CN1442002A - 光学自由空间信令系统 - Google Patents

Abstract

描述了一种具有一个光学装置的光学自由空间信令系统，该光学装置包括一个透镜和多个光学单元。在透镜和多个光学单元之间的路径上提供一个用来偏转光束的光束偏转器。该光束偏转器具有多个光束偏转单元，每个光束偏转单元与一个相应的光学单元相关联，能够偏转穿过透镜的主光线，使得该主光线垂直于相关的光学单元。该光学装置与向后发射系统具有特定的但不是唯一的关联性。

Description

光学自由空间信令系统

本发明涉及一种信令系统及其部件。特别是，本发明设计一种信令方法和装置，其中通过调制一个自由空间光束来传送数据。

这里全面参考了国际专利申请WO98/35328，该专利描述了一个利用自由空间光束的一点对多点的通信系统。尤其是，WO98/35328描述了一个系统，其中多个用户终端(例如，假设在一条街道中的相应房屋上)发射出指向一个局部分布节点(例如，假设一条街道的邮局)的未调制的光束。在该局部分布节点处，由一个调制器阵列的可独立驱动的相应调制器单元根据一个数据信号对每条入射的光束进行调制，并将其反射回发出该光束的用户终端。在该用户终端，检测调制的光束并重现数据信号。

在WO98/35328中所描述的系统的局部分布节点中，每个用户终端发出的光被位于一个远心透镜的后焦面的平面反射镜反射，以便将光线传播回发出光线的用户终端。通过使用远心透镜，每个用户终端发出的穿过该远心透镜的主光线(即穿过远心透镜的入射光瞳的中心的光线)是垂直入射到反射器的反射表面，因此，反射器沿其入射路径反射回入射光线。这样，反射器和远心透镜形成一个反向反射器。使用远心透镜的另一个优点是来自不同用户终端的光束是以相同的角度入射到相应的调制器单元上，不管用户终端位于远心透镜的视场内的什么位置。这样，对于来自所有用户终端的光束来讲，调制的效率(即调制深度)近似不变，而该效率通常取决于光束到达调制器单元的角度。

在WO98/35328中所描述的系统的用户终端中，一个激光二极管输出一束准直的光束，然后在由望远镜装置放大前，通过一个光束分光器来传输，从局部分布节点反射回来的调制光反向穿过望远镜装置，并且由光束分光器反射在一个光电二极管上。这种配置的一个问题是由激光二极管发射并通过光束分光器传输的光的一部分光被望远镜装置的光学表面反射回光束分光器，然后该望远镜装置将光反射在光电二极管上，当利用从局部分布节点反射回来的调制光束来恢复所传送的数据时，造成很大的本底水平，显著降低了信噪比，并可能导致光电二极管的饱和。

依照发明的一个方面，提供了一种包含一个透镜和多个光学元件的光学装置。光束偏转装置被放置在透镜和多个光学元件之间的光学路径上，来偏转穿过透镜的多个主光线，以便使它们在光学上与透镜的光轴平行。这样，透镜和光束偏转装置可以取代WO98/35328中描述的远心透镜装置。

依照发明的另一个方面，为包含一个光发射器和一个光检测器的自由空间反向反射信令系统提供了一个信令装置。为光发射器和光检测器提供独立的透镜系统，依靠发射的光束的扩散使光线穿过光检测器的透镜系统被检测。这样，就减少了离开透镜系统的元件并入射在光检测器上的发射光的反射。而且，可以依照一个光发射器和一个光检测器相关的不同需求来独立地优化透镜系统。

依照发明的一个进一步的方面，为一个包含一个光调制器和一个光检测器的自由空间的反向反射系统提供了一个信令装置。为光调制器和光检测器提供独立的透镜系统。这样，依照一个光调制器和一个光检测器相关的不同需求来独立地优化透镜系统。

下面将结合附图来描述本发明的示例实施方案，附图中：

图1是用来在一个中央分配系统和多个用户终端之间分配数据的一点对多点通信系统的示意图；

图2是形成图1显示的一部分数据分配系统的一个用户终端和相关用户设备的示意图；

图3显示了一个图2中说明的用户终端的透视图；

图4是显示形成图2中说明的部分用户终端的一个检测器的检测表面示意图；

图5是一个曲线图，说明为实现从用户设备传输到局部分布节点的上行链路数据的小信号调制而改变用户终端发射的激光束的功率的方法；

图6是一个可视图形的示意图，说明对从局部分布节点传输到用户设备的下行链路数据进行的小信号调制的效应；

图7是形成图1说明的数据分配系统部件的一个局部分布节点的示意图；

图8A是在没有对其电极施加直流偏压的第一运行模式时，形成图7中说明的局部分布节点部分的一个调制器阵列的一个调制器的剖面图；

图8A是在没有对其电极施加直流偏压的第二运行模式时，形成图7中说明的局部分布节点部分的一个调制器阵列中的一个调制器的剖面图；

图8B是在对其电极施加直流偏压的第二运行模式时，形成图7中说明的局部分布节点部件的一个调制器阵列中的一个调制器的剖面图；

图9是一个信号图，概要说明根据施加到象素电极上的偏压对入射到图8A和8B中显示的调制器上的光线进行调制的方法；

图10是一个形成图7中显示的局部分布节点部件的调制器阵列的一个表面的示意图；

图11概要显示了图7中说明的形成局部分布节点部件的楔形阵列和调制器阵列部分；

图12概要显示了一个搜索模式，用于将图2中显示的从用户终端发射的光束与图7中显示的局部分布节点对齐，来建立一个通信连接；

图13A概要显示了可取代图2中说明的用户终端的另外的关学组件节点；

图13B概要显示了可取代图7中说明的局部分布节点的另外的局部分布节点；

图14概要显示了用于图7中显示的局部分布节点的另外的楔形阵列和模块阵列部分；

图15概要显示了用于图1中说明的数据分布系统的一个另外的用户终端的主要元件；

图16概要显示了图15的一个放大部分。

图1示意地说明一个数据分配系统，该系统采用一点对多点的信令显示系统向多个用户终端传送数据和从多个用户终端接收数据。如图所示，该数据分配系统包括一个中央分配系统1，经由相应的光导纤维5a到5c将光学数据信号传送到多个局部分布节点3a-3c和从这些节点接收光学数据信号。

