CN107994945B - 用于通信的单光子雪崩二极管模块 - Google Patents

用于通信的单光子雪崩二极管模块 Download PDF

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Abstract

一种基于单光子雪崩二极管的装置，包括：至少一个单光子雪崩二极管阵列，该至少一个单光子雪崩二极管阵列被配置成用于接收在该装置外部生成的光，其中，该至少一个阵列可被配置成被细分成多个子阵列，每个子阵列能够接收分开的自由空间光通信信道；以及接收器，该接收器被配置成用于接收来自每个子阵列的输出并且基于该接收到的多个子阵列分开的自由空间光通信信道来输出数据。

Description

用于通信的单光子雪崩二极管模块
技术领域
一些实施例涉及一种装置并且具体地但非排他性地涉及一种具有感光器件阵列的装置。
技术背景
已知使用光来进行通信。光纤通信发展良好，并且例如红外数据协会(IrDA)已经指定例如使用红外二极管和光电二极管传感器的自由空间通信系统来在设备之间传达数据。其他自由空间光通信系统包括光保真(Li-Fi)通信，Li-Fi通信是与Wi-Fi类似的双向高速且全网络无线通信技术。它使用可见光通信的形式来补充诸如来自Wi-Fi或蜂窝网络的射频通信并且可使用可见光、红外光或近紫外频谱而非射频谱来传达数据。
然而，在自由空间中操作的基于光的通信系统通常是低数据速率系统。光源的功率受到严格限制，并且因此限制可实现的信噪比，这进而限制可用的调制水平。
相对于图1A和图1B，示出典型的基于光的通信系统。图1A示出第一示例，其中，诸如移动电话和其他电子设备的消费者设备100包括单光子雪崩二极管(SPAD)飞行时间(TOF)模块101。SPADTOF模块101本身包括可以是任何合适光源的合适发射器元件。例如，如此后所描述的，光源是被配置成用于生成‘上行链路’通信信道的垂直空腔表面发射激光器(VCSEL)的形式。然而，光源可以例如是任何类型的激光器或发光二极管。SPAD TOF模块101进一步包括单光子雪崩检测(SPAD)阵列，该SPAD阵列被配置成用于接收光并且测量接收到的光的强度(或确定与光强度成正比的计数值)并且可被用作‘下行链路’信道的接收器。此外，图1A示出基站103。基站103可以进一步包括作为下行链路的发射器操作的光源105(其可以是另外的VCSEL)和作为上行链路的接收器操作的光传感器107(其可以是另外的SPAD)。在一些实施例中，基站103可以是任何合适的基站或对接站并且可以包括机械定位装置，该机械定位装置用于使消费者设备100能够相对于基站103定位，以使消费者设备100与基站103之间的通信光路径最佳。
图1B示出另外的示例，其中，第一消费者设备100(诸如，相对于图1A描述的)以及第一SPAD TOF模块101被配置成用于与包括第二SPAD TOF模块111的第二消费者设备110通信。两个消费者设备之间的通信由于这两个设备之间的相对运动而不能产生与对接站/基站系统一样好质量的通信链路。
然而，这些通信系统的问题是难以维持高数据速率，例如，难以实现每秒数百兆位(～100Mps)数量级的数据速率。
发明内容
根据第一方面，提供了一种基于单光子雪崩二极管的装置，该装置包括：至少一个单光子雪崩二极管阵列，该至少一个单光子雪崩二极管阵列被配置成用于接收在该装置外部生成的光，其中，该至少一个阵列可被配置成被细分成多个子阵列，每个子阵列能够接收分开的自由空间光通信信道；以及接收器，该接收器被配置成用于接收来自每个子阵列的输出并且基于该接收到的多个子阵列分开的自由空间光通信信道来输出数据。
这些子阵列中的每个可以包括二极管元件的布置，并且该装置可以进一步包括被配置成用于生成至少一个阵列强度图的至少一个处理器，该至少一个阵列强度图包括基于该至少一个阵列的输出的针对每个二极管元件的光强度值。
该处理器可以被进一步配置成用于在子阵列二极管元件内检测自由空间光通信信道。
该处理器可以被进一步配置成用于在该子阵列二极管元件内检测另外的自由空间光通信信道。
该处理器可以被进一步配置成用于停用该子阵列二极管元件，从而使得没有子阵列二极管元件接收到不止一个自由空间光通信信道。
该处理器可以被进一步配置成用于生成反馈消息，该反馈消息被配置成用于控制将被传输到该装置的自由空间光通信信道的数量和/或布置。
该装置可以进一步包括：被配置成生成光的至少一个照明源元件阵列，其中，每个元件可以可被配置成用于针对所传输的空间上分开的自由空间光通信信道来生成光，并且其中，可以通过所述传输的空间上分开的自由空间光通信信道从该装置来传输该反馈消息。
该照明源元件可以包括：垂直空腔表面发射激光器元件；和/或发光二极管元件。
