CN106464366A - 发散光束通信系统 - Google Patents

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CN106464366A CN201580013507.3A CN201580013507A CN106464366A CN 106464366 A CN106464366 A CN 106464366A CN 201580013507 A CN201580013507 A CN 201580013507A CN 106464366 A CN106464366 A CN 106464366A
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optical
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M.R.帕尔默
A.E.奥萨德津斯基
W.J.布朗
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8 Rivers Capital LLC
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Abstract

提供了一种设备，该设备包括：调制器；以及光发送器，该光发送器耦接至调制器并且被配置为发出该调制器要用数据进行调制的光束。光发送器因此可以被配置为发出承载该数据并且没有人为限制的光束以用于由光接收器接收，该光接收器被配置为从所述光束中检测并恢复所述数据。光发送器可以被配置为按大于0.1度的发散角并且按小于0.05％的光子效率发出光束。光子效率可以使可由光接收器检测的光束的光子的数目与由光发送器发出的光束的光子的数目联系起来。

Description

发散光束通信系统
技术领域
本公开一般地涉及光通信，并且具体地涉及发散光束(diverged-beam)光通信。
背景技术
使用激光器的自由空间光(FSO)通信的概念追溯到激光器的发明。然而，生成并对高功率激光器进行调制的困难已限制了FSO到使用紧密准直光束的视线系统的使用。具有发散光脉冲的非常低功率且低调制速率已被用在诸如电视和其它器具的遥控器的几个壁龛应用中。甚至在当在组件和系统方面做出了数十亿美元的投资时的二十世纪90年代晚期和二十一世纪早期的电信繁荣期间，FSO系统也未超越视线配置中的准直光束。存在出售FSO视线系统的数个现有公司，但是这些系统要求精确对准和熟练安装。这些系统成本起价约为每链路US $10,000，并且每年发货仅几千个系统。
因此，将期望具有考虑到并解决以上所讨论的问题中的至少一些以及可能其它问题的系统和方法。
发明内容
本公开一般地涉及FSO通信尤其是分散光束FSO通信的系统和方法。两个融合趋势已导致本公开的系统和方法示例性实施方式。首先是特别由家用电器和移动装置对带宽的使用和需求的指数上升。视频到住宅和移动装置的实时递送要求大量的带宽，并且这将随着4K视频、视频会议、空中(OTT)服务和其它用途而增加。至今这种需要一直通过电缆、数字订户线路(DSL)、光纤到家(FTTH)以及移动蜂窝无线电技术来满足。但是可用带宽开始在除FTTH之外的所有情况下短缺，FTTH太昂贵而无法部署到每个住宅和建筑物。第二趋势是由于技术发展以及光子组件在所有类型的应用中的增加使用而导致的激光器和检测器组件的成本的减小。组件的进步以及对带宽的市场需要的急剧增加为本公开的示例性实施方式的系统和方法提供了舞台。
示例性实施例的FSO系统的起始点是光子产生和检测在摩尔定律型曲线上的前提。激光器输出功率以及检测器阵列尺寸和灵敏度在增加，同时成本在减小。所有先前的基于激光器的FSO系统是基于具有发送器和接收器两者的窄发散和紧密角(tight angular)跟踪的准直光束。相比之下，对于示例性实施例的系统，能够在一系列角度之上广播便宜的光子并且大的检测器能够接受导致发送器与接收器之间的增加角容差的一系列角度。发送器与接收器之间的多个光束路径减少诸如雨、雾和雪的天气的影响。因为信息的每个比特要求一些数目的光子，所以便宜的光子导致较便宜的比特，这进而导致更能负担得起的更高比特率系统。足够便宜的光子导致非视线(NLOS)系统，其中由发送器发出的光子中的仅一小部分到达接收器，同时仍然足以实现非常高的比特率。光频率意味着存在可用于由系统使用的数兆兆位的带宽。该系统能够通过对发散激光束FSO通信的创新来解决最后一英里和移动带宽市场需要。
本公开因此包括但不限于以下示例性实施例：
示例性实施例1：一种设备，该设备包括：调制器；以及光发送器，该光发送器耦接至所述调制器并且被配置为发出所述调制器要用数据进行调制的光束，所述光发送器因此被配置为发出承载所述数据并且没有人为限制(例如，在自由空间中)的所述光束以用于由光接收器接收，该光接收器被配置为从所述光束中检测并恢复所述数据，其中所述光发送器被配置为按大于0.1度的发散角并且按小于0.05％的光子效率发出所述光束，所述光子效率使由所述光接收器可检测的所述光束的光子的数目与由所述光发送器发出的所述光束的光子的数目联系起来。
示例性实施例2：根据任何前述或后续示例性实施例或其组合所述的设备，其中所述光发送器被配置为发出所述光束包括：被配置为发出指向反射器的入射光束以通过所述入射光束的反射来产生反射光束，所述光发送器被配置为为了由所述光接收器接收所述反射光束而发出所述入射光束。
示例性实施例3：根据任何前述或后续示例性实施例或其组合所述的设备，其中所述光发送器包括被配置为发出所述光束的发射器的阵列，所述阵列具有比在所述光发送器处的所述光束的光斑尺寸大的尺寸。
示例性实施例4：根据任何前述或后续示例性实施例或其组合所述的设备，其中所述光发送器还包括光学器件，通过该光学器件所述发射器的阵列被配置为发出所述光束，所述阵列的所述发射器被配置为发出相应的准直光束但是由于所述阵列的空间范围而具有不同的角度，所述阵列因此被配置为产生由所述相应的准直光束组成并且其发散角通过所述阵列的尺寸和所述光学器件的焦距来设置的所述光束。
示例性实施例5：根据任何前述或后续示例性实施例或其组合所述的设备，其中所述光发送器还包括光学器件，通过该光学器件，所述发射器的阵列被配置为发出所述光束，所述阵列远离所述光学器件的焦点，所述阵列的所述发射器被配置为发出相应的发散光束，所述阵列因此被配置为产生由所述相应的发散光束组成并且其发散角通过所述阵列的尺寸以及由于所述阵列远离所述光学器件的焦点的情形而导致的失焦的程度来设置的所述光束。
示例性实施例6：根据任何前述或后续示例性实施例或其组合所述的设备，其中所述光发送器被配置为执行复用以为多个光接收器服务。
示例性实施例7：根据任何前述或后续示例性实施例或其组合所述的设备，其中所述光发送器被配置为发出具有可调节焦点或散光的所述光束，所述可调节焦点使得能实现对所述光束在离所述光发送器的给定距离处的直径的调节，并且所述散光使所述光束具有不同的垂直和水平发散。
示例性实施例8：根据任何前述或后续示例性实施例或其组合所述的设备，其中所述设备还被配置为发送用于所述光发送器和光接收器的定向的心跳信号，所述心跳信号被调制以承载或者指示所述光发送器的位置，或者发送用于使所述光接收器将其位置或其位置的指示返回给所述光发送器的信号。
示例性实施例9：一种设备，该设备包括：解调器；以及光接收器，该光接收器耦接至所述解调器并且被配置为检测承载所述解调器要恢复的数据的光束，所述光接收器被配置为检测从光发送器发出并且没有人为限制的所述光束，该光发送器被配置为发出用所述数据调制的所述光束，其中所述光接收器被配置为检测按大于0.1度的发散角并且按小于0.05％的光子效率发出的所述光束，所述光子效率使由所述光接收器可检测的所述光束的光子的数目与由所述光发送器发出的所述光束的光子的数目联系起来。
示例性实施例10：根据任何前述或后续示例性实施例或其组合所述的设备，其中所述光接收器被配置为至少在所述光接收器不具有到所述光发送器的视线的一些实例中检测所述光束。
示例性实施例11：根据任何前述或后续示例性实施例或其组合所述的设备，其中所述设备包含包括所述光接收器的光接收器的阵列，或者所述光接收器包括被配置为检测所述光束的检测器的阵列，并且其中所述光接收器的阵列的光接收器或所述检测器的阵列的检测器被配置为基于它们相对于所述光发送器的定向(例如，对准)而选择性地激活和停用(例如，接通和断开)。
示例性实施例12：根据任何前述或后续示例性实施例或其组合所述的设备，其中所述光束包括入射光束以及通过所述入射光束的反射产生的反射光束，所述光接收器在至少一个实例中被配置为优先地检测所述反射光束，并且避免所述入射光束的直接检测。
示例性实施例13：根据任何前述或后续示例性实施例或其组合所述的设备，其中所述光接收器包括被配置为检测所述光束的检测器的阵列，所述阵列具有比在所述光发送器处的所述光束的光斑尺寸大的尺寸。
示例性实施例14：根据任何前述或后续示例性实施例或其组合所述的设备，其中所述光束被空间复用以为多个光接收器服务，所述检测器的阵列是按照检测器的图案布置的，所述检测器的图案对应于被独立地调制的所述光发送器的发射器的图案。
示例性实施例15：根据任何前述或后续示例性实施例或其组合所述的设备，该设备还包括波长特定或波长可调谐滤光器，以使得所述光接收器能够检测被光谱复用以为多个光接收器服务的所述光束。
示例性实施例16：根据任何前述或后续示例性实施例或其组合所述的设备，其中所述光接收器被配置为检测具有可调节焦点的所述光束以促进所述光接收器与所述光束的特性相匹配，所述可调节焦点在至少一个实例中包括所述光接收器在所述光发送器与光接收器之间的某个中间点处的焦点。
示例性实施例17：根据任何前述或后续示例性实施例或其组合所述的设备，其中所述设备还被配置为接收用于所述光接收器和光发送器的定向(例如，对准)的心跳信号，所述心跳信号被调制以承载或者指示所述光发送器的位置，或者发送用于使所述光接收器将其位置或其位置的指示返回给所述光发送器的信号。
示例性实施例18：根据任何前述或后续示例性实施例或其组合所述的设备，其中所述光接收器包括被配置为捕获所述光束的一部分的相机，以及电子装置，所述相机被配置为与电子装置进行通信以基于所述光束的所捕获的部分来驱动粗略或精细转向以至少部分地使所述光接收器和光发送器定向(例如，对准)。