在局部分布节点3a处，从中央分配系统1接收的数据流被传送到相应的用户终端7a-7b，并且利用自由空间光链路11a-11d，即不是沿着光学纤维路径来引导光线的一个光链路，从用户终端7a-7b接收向中央分配系统1传送的数据。类似地，使用自由空间光链路11e-11h在局部分布节点3b和用户终端7e-7h之间传送数据，使用自由空间光链路11i到111在局部分布节点3c和用户终端7i-71之间传送数据。每一个用户终端7至少和一个用户装置(未示出)相连。在该实施方案中，用户装置包括一台电视机(未示出)，传送信道信息到中央分配系统1，并且在响应中接收相应的电视信号，和一个通过中央分配系统访问互联网的计算机系统(未示出)。

在该实施方案中，每一个用户终端7发射一个低发发散度、自由空间的光束，依照被传送到局部分布节点和在对应的局部分布节点3被定向的数据来调制该光束。每一个局部分布节点3具有多个调制单元(图1未示出)，用来调制和反射来自于相应的用户终端7的光束，以将数据从局部分布节点3传送到用户终端7。

图2更详细地说明了图1中显示的数据分配系统的用户终端7的主要元件。如图所示，用户终端7包括一个输出一个相干光束23的激光二极管。在该实施方案中，用户终端7被设计为，可以在一个99.9％的线路利用率下，在200米的范围内与和局部分布节点3通信。为此，激光二极管21应该是一个50mw的激光二极管，输出一个波长为850nm的激光束。

输出光束23穿过一个透镜25，以下被称为准直透镜25，减小光束23的发散角度，基本上形成一个低发发散度光束27。通过改变准直透镜25和光源21之间的距离，可以改变低发发散度光束的发散。然而，那些本领域技术人员将会意识到，由于在激光二极管的发射光阑处的衍射使得不能彻底准直该低发发散度光束27。在该实施方案中，准直透镜25是一个低像差透镜，使得低发发散度光束27有一个比较均匀的波前，该透镜具有50mm的直径和一个刚好大到足以全部收集激光二极管21发射的光的F值。

尽管光束27的发散度很低，但由局部分布节点3反射后入射在用户终端7上的光束29的尺寸比离开用户终端7的低发散度光27的尺寸大得多。在该实施方案中，如图3所示，接收的光束29的光束尺寸是很大的，足以包围一个透镜，以下称之为下行链路检测透镜31，该光束临近于准直透镜25。在该实施方案中，准直透镜25和下行链路检测透镜31的入口光瞳定位在相同的平面上。

返回到图2，在图中为了清楚起见，只显示了接收到的入射到下行链路检测透镜31的光束29的部分，下行链路检测透镜31接收到的光束29中的光线聚焦到检测器33上，在该实施方案中，该检测器是一个雪崩光电二极管。下行链路检测透镜31具有一个100mm的直径，但不要求它具有和准直透镜25一样的质量，因为它的主要目的仅仅是将尽可能多的光线引导到检测器33上。图4概要显示了检测器33的检测表面61和由聚焦接收光束29的光线的下行链路检测透镜31所形成的光斑63。在该实施方案中，检测表面61的直径是500μm，而光斑63的直径大约是50um。

检测器33把接收的光束转换成依照在局部分布节点3处提供的调制而变化的相应的电信号。该电信号被放大器35放大，然后被一个过滤器37过滤。被过滤的信号被输入到一个中央控制器39，该控制器完成一个常规的时钟恢复和数据重现操作，以再现来自于中心分配系统的数据。然后将重现的数据传送到一个与用户装置43相连的接口单元41。

接口单元41还从用户装置43接收数据并将接收的数据输入到中央控制器39，中央控制器39产生一个适当的信息，通过局部分布节点3传送到中央分配系统1。激光驱动器43调制由激光二极管21依照该信息输出的光束23。在该实施方案中，激光驱动器43向激光二极管21输出的光束23施加一个小信号调制。图5说明了这个调制并且显示了CW激光功率水平65和在其上施加的小信号调制。由于后向反射系统的不对称路径损失，可以使用小信号调制原理提供一个全“带宽”的上行链路信道。正如那些本领域技术人员将会意识到的，该上行链路调制数据将变成下行链路数据的一个附加噪声源。如图6中所示，图中显示了一个下行链路数据69的视图，包括干扰上行链路数据67和造成的减少噪声容限70的后果。然而，如果保持足够低的上行链路调制深度，那么上行链路和下行链路均能利用相等的带宽工作。在该实施方案中，上行链路调制深度大约是CW激光功率水平的3％。关于小信号调制的进一步细节，可以参阅本文全面参考的国际专利申请WO01/05071。

