CN1268075C - 用于波长调制自由空间光学通讯的系统和方法 - Google Patents

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Abstract

提供一种用于自由空间光学通讯的系统与方法，其中信息被编码在至少两个离散光学载波信号上。该系统包括一发射器及一接收器，该发射器被组配成以将信息编码成为至少两个光学载波信号，该接收器被组配成以接收及解码来自于该至少两个光学载波信号的信息。

Description

用于波长调制自由空间光学通讯的系统和方法
发明背景
(1)发明领域
本发明一般涉及光学通讯，更特别地，涉及高频宽、无线光学通讯。
(2)背景信息
互联网多媒体应用，如互联网视频会议与可下载的数字视频，的到来已实质地增加了通讯频宽需求。其结果为，对以光纤为基础的通讯，特别是密集的波分复用(DWDM)技术的兴趣近年来已显著地增加(见，例如Cook等人的美国专利第6,043,914号，其完全被纳于此处作为参考)。虽然与常规的铜线技术相比较，光纤通讯提供极大增加的频宽，但通过使用光纤所能得到的频宽一般被视为还不够大，还不足以满足下一代视频应用所需要的所计划的频宽需求。光纤通讯可达成的频宽倾向于由狭窄的波长频带所限制，其中光纤具有可接受的低衰减与/或色散。在典型的商用光纤中，有两个相当窄的波长窗口(即频带)，一个大约以1320nm为中心，另一个大约以1550nm为中心，在波长窗口处光纤材料在其提供最小的衰减。甚至用先进的DWDM技术，可达成的数据信道数目及因而可达成的频宽是相当低的。进而言之，光纤技术倾向于是不利的，在于它需要相当昂贵且耗时的光纤网络的安装。
无线(亦称为无光纤)光学通讯可对上述的光纤的限制提供一种可能的解决方案。在射频(RF)范围的无线通讯为是相当方便且便宜的，但由于RF放射的频率低而具有有限的频宽。此外，无线通讯(典型地使用微波放射)在卫星通讯(卫星对卫星与卫星对地球)中是相当熟知的。最近，对研制更宽的频宽、无光纤通讯的系统已有极大的兴趣。
例如，Terabeam Network，Inc.(华盛顿州(WA)西雅图(Seattle)第七大道2300号)、Airfiber，Inc.(CA州San Diego，Via Esprillo16510)、LightpointeCommunications，Inc.(CA州San Diego，BarnesCanyon路10140号)及Oraccess，Inc.(以色列Briei Brak 51429，Shmidmann大街17号)对相当熟知的“最后一里的瓶颈问题(last-mile bottleneck)”提供一种“自由空间光学(FSO)”、无光纤的解决方案至用户的所在地(premise)。然而，这些商用系统典型地移植标准的基于光纤的技术至FSO内从而易于受限于光纤频宽的约束。例如，Terabeam Network提供一种在大约1550nm波长作业的1Gbit/秒FSO系统。同样地，Durant等人在美国专利第6,216,212号(其完全被纳于此处作为参考)揭示一种可在1550nm附近的相当窄的波长范围内作业的自由空间波分复用系统。
除了在相当窄的波长范围内作业外，上面参考的技术亦具有潜在的缺点，在于其依赖于标准的振幅调制(AM)编码技术。其结果为，这些技术对气候状况的变化(如风、雾、雨或雪)非常敏感，气候状况的变化导致光学强度变化从而可能造成资料漏失甚或资料中断。例如，在数字光学通讯中，具有相当高强度的光线通常对应于逻辑的“1”，而具有相当低强度的光线通常对应于逻辑的“0”。如果是光线强度不够高以致于不能登录逻辑“1”的话，或如果背景“杂讯”强到足以遮蔽逻辑“0”而错误地登录“1”的话，光学强度变化(如，由大气变化造成的)可能导致资料漏失(如，遗失或错误的位元)。
因此，需要一种克服前述难题至少之一的改良的无光纤光学通讯系统与方法。
发明概述
在一方面，本发明包括一种自由空间光学通讯系统，该系统包括一发射器，该发射器被组配成以在自由空间上对信息进行编码及传输使之成为至少两个离散的光学载波信号。一接收器被组配成以对来自该离散光学载波信号的信息进行接收及解码。在一变型中，此方面的系统通过以第一载波波长传输高振幅光学脉冲来传送逻辑“1”，及以第二载波波长传输高振幅光学脉冲来传送逻辑“0”。