示例性实施例19：根据任何前述或后续示例性实施例或其组合所述的设备，其中所述光接收器包括被定位在所述光接收器的限制孔径的周边附近并且被所述光接收器的限制孔径遮蔽的多个光电二极管，所述光电二极管被配置为检测所述光束的相对功率，所述光接收器还包括电子装置，所述光电二极管被配置为与电子装置进行通信以基于所述光束的所述相对功率来驱动粗略或精细转向以至少部分地使所述光接收器和光发送器定向。
示例性实施例20：一种方法，该方法包括：用数据对光束进行调制；以及由光发送器发出承载所述数据并且没有人为限制的所述光束以用于由光接收器接收，该光接收器被配置为从所述光束中检测并恢复所述数据，其中所述光接收器是按大于0.1度的发散角并且按小于0.05％的光子效率发出的，所述光子效率使由所述光接收器可检测的所述光束的光子的数目与由所述光发送器发出的所述光束的光子的数目联系起来。
示例性实施例21：根据任何前述或后续示例性实施例或其组合所述的方法，其中发出所述光束的包括发出指向反射器的入射光束以通过所述入射光束的反射来产生反射光束，所述入射光束是为了由所述光接收器接收所述反射光束而发出的。
示例性实施例22：根据任何前述或后续示例性实施例或其组合所述的方法，其中所述光束由所述光发送器的发射器的阵列发出，所述阵列具有比在所述光发送器处的所述光束的光斑尺寸大的尺寸。
示例性实施例23：根据任何前述或后续示例性实施例或其组合所述的方法，其中所述光束由所述发射器的阵列通过光学器件发出，所述阵列的所述发射器发出相应的准直光束但是由于所述阵列的空间范围而具有不同的角度，所述阵列因此产生由所述相应的准直光束组成并且其发散角通过所述阵列的尺寸和所述光学器件的焦距来设置的所述光束。
示例性实施例24：根据任何前述或后续示例性实施例或其组合所述的方法，其中所述光束由所述发射器的阵列通过光学器件发出，所述阵列远离所述光学器件的焦点，所述阵列的所述发射器发出相应的发散光束，所述阵列因此产生由所述相应的发散光束组成并且其发散角是通过所述阵列的尺寸以及由于所述阵列远离所述光学器件的焦点的情形而导致的失焦的程度来设置的所述光束。
示例性实施例25：根据任何前述或后续示例性实施例或其组合所述的方法，该方法还包括执行复用以为多个光接收器服务。
示例性实施例26：根据任何前述或后续示例性实施例或其组合所述的方法，其中具有可调节焦点或散光的所述光束被发出，所述可调节焦点使得能实现对所述光束在离所述光发送器的给定距离处的直径的调节，并且所述散光使所述光束具有不同的垂直和水平发散。
示例性实施例27：根据任何前述或后续示例性实施例或其组合所述的方法，该方法还包括发送用于所述光发送器和光接收器的定向的心跳信号，所述心跳信号被调制以承载或者指示所述光发送器的位置，或者发送用于使所述光接收器将其位置或其位置的指示返回给所述光发送器的信号。
本公开的这些及其它特征、方面和优点从与在下面简要地描述的附图一起阅读以下详细描述将是显而易见的。本公开包括此公开中所阐述的两个、三个、四个或更多个特征或元素的任何组合，而不管这些特征或元素是否被明确地组合或者以其它方式记载在本文的特定实施例描述中。本公开旨在被全面地阅读，使得除非本公开的上下文另外清楚地规定，否则本公开的任何可分开的特征或元素在其各方面和实施例中的任一个中应该被视为预定的，即为可组合的。
因此应当了解，以上发明内容是仅仅为了概括一些示例性实施例的目的而提供的，以便提供对本公开的一些方面的基本理解。因此，应当了解，上述示例性实施例仅仅是一些实施例的示例，而不应该被解释为以任何方式使本公开的范围或精神变窄。应当了解，除这里概括的那些实施例之外，本公开的范围还包含许多潜在实施例，将在下面进一步描述潜在实施例中的一些。另外，本文中所公开的实施例的其它方面和优点从结合附图进行的以下详细描述将变得显而易见，附图通过示例来例示所描述的实施例的原理。
附图说明
在如此在上述一般项中描述了本公开后，现在将参考附图，附图未必按比例绘制，并且其中：
图1例示了根据本公开的各种示例性实施例的发散光束通信系统；
图2A例示了根据各种示例性实施例的包括多个光收发器(有时被称为收发器模块)的光收发器阵列；
图2B更详细地例示了根据一些示例性实施例的收发器模块；
图2C和图2D例示了根据一些示例性实施例的收发器模块并且突出其瞄准系统；
图3例示了根据一些示例性实施例的被改装到诸如手机信号塔的现有网络基础设施的光收发器阵列；
图4A和图4B例示了根据一些示例性实施例的可以被配备有光收发器的移动装置；
图5A和图5B例示了根据一些示例性实施例的用于使用发射器的阵列的扩展源来实现光束发散的示例性技术；
图6A和图6B例示了根据示例性实施例的光接收器；
图7A例示了根据一些示例性实施例的包括被配置为使得能实现光束的可调节焦点的一个或多个动态光学器件的光发送器；
图7B、图7C和图7D例示了根据一些示例性实施例的用于使得能在光发送器中实现散光由此垂直发散可以与水平发散不同的动态光学器件的使用；
图7E例示了根据一些示例性实施例的用于在光发送器处实现瞄准调节的动态光学器件的使用；
图8例示了根据一些示例性实施例的光束抖动；
图9A、图9B和图9C例示了根据一些示例性实施例的包括被配置为使得能实现光束的可调节焦点的动态光学器件的光接收器(图9A)以及视线(LOS)情况(图9B)和非LOS(NLOS)(图9C)；
图9D和图9E例示了根据一些示例性实施例的用于在光接收器处使得能实现瞄准调节的动态光学器件的使用；
图10例示了根据一些示例性实施例的针对至少光发送器与接收器之间的初始对准以用于通信的几个技术；
图11A和图11B例示了根据一些示例性实施例的针对光发送器与可以被至少部分地实现在光接收器内的接收器之间的对准的两个示例；
图12A和图12B分别例示了根据一些示例性实施例的可以由发散光束通信系统实现的光谱复用和空间复用；
图13至图17、图18A和图18B例示了根据一些示例性实施例的可以在其中部署分散光束通信系统的各种场景；以及
图19例示了根据示例性实施例的方法中的各种操作。
具体实施方式
现在将在下文中参考本公开的示例性实施例更充分地描述本公开。这些示例性实施例被描述，使得此公开将是彻底且完整的，并且将会将本公开的范围充分地传达给本领域的技术人员。实际上，本公开可以被以许多不同的形式具体实现并且不应该被解释为限于本文中所阐述的实施例；相反，这些实施例被提供为使得此公开将满足适用的正当要求。如本说明书和所附权利要求中使用的，例如，除非上下文另外清楚地规定，否则单数形式“一”、“一个”、“该”等包括复数指代。并且，例如，可以在本文中参考定量量度、值、关系等。除非另外陈述，否则这些中的任一个或多个而非全部可以是绝对的或近似的，以说明可能发生的可接受的变化，诸如由于工程容差等而导致的那些。
如在下文中所描述的，本公开的示例性实施例涉及光通信，并且更具体地涉及发散光束光通信。主要在自由空间(FSO)通信的上下文中描述本公开的示例性实施例。然而，应该理解，示例性实施例可以在除了与FSO通信(即，通过空气、外层空间、真空等的通信)传统上关联的上下文以外的上下文中同样适用。例如，示例性实施例可以同样地适用于通过水或任何其它液体、溶液或悬浮液以及光束可以用来在没有光纤电缆、波导或传输线路的情况下传播的任何其它物质或介质的通信。人为限制的这些和其它类似的手段可以在折射率方面呈现反差，这在其中导致模式限制以承载或者引导光束。因此，示例性实施例可能被更一般地认为适用于包括光束在没有人为限制(诸如通过光纤电缆、波导、传输线路等)的情况下在发送器与接收器之间传播的光通信。
如在下面更详细地说明的，示例性实施例的发散光束通信系统一般地包括：光发送器，其被配置为发出承载数据的发散光束；以及接收器，其被配置为检测光束并且从中恢复数据。该系统可以被部署在许多不同的场景中，其中光发送器和接收器可以由被配置为发送和/或接收数据的许多不同类型的固定或移动通信装置和结构来装备，或者可以以其它方式支持数据的发送和/或接收。适合的通信装置和结构的示例包括天线杆、伸缩天线杆、塔、电杆、树、建筑物、气球、风筝、陆地车辆(例如，汽车、火车)、船舶(例如，船、舰)、宇宙飞船(例如，人造卫星)、天体(例如，行星、月亮)、航空器(例如，飞机、直升飞机、无人机、飞船)、计算机(例如，台式计算机、膝上型计算机)、平板计算机、智能电话以及为无线通信装备或者以其它方式能够无线通信的许多其它类型的装置中的任一个。
来自光发送器的发散光束以及在光接收器处的适当的接收角意味着光发送器和/或接收器的位置可以在维持通信吞吐量的同时移动。运动的速度可能受到在光接收器处的光束的光斑尺寸、光接收器的接收角以及光发送器和/或接收器跟踪的反馈速率的限制。这可能是许多场景所期望的，但是也可能展现出现在难达成或极其昂贵的附加的FSO通信应用。这些包括例如诸如天线杆或塔的地面固定结构与航空器之间的FSO通信。并且启用了两个航空器之间的通信。还也许能够在宇宙飞船与地面固定结构之间进行通信，其中在一些示例中，宇宙飞船可以在广播模式下操作。可以在一些应用中使用甚高功率发射器(例如，10至1,000瓦特或更多)。
发散光束的另一好处可能是无论点对点场景名义上是什么它易于初始对准和对准调节。一个示例性场景涉及最初安装有光发送器和接收器的两个地面固定结构之间(诸如塔与建筑物之间)的光通信。简单的跟踪(电子控制的或手动的)可以方便更容易的安装，从而最大化减少技术人员的时间或者允许终端用户设置设备。这还可以使得能实现其中发散光束通信系统仅可以被短时间使用并且需要被迅速地设置和移去的自组织(ad hoc)型网络。一些示例性潜在场景包括体育事件、赛会或其它聚会，其中与Wi-Fi组合的系统能够被用来以高吞吐量、更少设备以及快速安装和拆卸时间向100至100,000个用户提供带宽。还可以随着系统在网络设备已损坏或者毁坏的区域中的快速部署而支持灾难响应场景。此外，在有战争的区域中以及在带宽需求可能基于人员数和设备量而改变的基地和营地中存在针对军队和支持人员两者的许多军事场景。可以随着需要带宽的位置随着时间的推移改变而容易地移去并且重新部署系统。
当在光束中存在散射体时，发散光束以及在一些示例中在光接收器处的较大接收角可以具有优于准直光束的许多好处。对于准直光束，任何散射体可以占主导地使光散射出光束，并且因此可能正好是衰减的源。潜在散射体包括诸如雨、雪、冰、冰雹和雾的天气相关散射体以及诸如树叶、树枝、烟、电线及其他的非天气散射体。