回到图2，中央控制单元39还连接到第一电机驱动器45a，为水平步进电机47提供驱动信号，将中央控制单元39连接到第二电机驱动器45b，为纵向步进电机49提供驱动信号。在该实施方案中，把激光二极管21，准直透镜25，检测器33，和下行链路检测透镜31安装在一起形成单一的光学装置51，而且水平步进电机47能够围绕一纵轴旋转光学装置51，使得准直光束27在一个水平平面内移动，纵向步进电机49能够围绕一横轴旋转光学装置51，使得准直光束27在一个垂直平面内移动。这样，可以改变发射光束的方向。

图7概要说明了局部分布节点3的主要元件。如图所示，局部分布节点3包括一个通信控制单元71，它接收沿着光纤5传输的用来传送来自中心分配系统的数据的光学信号，和根据接收的光学信号来重现被传送的数据。通信控制单元71根据输出到一个依次为调制器阵列75提供相应驱动信号的调制器驱动电路73的传送数据，来产生控制信号。在该实施方案中，调制器阵列75的调制器单元是由调制器驱动电路73独立寻址的，由调制器驱动电路73输出的驱动信号改变调制器单元的反射率。

在该实施方案中，调制器阵列75包括量子斯塔克效应(QCSE：Quantum Confined Stark)装置的一个二维平面集成阵列(有时也被称为自电光装置或SEEDS)。图8A概要说明了QCSE装置91的一个横截面。如图所示，QCSE装置91包括一个透明窗93，来自于适当的用户终端7的光束穿过该窗，其下面是基于砷化镓(GaAs)材料的三个层95-1，95-2，95-3。层95-1是一个P导电型层，层95-2是一个本征层，其上形成多个量子阱，层95-3是一个N导电型层。95的三个层共同形成一个p-i-n二极管。如图所示，P导电型层95-1与一个电极101相连，N导电型层95-3连接在一个接地端子103上。在N导电型层95-3下面设置一个反射层97，在该实施方案中为一个布拉格反射器，在反射层97下面设置一个基底层99。

运行中，来自用户终端7的光束穿过窗93进入到基于砷化镓的层95中。本征层95-2吸收的光的数量取决于加到电极101上的直流偏压。理想情况下，当电极101上没被施加直流偏压时，如图8A中说明的那样，光束穿过窗93，并在本征层95-2内被完全吸收。因此，当电极101上没被施加直流偏压时，没有光被反射回相应的用户终端7。另一方面，当在电极101上施加一个大约-5伏的直流偏压时，如图8B中说明的那样，来自于相应的用户终端7的光束穿过窗93和基于砷化镓的层95，并且被反射层97反射。所以，通过依照来自于调制器驱动电路73的驱动信号改变施加于电极101的偏压，QCSE调制器91的幅值调制接收的光束并将已调制的光束反射回用户终端7。

在理想情况下，如图9说明的那样，在电极101上施加一个不产生反射光的零偏压，来传送一个二进制0，在电极101上施加一个大约-5伏的直流偏压，使来自于用户终端7的光束从QCSE装置91反射回去，来传送一个二进制1。然而，典型情况下，当没有向电极101施加直流偏压时，QCSE调制器91将反射光束的70％，而当在电极101上施加一个大约-5伏的直流偏压时，将反射光束的95％。因此，实际中，当传输一个二进制0和传输一个二进制1时，在用户终端7上检测的光线数量之间相差大约25％。

可以通过增加附加的量子阱以增加本征层95-2的深度，来提高通过本征层95-2吸收的接收光束的数量。然而，如果增加本征层95-2的深度，则为了产生允许光线通过本征层95-2所需的穿过本征层95-2的电场，必须向电极101施加一个较高的电压。因此，要折中考虑本征层95-2的吸收率和施加于电极101的电压。

利用QCSE调制器91，可以实现各个调制器单元的调制率超过每秒一兆比特。

图10显示了该实施方案中使用的调制器阵列75的表面。如图所示，调制器阵列75是一个二维阵列，在Y方向设置有16个调制器元件91，在垂直于Y方向的X方向设置两个调制器元件91。那些本领域技术人员将会意识到，通过在X方向只有两个调制器，使调制器阵列75的结构大为简化，因为可以从阵列的侧面对调制器元件91进行寻址。

在该实施方案中，每一个调制器元件91在X方向有一个大约1mm的长度，和在Y方向具有一个大约100m的宽度。在多楼层的建筑物内就是选择这样的设计来匹配类似的用户分布。特别是，调制器阵列被排列为：X方向与建筑物的水平方向对应，而Y方向与建筑物的纵向对应，X方向提供的调制器元件91比Y方向的少，因为用户应该主要分布在Y方向。调制器元件91沿X方向的长度比沿Y方向的宽度大，以确保在建筑物侧面有足够的覆盖范围。

局部分布节点3还包括一个具有多个光检测元件的检测器阵列77。每一个检测元件把来自于相应的用户终端7的入射光转换成输入到检测电路79的一个相应的电信号。在检测电路79中，来自于检测器阵列的电信号被放大，然后检测电路79执行常规时钟恢复和数据再现处理，以恢复来自于用户终端7的信息数据。然后将恢复的来自所有用户终端7的信息数据输出到通信控制单元71，该单元将信息数据作为光学信号，沿光纤5传输到中央分配单元。

如图7中所示，为调制器阵列75和检测器阵列77提供了单独的光学系统。特别是，调制器阵列75基本上被定位在一个透镜的后焦面内，以下被称为调制器透镜79。那些本领域技术人员将会意识到，调制器透镜79将从一个用户终端接收的一个低发散的光束引向后焦面内的一点，该点的位置取决于接收光束的入射角度。换句话说，调制器透镜79在其视场内将不同的方向映射到调制器阵列上的不同位置。由此，调制器阵列能够调制和反射来自于调制器透镜79视场内的不同位置上的多个用户终端7的光束。

