CN1224194C - 经直接调制中红外激光器的数据传输 - Google Patents

Abstract

一种光发射数据到远程接收机的过程，包括：接收输入数据信号流，和利用波形的直接调制方法调制中红外激光器，波形的顺序值反映该流中的数据信号。直接调制方法包括泵浦中红外激光器以产生高光功率电平和低光功率电平，它们反映不同的顺序值。该过程还包括从调制的中红外激光器经自由空间通信信道发射输出光到远程接收机。

Description

经直接调制中红外激光器的数据传输

技术领域

本发明涉及激光器调制和光数据传输。

背量技术

近年来，对于自由空间光数据传输(FSODT)的兴趣不断增强，因为FSODT在密集城市区域中的经济效益是很吸引人的。在这些区域，利用FSODT可以避免安装新的电缆或光纤。在城市区域安装电缆和光纤的费用是惊人的。取代电缆和光纤，FSODT利用自由空间进行通信，例如，大楼屋顶之间的大气层。然而，这种自由空间传输对于来自大气层条件的干扰是很敏感的，例如，雾，污染，和沉淀物。

常规的FSODT系统使用波长在1.55微米附近的近红外激光器，通过自由空间光发射数据。常规FSODT发射机的近红外激光器有连续波的输出，在自由空间传输到远程接收机之前，通过调制该输出引入数据。

这些常规的FSODT系统有几个限制。第一，该系统是基于近红外激光器，必须工作在有限的功率电平以确保眼安全。第二，近红外激光器产生光的波长可以是大气衰减(即，吸收和散射)足够高的波长而阻碍传输。例如，在恶劣的天气条件下，例如，雾，发射的波长往往被强烈地吸收。第三，常规的FSODT系统利用复杂的发射机，它包含激光器和该激光器输出端的调制器。这些复杂的发射机很难制成单片的器件，因此，制造这种单片器件的产量是很低的。

发明内容

本发明一个方面的特征是一种光发射数据到远程接收机的过程。该过程包括：接收输入数据信号流，和利用波形的直接调制方法调制中红外(mid-IR)激光器，波形的顺序值反映该流中的数据信号。中红外激光器激射的波长是在约3.5微米至约24微米的范围内。直接调制方法包括泵浦中红外激光器以产生高光功率电平和低光功率电平，它们反映不同的顺序值。该过程还包括从调制的中红外激光器经自由空间通信信道发射输出光到远程接收机。远程接收机把与高光功率电平和低光功率电平相关的发射光分别识别为“信号接通”状态和“信号关断”状态。

本发明另一个方面的特征是一种光发射机。光发射机包括：有光增益媒体的中红外激光器和电调制器，用于在调制间隔期间调制增益媒体的泵浦操作。调制器按照这样的方式调制泵浦操作，它反映相关的数据间隔中接收的数据信号值。调制器配置成使中红外激光器在与一种数据信号值相关的调制间隔中的一部分产生一种光功率电平，而在与那个数据信号值相关的调制间隔中的其余部分产生相对低的光功率电平。

附图说明

图1A表示接通激光器电源之后量子级联(QC)激光器输出功率中的瞬态漂移；

图1B表示相同QC激光器的输出功率如何响应于交变电压的泵浦；

图1C表示相同QC激光器的输出功率如何响应于高频(HF)交变电压的泵浦；

图2表示相同QC激光器的输出功率如何响应于电压的泵浦，该电压的幅度代表伪随机比特序列；

图3A表示利用直接调制中红外激光器的中红外光发射机；

图3B表示图3A发射机的一个实施例中调制器产生的调制波形；

图4表示基于图3A发射机的自由空间通信系统的一个实施例；

图5是利用直接调制QC激光器发射数据过程的流程图；和

图6表示基于图4通信系统的自由空间数据传输中接收的信号电平和噪声电平。

具体实施方式

量子级联(QC)激光器具有有利于自由空间光发射机的性质。例如，QC激光器是有高输出功率的中红外激光器。此处，中红外(mid-IR)激光器发射的波长是在约3.5微米至约20微米的范围内。

各个实施例利用这些QC激光器，它们发射的波长是在大气吸收很低的窗口内。一种低吸收窗口包括的波长是在约8微米至约13微米的范围内。另一种低吸收窗口包括的波长是在约3.5微米至约5微米的范围内，其中这些波长不是在位于约4.65微米的CO₂吸收峰值上。

