CN111628824B - 光子物联网照明基站 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了光子物联网照明基站,包括,光子通信单元,用于发射和接收通信波段的激光信号并进行光电转换;红外光发射单元,用于发射特征波长范围的红外激光束;照明单元,用于从红外光发射单元获取红外激光束并转化成白光照明;电信号处理单元,用于处理来自光子通信单元的电信号,并向红外光发射单元和光子通信单元提供电信号,其中,红外光发射单元发射的激光能量按特定的比例分配给照明单元和光子通信单元。本发明提供的光子物联网照明基站,使用光子通信,减少了电子通信的容量限制和电磁干扰;由于采用不可见光,避免了可见光对硅基集成芯片技术平台的影响;同时兼容了照明灯具,从根本上实现高速安全的物联网建设。
Description
技术领域
本申请涉及物联网技术领域,尤其涉及光子物联网照明基站。
背景技术
物联网技术是信息时代的基础支撑技术平台,大容量、广分布、高可靠性、高保密性及低辐射危害性是物联网技术的基本要求。
当前的物联网技术主要是基于电子信号连接的架构。电子物联网的弊端包括:(1)大容量技术演进困难,尽管5G能提供十倍于4G的通信速度,但是要想继续提高电子通信的基带频率十分困难,成本高昂,并且电功耗巨大;(2)电磁干扰以及对人体的辐射危害,随着基带频率的增加,照明基站的覆盖范围快速收窄,因此不得不增加射频基站的密度和发射功率,由此产生的强大的电磁干扰和辐射不仅会影响人们身体健康,还会影响电子产品的安全工作。
为了克服以上弊端,人们尝试了基于可见光通信的无线连接技术,以期待成为下一代物联网的主流架构,然而,对于硅基集成芯片技术平台来说,可见光在硅基材料中是不透明的,这意味着可见光通信在物理基本原理上就不可能兼容硅基集成芯片。
因此,真正物联网产业的发展需要一种全新的、符合物理原理的技术架构。然而,对于物联网的技术架构来说,选择何种基站进行无线连接则既是基础问题又是核心任务。
发明内容
本发明的目的是要提供光子物联网照明基站,可以解决上述现有问题中的一个或多个。
光子物联网照明基站,包括,红外光发射单元,用于发射波长范围为1100纳米至1700纳米的红外激光束;
光子通信单元,用于发射和接收波长范围为1100纳米至1700纳米的激光信号并进行光电转换;
照明单元,用于从红外光发射单元获取红外激光束并转化成白光照明;
电信号处理单元,用于处理来自光子通信单元的电信号,并向红外光发射单元和光子通信单元提供电信号,
其中,红外光发射单元发射的激光能量按特定的比例分配给照明单元和光子通信单元。
在一些实施方式中,红外光发射单元包括激光发射模块和分束模块,激光发射模块用于发射红外激光束;
分束模块用于将激光发射模块发出的红外激光束分成两束。
在一些实施方式中,分束模块发出的两束红外激光束分别通过光纤与光子通信单元和照明单元相连。
在一些实施方式中,红外光发射单元发射的激光能量,分配给照明单元的比例范围是60%-99%,分配给光子通信单元的比例范围是1%-40%。
在一些实施方式中,照明单元包括:
选频模块,用于从波长范围为1100纳米至1700纳米的红外激光束中选择合适的频率;
倍频模块,用于将选频模块选出的频率扩大为原来的两倍、三倍和四倍,以获得可见光波中的红光,绿光和蓝光三原色激光;
混合均匀光模块,用于将倍频模块输出的红光,绿光和蓝光三原色激光均匀混合成白色激光束;
模式扩展模块,用于将混合均匀光模块输出的单模白色激光束转变为多模的照明白光。
在一些实施方式中,光子通信单元包括:
光电调制模块,用于接收电信号处理单元发出的电信号,并通过电光物理效应转换成通信红外激光载波中的光子信号;
光斑变换模块,用于接收光电调制模块输出的红外激光束并转换成适合广域空间的无线传播的光斑,或者收集来自广域空间的无线传播的通信红外激光束并且转换成适合光电接收的光斑;
光电检测模块,用于将光斑变换模块输出的适合光电接收的光斑转换成电信号,并且输出至电信号处理单元进行电信号处理。
在一些实施方式中,还包括壳体,光子通信单元、红外光发射单元、照明单元和电信号处理单元均位于壳体内部,
壳体包括侧壁和底面,侧壁内层为抛物状镜面。
在一些实施方式中,底面上设置有环形透镜,环形透镜的外环与侧壁相接,环形透镜的内环中设置圆形毛玻璃。
在一些实施方式中,壳体内部从上至下一次设置电信号处理单元、红外光发射单元、光子通信单元和照明单元,红外光发射单元和光子通信单元之间设置柱状透镜。
