CN109314574A - 光学发送器、光学接收器和光学链路 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种光学链路，包括光学转换器电路(16)，其具有光电子器件(18)和连接到所述光电子器件(18)的电路(20)。所述光电子器件(18)具有多个单独的光电子分段(18a‑18i)。所述光学链路还包括细长光导(14)，其具有单根光纤，所述单根光纤在第一端处被光学地连接到所述光电子器件(18)并且被配置为将光发送远离所述光电子器件(18)，其中，所述单独的光电子分段(18a‑18i)具有相对于所述光纤的所述第一端的不同位置，使得由所述光电子分段(18a‑18i)发射的光束在不同角度下被耦合到所述光纤中。所述光电子器件(18)被配置为从所述分段(18a‑18i)中的至少一些分段上的所述电路(20)接收多个数据流并且将所述多个数据流作为空间上不同的数据流光学地发送到所述光导(14)中。所述光学链路还包括：光电检测器装置(28)，其被光学地连接到所述光导(14)的第二端并且具有多个光电检测器分段(28a‑28i)，所述多个光电检测器分段被布置为从所述光电子器件(18)光学地接收所述多个数据流；以及处理单元(30)，其与所述光电检测器装置(28)相关联并且被配置为从所述光电检测器装置(28)提取所述多个数据流。
Description
技术领域
本发明涉及光学发送器、光学接收器和光学链路以及操作光学链路的方法。光学链路可以被用于将能量光学地供应到远程电子设备和/或用于至和自远程电子设备的数据传输。
背景技术
具有光学发送器和光学接收器的光学链路在其中经由电线的电力输送和/或数据传输有问题(特别地由于电力输送和/或数据传输路径的大小限制)的应用中是有用的。虽然本发明不限于使用在医学应用中，但是在本文中将参考医学应用描述本发明。
存在利用微创介入来替代常规手术流程的清楚的且正在进行的趋势。减少的创伤、更短的住院时长和减少的成本是对微创技术的采用的最重要的驱动器。为了实现医学器械中的进一步的创新，因此实现更高级且更具挑战性的微创介入，存在将用于体内成像和生理测量的微型传感器集成到如导管和导丝的器械中的需要。
到长且细的设备(诸如用于成像、感测、敏化或甚至消融的医学导管或者导丝)的尖端的数据和电力输送可能是具挑战性的。除此之外，包括从远端到近端的高数据速率返回信道是更有问题的。这归因于若干原因。
第一，与导丝或者导管的长的长度组合的医学介入需要的小横截面(即，小直径)的组合严重地限制可以被集成在这样的器械中的电线的总数。
第二，多根电线的集成降低器械的灵活性，而灵活性是这种类型的器械的关键属性。
第三，对于高数据速率(诸如例如针对尖端处的超声换能器或者敏感测量所要求的)而言，常常要求与单芯线相比较需要更多空间的同轴电缆。
第四，由于导致连接的电子装置中的电磁干扰并且还可能导致组织加热的电接线的共振，具有电线的器械通常不与磁共振成像的使用兼容。并且此外，细电缆通常不支持用于在导管的远端处使用的相对高的功率。
而且，由于其一次性使用，导管和导丝必须以相对地简单且成本有效的方式来制造。
Sakaguchi等人："19-core fiber transmission of 19x100x172-Gb/s SDM-WDM-PDM-QPSK signals at 305Tb/s"(Optical Fiber Communication Conference andExposition，2012年和National Fiber Optical Engineers Conference，IEE，2012年3月4日，第1-3页)就实现对记录空分多路复用信道号19的放大的多芯光纤组合的自由空间耦合系统提出报告。
Sleiffer等人："Mode-division-multiplexed 3x112-Gb/s DP-QPSKtransmission over 80-km few-mode fiber with inline MM-EDFA and Blind DSP"(2012，38th European Conference and Exhibition on Optical Communications，2012年9月16日，第1-3页)描述了使用盲6x6MIMO数字信号处理在有和没有多模式EDFA的情况下对高达80km的3x112-GB/s DP-QPSK模分多路复用信号的传输。
Roland Ryf等人："Mode-Division Multiplexing Over 96km of Few-ModeFiber Using Coherent 6x 6MIMO Processing"(Journal of Lightwave Technology,IEEE Service Center,New York,US,2012年2月1日、第4号、第30卷、第521-531页)描述了各自承载低微分组延迟少模式光纤的96km上的40Gb/s正交相移密钥信道的六个空间和偏振模式的同时传输。US 5,963 349 A公开了使用单个多模光纤的光学波分多路复用双向数据链路。
