CN114731200A - 用于自由空间光通信的方法、系统和装置 - Google Patents

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Abstract

飞机包括在飞机的外表面上的扁平光通信终端，扁平光通信终端被配置为经由自由空间光通信链路与地面站通信。

Description

用于自由空间光通信的方法、系统和装置
技术领域
本发明涉及用于自由空间光通信(FSOC)的方法、系统和装置，特别是用于航空航天通信和空对地通信网络。
虽然适用于任何类型的交通工具，但是本发明和相应的潜在问题将结合飞机进行更详细的解释。
背景技术
将自由空间光通信(FSOC)合并到空对地网络允许将基于地面的骨干光纤网络扩展到飞机和航天器。作为第一步，可以将FSOC集成到欧洲航空网络(EAN)中，为整个航空业的所有参与者提供前所未有的连接。为这个应用开发的操作过程之后可以容易地转移到用于GEO和LEO架构的卫星通信。
用于空对地移动通信和网络数据路由的现有方法包括基于射频(RF)通信的通信信道。EAN已经提供了基于LTE标准的空对地系统，但是，此类系统的带宽有限。文献US 5,359,446 A公开了一种自由空间光通信系统，用于在飞机计算机系统与基于地面的计算机系统之间传输数据。文献US 7,593,641 B2公开了一种用于自由空间光卫星通信的系统，该系统具有地面站和收发器，用于向卫星发射光通信信号或者从卫星接收光通信信号。文献WO 2018/094706 A1公开了一种基于偏振的相控阵列发射器。文献US 6,931,245 B2公开了一种系统，用于在单个低噪声块下变换器中接收和下变频多个偏振。文献US 2015/0086157A1公开了基于具有模式选择性的光子灯的空间多路复用器。
发明内容
本发明目的之一是提供能够实现与飞行中的飞机以及最终在轨道中的航天器进行超过40Gbps的高带宽通信的技术解决方案。
这些目的的至少一部分通过各个独立权利要求的主题来实现。在与独立权利要求相关的从属权利要求中描述了优选实施例。这些目的的一部分或全部也可以通过并入本公开的其他教导来实现。
根据本发明的第一方面，飞机包括飞机的外表面上的扁平光通信终端(flatoptical communication terminal)，扁平光通信终端被配置为经由自由空间光通信链路与地面站通信。根据本发明的第一方面的方法，所述方法包括将扁平光通信终端安装在飞机外表面、在扁平光通信终端和一个或多个地面站之间建立自由空间光通信链路、经由所建立的自由空间光通信链路在飞机网络与基于地面的光纤网络之间交换数据的步骤。
通过将FSOC集成到现有的飞机和航天器通信系统中，它们的能力可以大大增强，从而出现从飞行连接到互联网服务到偏远地区的新商业模式。本发明的第一方面能够实现将光传输网络光纤通信转换为自由空间，即，使得光传输网络无线化。为了完成这个任务，本公开各个方面涉及用于网络的操作的先进概念以及可以与现有RF和光纤网络基础设施一起集成的新FSOC技术。无线光传输网络优选不需要任何类型的特定终端，无论是扁平的还是其他形状的。但是，扁平终端有利于在多种应用场景中发挥优势，例如飞机、卫星与地面站之间的通信。
可以将自由空间光通信组件集成到光传输网络(OTN)架构中。这将能够实现无缝操作和顺利的地面站切换，作为网络的关键要素。诸如站点之间的流量重新路由、因天气停电期间的缓解以及飞机获取和跟踪的处理需要详细说明。
为了成功地将光通信集成到航空电子设备中，需要将光终端无缝集成到飞机中。这种终端的优点包括阻力极低、重量轻。飞机内这种集成光终端的操作概念依赖于两项关键技术：光学相控阵列(OPA)和光子集成电路(PIC)。
OPA由一组发射器组成，这些发射器共同发射相同波形的信号。这些波既有建设性的也有破坏性的干扰，从而在一个方向中放大发射的信号并在其他方向中抑制它。这种阵列可以发出强烈聚焦的信号，通过特别错开发生在沿阵列不同点的传输的定时，可以将信号定向到不同方向。OPA基于通过可调节表面元件控制从二维表面发射或反射的光波的相位，因此提供一种无需机械移动部件即可操纵光束的方法。OPA重量轻、扁平，并且可以与PIC集成。
集成光学器件的具体示例是PIC——有时候称为平面光波电路(PLC)——它包括集成到单个装置的若干光学和电子组件。PIC例如可以使用诸如光刻的晶片级技术在硅衬底、二氧化硅或非线性晶体材料(例如铌酸锂(LiNbO3))上制造。基于硅基二氧化硅的集成光学器件允许利用微电子技术。耦合器、分路器、滤波器、组合器或其他具有光学增益的元件可以用二氧化硅波导制造。这种光学元件可以有利地耦合到光纤。硅光子学能够实现在硅芯片上直接实施光子功能。其他技术涉及用磷化铟(InP)形成PIC。通过化学处理、激光微加工和/或掺杂剂引晶的光刻制造能够实现远低于衬底表面的熔融石英波导的实施。那些嵌入式波导允许利用三维，即，三维电路设计。
诸如电光调制器(EOM)或声光换能器这样的非线性装置可以在作为非线性晶体材料的铌酸锂(LiNbO3)的基础上被实施。LiNbO3衬底可以用钛扩散工艺处理以形成波导，或者用掺杂工艺处理以形成放大器和激光器。LiNbO3是双折射的，因此可以基于偏振控制在LiNbO3衬底上设计滤波器。
