CN107911165A - 基于分布式光学谐振腔的无线通信装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于分布式光学谐振腔的无线通信装置，该装置包括主机和从机，主机包括主机光天线、主机主控模块和主机调制模块，从机包括从机光天线、从机主控模块、从机检光模块和从机解调模块，所述的主机光天线和从机光天线构成光学谐振腔，所述的光学谐振腔中形成谐振光束；主机主控模块对主机光天线的光路进行选择，同时主机主控模块将信息发送至主机调制模块，主机调制模块控制主机光天线对谐振光束进行调制；从机检光模块检测从机光天线中引出的透射光，将检测信息发送至从机解调模块进行解调，从机解调模将解调信息发送至从机主控模块；由此完成主机向从机的通信。与现有技术相比，本发明具有无需对准，通信容量高，受干扰极小的优点。

Description

基于分布式光学谐振腔的无线通信装置

技术领域

本发明涉及一种无线通信装置，尤其是涉及一种基于分布式光学谐振腔的无线通信装置。

背景技术

根据思科Visual Networking Index(VNI)报告，无线业务流量今后将以每年接近100％的幅度增长，在未来十年，无线数据流量将增长1000倍，特别是未来 AR/VR等应用普遍增多，对流量的需求量将显著增加。因此，移动设备急需提高通信设备的传输容量。传统的通信手段包括3G/4G蜂窝移动网络、WIFI、蓝牙等方式。一般4G标准的下行带宽可以达到100Mbps，WIFI采用不同的标准下行带宽也不一样，一般802.11g可以达到54Mbps。蓝牙传输的速率一般为1Mbps。并且，上述技术的无线电磁波信道分布在空间中，随着通信设备的增加，发送机到每个接收机的通信速率就会降低，因此信道容量有限。

为了提高通信的容量，可以有很多种方法。比如增加频带宽度、提高频率利用率、合理规划主机布局、使用码分多址技术、使用智能天线技术和使用多入多出 (MIMO，Multiple-Input Multiple-Output)技术等。可见为了提高通信的容量，人们在时间、频率、编码、空间上使用了不同的复用技术。除了无线电磁波通信，人们也开发出激光通信的方法。使用激光通信有如下几个优点：第一，通信容量大，在理论上激光通信可同时传送1000万路电视节目和100亿路电话；第二，保密性好，激光不仅方向性特强，而且可采用不可见光，因而不易被敌方所截获；第三，结构轻便、设备经济，由于激光束发散角小、方向性好，激光通信所需的发射天线和接收天线都可做得很小，一般天线直径为几十厘米，重量不过几公斤，而功能类似的微波天线，重量则以几吨、十几吨计。但是传统的激光也有一些弱点比如：受限于视距，被遮挡或者恶劣气候下会造成通信中断；瞄准困难，激光束具有极高的方向性，因此对发射机和接收机来说为了瞄准需要更精确的仪器，而且操作也很复杂；激光发射功率需要限定在安全范围之内，若需要发射大功率激光必须有其他的安全保护措施。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种基于分布式光学谐振腔的无线通信装置。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种基于分布式光学谐振腔的无线通信装置，该装置包括主机和从机，所述的主机包括主机光天线、主机主控模块和主机调制模块，所述的从机包括从机光天线、从机主控模块、从机检光模块和从机解调模块，所述的主机光天线和从机光天线构成光学谐振腔，所述的光学谐振腔中形成谐振光束，主机主控模块分别连接主机光天线和主机调制模块，主机调制模块连接主机光天线，从机主控模块分别连接从机光天线和从机解调模块，从机光天线、从机检光模块、从机解调模块和从机主控模块依次连接；

主机主控模块控制主机光天线对光路进行选择，同时主机主控模块将信息发送至主机调制模块，主机调制模块控制主机光天线对谐振光束进行调制；从机检光模块检测从机光天线中引出的透射光，将检测信息发送至从机解调模块进行解调，从机解调模将解调信息发送至从机主控模块；由此完成主机向从机的通信。

所述的主机还包括主机检光模块和主机解调模块，对应的所述的从机还包括从机调制模块；

所述的主机光天线、主机检光模块、主机解调模块和主机主控模块依次连接，所述的主机检光模块还连接至主机主控模块；

所述的从机主控模块分别连接从机光天线和从机调制模块，从机调制模块连接从机光天线；

从机主控模块控制从机光天线对光路进行选择，同时从机主控模块将信息发送至从机调制模块，从机调制模块控制从机光天线对谐振光束进行调制；主机检光模块检测主机光天线中引出的透射光，将检测信息发送至主机解调模块进行解调，主机解调模块将解调信息发送至主机主控模块；由此完成从机向主机的通信。

所述的主机光天线包括主机反向反射器、增益介质和泵浦，所述的从机包括从机反向反射器，所述的主机反向反射器和从机反向反射器相对设置形成光学谐振腔，所述的增益介质设置在光学谐振腔中，所述的泵浦连接增益介质，所述的主机调制模块连接所述的泵浦；

