CN113612537B - 一种用于数据中心的无线光通信收发一体化系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于数据中心的无线光通信收发一体化系统，包括若干个一体式光收发器，每个一体式光收发器包含一个广角GRIN/鱼眼透镜组合，一个凹透镜，一个密布的光纤组束，一个空间分束器，分别固定在MEMS设备上的一个CCD相机和一个微透镜阵列，以及一个N接口型光纤接口交叉矩阵。每个光收发器之间能够实现互相收发信息。GRIN/鱼眼透镜组合、凹透镜、空间分束器均通过空间耦合，传输光纤组束分别和N接口型光纤接口交叉矩阵、固定有微透镜阵列的MEMS设备之间采用PC连接；能够实时同步采用MEMS设备控制信号光耦合和发射，实现大范围内的无线光收发一体化。本发明具有灵活性、可扩展性强、散热好、定向传输信息的优点。

Description

一种用于数据中心的无线光通信收发一体化系统及方法

技术领域

本发明属于无线光通信技术领域，具体涉及一种用于数据中心的无线光通信收发一体化系统。

背景技术

通信网络是数据中心的重要基础设施。目前通信网络的整体构造主要采用铜缆和光纤。在数据中心的不同信道之间通常采用波分复用器对不同波长的信号进行筛分，经由光纤适配器通过光纤传输。但是在大数据和5G应用的逐步推广下，广泛地在数据中心中采用有线网络链接，将会面临以下问题：

（1）传输光纤自身的不均匀性容易引起信号光的退偏和走离，传输过程中的损耗会衰减信号光的幅值，容易造成接收端对有效信号探测困难，提升误码率。

（2）数据中心的有线网络的布线相对固定，确定连接后削弱了整体系统的扩展性和自由度。并且随着数据量的提升，传输线路的增多会提升整体系统链路的复杂度和混乱程度，影响后续系统的维护、散热。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于数据中心的无线光通信收发一体化系统，解决了现有技术中存在的有线网络扩展灵活性差、能耗高、成本高的问题。

本发明所采用的技术方案是，一种用于数据中心的无线光通信的收发一体化系统，包括若干个一体式光收发器；每个一体式光收发器包含一个广角GRIN/鱼眼透镜组合，一个凹透镜，一个空间分束器，两套电脑控制的MEMS设备，一个CCD相机和一个微透镜阵列分别固定在MEMS设备上，一个传输光纤束一端通过PC端控制的固定有微透镜阵列的MEMS设备连接，另一端接入一个N接口型光纤接口交叉矩阵。

系统中一体式光收发器数量N为偶数个，按正n边形排布，并将光收发器安置在正n边形的n个端点处。

经ZEMAX软件设计的广角GRIN/鱼眼透镜组合（3）能够有效接收的光束入射角最大可达135°。

采用将CCD相机焦平面比拟接收端平面，对焦平面上基元按照光纤的截面积和排布顺序进行分区求和探测，从而可以实时监测耦合进对应光纤中的能量占比。

微透镜阵列及其对应的耦合光纤均固定在MEMS设备上的结构。

传输光纤分别与N接口型光纤接口交叉矩阵、固定微透镜阵列的MEMS设备之间均采用PC端连接。

一种用于数据中心的无线光通信收发一体化通信方法，采用一种用于数据中心的无线光通信收发一体化系统，具体步骤如下：

步骤1：对装置进行初始化校对；

步骤2：信号接收及耦合调整；

步骤3：信号重新发送；

步骤4：后续继续进行信号的接收和发出，则按照步骤2和步骤3反复进行即可。

步骤1具体为：

步骤1.1：通过一束沿着广角GRIN/鱼眼透镜组合3、凹透镜2、空间分束器5、MEMS设备9调控下的微透镜阵列7的共光轴光束作为中心，将微透镜阵列中序号1的透镜以及对应监测端CCD相机上序号1的光纤截面大小的位置确定；

步骤1.2：将此时同时控制反射端、透射端的两套MEMS设备9的初始参数设定，并对微透镜阵列、传输光纤束按照顺序进行排布编号，对应的监测端CCD相机焦平面11上的基元按照相应区域排布进行排序编号。

步骤2具体为：

步骤2.1：以系统中任意一个一体式光收发器A作为信号源，通过调整出射光的角度，经过空间传输后，被另一个一体式光收发器B的广角GRIN/鱼眼透镜组合3聚焦，经凹透镜2准直后，通过空间分束器5分为两束；