该装置可以是基于飞行时间单光子雪崩二极管的范围检测模块。
该装置可以是基于单光子雪崩二极管的光通信模块。
该装置可以是基于单光子雪崩二极管的环境光传感器。
根据第二方面，提供了一种基于单光子雪崩二极管的装置，该装置包括：至少一个照明源元件阵列，该至少一个照明源元件阵列被配置成用于生成光，其中，该每个元件可被配置成用于针对空间上分开的自由空间光通信信道来生成光。
该照明源元件可以包括：垂直空腔表面发射激光器元件；以及发光二极管元件。
该装置还可以包括：至少一个单光子雪崩二极管阵列，该至少一个单光子雪崩二极管阵列被配置成用于接收在该装置外部生成的光，其中，该至少一个阵列可被配置成被细分成多个子阵列，每个子阵列能够接收分开的自由空间光通信信道；接收器，该接收器被配置成用于接收来自每个子阵列的输出并且基于该接收到的多个子阵列分开的自由空间光通信信道来输出数据，其中，该接收器被配置成用于接收反馈消息；以及处理器，该处理器被配置成用于控制该照明源元件阵列，以便维持该自由空间光通信信道的空间分离。
该装置可以是基于飞行时间单光子雪崩二极管的范围检测模块。
一种通信系统可以包括：第一设备，该第一设备包括如上讨论的基于单光子雪崩二极管的装置，该第一设备被配置成用于提供数量动态可调节的空间上分开的自由空间光通信信道；以及第二设备，该第二设备包括如上讨论的基于单光子雪崩二极管的装置，该第二设备被配置成用于接收数量动态可调节的空间上分开的自由空间光通信信道。
根据第三方面，提供了一种操作基于单光子雪崩二极管的装置的方法，该方法包括：将至少一个单光子雪崩二极管阵列配置成用于通过将该至少一个阵列细分成多个子阵列来接收在该装置外部生成的光，每个子阵列能够接收分开的自由空间光通信信道；接收来自每个子阵列的输出；以及基于从该多个子阵列分开的自由空间光通信信道接收到的输出来输出数据。
该方法可以进一步包括：将这些子阵列中的每个设置成具有二极管元件的布置，并且接收来自每个子阵列的输出可以包括生成至少一个阵列强度图，该至少一个阵列强度图包括基于该至少一个阵列的输出的针对每个二极管元件的光强度值。
接收来自每个子阵列的输出可以进一步包括在子阵列二极管元件内检测自由空间光通信信道。
接收来自每个子阵列的输出可以进一步包括在该子阵列二极管元件内检测另外的自由空间光通信信道。
接收来自每个子阵列的输出可以进一步包括停用该子阵列二极管元件，从而使得没有子阵列二极管元件接收到不止一个自由空间光通信信道。
该方法可以进一步包括生成反馈消息，该反馈消息被配置成用于控制将被传输到该装置的自由空间光通信信道的数量和/或布置。
该方法可以包括使用至少一个照明源元件阵列来传输反馈消息，该至少一个照明源元件阵列被配置成用于生成光，其中，每个元件可被配置成用于针对所传输的空间上分开的自由空间光通信信道来生成光。
根据另外的方面，提供了一种用于操作基于单光子雪崩二极管的装置的方法，该方法包括：将至少一个照明源元件阵列配置成用于生成光，其中，每个元件可被配置成针对空间上分开的自由空间光通信信道来生成光。
该方法可以进一步包括：使用至少一个单光子雪崩二极管阵列来接收在该装置外部生成的光，其中，该至少一个阵列可被配置成被细分成多个子阵列，每个子阵列能够接收分开的自由空间光通信信道；接收来自每个子阵列的输出；以及基于该接收到的多个子阵列分开的自由空间光通信信道来输出数据，其中，该数据包括反馈消息；以及控制该照明源元件阵列，以便维持该自由空间光通信信道的空间分离。
附图说明
现在，将仅仅通过示例的方式并且参照所附附图来描述一些实施例，在附图中：
图1A和图1B示出了示例已知通信系统装置的示意图；
图2示出了适于在一些实施例中采用的示例SPAD TOF模块的示意图；
图3示出了根据一些实施例的适于在SPAD TOF内实现的示例发射器阵列配置的示意图；
图4示出了根据一些实施例的适于在SPAD TOF内实现的示例接收器阵列配置的示意图；
图5示出了根据一些实施例的适于在SPAD TOF内实现的示例模拟和数字输出接收器阵列配置的示意图；
图6示出了以图5中示出的示例模拟和数字输出接收器阵列配置接收的理想多信道光强度分布的示意图；
图7示出了用于去除/减小诸如图5中示出的接收器阵列配置中的光串扰的接收器阵列的非理想多信道光强度分布和控制的示意图；
图8示出了根据一些实施例的示例训练序列和数据传输配置；
图9示出了根据一些实施例的用于控制传输信道配置的示例反馈系统；
图10A和图10B示出了示例初始化训练序列方法；
图11A和图11B示出了示例数据训练序列方法；以及
图12示出了根据一些实施例的收发器模块的示意性框图。
具体实施方式
本文中采用的构思是用于实现并配置SPAD TOF传感器模块，以使多个空间信道能够被发射和接收，以增大可能的数据速率。此外，在一些实施例中，可能可以自适应地控制SPAD TOF传感器模块，以控制所生成的空间信道的数量。