在该实施方案中，提供一个楔形阵列81，偏转来自于用户终端7的通过调制器透镜79传送的光束，以使主光线垂直于调制器阵列75的相应的调制器元件入射。在该实施方案中，楔形阵列81被定位在调制器阵列75的前面，以使由调制器透镜79从一个用户终端79采集的全部光线穿过楔形阵列的一个单一的楔形棱镜。如果没有楔形阵列81，穿过调制器透镜79的来自于各用户终端7的光线中的主光线通常不能垂直于调制器阵列75入射，因此由调制器阵列75反射的调制光不能沿着相同的路径传播回发射光线的用户终端7。

图11更详细地显示了楔形阵列81的作用。如图所示，楔形阵列81包括多个在空间上与调制器阵列75的相应调制器元件91匹配的楔形棱镜111_1，111_2，111_3，使每一个楔形棱镜111与一个相关的调制器元件91相邻。楔形阵列81的每一个楔形棱镜111以一个由楔角和楔形棱镜111的折射率n决定的角度来反射入射光线。如图11中所示，光113_1，即穿过入口光瞳中心的主光线，以一个与调制器阵列75的平面法线呈θ角的方向入射到楔形棱镜111_2上，棱镜的楔角用表示。如图11中的虚线所示，如果没有楔形阵列81，那么主光线113_1将以和法线所成的θ角入射到调制器元件91_2上，因此不能沿自身路径反射。选择满足下面公式楔形角： $\mathrm{\φ}={\tan }^{-1}\left(\frac{\sin \mathrm{\θ}}{n-\cos \mathrm{\θ}}\right)$

该关系式保证主光线113_1是以一个等于θ的角度偏转的，使得主光线113_1在调制器元件91_2上是垂直入射的，并利用调制器元件91_2反射到其自身之上。对于一个通常有效的薄楔近似而言，主光线以外的光线也通过角度θ反射，因此，例如，光线113_2将由调制器91_2沿着光线113_3的路径反射，反之亦然。

随着一个用户终端7的主光线和调制器阵列75的法线之间的角度的增加，相应的楔形棱镜的楔角也必须增加，因为要求较大的偏转，以便使主光线在调制器阵列75上是垂直入射的。因此，位于接近于调制器透镜79的光轴的楔形阵列81的中心的楔形棱镜，具有比那些离楔形阵列81中心更远的楔形棱镜111较小的楔角。为了清楚起见，图11显示了一个楔形阵列81和调制器阵列75的经过一个与调制器阵列75垂直的平面的横截面。那些本领域技术人员将会意识到，因为调制器阵列75是二维的，楔形阵列81是由楔形棱镜的一个二维阵列来形成的，通常在X方向和Y方向将会具有不同的楔角。

在该实施方案中，楔形阵列111是通过注塑模制一种光学塑料材料来形成的。

检测器阵列77位于相应透镜的后聚焦平面，此后称该透镜为上行链路检测透镜83。正如那些本领域技术人员将会意识到的，通过该上行链路检测透镜83的主光线不需垂直于检测器阵列77入射。因此，该上行链路检测透镜83被简单设计为从用户终端7聚集尽可能多的光线，并将该聚集的光线引向相应的检测元件。在该实施方案中，上行链路检测透镜83的尺寸是调制器透镜79的两倍，但大约有相同的焦距。换句话说，该上行链路检测透镜79的焦距是调制器透镜83的f值的一半。

在一个用户终端7可以与一个局部分布节点3进行通信之前，必须进行一个初始化过程。下面将简要描述一个初始化过程。一旦建立一个新的用户终端7，安装人员手工对准该用户终端7，以便使得用户终端7输出的激光束大致上定向在该局部分布节点3上。然后，安装人员将该新的用户终端7调整为一个安装模式，其中利用水平步进电机47和垂直步进电机49进行一个自动的微调对齐定位。

该安装模式从位于水平和垂直步进电机的行程中心的用户终端7中的光学部件51开始。

用户终端7输出一个传输一个连接请求信号(LRS)激光束。如果光学分布节点3检测到该LRS，那么该光学分布节点3向用户终端7发送一个回应。该光学分布节点3发送该回应的原因是如果该用户终端检测到一个反射的LRS，不能保证由用户终端7输出的光束是由一个光学分布节点3发射的，因为该光束可能是由其视场内的其它物体反射回来的。

如果用户终端7没有检测到从局部分布节点3的回应，那么该光学部件是由步进电机以一个步进的方形螺旋形式来移动的(如图12中所示)，用户终端7在水平和垂直步进电机的每一个步长之后检测一个来自于局部分布节点3的回应，直到检测到一个回应。

在安装模式期间，由用户终端7发射的激光束的功率是维持在一个肉眼安全的水平，避免如果该激光束偶然入射到人或动物时，产生任何严重视觉伤害的可能性。

在该实施方案中，入射到局部分布节点3的光束的尺寸必须足够大，能够至少包围调制器透镜79和上行链路检测透镜83的一个很大部分。这是通过改变激光器二极管21和准直透镜25之间的距离，直到达到局部分布节点3处所需的光束尺寸来实现的。还需保证入射到用户终端7上的反射光束充分大，以包围下行检测透镜29的相当大的部分。但是，不必一定如此，而且在用户终端7处是很难校正的。

下面将参照图13A和13B来描述一个第二实施方案，图中，在第一实施方案的用户终端7的光学部件上增加一个反射器和一个偏振光束分光器，以便使用户终端输出的光束与下行链路检测透镜31的光轴对齐。用户终端的其余部件与第一实施方案相同。在图13A和13B中，将不再描述那些与第一实施方案中具有同样的参考编号的相应部件相同的部件。