在示例性实施例的发散光束通信系统中，散射未必意味着光子丢失。特别地，对于多个散射，可能存在可以在路径上最初散射的光子，该路径是使得光子离开到光接收器的光束路径然后可以随后又被散射回到光接收器的光束路径中。这可能在接近于零正向角的角度下存在显著散射的情形下更经常发生，在光的波长的量级内的散射体(诸如雾)情况是这样的。在一个特定示例中，雾的液滴尺寸可能在2微米附近达到高峰，所述2微米可能在一些示例中接近于系统感兴趣的波长，其范围可以从0.4微米直到1.6微米。正如一个人能够在有雾条件下很好地在能够看见汽车之前从汽车的前灯看见光一样，示例性实施例的系统仍然可以在成像或准直光束将不可见的条件下接收光。
由于诸如雾的散射体的信号退化可能最终达到不能够维持数据速率的点，在此点处发散光束通信系统可以增加输出功率或者放慢数据速率或者修改其调制方案、其错误校正方案、其编码方案、其网络栈协议或这些的任何组合，以维持足够的信噪比(SNR)和/或数据完整性。在退化是由于太低光子数或光子效率而导致的实例中，那么增加输出功率可能足以维持数据速率。在退化是由于增加的多径色散而导致的实例中，那么可以降低数据速率。随着条件改进，系统可以继续监视性能并且然后增加数据速率，降低输出功率并且/或者调节前述修改中的其他中的任一个。一些示例中的系统可以包括用于不同的数据速率的多组驱动和检测电子装置。一般而言，给定驱动器的数据速率动态范围可以是约一个数量级或10的倍数。因此一组电子装置可以支持1Gb/s直到100Mb/s，但是附加的电子装置可以被用于低于100Mb/s直到1Mb/s或甚至更低的数据速率。更一般地，本公开的一些示例性实施例可以在每秒兆位直到每秒兆兆位或更大的范围内的比特率下支持通信，并且所述比特率可以时常可使用许多不同的技术动态地调节。
图1例示了根据本公开的各种示例性实施例的发散光束通信系统100。如图所示，该系统包括许多组件中的每一个中的一个或多个，包括为固定或移动通信配置的光发送器102(示出了一个，并且时常被称为光源)和光接收器104(两个被示出为光接收器104a、104b，并且时常被称为光检测器)。在一些示例中，一个或多个光发送器和接收器可以以一个或多个光收发器的形式位于一处。并且在一些示例中，一个或多个光收发器可以充当光中继节点，该光中继节点被配置为(经由其接收器)接收承载数据的光束，并且(经由其发送器)重新发送承载相同或类似的数据的另一光束。示例性实施例的系统因此可以包括一个或多个光发送器、接收器和/或收发器(其中的一些可以充当中继节点)的各种组合。
如上面所说明的，光发送器102、接收器104和/或收发器(包括发送器和接收器两者)可以由许多不同类型的固定或移动通信装置和结构来装备，所述通信装置和结构被配置为发送和/或接收数据，或者以其它方式支持数据的发送和/或接收。适合的通信装置和结构的示例包括天线杆、伸缩天线杆、塔、电杆、树、建筑物、气球、风筝、陆地车辆、船舶、宇宙飞船、天体、航空器、计算机、平板计算机、智能电话以及为无线通信装备或者以其它方式能够无线通信的许多其它类型的装置中的任一个。
光发送器102可以包括一个或多个发射器，并且与适当的支持电子装置和任何适当的光学器件耦接，可以被配置为发出承载数据的光束。光接收器104可以包括一个或多个检测器，并且与适当的支持电子装置和任何适当的光学器件耦接，可以被配置为检测光束并且从其中恢复数据。光发送器及其支持电子装置可以是组装件的一部分，在一些示例中组装件还包括调制器106、瞄准系统108和/或控制系统110。光发送器可以被配置为发出光束，调制器可以被配置为用来自数据源112的数据调制。光接收器可以被配置为检测光束，包括在其关联的电子装置中的解调器可以被配置来解调以从其中恢复数据。并且尽管单独地示出，但是在一些示例中，一些示例中的调制器可以被包括在光发送器的关联电子装置中。
根据示例性实施例，光发送器102可以被配置为发出光束，使得光束随着它从光发送器传播而发散。光束可能稍微发散以产生窄发散光束114，或者更重地发散以产生宽发散光束116。更发散的光束可用于移动光接收器104，诸如由车辆装备或者由用户手持的那些光接收器。
因为有效地无限数目的分立通道的可用性以及多个光信号之间的干扰的固有缺少，更简单的示例性实施例中的发散光束通信系统100可以将开/关键控(OOK)用作其主调制方案。这个调制方案可能基于诸如光发送器102与接收器104之间的增加距离、大气条件、渐增带宽要求、光发送器功率限制等的许多因素中的任一个而变得不足。该系统可以诸如通过使用在不同频率下操作的多个光发送器并且/或者通过使用附加编码方案，来以许多不同的方式管理这个不足之处。附加编码方案的适合的示例包括光双二进制调制(ODB)、单极化状态相位调制(DPSK)、差分正交相移键控(DQPSK)以及双极化正交状态相位调制(DP-QPSK)。
可以以许多不同的方式(诸如通过使用常规的纠错码和/或前向纠错)控制光发送器102与光接收器104之间的数据传输中的错误。
在一些示例中，发散光束通信系统100可以使用许多不同的技术中的任一个来在日光条件下实现适当的SNR。可以促进SNR的适合的技术的示例包括高发送功率、激光线窄化、窄带通接收器滤波、伪随机码调制、信号平均、自适应遮蔽等的使用。
在一些示例中，诸如通过采用许多不同的复用技术中的任一个，单个光发送器102可以为驻留在其光束的椎体内的多个接收器服务。适合的技术的示例包括基于空间、时间、频率(光谱)、极化、角动量、代码或以上一个或多个的某种组合。在更特定示例中，可以使用常规的信道接入方法，诸如码分多址(CDMA)、时分多址(TDMA)、频率间隔等。在其它示例中，可以使用空分多址(SDMA)-三个自由度、角分多址(ADMA)-三个自由度、极分多址(PDMA)-一个自由度等。与可利用无线电频率得到的三种程度相比，示例性实施例的系统因此可以提供维度分离的多达十个或更多个程度。
在一些示例中，光发送器102可以被配置为在数据发送之前对其进行加密。可以由发送器用于此目的的适合的加密方案的示例包括用于高速RF网络的常规技术，诸如具有UEA1或UEA2保密性以及UIA1或UIA2完整性算法的KASUMI块密码或SNOW 3G流密码。光接收器104可以由固定或可移除的可信硬件来标识。另选地，例如，尤其对于纯数据(与语音和数据相对)通信，可以使用现有IEEE 802.11安全协议。
在一些示例中，可在光发送器102处通过电子控制的聚焦机制动态地更改光束发散。除了其他的优点之外，这可以在多个实例中允许减小发散，其中光束被锁定到固定光接收器104，或者被锁定到移动接收器上，该移动接收器被预期为在发送器与接收器之间的通信的至少某段持续时间内即使移动也不会移动太多。
在一些示例中，光束的功率可以是通过光发送器102用电子学方法可更改的。除了其他优点之外，这可以允许发散光束通信系统100保存能量并且/或者提供增加的安全。在光束被锁定到固定光接收器104或者被锁定到移动接收器上(该移动接收器被预期为在发送器与接收器之间的通信的至少某段持续时间内即使移动也不会移动太多)的一些示例中，可以减小光束发散和/或功率。
瞄准系统108可以被配置为诸如根据许多不同的技术中的任一个在一个或多个光接收器104的通常方向上瞄准光发送器102。瞄准系统可以在被配置为引导该瞄准系统的控制系统110的方向下进行操作，以在选择方向上瞄准光发送器以确保区域的宽覆盖范围很可能包含一个或多个接收器。例如，光发送器可以向一个或多个可能的接收器发送指示服务的可用性的代码。在诸如城市的环境中，可以遍及城市广播充当心跳信号的一组一个或多个宽光束以创建光基础(optical underlay)，该光基础可以通过帮助检测一个或多个接收器的位置并且提供适当的定向(例如，对准)指令或指导来提供定位。在另一示例中，射频(RF)系统可以广播心跳信号以创建RF基础并且为发散光束通信系统100提供控制。如本文中所描述的，光发送器与光接收器之间的定向可以主要在它们的对准的上下文中被描述。然而，应该理解，诸如在至少一些非视线(NLOS)情况下，光发送器和光接收器可以被以除了可能被认为是传统对准的方式以外的方式定向或者以其它方式定位。
光接收器104可以以许多不同的方式(诸如经由宽光束和/或RF系统)请求服务，从而(例如，经由GPS或其它地理定位方法，或者使用嵌入到光通信信道中的时间戳)将其位置提供或者指示给控制系统110。可以以许多不同的方式中的任一个(诸如通过相对于发散光束通信系统100的另一组件的地理定位或位置(例如，光接收器相对于光发送器102的位置))表示本文中所描述的这个及其它位置。控制系统也许可以从多个这样的光发送器中计算或者选择光发送器，计算或者选择瞄准所选择的光发送器的方向，并且使所选择的发送器转向以使用瞄准系统108在所选择的方向上瞄准它。此外，宽光束和/或RF系统可以提供关于光发送器的位置的指导，并且向适当移动的接收器传达命令以用于获得检测、初始获取/握手和/或优化接收。
在一些示例中，窄角高分辨率瞄准成本可能是相对较高的，但是光束发散可能由于增加的功率要求而导致增加的激光器(光学)成本。因此，可能存在在激光器成本及瞄准成本与具有足够高的传输效率和适度的激光器和瞄准成本操作的最优范围之间的权衡。
关于瞄准成本，被布置为提供双轴运动的当前简单的跟踪系统(诸如家庭安全相机中使用的那些)以大约$20价格提供0.2度的瞄准分辨率。当前的军事系统以约$5M价格粗略地实现0.001度的瞄准精度。在光束发散方面，适度大功率的激光束能够发散以在几百米至几千米的距离处产生100米的光斑尺寸。可以使用许多不同的技术中的任一个来产生光束发散，包括通过光学、机械、电光和光学机械技术等的光束发散。这些技术能够包括光束发散以及光束转向(通过孔径或直接地)。
作为一个适合的瞄准系统108的示例，能够以合理的成本实现0.1度的跟踪准确度，并且光发送器102(例如，激光器)产生能够行进多达100km的足够大功率的光束。在一些示例中，可以诸如通过将适当的光学器件添加到光发送器或接收器104中的任一个或添加到两者来经由其它组件改进瞄准系统的性能。用于此目的的适合的光学器件的示例包括微机电系统(MEMS)反射镜、诸如可转向液体透镜的动态光学器件、可变形反射镜等。这些装置可以具有非常小的角调谐范围，例如现有可转向液体透镜调谐+/-0.6度，但是可以具有精细的控制和相对较低的成本。光发送器的阵列可以使用这样的瞄准分辨率来为多达10,000个接收器104服务，并且可以实现更优于当前的蜂窝数据系统的数据速率。