在图2中示出了根据一些实施例可采用的合适SPAD TOF传感器模块的示例。在图2中，SPAD TOF传感器模块200包括至少一个VCSEL 201，该VCSEL 201被配置成用于生成至少一个照明分布、光束或‘斑点’。在一些实施例中，VCSEL 201包括多个单独可控制的VCSEL元件。这些元件中的每个被配置成可单独地控制并且生成单独的空间分开的照明元件或‘斑点’。虽然以下示例示出了使用VCSEL元件作为照明元件，但可采用任何合适的照明源。例如，照明元件可以是任何合适类型的激光器和/或任何合适的发光二极管。
该模块可以进一步包括衍射表面或透镜表面211。所生成的光可以穿过衍射或透镜表面211并且其输出导致所限定的多个空间上分开的光图案元素。
此外，该模块可以包括基于SPAD的飞行时间传感器231。基于SPAD的飞行时间传感器231可以包括第一参考SPAD阵列235，该第一参考SPAD阵列被配置成用于从VCSEL 201接收内部反射光。此外，基于SPAD的飞行时间传感器231可以包括返回SPAD阵列233。该返回SPAD阵列233被配置成用于接收并检测光并且生成(采用数字或模拟形式的)信号。
在一些实施例中，该模块可以此外包括透镜元件221，该透镜元件被配置成用于将传入光或返回光聚焦至该返回SPAD阵列233。
尽管可以在通过其测量VCSEL与返回SPAD阵列之间的返回路径距离的常规SPAD飞行时间应用中采用该模块，相同部件的通信应用能够可以用作如下文中所述的发射器和接收器。
相对于图3，更详细地描述了图2中示出的VCSEL 211。具体地，图3示出了一系列示例VCSEL‘发射器’阵列。例如，第一发射器阵列301示出作为线阵列的VCSEL元件阵列(其中一个元件被标记为3011)。每个元件被配置成用于生成单独可控制的光束或斑点。第一发射器阵列301示例示出作为4×1线阵列的阵列。然而，可采用使用多于或少于4个元件的其他线阵列配置。
通过示出VCSEL元件的2×2正方形阵列的第二阵列303示出另外的示例发射器阵列。更一般地，如第三发射器阵列305示出的，发射器阵列可被描述为照明元件的M×N阵列。
虽然图3中示出的三个示例示出规则的阵列间隔和布置(VCSEL或照明元件之间具有规则间隔)，但要理解，多个VCSEL元件可以按任何合适方式进行分布或布置(例如，根据圆形对称图案或实际上采用规则或不规则配置)。
相对于图4，进一步详细地描述图2中示出的返回SPAD阵列233。具体地，图4示出了一系列示例返回SPAD阵列‘接收器’阵列。‘接收器’阵列被配置，其方式使得阵列中的每个子阵列能够输出彼此独立的检测或光强度值。换句话讲，阵列中的子阵列可包括可检测入射到阵列元件的光(的发生和/或强度)的多个SPAD。例如，第一接收器阵列401示出第一配置，在该第一配置中，SPAD返回阵列被细分成2个子阵列(左子阵列411和右子阵列413)，以形成2×1接收器阵列。示出示例第二接收器阵列403，在该第二接收器阵列中，SPAD返回阵列被细分成2×2阵列，并且因此被分割成4个子阵列(左上421、右上425、左下423、右下427)。SPAD返回阵列的细分的此布置或配置可以是任何合适的布置或配置并且可以被概括为子阵列的M×N阵列。例如，第三接收器阵列405示出布置有四列两行子阵列的子阵列的阵列。第四接收器阵列示出接收器阵列407，在接收器阵列407中，SPAD返回阵列被划分成六‘列’四‘行’子阵列。
虽然图4中示出的示例示出规则阵列间隔和布置(规则间隔和大小的SPAD返回阵列子阵列)，但要理解，SPAD返回阵列子阵列可以按任何合适方式分布或布置(例如，采用任何规则或不规则配置或非线性布置的不同大小的子阵列)。在一些实施例中，发射器和接收器阵列的形状和布置匹配或至少互补，从而使得发射器阵列被设计成使得发射器和接收器之间的良好(或实际上，完美)对准造成(VCSEL)发射器阵列元件所生成的每个‘斑点’入射到相关联的接收器阵列子阵列。
图5进一步示出了接收器(SPAD返回)阵列的模拟和数字输出配置。例如，图5示出了通过其M×N SPAD返回阵列的每个子阵列被配置成用于输出至少一个模拟值的第一配置，该模拟值表示入射到子阵列区域内的二极管的光强度。图5中示出的示例示出M×N数量个阵列中的四个子阵列，并因此示出被配置成用于将模拟信号输出到第一跨阻放大器(TIA)5131的第一子阵列5111、被配置成用于将模拟信号输出到第二跨阻放大器5132的第二子阵列5112、被配置成用于将模拟信号输出到第三跨阻放大器5133的第三子阵列5113、以及被配置成将模拟信号输出到第四跨阻放大器5134的第四子阵列5114。将理解，在一些实施例中，子阵列本身包括多行多列二极管(或二极管组)，这些二极管可以表示图像元素(像素)，并且输出每个像素的光强度。
