CN113647032B - 使用垂直腔面发射激光器的自由空间光学通信的光束锁定 - Google Patents

Abstract

使用垂直腔面发射激光器阵列的自由空间光学通信系统的光束锁定。该方法包括：将通信光束从第一自由空间光学单元的光源传输至布置在第二FSO单元附近的检测器，第二FSO单元具有反射元件；将一个或多个对准光束从光源传输至第二FSO单元；从一个或多个反射元件反射一个或多个对准光束或其一个或多个部分；在光传感器处检测所反射的一个或多个对准光束或其一个或多个部分；以及基于对所反射的一个或多个对准光束或其一个或多个部分的检测来确定第一FSO单元是否与第二FSO单元对准，或者至少一个通信光束是否受到一个或多个环境条件的影响。

Description

使用垂直腔面发射激光器的自由空间光学通信的光束锁定

技术领域

本公开通常针对使用垂直腔面发射激光器以在自由空间光学通信系统中保持光学对准的自由空间光学通信系统和方法。

背景技术

现有的数据传输技术主要依赖于在网络节点和无线光学通信系统之间延伸的物理连接(例如，光纤电缆)。无线光学通信系统具有吸引力，因为它们避免了与安装和维护物理连接相关的成本。自由空间光学通信系统通过自由空间(露天)传播光来无线传输数据。典型的自由空间光学通信系统包括最少两个单元，它们都配备有建立用于双向通信的分离光束的激光器和检测器。然而，由于振动、热膨胀、天气和/或其他因素，室外网络中的发射器和接收器单元可能在机械上不稳定。因此，在发射器和接收器之间保持恒定的视线连接对于避免FSO链路故障或降低的链路预算至关重要。至少部分地依赖于发射器和接收器之间的通信装置的有源反馈环路目前用于保持FSO链路预算质量。接收器处的有源传感器检测光束或光束的一部分，并且可以基于经由有源反馈环路提供的信息来重新调整光束。不幸的是，有源反馈环路可能是昂贵和复杂的。另外，接收器处的有源传感器需要在某个边界内进行校准和清洁。此外，具有发射器的通信基础设施具有低延迟链路。

因此，在本领域中存在对不需要有源传感器的廉价且更简单有效的无线光学通信系统和方法的持续需要。

发明内容

本公开针对用于自由空间光学(FSO)通信的发明系统和方法，特别针对在不使用有源反馈环路的情况下保持发射器和接收器之间的恒定视线连接以避免FSO链路故障。本文公开的系统包括在接收器侧的无源光学材料和在发射器侧的智能元件，该智能元件有助于保持FSO单元之间的传输路径。无源光学材料包括布置在目的地(目标)处的逆反射部件，以将一个或多个对准光束的至少一部分反射到位于发射器附近或发射器处的光传感器。一个或多个对准光束的反射光(以及不存在反射光)提供用于调整光束的一个或多个操作参数和/或激活一维或二维垂直腔面发射激光器(VCSEL)阵列的其他像素的信息，以保持发射器和接收器之间的恒定视线连接，以避免FSO链路故障。关键的是，用于通信链路的一个或多个垂直腔面发射激光器(VCSEL)光束与用于对准光束的一个或多个垂直腔面发射激光器(VCSEL)光束分离。因此，一旦对发射器和接收器之间的通信光束实现了光束锁定，就可以保持良好的链路预算，而不需要有源光束操控或来自接收器的有源贡献。此外，与包括有源反馈环路的系统和方法相比，基于反射光信号来保持良好的链路预算更快且更可靠。

通常，在一个方面，提供了一种用于在自由空间光学通信系统中保持光学对准的方法。该方法包括以下步骤：将至少一个通信光束从第一自由空间光学单元(FSO)的光源传输至布置在第二FSO单元附近的检测器，第二FSO单元具有一个或多个反射元件；将一个或多个对准光束从光源传输至第二FSO单元；从一个或多个反射元件反射一个或多个对准光束或者一个或多个对准光束的一个或多个部分；在光传感器处检测所反射的一个或多个对准光束或者一个或多个对准光束的一个或多个部分；以及基于对所反射的一个或多个对准光束或者一个或多个对准光束的一个或多个部分的检测，确定第一FSO单元是否与第二FSO单元对准，或者至少一个通信光束是否受到一个或多个环境条件影响。

根据实施例，该方法还包括基于一个或多个对准光束被一个或多个反射元件反射来确定第一FSO单元与第二FSO单元对准。该方法还可以包括基于一个或多个对准光束的一个或多个部分未被一个或多个反射元件反射来确定第一FSO单元未与第二FSO单元对准。

根据实施例，该方法还包括基于一个或多个对准光束中没有一个被一个或多个反射元件反射来确定第一FSO单元与第二FSO单元对准。该方法还可以包括基于一个或多个对准光束的至少一部分被一个或多个反射元件反射来确定第一FSO单元未与第二FSO单元对准。

根据一个实施例，该方法还包括基于一个或多个对准光束中的至少一个被一个或多个反射元件反射，以及一个或多个对准光束中的至少一个未被一个或多个反射元件反射，来确定第一FSO单元未与第二FSO单元对准。