PIC通常能够承载复杂的电路配置，同时允许减小很多光子组件的尺寸和重量，例如波导、检测器、密集波分复用器(DWDM)、环行器、调制器和掺铒光纤放大器(EDFA)。
本公开中包含的概念、处理和技术不仅适用于空对地通信，而且可以构思用于其他应用，例如空对空应用(例如飞机网状网络)、地球同步卫星通信、或低地球轨道星座通信。
本发明的第二方面涉及一种用于射频(RF)发射和接收系统的通信装置，通信装置的发射器装置包括IQ调制器，IQ调制器具有用于RF传输信号的同相(I)分量的数模转换器(DAC)以及用于RF传输信号的正交(Q)分量的数模转换器(DAC)。IQ调制器耦合到被配置为将RF传输信号的同相(I)分量从基带上变频到RF域的第一RF上变换器模块以及被配置为将RF传输信号的正交(Q)分量从基带上变频到RF域的第二RF上变换器模块。发射器装置还包括被配置为生成本地振荡器(LO)信号的本地振荡器电路以及耦合在本地振荡器电路下游的偏振电路。偏振电路被配置为输出从本地振荡器电路输出的LO信号导出的两个相互正交的线性偏振LO信号，并将两个相互正交的线性偏振LO信号中的第一个信号路由到第一RF上变换器模块的第一和第二RF混频器，将两个相互正交的线性偏振LO信号中的第二个信号路由到第二RF上变换器模块的第一和第二RF混频器。发射器装置还包括耦合在偏振电路与第一RF上变换器模块的第一和第二RF混频器之间的第一移相电路、以及耦合在偏振电路与第二RF上变换器模块的第一和第二RF混频器之间的第二移相电路。第一和第二移相电路被配置为通过对两个相互正交的线性偏振LO信号中的相应信号施加90°相移来生成右手和左手圆偏振LO信号。
第二方面的特别优点在于，偏振器电路连同本地振荡器的实施允许在扩展到大型发射和接收天线阵列时有更多重新使用的潜力：偏振处理只需要进行一次，可以将偏振LO信号馈送到天线阵列内的每个天线元件。
通过提供偏振LO信号的校正和/或校准功能，可以增加发射和接收系统的灵活性。因为偏振电路在射频发射和接收系统中只实施一次，所以只需要很小的IC芯片面积。
通常，本地振荡器电路使用过驱动信号。因此，与带宽和线性边界条件受到更多限制的射频域中的偏振电路所需的线性度相比，对偏振器电路的线性度的要求降低。此外由于较低的工作频率，在基带中更容易实施将信号拆分和组合成偏振分支。
根据第二方面的一些实施例，第一和第二移相电路分别在第一和第二RF上变换器模块内实施。根据第二方面的一些替代性实施例，第一和第二移相电路在第一和第二RF上变换器模块之外实施。具体而言，在一些实施例中，可以将第一和第二移相电路直接连接到偏振电路。
根据第二方面的一些实施例，第一和第二RF上变换器模块分别包括耦合到第一和第二RF混频器的输出端口的功率放大器。根据第二方面的一些实施例，第一RF上变换器模块的功率放大器被耦合到第一发射天线。根据第二方面的一些实施例，第二RF上变换器模块的功率放大器被耦合到第二发射天线。
根据第二方面的一些实施例，第一和第二移相电路用包括两个D触发器的T触发器来实施，两个D触发器具有连接到输入端口的反相信号输出端口。
本发明的第三方面涉及一种用于射频(RF)发射和接收系统的通信装置，通信装置的接收器装置包括IQ调制器，IQ调制器具有用于RF接收信号的同相(I)分量的模数转换器(ADC)以及用于RF接收信号的正交(Q)分量的模数转换器(ADC)。IQ调制器耦合到被配置为将RF接收信号的同相(I)分量从RF域下变频到基带的第一RF下变换器模块以及被配置为将RF接收信号的正交(Q)分量从RF域下变频到基带的第二RF下变换器模块。接收器装置还包括被配置为生成本地振荡器(LO)信号的本地振荡器电路以及耦合在本地振荡器电路下游的偏振电路。偏振电路被配置为输出从本地振荡器电路输出的LO信号导出的两个相互正交的线性偏振LO信号，并将两个相互正交的线性偏振LO信号中的第一个信号路由到第一RF下变换器模块的第一和第二RF混频器，并且将两个相互正交的线性偏振LO信号中的第二个信号路由到第二RF下变换器模块的第一和第二RF混频器。接收器装置还包括耦合在偏振电路与第一RF下变换器模块的第一和第二RF混频器之间的第一移相电路以及耦合在偏振电路与第二RF下变换器模块的第一和第二RF混频器之间的第二移相电路。第一和第二移相电路被配置为通过对两个相互正交的线性偏振LO信号中的相应信号施加90°相移来生成右手和左手圆偏振LO信号。
根据第三方面的一些实施例，第一和第二移相电路分别在第一和第二RF下变换器模块内实施。根据第三方面的一些替代性实施例，第一和第二移相电路在第一和第二RF下变换器模块之外实施。具体而言，在一些实施例中，第一和第二移相电路可以直接连接到偏振电路。
根据第三方面的一些实施例，第一和第二RF下变换器模块分别包括耦合到第一和第二RF混频器的输入端口的接收放大器。根据第三方面的一些实施例，第一RF下变换器模块的接收放大器被耦合到第一接收天线。根据第三方面的一些实施例，第二RF下变换器模块的接收放大器被耦合到第二接收天线。
根据第三方面的一些实施例，第一和第二移相电路用包括两个D触发器的T触发器来实施，两个D触发器具有连接到输入端口的反相信号输出端口。
根据本发明的第四方面，一种射频(RF)发射和接收系统包括根据第二方面的一个或多个发射器装置和根据第三方面的一个或多个接收器装置。