图5示出了第二(数字)配置，其中，返回阵列的每个子阵列被配置成用于输出‘数字’值。因此，示出同样的四个子阵列，其中，第一子阵列5111联接到与第一求和设备5251联接的第一模拟前端(AFE)5231，第二子阵列5112联接到与第二求和设备5252进一步联接的第二AFE 5232，第三子阵列5113联接到与第三求和设备5253联接的第三AFE 5233并且第四子阵列5114联接到与第四求和设备5254进一步联接的第四AFE 5234。AFE可以包括模拟处理电路系统和模数转换器(ADC)。求和设备可以包括数字二进制求和电路。
在实现发射器和接收器阵列时，可能可以在接收器阵列子阵列上生成多个光斑点或图案元素，从而使得每个斑点被配置成被分开的阵列子阵列接收并且采用在发射器与接收器之间形成多个分开的光通信信道这样的方式。
在图6中示出了针对图5中示出的模拟和数字配置示出理想空间信道分离的示例。在图6中示出了图5的第一布置和第二布置，该第一布置和第二布置具有位于返回阵列上的四个单独发射的‘空间信道’斑点或图案的光强度，使得每个斑点位于不同的(或相关联的)返回阵列子阵列上。使用具有非理想光学特性的商用透镜可以造成接收器阵列子阵列接收光强度分布，其中，对于每个发射器‘斑点’或图案，存在其中接收了信号能量中的大部分的接收的高(或较高)信号区域，而且还存在包围高信号区域的低(或较低)信号区域。高信号区域和低信号区域的相对形状和大小从用例到用例可以有所改变。
第一子阵列5111被示出为具有来自发射的第一信道的高信号(强度)区域6011和低信号(强度)区域6031，第二子阵列5112被示出为具有来自发射的第二信道的高信号(强度)区域6012和低信号(强度)区域6032，第三子阵列5113被示出为具有来自发射的第三信道的高信号(强度)区域6013和低信号(强度)区域6033，并且第四子阵列5114具有来自发射的第四信道的高信号(强度)区域6014和低信号(强度)区域6034。
在图6中示出的示例中，可能可以发送和接收Q个分开的空间信道(其中，Q是最小数量的发射器元件和接收器阵列子阵列)，并且因此能够进行Q×W位/秒的数据发射，其中，每个信道可传输W位/秒的数据。例如，图5和图6中示出的示例可允许将单个信道发射信道上的带宽增大4倍。
实际上，可能难以在接收器处实现信道的‘理想’空间分离。发射器设备与接收器设备之间的相对运动可以致使在接收器子阵列而非所期望子阵列处检测到所发射的斑点，从而导致信道之间的串扰。类似地，发射器与接收器之间的任何误对准可以致使在不止一个接收器阵列子阵列上接收到针对一个信道的发射光能量的一部分。
例如，图7示出了所发射光的空间分离没有在接收器处产生清楚的分开的光束信道的示例。这种空间分离的缺乏因此可以产生其中邻近或相邻信道信号合并从而由于串扰而造成数据速率减小的区域。这可见于例如图7中的2×2子阵列配置中，在该配置中，子阵列5111、5112、5113和5114具有分开的高信号区域601并且用参考标号1至4示出。然而，图7示出了相邻信道的关联的低信号区域603重叠(例如，低信号区域603在信道1-2、1-3、2-4和3-4之间重叠)的情况。此重叠意味着，因没有信号区域605，信道没有分离。这种信道之间分离的缺乏可以在诸如图7的图形中示出的空间上相邻的信道之间产生干扰和噪声(串扰)，其中，信道3和信道4具有重叠信号强度的区域。随着对于信道而言信噪比减小且误差率增大，该串扰减小发射器与接收器之间的有效数据传送速率。
在一些实施例中，可以检测并允许非理想信道空间分离并且去除串扰效应。例如，在检测到邻近或相邻的光信道正在子阵列上被接收的一些实施例中，可能可以‘禁用’正检测邻近光并因此恢复空间分离的任何子阵列元件，以提高误码率(BER)并因此能够出现较高速度的通信。
这例如在图7中示出，其中示出了四个子阵列，这些子阵列具有分离出将出现低信号合并的每个信道的停用阵列元件701。
在一些实施例中，在传输数据之前，作为训练序列的初始化的部分，可以对停用阵列元件执行控制。例如，在一些实施例中，可生成其中每个信道被单独发射并且接收器随后补偿阵列中的任何潜在重叠的测试序列。
图8示出了2×2发射器/接收器阵列配置的示例训练序列。在这个示例中，训练序列包括以下传输状态：
第一(如第一图像801中所示)：传输信道无一被禁用并且生成可用作背景或基线强度图的第一SPAD阵列强度图821。
第二(如第二图像803中所示)：第一传输信道T×1被启用并且生成第二SPAD阵列强度图823。强度图指示将接收第一发射器元件的子阵列，而且指示第一传输信道会在其他子阵列上生成串扰的子阵列元件。