WO 2014/072891 A1描述了一种包括光导的光学链路，通过光导光能被发送到具有形式为发光二极管(LED)的光电子器件的远程远端光电转换器，其将光能转换为用于对光学转换器电路和一个或多个电子设备供电的电能。一方面，该已知的光学链路在提供致动超声导管的足够的电力输送能力中是有效的，因为光电子器件具有实现必要的电力输出需要的大表面积。另一方面，光电子器件的大表面积限制数据传输的带宽并且因此限制数据传输的数据速率。出于该原因，进一步提出了使用用于从远端到近端的返回路径中的数据传输的分离的光电子器件。然而，用于数据传输的分离的光电子器件和用于能量收集的分离的光电子器件向使用光学链路的介入器械的电子部分和光学部分二者添加显著的复杂性。
因此，需要一种经改进的光学发送器、光学接收器和光学链路，其保持实现足够的电力输出的能力，但是增加返回路径中的带宽和数据速率。
发明内容
本发明的目标是提供一种光学发送器和光学接收器，其能够利用高数据速率发送数据同时维持实现足以对一个或多个电子设备供电的电力输出的能力。
在本发明的第一方面中，提供了一种光学发送器，包括：
-光学转换器电路，其具有光电子器件和连接到所述光电子器件的电路，所述光电子器件具有多个单独的光电子分段，
-细长光导，其具有单根光纤，所述单根光纤在第一端处被光学地连接到所述光电子器件并且被配置为将光发送远离所述光电子器件，其中，所述单独的光电子分段具有相对于所述光纤的所述第一端的不同位置，使得由所述光电子分段发射的光束在不同角度下被耦合到所述光纤中，
-所述光电子器件被配置为从所述分段中的至少一些分段上的所述电路接收多个数据流并且经由由所述分段中的至少一些分段发射的所述光束将所述多个数据流作为空间上不同的数据流光学地发送到所述光导中。
根据本发明的光学发送器因此使用具有多个单独的光电子分段的光电子器件。所述单独的光电子分段可以是单个分段的发光二极管(LED)的分段，或者可以是一起形成所述光电子器件的单个LED。使用具有多个单独的光电子分段的光电子器件具有若干优点。大表面积的光电子器件具有高电容，其进而限制带宽并且因此限制数据速率。当使用具有多个单独分段的光电子器件时，所述分段中的每个分段具有减少的表面积并且因此具有减少的电容。因此，所述光电子器件的单个分段可以利用更大的带宽和更高的数据速率发送数据。
根据本发明，所述光电子器件的分段中的至少一些分段被用于从所述光电子器件到接收器的返回路径中的数据传输。这些分段中的每个分段因此形成单个数据传输信道。由此，能够通过空分多路复用来增加数据速率。如本文所描述的，所述光电子器件特别适合于通过在空间上将多个分离的数据流调制到所述分段中的至少一些分段或全部分段上进行空分多路复用。在这种情况下，所有分段中的至少一些分段或全部分段中的每个可以将在不同角度下利用相应数据流调制的光学信号发送到用于发送所述数据流的光导的光纤中。这样的角度分集被维持在超过至少几米的光纤中，使得可以在接收器上区分单个数据流。
所述光电子器件被配置为将所述多个数据流作为空间上不同的数据流发送。所述多个数据流可以在空间上被调制到所述光电子器件的分段上，并且所述分段然后通过所述光导(例如所述光纤)将所述数据流发送到接收器。因此，类似于被使用在使用空间多路复用的WiFi 802.11n/802.11ac标准中的技术，可以实现空分多路复用。
所述多个数据流可以来自多个不同的数据源，例如来自多个测量设备或者来自在已经被拆分成所述多个数据流之后的单个数据源。
根据本发明的光学发送器的光导具有光纤，其可以是单芯或者多芯光纤。在单芯光纤的情况下，所述光纤优选是多模光纤。
使用具有多个单独分段的光电子器件具有与如上文讨论的现有技术中提出的用于能量收集和数据传输的分离的光学转换器相比较更不复杂并且更成本有效的另一优点。即，具有多个单独的光电子分段的光电子器件可以被用于具有高速率的数据传输并且用于能量收集。
特别地，如在优选的实施例中所提到的，如果所述光电子器件的分段中的至少一些分段被串联连接，则可以获得足以对一个或多个电子设备和/或所述光学转换器电路进行供电的高电功率输出。
根据本发明的光学发送器可以被配置为使得所述光电子器件的所述分段中的至少一些分段被用于能量收集(即，用于将光能转换为电能)，而所述分段中的至少一些其他分段或者至少一些相同的分段被用于返回路径中的数据传输。甚至此处，由于所述单个分段的减少的表面积，获得大带宽和高数据速率的优点。
因此，所述光电子器件更优选地被配置为通过所述光导接收光能并且将所述光能转换为电能。
在该实施例中，根据本发明的光学发送器同时提供具有高数据速率的光学输出和用于对电子转换器电路和/或其他电子设备供应足够的电能的电力连续性。
