逆向反射器装置以及询问器，该询问器可(或者不)发送一组短时序脉冲以及准连续更低强度的脉冲。该调制逆向反射器装置随后可在该时序脉冲之后在特定的受控时间调制该准连续更低强度的脉冲。该装置将该功率逆向反射回询问器。在该布置中，询问器脉冲包括具有准cw周期的调制，且逆向反射的光与询问器的脉冲元件同步，但是该调制被施加到询问器照射的准cw区域。

询问器接收的精确调制图案将依赖于该逆向反射装置上的到达角度，但是该询问器能够识别具体图案并由此能够确定相对于时序脉冲的最优时间延迟，且如果需要，确定入射角。

通过测量准连续波形及其相对于时序脉冲的时序，询问器能够确定施加到该波形的时间偏移的大小，并因此将此解释成数据片段。该后一种方法的优点在于，该调制器装置无需集成有角度检测器，这样允许该调制器更为紧凑且更廉价地制造。

现在参考图9(b)，询问器可产生连续照射91，且随后逆向反射光可被调制92，93而不与询问器同步。

现在参考图9(c)，整个系统包含一个或多个如上所述的调制器装置以及询问器激光系统，该询问器激光系统包含发送器95以及耦合到检测器97的接收器镜筒96。

在第一角度测量模式中，询问器发送连续波束，并测量来自应答器的逆向反射光。应答器工作于“释放和捕捉”模式，可能不使用来自询问器的任何提示。对于每个“释放和捕捉”周期，逆向反射检测器定性地检测与图3所示类似的信号，即，包括一系列较为严格定义的最大值和最小值的信号。通过在多个脉冲上进行测量和积分，该检测器能够积累良好地解析的曲线。这些曲线的峰的时序为应答器上入射角的余弦的函数，如中心峰或谷的深度或高度，且通过对数据的适当拟合和处理，则可以确定调制器上入射角的余弦。

在角度测量模式的第二实施例中，询问器发送一系列脉冲并测量来自应答器的逆向反射光。应答器工作于“释放和捕捉”模式，将释放时间初始化为在检测来自该询问器的脉冲之后的固定时延。对于每个“释放和捕捉”周期，逆向反射检测器检测来自应答器的脉冲并记录每个脉冲的幅值。如果询问器缓慢改变脉冲之间的时序，使得脉冲N和脉冲N+1之间的时延等于脉冲N-1和脉冲N之间的时延加上特定增量Dt，然后每个脉冲将被调制器的响应曲线的不同部分调制，且在多个脉冲的周期内，该询问器将对调制器的整个透射分布进行频闪(stroboscopically)取样。该数据使得询问器能够推断应答器上的入射角。

在第一通信模式中，询问器使用脉冲串询问调制器装置。该调制器装置检测输入信号的时序和来自角度检测器的角度。依据过去的一组脉冲的时间历史，该调制器装置能够预测下一脉冲的到达时间。使用内部时钟和查询表，在下述时间释放该微反射镜阵列，即，调制器在下一脉冲到达时提供下一脉冲的最大或最小透射的时间。备选地，通过简单地将微反射镜保持在下拉位置，可以获得最小透射。接收器检测脉冲，所述脉冲确定将为逻辑1或逻辑0。该模式在最大范围上可行。

在第二通信模式中，询问器可以(或者不可以)发送一系列时序脉冲(或者一系列可用于时序目的的具有陡峭边缘的方形脉冲)。这可以叠加在准连续询问功率上。该调制器装置检测时序脉冲的时序，但是不试图确定到达的角度。该调制器装置按照两种方式之一来操作“释放和捕捉”机制：该调制器装置调制脉冲以表明逻辑1，且不调制以表明逻辑0(反之亦然)；或者该调制器装置在两个预设时延之一调制以表明逻辑1或逻辑0。前一方式的优点为，低带宽检测器可以检测表明是否施加调制的透射的适度变化。后一种技术的优点在于，低带宽检测器肯定地指示检测了逻辑1和逻辑0。

备选地，假设如果与调制信号中的高频分量相比较，信号询问时间较慢，该询问器可以检测预期的信号强度的适度变化的情况下，则对于真实cw询问91，可以检测调制的存在92或不存在93，或者时移键控(time-key shifted)调制的存在。