第三(如第三图像805中所示)：第二传输信道T×2被启用并且生成第三SPAD阵列强度图825。强度图指示将接收第二发射器元件的子阵列，而且指示第二传输信道会在其他子阵列上生成串扰的子阵列元件。
第四(如第四图像807中所示)：第三传输信道T×3被启用并且生成第四SPAD阵列强度图827。强度图指示将接收第三发射器元件的子阵列，而且指示第三传输信道会在其他子阵列上生成串扰的子阵列元件。
第五(如第五图像809中所示)：第四传输信道T×4被启用并且生成第五SPAD阵列强度图829。强度图指示将接收第四发射器元件的子阵列，而且指示第四传输信道会在其他子阵列上生成串扰的子阵列元件。
在生成了强度图后，控制器然后可以执行系统处理算法和设置操作(如操作811所示)，以确定接收到的空间信道的数量和配置。已经确定了图8中示出的示例的第一强度图至第五强度图的控制器可确定存在四个传输信道。此外，控制器可以被配置成用于确定：为了保持可接受的信噪比并且消除信道之间的串扰，某些阵列元件(可以是接收器阵列中的单个二极管、二极管组或多行和/或多列二极管)将被‘停用’(或被忽略输出)。
因此，当系统在所有信道都被发射(诸如第六图像813中示出)的全传输模式下操作时，停用的子阵列元件(图8中用黑色像素701示出)生成信道的空间分离，如多信道数据传输强度图831所示。
附图8中所示的启用序列只是示例，可实现任何其他顺序或次序的启用。此外，在存在大量子阵列的情况下，发射信道启用的顺序或次序可使得能够同时启用多个信道，以减少总测试周期时间。可以选择这多个信道，从而使得预期这些信道不重叠。因此，例如，在只预期相邻信道重叠的图7中示出的示例中，测试序列可能将启用以下的信道序列{无、信道1+4一起、信道2+3一起}。然后，可使用针对序列中的第二操作所得的强度图来确定第二子阵列和第三子阵列的停用二极管。类似地，然后，可以使用针对以上序列中的第三操作所得的强度图来确定第一子阵列和第四子阵列的停用二极管。
在一些实施例中，通信系统可以使用反馈循环来传达初始化或训练序列的结果，以进一步控制所发射的信道的数量。
图9示出了用于执行图8中示出的测试/初始化操作的系统的示例概况。此外，图9示出了该系统能够实现反馈回路。在这个示例中，示出包括发射器控制器903的第一设备。发射器控制器903可以控制VCSEL驱动器901的操作。例如，发射器控制器903可以是用于生成训练/初始化序列并且此外凭借传输信道的数量/配置、应用于每个信道的调制方案和速率等来控制数据传输的任何至少一个处理器和相关联的存储器。
VCSEL驱动器901进而为VCSEL阵列905提供能量。在图9中示出的示例中，VCSEL阵列是2×2发射器阵列，但如之前描述的，阵列可包括任何合适元件图案或数量。VCSEL阵列包括用于在自由空间909环境上生成传输信道T×1至T×4的光源元件。
此外，第二设备被示出为具有SPAD阵列911，在这个示例中，SPAD阵列911包括SPAD元件的2×2配置的子阵列，这些SPAD元件将接收到的值输出到模拟前端(AFE)和/或数字前端(DFE)913。AFE/DFE 913进而将值输出到接收器控制器915。接收器控制器915可以被配置成用于控制数据的接收。
因此，在图8中示出的示例中，发射器控制器903被配置成用于生成图8中示出的测试序列，在该测试序列中，传输信道无一被启用，并且然后启用单个信道/信道组。然后，接收器控制器915可以接收强度图，并且据此判定将停用哪些子阵列元件以维持信道的空间分离。然后，发射器控制器903可以在发射模式下操作并且发射信道，并且接收器控制器915解码/解调所接收到的信号以确定发射的数据。
此外，第二设备可以包括(上行链路或反馈)发射器917，该发射器917被配置成用于将上行链路通信信道发送到包括(反馈或上行链路)接收器907的第一设备。在一些实施例中，发射器917和接收器907可以进一步包括在自由空间环境909内通信的VCSEL/SPAD阵列或者可以是任何合适的通信路径并且因此是任何合适的发射器/接收器技术。在一些实施例中，接收器或第二设备控制器915可以被配置成用于表征从第一设备到第二设备的通信路径。例如，接收器控制器915可以被配置成用于以定量方式(例如，每信道的误码率、每子阵列的停用元件数量)来确定从第一设备到第二设备的通信的质量。此特征可被传递到第一设备并且第一设备判定信道的数量或信道的空间配置是否将改变。例如，在相邻信道产生大幅重叠的重叠强度图并且需要停用子阵列元件中的大部分以实现信道分离的情况下，控制器可以确定将停用相邻信道中的一个或另一个(或者传输相同数据，并且因此被视为单个信道)。
在一些实施例中，第二设备的控制器可以基于所确定的强度图来判定是否改变传输信道的配置，并且向第一设备指示空间传输信道的数量和配置。