本发明的第五方面涉及一种在层堆叠中具有多个功能层的扁平光终端，其中每个功能层在光学补偿和波束处理方面实现不同的功能，层堆叠包括：第一层，第一层包括光学相位阵列：第二层，第二层堆叠在第一层的顶部上，包括液晶调制器或微机电元件的阵列；以及第三层，第三层堆叠在第二层的顶部上，包括偏振光栅。
根据第五方面的本发明的构思之一是对光学相位阵列(OPA)的天线元件实施集装(binning)，并从而创建相对平坦的OPA，减少配备这种OPA的光终端的空气阻力和重量。光终端提供了一种解决方案来改变光发射和接收波束的空间相位分布，并通过使用机械和非机械波束操纵组件的组合来影响天线元件的方向性。光终端既可以充当接收器也可以充当发射器，但是，光终端可以仅充当接收器或者仅充当发射器。在后一种情况下，为了实施发射和接收天线前端，需要将两个单独的光终端实施为彼此相邻。
根据第五方面的一些实施例，层堆叠还可以包括耦合到第一层中的光学相位阵列的调制/解调层。
根据第五方面的一些实施例，光学相位阵列可以包括集装在一个或多个二维天线块中的多个天线元件，每个天线块被连接到公共总线并耦合到块相关的相位调谐元件。根据第五方面的一些替代性实施例，光学相位阵列可以包括相互并联连接到公共总线的多排天线元件，每个公共总线被配置为经由每个公共总线的单个相位调谐元件被馈送。
根据第五方面的一些实施例，多个天线元件可以被扁平光学透镜覆盖，例如微透镜或者由扁平元透镜制成的牛顿望远镜。在它的一些配置中，每个天线元件可以被单个扁平光学透镜覆盖。在它的一些替代性配置中，天线元件的子集可以被共同的扁平光学透镜覆盖。
本发明的第六方面涉及一种具有光学相位阵列的扁平光终端，其中光学相位阵列具有集装在一个或多个二维天线块中的多个天线元件，每个天线块连接到公共总线并且耦合到块相关的相位调谐元件，并且安装在机械倾斜台上，用于机械调整多个天线元件的对准，从而操纵光学相位阵列的发射和/或反射波束的波束方向。
本发明的第六方面的构思之一是通过将多个天线元件集装成统一控制的天线块来降低用于控制光学相位阵列的每个单独天线元件所需的功耗，但是对于具有相对较低功耗的天线块，通过将控制外包给机械安装台来恢复波束操纵和相位控制中失去的控制。
根据第六方面的一些实施例，多个天线元件可以被扁平光学透镜覆盖，例如微透镜或者由扁平元透镜制成的牛顿望远镜。在它的一些配置中，每个天线元件可以被单个扁平光学透镜覆盖。在它的一些替代性配置中，天线元件的子集可以被共同的扁平光学透镜覆盖。
根据第六方面的一些实施例，机械倾斜台可以仅在一个方向中倾斜，也可以在天线块的平面中在两个相互正交的方向中倾斜。
根据第六方面的一些实施例，可以将机械倾斜台安装到公共面板。在它的一些配置中，面板可以围绕平行于面板的表面法线的轴旋转。
本发明的第七方面涉及一种用于光自由空间通信的自适应接收器，接收器包括自适应透镜、布置在自适应透镜的焦点处的集成光学芯片封装，集成光学芯片封装包括：被多个倾斜感测多模波导包围的多模输入波导；倾斜检测器的倾斜感测阵列，每个倾斜检测器被配置为感测穿过各个倾斜感测多模波导的光的幅度；以及用于接收倾斜检测器的感测幅度的透镜控制装置，所述透镜控制装置被配置为基于倾斜检测器的感测幅度来控制自适应透镜的形状，从而校正倾斜和更高阶波前误差。
本发明的第七方面涉及的一个构思有关于使用芯片绑定阵列进行倾斜感测，从而避免在控制复杂且昂贵的自适应光学器件中对于慢速响应象限二极管的必要性。此外，可以用更快速操作的自适应透镜来代替缓慢操作的转向镜和/或可变形镜，从而校正将光束耦合到多模波导时的倾斜不平衡。
根据第七方面的一些实施例，倾斜检测器可以包括胶合到集成光学芯片封装的后接口的微透镜。
根据第七方面的一些实施例，多模输入波导拆分成多个逐渐变窄的单模或更少模波导。在它的一些实施例中，多个逐渐变窄的单模或更少模波导可以各自包括相量(phasor)，相量被配置为校正穿过单模或更少模波导的波前之间的相位差，从而重新将不同的波前有效地组合成单模光纤。
根据第七方面的一些实施例，单模或更少模波导被耦合到检测器的波前感测阵列，其中每个单模或更少模波导一个检测器。在它的一些实施例中，检测器被配置为测量通过多个单模或更少模波导携带的光的功率。然后，指示测量功率的信号可以被发送到用于控制自适应透镜形状的透镜控制装置，从而可以考虑更高阶的扰动。
附图说明
下面参照附图所示的示例性实施例更详细地解释本发明。
所包括的附图提供对本发明的进一步理解并且合并在说明书中，构成本说明书的一部分。附图示出本发明的实施例并与描述一起用于解释本发明的原理。本发明的其他实施例和本发明的很多预期优点将容易理解，因为它们通过参考以下详细描述变得更好理解。附图的元件不一定相对于彼此成比例。相同的附图标记表示相应的相似部件。
图1示意性地示出根据本发明的一些实施例的使用自由空间光通信链路的空对地网络；
图2示意性地示出根据本发明的一些实施例的多带扁平天线装置的示例性实施方式；
图3在截面图中示意性地示出图1的多带扁平天线装置；
图4示出根据本发明一些实施例的用于射频(RF)发射和接收系统的发射器装置的框图；
图5示出根据本发明的一些其他实施例的用于射频(RF)发射和接收系统的发射器装置的框图；
图6示意性地示出用于要在图4和图5的RF发射和接收系统中使用的移相器电路的可能逻辑实施方式；
图7示意性地示出基于集成光子OPA的扁平光终端的第一配置；
图8示意性地示出基于集成光子OPA的扁平光终端的第二配置；