图13A显示了第二实施方案的用户终端的光学元件。激光器二极管21发射一个线性偏振的光束23，该光束穿过准直透镜25，形成低发发散度光束27。一个反射器121定位在与光束27的传播方向呈45度角的方向上，以便使光束27通过一个直角反射，并指向一个与下行链路检测透镜31光轴呈45度角放置的偏振光束分光器123。偏振光束分光器123的偏振分离表面反射来自于反射器121的线性偏振光，以便使其沿着下行链路检测透镜31的光轴，朝着局部分布节点远离用户终端。

图13B显示了第二实施方案的局部分布节点的主要部件。如图所示，与第一实施方案中的局部分布节点之间仅有的差别在于，在调制器透镜79前面(即在调制器透镜79远离调制器阵列75的一侧)设置一个四分之一波长片131。如上所述，对用户终端的准直透镜25被扫描，直到入射到用户分布节点的光束既包含调制器透镜79也包含上行链路检测透镜83。用户终端的某些光线穿过四分之一波长片131，将线性偏振光转化为圆偏振光。然后该圆偏振光由调制器阵列75反射，并向回穿越调制器透镜79和四分之一波长片131，在穿过调制器透镜之前将圆偏振光转化为线性偏振光，其偏振方向与用户终端的光束的方向垂直。

返回到图13A，来自于局部分布节点的线性偏振光经由偏振光束分光器123的偏振分离表面传播，然后由下行链路检测透镜31聚焦到检测器33上。

如上所述，利用反射器121和偏振光束分光器123来调整由激光器二极管21沿着检测透镜31的光轴发出的光束，保证了从局部分布节点被回射的光束29是在下行链路检测透镜31上入射的。而且，由于下行链路检测透镜31是设置在检测器33和偏振光束分光器123之间，因此不会出现光线从激光器二极管21离开下行链路检测透镜31光学表面的反射。

在第一和第二实施方案中，调制器阵列75的调制器单元91之间是利用间隙分隔的。这意味着，在透镜的视场中存在不能可靠地进行用户终端和局部分布节点间通信的位置，因为这些位置是沿着映射到像素间的间隔的方向的。下面将参考图14来描述一个第三实施方案，其中楔形阵列的楔形棱镜是弯曲的，以形成一个相关调制器单元的放大映像。这样，从局部分布节点的外部来看，调制器阵列似乎具有一个100％的组装密度。

图14显示了部分的楔形阵列和调制器阵列。第三实施方案的其余部件与第一实施方案的相应部件相同，因此不再赘述。

如图14所示，楔形阵列中的每个楔形棱镜135_1、135_2和135_3均具有一个弯曲的表面。对于每个楔形棱镜，曲面中心处的切线与调制器阵列75的表面平行的平面呈一个Φ角。该角度Φ是根据上述的公式1来选择的，偏转以一个与调制器阵列的平面表面的法线呈θ到达弯曲表面的主光线，使其垂直入射到相关的调制器单元91_2上。楔形棱镜135的表面的弯曲意味着楔形棱镜135的弯曲表面上的点离楔形阵列141的中心越远，曲面上该点的切线与一个平行于调制器阵列75的表面的平面之间的角度越大。因此，弯曲的表面具有一个相关的正光功率，形成相关调制器单元91的一个放大的映像。

关于如何利用一个具有相关光功率的单元阵列来提高有效组装密度的进一步细节，可以查阅国际专利申请WO01/05069，这里参考了其全部的内容。

在第一至第三实施方案中，相对于局部分布节点，用户终端是位于一个固定的位置。下面将参考图15和16来描述一个第四实施方案，其中，用户终端可以相对于局部分布节点移动。在该实施方案中，局部分布节点与第一实施方案中相同。

图15概要显示了局部分布节点3和第四实施方案中的一个用户终端的主要部件。对于那些与第一实施方案中具有同样的参照编号的相应部件，将不再描述。

如图15所示，接口单元41用作一个用户装置(未示出)和用户终端的一个中央控制单元141简的接口。由接口单元41从用户装置收到的数据被输入到该中央控制单元，根据该接收数据为一个激光器驱动器143产生控制信号。激光器驱动器143为一个发射器阵列145产生驱动信号，在该实施方案中，发射器阵列145包括一个二维像素平面阵列，每个像素位置都有一个发射激光的在垂直方向弯曲的表面(VCSEL)。最好是使用VCSEL，因为发射器阵列145可以利用一个单片半导体晶片来制造，而不必切割晶片。这样可以得到比传统二极管激光器更高的激光单元密度。从位于瑞士苏黎世(Badenerstrasse 569，8048Zurich，Switzerland)的CSEM SA可以获得在1mW-30mW的功率范围内输出具有850nm波长的光束的VCSEL阵列。

在该实施方案中，激光器驱动器143能够单独驱动发射器阵列145的VCSEL，并依照中央控制单元输出的控制信号施加一个小信号调制，以便将上行链路数据从用户装置传送到局部分布节点。从每个VCSEL发射的光线入射到一个楔形阵列147的相应的楔形棱镜上。楔形阵列147的楔形棱镜使该发射光偏转，以使得由一个垂直于发射器阵列145表面的VCSEL发射的光线穿过准直透镜25的光阑阻挡(aperture stop)的中心。