主机对信息进行调制时，主机调制模块控制泵浦对谐振光束进行调制形成泵浦直接调制。

所述的主机光天线还包括用于控制光路特性的主机光路控制器，所述的主机调制模块连接主机光路控制器；

主机对信息进行调制时，主机调制模块控制主机光路控制器对谐振光束进行调制形成间接光路调制。

所述的主机光路控制器设置在主机光天线出口侧或反射侧；

当主机光路控制器设置在主机光天线出口侧时，主机反向反射器、增益介质和主机光路控制器依次分布；

当主机光路控制器设置在主机光天线反射侧时，主机反向反射器、主机光路控制器和增益介质依次分布。

所述的从机光天线还包括用于屏蔽某条光路或对某条光路中的谐振光束进行调制的从机光路控制器，所述的从机光路控制器位于从机反向反射器前方使得从机光路控制器置于光学谐振腔内。

所述的主机光路控制器或从机光路控制器设置为如下任意一种，包括：

透射式开关型平面光路控制器：光束入射到光路控制器平面后统一被控制为透过或不透过；

透射式开关型点阵光路控制器：当光线入射到光路控制器上导光的位置则直接透过，而当光线入射到光路控制器上不导光的位置则不会透射出去；

反射式开关型点阵光路控制器：入射到光路控制器不同位置的光线根据设定选择让光线反射出去或者不反射；

基于偏振的组合式点阵光路控制器：将电光晶体阵列和偏振片组合，通过控制点阵上电光晶体的偏振化方向，使得透过电光晶体的光束偏振方向和偏振片偏振化方向形成夹角，从而控制透过组合器件不同光路上的光强度。

所述的主机调制模块或从机调制模块的调制方式包括：开关键控、幅移键控、频移键控、相移键控、脉冲位置调制、差分脉冲位置调制、脉冲频率调制、脉冲宽度调制和脉冲幅度调制。

所述的主机检光模块或从机检光模块配置有一个解调检光元件：用于将对应的主机光天线或从机光天线引出的透射光变换成电信号并发送至对应的主机解调模块或从机解调模块。

所述的主机检光模块或从机检光模块还配置有一个监测检光元件：用于监测光路状态并将不同光路的状态信息传给对应的主机主控模块或从机主控模块。

与现有技术相比，本发明具有如下优点：

(1)无需对准，利用主机光天线和从机光天线分开布置的方式，形成分布式的光学谐振腔，激光可在自由空间中自发形成反馈通路，在空间中形成谐振光束，从而在进行无线通信时无需对准，方便使用；

(2)可双向通信，主机的主机光天线和从机光天线之间形成往返共线的光路，在任何一端都可以对光束进行调制，因此可以双向调制；

(3)可同时形成多条光路，同时对多个光路进行调制，在空间上每一条光路就是一个独立光通信信道，因此无论是主机还是从机，其通信容量都非常高；

(4)受干扰极小，每一路从主机到星际的光束都是独立的、定向的，相互之间不受干扰，信号的衰减小，无多径效应；

(5)调制方式多样，既可泵浦直接调制，也可通过光路控制器进行间接光路调制；

(6)方便使用数字调制，抗干扰性强，便于使用数字编码技术处理，设备结构简单；

(7)安全性高，当光路被物体遮挡后激光谐振则被中断，因此不会对人体造成伤害。

附图说明

图1为分布式激光装置的结构示意图；

图2为基于分布式光学谐振腔的单工无线通信装置的结构框图；

图3为基于分布式光学谐振腔的双工无线通信装置的结构框图；

图4为光路控制器在出口侧的主机光天线结构框图；

图5为光路控制器在反射侧的主机光天线结构框图；

图6为从机光天线的结构框图；

图7为平面光路控制器示意图；

图8为透射式点阵光路控制器示意图；

图9为反射式点阵光路控制器示意图；

图10为基于偏振的组合型控光元件示意图；

图11为基于偏振的组合式开关型点阵光路控制器示意图；

图12为感光阵列示意图；

图13为检光模块示意图；

图14为直接泵浦调制的单向通信装置结构示意图；

图15为不带光路监测和控制的直接泵浦调制双向通信装置结构示意图；

图16为主机带光路监测和控制的直接泵浦调制双向通信装置结构示意图；

图17为主机带光路监测和控制的间接光路调制双向通信装置结构示意图；

图18为带光路监测和光路控制功能的间接光路调制双向通信装置结构示意图；

图19为间接光路调制和感光阵列解调的双向通信装置结构示意图。

图中，A为光发送器，B为光接收器，1为主机，2为从机，11为主机光天线， 12为主机主控模块，13为主机调制模块，14为主机检光模块，15为主机解调模块， 21为从机光天线，22为从机主控模块，23为从机调制模块，24为从机检光模块， 25为从机解调模块，111为主机反向反射器，112为增益介质，113为泵浦，114 为主机光路控制器，211为从机反向反射器，212为从机光路控制器，P1为起偏器， P2为电光晶体，P3为检偏器，P4为电光晶体阵列，E1为感光阵列，E2为部分反射镜，E3为光电探头。