本发明提供的光子物联网照明基站,由于使用光子进行通信,减少了电子通信的容量限制和其所产生的电磁干扰;又由于采用红外激光这种不可见光,避免了可见光对硅基集成芯片技术平台产生的影响;同时能够兼容照明灯具,从根本上实现高速安全的物联网建设,推动物联网产业的发展。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案,下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍,显而易见地,下面描述中的附图是本发明的一些实施例,对于本领域普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动的前提下,还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明一实施例提供的一种光子物联网照明基站的结构框图。
图2是本发明另一实施例提供的一种光子物联网照明基站的结构框图。
图3是本发明一实施例提供的一种光子物联网照明基站的结构示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚,下面将结合本发明实施例中的附图,对本发明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发明一部分实施例,而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例,本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例,都属于本发明保护的范围。
在本实施例中,提供了一种光子物联网照明基站,如图1至图3所示,包括,
红外光发射单元2,用于发射波长范围为1100纳米至1700纳米的红外激光束;
光子通信单元1,用于发射和接收波长范围为1100纳米至1700纳米的激光信号并进行光电转换;
照明单元3,用于从红外光发射单元2获取红外激光束并转化成白光照明;
电信号处理单元4,用于处理来自光子通信单元1的电信号,并向红外光发射单元2和光子通信单元1提供电信号,
其中,红外光发射单元2发射的激光能量按特定的比例分配给照明单元3和光子通信单元1。
红外光发射单元2包括激光发射模块21和分束模块22,激光发射模块21用于发射红外激光束;分束模块22用于将激光发射模块21发出的红外激光束分成两束,由此,红外光发射单元2发出的红外激光束,可以分别发送给照明单元3和光子通信单元1。在可选的实施例中,可将红外光激光发射芯片与分束芯片封装为一体,由此减小芯片体积。
红外光发射单元2发射的激光能量,分配给照明单元3的比例范围是60%-99%,分配给光子通信单元1的比例范围是1%-40%。由此实现大部分能量用于照明,而将通信激光束能量控制在人体安全范围之内。在可选的实施例中,分配给照明单元3的能量占比是90%,分配给光子通信单元1的能量占比是10%。
分束模块22发出的两束红外激光束分别通过光纤与光子通信单元1和照明单元3相连。由此,可以避免空间传输所带来的较高的耦合光损耗和传输光损耗。
在可选的实施例中,照明单元3,包括:
选频模块31,用于在红外光发射单元2发射的波长范围为1100纳米至1700纳米的红外激光束中选择合适的频率,在可选的实施例中,选择的频率范围为1260nm-1360nm;
倍频模块32,用于将选频模块31选出的频率扩大为原来的两倍、三倍和四倍,以获得可见光波中的红光,绿光和蓝光三原色激光;
混合均匀光模块33,用于将倍频模块32输出的红光,绿光和蓝光三原色激光均匀混合成白色激光束;
模式扩展模块34,用于将混合均匀光模块33输出的白色激光束转变为多模式的照明白光。
由此,用于将非可见光波段的红外激光束转换成为适合人眼的白光可见光照明。
倍频模块32的制作材料可选用磷酸钛氧钾KTP晶体。在可选的实施例中,使用中心波长为1310nm的红外激光束通过两倍倍频后会得到中心波长为655nm的红色激光束,接着让部分红色激光束与原红外激光束相互倍频产生中心波长437nm的蓝紫色激光束,再将部分蓝紫色激光束与原红外激光束相互倍频产生中心波长为524nm的绿色激光束,以获得RGB三原色的可见激光束。
混合均匀光模块33将倍频模块32输出的RGB三原色可见激光束按3:2:3的能量比例以30度的角度射入一个内壁为毛状粗糙玻璃的圆柱形光桶,圆柱形光桶的反射面形状不同,可以获得不用色温的白色激光束。在可选的实施例中,圆柱形光桶的反射面呈抛物形,可获得3500K色温的白色激光束。