根据一个实施例，该方法还包括在距离第一FSO单元第一距离处提供一个或多个反射元件，并且在距离第一FSO单元第二距离处提供检测器，其中第一和第二距离不相同。

根据一个实施例，该方法还包括在距离第一FSO单元一段距离处提供光传感器。

根据一个实施例，该方法还包括响应于确定第一FSO单元未与第二FSO单元对准或至少一个通信光束受到影响，从光源传输不同的或多个通信光束。

根据一个实施例，该方法还包括响应于确定第一FSO单元未与第二FSO单元对准或至少一个通信光束受到影响，修改至少一个通信光束的一个或多个操作参数。

根据一个实施例，该方法还包括使用一个或多个衍射光学元件来传输来自通信光束的一个或多个对准光束。

通常，在另一方面，提供了一种自由空间光学通信系统。该自由空间光学通信系统包括：第一自由空间光学(FSO)单元，其与第二FSO单元可通信地耦合，第一FSO单元具有光源且第二FSO单元具有一个或多个反射元件；检测器，其布置在第二FSO单元附近；至少一个通信光束，其从第一FSO单元的光源被传输至检测器；一个或多个对准光束，其从光源被传输至第二FSO单元；光传感器，其被配置成检测从一个或多个反射元件反射的一个或多个对准光束或者一个或多个对准光束的一个或多个部分；以及控制器，其被配置成：分析由光传感器产生的一个或多个反射信号；以及基于对一个或多个对准光束或者对准光束的一个或多个部分被反射的检测，确定第一FSO单元是否与第二FSO单元对准，或者至少一个通信光束是否受到一个或多个环境条件的影响。

根据一个实施例，自由空间光学通信系统的控制器被配置成在第一FSO单元未与第二FSO单元对准时调整至少一个通信光束的一个或多个操作参数以进行校正。

根据实施例，至少一个通信光束和一个或多个对准光束包括来自垂直腔面发射激光器(VCSEL)阵列的两个光束，该垂直腔面发射激光器(VCSEL)阵列具有多个像素。系统的至少一个通信光束可以从垂直腔面发射激光器(VCSEL)阵列的多个像素中的第一像素传输，并且控制器可以被配置成：在第一FSO单元未与第二FSO单元对准时或在至少一个通信光束受到一个或多个环境条件的影响时，激活第二像素以从第二像素传输至少一个通信光束以进行校正。

应当理解，前述概念和下面更详细讨论的附加概念的所有组合(前提是这些概念不是相互不一致的)都被认为是本文公开的发明主题的一部分。特别地，在本公开的结尾处出现的所要求保护的主题的所有组合都被认为是本文公开的发明主题的一部分。还应当理解，本文明确采用的、也可以出现在通过引用并入的任何公开中的术语，应被赋予与本文公开的特定概念最一致的含义。

附图说明

在附图中，类似的附图标记贯穿不同视图通常指代相同部分。此外，附图不一定按比例绘制，而是通常强调说明本发明的原理。

图1示出了根据一个实施例的自由空间光学通信系统的示意性正面透视图。

图2示出了根据一个实施例的自由空间光学通信系统的示意性正面透视图。

图3A示出了根据一个实施例的通信光束和四个对准光束的对准的示例。

图3B示出了根据一个实施例的通信光束和四个对准光束的未对准的示例。

图3C示出了根据一个实施例的通信光束和四个对准光束的未对准的示例。

图3D示出了根据一个实施例的通信光束和四个对准光束的对准的示例。

图4示出了根据一个实施例的包括嵌入式光传感器的垂直腔面发射激光器(VCSEL)的二维阵列的示例。

图5示出了根据一个实施例的自由空间光学通信系统的示意性正面透视图，该系统包括如图4所示的垂直腔面发射激光器(VCSEL)的二维阵列和嵌入式光传感器。

图6示出了根据一个实施例的环形逆反射器的示意性正面视图。

图7是示出根据一个实施例的用于在自由空间光学通信系统中保持光学对准的方法的流程图。

具体实施方式

本公开描述了在自由空间光学通信系统中保持光学对准的系统和方法的各种实施例。更一般地，申请人已经认识到并理解，在不使用有源反馈环路的情况下，在自由空间光学通信系统中保持发射器和接收器之间的光学对准将是有益的。利用本公开的某些实施例的特定目标是：在不使用来自接收器的有源贡献的情况下，并且在不使用用于检测和评定对准的通信光束的情况下，检测和自动校正发射器或接收器何时移动以保持良好的链路预算质量。

鉴于前述内容，各种实施例和实施方式针对用于在自由空间光学(FSO)通信中保持光学对准的系统和方法，特别针对保持FSO发射器的通信光束和接收器的检测器之间的光学对准。各种实施例和实施方式可以用于街道照明基础设施或提供高速光学通信的任何类型的系统中。本文公开的系统包括在接收器侧的无源光学材料和在发射器侧的一维或二维垂直腔面发射激光器(VCSEL)阵列，其调整一个或多个光束的一个或多个操作参数和/或激活一维或二维垂直腔面发射激光器(VCSEL)阵列的一个或多个像素以保持光学对准。无源光学材料包括逆反射部件，该逆反射部件被布置成将一个或多个对准光束的至少一部分反射到光传感器。基于所反射的对准光束而在光传感器处产生的信号可以用于在不涉及通信光束的情况下确定FSO单元是对准还是未对准。该信号还可以用于确定通信光束是否受到环境条件的干扰或其他影响。