具体实施方式

为使本申请实施例的技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

传统的激光是由两个并行反射镜和他们之间的增益介质112组成的谐振器产生的，它们被集成到单个器件中。然而，在分布式激光系统中，激光器的组成部件被分为光发送器A和光接收器B两部分，如图1所示。

特别要说明的是，系统中反射器R1和反射器R2称作反向反射器，入射光进入反向反射器后将沿着原方向被反射回去。因此在这种结构下，当增益介质112 被激励时，光发送器和光接收器间的光线将会被反复反射并放大从而形成谐振光束。因为反向反射器的存在，所以接收器可以自由移动而不会影响谐振光束的形成。

谐振光束的传播要求是视线传播(LOS)，若光束被任何物体所阻断，则谐振将会被打断，这种特性也提供了根本的安全性。

反射器R1和反射器R2可以是全反射器，也可以是部分反射器。当反射器R1 或反射器R2是部分反射器时可以从中透射出一部分光束，这些透射的光束即为激光。

本发明的无线通信装置基于上述分布式激光器来实现，无线通信装置可以为单工无线通信方式或双工无线通信装置。

如图2所示，单工无线通信装置包括主机1和从机2，主机1包括主机光天线 11、主机主控模块12和主机调制模块13，从机2包括从机光天线21、从机主控模块22、从机检光模块24和从机解调模块25，主机光天线11和从机光天线21构成光学谐振腔，光学谐振腔中形成谐振光束，主机主控模块12分别连接主机光天线 11和主机调制模块13，主机调制模块13连接主机光天线11，从机主控模块22分别连接从机光天线21和从机解调模块25，从机光天线21、从机检光模块24、从机解调模块25和从机主控模块22依次连接，从机检光模块24还连接至从机主控模块22；

主机主控模块12控制主机光天线11对光路进行选择，同时主机主控模块12 将信息发送至主机调制模块13，主机调制模块13控制主机光天线11对谐振光束进行调制；从机检光模块24检测从机光天线21中引出的透射光，将检测信息发送至从机解调模块25进行解调，从机解调模25将解调信息发送至从机主控模块22；由此完成主机1向从机2的通信。

如图3所示，在单工无线通信装置的基础上，双工无线通信装置中还配置有：

主机1还包括主机检光模块14和主机解调模块15，对应的从机2还包括从机调制模块23；

主机光天线11、主机检光模块14、主机解调模块15和主机主控模块12依次连接，主机检光模块14还连接至主机主控模块12；

从机主控模块22分别连接从机光天线21和从机调制模块23，从机调制模块 23连接从机光天线21；

从机主控模块22控制从机光天线21对光路进行选择，同时从机主控模块22 将信息发送至从机调制模块23，从机调制模块23控制从机光天线21对谐振光束进行调制；主机检光模块14检测主机光天线11中引出的透射光，将检测信息发送至主机解调模块15进行解调，主机解调模块15将解调信息发送至主机主控模块 12；由此完成从机2向主机1的通信。

A、主机光天线11的设计：

主机光天线11是将电能转换成光能的装置，其中包括分布式激光系统发送端所需要的主机反向反射器111、增益介质112和泵浦113，泵浦113将能量传给增益介质112从而使得增益介质112产生自发辐射，辐射光在主机光天线11和从机光天线21内的反射器之间反复震荡并不断激励增益介质112，从而形成往返的谐振光束。当泵浦113不工作时，增益介质112缺少持续的能量补充，谐振光束也不会持续下去。因此控制泵浦113可以控制所有谐振光束的产生和停止，这种特性可以用于对发送光进行调制。

视野内的任何光接收端反射器和光发送端反射器连线方向的光线均可被反复反射和放大并形成谐振光束。所以当多个接收端反射器存在于在发送端视野下时可以形成多路谐振光束。为了对光路上的谐振光束进行控制，可以在主机光天线11 中光路可能经过的位置放置一个光路控制器。

主机光路控制器114设置在主机光天线11出口侧或反射侧；

当主机光路控制器114设置在主机光天线11出口侧时，主机反向反射器111、增益介质112和主机光路控制器114依次分布；

当主机光路控制器114设置在主机光天线11反射侧时，主机反向反射器111、主机光路控制器114和增益介质112依次分布。

根据光路控制器的位置不同可以分为光路控制器在出口侧的主机光天线11和光路控制器在反射侧的主机光天线11。

图4为光路控制器在出口侧的主机光天线11结构示意图，光线通过光路控制器后，部分光路可以被阻断，从而无法完成反复振荡，因此该光路上无法产生谐振光束。

图5所示为光路控制器在反射侧的主机光天线11结构示意图，光路控制器在反射器前面，在部分被光路控制器关闭的光路上，光线无法形成反射，因此该光路上无法形成谐振光束。

在主机光天线11中，具体执行调制的器件可以是泵浦113，也可以是光路控制器。因此根据调制器件的不同可以将调制的执行方式分为使用泵浦113的直接调制和使用光路控制器的间接调制。直接泵浦113调制时，调制模块直接驱动泵浦 113源，改变泵浦113的输入功率从而产生调制光束。间接光路调制是通过驱动光路控制器，使得光束通过光路控制器后参数发生改变，从而实现在光路上对光束进行间接调制。