在可选的实施例中,模式扩展模块34是一个法布里-珀罗谐振腔,可以将较窄的单模激光光束的模式扩展为较宽的多模光束。
在可选的实施例中,光子通信单元1包括:
光电调制模块11,用于接收电信号处理单元4发出的电信号以及红外光发射单元2发送至光子通信单元1的红外激光束,并通过电光物理效应将电信号转换成相应的光子信号,加载至接收的红外激光束中。需要传输的信息被携带在电信号处理单元4发给光电调制模块11的电信号上,光电调制模块11将这部分电信号转换成激光束的相位信号;
光斑变换模块12,用于将光电调制模块11发出的通信用的红外激光束转换成适合广域空间的无线传播的光斑,或收集来自广域空间的无线传播的通信用的红外激光束并且将其转换成适合光电接收的光斑;
光电检测模块13,用于将光斑变换模块12转换后的适合光电接收的光斑转换成为电信号,并且送至电信号处理单元4进行处理。
在可选的实施例中,光电调制模块11为芯片集成的马赫-曾德尔干涉仪式的相干调制器,由此,能够实现高灵敏的无线空间通信。
在可选的实施例中,光电检测模块13接收到的光子信号的强度只要能够达到光电检测模块13的灵敏度阈值就能被电信号处理单元4检测出光子信号的标识来源及数字比特值。
在可选的实施例中,光子物联网照明基站还包括壳体5,光子通信单元1、红外光发射单元2、照明单元3和电信号处理单元4均位于壳体内部。壳体包括侧壁和底面,侧壁大致呈钟型,侧壁内层为抛物状镜面,由此可实现入射光线多次反射并有利于信号的聚焦。
在可选的实施例中,底面上设置一环形透镜6,环形透镜的外环与侧壁相接,环形透镜的内环中设置圆形毛玻璃7。环形透镜6有利于通信红外激光束的广角度发射,圆形毛玻璃7既能够便于集中式可见光照明又可以对通信激光束进行散射获得较大的发射角度,由此,实现照明光束中央集中而通信光束四周散射。
在可选的实施例中,壳体内部从上至下依次设置电信号处理单元4、红外光发射单元2、光子通信单元1和照明单元3,红外光发射单元2和光子通信单元1之间设置柱状透镜8,柱状透镜8可以实现光斑调节的作用。在可选的实施例中,柱状透镜8可以分为环形柱状透镜和中心柱状透镜两部分,其中,环形柱状透镜用于调节通信激光束,中心柱状透镜用于调节照明光束。
本申请所提供的光子物联网照明基站,在工作时,通过光子通信单元1进行信号的接收和发送,红外光发射单元2提供通信与转化照明光所需的不可见光,照明单元3将不可见光转化成适合人眼的可见白光,电信号处理单元4进行信号的处理,由此,实现了基于不可见光的光子通信基站。本申请所提供的光子物联网照明基站,由于使用光子进行通信,减少了电子通信的容量限制和其所产生的电磁干扰;又由于采用红外激光这种不可见光,避免了可见光对硅基集成芯片技术平台产生的影响;同时能够兼容照明灯具,从根本上实现高速安全的物联网建设,推动物联网产业的发展。若在家庭内部使用,可以低成本实现室内超高速10Gbps以上的数据传输,可以支持点对点的大容量文件传输以及室内组队实时游戏,并且不会对人体造成辐射伤害。
在本申请所提供的实施例中,应该理解到,所揭露的技术内容,可通过其他的方式实现。其中,以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的,例如单元的划分,仅仅为一种逻辑功能划分,实际实现时可以有另外的划分方式,例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统,或一些特征可以忽略,或不执行。作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的,作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元,即可以位于一个地方,或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。
另外,在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中,也可以是各个单元单独物理存在,也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现,也可以采用软件功能单元的形式实现。