步骤2.2：反射光和透射光分别在MEMS设备9调控下的CCD相机6的焦平面和MEMS设备9调控下的微透镜阵列7的平面上形成相对初始中心一致的光斑位置；

步骤2.3：反射光在微透镜阵列7的平面上各个透镜上的能量分布此时与CCD相机上按照光纤截面大小的各个区域内的能量分布一致；

步骤2.4：通过CCD相机上基元对光强信息的采集，按照分区后各个区域内的能量之和可以确定编号为X的区域内将耦合进最多能量的信号光；

步骤2.5：则通过MEMS设备9同步调控CCD相机和微透镜阵列进行平移，以CCD相机为监测，当实现信号光耦合进编号为X的区域最大时，MEMS设备9调控结束；此时信号光即以最大效率耦合进入编号为X的传输光纤中；再传输进入N接口型光纤接口交叉矩阵4中。

步骤3具体为：

步骤3.1：接收信号完毕后，通过N接口型光纤接口交叉矩阵4将信号经PC重新输入传输光纤束中序号为Y的光纤中；

步骤3.2：按照光路可逆的原理，通过微透镜阵列7和空间分束器5，重新通过凹透镜2经由广角GRIN/鱼眼透镜组合3发射出去，由系统内的一体式光收发器C接收，完成再一次的信息传递；

步骤3.3：完成传输后，系统将自动按照步骤1中MEMS设备的初始化参数归位。

本发明的有益效果是：

（1）通过ZEMAX设计的广角GRIN/鱼眼透镜的材料和镜型能够实现对大视角内的光束进行接收和出射，满足更多的光信息接收和传输；

（2）接收和传输光纤束、微透镜阵列以及光纤接口交叉矩阵具有扩展性，能够结合传输信息量的需求更换更大光纤组束、更多透镜的阵列组合；

（3）在整个系统中实现收发一体化，减少了系统的复杂度，方便后续对通信系统的维护和散热；

（4）能够结合接收和传输光纤的编码对接收和出射光信号定位。能够实现光信息的定向交换。

附图说明

图1是本发明一种用于数据中心的无线光通信收发一体化系统的拓扑结构示意图，其中图1中（a）、（b）和（c）分别是当系统中一体式收发器数量m分别为m=4，6和8时收发器的结构排布；

图2是本发明一种用于数据中心的无线光通信收发一体化系统在一体式收发器数量m=6时的具体结构图；

图3是本发明一种用于数据中心的无线光通信收发一体化系统中单个一体式光收发器的具体结构图。

图4是本发明一种用于数据中心的无线光通信收发一体化系统中单个一体式收发器的光纤组束的排布结构及排序编号图。

图5是本发明一种用于数据中心的无线光通信收发一体化系统中空间分束器透射端MEMS设备调控下微透镜阵列的正视示意图。

图6是本发明一种用于数据中心的无线光通信收发一体化系统中空间分束器反射监测端MEMS设备调控下CCD相机的正视示意图。

图7是本发明一种用于数据中心的无线光通信收发一体化系统中MEMS设备调控下微透镜阵列的侧面结构剖面图。

图中，1. 一体式光收发器，2. 凹透镜，3.广角GRIN/鱼眼透镜组合，4. N接口型光纤接口交叉矩阵，5. 空间分束器，6. MEMS设备调控下的CCD相机，7. MEMS设备调控的微透镜阵列，8. 传输光纤束，9. MEMS设备，10. 微透镜阵列，11. CCD相机焦平面。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

一种用于数据中心的无线光通信收发一体化系统，包含一个广角GRIN/鱼眼透镜组合，一个凹透镜，一个传输光纤束，一个空间分束器，一个CCD相机，两套电脑控制的MEMS设备和固定在其中一套MEMS设备上的微透镜阵列，以及一个N接口型光纤接口交叉矩阵。

一种用于数据中心的无线光通信收发一体化系统中的广角GRIN/鱼眼透镜组合、凹透镜、光纤组束的几何中心共光轴，按照耦合效率最大的相对位置调节后固定；空间分光器的反射端由固定在电控MEMS设备上的CCD相机监测光强分布，投射端经另一个电控MEMS设备上固定的微透镜阵列耦合进入N根光纤组束，通过监测端中的光强分布结果同步调节两个MEMS设备实现耦合效率最大；N根光纤组束中的单根光纤（PC接口）一个端面均位于微透镜阵列对应微透镜的焦点处；N根光纤组束的另一端与分别与光纤接口交叉矩阵的N个接口一一采用PC耦合连接。

本发明的特点还在于：

系统中的m（偶数）个一体式光收发器排布在同一平面的平台上，依次排布在正m边形的端点位置上。

单个一体式收发器中的广角GRIN/鱼眼透镜组合能够接收的光束入射角达到135°。

由N根光纤组成的传输光纤束按照正六边形进行密排逐步向外层组束，其中数量N满足N=3n²-3n+1（n∈Z），按照逆时针方向进行序号编码。

经空间分束器分束后的透射端，微透镜阵列和传输光纤束的接收信号端（PC接头）均机械固定在电控MEMS设备#1上；传输光纤束中N根光纤，与微透镜阵列上的N个透镜一一对应，光纤的接收端端面均位于对应编号的微透镜的焦点上。