图16显示的是反射器阵列145、楔形阵列147和准直透镜25的放大视图。如图所示，楔形阵列147的楔形棱镜在空间上与发射器阵列145的VCSEL匹配，使得每个VCSEL与一个相应的楔形棱镜相关联。而且，在该实施方案中，楔形阵列147与发射器阵列145相邻，使得从一个VCSEL发出的所有光线基本上都穿过楔形阵列147的相关楔形棱镜。从发射器阵列145的一个VCSEL垂直发出的光被相关的楔形棱镜偏转，以便穿过准直透镜25的光阑阻挡的中心。利用前面的公式(1)来确定楔形阵列147的每个楔形棱镜的楔角φ，角度θ为经过从光阑阻挡的中心到楔形棱镜的直线和准直透镜25的光轴之间的夹角。因此，该楔角将随着楔形棱镜距楔形阵列147的中心的距离的增加而增加。

使用楔形阵列147具有的优势是，准直透镜25对反射镜阵列147的每个VCSEL发出的光的采集效率近似不变，因此对于每个VCSEL，从用户终端输出的光的强度是相同的。相反，利用传统的准直透镜，VCSEL阵列中心处的VCSEL的发出的输出光功率要大于反射镜阵列145的边缘处的VCSEL发出的光功率。

利用下行链路检测透镜31来收集从局部分布节点接收到的调制光，并将其引导到检测器阵列149的光检测单元。在该实施方案中，检测器阵列149是一个二维的光电二极管阵列。检测器阵列149的每个检测单元将入射光转变为一个相应的电信号，输入到一个检测电路151，该电路对电信号进行放大和滤波，将滤波后的信号输入到一个中央控制单元141。该中央控制单元141利用滤波后的信号来重现从局部分布节点传送来的数据，并通过接口单元41将该数据发送给用户装置。

正如这里全面参考的国际专利申请WO00/48338中所描述的那样，局部分布节点相对于用户终端的方向将决定由检测器阵列149中的哪一个检测元件来检测来自于该局部分布节点的调制光。因此可以进行一个跟踪操作，其中根据由检测器阵列149中的哪一个检测元件来检测从局部分布节点返回的光，选择用于向局部分布节点输出光束的发射器阵列145中的VCSEL。修正和进一步的实施方案

在上述说明的实施方案中，利用多个楔形棱镜形成一个在空间上与光学元件匹配的楔形阵列。该楔形棱镜的楔角是根据其在楔形阵列中的位置而变化的，使得该楔形阵列和一个标准透镜(不是远心的)共同构成一个近似的远心透镜。

尽管所描述的实施方案中的楔形阵列是通过喷射模制光学塑料制成的，但本领域技术人员将会意识到可采用其它的制造技术。

在第三实施方案中，楔形棱镜的一个光学表面是弯曲的，以便提供一个正的光功率，来放大相关的调制器单元的尺寸，以提高调制器单元的有效组装密度。该弯曲的表面也可是非球面的，来校正散光或其它的光学象差。那些本领域技术人员将会意识到具有弯曲表面的楔形棱镜也可用于发射器阵列。

在所描述的实施方案中，由于折射作用，光束被楔形棱镜偏转。那些本领域技术人员将会意识到，可以提供一个具有不同折射率分布的平面结构，以便提供替代具有恒定折射率的楔形棱镜的折射效应。该平面结构的折射率分布是这样设置的，使得每个折射单元具有一个相关的正光功率，该折射率分布也可校正光学象差。而且，不必使用折射来获得光束偏转。例如，可以使用一个衍射光学单元(如一个全息图)，甚至采用一个反射器阵列。

在所描述的实施方案中，在用户终端为光发射器或光检测器设置分离的光学系统，以减少指向光检测器上的回反射。那些本领域技术人员将会意识到，也可在系统中使用楔形阵列(或等效结构)，其中利用光束分光器在光学上将准直透镜的光轴和下行链路检测透镜对齐，如在WO98/35328和WO00/48338中所描述的那样，以便近似形成一个远心光学系统。

在第二实施方案中，由反射器121和偏振光束分光器123形成一个光束调节设备，将用户终端发射的光束与检测器的透镜系统的光轴对齐。

如上所述，在用户终端为光发射器和光检测器以及在局部分布节点为调制器阵列和光检测器设置分离的光学系统可以根据其相关的光学元件来单独优化透镜系统。仅为了示范起见，在所述的实施方案中给出了一些特定的细节，但并不是本发明所必须的。

那些本领域技术人员将会意识到，对于分离光学系统相关的优势而言，楔形阵列不是必须的。例如，可以用具有位于远心透镜的后焦面的调制器阵列的远心透镜来替代调制器阵列和楔形阵列。

在第一实施方案中，光发射器和光检测器是与其相关的光学系统一同安装的，作为一个单一的光学组件，由步进电机来移动，以便控制发出的光束。或者，光发射器及其相关的透镜系统可以与光检测器及其透镜系统分开安装。也可以采用这里全面参考的WO01/05072中所描述的光束调整技术。在另一实施方案中，可以通过移动构成发射器的透镜部件的透镜单元来控制光束。

那些本领域技术人员将会意识到，如果改变发射的光束的方向，那么返回的光束通常不会聚焦到检测器的检测表面的中心。但是，如果检测表面远大于聚焦点的尺寸，如第一实施方案中那样，则不会有什么问题。那些本领域技术人员将会意识到，对于第一实施方案中的配置，检测表面不必远大于聚焦光斑的尺寸，因为当发射的光束的方向改变时，可移动检测透镜的光轴来匹配发射的光束的方向。

在所描述的实施方案中，从多个用户终端发出的光束入射到局部分布节点的调制器阵列的相应调制器单元上，并回射回到其起始的用户终端。或者，可以在局部分布节点设置多个光发射器，并在每个用户终端设置调制器。