在一些实施例中，可以生成此反馈并且在数据传输期间经由上行链路对其进行传递，以监测信道空间分离。换句话讲，可通过改变传输信道的数量和/或布置来控制自适应数据速率。此自适应可以使系统能够按各种阵列配置进行操作。例如，系统可按其中对准最佳和/或相对运动最小(由发射器或接收器元件中的较低一个限定的)最大信道配置、按其中对准次佳和/或在发射器与接收器之间相对有某种移动的一系列可变多信道配置、或其中在发射器与接收器之间有显著长距离或显著空间信道合并或相对移动的单个1×1配置进行操作。可在通信期间动态地控制这些发射模式，以尝试实现尽可能高的位速率，而没有使通信链路的质量(BER)降级。
相对于图10A和图10B，进一步解释用于执行本文中描述的操作的示例流程图。
例如，图10A描述了根据一些实施例的用于开始或初始化通信的操作的概况。
在步骤1001中示出了相对于该方法的第一操作，在步骤1001中，发射器开始发射数据训练序列。如之前描述的，数据训练序列可以是通过初始地关闭所有传输信道(关闭所有VCSEL阵列元件)并且然后单步调试传输信道的训练序列来建立基线或背景接收器级别的操作。例如，如相对于图8示出的，递增地单步调试每个传输信道(打开每个VCSEL阵列元件)。在一些实施例中，训练序列包括传输时钟或其他同步信号。
在步骤1003和1005中示出相对于该方法的以下操作。
在步骤1003中，已接收到数据训练序列的接收器使用接收到的信号来执行时钟恢复，以使得发射器与接收器之间的同步成为可能。此外，在一些实施例中，接收器可被配置成用于执行训练接收器数据检验。
在步骤1005中，接收器可以基于训练序列来收集并记录阵列强度图。此外，接收器可以被配置成用于使用这些阵列强度图来判定信道分离是否充分，并且在信道分离不充分的情况下，则执行为每个信道建立空间分离所需的阵列元件停用。此外，在一些实施例中，此数据可被反馈到发射器，以确定传输信道的数量和/或传输信道的配置或布置。
相对于图10B，示出根据一些实施例的初始化训练序列强度图处理操作。该操作从在逐像素的基础上分析所生成的强度图开始。
相对于如图10B中用步骤1011所示的圈中的第一操作，选择与子阵列(M×N)内的SPAD(x，y)的(宏)像素相关联的强度数据。
然后，处理器可将所选择的强度数据与任何传输信道中的信号阈值进行比较。
在图10B中用步骤1013示出将所选择的(宏)像素的强度数据与信号阈值进行比较的操作。
在(宏)像素的强度数据值不大于任何传输信道的阈值的情况下，然后将序列传递到下一个(宏)像素的选择。换句话讲，所选择的(宏)像素在所有传输信道的非信号区域内，并且对于此(宏)像素而言，不出现串扰或者出现可忽略不计的信号和串扰。
在该(宏)像素的强度数据值大于任何传输信道的阈值的情况下，然后对于同一(宏)像素而言，针对照串扰阈值检验任何其他传输信道的强度数据。换句话讲，该方法判定足够强烈地接收到至少一个传输信道信号的任何(宏)像素是否注册为检测到该传输信道、该相同(宏)像素是否检测到另一个传输信道。
在图10B中用步骤1015示出将所选择的(宏)像素的强度数据值与任何其他传输信道的串扰阈值进行比较的操作。
在(宏)像素的强度数据值小于串扰阈值的情况下，则序列传递到下一个(宏)像素的选择。
在(宏)像素的强度数据值大于串扰阈值的情况下，则可停用(宏)像素并且序列选择下一个(宏)像素。
在图10B中用步骤1017示出停用(宏)像素的操作。
此外，可在一些实施例中修改以上操作，以允许连续监测传输信道的空间分离。例如，图11A和图11B示出用于连续监测的类似处理。
例如，图11A描述了根据一些实施例的用于监测通信中的空间信道分离的操作的概况。
在步骤1101中示出了相对于该方法的第一操作，在步骤1101中，发射器开始发射数据训练序列。如之前描述的，数据训练序列可以是通过初始地关闭所有传输信道(关闭所有VCSEL阵列元件)然后单步调试传输信道的训练序列来创建基线或背景接收器级别的操作。例如，如相对于图8示出的，递增地单步调试每个传输信道(打开每个VCSEL阵列元件)。在一些实施例中，训练序列包括传输时钟或其他同步信号。
在步骤1103和1105中示出相对于该方法的以下操作。
在步骤1103中，已接收到数据训练序列的接收器使用接收到的信号来执行时钟恢复，以使得发射器与接收器之间的同步成为可能。此外，在一些实施例中，接收器可被配置成用于执行训练接收器数据检验。
在步骤1105中，接收器可以基于训练序列来收集并记录阵列强度图。此外，接收器可以被配置成用于使用这些阵列强度图来判定信道分离是否充分，并且在信道分离不充分的情况下，则执行为每个信道建立空间分离所需的阵列元件停用。此外，在一些实施例中，此数据可被反馈到发射器，以确定传输信道的数量和/或传输信道的配置或布置。