在一些示例中，光发送器102或光接收器104中的任何一个或两者可以分别包括光发送器的阵列或光接收器的阵列(或者分别为发射器的阵列或检测器的阵列-如在下面更详细地描述的)。可以在多个方向上布置光发送器(或发射器)的阵列，其中该阵列在一些示例中形成二维(2D)或三维(3D)形状(例如，立方体、球体、半球体)。类似地，可以在多个方向上布置光接收器(或检测器)的阵列。在这些和其它类似的示例中，可以省略瞄准系统108，其中相应阵列的光发送器(发射器)或光接收器(检测器)被配置为基于它们相对于期望的光接收器或光发送器的定向(例如，对准)选择性地激活和停用。在一些示例中，可以通过相应阵列的光发送器(发射器)或光接收器(检测器)被配置为选择性地接通和断开而实现这个选择性激活和停用。并且在一些示例中，可以基于所接收到的光束的相对功率或者根据某个其它算法来推理它们的定向。
在本技术的一些部署中，尤其在完全水平地穿过雾的情况下，诸如雾的大气条件可能是成问题的。在一个示例中，可以使用备用长波长红外(例如，8-15μm)系统。在另一示例中，可以随着接收器的按时选通在较高功率下使用较短波长以将光子距离门控为仅在直线或准直线上行进到光接收器104的那些光子，这可以在如果没有消除散射光的情况下减少散射光并改进SNR。在另一示例中，可以将RF系统用作在较低数据速率下的备用。
在特定场景(例如，跟踪车辆、移动装置)中，宽且高度发散的光束可能是必要的，因为窄光束可能不能够准确地跟踪光接收器104。在这些示例中，使用反射光束，其中发生离开诸如建筑物的侧面、地面或其它表面的一个或多个表面的反射，其中那些反射基于足够宽且大功率的光束的使用而发生。如本文中所描述的，对反射的引用可以同样地表示镜面反射和漫反射或散射，诸如由于朗伯反射而导致的镜面反射和漫反射或散射。
能够使用被配置为拦截入射光束的直接光接收器104a来实现直接接收。另选地，反射光接收器104b可以被用来检测从反射器118产生的反射光束(包括从散射体产生的散射光束的实例)。在一个示例中，单个接收器可以被配置为用作直接接收器和反射接收器中的任何一个或两者。接收器能够检测光束并恢复数据。因为光束发散了，所以定向(例如，对准)可能不是关键的并且可以在光束的宽场中或者在光束被反射的任何地方获得接收。在一些示例中，光发送器102可以将光束指向反射器或反射器上的反射点，反射器或反射器上的反射点被预先确定以提供由一个或多个光接收器直接或反射接收的可接受可能性。在这些和其它类似的示例中，光接收器中的一个或多个可以(视需要)往回向光发送器提供反馈，以将光发送器引导到与相应光接收器的更期望的定向中。
现在更具体地转向光发送器102，在一些示例中，光发送器可以包括一个或多个反射器，该反射器的形式为被配置为发出可见光、紫外光或红外光的光束的一个或多个至少部分地相干的(相干的或部分地相干的)激光器。也就是说，光发送器可以被配置为在电磁光谱的可见范围(例如，400-700nm)、紫外范围(例如，波长为200-400mn)或红外范围(例如，700nm-1mm)内操作并发出光束。在红外光的特定示例中，光发送器可以被配置为在短波长红外范围(例如，1.4-3μm波长)或者O、E、S、C、L或U中任何一个或多个红外波段中操作并发出光束。适合的激光器的示例包括固态激光器、激光二极管、太阳能激光器等。在更具体的示例中，如在下面更详细地说明的，激光器可以是垂直腔表面发射激光器(VCSEL)。
在一些示例中，光发送器102可以由一个或多个固定频率或可调谐激光器组成。在任何一种情况下，通过部署具有不同的频率的多个固定频率激光器或者将多个可调谐激光器调谐到不同的频率，发散光束通信系统100可以采用多个离散频率。在一些示例中，该系统可以在和500THz一样宽的频率范围上操作，每信道带宽从0.1MHz到1000MHz，这可以提供500,000到5,000,000,000之间个的离散的操作信道。
图2A例示了光收发器阵列200，该光收发器阵列200在一些示例中可以对应于多个光收发器202(有时被称为收发器模块)，其中的每一个包括光发送器102和光接收器104，并且其示例被更详细地示出在图2B中。如所示，收发器阵列可以沿着其宽度204以及其高度206具有适合数目的单元。在一个示例中，收发器阵列可以包括m×n个收发器模块，其中m＝70并且n＝30。在一个示例中，收发器模块中的发送器和接收器中的每一个上的光学器件的直径(例如，孔径)可以是3至4英寸，从而产生大约4至5英寸高和7至8英寸宽的矩形收发器。在其它示例中，可以使用较大或较小的光学器件。较大的光学器件可能通常与较长的连接范围关联。光学器件可以具有许多类型，包括低成本模制塑料透镜、菲涅耳透镜、反射镜等。另外，除所示出的正方形或矩形形状之外的其它形状可以被用于收发器阵列。在一个示例中可以使用三角形结构，然而在另一示例中可以使用八边形结构。在其它示例中，如图2C中所示，现有网络基础设施(诸如手机信号塔)可以被使用而不管其几何形状。
图2B更详细地例示了根据一些示例性实施例的收发器模块202。如所示，例如，收发器可以包括具有诸如一个或多个激光二极管的一个或多个发射器的光发送器102(例如示出了发射器208的阵列)。一个或多个光学器件210、212(例如，一个或多个透镜、反射镜)可以被用来散布来自发射器的准直光束，并且使该光束重新聚焦并产生相对较宽且部分地准直的(例如，发散的)光束。在另一示例中，光学器件可以被配置为将来自发射器的准直光束会聚到光发送器与光接收器104之间的一点，在此点处光束可以被散布以用于由光接收器接收。
同样如图所示，收发器模块202可以包含光接收器104，该光接收器104具有一个或多个检测器，诸如一个或多个PIN光电二极管、雪崩光电二极管(APD)、光电倍增管(PMT)等(例如示出了检测器214的阵列)。接收器可以被用来检测传入光信号，并且一个或多个光学器件216(例如，一个或多个透镜、反射镜)可以被用来将传入光聚焦到接收器上。诸如摇摄和倾斜(pan-and-tilt)控件的瞄准系统108可以被用来移动光发送器和接收器两者并且将它们瞄准适当的区域。
瞄准系统108可以被一般地配置为指向收发器模块202。然而，在一些示例中，光发送器102或接收器104可以彼此独立地被指向。如图2C和图2D中所示，在一些示例中，瞄准系统还可以包括被配置为具体地指向光接收器的接收器瞄准系统218。同样如所示，在一些示例中，接收器瞄准系统可以位于收发器模块内。接收器瞄准系统可以允许将光接收器对准到传入光束以优化信号。光束可以承载数据，或者如在下面说明的，可以承载心跳(heartbeat)。
图3例示了被改装到诸如手机信号塔的现有网络基础设施300的一个或多个光收发器阵列202。在诸如图3中所示的场景中，每个收发器阵列可以提供120°的覆盖范围，并且三个阵列可以提供360°的覆盖范围。或者在一些示例中，单个收发器阵列可以被配置为诸如通过按照形成3D形状的多个方向布置的阵列来提供360°的覆盖范围。这些阵列可以包括广范围数目的光发送器102和光接收器104，从低于十个至几百个，到上千个并且直到一百万个或更多个。在一些示例中，可以在光发送器与接收器之间迅速地切换每个用户，这可以促进系统的安全操作。
图4A和图4B例示了根据一些示例性实施例的移动装置400，诸如可以被配备有包括光发送器102和光接收器104的光收发器402的智能电话。如所示，移动装置可以包括一个或多个上部收发器光学器件和下部收发器光学器件(孔径)以便能够接收适当的反射光束。在所示出的示例中，主要接收透镜404和主要发送透镜406可以位于移动收发器的底部，并且辅助接收透镜408和辅助发送透镜410可以位于移动装置的顶部。在一个示例中，光双工器412可以与下光导管414和上光导管416相结合地使用，以将光从主要透镜或辅助透镜适当地导向光收发器。
在一些示例中，移动装置400可以是现有改装的移动装置，或者被制造为集成移动装置。一些示例的移动装置可以将GPS定位和装置定向与光发送器102或光中继节点的知识结合，以使得该移动装置能够发起发送-接收握手协议或者对发送-接收握手协议的发起做出响应，以优化光发送器/光中继节点之间的光链路。一些示例中的移动装置可以包括数字接口、具有可转向日光遮蔽的接收器光学器件、激光发送器/调制器、光束引向器以及接收器/解调器。
如以上所指示的，可以使用许多不同的技术中的任一种来产生发散光束通信系统100中的光束发散。在一个示例中，可以在光发送器102中使用诸如激光二极管或光纤的点源发射器，并且可以通过使用诸如光源不在焦点处的凹透镜、凸反射镜或凸透镜的适当的光学器件来生成发散光束。图5A和图5B例示了用于使用诸如VCSEL的发射器208的阵列的扩展源来实现光束发散的示例性技术，其中扩展源大于在光发送器处的光束的光斑尺寸。如图5A中所示，可以将具有扩展源的发射器放置在一个或多个光学器件502(例如，光学器件210、212)的焦点处。阵列的发射器可以发出相应的准直光束504但是由于阵列的空间范围而具有不同的角度。这可以产生总发散光束，其发散角可以通过阵列的尺寸和光学器件的焦距来设置。
如图5B中所示，发射器208的阵列可以更靠近或者更远离光学器件502，并且由此远离其焦点506，以增加发散的程度。在这种情形下，发射器可以再次以不同的角度发出相应的发散光束508。在这种情形下的发散角可以通过阵列的尺寸以及由于阵列远离光学器件的焦点的情形而导致的失焦的程度来设置。
在另一示例中，发送器102可以使用具有接近于所期望的系统发散的固有发散的源发射器。例如，VCSEL激光器的发散角可以小于边缘发射激光二极管的发散并且可以接近系统所需的发散。在这种情况下，可能不需要额外的光学器件。应该注意，前述方法的某种组合也可以被用来实现所期望的系统光束发散。还应该注意，垂直和水平方向上的发散不同可能是有利的。
具有发射器的阵列的扩展源的发送器102对于期望的操作也可能导致不同的功率极限，所述期望的操作在一些示例中可能至少部分地与眼安全有关。大多数激光功率极限计算是在能够使光聚焦到非常小的点(大约20微米)的准直光束上预测的。在远场中，这对于扩展源来说可能是正确的极限，因为它将看起来几乎为点源。在远场中，因为光束在发散所以发散光束通信系统100可能已经低于期望的功率极限。然而，在更靠近发送器的近场中，功率水平可能大于准直光束所期望的功率极限。源发射器的扩展性质可以增加这个极限，因为扩展源可能未被聚焦到单个斑，而是相反可能被聚焦到一个区域。这个极限可能取决于光束发散、发送器之间的距离以及发射器被聚焦到哪里，但是可能增加所期望的功率极限。进而，这可以在不需要功率极限监视中的一些或全部的情况下简化系统设计并且降低成本。