空间分束器后的监测端为固定在电控MEMS设备#2上的CCD相机，其探测平面上的基元按照传输光纤束的尺寸分区编号，区域的相对位置关系及编号顺序与传输光纤束的光纤编号及相对位置一致。

N根按顺序编码的传输光纤束分别和光纤接口交叉矩阵的N个接口通过PC端一一对应连接，光纤接口交叉矩阵的N个接口之间可以相互连接。

如图1所示，本发明用于数据中心的无线光通信一体化收发系统的拓扑结构图。系统中一体式光收发器1一般以偶数个为一组，数量N分别满足m=4、6、8时将光收发器安置在正n边形的n个端点处。

以系统中含有6个一体式光收发器（m=6）为例，系统的整体结构如图2所示。每一个一体式光收发器均可以通过鱼眼/GRIN透镜在大视角内接收和发射信号光。

如图3所示，接收和发射的信号光均通过凹透镜的焦点转化为平行光。空间分束器5将接收信号光分为两束，反射光部分由MEMS设备9调控下的CCD相机6接收探测，透射光部分经MEMS设备9调控下的微透镜阵列7耦合进入传输光纤束8。传输光纤束8的序号排布见图4，传输光纤束8通过PC与N接口型光纤接口交叉矩阵4对接。

其中，图5为信号光透射端MEMS设备9调控下的微透镜阵列正视示意图，微透镜阵列排序序号与后续耦合的传输光纤编号及排布顺序一致。图6为信号光反射端MEMS设备9调控下的CCD相机焦平面正视示意图，参考如图5中的光纤占据区域及对应编号排序对CCD相机焦平面上对应位置区域内的基元进行划分和排序。图7即为MEMS设备9调控下的微透镜阵列侧面结构剖面图，传输光纤的接收端面安置在对应编号微透镜的焦点处，且两者均固定在MEMS设备9的卡槽中。

本发明用于数据中心的无线光通信链路一体化收发系统的工作过程分为4步：

（1）初始化校对。首先通过一束沿着广角GRIN/鱼眼透镜组合3、凹透镜2、空间分束器5、MEMS设备9调控下的微透镜阵列7的共光轴光束作为中心，将微透镜阵列中序号1的透镜以及对应监测端CCD相机上序号1的区域（光纤截面大小）的位置确定。将此时同时控制反射端、透射端的两套MEMS设备9的初始参数设定，并对微透镜阵列、传输光纤束按照图4的顺序进行排布编号，对应的监测端CCD相机焦平面11上的基元按照相应区域排布进行排序编号，排布光纤及基元区域的编号顺序分别如图5、6所示。

（2）信号接收及耦合调整。以图2的系统中任意一个一体式光收发器

A作为信号源，通过调整出射光的角度，经过空间传输后，被另一个一体式光收发器B的广角GRIN/鱼眼透镜组合3聚焦，经凹透镜2准直后，通过空间分束器5分为两束。反射光和透射光分别在MEMS设备9调控下的CCD相机6的焦平面和MEMS设备9调控下的微透镜阵列7的平面上形成相对初始中心一致的光斑位置。相应地，反射光在微透镜阵列7的平面上各个透镜上的能量分布此时与CCD相机上按照光纤（微透镜）截面大小的各个区域内的能量分布一致。通过CCD相机上基元对光强信息的采集，按照分区后各个区域内的能量之和可以确定编号为X的区域（也就是对应到编号为X的微透镜）内将耦合进最多能量的信号光。此时则通过MEMS设备9同步调控CCD相机和微透镜阵列进行平移，以CCD相机为监测，当实现信号光耦合进编号为X的区域最大时，MEMS设备9调控结束。此时信号光即以最大效率耦合进入编号为X的传输光纤中。再传输进入N接口型光纤接口交叉矩阵4中。

（3）信号重新发送。接收信号完毕后，通过N接口型光纤接口交叉矩阵4将信号经PC重新输入传输光纤束中序号为Y的光纤中。再按照光路可逆的原理，通过微透镜阵列7和空间分束器5，重新通过凹透镜2经由广角GRIN/鱼眼透镜组合3发射出去，由系统内的一体式光收发器C接收，完成再一次的信息传递。完成传输后，系统将自动按照（1）中MEMS设备的初始化参数归位。