参考图1，在一个实施例中，描绘了具有传输FSO单元12和接收FSO单元13的自由空间光学(FSO)通信系统10。虽然只示出了单个传输FSO单元和单个接收FSO单元，但是示例FSO通信系统包括多个传输和接收FSO单元12和13。在所示实施例中，传输FSO单元12包括光源(诸如包括光学发射器14的一维或二维阵列的半导体激光器)，该光学发射器14的一维或二维阵列被配置成产生指向接收FSO单元13的通信光束和对准光束16、18和20。每个光束16、18和20可以分别从单个像素14a、14b和14c产生。根据一些实施例，每个像素可以产生通信光束或对准光束，但不同时产生通信光束或对准光束。为了减少对准所需的像素数(例如，垂直腔面发射激光器(VCSEL))，单个垂直腔面发射激光器(VCSEL)激光器可以与衍射光学元件(DOE)组合以产生多个激光点。可以在示例实施例中使用电子可切换DOE过滤器。例如，通信光束可以由DOE分离成多个光束，其中主光束指向检测器，而侧光束可以在(未)对准的情况下由反射器反射。然而，具有固定DOE光学器件的对准光束不能用于通信目的。

在示例实施例中，对准光束还可以充当通信光束，使得在未对准的情况下，对准光束可以有利地用于通信。类似地，通信光束还可以充当对准光束，使得在未对准的情况下，通信光束可以用于对准。为了区分哪些光束被反射，可以使用反射器上的位置的唯一编码。在可切换衍射光学元件的情况下，系统可以在通信光束和对准光束之间切换，以限制所需的光功率。单个通信光束与(包括通信光束和对准光束的)多个光束之间的占空比可能取决于FSO单元的不稳定性。另外，在示例实施例中，通过使用具有不同偏振的光束，可以识别来自不同逆反射器的反射信号。可以通过使光束以不同的偏振方向传输，或者使用包括偏振旋转材料的逆反射器来实现偏振，偏振旋转材料可以改变反射信号的偏振。在所传输的偏振光在发射器的光学器件中经受损耗或其他影响的情况下，可以包括附加的偏振过滤器以保持所传输的光束的偏振光性质。偏振旋转材料可以以这种方式点缀：即它能够准确地检测光束在逆反射器处被反射的精确位置。为了实现这一点，偏振旋转材料可以包括不同的光学性质(取决于该材料放置在何处)。

在示例实施例中，通信光束和对准光束的波长可以不相同。接收侧上的光学接收器的带宽可以足以接收不同波长。传输侧上的接收器可以具有带宽非常小的光学过滤器，以区分对准光束的反射信号。

在示例实施例中，对准光束和通信光束的振幅可以不相同，使得反射信号的强度可以用于识别反射信号的起源。此外，可以降低对准光束的信号强度以限制所需的光能。

在附加的示例实施例中，通信光束和对准光束之间的载波频率可以不相同。接收侧可以对稍微不同的载波频率具有鲁棒性，而收发器能够检测对准光束的不同载波频率。

在示例实施例中，对准信号和通信信号的相位可以不相同。在传输侧，相位测量可以用来检测反射信号的起源。在接收侧，通信信号在暴露于对准光束而不是通信光束时会有小的中断。

在示例实施例中，代替使用偏振和其他差异来在逆反射器上的不同位置处创建唯一性，逆反射器的面向传输FSO单元的表面可以包括高度差异。在这种实施例中，取决于光束在包括高度差异的逆反射器上反射的位置，可以创建不同的飞行时间定时。利用逆反射器表面的不同高度，可以确定光束在逆反射器上被反射的确切位置。例如，当使用诸如1310纳米的波长时，可以创建许多匹配发射器到反射器距离的不同波。

在示例实施例中，可以使用距离信息来检测何时不存在不同的对准光束。在这些实施例中，逆反射部分应当具有不同的3D性质，使得可以测量不同的距离信号。

虽然图1中示出了三个光束，包括通信光束16和两个对准光束18和20，但是示例FSO通信系统可以包括附加的通信光束和对准光束。尽管所示的三个光束以一维阵列的形式示出，但是这些光束也可以以二维阵列配置，如本文进一步描述的那样。接收FSO单元13包括具有有限视场的检测器22，并且光束16、18和20中的每一个都是高度定向和狭窄的，直径范围在5-8厘米之间。在示例实施例中，适当的光束的直径可以较大或较小。光束的尺寸是为了眼睛安全而传输的最大功率和由相对低成本的通信激光器传递的最大功率以及在光学通信中实现低误码率的良好信噪比之间的折衷。

自由空间光学系统10面临的一个问题是保持传输FSO单元12和接收FSO单元13之间的光学对准或直接光学路径(例如，最短直线路径)。可以利用用于在FSO单元12和13之间实现锁定光束的任何技术或协议。在操作中，传输和接收FSO单元12和13由于天气和其他因素(例如，风摇摆、热膨胀和振动)而可移动。由于所传输的光束的狭窄和接收FSO单元13处的检测器22的有限视场，这种移动可能影响光束对准并中断通信。其他环境条件(诸如雾)，即使在传输和接收FSO单元不移动时也可能中断通信。在本文描述的实施例中，接收FSO单元13可以包括布置在有限视场检测器22周围的无源光学材料，以反射一个或多个对准光束18和20。当通信光束16偏离直接光学路径时，或者当一个或多个环境条件影响通信光束16时，对准光束18和20也分别偏离它们的对准位置或受到影响。当一个或多个环境条件正在影响自由空间光学通信系统时，所反射的对准光束18和20可以用于检测FSO单元12和13之间的未对准。