B、从机光天线21的设计：

从机光天线21包括从机反向反射器211以及用于屏蔽某条光路或对某条光路中的谐振光束进行调制的从机光路控制器212，从机光路控制器212位于从机反向反射器211前方使得从机路控制器212置于光学谐振腔内。如图6所示主机光天线 11发出的光线经过接从机2中的从机光路控制器212后经从机反向反射器211反射，从而可以反复震荡形成谐振光束。被从机光路控制器212关闭的光路上光线无法形成反复震荡，因此无法产生谐振光束。因此，在从机2的从机主控模块22控制从机光路控制器212也可以控制指定光路上谐振光束的通断，就像主机光天线 11中的主机光路控制器114一样，从机光路控制器212也可以屏蔽某条光路或者对某条光路中的谐振光束进行调制。

主机光路控制器114或从机光路控制器212的功能主要是在光路上对入射光进行控制，使得出射光的参数可以改变。出射光可以为反射光或透射光，可改变的参数包括通断、强弱、频率、相位、偏振、出射方向等。光路控制器根据可以控制的光束的多少分为平面光路控制器的和点阵光路控制器的。下面实例中所述的“开关型”光路控制器即可控制光路参数为通、断两种状态的光路控制器。

主机光路控制器114或从机光路控制器212设置为如下任意一种，包括：

(1)透射式开关型平面光路控制器：

平面光路控制器即由一个光学元件构成一个平面，所有的光束入射到这个平面后，通过控制使得出射光参数被改变，并且所有的出射光改变的参数是相同的。

光束入射到光路控制器平面后统一被控制为透过或不透过，透射式开关型平面光路控制器如图7所示，图7(a)为不透光开关型平面光路控制器，图7(b)为不透光开关型平面光路控制器。

(2)透射式开关型点阵光路控制器：

点阵光路控制器为阵列结构，点阵光路控制器上许多微型光学器件组成一个平面，这些微型光学器件的光学性质可以由电信号控制，所以出射光的参数能被可控地改变。点阵光路控制器可以对每个点进行控制，因此可以同时控制多条入射光路上光束的参数。

如图8所示为透射式开关型点阵光路控制器的功能示意图，当光线入射到光路控制器上导光的位置则直接透过，而当光线入射到光路控制器上不导光的位置则不会透射出去。透射式光路控制器可以由液晶或者电光晶体点阵构成，通过改变加载到液晶或电光晶体上的电压来控制液晶或电光晶体的透射率，以实现对入射光的快速开关状态切换。

(3)反射式开关型点阵光路控制器：

光路控制器还可以是反射式的，图9为反射式光路控制器结构和功能示意图，入射到光路控制器不同位置的光线可以选择让其反射出去或者不反射。从而实现光路的导通或者断开。入射到光路控制器不同位置的光线根据设定选择让光线反射出去或者不反射。

(4)基于偏振的组合式点阵光路控制器：

上述(1)～(3)无论是平面的还是点阵的光路控制器，其控制光束的光学元件可以是液晶、电光晶体等电光材料，也可以是多种光学材料或器件的组合。

一种基于偏振的组合型控光元件原理如图10所示，非偏振光透过起偏器P1 后成为0°方向的偏振光，然后电光晶体P2改变调节光束的偏振方向为0～90°之间的值。根据马吕斯定律I＝I₀·cos²θ，最后透过检偏器P3的光束强度I跟入射光束偏振方向与检偏器P3偏振化方向夹角θ有关。所以通过控制光电晶体改变光束的偏振方向可以实现对光强的强度调制，当控制方向只为0°和90°两种时，则器件构成一个光开关。

基于上述思想，光路控制器也可以做成组合形式，即用多种光学元件的组合以实现光路控制器的功能。如图11为基于偏振的组合式开关型点阵光路控制器示意图，和上述的基于偏振的控光元件原理一样，只不过图10中的电光晶体P2构成阵列形成电光晶体阵列P3，每一个点都可以单独被控制来调节透射光的偏振。因此在入射光和出射光光路上加上偏振化方向相互垂直的两个偏振片后，只要控制不同点的光电晶体P2就可以控制不同光路上光束的通断状态。基于偏振的组合式点阵光路控制器：将电光晶体阵列和偏振片组合，通过控制点阵上电光晶体的偏振化方向，使得透过电光晶体的光束偏振方向和偏振片偏振化方向形成夹角，从而控制透过组合器件不同光路上的光强度。相比于每一个控光单元都是用组合式的微型光电元件，这种方法要简单得多。

C、调制模块及调制方案：

主机调制模块13或从机调制模块23是将数字信息加载到电信号上，从而驱动主机光天线11或从机光天线21产生调制的光束的模块。

主机光天线11进行调制时：主机主控模块12将要发送的信息输入到主机调制模块13，主机调制模块13将数字信号变成调制电信号，这种电信号有足够的能力驱动主机光天线11产生调制的光束。