存在前述实施例的另一益处，根据其所述光电子器件被配置为从传入光收集能量并且发送所述返回路径中的数据。特别地，如果光诱导的电致发光被使用，则能量可以被接收并且同时数据可以被发送回来。
前述实施例的另一优点在于，所述光电子器件的分段可以被用于所述返回路径中的差分信号。差分信号意指根据第一调制对一个分段进行调制并且利用作为所述第一调制的反转的第二调制来对一个或多个其他分段进行调制，一个或多个其他分段在(一个或多个)不同角度下将其光发送到所述光导中。优点是光电子器件的更恒定的总功耗以及光电检测器装置侧处的更鲁棒的解调。
更优选地，所述光学转换器电路的电路具有数据流分离器，所述数据流分离器被配置为将单个原始数据流分成多个分离的数据流，其中，所述分离的数据流中的每个被输入到所述分段中的至少一些分段中的一个分段，并且其中，所述电路更优选地具有在所述数据分离器的输出处和在所述分段中的至少一些分段的输入处的调制器，所述调制器被配置为将所述分离的数据流调制(特别是在空间上调制)到所述光电子器件的分段中的至少一些分段上。
以这种方式，单个原始数据流被分解为多个单个数据流，其然后可以被调制到所述光电子器件的分段上。所述调制器将从原始的连续的数据流分解的单个数据流调制到单个分段上，因此使得能够将分离的数据流空间调制到所述光电子器件上。
更有利地，所述数据流分离器还可以被配置为向所述分离的数据流中的每个添加前导码以用于使得当由接收器接收时能够识别空间上不同的数据流。
在该实施例中，所述光电子器件的分段中的至少一些分段或全部分段使用可识别的前导码发送数据流。在稍后将描述的含有具有多个光电检测器分段的光电检测器装置的接收器处，可以执行所述多个光电检测器分段与所述前导码之间的相关性，使得针对每个前导码实现最大信号以及抑制其他光电检测器分段的信号。这将给出需要被识别的不同的数据流。相同相关性然后当实际数据正被发送以构建特定分段的数据流时被使用。因此，多路复用可以基于在不同角度下发送其光并且然后重建来自光电检测器分段的那些的分段，因为光被发送的角度在光纤的长度上仅改变一点儿或不改变。
在另一实施例中，所述分离的数据流被输入到的所述发送器的所述光电子器件的分段中的至少一些分段具有不同中心波长的光发射。该实施例实现光电检测器设备侧上的基于波长的多路复用和接收器侧处的基于波长的解多路复用。波长多路复用/解多路复用可以因此优选地与先前提到的空分多路复用组合。
如上文已经提到的，所述光电子分段中的至少一些光电子分段被串联连接。更优选地，所述光电子分段中的全部光电子分段被串联连接。所述光电子分段的串联连接具有当将传入光能转换为电能时提供高电压输出的优点。
更优选地，所述光电子器件是被分段为多个发光二极管分段的发光二极管。在该实施例中，LED可以被分成多个单个微型LED，其中每个微型LED具有与常规LED相比较减少的表面积。使用分段LED用于在本发明中使用是高度成本有效的。还可能的是，所述光电子器件由多个单个光电子器件(例如，被布置在相对于所述光纤的光进入端的不同位置处的多个单个LED)形成。
根据本发明的光学发送器还优选地包括梯度指数(GRIN)透镜，所述梯度指数被布置在所述光电子器件与所述光导之间以将从所述光电子器件发射的光光学地耦合到所述光导中，反之亦然。
所述GRIN透镜有利地对通过所述光导传播到所述光电子器件上的光进行准直，由此确保到所述光电子器件的分段中的至少一些分段或全部分段的均匀电力分布，其当所述光学发送器还被用于能量收集时对于高电压输出是有用的。此外，所述GRIN透镜将由所述光电子器件发射的光耦合到光导中用于数据传输。特别地，当所述光导是单芯光纤时，所述GRIN透镜将由所述光电子器件发射的光投射到光纤纤芯中。所述GRIN透镜优选地具有高数值孔径(NA)，例如高于0.2、或高于0.3、或高于0.4、或高于0.5、或高于0.6、或高于0.7。此外，与所述GRIN透镜相邻的所述光导的光进入/输出端的数值孔径可以被匹配到所述GRIN透镜的数值孔径。将理解，虽然GRIN透镜是优选的，但是因为其实现小的且鲁棒的实施方式，所以所述光导的所述光纤可以通过常规透镜与所述光电子器件耦合或者甚至在没有透镜的情况下通过将所述光纤相对于所述光电子器件精确定位来与所述光电子器件耦合。
在本发明的第二方面中，提供了一种光学接收器，包括：
-光电检测器装置，其具有多个光电检测器分段，所述多个光电检测器分段被布置为光学地接收在不同传播角度下传播并且承载来自光导的多个数据流的多个光束，以及
-处理单元，其与所述光电检测器装置相关联并且被配置为从所述光电检测器装置提取所述多个数据流。
根据本发明的所述光学接收器的所述光电检测器装置具有多个光电检测器分段，所述多个光电检测器分段被配置为光学地接收数据流，特别地如由根据本发明的所述光学发送器的所述光电子器件发送的。根据本发明的所述光学接收器的所述处理单元被配置为从所述光电检测器装置提取所述(一个或多个)数据流用于进一步分析。