在图1中，接收FSO单元13的检测器22被配置成接收来自光学发射器14的通信光束16，并且围绕检测器22的无源光学材料24被配置成将对准光束18和20或对准光束的部分朝着传输FSO单元12反射。当FSO单元被恰当地光学对准时，通信光束16被引导到检测器22并被检测器22接收，而对准光束18和20被引导到光学材料24并被光学材料24反射。由于图1示出了FSO单元没有被恰当地光学对准，因此对准光束18中的一个击中光学材料24，而另一对准光束20未击中光学材料24。当然，在未对准的其他实施例中，对准光束20可以击中光学材料24，而另一对准光束18可以未击中光学材料24。可以通过具有一个或多个感测元件的光传感器(在图2中示出)来检测不存在对对准光束中的任一个或两个对准光束的反射，并因此，系统可以检测未对准。

(多个)FSO单元12可以利用用于在通信光束中传输数据的任何技术或协议。例如，可以通过用(包含需要被传输的信息的)调制信号来调制载波信号，以用信息来编码通信光束16。如果需要，可以将通信光束16的波长设置在可见光谱之外，这可以使检测器22能够更容易地从环境光中鉴别通信光束16，并因此检测通信光束16。在实施例中，产生具有已知和可测量特性的通信光束16，例如，在可见光谱之外的已知波长和/或用具有设定基频的载波信号调制。在实施例中，根据一天内的时间来改变通信光束16的波长，以考虑变化的环境条件，例如，由于一天中来自太阳或其他光源的变化的光谱。此外，通信光束16可以以准直或平行的方式传输，发散很小或没有发散，例如，以促进准确的远距离传输。例如，所发射的通信光束和/或对准光束可以由光学器件(例如非球面透镜26)准直，以形成指向接收FSO单元13的准直光束。在其他示例实施例中，可以包括光炬以聚焦通信光束和/或对准光束。

在示例实施例中，FSO单元12和13可以以任何适当的室外结构(例如路灯)安装在升高位置，以避免FSO单元12被人、车辆等阻挡或干扰。本文使用的术语“路灯”(“streetlamp”或“streetlight”)指代任何室外照明基础设施，其包括灯具，诸如从支撑件(诸如杆)延伸的灯具，以便照亮路灯附近的区域。该杆可以专门为路灯建造，或者可以用于某些其他目的，例如电线杆。应当理解，在其他实施例中，一个或多个路灯可以包括其他类型的基础设施或从其他类型的基础设施延伸，所述其他类型的基础设施诸如标牌、建筑物、桥梁等。

有利的是，路灯(其必须已经电气接线来为灯具供电)可以为FSO单元12和13提供电气连接。此外，路灯通常沿着道路、街道、人行道或其他路径以规则的间隔安装，其延伸到和/或在人们居住、工作或尤其期望高数据速率通信的各个位置之间。以此方式，通过将FSO单元12和13安装在路灯处，系统10可以形成为FSO单元的连接网络，例如，贯穿城市、城镇或其他位置的全部或部分而在任何期望的方向上延伸。另外，应当理解，可通过在现有路灯上改装FSO单元来利用现有路灯基础设施。还应当理解，不是系统10中的每一个FSO单元都需要安装在路灯上。例如，某些FSO单元可以安装在标牌、建筑物或其他基础设施上。

如上所讨论的，通信光束16由传输FSO单元12中的一个经由光学发射器14产生，并指向接收FSO单元中的指定一个。传输FSO单元12可以包括半导体激光器结构，该半导体激光器结构布置有任意数量的像素，这些像素可以产生一个或多个通信光束，使得如果原始通信光束16例如由于摇摆的路灯而被移位，则一个或多个其他像素可以被激活以产生通信光束来接管移位的光束。通信光束的一个或多个操作参数也可以附加地或替代地被调整，以保持相对于预期目标(例如，检测器)的光学对准。垂直腔面发射激光器(VCSEL)的像素可以由任何适当的驱动器驱动。虽然可以激活任何单个像素，但应当理解，在示例实施例中，也可以激活任何像素组、行或任何行组。

参考图1和图2，接收FSO单元13包括无源光学材料24，例如，围绕检测器22、66的逆反射器68。本文使用的术语“逆反射器”应被解释为意指沿着朝着辐射源的矢量自动返回辐射的任何设备或表面。虽然逆反射器68是反射性的或包括反射部分，但应当理解，检测器22、66可以反射光的非常小的一部分，这取决于所选择的波长，但其最初旨在被优化以吸收所有光，并因此是非反射性的。因此，在示例实施例中，可从检测器22、66反射的光的部分可以用于对准。虽然图1示出了布置在光学材料24的中心的检测器22，但是图2示出了布置在距离逆反射器68一段距离处的检测器66。如图2所示，逆反射器68可以包括基本上布置在逆反射器的中心的开口70，并且检测器66可以布置在逆反射器之外的一段距离处，使得通信光束56穿过开口70，并然后击中检测器66以传送数据。在其他实施例中，反射材料也可以放置在检测器后面的平面中。换句话说，不是将逆反射器布置得比检测器更靠近传输FSO单元(如图2所示)，而是可以将检测器布置得比逆反射器更靠近传输FSO单元。此外，如果反射器和检测器之间的关系是已知的，则可以将反射材料放置在靠近检测器的地方。