在执行步骤1103和1105之后，该方法然后可以接着回到步骤1101，在步骤1101中，执行新训练序列并因此可生成更新后的时钟和强度图。
相对于图11B，示出根据一些实施例的初始化训练序列强度图处理操作。该操作从在逐像素的基础上分析所生成的强度图开始。
相对于如图10B中用步骤1111所示的圈中的第一操作，选择与子阵列(M×N)内的SPAD(x，y)的(宏)像素相关联的强度数据。
然后，处理器可以将所选择的强度数据与任何传输信道中的信号阈值进行比较。
在图10B中用步骤1113示出将所选择的(宏)像素的强度数据与信号阈值进行比较的操作。
在(宏)像素的强度数据值不大于任何传输信道的阈值的情况下，则序列传递到步骤1119。在步骤1119中，启用(宏)像素并且序列选择下一个(宏)像素。换句话讲，启用所选择的(宏)像素并且使用与(宏)像素相关联的强度值。
在该(宏)像素的强度数据值大于任何传输信道的阈值的情况下，然后对于同一(宏)像素而言，针对照串扰阈值检验任何其他传输信道的强度数据。换句话讲，该方法判定足够强烈地接收到至少一个传输信道信号的任何(宏)像素是否注册为检测到该传输信道、该相同(宏)像素是否检测到另一个传输信道。
在图11B中用步骤1115示出将所选择的(宏)像素的强度数据与任何其他传输信道的串扰阈值进行比较的操作。
在(宏)像素的强度数据值小于串扰阈值的情况下，则启用(宏)像素(诸如在步骤1119中示出的)并且序列传递到下一个(宏)像素的选择。
在(宏)像素的强度数据值大于串扰阈值的情况下，则可以停用(宏)像素并且序列选择下一个(宏)像素。
在图11B中用步骤1117示出停用(宏)像素的操作。
相对于图12，示出适于实现如上所述的应用的实施例的示例装置。该装置包括参考SPAD检测器阵列1217和返回SPAD检测器阵列1219。这二者将信号值输出到信号路由块1209，该信号路由块将检测器阵列联接到并行时间-数字转换器1207。并行时间-数字转换器的输出可被传递到数字通信接收器和解码器1213。
此外，检测器阵列联接到并行模拟前端(AFE)电路1223和1221。在一些实施例中，并行AFE电路将信号输出到时钟数据恢复模块1205。然后，时钟数据恢复模块可以将输入提供给锁相环(PLL)时钟电路1203。此外，PLL时钟电路可以用于将时钟输入提供给并行时间-数字转换器1207。
此外，并行模拟前端(AFE)电路1223和1221可以被配置成用于将信号输出到并行模拟-数字(A2D)转换器1225。此外，PLL时钟电路可以用于将时钟输入提供给并行A2D转换器1225。
并行A2D转换器1225和并行时间-数字转换器1207将信号输出到数字通信接收器和解码器1213。数字通信接收器和解码器1213可以被配置成使用这些信号来生成接收到的数据信号并且还将强度值传递到微处理器1215，该微处理器被配置成用于生成并分析如本文中描述的强度图。分析可被传递到阵列强度图接口，该阵列强度图接口被配置成用于激活和停用宏像素(换句话讲，启用和禁用宏像素输出)，以使得能够控制传输信道空间分离，并且此外控制在装置处接收的传输信道的数量和布置。该装置可以进一步包括辅助电路1201(诸如，被配置成辅助装置操作的带隙调节器等)。
一些实施例可以使用其他传感器来替代SPAD。这些传感器可以是集成光敏元件，能够接收光强度、到达时间、频率或相位或振幅/强度调制、波长(颜色)或其他信息。
应该理解，上述布置可至少部分地由集成电路、芯片集、封装在一起或封装在不同封装体中的一个或多个裸片、分立电路或这些选项的任何组合来实现。
在以上描述了具有不同变体的各种实施例。应当指出的是，本领域技术人员可以组合这些各种实施例和变体的各种要素。
这种变更、修改和改进旨在作为本公开内容的一部分，并且旨在在本发明的范围内。因
Figure BSA0000146291260000181
此，前面的描述仅是示例性的并不旨在为限制性的。本发明仅根据下面的权利要求书及其等效物中所限定的那样进行限制。

Claims (20)

1.一种基于单光子雪崩二极管的装置，包括：
至少一个单光子雪崩二极管阵列，所述至少一个单光子雪崩二极管阵列被配置成用于接收在所述装置外部生成的光，其中，所述至少一个阵列可被配置成被细分成多个子阵列，每个子阵列包括至少一个单光子雪崩二极管并且能够接收分开的自由空间光通信信道；以及
接收器，所述接收器被配置成用于接收来自每个子阵列的输出并且基于所述接收到的多个子阵列分开的自由空间光通信信道来输出数据；
其中所述单光子雪崩二极管阵列被配置成停用至少一个子阵列光电二极管，从而使得没有子阵列光电二极管接收到不止一个自由空间光通信信道。