图9示意性地示出基于集成光子OPA的扁平光终端的第三配置；
图10示意性地示出基于集成光子OPA的扁平光终端的第四配置；
图11示意性地示出用于基于集成光子OPA的扁平光终端的层配置的截面图；
图12通过侧视图示意性地示出用于光自由空间通信的自适应接收器的示例性配置；
图13通过侧视图示意性地示出用于光自由空间通信的自适应接收器的另一示例性配置；以及
图14示意性地示出图12和图13的自适应接收器的输入接口的前视图。
在附图中，相似的附图标记表示相似或功能相似的组件，除非另有说明。诸如“顶部”、“底部”、“左”、“右”、“上”、“下”、“水平”、“垂直”、“后”、“前”的任何方向性术语及类似术语仅用于解释的目的，并非要将实施例限定为附图所示的特定布置。
具体实施方式
虽然本文示出并描述了特定实施例，但是本领域技术人员应当理解，在不脱离本发明范围的情况下，可以用各种替代和/或等效实施方式代替所示和所述的特定实施例。一般而言，本申请意图涵盖本文所述特定实施例的任何修改或变化。
图1示出包括扁平光通信终端2A的飞机1A的示意图。光通信终端2A被安装在飞机1A的外表面，例如机身下表面的一部分。光通信终端2A被设计为基本上不从它所安装的飞机1A的外表面的平面突出来，从而减少光通信终端将以其他方式产生的任何附加空气阻力。
光通信终端2A被配置为经由自由空间光通信链路7A与一个或多个地面站3A、4A通信。具体而言，可以将一个以上自由空间光通信链路7A维持到地面站3A、4A中的不同地面站，从而实现飞机1A在不同地面站3A、4A之间的切换过程。通过这种方式，飞机1A上的任何通信网络可以保持连接到地面站3A、4A所连接的相同的基于地面的通信网络5A。具体而言，基于地面的通信网络5A可以基于光纤网络6A，即，与无线光通信链路7A相比可以是有线绑定。光通信链路7A可以促进经由所建立的自由空间光通信链路7A在飞机网络与基于地面的光纤网络5A之间交换数据。
图2和图3示出多带扁平天线装置1B的示意图。图2示出多带扁平天线装置1B的俯视图，而图3示出从侧面观察的截面图。多带扁平天线装置1B通常包括衬底7B，衬底7B例如可以包括聚氨酯(PU)、硅树脂或柔性环氧树脂模。通过填充组件之间的沟槽和间隙以将整个天线装置1B平坦化，衬底7B可以将任何电子组件嵌入其中。可以选择衬底7B的材料来提供不弯曲的高拉伸性、低收缩性以及对诸如FR4或聚酰亚胺(PI)的PCB材料的良好粘附性。
衬底7B可以设置有承载时钟线、数据线和/或电源条线(power strip lines)的布线层14B。为了隔离的目的，可以将聚酰亚胺膜15B放置在布线层14B的顶部上，例如具有大约50μm的厚度。在聚酰亚胺膜15B的底侧可以提供一层粘合剂或胶水16B，以将天线装置1B粘附到飞机外表面，例如机身。例如可以将粘合剂层16B实施为双面胶带。具体而言，天线装置1B可以被用于为飞机(例如图1的飞机1A)配备通信天线阵列。
在布线层14B的顶部上并且嵌入衬底内，可以有多个分段的天线拼块(antennatile)，每个天线拼块承载不同数量和类型的天线组件2B、3B、4B、5B、6B。天线拼块的分段有助于使得衬底7B灵活适应弯曲或非平面表面，例如飞机机身的铝或复合材料表面。焊膏和焊接掩模可以被印刷在天线拼块上，以便在天线拼块与下面的布线层14B之间提供电互连。作为焊膏和焊接掩模的替代性方案，可以提供焊球。
可以在衬底14B上方形成保护层13B，从而保护天线拼块免受机械应力和环境压力，例如下雨、结冰、冰雹、UV照射和类似的环境影响。此外，保护层13B可以提供针对静电放电(ESD)的稳定性。
天线拼块可以包括多种不同类型的天线：例如布置在矩形天线元件贴片中的Ku波段和Ka波段天线2B，其中将用于Ka波段卫星通信的平面偶极天线21B堆叠在用于Ku波段卫星通信的缝隙天线22B的顶部上或下方；根据IFA模型(倒F天线)的VHF(甚高频)、ELT-1、ELT-2和ELT-3天线3B；贴片元件阵列中的EAN(欧洲航空网络)MSS(移动卫星服务)和EANCGC(互补地面组件)天线4B；用于海事卫星和铱驾驶舱通信和GNSS(全球导航卫星系统)的贴片阵列5B；用于LDACS(L波段数字航空通信系统)、WACS(白色爱丽丝通信系统)的缩放版、FOMAX(飞行操作和维护交换器)以及800MHz至2.7GHz任意波天线(未明确示出)的圆形短路贴片阵列6B。一般而言，可以有任何类型的通信装置用于覆盖从100MHz到6GHz以及从10GHz到60GHz的通信频率范围。
Ka波段和Ku波段天线可以具有大约10mm的厚度，VHF、ELT-1、ELT-2天线3B可以具有大约62mm的厚度，ELT-3天线可以具有大约24mm的厚度，LDACS、WACS和FOMAX圆形贴片可以具有大约18mm的厚度，EAN MSS和EAN CGC天线4B可以具有大约8mm的厚度，用于海事卫星和铱驾驶舱通信和GNSS的贴片阵列5B可以具有大约15mm的厚度，并且任意波天线可以具有大约70mm的厚度。
天线2B、3B、4B、5B和6B中的每个可以通过导电互连元件12B连接到相应的通信芯片组10B。芯片组10B可以通过电互连(在图3中未明确示出)适当地连接到布线层14B的数据线、时钟线和电源条线。