在另一方面，本发明包括以一波长调制光学通讯为基础的无光纤光学通讯系统。此系统包括多个发射器及多个接收器，其中，每一个发射器被组配成以将信息编码成为至少两个离散的光学载波信号，每一个接收器被组配成以对来自于至少该两个离散光学载波信号的信息进行接收及解码。该系统进一步包括多个用户端口，多个集线器，以及多个中继器，其中，每一个用户端口包括多个接收器中的至少一个，每一个集线器被组配成用于传输及接收至少两个用户端口的数据，每一个中继器被组配成以接收、放大光学信号及为光学信号选定路线发送至由其他中继器、集线器和用户端口组成的组的成员的至少之一。
在再另一方面，本发明包括一用于信息的自由空间通讯的方法。该方法包括(i)将信息编码成为至少两个离散光学载波信号；(ii)传输该信息；(iii)接收该信息；以及(iv)对来自于该至少两个离散载波波长的信息进行解码。在此层面的一变更中，该方法进一步包括将该至少两个光学载波信号多路复用成为一单一波束及将该单一波束分离成为多个信号，每一个信号对应于一个离散载波信号。
附图的简要说明
图1为依据本发明的原理用于波长调制光学通讯的系统的示意图；
图2为图示说明本发明的方法的一个实施例的光学强度相对于时间的典型曲线；
图3为图示说明图2的实施例的一变更的光学强度相对于波长的典型曲线；
图4为图示说明图2的实施例的另一变更的光学强度相对于波长的典型曲线；以及
图5为本发明的波长调制光学通讯网络的一个实施例的示意图。
详细说明
本发明涉及无线光学通讯用的新型系统与方法。本发明的一种示例性方法，此处称为波长调制光学通讯(WMOC)，包括对信息进行编码以在至少两个离散光学载波信号上被通讯，其中每一个载波信号包括一调制后的载波波长。参照图1，图示说明依据本发明的原理的系统20的一个实施例的总方块图。系统20包括一发射器22和一接收器24，该发射器22被组配成传输编码在至少两个离散光学载波信号上的信息，该接收器24被组配成接收及解码被传输的信息25a，25b。该被传输的光学信号25a，25b可包括两个或两个以上的波束(如，每一载波信号一个)或可包括一单一波束，其中包括被编码的信息的光学载波信号被多路复用。
本发明的优点在于其提供在宽的载波波长的频带内(典型地在从约300至约10,000nm的范围内)的极端高带宽的无线光学通讯。进而言之，本发明可使用常规的DWDM技术且可提供大量的宽频带数据传送信道(如100个以上)。再进而言之，本发明在如风、雾、雨与/或雪的不好大气状况下提供改良的稳定性与数据的可靠性。此外，本发明可提供高度安全的数据传输而且也可对相当熟知的最后一里的瓶颈问题(last-mile bottleneck)提供一种解决方案。又再进一步地说，本发明的优点在于其与常规的振幅调制光学通讯是可兼容的。
如上述者，本发明的方法包括对在至少两个离散光学载波信号上的信息进行编码，其中每一个载波信号包括一对部分的数据流(如位元流)进行编码的调制载波波长。这对照于常规的频移键控(FSK)光学通讯(见，例如Olsson等的美国专利第4,564,946号、Hooijmans的美国专利第4,984,297号)，其中信息通过频移一连续的且光学相干的光学信号而被传输。
现在参照图2，图示说明本发明的方法用于在WMOC中对信息进行编码的实施例30。图2是分别对于波长λi与λj在纵轴32i，32j上的光学强度及在横轴34i，34j上的时间的代表曲线。在实施例30中，一个波长λi编码为逻辑“1”，而另一波长λj编码为逻辑“0”。两个波长的组合典型地包括整体的数字信息。波长λi与λj典型地以两个平行的、同步波束被传输且在相互不同的两个探测器被接收。在接收该波束之际，光学信号被解码以产生一个二进位的数据流。在实施例30中，逻辑“0”在λi具有相当高的强度而λj具有相当低的强度时被接收。相反地，逻辑“1”在λi具有相当低的强度而λj具有相当高的强度时被接收。在要求高精度与高可靠性的应用中，其中高强度信号被要求登录逻辑“1”与逻辑“0”的上述方法的优点在于它可防止与遮蔽对应于“0”的常规的低(如，零)强度信号部分的背景杂讯有关的错误(如，在单侧频带通讯中)。本领域的普通技术人员将很容易认识到载波波长λi与λj可用传输装置被多路复用成一单一波束并用接收装置将其分离成为其多个单独的载波波长。此外，本领域的普通技术人员也认识到如常规的脉冲码调制(PCM)之类的基本上任何调制技术可被用以将数字信息编码成为载波波长λi与λj而不致偏离本发明的本质与范围。