2.如权利要求1所述的装置，其中，所述子阵列中的每个包括光电二极管的布置，并且所述装置进一步包括被配置成用于生成至少一个阵列强度图的至少一个处理器，所述至少一个阵列强度图包括基于所述至少一个阵列的输出的针对每个光电二极管的光强度值。
3.如权利要求2所述的装置，其中，所述至少一个处理器被进一步配置成用于在子阵列光电二极管内检测自由空间光通信信道。
4.如权利要求3所述的装置，其中，所述至少一个处理器被进一步配置成用于在所述子阵列光电二极管内检测另外的自由空间光通信信道。
5.如权利要求2至4中的任一项所述的装置，其中，所述至少一个处理器被进一步配置成用于生成反馈消息，所述反馈消息被配置成用于控制将被传输到所述装置的自由空间光通信信道的数量和/或布置。
6.如权利要求5所述的装置，进一步包括：被配置成用于生成光的至少一个照明源元件阵列，其中，每个照明源元件可被配置成用于针对所传输的空间上分开的自由空间光通信信道来生成光，并且其中，通过所述传输的空间上分开的自由空间光通信信道从所述装置传输所述反馈消息。
7.如权利要求6所述的装置，其中，所述照明源元件包括：
垂直空腔表面发射激光器；和/或
发光二极管。
8.如权利要求1至4和6至7中的任一项所述的装置，其中所述装置是基于飞行时间单光子雪崩二极管的范围检测模块。
9.一种基于单光子雪崩二极管的装置，包括：
至少一个照明源元件阵列，所述至少一个照明源元件阵列被配置成用于生成光，其中，每个照明源元件可被配置成用于针对空间上分开的自由空间光通信信道来生成光；
至少一个单光子雪崩二极管阵列，所述至少一个单光子雪崩二极管阵列被配置成用于接收在所述装置外部生成的光，其中，所述至少一个阵列可被配置成被细分成多个子阵列，每个子阵列包括至少一个单光子雪崩二极管并且能够接收分开的自由空间光通信信道，其中所述单光子雪崩二极管阵列被配置成停用至少一个子阵列光电二极管，从而使得没有单光子雪崩光电二极管接收到不止一个自由空间光通信信道；
接收器，所述接收器被配置成用于接收来自每个子阵列的输出并且基于所述接收到的多个子阵列分开的自由空间光通信信道来输出数据，其中所述接收器被配置成用于接收反馈消息；以及
处理器，所述处理器被配置成用于基于所述接收到的反馈消息来控制所述照明源元件阵列，以便维持所述自由空间光通信信道的空间分离。
10.如权利要求9所述的装置，其中，所述照明源元件包括：
垂直空腔表面发射激光器；和/或
发光二极管。
11.如权利要求9至10中的任一项所述的装置，其中所述装置是基于飞行时间单光子雪崩二极管的范围检测模块。
12.一种通信系统，包括：
第一设备，所述第一设备包括如权利要求9至11中的任一项所述的基于单光子雪崩二极管的装置，所述第一设备被配置成用于提供数量动态可调节的空间上分开的自由空间光通信信道；以及
第二设备，所述第二设备包括如权利要求1至8中的任一项所述的基于单光子雪崩二极管的装置，所述第二设备被配置成用于接收数量动态可调节的空间上分开的自由空间光通信信道。
13.一种用于操作基于单光子雪崩二极管的装置的方法，所述方法包括：
将至少一个单光子雪崩二极管阵列配置成用于通过将所述至少一个阵列细分成多个子阵列来接收在所述装置外部生成的光，每个子阵列包括至少一个单光子雪崩二极管并且能够接收分开的自由空间光通信信道，其中所述单光子雪崩二极管阵列被配置成停用至少一个子阵列光电二极管，从而使得没有子阵列光电二极管接收到不止一个自由空间光通信信道；以及
接收来自每个子阵列的输出；以及
基于所接收到的多个子阵列分开的自由空间光通信信道来输出数据。
14.如权利要求13所述的方法，其中，所述子阵列中的每个子阵列包括光电二极管的布置，并且所述方法进一步包括生成阵列强度图，所述阵列强度图包括基于所述子阵列的输出的、针对每个光电二极管的光强度值。
15.如权利要求14所述的方法，还包括在子阵列光电二极管内检测自由空间光通信信道。
16.如权利要求15所述的方法，还包括在所述子阵列光电二极管内检测另外的自由空间光通信信道。
17.如权利要求13至16中的任一项所述的方法，还包括生成反馈消息，所述反馈消息被配置成用于控制将被传输到所述装置的自由空间光通信信道的数量和/或布置。
18.如权利要求17所述的方法，还包括使用照明源元件阵列生成光，其中每个照明源元件可被配置成针对所传输的空间上分开的自由空间光通信信道来生成光，并且其中通过所述传输的空间上分开的自由空间光通信信道从所述装置传输所述反馈消息。
19.如权利要求18所述的方法，其中，所述照明源元件阵列包括垂直空腔表面发射激光器。
20.如权利要求18所述的方法，其中，所述照明源元件阵列包括发光二极管。
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