在第一至第三实施方案中，使用了QCSE调制器。那些本领域技术人员将会意识到，也可以采用其它类型的反射器和调制器。例如，可以使用一个平面镜作为反射器，可以在透镜和该平面镜之间设置一个透射调节器(如液晶)。而且，那些本领域技术人员将会意识到，反射器和/或调制器无需集成在一个单一装置中，反射器和/或调制器也不必定位在一个公共面上，尽管为了易于装置的制造和定位，这些特征是优选的。

在第一至第三实施方案中，以一个矩形方阵的形式来排列调制器单元。但这不是必须的，也可以以不同形式的规则阵列，甚至以一个不规则阵列来排列调制器单元。

在第四实施方案中，使用了一个VCSEL阵列。那些本领域技术人员将会意识到，也可采用其它形式的光发射器。例如，可以采用常规的激光器二极管。

在第一至第四实施方案中，描述了全双工传输系统。也可采用一个单工传输系统，其中，将一个未调制的光束发送到一个后向反射器，在该处，对光束进行调制并反射，利用一个检测器对被反射回的光进行检测。也可以采用一个半双工系统，其中由用户终端发送一个未调制光束到局部分布节点，在该节点处对光束进行调制并反射回用户终端，按一个方向传送数据，或者由用户终端发射调制的数据，将数据传送给局部分布节点。在这种情况下，也可以用QCSE调制器来检测来自用户终端的调制器光束。

那些本领域技术人员将会意识到，术语“光”包括电磁波频谱中的紫外线和红外线区域以及可见光区域的电磁波。尽管上述的实施方案使用的是具有850nm左右的波长的激光束，但也可采用其它波长。特别是，1.5μm的波长是另一种很具吸引力的选择，因为它本身是对人眼无损的，而且对于该波长的光纤通信，已经开发出了低价的反射镜和检测器。

尽管利用一个单一透镜对用户终端和局部分布节点的透镜进行了概要的描述，但是应当清楚，在实际中，每个透镜可以具有多个透镜单元。

Claims (41)

1.一种光学装置，包括：一个透镜；多个光学单元；和用于偏转在透镜和多个光学单元之间的一个光学路径中提供的光束的装置，

其中上述的光束偏转装置包括多个光束偏转单元，每个光束偏转单元与一个相应的光学单元相关联，能够进行操作来偏转一个穿过透镜的主光线，使主光线与相关的光学单元基本上垂直。

2.一种依照权利要求1的光学装置，其中每个光学单元基本上是平面的。

3.一种依照权利要求2的光学装置，其中多个光学单元基本上位于一个公共平面中。

4.一种依照权利要求3的光学装置，其中多个光学单元被集成在一个单一装置中。

5.一种依照上述的权利要求中的任意一项的光学装置，其中多个光束偏转单元基本上位于一个公共平面中。

6.一种依照权利要求5的光学装置，其中多个光束偏转单元被集成在一个单一装置中。

7.一种依照上述的权利要求中的任意一项的光学装置，其中多个光学单元是以一个规则阵列排列的。

8.一种依照上述的权利要求中的任意一项的光学装置，其中多个光学单元是以一个矩形方阵列排列的。

9.一种依照上述的权利要求中的任意一项的光学装置，其中多个光束偏转单元在空间上与多个光学单元的空间排列相匹配。

10.一种依照上述的权利要求中的任意一项的光学装置，其中每个光学单元包括一个反射单元。

11.一种依照权利要求10的光学装置，进一步包括用于施加一个能够操作改变反射单元反射率的信号的装置。

12.一种依照权利要求11的光学装置，其中能够操作该信号施加装置对反射单元进行单独寻址。

13.一种依照权利要求10-12中的任意一项的光学装置，其中多个光束偏转单元中的每一个单元与关联的反射单元相邻。

14.一种依照上述的权利要求中的任意一项的光学装置，其中多个光学单元包括至少一个量子斯塔克效应装置。

15.一种依照权利要求1-9中的任意一项的光学装置，其中多个光学单元包括多个光发射器，可操作每个光发射器发射一个光束。

16.一种依照权利要求15的光学装置，其中多个光发射器中的至少一个包含一个垂直凹形表面发射激光器。

17.一种依照权利要求15或16的光学装置，其中多个光束偏转单元中的每一个都是与相关的光发射器相邻的，以便基本上使所有由光发射器发出的光都能入射到相关联的光学单元上。

18.一种依照上述的权利要求中的任意一项的光学装置，其中至少一个光束偏转单元包括一个折射单元。

19.一种依照权利要求18的光学装置，其中该至少一个折射单元包括一个楔形棱镜。

20.一种依照权利要求19的光学装置，其中该楔形棱镜的表面是弯曲的，以使该楔形棱镜具有一个相关的光功率。

21.一种依照权利要求20的光学装置，其中该相关的光功率是正的。

22.一种依照权利要求20或21的光学装置，其中楔形棱镜的弯曲表面被配置用来校正由透镜或楔形棱镜中的至少一个所引起的象差。

23.一种依照权利要求18的光学装置，其中上述的至少一个折射单元是由一个具有可变折射率分布的平面层形成的。

24.一种依照权利要求23的光学装置，其中上述的至少一个折射单元具有一个提供光功率的折射率分布。

25.一种依照权利要求24的光学装置，其中该相关的光功率是正的。

26.一种依照权利要求24或25的光学装置，其中上述折射率分布能够校正由透镜或楔形棱镜阵列中的至少一个所引起的象差。

27.一种依照权利要求1-15中的任意一项的光学装置，其中上述的至少一个光束偏转单元包括一个衍射单元。

28.一种依照权利要求1-15中的任意一项的光学装置，其中上述的至少一个光束偏转单元包括一个反射单元。

29.一种光学装置，包括：一个透镜；多个光学单元；和用于偏转在透镜和多个光学单元之间的一个光学路径中提供的光束的装置，

其中上述的光束偏转装置包括多个光束偏转单元，每个光束偏转单元与一个相应的光学单元相关联，能够操作来偏转一个与透镜的光轴呈一个倾斜的角度穿过透镜的主光线，以便使该主光线与透镜的光轴平行。