如图3所示，其为振幅36对波长38的代表性曲线图，本发明的方法不限于使用红外线(IR)波长37(如，约1310nm或1550nm)，如上所述，红外线(IR)波长37被用于常规的光纤技术。取而代之的是，用于本发明的波长可在从300nm左右至10,000nm多的范围内。同样，如图3所示，该载波波长可以在量级上相当近似(如(λi-λj)/(λi+λj)＜0.2的λi与λj＝或可以在量级上有相当不同(如(λi-λj’)/(λi+λj’)＞1的λi与λj’)。例如，在一实施例中，第一与第二载波波长λi与λj间的差可小于100nm。在另一实施例中，第一与第二载波波长λi与λj’间的差可大于1000nm。
由于潜在的波长(即载波波长)范围相当大(如上述的300nm左右至10,000nm)，可以使用多个数据信道，其中每一个具有相当高的带宽(如，每个具有100千兆赫以上的带宽)。在此所用的“带宽”一词与其在字典里的常规定义一致，是指包含一信号的有用的频率成分的频带的频率界限之间的差。在常规的光学(或其他电磁波)通讯中，“信道”一词是指一载波波长附近的频带。如在此处所用的，针对本发明的层面而言，每一“数据信道”包括至少两个这样的信道或频带，即包括在每一离散载波波长附近的一信道或一频带。例如在本发明使用两个载波波长λi与λj的实施例中，在每一数据信道总计有200千兆赫的频宽时，该数据信道包括每一载波波长λi与λj附近的100千兆赫的频带。可用于自由空间的宽波长范围还提供有相当多的数据信道(甚至相当高带宽的数据信道)。所以，本发明的实施例可用于为兆位元/秒的通讯提供使用大量高带宽数据信道的无光纤光学通讯。例如，在一实施例中，一系统可包括至少32条数据信道，每一条具有至少200千兆赫的带宽，以提供总带宽为6.4兆兆赫以上的无光纤光学通讯，用于提供每秒兆位元的数据率。
进而言之，本发明可与常规的WDM或DWDM技术(或还要被研制的多路复用和/或解多路复用多技术)结合，以提供极端带宽和/或数据率通讯。发射器22可包括任何数目的相当熟知的多路复用元件(此处称为MUX)用于多路复用光学载波信号。接收器24可包括任何数目的相当熟知的解多路复用(此处称为DEMUX)用于解多路复用光学载波信号。多路复用与解多路复用在本领域中为相当熟知的，因而不在此处详细地讨论。在一实施例中，该至少两个离散光学载波信号(包括被编码的信息)可被多路复用成为一单一光学波束。在另一实施例中，包括多个数据信道(如上面所定义的)，发射器24可传输两个光束，其中每一数据信道用的第一光学载波信号(如，对于每一信道与逻辑“1”相对应于的那些光学载波信号)被多路复用成为一第一波束，而每一数据信道用的第二载波波长(如，对于每一信道与逻辑“0”相对应的载波波长)被多路复用成为一第二波束。在还有的包括多个数据信道的另一实施例中，发射器24可将这些信号多路复用成为一单一波束。
本发明进一步提供高度稳定的无光纤光学通讯，因为所使用的光学波长对如风、雾、雨、雪之类的不利的大气状况相当不敏感。此外，本发明的替选实施例可包括将该载波波长对切换(即，改变)为对特定大气状况较不敏感波长(如，该载波波长对可被切换为较长的波长)。例如，如图4所示，一旦不利的大气状况开始时或甚至在其预测开始，该载波波长就可从λi和λj被改变为λk，λ1。
进而言之，该载波波长对(λi与λj)可随机地被改变或遵循可编程的协议以提供增加的安全性。该协议可由嵌在数据流中的控制位元事先被确定或被实时地通讯至接收器24(图1)。本发明的方法实施例提供一种对潜在的安全缺口的解决方案，这一直是无线光学通讯的有史以来的一个非常重要的关切问题。可以理解的是，本领域的技术人员将很容易地想到用于改变载波波长对的很多方案。例如，如4图所示，载波波长对λi，λj与λk，λ1在量级上可相当地不同(即，(λk-λi)/(λk+λi)＞1)。载波波长对λi，λj与λk，λ1也可在量级上相当地近似(即，(λk-λi)/(λk+λi)＜0.5)。
再参照图1，本发明的系统20可包括多种类型的发射器装置22与接收器装置24中的任何一种。例如，发射器22可包括常规的波长调制器，该常规的波长调制器使用可调的激光器、可调的Fabry-Perot(法布里-泊罗)滤波器、可调的Mach-Zehnder滤波器、主动布拉格(Bragg)光栅波导、声光滤波器、或任何其他相当高速的波长调制装置，包括可能将来会被研制的对其提高或替选装置。接收器24可包括被动式装置，如干涉滤波器、DWDM干涉滤波器、广角几何(WAG)探测器，波长色散元件等。接收器24还可包括主动式装置，如Fabry-Perot滤波器、可转换的衍射光栅等。