从机光天线21进行调制时：从机主控模块22将要发送的信息输入到从机调制模块23，从机调制模块23将数字信号变成调制电信号，这种电信号有足够的能力驱动从机光天线21产生调制的光束。

调制的方式为数字调制，调制方式包括但不限于开关键控(OOK)、幅移键控(ASK)、频移键控(PFK)、相移键控(PSK)、脉冲位置调制(PPM)、差分脉冲位置调制(DPPM)、脉冲频率调制(PFM)、脉冲宽度调制(PWM)、脉冲幅度调制(PAM)等。

在主机光天线11中，具体执行调制的器件可以是泵浦113，也可以是主机光路控制器114。因此根据调制器件的不同可以将调制的执行方式分为使用泵浦113 的直接调制和使用主机光路控制器114的间接调制。直接泵浦113调制时，主机调制模块13直接驱动泵浦113，改变泵浦113的输入功率从而产生调制光束。间接光路调制是通过驱动主机光路控制器114，使得光束通过主机光路控制器114后参数发生改变，从而实现在光路上对光束进行间接调制。

在从机光天线21中，具体执行调制的器件是从机光路控制器212，具体调制方式与上述主机1的间接调制方式一样。

D、检光模块(主机检光模块14和从机检光模块24)：

无论是主机光天线11还是从机光天线21，从光天线引出的部分透射光均为同方向，检光模块将这些同向的透射光变换成电信号传给解调模块，解调模块从电信号中解调出数字信息。检光模块也可以监视光路状态，将不同光路的状态信息传给主控模块。

主机检光模块14或从机检光模块24配置有一个解调检光元件：用于将对应的主机光天线11或从机光天线21引出的透射光变换成电信号并发送至对应的主机解调模块15或从机解调模块25。

主机检光模块14或从机检光模块24还配置有一个监测检光元件：用于监测光路状态并将不同光路的状态信息传给对应的主机主控模块12或从机主控模块22。

图12为感光阵列E1的示意图，感光阵列E1由微型光学感光元件构成，光线入射到面板上，可以输出表示面板上不同位置光强度的电信号。即通过感光阵列 E1可以知道不同光路入射光的强度。

上述感光阵列E1可以直接构成检光模块，通过感光阵列E1可以得知不同光路的状态，这些状态可以传给控制器以对光路进行监视。如果使用响应速度快的元件制作感光阵列E1，则可以将感光信号直接用于解调，从而获取每条光路传递的数字信息。

此外如图13所示，在感光阵列E1前面可以增加一个部分反射镜E2，将光束分为两路，一路送给感光阵列E1用于监测光路状态，另一路送给光电探头E3用于将光信号转换成电信号，从而给解调器解调。从而光电探头E3为解调检光元件，感光阵列E1为监测检光元件。这么做的好处是将光路状态监测的信号和解调的信号分开，由于光电探头E3可以光电二极管构成，可以将高速变化的光信号转换成电信号，而感光阵列E1并不需要如此高的检测速度。此外可以在光电探头E3前面增加光学透镜，将光束聚焦后照射到光电探头E3上，由此可以减少光电探头E3 体积。

总而言之，该通信装置包括主机1和从机2两个部分，其中主机1内包含主机光天线11、主机检光模块14、主机调制模块13、主机解调模块15和主机主控模块12，从机2内包含从机光天线21、从机检光模块24、从机调制模块23、从机解调模块25和从机主控模块22。所属模块指实现相关功能的硬件部分和软件部分的总称，专利中描述了每个模块的可选设计方案。主机光天线11为光束的产生和持续提供能量来源，为发起光通信的主导方。主机光天线11和从机光天线21根据不同的结构可以用不同的方式对光束进行调制，以此实现信息的传输。根据调试的方式不同，可以分为直接泵浦113调制和间接光路调制，相关的调制执行器件也不同。根据主机光路控制器114和从机光路控制器212的结构不同，可以实现对多条光路进行统一控制或者单独控制。根据检光模块里是否采用感光阵列E1，可以实现对光路状态的监测或不监测。并且根据器件的不同组合可以实现广播、单主机1对多从机2双向通信、多主机1对多从机2双向通信、单光路通信、多光路同时通信等。

具体地：本申请给出如下几个实施例：

实施例一：直接泵浦113调制的单向通信装置

本实施例提供一个示例演示直接对泵浦113进行调制的单向通信装置。该通信装置结构如图14所示，主机1包括主机光天线11、主机主控模块12和主机调制模块13，从机2包括从机光天线21、从机主控模块22、从机检光模块24和从机解调模块25，主机光天线11和从机光天线21构成光学谐振腔，光学谐振腔中形成谐振光束。装置的调制方式为由调制模块直接驱动泵浦113从而直接对光的产生过程进行调制。通过控制输入功率来实现对强度的调节，因此可以实现强度调制、开关键控、强度键控以及和脉冲有关的调制。从机光天线21引出的部分透射光入射到光电探头E3上，光电探头E3将光信号转换成电信号供解调器解调出信息。这种方式只能实现单向通信，需要靠协议和编码来识别设备和保证通信可靠性。

