CN1223116C - 一点到多点自由空间无线光通信系统 - Google Patents

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Abstract

本文公开一种自由空间无线光通信系统，该系统使用具有非球面反射镜的望远镜设计，如Ritchey-Chretien(RC)望远镜。RC望远镜的特征是一凹的主反射镜和一凸的副反射镜，每个都具有双曲线形状。由于公开的反射镜配置提供更大的焦平面，所以能用静止的或固定的反射镜设计，为发射器与接收器之间提供自动对准，进而降低制作成本。除别的优点以外，更大的焦平面允许把一n×n光纤阵列放在该RC光学望远镜的焦平面内，从而能用单个光学望远镜实现一点到多点的通信。发射望远镜的n×n光纤阵列的每一光纤，能够聚焦在无线光通信系统的不同的接收望远镜上。照此方式，n×n光纤阵列的每一光纤，在分开的路径上瞄准给定的接收望远镜发送光能量。同样，对多点到一点的通信系统，可以把n×n光纤阵列放在RC光接收望远镜的焦平面330内，n×n光纤阵列中每一光纤在分开的路径上从给定的发射望远镜接收光能量。还公开若干制作技术，使本发明的光学望远镜能以合理的成本制作，以便在无线光通信系统中推广该种光学望远镜。

Description

一点到多点自由空间无线光通信系统
技术领域
本发明涉及自由空间无线光通信领域，更具体说，是涉及自由空间无线光通信系统使用的改进的光学望远镜。
背景技术
在无线光通信系统中，光信号是在自由空间传播的。与射频(RF)通信系统相反，光学无线通信系统有极强的方向性。因此，在发射单元与接收单元之间，要求精确对准，这常常分别指发射与接收的望远镜。但是，无线光通信系统的高度方向本性有利于改善安全性，因为光信号只能沿发射光路截接。此外，政府没有规定频谱的光学部分。所以不像可以类比的射频(RF)无线通信系统，需要政府批准才能使光发射器望远镜和接收器望远镜工作。更重要的是，光学无线系统的带宽或载运信息的容量，远大于RF无线通信系统。
因为无线通信系统在发射器和接收器之间不要求物理连接，所以无线光通信系统也优于以光纤为基础的光通信系统。在城市环境下，在两幢建筑物间安装物理连接，如安装光纤，是困难的，特别是当两幢建筑物间被一街道、另一幢建筑物、或一水体分隔时。无线光链路只要求在发射器与接收器之间一条无阻挡的路径，在城市环境下，无线光链路通常比物理链路更易得到。
图1画出常规的无线光系统100。如图1所示，常规的无线光系统100通常包括一发射望远镜110，用于形成瞄准接收望远镜120的发射光束115。通常，待发射的光信号从一半导体激光器始发，之后可能被光放大器放大。激光器的发射面(或激光耦合进的光纤)位于发射望远镜110的前焦面。通常用位于接收望远镜120焦平面的光检测器(或与光检测器连接的光纤)收集接收的信号。关于常规的无线光系统100更详细的论述，如见P.F.Szajowski，“Key Elements of High-Speed WDMTerrestrial Free-Space Optical Communications Systems，”SPIE PaperNo.3932-01，Photonics West(Jan.2000)，本文引用，供参考。
在许多无线光系统中，需要用单个发射望远镜与许多接收望远镜通信(常被称为“一点到多点”通信)，或用单个接收望远镜接收许多发射望远镜的信号(“多点到一点”通信)。但是，用常规的无线光系统，一点到多点的通信通常要求对每一光路用一专用的发射和接收望远镜。例如见PCT Application Serial Nos.PCT/US99/14710和PCT/US99/15973。因此，有必要使一点到多点的通信系统能用单个发射望远镜与许多分布的接收望远镜通信。
发明内容