尽管图1示出了FSO单元之间未对准的示例，但是图2示出了FSO通信系统50中FSO单元之间对准的示例。在图2中，传输FSO单元52包括光学发射器54(例如像素54a)，其被配置成产生通信光束和对准光束56、58、60、62和64。在图2所示的配置中，传输FSO单元52可以传输由四个对准光束58、60、62和64围绕的单个通信光束56。应当理解，生成对准光束的像素可以被配置成代替地生成附加通信光束。附加地或替代地，未指定的其他像素可根据需要产生附加的通信光束或对准光束。通信光束56穿过接收FSO单元53的开口70，并且在检测器比逆反射器更远的实施例中击中检测器66。在检测器比逆反射器更近的实施例中，通信光束在必须穿过接收FSO单元中的任何开口之前击中检测器。所有对准光束在反射点58'、60'、62'和64'处击中逆反射器68的反射材料69，并被反射回传输FSO单元52。在图2所示的实施例中，所反射的对准光束在其朝着传输FSO单元52返回的途中击中光束分离器72，并被朝着二维光传感器阵列74重定向。光传感器阵列74是一种被配置成记录反射的智能检测器。图2所示的光束分离器具有反射侧和透射侧。在所示的实施例中，通信光束和对准光束能够穿过面向FSO单元52的透射侧并反射离开面向FSO单元53的反射侧。本文使用的术语“智能”应被解释为意指(除了检测反射光之外)被配置成协助系统10、50保持所描绘的传输FSO单元12、52和接收FSO单元13、53之间的光学对准的设备。

图3A示出了图2中对准光束58、60、62和64在逆反射器68上的反射位置，对准光束58、60、62和64围绕完全对准的通信光束56。图3B和图3C示出了当通信光束56未完全对准时对准光束58、60、62和64在逆反射器68上的反射位置。即使图3B和图3C说明了未对准的示例，但是通信光束56仍然能够保持与检测器的通信链路。如果未对准恶化，则通信链路可能会中断。在图3B和图3C所描绘的情况下，系统50将例如通过使用不同的垂直腔面发射激光器(VCSEL)或改变操作参数来警告或校正未对准，以防止通信光束56和检测器66之间的通信链路的中断。操作参数可以包括方向(例如，相对于x、y和/或z坐标)、焦点、强度、波长或调制特性。二维光传感器阵列74或任何智能检测器都可以检测反射光信号和不存在反射光信号(例如，二进制信号)。

在实施例中，光传感器阵列也可以是单个元件的光传感器。在对准光束具有单个元件的不同载波频率的情况下，可以确定每个对准光束的单独贡献。此外，用于各个对准光束的不同的低频信号可以叠加在通信信号之上。低频信号不影响通信带宽。

代替在检测器周围具有逆反射器以在正确对准的情况下反射所有对准光束，逆反射器可以被布置成使得在正确对准的情况下没有对准光束的反射，如图3D所示。在图3D中，对准光束58、60、62和64围绕对准的通信光束56，但不击中逆反射器68。当在这种情况下发生未对准时，对准光束58、60、62和64中的一个或多个或者一个或多个对准光束58、60、62和64的部分将由逆反射器68反射并由单个或多个元件光传感器检测。

二维光传感器阵列74可以包括通信模块，该通信模块被布置成在传输FSO单元12、52和控制器之间传送检测到的或缺失的信号，该传输FSO单元12、52传输通信光束和对准光束。传输FSO单元可以包括相同的控制器或另一控制器，或与该控制器通信。控制器可以促进传输FSO单元的部件的操作。控制器可以包括处理器、存储器和/或通信模块。处理器可以采取任何适当的形式，诸如微控制器、多个微控制器、电路、单个处理器或配置成执行软件指令的多个处理器。存储器可以采取任何适当的形式，包括易失性存储器(诸如随机存取存储器(RAM))或非易失性存储器(诸如只读存储器(ROM))、闪存、硬盘驱动(HDD)、固态驱动(SSD)或其他数据存储介质。存储器可由处理器在其操作期间用于数据的临时存储。数据和软件——诸如经由光束传输的数据和/或调制信号以产生光束、分析传输的数据、定向FSO单元12、52、13和53所需的算法或软件，以及操作系统、固件或其他应用——可以安装在存储器中。通信模块被布置成实现系统10、50的部件之间的通信。通信模块可以是能够实现有线或无线通信信号的传输和/或接收的任何模块、设备或装置，其利用包括但不限于Wi-Fi(例如，IEEE 802.11)、蓝牙、蜂窝、以太网、Zigbee等技术。