在多个数据流由所述光电检测器装置接收的情况下，所述处理单元还优选地被配置为将所提取的多个数据流组合为单个数据流，因此所述处理单元被配置为对从所述光电检测器装置提取的所述数据流进行解多路复用。
所述处理单元优选地被配置为通过使用跨所述光电检测器分段的最大比合并来从所述光电检测器装置提取所述数据流。
最大比合并是将多个接收到的数据流组合为单个连续的数据流的常见技术并且可以有利地在本发明中被用于从所述多个光电检测器提取所述分离的数据流并且将它们组合为单个高速率数据流。
在本发明的第三方面中，提供了一种光学链路，包括根据第一方面的光学发送器和根据第二方面的光学接收器。
根据第四方面，提供了一种光学控制台，包括根据第二方面的光学接收器。
根据本发明的所述光学控制台优选地包括光源，所述光源被配置为通过所述光导将用于传输的光束发射到所述发送器的所述光电子器件。这样的光源可以是VCSEL(垂直腔面发射激光器)或者适合于发射具有高光能的光的任何其他光源。所述光源的所述光发射还可以被调制以通过所述光导将控制数据发送到所述转换器电路和/或用于控制相同内容的一个或多个电子设备。如果没有能量收集并且没有控制数据传输被需要，则所述光源可以被省略。
在本发明的第五方面中，提供了一种光学探头，包括根据第一方面的光学发送器，其中，所述光学转换器电路被集成在所述光学探头的远端部分中。优选地，所述光学探头的近端能连接到根据第二方面的接收器的光电检测器装置。
所述光学探头例如是导管或者导丝。
根据本发明的光学发送器的优点还适用于根据本发明的光学探头。所述光学探头具有与根据本发明的光学发送器类似和/或相同的优选实施例。
在本发明的第六方面中，提供了一种操作光学链路的方法，包括：
-提供光学转换器电路，所述光学转换器电路具有光电子器件和连接到所述光电子器件的电路，所述光电子器件具有多个单独的光电子分段，
-将多个数据流供应到所述分段中的至少一些分段并且通过在不同角度下将来自所述光电子分段中的至少一些光电子分段的光发射到光导的单根光纤中来将所述多个数据流作为空间上不同的数据流而光学地发送，
-通过所述光导在具有多个光电检测器的光电检测器装置上从所述光电子器件接收所述多个数据流，并且
-从所述光电检测器装置提取所述多个数据流。
将理解，要求保护的方法具有与如上文所描述的要求保护的光学链路和与从属权利要求中所限定的类似和/或相同的优选实施例。
在本发明的第七方面中，提供了一种包括程序代码单元的计算机程序，所述程序代码单元用于当在计算机上执行所述计算机程序时使所述计算机执行根据第六方面的方法的步骤。
应当理解，要求保护的方法具有与要求保护的设备和与从属权利要求中所限定的类似和/或相同的优选实施例。
附图说明
本发明的这些和其他方面将从在下文中所描述的(一个或多个)实施例而显而易见并且参考在下文中所描述的(一个或多个)实施例得以阐述。在以下附图中：
图1示出了根据本发明的光学发送器、光学接收器、光学链路、光学探头和控制台的示意性实施例；并且
图2示出了图1中的光学发送器的细节的实施例。
具体实施方式
图1示出了利用总体附图标记10标记的光学链路，其包括光学发送器11和光学接收器15。在图1中进一步示出了控制台13，其可以包括接收器15和光源12。
光源12能够发射具有光能的光。光源12优选地是VCSEL。由VCSEL发射的光可以被调制以便发送控制数据。光源的光还可以被用于能量收集，如稍后将解释的。在不需要控制数据传输和能量收集的情况下，可以省略光源。
光学链路10还包括具有单根光纤的光导14。光纤可以是单芯多模光纤，但是也可以是多芯光纤。光导14的至少一部分是光学发送器11的一部分。
光学传感器11还包括光学转换器电路16。光学转换器电路16包括光电子器件18和电路20。电路20可以包括电子装置22，例如用于功率提取和控制来自光电子器件18的数据提取。因此，电子装置22电气连接到光电子器件18。电路20还包括数据流分离器24和数据流分离器24的输出与光电子器件18的输入之间的一个或多个调制器26。因此，调制器26与数据流分离器24并且与光电子器件18电气连接。
光学接收器15包括光电检测器装置28，其被配置为检测光并且将光转换为电气信号。电气连接到光电检测器装置28的处理单元30包括一个或多个解调器32和数据流组合器34。
光学链路10还包括光束分离器36，其可以被配置为分色镜。光束分离器36一方面被布置在光源12与光电子器件18之间的光导14的光路中，并且另一方面在光电子器件18与光电检测器装置28之间。此外，如果不需要能量收集和控制数据传输，则可以省略束分离器36，并且光电检测器装置28可以被布置在其中光源12被定位在图1中的位置处。
光学发送器10还可以包括被布置在光导14的第一端40与光电子器件18之间的第一GRIN透镜38。GRIN透镜38优选地具有高NA，特别地NA>0.3。
光学接收器10可以具有被布置在光导14的第二端44与光电检测器装置28之间的第二GRIN透镜42。GRIN透镜42具有高NA，其可以是>0.2。