一般说，相对于常规的设计，本文公开一种满足上述改善带宽、链路距离、和可靠性等目标的自由空间无线光通信系统。公开的自由空间无线光通信系统，使用具有非球面反射镜的望远镜设计，如Ritchey-Chretien(里奇-克瑞欣，缩写为RC)望远镜。RC望远镜的特征是一凹的主反射镜和一凸的副反射镜，每个都具有双曲线形状。
本发明提供一种反射镜配置，能使该主和副反射镜的位置比常规设计更紧靠一起，从而能实现一种非常紧凑的系统。本文公开的反射镜不用厚的大块玻璃制成。因此，这些反射镜薄且轻，为一种轻的望远镜单元创造条件。此外，由于本发明提供更大的焦平面，所以能用静止的或固定的反射镜设计，为发射器与接收器之间提供自动对准，进而降低制作成本。还有，这些反射镜能制作成大的直径，由于光束能量分布在大的面积上，能使高强度的光束以对眼睛安全的级别发射。
除别的优点以外，更大的焦平面允许把一n×n光纤阵列放在该RC光学望远镜的焦平面内，从而能用单个光学望远镜实现一点到多点的通信。发射望远镜的n×n光纤阵列的每一光纤，能够聚焦在无线光通信系统的不同的接收望远镜上。照此方式，n×n光纤阵列的每一光纤，在分开的路径上瞄准给定的接收望远镜发送光能量。同样，对多点到一点的通信系统，可以把n×n光纤阵列放在RC光接收望远镜的焦平面330内，n×n光纤阵列中每一光纤在分开的路径上从给定的发射望远镜接收光能量。
根据本发明一方面，提供一种无线通信系统，包括至少一个Ritchey-Chretien(RC)光学望远镜，其中至少包括两根光纤的光纤阵列置于所述RC光学望远镜的焦平面上，每一根所述光纤都与一个不同的远程望远镜光通信。
根据本发明一方面，提供一种无线通信系统，包括至少一个具有一非球面反射镜的光学望远镜，其中，至少包括两根光纤的光纤阵列置于所述光学望远镜的焦平面上，每一根所述光纤都与一个不同的远程望远镜光通信。
根据本发明一方面，提供一种用于无线通信链路的Ritchey-Chretien(RC)光学望远镜，包括：一凹的非球面主反射镜；一凸的非球面副反射镜；和一接收单元，包括位于所述副反射镜焦平面上的至少有两根光纤的阵列，每一根所述光纤都与一个不同的远程望远镜光通信。
根据本发明一方面，提供一种用于无线通信链路的Ritchey-Chretien(RC)光学望远镜，包括：一凹的非球面主反射镜；一凸的非球面副反射镜；和一发射单元，包括位于所述副反射焦平面上的至少有两根光纤的阵列，每一根所述光纤都与一个不同的远程望远镜光通信。
根据本发明一方面，提供一种用于在多点到一点的自由空间无线通信系统中接收光信号的方法，包括步骤：用一非球面主反射镜捕获所述光信号；用一非球面副反射镜反射所述捕获的光信号；和用所述非球面副反射镜，将所述捕获的光信呈重定向至位于所述非球面副反射镜的焦平面上的至少有两个光检测器的光检测器阵列内的一个光检测器上，每一根所述光纤都与一个不同的远程望远镜光通信。
根据本发明一方面，提供一种用于在一点到多点的自由空间无线通信系统的发射望远镜中发射光信号的方法，包括步骤：从位于所述发射望远镜的焦平面上的至少有两个激光器的激光器阵列内的一个半导体激光器发射所述光信号，每一个所述激光器都与一个不同的远程望远镜光通信；用一非球面副反射镜捕获所述光信号；用所述非球面副反射镜，将所述捕获的光信号重定向至一非球面主反射镜；和用所述非球面主反射镜，将所述捕获的光信号反射到自由空间内。
本文还公开若干制作技术，使本发明的光学望远镜能以合理的成本制作，以便在无线光通信系统中推广该种光学望远镜。
参考下面详细的说明和附图，可以对本发明并对本发明的性能和优点获得更完整的了解。
附图说明
图1是常规无线光通信系统的方框图；
图2按照本发明，画出可以用于图1所示无线光通信系统的Ritchey-Chretien(RC)光学望远镜；
图3按照本发明，画出一种一点到多点的通信系统；和
图4画出图3的n×n光纤阵列的端视图。
具体实施方式