控制器可以嵌入到传输FSO单元12、52或灯具中(例如，以实现智能或连接的光系统的功能)。在一个实施例中，系统10、50和/或路灯组件包括多个控制器，多个控制器提供本文公开的至少一些功能，并且它们一起形成所描述的控制器。另外，应当理解，用于控制器的一些或全部计算资源可以由指定的网络基础设施和/或基于云的计算设备(例如，服务器、网关、路由器或经由因特网或其他数据网络与系统10通信的其他计算设备)来实施。

系统的控制器可以使用这种检测到的或缺失的信号来确定存在未对准以及是否需要校正措施以及在多大程度上需要校正措施。一旦系统检测到未对准，系统可以修改一个或多个操作参数，例如，光束角宽度，或激活光源的不同激光器以保持光束锁定并保持良好的链路预算质量。在示例实施例中，系统可以基于检测到的或缺失的反射信号连续地进行调整。在替代实施例中，系统可以基于相同的信息进行离散调整。由于表示入射部分的对准的数据仅需要有限的数据传输，因此可以使用相对较短的范围和/或较低的数据速率通信技术(例如Wi-Fi)来传送该信息。

在示例实施例中，代替当光束未被反射时检索二进制信号，光传感器阵列还可用于确定检测器边界的位置。反射信号可以相对于检测器的边界的不同位置而变化。例如，垂直腔面发射激光器(VCSEL)的光束角宽度可以使得信号在靠近检测器边界的地方被部分反射。因此，可以检测到表现出随到边界的距离而变化的振幅的反射信号。对反射信号的时间分析可以提供边界位置的准确指示。另一种定位边界的方法可以涉及对适配的光束角宽度的时间分析，因为光束角宽度远离边界时增加，而光束角宽度靠近边界时减小。一个或多个探测垂直腔面发射激光器(VCSEL)可以用于分析反射信号和/或适配光束角宽度。增加探测垂直腔面发射激光器(VCSEL)的数量允许系统利用插值，从而以提高的精度来确定检测器边界。

可以根据图4、图5和图6来理解本文描述的系统的替代实施例。代替使用光束分离器和布置在距离传输FSO单元一段距离处的单个或多个光传感器，光传感器可以嵌入在垂直腔面发射激光器(VCSEL)阵列80上，如图4和图5所示。本文描述的通信光束和对准光束可以从像素的一个或多个像素82产生，并且围绕像素的区域可以包括传感器84，以获得本文描述的反射信号或缺失信号。如图5所示，可以激活激光器82a以产生通过开口70与检测器66通信的通信光束86a。同时，可以激活单独的激光器82b以产生对准光束86b，对准光束86b击中逆反射材料69并被反射回光传感器84。如果接收FSO单元移动，使得对准光束86b不再被反射回光传感器(而是穿过开口70)，则可以控制激光器82b来代替产生通信光束。将光学传感器放置在与垂直腔面发射激光器(VCSEL)相同的芯片上是有利的，因为可以省去本文描述的光束分离器和分离的光传感器阵列。另外，由于本文描述的实施例将逆反射器与具有小光束角的激光器组合，因此可以检索有用的范围信息。可以在大范围内(例如，大于10m的范围)获得范围信息。在示例实施例中，可以经由光学飞行时间感测导出距离信息。该范围信息还可以提供轴向上的移动，并且当使用由多个光束测量的组合范围时，还可以提供逆反射器的位姿。在另一实施例中，一个或多个光电二极管可以布置成邻近垂直腔面发射激光器(VCSEL)阵列而不是嵌入在垂直腔面发射激光器(VCSEL)阵列上，以直接测量反射信号。与发射器侧的加速度计组合，这种轴向距离测量可以揭示关于发射器或检测器这两个中哪一个正在移动的信息。该信息对于提供发射器和/或接收器侧的机械故障或安装问题方面的(附近)系统故障可能是重要的。例如，与加速度计数据完全对应的轴向距离测量意指所有的移动都是由发射器而不是接收器发起的。

在进一步的实施例中，本文描述的逆反射器以及其内的开口可以采取其他形状和/或配置。例如，逆反射器可以实施为环形逆反射器，并且可以包括基本上位于逆反射器中间的环形检测器。当然，逆反射器的形状不必与检测器的形状相匹配。因此，应当理解，环形逆反射器可以包括形状为四边形的检测器，或者反之亦然。此外，应当理解，任何适当的形状都可以替代或附加地使用。参考图6，逆反射器90还可以包括开口92，一个或多个通信光束可以通过开口92。开口92可以定位在逆反射器的水平轴和垂直轴HA、VA的交点处。然而，在其他所设想的实施例中，开口不必定位在这些轴的交点处。逆反射器90还可以包括多个同心环94、96，使得在表面98内的环之间不存在反射的情况可以用于附加的对准或未对准检测。

在示例实施例中，可以激活单个垂直腔面发射激光器(VCSEL)，并且可以测量光传感器上反射的位置，以自动选择哪些垂直腔面发射激光器(VCSEL)充当通信光束和对准光束。由于单个垂直腔面发射激光器(VCSEL)具有有限的功率，通过只选择到达检测器的垂直腔面发射激光器(VCSEL)，可以有利地限制功耗。利用占空比，可以激活垂直腔面发射激光器(VCSEL)阵列中的一小部分激光器来检查对准，因为对于许多应用来说，在十分之几Hz的区域内进行对准检查就足够了。然后需要校正，并且占空比可以增加并适应天气条件或其他可能影响对准的条件。