实施例二：不带光路监测和控制的直接泵浦113调制双向通信装置

本实施例提供一个示例演示一种不带光路监测和控制的直接泵浦113调制通信装置。装置的结构如图15所示。主机1包括主机光天线11、主机主控模块12、主机调制模块13主机检光模块14和主机解调模块15，从机2包括从机光天线21、从机主控模块22、从机调制模块23、从机检光模块24和从机解调模块25。主机检光模块14和从机检光模块24均采用光电探头E3。

该通信装置的调制方式为由主机调制模块13直接驱动泵浦113从而直接对光的产生过程进行调制。通过控制输入功率来实现对强度的调节，因此可以实现强度调制、开关键控、强度键控以及和脉冲有关的调制。在从机2中的调制器件为平面光路控制器，可以控制所有的入射光，从而实现调制。主机光天线11和从机光天线21引出的部分透射光均由光电探头E3检测，转换成电信号供主机解调模块15 和从机解调模块25解调出信息。这种方式没有对光路方向的控制，因此多机通信时需要用协议和编码来识别设备和保证传输的可靠性。

实施例三：主机1带光路监测和控制的直接泵浦113调制双向通信装置

本实施例提供一个示例演示主机1带光路监测和控制的直接泵浦113调制双向通信装置。装置的结构如图16所示。主机1包括主机光天线11、主机主控模块12、主机调制模块13主机检光模块14和主机解调模块15，从机2包括从机光天线21、从机主控模块22、从机调制模块23、从机检光模块24和从机解调模块25。主机检光模块14和从机检光模块24均采用光电探头E3，另外主机1还设置感光阵列 E1进行光路监测。

该实施例通信装置的调制方式为由主机调制模块13直接驱动泵浦113从而直接对光的产生过程进行调制。通过控制输入功率来实现对强度的调节，因此可以实现强度调制、开关键控、强度键控以及和脉冲有关的调制。在从机2中的调制器件：从机2管路控制器为平面光路控制器，可以控制所有的入射光，从而实现调制。主机光天线11和从机光天线21引出的部分透射光均由光电探头E3检测，转换成电信号供主机解调模块15和从机解调模块25解调出信息。这里要注意的是在主机1 上增加了感光阵列E1以实现对光路状态进行检测，增加了点阵光路控制器实现对不同光路进行开关控制。由于通信调制通过控制泵浦113直接进行，而主机1选择和不同从机2通信不需要特别快的切换速度，因此点阵光路控制器可以由响应速度较慢的光学元件制作。这种装置通过对主机1和多个从机2形成的光路进行控制可以保证安全性，且由于光路确定，也可以实现多主机1对一个从机2的通信。

实例四：主机1带光路监测和控制的间接光路调制双向通信装置

本实施例提供一个示例演示主机1带光路监测和控制的间接光路调制双向通信装置。装置的结构如图17所示，装置的泵浦113由主机1主控制器控制以保持光天线正常工作。主机1通过点阵光路控制器间接对光路上的光束进行调制。因此根据光路控制器的不同类型可以实现不同的调制方式。在从机2中的调制器件为平面光路控制器，可以控制所有的入射光，从而实现调制。主机光天线11引出的部分透射光均由光电探头E3检测，转换成电信号供解调器解调出信息，另一部分透射光入射到感光阵列E1以实现对光路状态的监测。这种装置不仅可以直接用光路控制器对光束进行调制，而且还可以实现不同光路的开闭，指定通信光路的方向。此外还可以对多路光束同时调制，增加通信容量。不过，这种装置需要点阵光路控制器的响应速度够快以满足调制的要求。

实施例五：带光路监测和光路控制功能的间接光路调制双向通信装置

本实施例提供一个示例演示主机1带光路监测和控制的间接光路调制双向通信装置。装置的结构如图18所示。

该通信装置的泵浦113由主控制器控制以保持光天线正常工作。主机1通过点阵光路控制器间接对光路上的光束进行调制。因此根据光路控制器的不同类型可以实现不同的调制方式。在从机2中执行调制的器件也为点阵光路控制器，可以同时控制不同光路上的入射光从而实现调制。主机光天线11和从机光天线21引出的部分透射光均由光电探头E3检测，转换成电信号供主机解调模块15和从机解调模块25解调出信息，另一部分透射光入射到感光阵列E1以实现对光路状态的监测。这种装置的优点是无论主机1还是从机2都可以同时对多条光路上的光束进行调制，即方便多个主机1和多个从机2之间相互通信，可以实现更大的通信容量。只是要注意的这种设计不能同时对多条光路进行解调，因此在每一次接收信息只能接收一条光路发送的信息。