（4）后续继续进行信号的接收和发出，则按照步骤（2）和（3）反复进行即可。

本发明用于数据中心的无线光通信链路一体化收发系统的优点为：

（1）通过ZEMAX设计的广角GRIN/鱼眼透镜的材料和镜型能够实现对大视角内的光束进行接收和出射，满足更多的光信息接收和传输；

（2）接收和传输光纤束、微透镜阵列以及光纤接口交叉矩阵具有扩展性，能够结合传输信息量的需求更换更大光纤组束、更多透镜的阵列组合；

（3）在整个系统中实现收发一体化，减少了系统的复杂度，方便后续对通信系统的维护和散热；

（4）能够结合接收和传输光纤的编码对接收和出射光信号定位。能够实现光信息的定向交换。

Claims (2)

1.一种用于数据中心的无线光通信收发一体化系统，其特征在于：

包括若干个一体式光收发器（1）；每个一体式光收发器（1）包含一个广角GRIN/鱼眼透镜组合（3），一个凹透镜（2），一个空间分束器（5），两套电脑控制的MEMS设备（9），一个CCD相机（6）和一个微透镜阵列（7）分别固定在MEMS设备（9）上，一个传输光纤束（8）一端通过PC端控制的固定有微透镜阵列（7）的MEMS设备连接，另一端接入一个N接口型光纤接口交叉矩阵（4）；

系统中一体式光收发器（1）数量N为偶数个，按正n边形排布，并将光收发器安置在正n边形的n个端点处；

经ZEMAX软件设计的广角GRIN/鱼眼透镜组合（3）能够有效接收的光束入射角最大可达135°；

将CCD相机焦平面比拟接收端平面，对焦平面上基元按照光纤的截面积和排布顺序进行分区求和探测，从而可以实时监测耦合进对应光纤中的能量占比；

所述微透镜阵列（7）及其对应的传输光纤束（8）均为固定在MEMS设备上的结构；

传输光纤束（8）分别与N接口型光纤接口交叉矩阵（4）、固定微透镜阵列（7）的MEMS设备（9）之间均采用PC端连接。

2.一种用于数据中心的无线光通信收发一体化通信方法，其特征在于，采用如权利要求1所述的一种用于数据中心的无线光通信收发一体化系统，具体步骤如下：

步骤1：对装置进行初始化校对；

步骤1.1：通过一束沿着广角GRIN/鱼眼透镜组合（3）、凹透镜（2）、空间分束器（5）、MEMS设备（9）调控下的微透镜阵列（7）的共光轴光束作为中心，将微透镜阵列中序号1的透镜以及对应监测端CCD相机上序号1的光纤截面大小的位置确定；

步骤1.2：将此时同时控制反射端、透射端的两套MEMS设备（9）的初始参数设定，并对微透镜阵列、传输光纤束按照顺序进行排布编号，对应的监测端CCD相机焦平面（11）上的基元按照相应区域排布进行排序编号；

步骤2：信号接收及耦合调整；

步骤2.1：以系统中任意一个一体式光收发器A作为信号源，通过调整出射光的角度，经过空间传输后，被另一个一体式光收发器B的广角GRIN/鱼眼透镜组合（3）聚焦，经凹透镜（2）准直后，通过空间分束器（5）分为两束；

步骤2.2：反射光和透射光分别在MEMS设备（9）调控下的CCD相机（6）的焦平面和MEMS设备（9）调控下的微透镜阵列（7）的平面上形成相对初始中心一致的光斑位置；

步骤2.3：反射光在微透镜阵列（7）的平面上各个透镜上的能量分布此时与CCD相机上按照光纤截面大小的各个区域内的能量分布一致；

步骤2.4：通过CCD相机上基元对光强信息的采集，按照分区后各个区域内的能量之和可以确定编号为X的区域内将耦合进最多能量的信号光；

步骤2.5：则通过MEMS设备（9）同步调控CCD相机和微透镜阵列进行平移，以CCD相机为监测，当实现信号光耦合进编号为X的区域最大时，MEMS设备（9）调控结束；此时信号光即以最大效率耦合进入编号为X的传输光纤中；再传输进入N接口型光纤接口交叉矩阵（4）中；

步骤3：信号重新发送；

步骤3.1：接收信号完毕后，通过N接口型光纤接口交叉矩阵（4）将信号经PC端重新输入传输光纤束中序号为Y的光纤中；

步骤3.2：按照光路可逆的原理，通过微透镜阵列（7）和空间分束器（5），重新通过凹透镜（2）经由广角GRIN/鱼眼透镜组合（3）发射出去，由系统内的一体式光收发器C接收，完成再一次的信息传递；

步骤3.3：完成传输后，系统将自动按照步骤1中MEMS设备的初始化参数归位；

步骤4：后续继续进行信号的接收和发出，则按照步骤2和步骤3反复进行即可。

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