在示例实施例中，垂直腔面发射激光器(VCSEL)阵列的一部分可以用于通过沿垂直腔面发射激光器(VCSEL)阵列移动对准光束来补偿小的对准偏差。通过激活垂直腔面发射激光器(VCSEL)阵列中的激光器，还不需要对FSO单元进行机械调整。在实施例中，在对准偏差太大而无法通过沿着垂直腔面发射激光器(VCSEL)阵列移动对准光束来适应的情况下，可以机械地调整FSO单元。

在另一实施例中，用于光学跟踪的垂直腔面发射激光器(VCSEL)发射器能够在提高光学链路的能量效率的同时提供提高或保持信噪比的机会。基于测量的或期望的杆摇摆的模式，可以激活最优的(多个)垂直腔面发射激光器(VCSEL)元件。例如，在水平移动的情况下只能使用一行元件。取决于摇摆幅度，可以使用该行上的单个元件直至所有元件。所使用的垂直腔面发射激光器(VCSEL)元件还可以取决于天气类型(例如，雾对光的散射)。除了本文描述的光学测量概念之外，也可以用例如加速度计或差分GPS跟踪来测量杆摇摆。附加地或替代地，可以提供检测器，其被配置成确定振动量是否超过特定阈值。在该情况下，可以激活特定的更大的像素集合以产生通信光束，以确保不丢失通信链路。

在其他实施例中，像素可以被配置成以不同波长传输通信光束和/或对准光束。在特定环境条件影响某些波长的某些光束的情况下，可以利用不同波长的其他像素或相应地调整波长。

图7示出了用于在自由空间光学通信系统中保持光学对准的方法100。在步骤102，传输FSO单元(例如，FSO单元12)的光源将至少一个通信光束(例如，光束16)朝着检测器传输以传送数据，该检测器布置在接收FSO单元(例如，FSO单元13)附近。接收FSO单元包括一个或多个逆反射元件。在步骤104，传输FSO单元的光源将一个或多个对准光束传输至包括逆反射元件的接收FSO单元。在步骤106，一个或多个对准光束或者对准光束的一个或多个部分从逆反射元件反射。在步骤108，在光传感器处检测从逆反射元件反射的一个或多个对准光束或者一个或多个对准光束的一个或多个部分。在步骤110，基于对反射的一个或多个对准光束或者一个或多个对准光束的一个或多个部分的检测，确定第一FSO单元和第二FSO单元是否对准。

在实施例中，该方法在自由空间光学通信系统操作时继续。因此，接收器和/或发射器两者都可以移动，同时来自接收器的表面的反射光连续地向发射器提供信息，指示它应当在哪个方向上补偿以保持光学对准。

尽管本文已经描述和示出了几个发明实施例，但是本领域普通技术人员将容易设想用于执行本文描述的功能和/或获得本文描述的结果和/或一个或多个优点的各种其他装置和/或结构，并且这些变化和/或修改中的每一个都被认为在本文描述的发明实施例的范围内。更一般地，本领域技术人员将容易理解，本文描述的所有参数、尺寸、材料和配置都意指示例性的，并且实际的参数、尺寸、材料和/或配置将取决于使用本发明教导的一个或多个具体应用。本领域技术人员将认识到或能够仅使用常规实验来确定本文描述的具体发明实施例的许多等同物。因此，应当理解，上述实施例仅作为示例而呈现，并且，除了具体描述和所要求保护的之外，还可以在所附权利要求及其等同物的范围内实践发明实施例。本公开的发明实施例针对本文描述的每个单独特征、系统、物品、材料、套件和/或方法。此外，两个或更多个这种特征、系统、物品、材料、套件和/或方法的任何组合(如果这种特征、系统、物品、材料、套件和/或方法不相互不一致)都包括在本公开的发明范围内。

如本文在说明书和权利要求中所使用的短语“和/或”应当理解成意指如此连接的元件中的“任一个或两个”，即在某些情况下连接存在而在其他情况下分离存在的元件。用“和/或”列出的多个元件应当以相同的方式解释，即“一个或多个”如此连接的元件。除了由“和/或”子句具体标识的元件之外，可以可选地存在其他元件，无论它们与具体标识的那些元件相关还是无关。如本文在说明书和权利要求中所使用的，“或”应当理解为具有与上面定义的“和/或”相同的含义。

还应当理解，除非明确相反地指示，在本文所要求保护的包括一个以上步骤或动作的任何方法中，方法的步骤或动作的顺序不一定限于方法的步骤或动作的叙述顺序。

Claims (14)

1.一种用于在自由空间光学通信系统中保持光学对准的方法(100)，所述方法包括：

将来自第一自由空间光学单元(FSO)的光源的至少一个通信光束传输(102)至布置在第二自由空间光学(FSO)单元附近的检测器，所述第二自由空间光学(FSO)单元包括一个或多个反射元件，所述第一自由空间光学(FSO)和第二自由空间光学(FSO)单元彼此相距一段距离并且不容纳在同一设备内；