光电子器件18具有多个单独的光电子分段18a至18i，其利用图1中的字母a至i标记。特别地，光电子器件18是分段的发光二极管(LED)，其中，分段18a至18i各自形成单个微型LED，其中，LED分段18a至18i中的每个可以被配置为将光转换为电气信号，并且将电气信号转换为光。换句话说，分段18a至18i中的每个自身用作LED。在其他实施例中，光电子器件18可以包括多个单个LED，每个LED形成光电子器件18的分段。将理解，转换器电路16可以包括驱动分段18a至18i中的每个的多个电子电路。在稍后描述的图2中示出了针对一个分段的电子电路的范例。
分段18a至18i的子集或数目或者所有分段18a至18i可以与彼此串联连接。
光学发送器11(特别是光电子器件18和电路20)可以被集成在光学探头46中，该光学探头可以是导管或导丝或任何其他介入器械。特别地，光学转换器电路16可以被集成在光学探头46的远端部分48中。光学探头46可以具有远端部分48中的一个或多个额外的电子设备(未示出)，例如超声换能器、相机、测量设备。这些设备通常提供将由发送器11发送到接收器15的数据流，如稍后将更详细地描述的。GRIN透镜38和从GRIN透镜38直到光束分离器的光导14的一部分还可以被集成到光学探头46中的从远端部分48延伸的光学探头46的部分50中。
在下文中，将进一步描述光学链路10和操作光学链路的方法。
光学链路10的一个功能可以是电源，因为光从光源12被发送到光学转换器电路16，其中，发送器11的光电子器件18将由光传输的光能转换为电能，用于对光学转换器电路16的部件进行供电和/或用于对探头16中的远端部分48中的任何其他电子设备进行供电。在图1中，利用箭头52图示了从光源12发射的光。该光通过光束分离器36并且进一步通过光导14被引导通过光导14并且然后穿过GRIN透镜38。GRIN透镜38将来自光源12的光准直到光电子器件18的分段18a至18i中的一些分段或全部分段上。分段18a至18i中的每个分段或者分段18a至18i中的至少一些分段将光能转换为电能，其可以被存储在电子器件22的电容器(未示出)中用于进一步用作探头46的远端部分中的光学转换器电路16或者(一个或多个)其他设备的部件中的任何部件的电源。特别地，当分段18a至18i被串联连接或者分段18a至18i中的至少一些分段被串联连接时，在将光能转换为电能之后的输出电压可以是高的。高电压对于探头46的特定超声使用而言是有利的。如果III/V LED被用作光电子器件的单个分段，则单个分段为例如转换器电路16的电子装置提供足够的电压。
当将光电子器件18用作能量转换器(或者换句话说光伏电池)时，由光源12发射的光的波长应当比光电子器件18的分段18a至18i的光发射的中心波长更短。
光学链路10的另一功能可以是通过到远端部分48中的光学转换器电路16和/或其他电子设备的光导14的控制数据传输。为此目的，光源12的光发射可以利用由从光源12发射的光发送到光电子器件18的控制数据调制，并且在将经调制的光转换为电气信号之后，控制数据可以由电子装置22提取。以这种方式发送的控制数据可以被用于控制光学转换器电路16，和/或用于控制远端部分48中的一个或多个电子设备，如上文所提到的。
光学链路10(特别是光学发送器11)的另一有利的功能是通过光导14光学地发送来自光学探头46的远端部分48的数据。由于具有多个单独的分段18a-18i的发送器11的光电子器件18的配置，光电子器件18特别适合于在相反的方向上(还被表示为“在返回路径中”，即通过光导14从光电子器件18到接收器15的光电检测器装置28)光学地发送数据。特别地，由于具有多个单独的分段的光电子器件18的配置，光电子器件18特别适合于发送多个空间上不同的数据流，如在下文中将描述的。此外，作为多个小表面积分段的光电子器件18的配置具有以下优点：与大表面积光电子器件相比较，分段18a至18i中的每个的电容被降低。低电容实现数据传输中的更大的带宽和更高的数据速率。
单个数据流被输入到数据流分离器24，如由箭头54所图示的。输入数据流可以例如来自探头46的远端部分48中的电子设备，例如来自用于捕获超声图像的超声换能器、来自相机等。数据流分离器24将传入数据流分成多个分离的数据流，换句话说，将传入数据流分解为多个分离的数据流。分离的数据流然后被输入到调制器26以用于将分离的数据流在空间上调制到光电子器件18的分段18a至18i上。分段18a至18i中的至少一些分段或全部分段被用于返回路径中的数据传输，并且因此，分段18a至18i中的至少一些分段或全部分段被连接到对应的调制器26。
光电子器件18的单个分段18a至18i具有相对于光导14的光纤的邻近端的不同位置。这意指分段18a至18i在不同角度下将承载数据流的其相应光束发射到光纤中。每个分段18a至18i可以在与其他分段18a至18i的光发射的所有其他角度不同的角度处将其光发射到光纤中。然而，还可能的是，分段18a至18i的第一子集在相同角度处将光发射到光纤中。在这种情况下，该子集的分段优选地被用于发送单个数据流。在与第一子集不同的角度处将光发射到光纤中的另一子集被用于发送另一数据流。通过在空间上多路复用数据流，数据速率被显著地增加。