本发明给出用于无线光通信系统的改进的光学望远镜，该种光学望远镜相对于常规设计，能满足上述改善带宽、链路距离、和可靠性等目标。按照本发明的一种特征，是在无线光通信系统中使用Ritchey-Chretien(RC)望远镜，该种望远镜还要结合图2进一步论述。以前，RC望远镜只用在大型天文望远镜上，包括Hubble SpaceTelescope(哈勃太空望远镜)。关于RC望远镜的一般应用和参数的详细论述，例如见Daniel J.Shroeder，Astronomical Optics，94-109(Academic Press，1987)，本文引用，供参考。一般说，RC望远镜的特征是一凹的主反射镜和一凸的副反射镜，每个都具有双曲线形状。
图2按照本发明，画出一种RC光学望远镜200。如图2所示，光学望远镜200包括一凹的主反射镜210和一凸的副反射镜220，每个都具有双曲线形状。下面还要论述，本发明提供的主反射镜210和副反射镜220的配置，要能使反射镜210、220的位置比常规设计更紧靠一起。主反射镜210把接收的光信号240-1反射至副反射镜220，后者接着再引导接收的光信号240-2，通过一般在主反射镜210中心的小孔250，到达位于焦平面230的光检测器225-R，供收集并处理。本领域熟练人员易风，焦平面230也可以位于主反射镜210的前方。虽然图上画出的是单根同轴光线，实际上接收的光信号240是锥形会聚光束，射向光检测器225-R所在的焦点。
本发明的RC光学望远镜200还有的特征是反射镜210、220的圆锥常数。具体说，虽然现有技术的望远镜的特征是，反射镜具有0(球面反射镜)和-1(抛物面反射镜)的圆锥常数，而本发明考虑用具有圆锥常数小于-1的双曲面和非球面反射镜210、220。按照本发明的一个示例性RC光学望远镜200的精确规格，下面在标题为“双曲型反射镜规格”的一段中说明。
一般说，本发明的双曲型反射镜在制作时，比通常用于无线光通信系统的球面反射镜或透镜更为复杂和昂贵。因此，如在下面标题为“双曲型反射镜制作技术”一段中所述，本发明的另一个特征，是提供若干种技术，使本发明的光学望远镜能以合理的成本制作，以便在无线光通信系统中推广该种光学望远镜。
按照本发明的再一个特征，本发明的RC望远镜，比常规的把接收信号聚焦在一理想点的Newton型设计有更大的视场230。颇为不同的是，本发明的双曲型反射镜设计给出大的焦平面或收集面积230(约一平方厘米的量级)，以捕获接收的信号240。虽然图2的示例性光学望远镜200只按接收模式画出，但本领域熟练人员易见，该光学望远镜200同样可以配置成发射或双向模式。
在发射模式，待发送的光信号从半导体激光器发射。因此，激光器的发射面(或激光耦合进的发射光纤225-T)位于发射望远镜200的焦平面230。用位于接收望远镜200焦平面230上的光电探测器(或与光电探测器连接的接收光纤225-R)收集接收的信号240。因此，发射和接收光纤225-T、225-R都位于望远镜200的视场230内，如图2所示。
按照本发明画在图3的另一个特征，通过把n×n光纤阵列350放在RC光学望远镜300的焦平面330内，可以获得一点到多点的通信系统。n×n光纤阵列350的每一光纤，聚焦在无线光通信系统内的不同的接收望远镜上。照此方式，n×n光纤阵列350的每一光纤，在分开的路径上瞄准给定的接收望远镜发送光能量。同样，对多点到一点的通信系统，可以把n×n光纤阵列350放在RC光接收望远镜300的焦平面330内，n×n光纤阵列350中每一光纤在分开的路径上从给定的发射望远镜接收光能量。
应当指出，不一定把光束聚焦在光电探测器或光纤上，可以在主反射镜210的开孔250中采用场透镜式的附加光学部件，把准直的光束送出主反射镜210的开孔250，供另外的处理。然后再用一会聚透镜把光束聚焦在光电探测器上，或聚焦进光纤中。
图4画出图3的n×n光纤阵列350的端视图。如图4所示，图上的n×n光纤阵列350包括n行和n列光纤4101-1至410n-n。
                 双曲型反射镜的制作技术