该询问器接收时序脉冲和模拟回复。与到达的角度无关，通过参照逆向反射的时序脉冲能够识别模拟回复的时序。

在远程角度检测模式中，目标是确定远程调制器装置上的入射角。这可以用于确定例如询问器应沿哪个方向运动从而最大化来自调制器装置的信号，或者确定调制器的取向。该询问器使用准cw束来照射调制器，并在该微反射镜被释放和捕捉时检测该时间分辨的逆向反射。通过将所检测的信号与模板相匹配，处理器可以识别与特定入射角相对应的模板。

在强度稳定模式中，目标是当输入束在时标上波动(例如由于闪烁)时稳定输出束的均值，其中该输入束波动慢于重复率。入射功率入射在调制器上，该调制器被同步以提供特定程度的衰减。当入射功率中存在波动时，可以对微反射镜的释放时间进行小的时序改变，从而调整衰减，由此保证总激光功率维持在固定值。如果入射束例如为逻辑1和逻辑0脉冲串，具有闪烁导致的更为缓慢变化的强度波动，则该系统可以被调制使得该缓慢变化的波动通过这种稳定而消除，但是逻辑1和逻辑0之间更快速的变化被保留并可以在稍后检测。这种方法可以用于替代具有大的动态范围的检测器，从而检测自由空间光学激光通信系统内的信号。

在空间光调制器模式中，阵列上的微反射镜组被释放从而产生横切束的空间图案。这可以用于下面的各种应用，其中当前使用其它空间光调制器，包括例如信号处理和束操控(beam steering)。

在束操控模式中，如果控制每个独立元件的释放时间，则可以有效地控制该微反射镜阵列的每个元件的相位。通过控制每个元件的相位，则可以控制传播方向。因此，假设每个微反射镜可以被独立控制，这可以用于在预定方向中操控激光束。

更详细地考虑Fabry-Perot标准具的特性，MOEMS微反射镜-基板调制器的透射可以通过将该系统视为具有两个反射表面的简单结构而建模，反射系数由应用于硅的Fresnel反射方程来确定。Fabry-Perot标准具的透射由下式给出：

$T_{\mathrm{etalon}}=\frac{T^2}{{(1-R)}^2}\frac{1}{1+\frac{4R}{(1-R)}{\sin }^2\left(\frac{\mathrm{\φ}}{2}\right)},---\left(2\right)$

其中 $\mathrm{\φ}=\frac{4\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}L\cos \mathrm{\θ},$

其中板之间的间距由L给出，入射角由θ给出且波长为λ。每个表面的反射率由R给出，且透射由T给出。

如果我们考虑调制器和角隅棱镜逆向反射器的组合，则注意反射光将由两个偏振分量的组合来决定。我们考虑这种情形，亦即，询问器被圆偏振或者去偏振，使得两个偏振的强度相等，与到达的角度无关。入射光将具有相等数量的“s”(平行于表面的E矢量)和“p”偏振光(在透射和反射束的平面内的E矢量)。每个偏振透射的数量不同，且部分偏振束进入角隅棱镜逆向反射器。取决于逆向反射器的性质，这将可变数量地被去偏振。如果角隅棱镜逆向反射器是金属涂覆的，则偏振性能将被保留。如果角隅棱镜逆向反射器依赖于介电材料，则对于某些角度该束将被显著去偏振。这后一种情形中，假设了该束被角隅棱镜完全去偏振的近似。去偏振束第二次往回穿过标准具并返回到其源。

因此调制的逆向反射为：

$C_{\mathrm{retro}}=\frac{{(T_s+T_p)}^2}{4}{R}_{\mathrm{cc}},---\left(3\right)$

其中C_retro为逆向反射的分量，T_s和T_p分别为s和p偏振的透射，以及R_cc为角隅棱镜的反射率。

注意，在穿过时透射光的相位ψ是由下述关系式给出：

$\mathrm{\ψ}=\mathrm{Arg}\left\{\frac{1}{1-\mathrm{Rexp}\left(\mathrm{i\φ}\right)}\right\},---\left(4\right)$

其中 $\mathrm{\φ}=\frac{4\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}L\cos \mathrm{\θ}.$

现在参考图10，示出了用于控制调制器微反射镜的逻辑图。逻辑寄存器被初始化101，且当时序脉冲被检测102时，时序计数器启动103。如果脉冲到达预期时间窗口104，则角度或角度范围(或者角度范围或“箱(bin)”)被确定106至109。随后响应于所确立的入射角来确定微反射镜的释放时间111以及下一脉冲的预测到达时间112。这可以方便地利用查询表110。随后对新预测窗口重复113该过程。如果调制器重复地没有在预测窗口接收到脉冲，则它可以终止105或者采取其它恰当动作。