尽管发送器102可以采用许多不同类型的发射器中的任一个，但是VCSEL阵列是还可以自然地导致扩展源的一种发射器的特别适合的示例。VCSEL阵列具有可以被并联布线的单独二极管的阵列，这对于高频高数据速率应用可能导致比期望输入电容更高的输入电容。一个当前的2W VCSEL阵列具有各自与标称0.4pF电容并联的大约1000个二极管，这产生400pF的输入电容。在一些示例中，布线可以被重新配置为给作为按照并联配置连接的10个不同的子阵列的VCSEL阵列供电，这些阵列中的每一个具有100个二极管并且因此具有40pF的电容。可以使用各自驱动40pF的10个单独的放大器调制器来驱动经连接的子阵列。
在另一示例中，布线可以被重新配置为按照串联配置连接10个子阵列，这可以将电容减小至4pF(40pF/10)并且允许利用单个放大器调制器来驱动所有1000个二极管，从而消除多个放大器同步和相位的问题。用于串联配置的驱动电压还可以增加十倍，这可以增加驱动阵列的效率，因为以较低电流驱动较高电压负载比以较高电流驱动较低电压负载可能更容易。还可以减小功率损失。
根据示例性实施例，然后，可以按照各种并联和/或串联配置布置诸如VCSEL的发射器的阵列，以从最大数据吞吐量速率和功率效率两点优化电气设计。还可以定制电气驱动波形，以使由于松弛谐振、断路状态反冲(off-state bounce)和其它效应而导致的接通和/或断开超调(overshoot)或振荡的影响最小化。波形可能取决于有多少单独的VCSEL串联或并联或其某种组合。
除上述之外，VCSEL可以向本公开的示例性实施例提供许多其它好处。VCSEL可能更易于直接调制，因为每个激光器元件固有地具有短腔。直接调制可以导致更简单且不太昂贵的系统设计。每个激光器的更高可靠性以及阵列的并联性质可以导致非常高的系统可靠性和长MTBF(平均故障间隔时间)。即使阵列内的几个激光器发生故障，功率的总减小也可能是最小的。高效率以及VCSEL阵列的扩展性质可以使来自阵列的热生成和传递的问题最小化。这两者对于高带宽低成本FSO系统来说是重要的。
VCSEL阵列也可以包括每阵列更大数目的元件、更高的总输出功率以及更高的调制带宽。VCSEL通常是相当高效的，在一些情况下高于40％。在一些示例中，同一阵列可以包括具有多个波长的VCSEL，并且阵列可以包括独立地控制或者调制的子部。可用波长还可以扩大。当前大多数VCSEL阵列在800nm与900nm之间，但是在400nm直到800nm以及包括在1310nm附近和在1550nm附近的更典型的电信波长中的一些的可见范围之上，波长可以变得可用。VCSEL阵列的一部分可以作为心跳(在下面更详细地说明)，其中它可以被以比阵列的数据部分慢得多的速率调制并且生成期望的功率水平。
现在转向光接收器104，许多通信系统已使用相当小的PIN光电二极管或APD，其在一些示例性实施例中可能是适合的。小尺寸使得能实现高带宽并且还与光导纤维的芯尺寸匹配，光导纤维的芯尺寸范围从～5微米直到200微米或更大。根据示例性实施例，光束在检测器处可以是数厘米到数米宽，这可以受益于对来自一厘米到多厘米宽的孔径的光子的收集。这可以用光学器件(诸如透镜、反射镜等)实现，但是在接收角与孔径尺寸之间存在权衡。这可以通过使用具有较大检测器的光接收器来减轻。检测器可以和收集孔径一样大，并且光接收器可能不具有任何光学器件。在另一示例中，光接收器可以包括非常大面积的检测器并且仅在检测器前面具有滤光，或者可以在组成检测器阵列的单独的检测器前面具有微透镜。
图6A例示了根据本公开的一个示例性实施例的光接收器104。如图所示，与光发送器102类似，光接收器可以包括检测器214的阵列的扩展源以及一个或多个光学器件602(检测器的阵列的尺寸大于在光发送器处的光束的光斑尺寸)。检测器的阵列可以具有与在光发送器处的发射器的阵列类似的优点。例如，通过基于许多小检测器构建检测器，总系统带宽可以保持相当高。同样地如果几个检测器发生故障，则可以减小对总系统性能的影响。
图6B例示了类似的光接收器，但是还包括诸如高折射率材料(诸如红宝石、蓝宝石或一些塑料或玻璃)的一个或多个半球透镜604的一个或多个光学器件，与检测器214的阵列极为接近地放置以增加光增益。这个增加可以随材料的折射率的平方进行。图示的是单个透镜正好在检测器的阵列前面，在一些示例中，透镜可以替代地是位于检测器的阵列的各检测器上方的微透镜的阵列，其可以减小填充因素对阵列的影响。这些微透镜可以被形成并布置为在检测器的阵列中的检测器上方及检测器之间覆盖尽可能多的区域。
在具有附加光学器件的检测器214的阵列的情况下，光接收器104的接收角可以像在不比先前的FSO系统高得多的情况下一样高，因为光增益不必如此大以维持相同或类似的光孔径。随着检测器的尺寸从200微米增加到500微米，然后增加到1mm且更多，接收角可以从一度的一小部分增加直到几度，同时维持0.1至100或更多厘米的孔径尺寸。
简要地返回到图1，在一些示例中，可以通过在光发送器102和/或接收器104中具有可调节焦点、散光和/或瞄准调节来改进光束的发散性质以及在非视线(NLOS)情况下的变化条件，可以以许多不同的方式实现所述可调节焦点、散光和/或瞄准调节。在一些示例性实施例中，光发送器102和/或接收器104可以包括一个或多个动态光学器件，其可以被配置为使得能实现前述可调节焦点、散光或瞄准调节中的一个或多个。这些动态光学器件可以包括一个或多个表面，其可以随着时间的推移而改变，并且其在一些示例中可以被电力地控制。适合的动态光学器件的示例包括液体透镜、可变形反射镜等。更具体的示例包括由Varioptic或Optotune制造的液体透镜。液体透镜尤其是一般地为诸如手机相机的成像应用而设计的，但是可以适用于发散光束通信系统100。它们是相对较小且低成本的，并且可以通过跨越装置中的膜片的电压或电流来操作。还存在散光可用的液体透镜，诸如来自Varioptic的Visayan。
图7A例示了包括一个或多个动态光学器件702的光发送器102，动态光学器件702被配置为使得能实现光束的可调节焦点。对于光发送器，可调节焦点可以使得能够从发散702到类准直704到会聚706，调节在离光发送器的给定距离处的光束直径。例如，在100m直到1km的短距离建立中，可能期望增加光束发散，使得功率水平在尽可能多的光束路径上低于所期望的功率极限。相反，在光束将行进超过1km直到10km或更多的实例中，可能期望减小光束发散，使得在接收器处的功率水平保持高于给定数据速率所需要的阈值。同样地，在诸如雾的一些天气条件下，可能期望减小光束发散，因为可能存在通过雾的散射而生成的附加光束发散。
图7B、图7C和图7D例示了用于在光发送器102中使得能实现散光由此垂直发散708可以与水平发散710不同(在垂直轴上的聚焦与在水平轴上不同)的动态光学器件702的使用。这在诸如水平光束扩展可能超过垂直光束扩展的塔对地场景的情况下可能是所希望的。光接收器104可以垂直方向地在地面的几米内，但是可以在水平地几十或上百米内的任何地方，尤其是在离塔1km或更多的距离处。
图7E例示了用于在光发送器102处使得能实现瞄准调节的动态光学器件702的使用。如以上在瞄准系统108的上下文中所说明的，动态光学器件可以使得能够从直线712到+/-0.6度714、716调谐光束，但是应该理解，较大或较小的角度也是可能的。在一些示例中，这可以允许～8个比特或256个计数的调节分辨率(1.2度/256＝80微弧度/分辨率)。
如图8中所示，在一些示例中，示例性实施例的发散光束通信系统100可以从单个发送点(诸如从多个光发送器102的阵列或具有发射器208的阵列的发送器)支持多个光束，发射器208可以支持快速光束抖动802。这个光束抖动然后进而可以被用来减轻使窄光束的服务质量退化的闪烁和衰落效应。宽光束可以以比光束角大得多的抖动角而迅速地抖动，这可能产生在一致地击中期望的光接收器104的光束，同时使闪烁和衰落效应最终达到平衡。这个抖动或快速光束路径移位还可以提供增加的安全性，其中光束移位使得光束路径从不在一个区域中驻留达不希望的时间量。
图9A例示了包括被配置为使得能实现光束的可调节焦点的动态光学器件902的光接收器104。这个可调节焦点可以方便光接收器与光束的特性相匹配。所以针对LOS情况，如图9B中所示，光接收器可以期望无限的或几乎无限的焦点，因为传入光束可以在接收器处有效地被准直。对于天气方面的LOS，可能期望聚焦在光发送器102与光接收器之间的某个中间点处，因为由于雨、雪、雾或其他而导致的散射可以在光发送器与接收器之间生成有效的源点。如图9C中所示，这对于NLOS的情况也是类似的，其中可能同样地期望聚焦在光发送器与接收器之间的某个中间点上。
图9D和图9E例示了用于在光接收器104处使得能实现瞄准调节的动态光学器件902的使用。如图所示，动态光学器件可以允许类准直光束的调节，使得它击中单个检测器或光接收器的检测器214的阵列的子集。这可以在与在光接收器处调节焦点相同的时间内实现。
可以以许多不同方式中的任一种实现至少用于通信的光发送器102与接收器104之间的初始对准。图10例示了以上所引入的几个示例性技术。如图所示，发散光束通信系统100可以被配置为提供高功率高速光通信1002。在一些示例中，RF系统可以为发散光束通信系统提供支持，并且在光发送器与接收器之间提供低功率RF通信1004以确立它们的位置并且协助它们的对准。这个RF通信可以包括由可以协助光发送器和接收器的对准的一个或多个RF信号的集合组成的RF心跳信号。并且在下面更详细地描述的一些示例中，光发送器可以被配置为发出由一个或多个宽光束的集合组成的光心跳1006(光心跳信号)，该宽光束可以协助光发送器和接收器的对准。在一些示例中，可以对心跳信号进行调制以承载或者指示光发送器的位置(地理位置)，并且/或者一个信号可以使光接收器将其位置或其位置的指示返回给光发送器，使得光发送器和接收器可以被对准(或者可以以其它方式调节它们相对于彼此或光束的定向)。光发送器和接收器可以知道它们的位置，或者在一些示例中，可以诸如经由GPS或其它地理定位方法获取它们的位置。或者在一些示例中，光发送器或接收器可以诸如使用被嵌入到心跳信号中的时间戳来确定另一个光发送器或接收器的位置。