实施例六：间接光路调制和感光阵列E1解调的双向通信装置

本实施例提供一个示例演示间接光路调制和感光阵列E1解调的双向通信装置。装置的结构如图19所示，装置的泵浦113由主机1主控制器控制以保持光天线正常工作。主机1通过点阵光路控制器间接对光路上的光束进行调制。因此根据光路控制器的不同类型可以实现不同的调制方式。在从机2中执行调制的器件也为点阵光路控制器，可以同时控制不同光路上的入射光从而实现调制。主机光天线 11和从机光天线21引出的部分透射光入射到感光阵列E1上，转换成电信号不仅用于监测光路状态，而且送给解调器用于解调出信息。这种装置的优点是无论主机 1还是从机2都可以同时对多条光路上的光束进行调制，无论主机1还是从机2都可以从感光阵列E1输出的电信号中解析出各路光所携带的信息，是一种多输入多输出的方法(MIMO)，因此方便多个主机1和多个从机2之间同时通信，每一条光路都可以看做是专线，可以实现极大的通信容量和极短的通信时延。

实施例性能比较：

上述实施例因不同部分器件的选择或者构成不同可实现不同的功能，在通信单双工模式、调制方式、连接形式和通信容量方面均不同。实施例一、实施例二、实施例三的主机1采用直接泵浦113调制的方式，因此对光路控制器的响应速度要求不是很高，光路控制器的存在只是为了选择可导通的光路方向。实施例四、实施例五、实施例六主机1均使用点阵光路控制器进行间接调制，因此可以同时对多路光进行调制，也可以一次选择一路进行调制而关闭其他光路。这种间接光路调制需要光路控制器有足够快的响应速度。接收端也一样，所使用的无论平面光路控制器还是点阵光路控制器都需要足够快的响应速度。实施例三、实施例四、实施例五和实施例六均增加了感光阵列E1对光路状态进行监测，因此可以得知接收机的数量和位置方向，通过这些监测信息可以进而根据需要控制不同光路的通断。实施例六相比于其他实施例的区别是直接用感光阵列E1探测各路光束，同时对多路光束进行监测和解调，这就要求感光阵列E1有足够快的响应速度，但是好处是显而易见的，主机1、从机2都可以同时保持多条光路的通信，因此无论是通信容量还是通信时延都能保证在较高水平。

传统的无线通信采用电磁波进行通信，电磁波传播的范围广，且路径损耗和多径效应导致信道容量显著下降。特别是在室内使用的WIFI使用2.4GHz频段，大量的WIFI设备之间相互干扰，因此通信信道环境非常恶劣。激光是一种能量集中的相干光，使用激光通信具有容量大、方向性好、干扰小的优点。但是传统的激光通信系统需要发射端和接收端精确且快速的对准，这就需要有精密的仪器设备，因此成本极高且操作过程复杂。分布式光学谐振腔由分离的发送器和接收器构成，由于两端中的回复反射器存在，光束在空间中自然形成单线反馈回路，从而在自由空间中形成振荡。由分布式光学谐振腔制作分布式激光器的设计原本是用于给移动设备进行无线充电。本专利利用分布式激光器的特性，创造性地提出对分布式激光器的谐振腔内光束进行调制来进行无线通信，并设计相应的装置结构。相比于用传统激光器通信，使用分布式谐振激光器进行通信具有如下优点：第一，无需对准，分布式谐振激光器可在自由空间中自发形成反馈通路，在空间中形成谐振光束；第二，可同时形成多条光路，同时对多个光路进行调制，在空间上每一条光路就是一个独立光通信信道，因此无论是主机1还是从机2，其通信容量都非常高；第三，受干扰极小，每一路从发射器到接收器的光束都是独立的、定向的，相互之间不受干扰，信号的衰减小，无多径效应；第四，方便使用数字调制，抗干扰性强，便于使用数字编码技术处理，设备结构简单；第五，可双向通信，主机1的光发送器和从机2 的光接收器之间形成往返共线的光路，在任何一端都可以对光束进行调制，因此可以双向调制；第六，安全性高，当光路被物体遮挡后激光谐振则被中断，因此不会对人体造成伤害。

Claims (10)

1.一种基于分布式光学谐振腔的无线通信装置，其特征在于，该装置包括主机(1)和从机(2)，所述的主机(1)包括主机光天线(11)、主机主控模块(12)和主机调制模块(13)，所述的从机(2)包括从机光天线(21)、从机主控模块(22)、从机检光模块(24)和从机解调模块(25)，所述的主机光天线(11)和从机光天线(21)构成光学谐振腔，所述的光学谐振腔中形成谐振光束，主机主控模块(12)分别连接主机光天线(11)和主机调制模块(13)，主机调制模块(13)连接主机光天线(11)，从机主控模块(22)分别连接从机光天线(21)和从机解调模块(25)，从机光天线(21)、从机检光模块(24)、从机解调模块(25)和从机主控模块(22)依次连接；

主机主控模块(12)控制主机光天线(11)对光路进行选择，同时主机主控模块(12)将信息发送至主机调制模块(13)，主机调制模块(13)控制主机光天线(11)对谐振光束进行调制；从机检光模块(24)检测从机光天线(21)中引出的透射光，将检测信息发送至从机解调模块(25)进行解调，从机解调模块(25)将解调信息发送至从机主控模块(22)；由此完成主机(1)向从机(2)的通信。