图2和图3的多带扁平天线装置1B具有保形设计，可以胶合在飞机的机身表面，并提供足够的对于环境压力的机械阻力和热阻。在天线装置1B中已经包括前端，并且前端包括数字基带接口，用于无缝集成到现有SDR架构。
图4示出在发射配置中射频(RF)发射和接收系统1C的框图。接收配置未明确示出，但是根据类似原理工作。RF发射和接收系统1C在相同频率和相同时隙期间使用通过正交偏振相互分离的两个通信路径。例如，线偏振采用水平和垂直偏振模式，而圆偏振采用左手和右手偏振模式。圆偏振可以通过实施一个垂直天线布置和一个水平天线布置以及通过确保两个天线布置之间用于载波频率的±90°的相位差来实现。然后根据相位差的符号，发射或接收的信号被左手或右手圆偏振。
RF发射和接收系统1C涉及用于单天线和天线阵列的系统架构，该系统架构在本地振荡器源的级别上使用偏振处理。在诸如图2和图3所示的实际配置中，RF发射和接收系统采用圆偏振技术，因为它们能够实现独立于发射和接收天线布置的机械旋转状态来发射和接收信号。如上所述，为了在RF发射和接收系统1C中实现左手和右手偏振模式，根据相互正交的线性偏振，同时需要移相电路对RF发射和接收系统1C的载波频率施加±90°相移，并且线性偏振电路对发射和/或接收信号进行滤波。
系统1C包括基带域中的IQ调制器，IQ调制器包括用于RF信号的同相(I)分量的数模转换器(DAC)17C以及用于RF信号的正交(Q)分量的数模转换器(DAC)27C。DAC 17C的输出被耦合到低通滤波器16C，低通滤波器16C继而被耦合到第一RF上变换器模块10C和第二RF上变换器模块20C这两者。类似地，DAC 27C的输出被耦合到低通滤波器26C，低通滤波器26C继而被耦合到第一RF上变换器模块10C和第二RF上变换器模块20C这两者。RF上变换器模块10C和20C被配置为将来自低通滤波器16C、26C的输入信号从基带上变频到RF域。为此，RF上变换器模块10C和20C分别包括两个RF混频器11C、12C和21C、22C，它们被配置为将输入信号的I/Q分量与来自本地振荡器电路2C的本地振荡器信号混合。
两个RF混频器11C和21C中相应的第一个RF混频器被用于左手圆偏振发射信号，两个RF混频器12C和22C中相应的第二个RF混频器被用于右手圆偏振发射信号(反之亦然)。不同偏振的发射信号从RF混频器11C、12C和21C、22C分别输出到第一和第二RF上变换器模块10C和20C的公共放大器14C、24C，公共放大器14C、24C继而放大上变频的发射信号，以使用第一天线15C和第二天线25C进行发射。
在这两种配置中，本地振荡器电路2C被配置为向RF混频器11C、12C和21C、22C提供本地振荡器(LO)信号。偏振电路3C耦合在本地振荡器电路2C的下游并且被配置为输出从本地振荡器电路2C输出的LO信号导出的两个相互正交的线性偏振LO信号。偏振电路3C例如可以是无源电路，也就是具有无源电路组件的电路。偏振电路3C例如可以包括延迟线、分支线耦合器、90°混合耦合器、多相滤波器或类似功能的无源元件。不限于一般性，偏振电路3C可以输出水平偏振LO信号和垂直偏振LO信号。水平偏振LO信号可以被输入到第一RF上变换器模块10C。垂直偏振LO信号可以被输入到第二RF上变换器模块20C。
通过采用偏振电路3C，可以有利地减少电路元件的数量，特别是在用于大型天线阵列时。因为在设计中只放置偏振电路3C一次，所以通过在使得偏振电路3C可调节方面付出一些努力，这导致更小的面积和功耗，并在天线阵列的误差校正和校准上显示巨大潜力。与射频域中的偏振处理相反，可以在不太敏感的本地振荡器信号上和基带域中完成偏振处理。
偏振电路3C的下游，实现用于不同偏振LO信号的移相电路。通常，由于IQ操作原理，需要实现90°的固定相移。在图4的配置中，用于水平偏振LO信号的第一移相电路13C在第一RF上变换器模块10C内实现。类似地，用于垂直偏振LO信号的第二移相电路23C在第二RF上变换器模块20C内实现。在图5的配置中，用于水平偏振LO信号的第一移相电路5C直接在偏振电路3C的第一输出端口之后实现，并且用于垂直偏振LO信号的第二移相电路5C直接在偏振电路3C的第二输出端口之后实现。因为更多的混频器只需要两个移相电路5C和4C的效率提高，所以图5的配置更适合更大的天线元件阵列，而图4的配置分别在每个上变换器模块中对于不同偏振的LO信号的误差校正和校准提供更大的灵活性。
图6示意性地使用带有D触发器的数字分相器的移相电路4C、5C、13C和23C的可能实施方式。基本上，示意图示出包括两个D触发器的T触发器，每个D触发器具有连接到输入端D的反相输出端Q_bar。双频输入端口35C通过逻辑非门36C拆分为主信号支路和反相信号支路。主信号支路被馈送到第一D触发器31C的时钟输入CK，而反相信号支路被馈送到第二D触发器32C的时钟输入CK。对于D触发器31C和32C这两者而言，反相输出端Q_bar被反馈到输入端D，因此输出端口33C和34C处的输出Q相对于双频输入端口35C而言为单频，并且由于逻辑非门36C的反转而相对于彼此90°相移。
这种D触发器的优点在于设计紧凑、带宽高、相位对齐精确和相位反转灵活。这是在提供具有传统所需频率两倍的频率的本地振荡器信号的要求下购买的，对于本地振荡器电路2C施加了某些限制。当然，其他类型的移相电路同样是可能的，例如朗格耦合器、多相滤波器正交分离器、3db正交混合耦合器、希夫曼(Schiffman)移相器或支线耦合器。