根据示例性实施例，由光发送器102发出的光心跳可以是在所有情况下处于或者低于期望的功率极限的光束，并且该光束可以被以慢于系统的高功率高速光通信1002的速率调制。对于对准情况，光发送器可以发出心跳(光学或RF)。光接收器104可以诸如通过具有大视场(例如，10度直到180度或更大)的相机来检测心跳，该相机被配置为捕获心跳的至少一部分。光接收器可以识别光发送器心跳，并且根据需要移动，以与光发送器对准。或者在包括光接收器的阵列的一些示例中，与光发送器最紧密地对准的阵列的光接收器中的一个或多个可以随着其它光接收器被选择性地停用(例如，断开)而被选择性地激活(例如，接通)，而无需移动光接收器中的任一个。可以采用用于光接收器的选择性激活或停用的其它技术，包括基于所接收到的光束的相对功率或者通过心跳的技术。在任何事件中，光接收器然后可以通过关联的发送器(光学或RF)将心跳发送回给光发送器。光发送器通过关联的接收器可以接收接收器心跳，并且开始发送高速光通信。在一些示例中，诸如在高速光通信的发送之前，接收器心跳还可以导致光发送器与光接收器的提高的对准。
在一些示例中，光发送器102可以监视来自光接收器104的心跳。在光接收器心跳落在阈值水平或其它准则以下的实例中，光发送器可以禁用高功率高速光通信1002。光发送器然后可以等待，直到它再次拾取或者以其它方式检测到接收器心跳(高于阈值水平或其它准则)为止，并且然后重建高功率高速光通信。关闭时间可能足以使光曝光水平保持低于所期望的功率极限，但是可以允许尽可能快地(例如，大约数毫秒或更快)重建高速光通信。例如，在光束路径中来回地挥舞的树枝每当穿过光束时可以顷刻中断光束，但是足够快的重新开始可以使对通信吞吐量的任何影响最小化。
在一些示例中，可以在光接收器内并且根据许多不同的技术来至少部分地实现光发送器102与接收器104之间的对准。图11A和图11B例示了两个示例。如图11A中所示，光接收器可以包括滤光器或部分拾取反射镜1102，该滤光器或部分拾取反射镜1102被配置为通过适当的光学器件1104来反射所检测到的光束的一部分并且到相机1106。相机可以被配置为捕获光束的反射部分，并且与光接收器的电子装置进行通信以基于所捕获的光束的反射部分来驱动粗略转向(例如，电机、接收瞄准系统218)和/或精细转向(例如，MEMS反射镜、动态光学器件或其它方法)。在一些示例中，光发送器的发射器208的阵列可以包括一个或多个发射器，或者光发送器可以包括一个或多个附加的发射器，其被配置为以小于相机的帧速率的速率发出光束以允许跟踪、锁定和心跳。
如图11B中所示，在另一示例中，光接收器可以包括被定位在限制孔径1110的周边附近并且可能被限制孔径1110遮蔽的多个光电二极管1108(例示为光电二极管1108a、1108b、1108c、1108d的四个)。在这个示例中，光电二极管可以被配置为检测在光电二极管处所检测到的光束(相对于在检测器214处所检测到的光束的总功率)的相对功率，并且与光接收器104的电子装置进行通信以驱动粗略转向(例如，电机、接收瞄准系统218)和/或精细转向(例如，MEMS反射镜、动态光学器件)。在一些示例中，可以使用仅三个光电二极管，诸如环绕圆间隔开大约120度定位的光电二极管1108a、1108b和1108c。在更特定示例中，对于在相应的光电二极管处检测到的相对功率能够将反馈控制概括如下：
如果[光电二极管1108b>光电二极管1108c]，则在第一方向上(例如，向右)摇摄；
如果光电二极管1108b<光电二极管1108c，则在相反的第二方向上(例如，向左)摇摄。
如果[光电二极管1108a>(光电二极管1108b+光电二极管1108c)/2]，则在第三方向上(例如，向下)倾斜；以及
如果[光电二极管1108a<(光电二极管1108b+光电二极管1108c)/2]，则在相反的第四方向上(例如，向上)倾斜。
尽管在使光接收器104转向或者摇摄的上下文中进行描述，但是如以上所说明的，在包括光接收器的阵列的一些示例中，可以在无需移动光接收器的情况下实现对准。在这些示例中，与光发送器最紧密地对准的阵列的光接收器中的一个或多个可以随着其它光接收器被选择性地停用(例如，断开)而被选择性地激活(例如，接通)，而无需移动光接收器中的任一个。
如以上所说明的，在一些示例中，单个光发送器102可以为多个接收器(诸如(针对LOS情况)驻留在其光束的椎体内的那些接收器)服务。如以上所说明的，这可以以许多不同的方式(诸如根据一个或多个复用技术)实现。图12A例示了一个示例性复用技术，即，光谱复用。如图所示，可以将光发送器的发射器208的阵列划分成具有不同的相应波长(被示出为λ1、λ2、λ3和λ4，并且其中单独的发射器用于前述心跳)的一个或多个发射器的组。如图所示，这些组的发射器可以被按区域布置在阵列中；或者在其它示例中，发射器可以彼此散布。光接收器104可以在它们的检测器214中的一个或多个中的全部或部分前面包括一个或多个波长特定或波长可调谐滤光器1202。在一些示例中，可调谐滤光器可以随着发射器的波长由于诸如变化环境条件(特别是温度)的各种条件而偏移而可动态地调谐。
除光谱复用之外或者代替光谱复用，发散光束通信系统100在一些示例中可以诸如以图12B中所示的方式采用空间复用(SMX)。如图所示，光发送器的发射器208的阵列可以被按照可以被独立地调制的发射器的图案(例如，一个或多个发射器的组的图案)布置(被示出为区域1、区域2、区域3、区域4，并且其中单独的发射器用于前述心跳)。可以按照检测器的对应图案类似地布置光接收器104处的检测器214的阵列。在一些示例中，系统可以在清晰条件下使用空间复用。系统然后可以在显著散射(例如，来自天气)或NLOS情况下关闭或者减少空间复用，从而潜在地减少总带宽但是维持通信容量。
各种示例中的发散光束通信系统100的进一步特征包括光发送器102尝试多个路径和/或发信号通知用户以使它们的光接收器104转动或者移动，以优化它们的对准并且提高接收信号速度和服务质量。可以诸如通过文本、符号、语音、音调或其它光、声、触觉或其它信号以许多不同的方式实现这种向用户发信号通知。在更特定示例中，光发送器可以发信号通知用户移动到窗户，或者移动到它们的前面、后面、左边或右边。在另一特定示例中，光发送器可以发信号通知用户按圆转动，并且发信号通知用户何时停止转动。或者在又一个示例中，光发送器可以发信号通知用户使光接收器移动、转动或者倾斜。
在一些示例中，回复反射可以被用来促进安全的功率水平。根据这些示例，光发送器102或光发送器的阵列可以发出短脉冲，并且包括被配置为监视任何返回(反射)信号的一个或多个检测器或其它传感器。在非常短时间延迟下的大强度反射可以指示在接近范围的发送光束中的对象，这可以使光发送器或阵列为了支持阵列的不同发射器或不同发送器而停止发出该光束。系统的响应速度可以促进安全操作，因为可以在到达仅可能随着光能在足够长的时间段期间的充分累积而出现的特定已知且规定的能量阈值之前切断光束。
在一些示例中，发散光束通信系统100的环境的3D建模可以被用来优化其吞吐量。这可以使用现有地形和城市架构数据库，以及由系统收集的成像数据，或其任何组合来实现。在更特定示例中，回复反射强度和时间延迟能够被用来实现LIDAR型能力。根据环境的3D模型，可以针对固定和移动光发送器102及接收器104两者来预测最优光束路径。在移动光接收器的情况下，可以将接收器的路径建模成3D模型以创建用于由移动用户接收的最优光束路径。3D模型可以是自适应的，从而对诸如良好反射器118(例如，移动到不同位置的停泊卡车)的改变做出响应。由系统获得的光束反射和透射强度信息可以被用来改进初始3D模型，或者用来创建新3D模型。
在一个示例中，可以使用固定延迟路由器(光中继节点)，在该固定延迟路由器中，可以在大规模外部载波系统(例如，手机宏小区站点)和本地路由器系统两者中使用相同的分量和频率。这可以提供改进系统效率的规模经济和共性
在一些示例中，可转向中继光束可以由发散光束通信系统100生成。协作用户/路由器可以将信号从宏小区中继到移动用户或其它用户。
在一些示例中，可以例如以非常低权重且低功率光中继节点的形式部署自主固定或移动光发送器、接收器或收发器(有时被称为小区节点)。在这些示例中，轻便的光中继节点可以被部署在空中(例如，在气球、无人机、飞船中)或者在建筑物、塔、电杆、树或高于地平面的其它位置上。在一个示例中，这些自主光发送器、接收器或收发器可以是太阳能供电的。
在一些示例中，外部、内部或两者的光导可以被用来传播来自发散光束通信系统的信号。
在一些示例中，快速光束频率扫描可以被用于安全、干扰抑制和/或SNR改进以防止太阳能背景和多径失真。在一个示例中，所有半导体无动性激光器(all-semiconductorakinetic laser)可以被电力地调谐并且避免任何机械或机电组件的使用。
在一些示例中，可以创建自组织网络，其中活动用户对网络做出贡献并且形成网络。
在一些示例中，可以通过使用与一些移动电话电池类似的机载装置来将发散光束通信系统100集成到诸如移动电话、平板或个人计算机的现有移动数据传输装置中，其中光组件可以与现有移动装置集成在一起。
在一些示例中，可以在光接收器架构中使用机械阱以允许实现来自光发送器的单个光束的选择，从而减少多径问题以及入射日光对接收系统上的影响。在另一示例中，在光接收器104处的光准直器可以拒绝窄接收范围外的信号，从而改良多径效应。
可以以许多方式解决发散光束通信系统100中的多径因素和干扰。在一个示例中，光发送器102与接收器104之间的很可能最强的信号路径(无论是直接的还是反射的)可以足够短以使得具有高于拒绝阈值的信号强度的其它路径并没有比较强信号路径长太多或短太多以导致符号间干扰。这种情形可以适用于在相对较低的数据速率下的相对较短的路径。在一个示例中，可以使用编码来减轻多径干扰的效应。在另一示例中，可以对光信号进行频分编码以消除(account for)多径环境中的脉冲的拖影并且减少符号间干扰。接收器可以重建信号。因此，可以使用正交频分复用(OFDM)来防止多径问题。在另一示例中，同步的接收器时间选通可以被用来将光子限于仅行进最短或最高效路径的那些。
为了进一步例示示例性实施例的发散光束通信系统100，现在将参考图13至17、图18A和图18B，这些图例示了可以在其中部署示例性实施例的各种场景。如上面所说明的，某些光接收器104a可以检测来自光发送器102的入射光束，然而其它光接收器104b(或甚至相同的接收器)可以检测来自反射器118(包括散射器)的反射光束(包括散射光束)。图13例示了建筑物1302可能阻挡发出的光束(作为阻挡的入射光束1304示出)由光接收器104b接收。如图所示，然而，诸如地面或另一建筑物的适当反射器上的反射点1306可以产生可以由光接收器104b接收的反射光束1308。光接收器在这里可以是固定的或移动的，但是对于移动接收器来说，对入射或反射光束的附加对准可能是期望的或需要的，并且灵敏度问题可能要求额外考虑。