调制器26将分离的数据流输入到光电子器件18的分段18a至18i中的至少一些分段或全部分段，这取决于分段18a至18i中的哪个分段被用于返回路径中的数据传输。
由于具有多个分段18a至18i的光电子器件18的配置，其可以被配置为分段18a至18i的矩阵或者阵列布置，来自调制器26的分离的数据流可以在空间上被调制到分段18a至18i或者分段的对应的子集上，如上文所提到的。
因此，在本文中所描述的光电子器件18实现对数据流的空分多路复用，其进而可以基于单个原始的连续的数据流。然而，还可以设想到，分离的数据流可以来自多个不同的数据源(例如，来自多个电子设备)。
图2示出了针对光电子器件18的分段18a的电子电路的实施例。如之前所提到的，分段18a至18i中的每个形成微型LED自身。图2示出了其中调制器26利用数据来调制光发射(箭头56)的电路。光电子器件18的分段的光发射的调制可以通过挤压分段的负载来执行。分段的光发射可以例如包含针对数据位“0”的双闪光和针对数据位“1”的单闪光。实际上，可以使用更简单的调制方案，其中，由分段发射的光的量的减小表示“0”，并且由分段发射的光的增加表示“1”，或者反之亦然，其允许更高的数据速率。此外，某种“白化”方案可以通过修改数据而被采用，使得将不存在“0”或“1”位的长序列而是随时间的平衡负载。
分段18a至18i或分段18a至18i的子集通过GRIN透镜38将空间多路复用的数据流光学地发送到光导14中，如利用箭头58所图示的。分段18a至18i的光信号在不同角度下(即，利用角分集)进入GRIN透镜38和光导14(特别是光纤的纤芯)，使得分离的数据流作为空间多路复用的数据流通过光导14被发送。在光束分离器36处，承载数据流的光被引导到光电检测器装置28。
光电检测器装置28具有利用图1中的字母a至i标记的多个光电检测器分段28a至28i，其中，光电检测器装置28的光电检测器分段的数目可以与光电子器件18的分段18a至18i的数目相同。GRIN透镜42将来自光电子器件18的分段18a至18i的光学信号均匀地准直到光电检测器装置28的光电检测器分段28a至28i上。原则上，所有分段28a至28i被用于从光电子器件18接收光学信号。当通过光导14在特定角度下发送光时，这对应于特定模式。不同模式具有光纤中的不同延迟并且将存在对于高阶和低阶模式的一些泄漏。通过使接收到的信号相关，可以重建单独的模式延迟并且因此有利地组合来自所有光电检测器分段28a至28i的信号以具有原始信号的最好重建。如果应用下面更详细地描述的差分信号的概念，则这可以进一步改进。
光电检测器装置28的光电检测器分段28a至28i光学地接收具有从光电子器件18发送的空间多路复用的数据流的光学光束并且将光学信号转换为电气信号。
类似光电子器件18的分段18a至18i，光电检测器装置28的光电检测器分段28a至28i可以以矩阵或者阵列来布置。
当光学信号由光电检测器装置28接收时，空间多路复用仍然被维持，因为由光电子器件18的分段18a至18i发射的光学信号维持直到光电检测器装置28的它们的不同传播角度。
为了使得能够识别在光电检测器装置28(即其分段28a至28i)处接收到的空间上不同的数据流，数据流分离器24不仅将传入数据流分成分离的数据流，而且向分离的数据流中的每个添加前导码。此处，若干选项是可能的。一个选项是使用不同伪随机前导码用于单独的数据流。另一选项是在时间上多路复用并且在每个信道处单独地使用相同前导码。在从前导码获悉信道特性之后，这些特性被用于数据传输(分组)的持续时间以解码实际数据。
处理单元30当从来自单个光电子检测器分段28a至28i的光电检测器信号提取分离的数据流时使用这些前导码。这可以有利地通过使用每个数据流的前导码的最大比合并的技术完成。执行光电检测器28a至28i与前导码之间的相关性，使得针对每个前导码实现最大信号并且抑制光电检测器装置28的其他分段28a至28i的信号。相关性可以是在一个时刻处的简单相关性，但是也可以是考虑时间延迟并且搜索给出最高相关性的时间延迟的相关性。
解调器32然后解调从光电检测器信号提取的数据流，并且数据流组合器34将分离的数据流组合(即，解多路复用)为单个连续的数据流。该组合的数据流然后根据箭头60被输出用于进一步的处理，例如用于基于该数据流将图像可视化。
除了数据流的空间多路复用和从光电子器件18到光电检测器装置28对数据流的空间多路复用的传输之外，还可以设想基于波长对从数据流分离器输出的数据流进行多路复用。为此目的，光电子器件18的单个分段18a至18i可以具有中心波长的光发射，其在分段阵列或者矩阵上变化。