将来自所述光源的一个或多个对准光束传输(104)至所述第二自由空间光学(FSO)单元；

将所述一个或多个对准光束或者所述一个或多个对准光束的一个或多个部分从所述一个或多个反射元件处反射(106)；

在光传感器处检测(108)反射的所述一个或多个对准光束或者所述一个或多个对准光束的一个或多个部分；以及

基于对所反射的所述一个或多个对准光束或者所述一个或多个对准光束的一个或多个部分的检测，确定(110)所述第一自由空间光学(FSO)单元是否与所述第二自由空间光学(FSO)单元对准，或者所述至少一个通信光束是否受到一个或多个环境条件的影响，

其中所述至少一个通信光束和所述一个或多个对准光束包括来自垂直腔面发射激光器(VCSEL)阵列的两个光束，所述垂直腔面发射激光器(VCSEL)阵列包括多个像素。

2.如权利要求1所述的方法，还包括基于所述一个或多个对准光束被所述一个或多个反射元件反射来确定所述第一自由空间光学(FSO)单元与所述第二自由空间光学(FSO)单元对准。

3.如权利要求2所述的方法，还包括基于所述一个或多个对准光束的一个或多个部分未被所述一个或多个反射元件反射来确定所述第一自由空间光学(FSO)单元未与所述第二自由空间光学(FSO)单元对准。

4.如权利要求1所述的方法，还包括基于所述一个或多个对准光束中没有一个被所述一个或多个反射元件反射来确定所述第一自由空间光学(FSO)单元与所述第二自由空间光学(FSO)单元对准。

5.如权利要求4所述的方法，还包括基于所述一个或多个对准光束的至少一部分被所述一个或多个反射元件反射来确定所述第一自由空间光学(FSO)单元未与所述第二自由空间光学(FSO)单元对准。

6.如权利要求1所述的方法，还包括基于所述一个或多个对准光束中的至少一个被所述一个或多个反射元件反射，以及所述一个或多个对准光束中的至少一个未被所述一个或多个反射元件反射，来确定所述第一自由空间光学(FSO)单元未与所述第二自由空间光学(FSO)单元对准。

7.如权利要求1所述的方法，还包括在距离所述第一自由空间光学(FSO)单元第一距离处提供所述一个或多个反射元件，并且在距离所述第一自由空间光学(FSO)单元第二距离处提供所述检测器，其中所述第一和第二距离不相同。

8.如权利要求1所述的方法，还包括在距离所述第一自由空间光学(FSO)单元一段距离处提供所述光传感器。

9.如权利要求1所述的方法，还包括响应于确定所述第一自由空间光学(FSO)单元未与所述第二自由空间光学(FSO)单元对准或所述至少一个通信光束受到影响，从所述光源传输不同的或多个通信光束。

10.如权利要求1所述的方法，还包括响应于确定所述第一自由空间光学(FSO)单元未与所述第二自由空间光学(FSO)单元对准或所述至少一个通信光束受到影响，修改所述至少一个通信光束的一个或多个操作参数。

11.如权利要求1所述的方法，还包括使用一个或多个衍射光学元件来传输来自所述通信光束的一个或多个对准光束。

12.一种自由空间光学通信系统(10，50)，包括：

第一自由空间光学(FSO)单元(12)，所述第一自由空间光学(FSO)单元(12)与第二自由空间光学(FSO)单元(13)可通信地耦合，所述第一自由空间光学(FSO)单元包括光源，并且所述第二自由空间光学(FSO)单元包括一个或多个反射元件，所述第一自由空间光学(FSO)单元和第二自由空间光学(FSO)单元彼此相距一段距离并且不容纳在同一设备内；

检测器(22，66)，布置在所述第二自由空间光学(FSO)单元附近；

至少一个通信光束(56，86a)，从所述第一自由空间光学(FSO)单元的光源被传输至所述检测器；

一个或多个对准光束(56、58、60、62、64、86b)，从所述光源被传输至所述第二自由空间光学(FSO)单元；

光传感器(74，84)，被配置成检测从所述一个或多个反射元件(24、68、90)处反射的所述一个或多个对准光束或者所述一个或多个对准光束的一个或多个部分；以及

控制器(23)，所述控制器(23)配置成：

分析由所述光传感器产生的一个或多个反射信号；和

基于对被反射的所述一个或多个对准光束或者所述对准光束的一个或多个部分的检测，确定所述第一自由空间光学(FSO)单元是否与所述第二自由空间光学(FSO)单元对准，或者所述至少一个通信光束是否受到一个或多个环境条件的影响，

其中所述至少一个通信光束和所述一个或多个对准光束包括来自垂直腔面发射激光器(VCSEL)阵列的两个光束，所述垂直腔面发射激光器(VCSEL)阵列包括多个像素。

13.如权利要求12所述的系统，其中所述控制器被配置成在所述第一自由空间光学(FSO)单元未与所述第二自由空间光学(FSO)单元对准时调整所述至少一个通信光束的一个或多个操作参数以进行校正。

14.如权利要求12所述的系统，其中所述至少一个通信光束从所述垂直腔面发射激光器(VCSEL)阵列的所述多个像素中的第一像素传输，并且所述控制器被配置成：在所述第一自由空间光学(FSO)单元未与所述第二自由空间光学(FSO)单元对准时或在所述至少一个通信光束受到一个或多个环境条件的影响时，激活第二像素以从所述第二像素传输所述至少一个通信光束以进行校正。