图14例示了发散光束通信系统100在固定接收器环境中的示例性部署。如图所示，光发送器的阵列(诸如光收发器阵列200)可以被放置在主机建筑物1402、塔或其它位置上。光发送器可以产生光束，该光束包括具有到一个或多个光接收器104a(被示出在建筑物1406中)的直接视线(LOS)的入射光束1404以及可以被反射或者散射以产生可由一个或多个光接收器104b(被示出在另一建筑物1412中)检测的反射/散射光束1410的另一第二入射光束1408。在图中未示出的另一示例中，反射/散射光束可以由直接视线光束产生。光接收器104a可以从直接视线光束直接接收光，并且它还可以从第二光束接收直接视线光。第二光束可以被用来生成反射/散射光束，其可能在性质上是朗伯的并且遍及全180度使光散射。这个第二光束然后可以由光接收器104b接收。在图中未示出的另一示例中，固定反射或散射表面或两种类型的表面可以在第二光束的初始入射点处被附接，以生成可以将光更高效地导向光接收器104b的反射/散射光束。
如上面所指示的，图14的场景中的光接收器104a、104b可以是固定的。在其它示例中，并且如在下面在示例性场景中更特别地描述的，光接收器中的任何一个或两者可能替代地可在特定区域内移动或者是移动的。在一个示例中，用户可以以物理方式将他们的接收器携带或者放置到特定区域内的不同位置。在另一示例中，任何一个或两个接收机可以被配备有允许它们在一个或多个(例如，六个)自由度上自主地移动以改进接收的装置。
图15A例示了入射光束1502通过建筑物(例如，建筑物1410、1412)、车辆或其它结构的窗户1504的接收，该光束可以反射离开天花板、地板或墙壁以创建反射光束1506。图15B例示了入射光束由路由器(光中继节点)1508接收以便作为另一入射光束中继的类似场景，该另一入射光束类似地可以反射离开天花板、地板或墙壁以创建反射光束。在任何一个实例中，可以直接接收入射光束。还可以直接接收反射光束，或者它们可能产生形式为诸如可以通过门槛间隙1512的传播辐射的残留辐射1510。因为系统能够适于从在直接接收的入射或反射光束中发生的那些功率水平到在传播辐射中发生的那些功率水平变动的各种功率水平，所以发送路径是不关键的并且系统能够按需获得入射、反射或残留辐射。
图15C更具体地例示了根据一些示例性实施例的路由器(光中继节点)1508。如图所示，路由器可以包括外部布置和内部布置。外部布置可以包括具有被配置为接收光束的一个或多个外部检测器1514的一个或多个外部光接收器，并且内部布置可以包括具有被配置为重传光束的一个或多个内部发射器1516的一个或多个内部光发送器。尽管未单独地示出，但是在一些示例中，内部布置还可以包括具有被配置为接收光束的一个或多个内部检测器的一个或多个内部光接收器，并且外部布置可以包括具有被配置为重传光束的一个或多个外部发射器的一个或多个外部光发送器。在一个特定示例中，外部和内部检测器可以覆盖100cm2的区域，并且提供1000个光子/比特；并且内部和外部发射器可以覆盖±45度。内部发射器可以能够20度瞄准，然而外部发射器可以能够0.5度瞄准。
图16例示了发散光束通信系统100在移动接收器环境中的示例性部署。如图所示，再次，光发送器的阵列(诸如光收发器阵列200)可以被放置在主机建筑物1402、塔或其它位置上。光发送器可以产生包括入射光束1602的光束以及地面反射光束1606，入射光束1602产生建筑物反射光束1604。包括入射光束和反射光束的这些光束然后可以由一个或多个光接收器104a、104b接收。在一些示例中，接收器可以故意地从入射光束“移开”以获得比直接光束更稳定但是功率水平较低的光束。例如，从建筑物或地面反射的辐射可能比来自收发器阵列的直接辐射更恒定。可以以许多不同的方式(诸如通过SNR)做出这个确定。因此，光接收器可以优选地检测或者以其它方式锁定到反射光束上，并且避免入射光束的直接检测。
图17例示了发散光束通信系统100在城市和乡村(例如，树木繁茂的)环境中的示例性部署。再一次，这个示例包括被放置在主机建筑物1402、塔或其它位置上的光发送器的阵列，诸如光收发器阵列200。如这个场景中所例示，来自光发送器的入射光束1702可以从正常相对均匀的大气颗粒散射，并且因此产生反射/散射光束1704。附加地，入射光束可以从不均匀的大气颗粒(诸如由屋顶排气口产生的水蒸汽1706)或雾、云、烟等散射，并且因此产生附加的反射/散射光束。这些反射/散射光束可以由固定或移动光接收器接收。在一些示例中，诸如蓝至紫外波长的较短波长由于它们较大程度的散射而可能是有利的。
图18A和图18B例示了发散光束通信系统100在城市和乡村(例如，树木繁茂的)环境中的其它示例性部署。在这些示例中，系统包括配备有光发送器或包括光发送器的收发器(未单独地示出)的一个或多个人造卫星1802(诸如在卫星的增值网络中)。在这个场景中，卫星可以被配置为在城市环境和/或乡村环境中发送几乎或有效垂直的光束。这些光束可以由固定或移动光接收器接收。这些光束可以由固定或移动光接收器接收。在一些示例中，诸如红至红外波长的较长波长由于它们对云1804的较好穿透而可能是有利的，诸如图18B中所示。
图19例示了根据本公开的示例性实施例的方法1900中的各种操作。如在块1902和1904处所示，该方法可以包括：分别用数据对光束进行调制；以及由光发送器发出承载数据并且没有人为限制的光束以用于由被配置为从光束中检测并恢复数据的光接收器接收。可以按大于0.1度的发散角并且按小于0.05％的光子效率发出光束。或者在另一示例中，可以按大于0.1度的发散角并且按小于0.01％的光子效率发出光束。并且光子效率可以使可由光接收器检测的光束的光子的数目与由光发送器发出的光束的光子的数目联系起来。
本公开的示例性实施例因此提供了用于光通信以及更特别地用于发散光束通信的发散光束通信系统100和方法。与常规的FSO通信相比，示例性实施例的系统和方法使用宽得多的光束和高得多的功率水平。光束的功率的有效部分可能相对于更常规的FSO通信被“浪费”，但是较宽的光束使瞄准和跟踪变得完全不必要或者变得容易且负担得起。这些高功率宽光束还使得能实现移动用户的灵活性、更高服务质量以及非视线(NLOS)和阻挡视线应用的可行性，在所述非视线(NLOS)和阻挡视线应用中，反射和散射传播可以使得能实现高数据速率吞吐量和高服务质量。
发散光束通信系统100和方法可以对于高于1Gb/s并且在一些示例中高达1Tb/s或更高的高数据速率无线通信采用高功率固态激光器或其它发射器。在一些示例中，该系统还可以针对每个通信链路来优化光束发散。光束发散角可以是固定的或者缓慢地或迅速地变化。该系统在光发送器102与光接收器104之间不需要视线。该发散光束通信系统中使用的发射器发射功率可以是这样的，即可甚至在多个反射情况下实现非常高的数据传输速率。
发散光束通信系统100可以被以许多不同的方式(诸如基于光子或传输效率及其光束的发散)与传统FSO传输对比。这里，光子效率可以使可由光检测器检测的光子的数目与由光发送器发出的光束的光子的数目联系起来。在这方面，可由光检测器检测的光子的数目可以通过其接收角来限定或者以其它方式约束。在一些示例中，光子效率可以被表示为由光接收器104检测到的光子数(AR)除以由光发送器102发出的光子数(AT)的比(E)(E＝AR/AT)。因数E可能受到许多变量(包括光束发散或光束宽度)影响。
虽然传统方法可以实现传输的高效率(E＝10％至90％)，然而它要求具有大约0.0005至0.005度的发散的非常窄的光束，这进而要求它在更高成本下被以极端精度瞄准。另一方面，示例性实施例的发散光束通信系统使用更宽的光束。在一些示例中，其光束可以仅达到0.01％至0.00001％的光子效率，但是更宽的光束具有大约0.2至6度的光束发散，这可以放松瞄准要求，使得瞄准系统是高度负担得起的。在其它示例中，光束发散角可以在0.02至20度、0.1至10度等的范围内。在更一般情况下，在一些示例中，发散光束通信系统可以按大于0.1度的光束发散并且按小于0.01％的光子效率进行操作。或者在其它示例中，发散光束通信系统可以按大于0.1度的光束发散并且按小于0.05％的光子效率进行操作。
在现有FSO视线系统中，光发送器通常是仅0.01至10mW，或者可能为30至50mW。这些FSO系统一直受到激光器的成本和安全关注限制，这已经意味着高于约100mW或者高于1W的功率水平一直是经济上不可行的和/或不安全的。这些系统因此已寻求使激光器功率最小化。相比之下，本公开的各种示例性实施例的发散光束通信系统100设法利用增加的而非最大可用的激光器功率。
在发散光束通信系统100中，光发送器102的功率可能不是系统的局限，并且可以仅呈现与能耗和成本有关的经济挑战。现有无线RF系统使用消耗5kW至50kW的峰值功率来为大约1000个客户服务的宏小区塔架构。这种情况是每客户大约5-50峰值瓦特。这个功耗的利用分数或占空比是相当低的，大约0.1至1％，受到光谱利用限制。当前的无线RF系统的能量成本仅在每客户每月US$0.1至1的范围内。当前的高速无线RF系统每月每客户收费大约US$30至100。因此，能量成本覆盖了服务的价格的仅约0.1至1％。
经济上，示例性实施例的发散光束通信系统100可能受到能量成本挑战的原因在于超过总服务成本的合理分数(即，10％)的能量成本可能导致经济问题。因此，在一些示例中，系统可以基于在典型的光谱利用率下的能耗以每客户约100W至1000W峰值功率操作。上端功率输出在具有更频繁密集雾的区域中可能是特别有利的，并且下端可能可用在更清晰空气的区域中。如上面所说明的，这些功率水平可能是现有FSO系统的功率水平的十倍或超过一百万倍。例如，在系统只有当有必要通过浓雾驱动信号时才使用上端功率输出的情况下，情况可能是这样的，所述浓雾可能仅在几个百分点的地理区域中发生，然后每月仅发生百分之几个小时。
示例性实施例的发散光束通信系统100和方法还可以在没有无阻碍的直接LOS的情况下操作，从而使得与具有高度阻碍的或甚至完全阻止的LOS的光接收器104的通信能够到光发送器102。在一些示例中，接收器可以甚至故意地从光发送器“移开”以便改进服务质量，因为反射光束可以具有比直接入射光束少得多的变化。