QC激光器还可以在高频下被直接调制。此处，直接调制是指这样的调制，它在激光器有高输出功率电平的值与该激光器有低输出功率电平的值之间改变该激光器的泵浦。在这些高功率电平和低功率电平上，远程光接收机把该激光器分别识别为在信号接通状态和信号关断状态。在一些实施例中，高功率电平和低功率电平分别对应于激光器的发射状态和非发射状态。可以通过泵浦激光器的增益媒体产生这种接通/关断直接调制，其泵浦电流或光强所取的值是在持续受激发射的阈值之下和之上。在另一些实施例中，高功率电平和低功率电平对应于这样的状态，远程接收机识别它为激光器接通状态和激光器关断状态。当激光器与接收机之间的媒体产生足够固定的衰减时，使接收的光功率电平是在该接收机的阈值之下，导致激光器的关断状态。在这些实施例中，输出的激光器功率在低功率状态下就下降，因此，对于远处接收机来说该激光器似乎是关断的。

QC激光器可以利用直接调制方法进行调制。但是，QC激光器比常规的中红外和近红外激光器产生更多的热。增加产生的热量使直接调制更容易使QC激光器遭受温度诱发漂移。

图1A是曲线10，表示在激光器增益媒体两端第一次加了光激射阈值之上的电压时QC激光器的光输出功率。在时间T＝0，泵浦电压突然地从一个恒定值，例如，光激射阈值之下的值，改变到光激射阈值之上的另一个恒定值。给予响应，激光器的光输出功率在T＝0跳到最大值12，在长度为P的瞬变期间内衰减到较低的稳态值14。

在图1A中，激光器输出功率的瞬态特性来源于反转载流子数的变化。反转载流子数确定受激发射产生的光量，它在时间T＝0的激光器刚开始发射激光之后有一个最大值，而在大于该时间T之后有较低的值。反转载流子数的变化是由于长时间的光激射使激光器的增益媒体发热，从而改变反转载流子数目。

图1B是利用周期为P的方波泵浦电压直接调制时图1A中相同QC激光器的光输出功率曲线16。方波的最大电压和最小电压分别是在光激射阈值电压之上和之下。虽然该激光器的泵浦电压是方波，但是由于激光器增益媒体的发热，该激光器的输出功率不具有方波的形式。

此外，图1B中最大的光输出功率18低于图1A中最大的光输出功率12，因为调制频率太高而使激光器在光激射周期之间不能冷却。同样的道理，光激射周期内的最大光输出功率18与最小光输出功率20之间的差值，利用图1B所示方波电压泵浦时的差值小于利用图1A所示恒定泵浦电压泵浦时的差值。

图1C是相同QC激光器利用与图1B相同幅度和较短周期P/2的方波直接调制方法调制时的光输出功率22曲线。较短的调制周期降低了光激射时光输出功率24的最大值。类似地，光激射期间内光输出功率最大值24与光输出功率最小值26之差也是在响应于较短调制周期时较小。调制频率增大时最大光输出功率下降的趋势是与调制速率率增大时在光激射周期之间可以冷却激光器增益媒体的时间缩短有关。

图1A-1C表示QC激光器的光输出功率在高调制速率下如何随调制速率而变化。光输出功率还随调制数据序列的形式而变化。

图2是在长度为P′的间隔期间利用泵浦电压32的随机二进制序列调制的相同QC激光器的光输出功率曲线30。对于该序列的每个间隔，例如，泵浦电压的调制部分是20毫伏(mV)或0mV。在该序列的不同光激射间隔期间，激光器的光输出功率因激光器增益媒体的温度差别而不同。在特定的调制间隔期间，增益媒体的温度取决于较早间隔期间的调制电压值。在此之前有其他光激射间隔的序列的光激射间隔期间的增益媒体较热，因为以前产生的热量在此情况下还未耗散。较热的增益媒体在相同的泵浦电压下产生较低的光输出功率。例如，间隔34之前有两个光激射间隔，因此，间隔34是增益媒体较热的间隔。在较热间隔34中的光输出功率也比前两个间隔中的低。

图2表示采用随机的数字输入数据序列通过直接调制方法调制QC激光器产生光输出功率的不规则起伏。由于这种起伏，QC激光器的光输出功率可以偶尔下降到发射数据值的阈值电平以下，并引起远程接收机中的识别差错，例如，若与20mV泵浦电压调制部分相关的输出光功率的阈值是电平36，则接收机很可能错误地识别QC激光器在瞬态间隔34发射的数据值。

当发射机利用高频率和高功率电平的直接调制方法调制QC激光器时，光输出功率的变化更容易产生差错。为了在光发射机中无差错地直接调制QC激光器，必须控制光输出功率的变化，即，至少是在高数据速率和高输出功率的情况下。