30.一种光学装置，包括：一个透镜；一个具有多个调制器单元的调制器阵列；和用于偏转在透镜和调制器阵列之间的一个光学路径中提供的光束的装置，

其中上述的光束偏转装置包括多个光束偏转单元，每个光束偏转单元与一个相应的调制器单元相关联，能够被操作来偏转一个穿过透镜的主光线，使主光线与相关的调制器单元垂直。

31.一个信令系统，包括第一个和第二信令装置，

第一信令装置包括：用于发射一个光束的装置；用于将发射的光束传送到第二信令装置的装置；用于从第二信令装置接收一个调制的光束的装置；和用于根据调制的光束来重现一个数据信号的装置。

第二信令装置包括一个依照权利要求30的光学装置，其中从第一信令装置中发出的光束是垂直于调制器阵列的调制器单元入射的，调制器阵列调制根据数字信号发射的光束，以产生调制的光束并将其反射回第一信令装置。

32.一种光学装置，包括：一个透镜；一个具有多个光发射单元的发射器阵列；和用于偏转在透镜和调制器阵列之间的一个光学路径中提供的光束的装置，

其中上述的光束偏转装置包括多个光束偏转单元，每个光束偏转单元与一个相应的光发射单元相关联，能够进行操作利用光发射单元来垂直偏转一个光线，使该垂直的光线沿着一个主光线的路径穿过透镜。

33.一个包括第一个和第二信令装置的信令系统，其中

第一信令装置包括一个依照权利要求32的光学装置，其中第一信令装置的多个发射器中的每一个都能够发射一个载有信息的相应光束；和

第二信令装置包括：i)一个用于聚集从第一信令装置的一个光发射器中发出的光的透镜系统；ii)一个用于从该透镜系统接收聚集的光线并将接收到的光线转换为相应的电信号的光检测器；和iii)用于处理来自于光检测器的电信号来重现所述信息的装置。

34.一个包含第一和第二信令装置的自由空间信令系统

第一信令装置包括：用于发射一个光束的装置；用于将发射的光束传到第二信令装置的装置；用于从第二信令装置接收一个调制的光束的装置；一个用于将接收到的调制光束转换为一个相应的电信号的光电转换器；和用于利用该相应的电信号来重现一个数据信号的装置。

第二信令装置包括：用于从第一信令装置中接收发出的光束的装置；用于根据所述数据信号来调制接收到的光束的装置；和用于将调制的光束回射回第一信令装置。

其中所述第一信令装置的传送装置包括一个第一透镜系统，第一信令系统的接收装置包括一个与第一透镜系统相互分离的第二透镜系统。

35.一种依照权利要求34的信令装置，其中第一和第二透镜系统分别具有第一和第二光轴，第一和第二透镜是这样定位的，使得第一个和第二光轴不相互对齐。

36.一个包含第一和第二信令装置的自由空间光学信令系统

第一信令装置包括：用于发射一个光束的装置；用于将发射的光束传到第二信令装置的装置；用于从第二信令装置接收一个调制的光束的装置；一个用于将接收到的调制光束转换为一个相应的电信号的光电转换器；和用于利用该相应的电信号来重现一个数据信号的装置。

第二信令装置包括：用于从第一信令装置中接收发出的光束的装置；用于根据所述数据信号来调制接收到的光束的装置；和用于将调制的光束回射回第一信令装置，和

其中第一信令系统的传送装置包括一个第一透镜系统和光束调整装置，第一信令系统的接收装置包括一个与第一透镜系统相互分离的第二透镜系统。

其中第一透镜系统是这样配置的，使得由发射装置发出的光线穿过第一透镜系统，到达光束调整装置上，光束调整装置被配置用来调整沿着第二透镜系统的光轴直接发射到第二信令装置，而不穿过第二透镜系统的光束。

37.一个依照权利要求36的信令系统，其中光束调整装置包括一个光束分光器，第二透镜系统在光学上定位于光束组合器和光电转换器之间。

38.一个依照权利要求34-37中任意一项的信令系统，其中第一信令系统进一步包括根据要从第一信令装置发送给第二信令装置的信息来调制由光发射器发射的光束的装置，和

其中第二信令装置进一步包括：一个光电转换器，用于检测发射的光束，并将发射的光束转换为一个相应的电信号；用于至少将发射的光束的一部分传送到光电转换器上的装置；和用于根据该相应的电信号来恢复信息的装置。

39.一个依照权利要求38的信令系统，其中第一信令装置的调制装置被配置用来对发射的光束实施一个小信号调制。

40.一个依照权利要求38或39的信令系统，其中第二信令装置的传送装置包括一个第三透镜系统，第二信令系统装置的接收装置包括一个与第三透镜系统相互独立的第四透镜系统。

41.一种依照权利要求40的信令装置，其中第三和第四透镜系统分别具有第三和第四光轴，第三和第四透镜系统是这样定位的，使得第三和第四光轴不相互对齐。

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