图7、图8、图9和图10示出用于空对地、空对空和空对卫星通信的基于集成光子光学相位阵列(OPA)技术的扁平光终端1D的示例性配置。集成光子OPA通常包括多个单独调谐的天线元件4D，用于发射和接收。在所有示例性配置中，天线元件4D被安装在面板2D上，面板2D可以围绕平行于面板2D的表面法线的轴(由附图标记RD表示)旋转。例如面板2D可以被具体实施为可旋转盘(如图7、图8和图10所示)，或者被具体实施为同心安装在彼此顶部上的两个可旋转盘(如图9所示)。
图7示意性地示出基于集成光子OPA的扁平光终端1D的第一变型。在该配置中，多排天线元件4D相互并联各自连接到公共总线，公共总线继而经由每个公共总线的单相调谐元件3D进被馈送。多排可以共同位于安装到面板2D的天线拼块5D上。通过图7的配置，可以将各个发射器集装成线，使得每条线只需要在一个维度上进行操纵。另一维度可以通过将面板2D作为一个整体进行旋转来解决。这样做特别有用，因为在这种情况下，相量的数量等于发射器总数的平方根。
经由相位调谐元件3D的相位调谐可以被具体地实施用于波束传输——通过延迟元件的热或电光控制引入补偿与2π相比的相位差的小延迟。
单相调谐元件3D被配置为在每排天线元件4D的天顶角(zenith angle)上操纵发射波束，而下方面板2D的旋转提供方位角(azimuth angle)上的波束操纵。面板2D的可旋转性提供了额外的自由度RD，自由度RD通过机械地将天线元件4D成排地链接在一起而丧失。与光终端1D的整体延伸相比，该基本结构可以按照二维点阵(two-dimensional lattice)来平铺，从而减少排长度，并因此减少每个互连排的总线长度。这种点阵中的排和拼块的尺寸可以基于用于公共总线的波导的估计损耗来确定，其取决于关于可靠性、封装损耗和所需带宽的应用要求。在图7中，为了清楚和解释的目的，仅示例性地示出单个天线拼块5D，但是在面板2D上可以等效地实施多于一个的拼块。
图8示意性地示出基于集成光子OPA的扁平光终端1D的第二变型。在该配置中，多个天线元件4D被集装在二维天线块6D中，每个天线块被连接到公共总线并且被耦合到块相关的相位调谐元件3D。天线块6D中的每个小到足以保持足够的空间相位分辨率，但又大到足以将用于波束操纵目的的功耗降低到可接受的水平。二维天线块6D在二维点阵上被平铺在一起。二维天线块6D中的每个可以被安装在机械倾斜台上，从而可以机械地调整每个二维天线块6D的天线元件4D，用于操纵波束方向。在这种情况下，操纵波束偏振可以通过旋转面板2D来实现，用于天线块6D的机械倾斜台被安装在面板2D上。机械倾斜台可以仅在一个方向中倾斜，也可以在天线块6D的平面中在两个相互正交的方向中倾斜。
在一些变型中，可以用扁平光学透镜覆盖二维天线块6D中的每个。扁平光学透镜提高了天线块6D中的每个天线块的天线元件4D的收集效率，从而可以进一步减少相位调谐元件3D的数量。扁平透镜可以单独覆盖在天线元件4D上，也可以覆盖在给定天线块6D内的天线元件4D的子集上或者覆盖在作为整体的天线块6D上。
图9示意性地示出基于集成光子OPA的扁平光终端1D的第三变型。光终端1D包括接收器部分8D，作为天线元件4D的外环，在面板2D中间同心地布置发射器部分7D周围。可以根据结合图7和图8示例性示出和解释的任何配置来布置图9中所示的终端1D的天线元件4D。对于接收器部分8D而言，一个或多个相位调谐元件10D可以经由一个或多个公共总线被耦合到天线元件4D(或天线元件4D的拼块和/或块)。类似地，对于发射器部分7D而言，一个或多个相位调谐元件9D可以经由一个或多个公共总线被耦合到天线元件4D(或天线元件4D的拼块和/或块)。
图10的变型类似于图9的变型，但是，发射器部分7D和接收器部分8D并非同心布置和嵌套的发射器和接收器部分，而是按照并排式几何结构彼此相邻地安装在面板2D上。
在图9和图10的两个终端1D中，发射器部分7D和接收器部分8D中的每个都可以相互独立地机械移动。例如，在图9的嵌套环几何结构中，两个环可以相互独立地旋转。接收器部分8D例如可以包括若干可操纵面板，用于天线元件4D的集装拼块中的每个。可操纵面板中的每个在方位角和天顶角中是可操纵的，从而可以实现相对于任何入射波束的0°入射角。在每个面板的顶部上，可以安装光栅耦合器来最有效地收集光线。天线元件4D可以是完全无源元件，从而不需要电子或光学波束操纵。可替选地，天线元件4D中的一部分或全部可以是有源纳米天线或者耦合到液晶调制器的液晶光栅堆叠。例如，可以用无源天线元件4D来实现接收器部分8D，用有源天线元件4D来实现发射器部分7D，从而控制光的出射波束的发射角度。
因为光束的传播方向在其空间相位中进行编码，所以以特定角度接收该光束需要将接收器的平面移向该角度或通过光学器件补偿光谱相位。原则上可以将局部可调相位掩模用于光终端，从而补偿由于入射光束的不同到达角引起的任何相位斜率和相位失真。图11示意性地示出在层堆叠中具有多个功能层的扁平光终端1E，每个功能层在光学补偿和波束处理方面实现不同的功能。图11所示终端1E可以采用天线元件4D的集装或平铺结构和图案，如结合图7至图10所述。