现在转到图5，其显示基于WMOC的无光纤光学通讯网络的高级示意图。WMOC系统可包括一个点到点的链接或多个点到点链接(被显示成中继器54)以建立一个全国的(甚至是全球的)无光纤网络系统。中继器54可被用来从城市至城市传送WMOC数据。在每一大都市区域中，中继器54可用作一中心站，该中心站用于发送和/或接收来自数个集线器56的WMOC数据。每一集线器56反过来可发送和/或接收来自数个用户端口58(如，家、办公室和/或商业住所)的WMOC数据。此外，系统50可完全地或部分地与常规的陆地的和/或卫星微波通讯系统结合。
对上面所述的本发明的各个层面的修改仅是释例性的。可能理解的是，对该说明性实施例的其他修改对于本领域的普通技术人员来说是易于产生的。所有这类的修改与变更被认为是在由后附的权利要求书所限定的本发明的范围和本质内。

Claims (37)

1、一种自由空间光学通讯系统，包含
一发射器，被组配成以在自由空间上对在至少两个离散光学载波信号中的信息进行编码及传输；其中该发射器被组配成以将数字信息编码成为至少两个离散光学载波信号，该离散光学载波信号包括第一载波信号及第二载波信号；该第一载波信号包括对应于逻辑“1”的信息；以及该第二载波信号包括对应于逻辑“0”的信息；该发射器被进一步组配成以通过以第一载波波长传输正振幅光学脉冲来传递逻辑“1”及通过以第二载波波长传输正振幅光学脉冲来传递逻辑“0”；以及
一接收器，被组配成以对来自于所述至少两个离散光学载波信号的信息进行接收及解码。
2、如权利要求1所述的系统，其中该发射器被组配成以传输至少两个不同的光束，每一光束包含该离散光学载波信号中至少之一。
3、如权利要求2所述的系统，其中该接收器被组配成以接收至少两个不同的光束；每一光束包含该离散光学载波信号中至少之一。
4、如权利要求1所述的系统，其中该发射器包含至少一多路复用器以多路复用该光学信号。
5、如权利要求3所述的系统，其中该接收器包含至少一解多路复用器以解多路复用该光学信号。
6、如权利要求1所述的系统，其中该至少两个离散光学载波信号中的每一个包含在300至10,000nm范围内的一载波波长。
7、如权利要求6所述的系统，其中该至少两个离散光学载波信号中的每一个包含在300至1,500nm范围内的一载波波长。
8、如权利要求6所述的系统，其中该至少两个离散光学载波信号中的每一个包含在1,500至10,000nm范围内的一载波波长。
9、如权利要求6所述的系统，其中该离散光学载波信号包含一第一载波波长与一第二载波波长，其中该第一载波波长与该第二载波波长间的差小于100nm。
10、如权利要求6所述的系统，其中该离散光学载波信号包含一第一载波波长与一第二载波波长，其中该第一载波波长与该第二载波波长间的差大于1,000nm。
11、如权利要求1所述的系统，其中该发射器被组配成以改变该至少两个离散光学载波信号中的每一个的载波波长。
12、如权利要求11所述的系统，其中该发射器被组配成以将该至少两个离散光学载波信号中的每一个的载波波长从在300至约1,500nm的范围内改变到在1,500至10,000nm的范围内。
13、如权利要求11所述的系统，其中该发射器被组配成以将该至少两个离散光学载波信号中的每一个的载波波长从在1,500至10,000nm的范围内改变到在300至1,500nm的范围内。
14、如权利要求11所述的系统，其中该发射器被组配成以随机的方式改变该至少两个离散光学载波信号中的每一个的载波波长。
15、如权利要求11所述的系统，其中该发射器被组配成以编程的方式改变该至少两个离散光学载波信号中的每一个的载波波长。
16、如权利要求11所述的系统，其中该发射器被组配成以将控制位元嵌入该离散光学载波信号中的至少一个，用于将将来载波波长的变化传递至该接收器。
17、如权利要求11所述的系统，其中该接收器被组配成对该控制位元进行解码及接收包括改变了的载波波长的被改变的光学载波信号。
18、如权利要求1所述的系统，其中该发射器包含由可调激光器、可调Fabry-Perot滤波器、可调Mach-Zehnder滤波器、主动式布拉格光栅波导及声光滤波器组成的一组中的一个成员。