图3A表示光发射机40的一个实施例，包括：QC激光器42和电调制器44。典型的QC激光器42是在U.S.专利No.6,055,254中描述，把它全部合并在此供参考。电调制器44利用直接调制方法经电流信号调制QC激光器42。该信号是加到电极46的两端，用于电泵浦该激光器的增益媒体48。

QC激光器42与冷却装置50还有热接触。冷却装置50在直接调制期间减少激光器增益媒体48中的温度变化。冷却装置50的冷却功率能够耗散调制时产生的热量，因此，增益媒体48中的温度变化保持在预选的范围内。在该预选的范围内，温度变化不会引起QC激光器42的光输出功率不可接受的变化。

可接受的温度变化范围取决于调制频率，数据类型，调制电流，和接收机灵敏度。在图1A-1C和图2中已描述与调制频率和数据类型的关系，它们与数据速率和瞬态周期的平均长度和方差有关，该数据在瞬态周期内引起光激射。与调制电流的关系涉及增益媒体48中的功率耗散与调制电流幅度的关系。与接收机灵敏度的关系涉及区分不同数据值的阈值光功率。若温度变化引起光传输功率电平在接收机识别它们为与不同数据值相关的功率范围之间徘徊，则这种温度变化就会产生差错。

图3A表示包含冷指49的冷却装置50的一个实施例。冷指49在位于容器52内的冷却剂媒体51与激光器42之间形成热接触。典型的冷却剂媒体51包括液氮和液态空气。冷指49以这样的速率调节从激光器42到冷却剂媒体51的热转移，该速率是足够地快以保持增益媒体48中的温度变化在可接受的范围内，因此，保持激光器42的光输出功率变化在可接受的范围内。

在另一些实施例中，冷却装置50使用与激光器42热接触的热电冷却器件，提供增益媒体48的冷却和维持温度变化在可接受的范围内。本领域专业人员知道热电冷却器件的构造和使用方法。

QC激光器42产生幅度调制的输出光束54。输出光束54被无源光学元件58通过自由空间引向接收机(未画出)。

图3B表示图3A中另一个实施例的调制器44产生的调制电压/电流波形，该波形反映二进制输入数据值的序列62，即，0和1。序列62的数据值有相等的时间周期。在时间间隔66中，调制器44产生低于光激射阈值电压64的泵浦电压/电流，它与数据值0相关。在与数据值1相关的时间间隔中的第一部分67，调制器44产生光激射阈值电压64之上的泵浦电压/电流。在与数据值1相关的时间间隔中的其余部分68，调制器44产生光激射阈值电压64之下的泵浦电压/电流。在典型的调制器44中，第一部分小于与一种数据值相关的总时间间隔的70％，50％，40％，30％，或10％。因此，这些实施例中调制器44在短于与引起光激射的特定数据值相关时间间隔的时间间隔内产生光激射。

通过限制光激射间隔的长度短于各个数据间隔，调制波形60减小了图3A中激光器42激射的总时间。减小光激射时间的长度就减小了增益媒体48中产生的热量，即，产生的热量与泵浦功率的时间积分有关。因此，调制波形60在数据序列的传输期间减小了激光器42中的温度变化和光输出功率变化。利用配置成产生如波形60的调制波形的调制器44，能够获得较高的数据速率和降低保持可接受光输出特性所需的冷却量，例如，对于某些这种调制波形，冷却装置50是不需要的。

利用图3A中冷却装置50进行冷却以及利用具有类似于图3B中波形60的泵浦电压/电流进行调制，使QC激光器42的温度在直接调制期间保持稳定。

图4表示光通信系统70，例如，在城市区域中提供FSODT的终端线路光通信系统。系统70包括：图3A-3B中的光发射机40和光接收机72。光发射机40包括：电调制器44，QC激光器42，冷却装置50，扩束光学元件76，目标光学元件58，和任选的可见光激光器74。接收机72包括：会聚光学元件78，红外强度检测器80和接收信号监测器82。监测器82电解码和利用QC激光器42发射的数据。

通信系统70包括在物理和电子建立期间起作用的光学器件。在光发射机40的物理建立期间，可见光激光器74产生可见的光束，它用于物理调整目标光学元件，因此，使输出光束84瞄准接收机72的会聚光学元件78。在电子建立期间，低频(LF)源86调制来自调制器44的泵浦电压/电流，接收机72中的锁相放大器88以LF源86的频率检测接收信号的调制。LF调制和相位匹配检测有助于在接收机72中设置电子校准。