所以集成的单元如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时,可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解,本发明的技术方案本质上或者说对现有技术作出贡献的部分或者该技术方案的全部或部分可以以软件产品的形式体现出来,该计算机软件产品存储在一个存储介质中,包括若干指令用以使得一台计算机设备可为个人计算机、服务器或者网络设备等执行本发明各个实施例方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括:U盘、只读存储器、随机存储器、移动硬盘、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
以上仅是本发明的可选实施方式,应当指出,对于本技术领域的普通技术人员来说,在不脱离本发明原理的前提下,还可以做出若干改进和润饰,这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (7)
1.一种光子物联网照明基站,其特征在于,包括,
红外光发射单元(2),用于发射波长范围为1100纳米至1700纳米的红外激光束;
光子通信单元(1),用于发射和接收波长范围为1100纳米至1700纳米的激光信号并进行光电转换;
照明单元(3),用于从所述红外光发射单元(2)获取所述红外激光束并转化成适合人眼的白光照明;
电信号处理单元(4),用于处理来自所述光子通信单元(1)的电信号,并向所述红外光发射单元(2)和所述光子通信单元(1)提供电信号,
其中,所述红外光发射单元(2)发射的激光能量按特定的比例分配给所述照明单元(3)和所述光子通信单元(1);
所述照明单元(3)包括:
选频模块(31),用于在所述红外光发射单元(2)发射的波长范围为1100纳米至1700纳米的红外激光束中选择合适的频率;
倍频模块(32),用于将所述选频模块(31)选出的频率扩大为原来的两倍、三倍和四倍,以获得可见光波中的红光,绿光和蓝光三原色激光;
混合均匀光模块(33),用于将所述倍频模块(32)输出的所述红光,所述绿光和所述蓝光三原色激光均匀混合成白色激光束;
模式扩展模块(34),用于将所述混合均匀光模块(33)输出的单模白色激光束转变为多模的照明白光;
所述光子通信单元(1)包括:
光电调制模块(11),用于接收所述电信号处理单元(4)发出的电信号,并通过电光物理效应转换成通信红外激光载波中的光子信号;
光斑变换模块(12),用于接收所述光电调制模块(11)输出的红外激光束并转换成适合广域空间的无线传播的光斑,或者收集来自广域空间的无线传播的通信红外激光束并且转换成适合光电接收的光斑;
光电检测模块(13),用于将所述光斑变换模块(12)输出的适合光电接收的光斑转换成电信号,并且输出至所述电信号处理单元(4)进行电信号处理。
2.根据权利要求1所述的光子物联网照明基站,其特征在于,所述红外光发射单元(2)包括激光发射模块(21)和分束模块(22),
所述激光发射模块(21)用于发射红外激光束;
所述分束模块(22)用于将所述激光发射模块(21)发出的红外激光束分成两束。
3.根据权利要求2所述的光子物联网照明基站,其特征在于,所述分束模块(22)发出的两束红外激光束分别通过光纤与所述光子通信单元(1)和所述照明单元(3)相连。
4.根据权利要求1所述的光子物联网照明基站,其特征在于,所述红外光发射单元(2)发射的激光能量,分配给所述照明单元(3)的比例范围是60%-99%,分配给所述光子通信单元(1)的比例范围是1%-40%。
5.根据权利要求1所述的光子物联网照明基站,其特征在于,还包括壳体(5),所述光子通信单元(1)、所述红外光发射单元(2)、所述照明单元(3)和所述电信号处理单元(4)均位于壳体内部,
所述壳体(5)包括侧壁和底面,所述侧壁内层为抛物状镜面。
6.根据权利要求5所述的光子物联网照明基站,其特征在于,所述底面上设置有环形透镜(6),所述环形透镜(6)的外环与所述侧壁相接,所述环形透镜的内环中设置圆形毛玻璃(7)。
7.根据权利要求5所述的光子物联网照明基站,其特征在于,
所述壳体内部从上至下依次设置所述电信号处理单元(4)、所述红外光发射单元(2)、所述光子通信单元(1)和所述照明单元(3),所述红外光发射单元(2)和所述光子通信单元(1)之间设置柱状透镜(8)。
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