前面已经指出，本发明的双曲型反射镜的制作，一般比用于通常的无线光通信系统的球面反射镜昂贵。因此按照本发明的另一特征，这里公开若干制作技术，使本发明的RC光学望远镜能以合理的成本制作。
按照第一种制作技术，本文称为“电成形金属反射镜制作技术”，用“反型金属或玻璃母模”，如一个型芯，淀积金属的合金材料，如镍或金，在型芯表面生长反射镜。该型芯准备反复使用且可用例如不锈钢或玻璃制作。该电成形反射镜可以从意大利的Media Lario S.r.I订制。关于Media Lario及其电成形反射镜产品的信息，见http：//www.media-lario.it/eng/index.htm，本文引用，供参考。
按照第二种制作技术，本文称为“金刚钻车削反射镜制作技术”，用计算机产生需要的反射镜形状描述，然后用车床加工金属的型材，如不锈钢，产生所需形状的反射镜。关于金刚钻车削技术的一般论述，例如见Theodore T.Saito，“Diamond Turning of Optics：The Past，thePresent，and the Exciting Future，”Optical Engineering，Volume 17，Number 6，570-73(1978)，本文引用，供参考。
按照又一种制作技术，本文称为“铸造制作技术”，用熟知的铸造技术制造双曲型反射镜，就像Ball Aerospace & Technologies Corp.ofBoulder，CO所采用那样。
                      双曲型反射镜规格
在一个特殊的实施例中，主反射镜210的直径是20cm并有以25cm的曲率半径和-1.034的圆锥常数定义的非球面或双曲线形状。类似地，副反射镜220的直径是4.4cm并有以6.6cm的曲率半径和-3.14的圆锥常数定义的非球面或双曲线形状。在本示例性实施例中，主和副反射镜210、220的每一个都镀膜，以便在1.5微米的波长上提供高的反射率。主和副反射镜210、220的间隔约10cm的量级。
在另一个实施例中，主反射镜210的直径是20cm并有以315.8mm的曲率半径和-1.0667的圆锥常数定义的非球面或双曲线形状。类似地，副反射镜220的直径是50.2mm并有以110.8mm的曲率半径和-4.573的圆锥常数定义的非球面或双曲线形状。在该实施例中，主和副反射镜210、220的每一个都镀膜，以便在1.5微米的波长上提供高的反射率。主和副反射镜210、220的间隔是12cm。
在又一个实施例中，主反射镜210的直径是20cm并有以15cm的曲率半径和-1.0097的圆锥常数定义的非球面或双曲线形状。类似地，副反射镜220的直径是2.9cm并有以2.3cm的曲率半径和-1.947的圆锥常数定义的非球面或双曲线形状。在该实施例中，主和副反射镜210、220的每一个都镀膜，以便在1.5微米的波长上提供高的反射率。主和副反射镜210、220的间隔是6.5cm。
                     双曲型反射镜特征
本发明的双曲型反射镜设计，比常规的球面设计有许多优点。正如已经指出的，该双曲型反射镜能用若干已说明的制作技术，以相对低的成本制作。此外，由于本发明提供更大的焦平面，所以能用静止的或固定的反射镜设计，为发射器与接收器之间提供自动对准，进而降低制作成本。还有，更大的焦平面允许把一n×n光纤阵列350放在该RC光学望远镜300的焦平面330内，如图3所示，从而能用单个光学望远镜300实现一点到多点的通信。
此外，本发明的双曲型反射镜设计，能使该主和副反射镜210、220的位置比常规设计更紧靠一起，从而为一种非常紧凑的系统创造条件。虽然特定的反射镜距离将随圆锥常数变化，但上述示例性规格给出反射镜间的距离只有5-10cm。
由于反射镜不是由厚的大块玻璃制成，这些反射镜能够薄且轻，能实现轻的单元。这些反射镜能制作成大的直径，由于光束能量分布在大的面积上，能使高强度的光束以对眼睛安全的级别发射。例如，一20cm的望远镜能以1瓦量级在波长1.5微米上安全地发射。