19、如权利要求1所述的系统，其中该接收器包含由干涉滤波器、密集波分复用干涉滤波器、广角几何探测器、波长色散元件、Fabry-Perot滤波器与可开关衍射光栅组成的一组中的一个成员。
20、如权利要求1所述的系统，其中该发射器被组配成用多个数据信道来传输数据，其中该数据信道中的每一个具有该离散光学载波信号的第一与第二组。
21、如权利要求20所述的系统，其中该多个数据信道中的每一个包括一个大于200千兆赫的带宽。
22、如权利要求21所述的系统，包括至少32个数据信道并具有一个大于6.4兆兆赫兹的系统带宽。
23、如权利要求20所述的系统，其中该发射器被组配成以将该多个信道多路复用成为一单一波束。
24、如权利要求20所述的系统，其中该发射器被组配成以将对于每一个所述数据信道的所述载波信号的第一组多路复用成为一第一波束及将对于每一个所述数据信道的所述光学载波信号的第二组多路复用成为一第二波束。
25、一种以波长调制光学通讯为基础的无光纤光学通讯系统，包含：
多个发射器，每一个被组配成以将信息编码成为至少两个离散光学载波信号；其中所述发射器被组配成以将数字信息编码成为至少两个离散光学载波信号，该离散光学载波信号包括第一载波信号及第二载波信号；该第一载波信号包括对应于逻辑“1”的信息；以及该第二载波信号包括对应于逻辑“0”的信息；所述发射器被进一步组配成以通过以第一载波波长传输正振幅光学脉冲来传递逻辑“1”及通过以第二载波波长传输正振幅光学脉冲来传递逻辑“0”；
多个接收器，每一个被组配成以接收及解码来自于该至少两个离散光学载波信号的信息；
多个用户端口，每一个包括该多个接收器中的至少一个；以及
多个集线器，每一个被组配成用于用所述多个用户端口中的至少两个来传输及接收数据；以及
多个中继器，每一个被组配成以接收、放大光学信号及将其路由至由其他中继器、集线器和用户端口组成的组中的至少一个成员。
26、一种用于信息的自由空间通讯的方法，包含：
将信息编码成为至少两个离散光学载波信号，所述离散光学载波信号包括第一载波信号及第二载波信号；该第一载波信号包括对应于逻辑“1”的信息；以及该第二载波信号包括对应于逻辑“0”的信息；
通过以第一载波波长传输正振幅光学脉冲及通过以第二载波波长传输正振幅光学脉冲来传递逻辑“0”，传输所述编码的载波信号；
接收该编码后的载波信号；以及
对来自于该载波信号的信息进行解码。
27、如权利要求26所述的方法，进一步包含：
将该至少两个离散光学载波信号多路复用成为一单一波束；以及
将该单一波束解多路复用成为该离散光学载波信号。
28、如权利要求26所述的方法，进一步包含：
将多个数据信道多路复用成为一单一波束，每一个所述数据信道具有该离散光学载波信号的第一与第二组；以及，
将该单一波束解多路复用成为该离散光学载波信号的第一与第二组。
29、如权利要求26所述的方法，进一步包含：
将数个数据信道多路复用成为第一与第二波束，每一个所述的数据信道具有该离散光学载波信号的第一与第二组，该第一波束包括每一所述数据信道的第一光学载波信号，而该第二波束包括每一所述多个数据信道的第二光学载波信号。
将该第一与第二波束解多路复用成为该数据信道的第一与第二光学载波信号。
30、如权利要求27所述的方法，其中该多路复用及解多路复用包含密集波分复用。
31、如权利要求26所述的方法，其中该至少两个离散光学载波信号的每一个包含在300至10,000nm范围内的一载波波长。
32、如权利要求26所述的方法，进一步包含将该至少两个离散光学载波信号的每一个的载波波长改变成为另一波长。
33、如权利要求32所述的方法，其中第一对载波波长λi与λj被改变成为第二对载波波长λk与λl，其中(λk-λi)/(λk+λi)＜0.5。
34、如权利要求32所述的方法，其中第一对载波波长λi与λj被改变成为第二对载波波长λk与λl，其中(λk-λi)/(λk+λi)＞1。
35、如权利要求32所述的方法，其中该改变包含以随机方式进行的改变。
36、如权利要求32所述的方法，其中该改变包含以编程方式进行的改变。
37、如权利要求32所述的方法，其中该编码包含将控制位元嵌入信息中用于将载波波长的将来的改变传递至该接收器。
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