堆叠中功能层的功能例如可以包括粗略波束控制、精细波束控制、波前校正、波导耦合、调制和解调以及与底层电子器件的接口。图11示出这种层堆叠的可能示例性配置。图11中的终端1E示例性地用于具有已发射波前的预补偿的可操纵光束传输。对于具有入射波束方向控制和波前补偿的光束接收，可以使用类似的布局，其中堆叠中的功能顺序颠倒。
层5E用作例如基于OPA的扩展光源，例如结合图7和图8所示和所述的集装天线拼块5D或天线块6D。集装提供最佳的相位控制，同时牺牲对更精细波束操纵的控制。这种折衷是可以接受的，因为精细波束控制是通过堆叠序列中更高的层来实现的。根据期望工作电压和功耗要求的不同，可以采用诸如热、电光或压电相位调谐元件这样的相位调谐元件3D。
类似于图7和图8的配置，可以用扁平光学透镜(例如微透镜或者由扁平元透镜制成的牛顿望远镜)来覆盖每个二维天线块6D或天线拼块5D。扁平光学透镜提高了天线块6D或天线拼块5D中的每个的天线元件的收集效率，从而可以减少所需相位调谐元件3D的数量。扁平透镜可以单独覆盖在天线元件上，也可以覆盖在作为整体的给定天线块或拼块内的天线元件的子集上。
在层5E的顶部上，层4E使用液晶调制器或微机电元件(MEMS)阵列来实现精细波束操纵。MEMS快速运行，但是，它们在光学透射设置中运行更具挑战性。
在精细波束控制层4E的顶部上，通过用于粗略波束控制的偏振光栅来实现层3E。在扩展光源层5E下方可以提供层2E，层2E用于调制/解调并且可以耦合到外部电子器件。
光终端1E可以在同一终端上实现接收器和发射器装置，但是也可以形成两个单独的终端，用于光通信发射和接收系统的发射架构和接收器架构。
图12和图13分别通过侧面截面图示出用于光自由空间通信的自适应接收器1F的示例性配置。入射波束的接收端通常在图12和图13的视图左侧，在视图中，光束通常从左到右经过接收器1F。
光自由空间通信的主要挑战之一是可靠且有效地将经过通常动态传输介质的光线耦合到单模光纤或波导中，以进一步处理。以前的解决方案包括带有Shack-Hartmann传感器、象限二极管和可控镜的自适应光学器件。这种自适应光学器件被配置为感测入射波前的畸变并通过控制下游装置(例如液晶阵列或可变形镜)来补偿所感测的畸变。但是，这些解决方案体积庞大并且实施起来费钱。因此，本公开的解决方案意图将自适应光学器件的功能集成到集成光学芯片封装中。
接收器1F包括一般表示为7F的入口光学器件和一般表示为8F的波前组合器，波前组合器8F在下游耦合到入口光学器件7F。入口光学器件7F包括聚焦透镜系统，聚焦透镜系统包括将入射光投射到下游分束器4F的透镜2F和3F，下游分束器4F用于分离所接收的光和要发射的光。所接收的光从分束器引导到自适应透镜5F，即，可使用外部物理控制参数动态调整其形状的透镜。这些控制参数例如可以是控制电压、温度、磁场或电场、电润湿、介电常数或机械压力。自适应透镜5F的形状的动态调整例如可以通过一个或多个致动器(例如压电致动器、导电膜、相变材料、水凝胶或图案化电极)来进行。
自适应透镜5F及其形状可以通过一个或多个透镜控制装置10F、11F来控制。一个或多个镜头控制装置10F、11F通常可以被包括在透镜控制系统9F中。在自适应透镜5F的焦点处，布置集成光学芯片封装6F。芯片封装6F可以具有被多个倾斜感测多模波导16F围绕的中央多模输入波导13F。
虽然芯片封装6F的输入接口通常为矩形，但是芯片封装6F的输入接口的前视图的细节在图14中示意性地示出：中央多模输入波导13F的入口可以被倾斜感测多模波导16F的入口对称地包围。例如，芯片封装6F中可以包括六个或八个倾斜感测多模波导16F。但是，其他数量的多个倾斜感测多模波导16F同样是可能的。多个倾斜感测多模波导16F指向倾斜检测器的倾斜感测阵列15F。如果入射光束相对于中央多模输入波导13F的输入接口平面倾斜，则一部分入射光将耦合到倾斜感测多模波导16F中。通过感测到达倾斜感测阵列15F的光的幅度和幅度分布，例如通过胶合到芯片封装6F的后接口充当倾斜传感器的微透镜，可以使用第一透镜控制装置10F来控制自适应透镜，从而将到达倾斜感测阵列15F的光的幅度最小化，即，为了最佳耦合，在没有向中央多模输入波导13F的任何倾斜的情况下操纵入射光束。
由于传输介质中的扰动，对倾斜的校正可能仍然会使得点扩散函数(PSF)扩大。因此，中央多模输入波导13F向上扩展为多个单模或更少模的波导。在多模输入波导13F与多个单模或更少模波导的接口处，如果过渡区从多模波导到更少模波导相当平滑地变化，则光学损耗可以忽略不计。通过波导的光将跟随过渡，如果它足够平缓，也就是说，如果不同波导之间的转换发生在足够长的距离上。波导的任一端都可以充当输入和输出，即，波导系统是互易的。
在理想情况下，到中央多模输入波导13F的所有入射光将停留在同轴耦合到中央多模输入波导13F的中央单模或更少模波导中。但是，这只会发生在入射波前完全平坦的情况下，即，如果入射光完全处于基模。实际上，比基模更高的模式也将出现在入射波前中，因此一部分光也会耦合到不与中央多模输入波导13F同轴对准的单模或更少模波导中。
如图13的配置所示，所有单模或更少模波导将耦合到波前检测器14F的波前感测阵列——每个单模或更少模波导一个波前检测器——波前检测器14F测量通过多个单模或更少模波导中的单个波导携带的光的功率。这些测量产生有关入射波前模态结构的信息。