此外，光学链路10的主要优点之一在于，由光电子器件18进行的能量收集和数据传输可以被同时执行，即光能可以连续地被转换为电能，并且同时，多个空间数据流可以从光电子器件被发送回来。
此外，在这方面，光学链路10有利地被配置为使用光诱导的电致发光。
在光诱导的电致发光的情况下，由光电子器件18从光源12接收到的光可以被调制以发送由分段18a至18i接收到的信息作为可以从收集的能量提取的共模信号。
一般而言，光诱导的电致发光(PEL)是一种类型的发光，其当LED利用光点亮同时其导线被连接到使LED建立比LED的带隙更高的电压足够高的电阻时出现。因此，LED将开始导电并发光，如其以常规的电致发光所进行的一样。因此，进入LED的光诱发LED中的电压，电压诱发过LED的电流，电流诱发由LED进行的光发射。在高效的LED的情况下，这在没有电流源的情况下提供强光发射并且LED的负载的变化将调制PEL输出电平。
此外，在这方面，结合其同时进行能量收集的能力的光电子器件18的分段18a至18i中的至少一些分段或全部分段可以被用于返回路径中的差分信号。这将在以下中解释。
对于单个LED而言，通过调制点亮的LED上的负载，生成PEL，其中，LED返回在与由LED接收到的传入光不同的波长处的光。返回的光的量取决于LED上的负载：如果较少的电流被汲取，则电压上升并且LED发射更多光。负载的变化改变由LED发射的光的量。然而，针对设备保持总负载恒定可以是期望的。这可以通过差分信号利用具有多个分段18a至18i的光电子器件18实现。
光电子器件18具有多个分段18a至18i。分段18a至18i同时地被用于能量收集和返回路径中的信号传送。在某个功耗处，分段在特定工作点中，该特定工作点是分段上的特定负载(例如，50％负载)。通常，当发送用于单个数据传输信道的信号时，在二进制情况下由分段发射的光的量将针对值“1”增加并且针对值“0”减小。利用PEL，这可以通过改变单独的分段上的负载来完成。因此，当发送信号时，功耗当发送“1”时增加并且当发送“0”时减小。由于单独的分段18a至18i与彼此不相关，所以如果一致地所有信道同时发送“1”或“0”，则可以存在总功耗的大变化。
利用差分信号，分段18a至18i中的一些分段以相关的方式被调制，使得总功耗保持恒定。在简单的二进制调制(发送“0”和“1”)的情况下，这意指例如分段18a至18i中的两个分段被反相调制，即如果一个利用“1”调制，则另一个利用“0”调制，并且反之亦然。
作为范例：考虑例如分段18a、18b、18c、18d，每个将其光束在不同角度处发射到光导14的光纤中，并且每个形成单独的数据传输信道(C1、C2、C3、C4)。根据差分信号，如果“1”在信道C3上被发送，例如此外“0”在信道C4上被发送，因此C3和C4反相发送，这导致总功耗保持相同，并且另一优点在于，数据流在不同角度下并且反相发送，这导致检测器装置28处的更鲁棒的解调。此外，如果“1”在信道C2上被发送，“0”在信道C1上被发送等。因为分段被反相调制为对，所以总负载在所有分段上保持恒定，因为负载较少的一个分段由负载较多的另一分段补偿。
在光导14的光纤中，这导致在一个角度下的光的量的增加和在另一角度下的光的量的减小。这还导致数据流的更鲁棒的传输，因为可以“寻找”一个信道中的光的增加和另一信道中的光的减小以可靠地检测检测器装置28中的“1”和“0”。总之，本文所公开的差分信号改进具有恒定负载处的恒定功耗的能力以及返回路径中的数据传输的鲁棒性二者。
尽管以上针对二进制调制的简单情况已经给出了差分信号的范例，其中，分段18a至18i中的两个分段被反相配对和调制，但是差分信号的概念还可以被采用在多级调制的情况中。作为参考以上范例的范例：利用100％输出(50％负载)在信道C3(分段18c)上发送“1”，并且使分段18b(信道C2)和18d(信道C4)的输出从50％变成25％并且在每种情况下(2*-25％＝-50％负载)可以在多级调制中完成。此外，此处通过跨多个信道相关来获得恒定负载以及增加数据传输的鲁棒性。这使得能够跨多个信道散播信号来增加鲁棒性。
虽然已经在附图和前述描述中详细说明和描述本发明，但是这样的说明和描述将被认为是说明性或示范性而非限制性的；本发明不限于所公开的实施例。通过研究附图、说明书和随附的权利要求书，本领域的技术人员在实践所主张的本发明时可以理解和实现所公开的实施例的其他变型。
在权利要求中，词语“包括”不排除其他元件或者步骤，并且词语“一”或“一个”不排除多个。单个元件或者其他单元可以实现权利要求中记载的若干项的功能。互不相同的从属权利要求中记载了特定措施的仅有事实并不指示不能有利地使用这些措施的组合。
计算机程序可以被存储/被分布在适合的介质上，诸如连同其他硬件一起或作为其一部分供应的光学存储介质或固态介质，而且可以以其他形式分布，诸如经由因特网或其他有线或无线电信系统。
权利要求中的任何附图标记不应当被解释为对范围的限制。
Claims (18)
1.一种光学发送器，包括：