这里给出的任何范围或装置可以延伸或变更而不失去所寻求的效果，这对于理解此处教导的本领域技术人员而言是显而易见的。

Claims (23)

1.一种用于调制光信号的调制器，所述调制器包括间距可控标准具，所述间距可控标准具包括悬挂在基板上方的至少一个弹簧支撑的微反射镜；且所述调制器还包括控制电路，所述控制电路被布置成在操作中在所述微反射镜和基板之间施加电压，由此使所述微反射镜从其平衡位置向所述基板移动，并且将所述微反射镜保持在其平衡位置和所述基板之间的位置。

2.如权利要求1所述的调制器，还包括位于所述微反射镜和所述基板之间的至少一个绝缘挡板，由此防止在施加电压时所述微反射镜和基板接触。

3.如任一前述权利要求所述的调制器，其中所施加的电压被计算为致使所述弹簧支撑的微反射镜接触所述至少一个绝缘挡板。

4.如任一前述权利要求所述的调制器，其中所述电学控制电路被布置为减小施加于微反射镜和基板之间的电压，由此释放所述微反射镜。

5.如任一前述权利要求所述的调制器，其中所述控制电路被布置成响应于激光脉冲到达所述调制器的时间而释放所述微反射镜。

6.如任一前述权利要求所述的调制器，其中响应于控制信号，所述控制电路被布置成在连续的时间释放或不释放所述微反射镜，所述连续时间被计算以最大化或最小化从远程激光源接收的连续脉冲的入射光透射，由此调制所透射的脉冲。

7.如任一前述权利要求所述的调制器，其中所述控制电路还被布置成在响应于所述微反射镜的释放时间的预定时间之后重新施加所述电压。

8.如任一前述权利要求所述的调制器，其中所述微反射镜位于低大气压，优选地基本上真空的体积内。

9.如任一前述权利要求所述的调制器，还包括逆向反射器，所述逆向反射器被布置成将穿过所述标准具透射的光逆向反射回所述标准具。

10.一种用于调制光信号的调制器，所述调制器包括多个间距可控标准具，所述每一个间距可控标准具都包括悬挂在基板上方的至少一个弹簧支撑的微反射镜，且所述调制器还包括控制电路，所述控制电路被布置成在操作中在相应微反射镜和基板之间施加电压，由此使所述微反射镜从其平衡位置向所述基板移动，并且将每个微反射镜保持在其平衡位置和所述基板之间的位置。

11.如权利要求10所述的调制器，其中所述多个间距可控标准具被布置成阵列。

12.如权利要求10至11任意一项所述的调制器，其中所述多个间距可控标准具被划分成不同区域，每个区域是单独可控的，由此在操作中对穿过所述调制器透射的光施加空间图案。

13.如权利要求12所述的调制器，其中所述空间图案由透射光的相位和强度的至少之一来表征。

14.一种空间光调制器，包括如任一前述权利要求所述的调制器。

15.一种包括阵列的调制器，其中组被单独控制从而在透射束上产生空间图案，使得所述阵列以空间光调制器的方式运作。

16.如权利要求10至14中任意一项所述的调制器，还包括逆向反射器，所述逆向反射器被布置成将穿过所述标准具透射的光逆向反射回所述标准具。

17.一种如权利要求15所述的调制器，其中所述逆向反射器包括至少一个逆向反射元件，且其中多个间距可控标准具位于至少一个这种逆向反射元件之前。

18.一种用于光学通信的系统，包括根据任一前述权利要求所述的调制器和空间光调制器的至少之一。

19.如权利要求14所述的系统，其中所述光信号为连续波信号。

20.一种调制光的方法，所述方法包括：

在间距可控标准具的表面接收入射光，所述间距可控标准具包括悬挂在基板上方的至少一个弹簧支撑的微反射镜；

在所述微反射镜和基板之间施加电压，由此使所述微反射镜从其平衡位置向所述基板移动；以及

将所述微反射镜保持在其平衡位置和所述基板之间的位置。

21.如权利要求11所述的方法，其中所述入射光位于红外光谱(波长1μm至15μm)中。

22.一种调制器，其中通过切换或者不切换所述微反射镜实现通信，且所述检测器检测是否存在调制。

23.一种调制器，其中通过在不同时间切换所述微反射镜以获得逻辑1或逻辑0来实现通信，且所述检测器检测是否存在调制。

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