示例性实施例的发散光束通信系统100和方法可以从单个发送点(诸如从多个光发送器102的阵列或具有发射器208的阵列的发射器)支持多个光束，这可以改进可靠性和服务质量。该系统还可以支持使从一个发送器或发射器到另一发送器或发射器的光束迅速地移位或抖动，使得光束路径从不在一个斑中驻留足够呈现不希望的情形得长时长。这个不断地移位光束和路径还可以使得能够不断地找到新的更多最优路径以维持不变地高服务质量。而且，宽光束的这个抖动可以用比光束角小得多的抖动角加以实现，并且可以提高光束击中其预定光接收器并且使闪烁和衰退效应最终达到平衡的可能性。
本公开的示例性实施例可以用硬件和软件的任何组合加以实现。如果被实现为计算机实现的设备，则可以使用用于执行上面所描述的步骤和功能中的一些或全部的装置来实现示例。
本公开的示例性实施例能够被包括在具有例如计算机可读存储介质的制品(例如，一个或多个计算机程序产品)中，所述计算机可读存储介质作为能够存储信息的非暂时性装置，可以与诸如能够将信息从一个位置承载到另一位置的电子暂时性信号的计算机可读传输媒体区分开。如本文中所描述的计算机可读介质可以一般地是指计算机可读存储介质或计算机可读传输介质。计算机可读存储介质使例如计算机可读程序代码装置被具体实现在其中，该计算机可读程序指令包括计算机可执行指令，以用于提供并且方便示例性实施例的机制。在这方面，计算机可读存储介质可以使计算机可读程序代码部分被存储在其中，所述计算机可读程序代码部分响应于处理器(硬件处理器)的执行，使设备执行本文中所描述的各种功能。制品能够作为包括前述处理器的计算机系统的一部分被包括，或者单独地提供。或者在一些示例中，制品可以被包括在发散光束通信系统100的一个或多个组件(诸如光发送器102、光接收器104、调制器106、瞄准系统108、控制系统110和/或数据源112)的电子装置中。
本文中所阐述的本公开的许多修改和其它实施例将被受益于在上述描述和所关联的附图中呈现的教导的与本公开有关的本领域的技术人员想到。因此，应当理解，本公开将不限于所公开的特定实施例，并且修改和其它实施例旨在被包括在所附权利要求的范围内。而且，尽管上述描述和所关联的附图在元素和/或功能的特定示例性组合的上下文中描述示例性实施例，但是应该了解，在不脱离所附权利要求的范围的情况下，可以通过替代实施例来提供这些元素和/或功能的不同组合。在这方面，例如，除以上显式地描述的那些元素和/或功能外的元素和/或功能的不同组合也被设想为可以在所附权利要求中的一些中阐述。尽管在本文中采用了特定术语，但是它们仅在通用和描述性意义上被使用，而不用于限制的目的。

Claims (27)

1.一种设备，该设备包括：
调制器；以及
光发送器，该光发送器耦接至所述调制器并且被配置为发出所述调制器要用数据进行调制的光束，所述光发送器因此被配置为发出承载所述数据并且没有人为限制的所述光束以用于由光接收器接收，该光接收器被配置为从所述光束中检测并恢复所述数据，
其中所述光发送器被配置为按大于0.1度的发散角并且按小于0.05％的光子效率发出所述光束，所述光子效率将可由所述光接收器检测的所述光束的光子的数目与由所述光发送器发出的所述光束的光子的数目联系起来。
2.根据权利要求1所述的设备，其中所述光发送器被配置为发出所述光束包括被配置为发出指向反射器的入射光束以通过所述入射光束的反射来产生反射光束，所述光发送器被配置为为了由所述光接收器接收所述反射光束而发出所述入射光束。
3.根据权利要求1所述的设备，其中所述光发送器包括被配置为发出所述光束的发射器的阵列，所述阵列的尺寸大于在所述光发送器处的所述光束的光斑尺寸。
4.根据权利要求3所述的设备，其中所述光发送器还包括光学器件，通过该光学器件，发射器的阵列被配置为发出所述光束，所述阵列的所述发射器被配置为发出相应的准直光束但是由于所述阵列的空间范围而具有不同的角度，所述阵列由此被配置为产生由所述相应的准直光束组成并且其发散角是通过所述阵列的尺寸和所述光学器件的焦距来设置的所述光束。
5.根据权利要求3所述的设备，其中所述光发送器还包括光学器件，通过该光学器件，所述发射器的阵列被配置为发出所述光束，所述阵列远离所述光学器件的焦点，所述阵列的所述发射器被配置为发出相应的发散光束，所述阵列由此被配置为产生由所述相应的发散光束组成的所述光束，并且其发散角是通过所述阵列的尺寸以及由于所述阵列远离所述光学器件的焦点的情形而导致的失焦的程度来设置的。
6.根据权利要求3所述的设备，其中所述光发送器被配置为执行复用以为多个光接收器服务。
7.根据权利要求1所述的设备，其中所述光发送器被配置发出具有可调节焦点或散光的所述光束，所述可调节焦点使得能实现对所述光束在离所述光发送器的给定距离处的直径的调节，并且所述散光使所述光束具有不同的垂直和水平发散。
8.根据权利要求1所述的设备，该设备还被配置为发送用于所述光发送器和光接收器的定向的心跳信号，所述心跳信号被调制以承载或者指示所述光发送器的位置，或者发送用于使所述光接收器将其位置或其位置的指示返回给所述光发送器的信号。
9.一种设备，该设备包括：
解调器；以及
光接收器，该光接收器耦接至所述解调器并且被配置为检测承载所述解调器要恢复的数据的光束，所述光接收器被配置为检测从光发送器发出并且没有人为限制的所述光束，该光发送器被配置为发出用所述数据调制的所述光束，
其中所述光接收器被配置为检测以大于0.1度的发散角并且以小于0.05％的光子效率发出的所述光束，所述光子效率将所述光接收器可检测的所述光束的光子的数目与由所述光发送器发出的所述光束的光子的数目联系起来。
10.根据权利要求9所述的设备，其中所述光接收器被配置为至少在所述光接收器不具有到所述光发送器的视线的一些实例中检测所述光束。
11.根据权利要求9所述的设备，该设备包括具有所述光接收器的光接收器的阵列，或者所述光接收器包括被配置为检测所述光束的检测器的阵列，并且
其中所述光接收器的阵列的光接收器或所述检测器的阵列的检测器被配置为基于它们相对于所述光发送器的定向而选择性地激活和停用。
12.根据权利要求9所述的设备，其中所述光束包括入射光束以及通过所述入射光束的反射产生的反射光束，所述光接收器在至少一个实例中被配置为优先地检测所述反射光束，并且避免所述入射光束的直接检测。
13.根据权利要求9所述的设备，其中所述光接收器包括被配置为检测所述光束的检测器的阵列，所述阵列的尺寸大于在所述光发送器处的所述光束的光斑尺寸。
14.根据权利要求13所述的设备，其中所述光束被空间复用以为多个光接收器服务，所述检测器的阵列是按照检测器的图案布置的，所述检测器的图案对应于被独立地调制的所述光发送器的发射器的图案。
15.根据权利要求9所述的设备，该设备还包括波长特定或波长可调谐滤光器，以使得所述光接收器能够检测被光谱复用以为多个光接收器服务的所述光束。
16.根据权利要求9所述的设备，其中所述光接收器被配置为检测具有可调节焦点的所述光束以促进所述光接收器与所述光束的特性相匹配，所述可调节焦点在至少一个实例中包括所述光接收器在所述光发送器与光接收器之间的某个中间点处的焦点。
17.根据权利要求9所述的设备，该设备还被配置为接收用于所述光接收器和光发送器的定向的心跳信号，所述心跳信号被调制以承载或者指示所述光发送器的位置，或者发送用于使所述光接收器将其位置或其位置的指示返回给所述光发送器的信号。
18.根据权利要求9所述的设备，其中所述光接收器包括被配置为捕获所述光束的一部分的相机，以及电子装置，所述相机被配置为与电子装置进行通信以基于所述光束的所捕获的部分来驱动粗略或精细转向，以至少部分地定向所述光接收器和光发送器。
19.根据权利要求9所述的设备，其中所述光接收器包括被定位在所述光接收器的限制孔径的周边附近并且被所述光接收器的限制孔径遮蔽的多个光电二极管，所述光电二极管被配置为检测所述光束的相对功率，所述光接收器还包括电子装置，所述光电二极管被配置为与所述电子装置进行通信以基于所述光束的所述相对功率来驱动粗略或精细转向，以至少部分地定向所述光接收器和光发送器。
20.一种方法，该方法包括：
用数据对光束进行调制；以及
由光发送器发出承载所述数据并且没有人为限制的所述光束以用于由光接收器接收，该光接收器被配置为从所述光束中检测并恢复所述数据，
其中所述光接收器是以大于0.1度的发散角并且以小于0.05％的光子效率发出的，所述光子效率使由所述光接收器可检测的所述光束的光子的数目与由所述光发送器发出的所述光束的光子的数目联系起来。
21.根据权利要求20所述的方法，其中发出所述光束包括发出指向反射器的入射光束以通过所述入射光束的反射来产生反射光束，所述入射光束是为了由所述光接收器接收所述反射光束而发出的。
22.根据权利要求20所述的方法，其中所述光束由所述光发送器的发射器的阵列发出，所述阵列的尺寸大于在所述光发送器处的所述光束的光斑尺寸。
23.根据权利要求22所述的方法，其中所述光束由所述发射器的阵列通过光学器件发出，所述阵列的所述发射器发出相应的准直光束，但是准直光束由于所述阵列的空间范围而具有不同的角度，所述阵列由此产生由所述相应的准直光束组成并且其发散角是通过所述阵列的尺寸和所述光学器件的焦距来设置的所述光束。
24.根据权利要求22所述的方法，其中所述光束由所述发射器的阵列通过光学器件发出，所述阵列远离所述光学器件的焦点，所述阵列的所述发射器发出相应的发散光束，所述阵列由此产生由所述相应的发散光束组成并且其发散角是通过所述阵列的尺寸以及由于所述阵列远离所述光学器件的焦点的情形而导致的失焦的程度来设置的所述光束。
25.根据权利要求22所述的方法，该方法还包括：
执行复用以为多个光接收器服务。
26.根据权利要求20所述的方法，其中所述光束是按照可调节焦点或散光发出的，所述可调节焦点使得能实现对所述光束在离所述光发送器的给定距离处的直径的调节，并且所述散光使所述光束具有不同的垂直和水平发散。
27.根据权利要求20所述的方法，该方法还包括：
发送用于所述光发送器和光接收器的定向的心跳信号，所述心跳信号被调制以承载或者指示所述光发送器的位置，或者发送用于使所述光接收器将其位置或其位置的指示返回给所述光发送器的信号。
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