调制器44包括：直流(DC)电压源92和高频(HP)调制器94，调制器94经偏置T形接头96耦合到输出终端98。DC电压源92提供恒定的泵浦电压，使QC激光器42保持在接近于光激射阈值的非激射状态，例如，光激射阈值之下的0.1伏至0.001伏。保持QC激光器42接近于该阈值，能够使用较小的AC电压，例如，0.1伏至0.001伏，引起QC激光器42在直接调制期间在激射状态与非激射状态之间转换。高频(HP)调制器94产生输出电压，其幅度反映发射机40接收的输入数字或模拟数据。来自HP调制器94的输出电压用于增加QC激光器42上的泵浦电压/电流到光激射阈值之上，用于响应某些类型的输入数据，例如，等于逻辑+1的数据值。偏置T形接头96电隔离DC电压源92和连接调制器44和QC激光器42的线路100上的信号。

图5是利用直接调制QC激光器，例如，图4中的激光器42，发射数据过程110的流程图。过程110包括：在调制器中，例如，图4中调制器44，接收输入模拟或数字数据流中的各个值(步骤112)。该调制器通过直接调制方法调制QC激光器(步骤114)。直接调制方法涉及利用电或光泵浦信号流泵浦激光器，其形式代表接收的信号流中对应的各个输入数据值。QC激光器经自由空间信道发射直接调制方法产生的光脉冲流到远程接收机，例如，接收机72(步骤116)。

直接调制方法包括调制泵浦高电平与低电平之间的激光器输出功率，远程接收机对这些高电平和低电平分别识别为发射机接通状态和发射机关断状态。在一些实施例中，发射机接通状态和发射机关断状态是QC激光器的激射状态和非激射状态。在另一些实施例中，发射机接通状态和发射机关断状态在远程接收机中产生的功率电平分别是在该接收机的检测阈值之上和之下。

再参照图4，通信系统70的各个实施例利用位于中红外波长范围的光传输波段通过自用空间发射数据。一些实施例利用QC激光器可用于宽范围的输出波长和利用激光器产生的光波长是在低的大气衰减窗口内。在这种窗口发射数据减少了大气吸收和/或诸如散射的各种大气条件造成的通信差错数目。

图6表示图4通信系统70的一个实施例中信号强度如何依赖于自用空间中红外传输的数据频率。噪声本底代表接收机72正确识别发射数字数据的阈值，它是用分贝(dB)表示的。各个数据点是用星号表示的。这些数据点说明信噪比随数据频率的增大而减小。然而，该数据说明，直接调制典型的QC激光器42能够发射速率为1吉赫(GHz)，2GHz，4GHz或更高的数字数据。

根据这个技术说明，附图，和本申请的权利要求书，本发明的其他实施例对于本领域专业人员是显而易见的。

Claims (10)

1.一种光发射数据到远程接收机的方法，包括：

接收输入数据信号流；

利用波形直接调制来调制中红外激光器，该波形的顺序值响应于该流中的数据信号，该直接调制包括响应于不同的顺序值而泵浦中红外激光器以产生激射状态和非激射状态；和

从调制的中红外激光器经自由空间通信信道发射输出光到远程接收机。

2.按照权利要求1的方法，其中该中红外激光器是量子级联激光器。

3.按照权利要求2的方法，其中利用直接调制来调制中红外激光器包括利用调制电流泵浦该激光器的增益区，该调制电流相继的各值响应于该流中的数据信号。

4.按照权利要求1的方法，其中利用直接调制的调制操作响应于有第一信号值的输入数据信号而泵浦中红外激光器到第一间隔期间的激射状态，并且响应于有第二信号值的输入数据信号而泵浦中红外激光器到第二间隔期间的非激射状态。

5.按照权利要求4的方法，其中第一间隔短于第二间隔。

6.一种光发射机，包括：

有光增益媒体的中红外激光器；和

调制器，被连接以在调制间隔期间按照这样的方式调制增益媒体的泵浦，该方式响应于在相关数据间隔中接收的数据信号值，调制器被配置成使中红外激光器在与一种数据信号值相关的部分调制间隔中产生一个激射态，而在与该一种数据信号值相关的其余调制间隔中产生一个非激射态。

7.按照权利要求6的光发射机，其中调制器配置成使中红外激光器，响应于与具有该一种数据信号值的间隔之一相关的数据信号，在比该数据间隔之一短的时间上发射激光。

8.按照权利要求6的光发射机，其中调制器在增益媒体的两端加上电压，以调制该媒体的泵浦。

9.按照权利要求6的光发射机，其中中红外激光器配置成产生光的波长至少为8微米，但不长于13微米。

10.按照权利要求6的光发射机，其中调制器把光学泵浦光加到增益媒体，以调制该增益媒体的泵浦。

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