为了校正波前，可以将检测器14F的波前感测阵列耦合到第二透镜控制装置11F，第二透镜控制装置11F可用于控制自适应透镜，从而使得到达中央多模波导13F的光的波前变平，即，为了最佳耦合，在没有向中央多模输入波导13F的任何倾斜的情况下操纵入射光束。结合图13示出这种配置。
可替选地，可以为波前感测阵列配备相量17F，相量17F测量行进经过单模或更少模波导中的相应波导的波前的相对相位，如结合图12所示。相量17F可以是能够自行校正相位的有源控制装置，或者相量17F也可以是可以通过集成在下游通信信号检测器12F中的相量控制装置19F控制的无源装置。在后一种情况下，作为无源装置的相量17F将不能感测各个相位，但是感测将通过信号检测器12F内的检测器绑定的中央相位感测系统18F进行，信号检测器12F将感测结果提交给相量控制装置19F，用于控制相量17F，相量17F可以被实现为液晶相位调制器或其他电光组件。因为波前变化发生在高达1kHz的频率范围内，所以具有几GHz开关频率的电光组件将能够比大气波前变化的相干时间快得多地调整波前的更高模式的相位。这使得无传感器自适应光学组件的速度比基于可变形或可调节反射镜技术的传统自适应光学器件快得多。因此，重新组合的单模或更少模波导之间的相长干涉可以非常迅速地建立，而不会由于瞬态大气波前调制而损失通信链路。
通信信号检测器12F可以被形成在与集成光学器件相同的芯片上。为此，芯片封装6F可以与信号检测器12F一起被集成在芯片20F上的公共系统上。可替选地，可以在单独的芯片上或作为单独的芯片提供信号检测器12F。
类似地，分离的单模或更少模波导可以独立地和单独地指向信号检测器12F，以接收通信信号(参见图13)。可替选地，单模或更少模波导可以再次重新组合成单个波导，退出到信号检测器12F(参见图12)。重组部分可以被实现在与芯片封装6F不同类型的衬底上。例如，重组部分可以被实现为基于氮化硅的波导，而芯片封装6F可以采用二氧化硅中的3D激光写入波导。
接收侧上的自由空间光通信的主要问题是光纤中的功率闪烁，因为检测器通常无法处理所经历的60dB动态范围。如果需要最大强度，那么可以调整相量17F，使得来自所有光纤的光可以相干地聚集到一个单模光纤中。除了光学系统中的静态损耗之外，所有照射在孔径上的光都将耦合到指向通信信号检测器12F的最终单模光纤中。
然而，由于大气效应，照射到入口孔径上的光可能会发生很大变化，从而导致对于接收器1F而言通常难以处理的功率衰减和爆发。因此，可以将相量17F用于调整自适应耦合效率。因为大气效应与通信信号检测器12F和相量17F的速度相比而言更慢，所以可以将测量的功率反馈给相量17F，以相应地调整它们的耦合效率。作为示例，如果入射光的功率相对低，那么可以设置相量17F以获得高耦合效率；另一方面，如果入射光的功率相当较高，那么可以调整相量17F来降低耦合功率。
在以上详细描述中，在一个或多个示例中将各种特征组合在一起，以简化本公开。应当理解，以上描述旨在说明性而非限制性的。本公开意图涵盖所有替代、修改和等同物。通过阅读以上说明书，对于本领域技术人员而言，很多其他示例将显而易见。
选择和描述实施例的目的是最好地解释本发明的原理及其实际应用，从而使得本领域其他技术人员能够最好地利用本发明和具有适合于预期的特定用途的各种修改的各种实施例。在所附权利要求和整个说明书中，术语“including”和“in which”分别用作相应术语“comprising”和“wherein”的简单英语等同物。此外在本申请中，“a”或“one”并不排除复数。

Claims (10)

1.一种扁平光终端，包括：
多个功能层，所述多个功能层在层堆叠中，其中每个功能层在光学补偿和波束处理方面实现不同的功能，所述层堆叠包括：
第一层，所述第一层包括光学相位阵列；
第二层，所述第二层被堆叠在所述第一层的顶部上，包括液晶调制器或微机电元件的阵列；以及
第三层，所述第三层被堆叠在所述第二层的顶部上，包括偏振光栅。
2.根据权利要求1所述的扁平光终端，其中，所述层堆叠还包括：
调制/解调层，所述调制/解调层被耦合到所述第一层中的所述光学相位阵列。
3.根据权利要求1或2所述的扁平光终端，其中，所述光学相位阵列包括集装在一个或多个二维天线块中的多个天线元件。
4.根据权利要求3所述的扁平光终端，其中，所述天线块中的每个被连接到公共总线并且被耦合到块相关相位调谐元件。
5.根据权利要求1或2所述的扁平光终端，其中，所述光学相位阵列包括相互并联连接到公共总线的多排天线元件。
6.根据权利要求5所述的扁平光终端，其中，每个公共总线被配置为经由每公共总线的单相调谐元件被馈送。
7.根据权利要求1至6中的一项所述的扁平光终端，其中，所述多个天线元件被扁平光学透镜覆盖。
8.根据权利要求7所述的扁平光终端，其中，所述扁平光学透镜是微透镜或者由扁平元透镜制成的牛顿望远镜。
9.根据权利要求7或8所述的扁平光终端，其中，每个天线元件被单个扁平光学透镜覆盖。
10.根据权利要求7或8所述的扁平光终端，其中，多个天线元件的子集被共同的扁平光学透镜覆盖。
CN202080080255.7A 2019-12-13 2020-12-09 用于自由空间光通信的方法、系统和装置 Pending CN114731200A (zh)

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