2.根据权利要求1所述的一种基于分布式光学谐振腔的无线通信装置，其特征在于，所述的主机(1)还包括主机检光模块(14)和主机解调模块(15)，对应的所述的从机(2)还包括从机调制模块(23)；

所述的主机光天线(11)、主机检光模块(14)、主机解调模块(15)和主机主控模块(12)依次连接，所述的主机检光模块(14)还连接至主机主控模块(12)；

所述的从机主控模块(22)分别连接从机光天线(21)和从机调制模块(23)，从机调制模块(23)连接从机光天线(21)；

从机主控模块(22)控制从机光天线(21)对光路进行选择，同时从机主控模块(22)将信息发送至从机调制模块(23)，从机调制模块(23)控制从机光天线(21)对谐振光束进行调制；主机检光模块(14)检测主机光天线(11)中引出的透射光，将检测信息发送至主机解调模块(15)进行解调，主机解调模块(15)将解调信息发送至主机主控模块(12)；由此完成从机(2)向主机(1)的通信。

3.根据权利要求1或2所述的一种基于分布式光学谐振腔的无线通信装置，其特征在于，所述的主机光天线(11)包括主机反向反射器(111)、增益介质(112)和泵浦(113)，所述的从机(2)包括从机反向反射器(211)，所述的主机反向反射器(111)和从机反向反射器(211)相对设置形成光学谐振腔，所述的增益介质(112)设置在光学谐振腔中，所述的泵浦(113)连接增益介质(112)，所述的主机调制模块(13)连接所述的泵浦(113)；

主机(1)对信息进行调制时，主机调制模块(13)控制泵浦(113)对谐振光束进行调制形成泵浦直接调制。

4.根据权利要求3任意一项所述的一种基于分布式光学谐振腔的无线通信装置，其特征在于，所述的主机光天线(11)还包括用于控制光路特性的主机光路控制器(114)，所述的主机调制模块(13)连接主机光路控制器(114)；

主机(1)对信息进行调制时，主机调制模块(13)控制主机光路控制器(114)对谐振光束进行调制形成间接光路调制。

5.根据权利要求4所述的一种基于分布式光学谐振腔的无线通信装置，其特征在于，所述的主机光路控制器(114)设置在主机光天线(11)出口侧或反射侧；

当主机光路控制器(114)设置在主机光天线(11)出口侧时，主机反向反射器(111)、增益介质(112)和主机光路控制器(114)依次分布；

当主机光路控制器(114)设置在主机光天线(11)反射侧时，主机反向反射器(111)、主机光路控制器(114)和增益介质(112)依次分布。

6.根据权利要求3所述的一种基于分布式光学谐振腔的无线通信装置，其特征在于，所述的从机光天线(21)还包括用于屏蔽某条光路或对某条光路中的谐振光束进行调制的从机光路控制器(212)，所述的从机光路控制器(212)位于从机反向反射器(211)前方使得从机光路控制器(212)置于光学谐振腔内。

7.根据权利要求4～6任意一项所述的一种基于分布式光学谐振腔的无线通信装置，其特征在于，所述的主机光路控制器(114)或从机光路控制器(212)设置为如下任意一种，包括：

透射式开关型平面光路控制器：光束入射到光路控制器平面后统一被控制为透过或不透过；

透射式开关型点阵光路控制器：当光线入射到光路控制器上导光的位置则直接透过，而当光线入射到光路控制器上不导光的位置则不会透射出去；

反射式开关型点阵光路控制器：入射到光路控制器不同位置的光线根据设定选择让光线反射出去或者不反射；

基于偏振的组合式点阵光路控制器：将电光晶体阵列和偏振片组合，通过控制点阵上电光晶体的偏振化方向，使得透过电光晶体的光束偏振方向和偏振片偏振化方向形成夹角，从而控制透过组合器件不同光路上的光强度。

8.根据权利要求1或2所述的一种基于分布式光学谐振腔的无线通信装置，其特征在于，所述的主机调制模块(13)或从机调制模块(23)的调制方式包括：开关键控、幅移键控、频移键控、相移键控、脉冲位置调制、差分脉冲位置调制、脉冲频率调制、脉冲宽度调制和脉冲幅度调制。

9.根据权利要求1或2所述的一种基于分布式光学谐振腔的无线通信装置，其特征在于，所述的主机检光模块(14)或从机检光模块(24)配置有一个解调检光元件：用于将对应的主机光天线(11)或从机光天线(21)引出的透射光变换成电信号并发送至对应的主机解调模块(15)或从机解调模块(25)。

10.根据权利要求9所述的一种基于分布式光学谐振腔的无线通信装置，其特征在于，所述的主机检光模块(14)或从机检光模块(24)还配置有一个监测检光元件：用于监测光路状态并将不同光路的状态信息传给对应的主机主控模块(12)或从机主控模块(22)。