-光学转换器电路(16)，其具有光电子器件(18)和连接到所述光电子器件(18)的电路(20)，所述光电子器件(18)具有多个单独的光电子分段(18a-18i)，
-细长光导(14)，其具有单根光纤，所述单根光纤在第一端处被光学地连接到所述光电子器件(18)并且被配置为将光发送远离所述光电子器件(18)，其中，所述单独的光电子分段(18a-18i)具有相对于所述光纤的所述第一端的不同位置，使得由所述光电子分段(18a-18i)发射的光束在不同角度下被耦合到所述光纤中，
-所述光电子器件(18)被配置为从所述分段(18a-18i)中的至少一些分段上的所述电路(20)接收多个数据流并且经由由所述分段(18a-18i)中的所述至少一些分段发射的所述光束将所述多个数据流作为空间上不同的数据流光学地发送到所述光导(14)中。
2.根据权利要求1所述的光学发送器，其中，所述光电子器件(18)还被配置为通过所述光导(14)接收光能并且将所述光能转换为电能。
3.根据权利要求1所述的光学发送器，其中，所述光学转换器电路(16)的所述电路(20)具有数据流分离器(24)，所述数据流分离器被配置为将单个原始数据流分成多个分离的数据流，其中，所述分离的数据流中的每个被输入到所述分段中的至少一些分段中的一个分段，并且其中，所述电路(20)还具有在所述数据流分离器(24)的输出处和在所述光电子器件(18)的所述分段(a-i)中的至少一些分段的输入处的调制器(26)，所述调制器(26)被配置为将所述分离的数据流调制到所述分段(18a-18i)中的所述至少一些分段上。
4.根据权利要求3所述的光学发送器，其中，所述数据流分离器(24)还被配置为向所述分离的数据流中的每个添加前导码。
5.根据权利要求1所述的光学发送器，其中，所述分离的数据流被输入到的所述光电子器件(18)的所述分段(18a-18i)中的所述至少一些分段具有不同中心波长的光发射。
6.根据权利要求1所述的光学发送器，其中，所述光电子器件(18)的所述光电子分段(18a-18i)中的至少一些光电子分段被串联连接。
7.根据权利要求1所述的光学发送器，其中，所述光电子器件(18)是发光二极管，所述发光二极管被分段为形成所述多个光电子分段(18a-18i)的多个发光二极管分段。
8.根据权利要求1所述的光学发送器，其中，所述多个光电子器件分段(18a-18i)是单个发光二极管。
9.根据权利要求1所述的光学发送器，还包括梯度指数(GRIN)透镜(38)，所述梯度指数透镜被布置在所述光电子器件(18)与所述光导(14)之间以用于将从所述光电子器件(18)发射的光光学地耦合到所述光导(14)中。
10.一种光学接收器，包括：
-光电检测器装置(28)，其具有多个光电检测器分段(28a-28i)，所述多个光电检测器分段被布置为光学地接收在不同传播角度下传播并且承载来自光导(14)的多个数据流的多个光束，以及
-处理单元(30)，其与所述光电检测器装置(28)相关联并且被配置为从所述光电检测器装置(28)提取所述多个数据流。
11.根据权利要求10所述的光学接收器，其中，所述处理单元(30)还被配置为将所提取的多个数据流组合为单个数据流。
12.根据权利要求10所述的光学接收器，其中，所述处理单元(30)被配置为通过使用跨所述光电检测器或者光电检测器分段(28a-28i)的最大比合并来从所述光电检测器装置(28)提取所述数据流。
13.一种光学链路，包括根据权利要求1至9中的任一项所述的光学发送器和根据权利要求10至12中的任一项所述的光学接收器。
14.一种光学探头，包括根据权利要求1至9中的任一项所述的光学发送器，其中，所述光学转换器电路(16)被集成在所述光学探头(46)的远端部分(48)中。
15.一种光学控制台，包括根据权利要求10至12中的任一项所述的光学接收器。
16.根据权利要求15所述的光学控制台，还包括光源(12)。
17.一种操作光学链路(10)的方法，包括：
-提供光学转换器电路(16)，所述光学转换器电路具有光电子器件(18)和连接到所述光电子器件(18)的电路(20)，所述光电子器件(18)具有多个单独的光电子分段(18a-18i)，
-将多个数据流供应到所述分段(18a-18i)中的至少一些分段，
-通过在不同角度下将来自所述光电子分段(18a-18i)中的至少一些光电子分段的光发射到光导(14)的单根光纤中来将所述多个数据流作为空间上不同的数据流而光学地发送，
-通过所述光导(14)在具有多个光电检测器(28a-28i)的光电检测器装置(28)上从所述光电子器件(18)接收所述多个数据流，并且
-从所述光电检测器装置(28)提取所述多个数据流。
18.一种包括程序代码单元的计算机程序，所述程序代码单元用于当在计算机上执行所述计算机程序时使所述计算机执行根据权利要求17所述的方法的步骤。
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