应当指出，本文举出并说明的各实施例和变化，仅为说明本发明的原理，因而本领域熟练人员在不偏离本发明的范围和精神下，可以实施各种改变。

Claims (22)

1.一种无线通信系统，包括至少一个Ritchey-Chretien(RC)光学望远镜，其中至少包括两根光纤的光纤阵列置于所述RC光学望远镜的焦平面上，每一根所述光纤都与一个不同的远程望远镜光通信。
2.按照权利要求1的无线通信系统，其中所述光纤阵列中的每一根光纤聚焦在不同的接收望远镜上。
3.按照权利要求1的无线通信系统，其中所述光纤阵列中的每一根光纤聚焦在不同的发射望远镜上。
4.按照权利要求1的无线通信系统，其中所述光纤阵列是一n×n阵列。
5.按照权利要求1的无线通信系统，其中所述光纤阵列中的每一根光纤能够独立地改变位置，以保持与对应的远程望远镜对准。
6.一种无线通信系统，包括至少一个具有一非球面反射镜的光学望远镜，其中，至少包括两根光纤的光纤阵列置于所述光学望远镜的焦平面上，每一根所述光纤都与一个不同的远程望远镜光通信。
7.按照权利要求6的无线通信系统，其中所述光纤阵列中的每一根光纤聚焦在不同的接收望远镜上。
8.按照权利要求6的无线通信系统，其中所述光纤阵列中的每一根光纤聚焦在不同的发射望远镜上。
9.按照权利要求6的无线通信系统，其中所述光纤阵列是一n×n阵列。
10.按照权利要求6的无线通信系统，其中所述光纤阵列中的每一根光纤能够独立地改变位置，以保持与对应的远程望远镜对准。
11.一种用于无线通信链路的Ritchey-Chretien(RC)光学望远镜，包括：
一凹的非球面主反射镜；
一凸的非球面副反射镜；和
一接收单元，包括位于所述副反射镜焦平面上的至少有两根光纤的阵列，每一根所述光纤都与一个不同的远程望远镜光通信。
12.按照权利要求11的RC光学望远镜，其中所述RC光学望远镜包括至少两个双面型反射镜。
13.按照权利要求11的RC光学望远镜，还包括一场透镜。
14.按照权利要求11的RC光学望远镜，其中所述两个非球面反射镜是固定的。
15.按照权利要求11的RC光学望远镜，其中所述光纤阵列可以在所述RC光学望远镜的所述焦平面内改变位置。
16.一种用于无线通信链路的Ritchey-Chretien(RC)光学望远镜，包括：
一凹的非球面主反射镜；
一凸的非球面副反射镜；和
一发射单元，包括位于所述副反射镜焦平面上的至少有两根光纤的阵列，每一根所述光纤都与一个不同的远程望远镜光通信。
17.按照权利要求16的RC光学望远镜，其中所述RC光学望远镜包括至少两个双曲型反射镜。
18.按照权利要求16的RC光学望远镜，还包括一场透镜。
19.按照权利要求16的RC光学望远镜，其中所述两个非球面反射镜是固定的。
20.按照权利要求16的RC光学望远镜，其中所述光纤阵列可以在所述RC光学望远镜的所述焦平面内改变位置。
21.一种用于在多点到一点的自由空间无线通信系统中接收光信号的方法，包括步骤：
用一非球面主反射镜捕获所述光信号；
用一非球面副反射镜反射所述捕获的光信号；和
用所述非球面副反射镜，将所述捕获的光信呈重定向至位于所述非球面副反射镜的焦平面上的至少有两个光检测器的光检测器阵列内的一个光检测器上，每一根所述光纤都与一个不同的远程望远镜光通信。
22.一种用于在一点到多点的自由空间无线通信系统的发射望远镜中发射光信号的方法，包括步骤：
从位于所述发射望远镜的焦平面上的至少有两个激光器的激光器阵列内的一个半导体激光器发射所述光信号，每一个所述激光器都与一个不同的远程望远镜光通信；
用一非球面副反射镜捕获所述光信号；
用所述非球面副反射镜，将所述捕获的光信号重定向至一非球面主反射镜；和
用所述非球面主反射镜，将所述捕获的光信号反射到自由空间内。
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