CN1460173A - 与光纤配合起来工作的收发信机设备中的传感器 - Google Patents
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Abstract
与光纤(1)配合起来工作的接收设备配备有传感器(3)。传感器(3)包括两个或多个互相分开的传感器单元(4a，...，4d)，这些传感器单元(4a，...，4d)传递一个输出信号，其信号强度取决于加到传感器单元(4a，...，4d)的强度。传感器单元(4a，...，4d)的最大尺寸(a)至多等于在传感器单元(4a，...，4d)的位置处光纤(1)出射的光束(2)的衍射限制的光点的直径的一半。配备有传感器单元(4a，...，4d)的传感器(3)部分的径向尺寸(c)大于从光纤(1)出射的光束(2)的直径。存在有用于确定来自每个传感器单元(4a，...，4d)的输出信号的强度的装置(15)。
Description
本发明涉及一种用于与光纤配合起来工作的接收设备的传感器，用来把具有从光纤出射的光束的形式的信号变换成不同类型的信号，该传感器包括两个或多个互相分开的传感器单元，这些传感器单元传递具有取决于加到传感器单元上的光束强度的幅度的输出信号。
这样的传感器是从对公众公开的日本公开专利申请JP-A-06/059167中已知的。其中揭示的传感器被使用来把光纤的光轴对准设备的其他光学部件的光轴，因此，它在形状上是圆对称的，其中心部分是对辐射不敏感的。
光-光通信系统需要光纤的一端与光发射机和接收机精确对准。由于这个处理过程的机械复杂性，当把光纤连接到光通信系统时，各个部件互相正确的配置是主要的花费因素。即使在用于相对较小的距离(2到10km的范围内)的低花费的应用，它使用多模光纤和合成光纤，部件的配置仍旧是主要的花费因素。比起先前的已知的方法(其中必须实行人工对准)，使用机械自对准技术已导致这些系统的花费减小。
本发明的一个目的是提供一种传感器，借助于它可以以自动的和非机械的方式实行对准，这样可以相当快速地和以较低的成本实行所述对准。
本发明的另一个目的是增加这样的收发信机设备的机械坚固性。
各种因素(诸如振动、温度差等等)会导致光纤的入口/出口面相对于收发信机设备的机械移动。
本发明的目的是提供光纤相对于传感器的动态对准。
按照本发明，这个目的是通过以下措施达到的，传感器单元的最大尺寸至多等于在传感器单元的位置处从光纤出射的光束的衍射限制的光点的直径的一半，配备有传感器单元的传感器部分的径向尺寸大于从光纤出射的光束的直径，以及提供了用于确定来自每个传感器单元的输出信号的强度的装置。
这使得有可能使用具有非常低的电容的传感器单元，由此，传感器能够处理高频信号。
另一个效果是出射的光束只照射所有可能的传感器单元中的有限数目，以及只有最强的被照射的传感器单元的输出信号将被使用于进一步处理。由于传感器单元延伸到大于出射的光束的直径的区域，由振动等等造成的机械偏移不影响由传感器传递的信号。
配备有这样的传感器的设备的优选实施例的特征在于，该设备包括：一个可调节的、用于把由传感器单元传递的输出信号提供给处理设备的装置；以及一个控制装置，用于调节该提供装置，以便根据来自传感器单元的输出信号强度把来自该传感器单元的输出信号提供或不提供给所述处理设备，以及还提供了一个用于根据要被提供的输出信号的大多数来确定被提供到该处理装置的信号的装置。
结果，只有来自实际上传递输出信号的传感器的输出信号被提供，以及多数判决是对于由传感器传递到另一个处理设备的、作为整体的输出信号的数值作出的。
现在参照附图更详细地说明本发明，其中：
图1示意地显示光纤和传感器；
图2示意地显示用于把信号从传感器提供到处理电路的电路；
图3示意地显示按照图2的集成电路；
图4示意地显示与光纤配合起来工作的收发信机设备；
图5，6和7显示光束分离棱镜的各种实施例。
在图1上，参考数字1表示光纤，从这个光纤可发出辐射光束，它在图上用参考数字2表示。出射的光束2射到传感器3上。传感器3包括一些传感器单元，它们在图上分别用参考数字4a，4b，4c和4d表示，它们对于光束2中的辐射是敏感的。在许多情形下，传感器单元4a...4d是光电二极管，它们根据入射的辐照而在电容上感应电位差。传感器单元的表面积越大，与其相关的电容越大。希望能够保持相关的电容尽可能小，以使得能够处理具有最高的调制频率的调制光束2中的信号。现有技术传感器试图找到一种折衷，即一方面希望使得具有与其相关的电容的传感器4a...4d(以下也称为传感器4)的尺寸最小，而另一方面，希望把传感器设计成具有最大尺寸以使得光纤1的一端容易相对于传感器3实现机械定位。传感器3越大，光纤1的末端相对于传感器3定位的机械精确度的要求越不严格。
传感器3包括大量的敏感的传感器单元4(图3)。一个与传感器单元4a相对应的象素的径向尺度用箭头a表示。来自光纤1的光束2优选地在从光纤1出射和射到传感器3时具有尽可能小的直径。无论如何，考虑到传送通过光纤1的、以及作为光束2从所述光纤1出射的光束的光波特性，在传感器3上不可能形成这样的光点，该光点的直径小于由光纤1数值孔径(numeric aperture)和被安排在光纤1的一端与传感器3之间的任何光学单元(未示出)确定的尺寸。可以得到的最小光点尺寸是衍射限制的光点尺寸。
传感器3的一个象素的径向尺寸小于光束2在传感器3上的衍射限制的光点的直径的一半。在这种情形下，多个传感器单元4在所有的时间都被光束2照射到。具有衍射限制的直径的光点在图3上用参考数字5表示。
诸如传感器3的传感器把光束2中出现的信号变换成另一种类型的信号，诸如电信号、或磁信号、或温度信号等等，光纤1精确地对准传感器的问题是：光纤1的末端需要持久地精确的对准传感器3。所述对准受到机械颠簸和振动的影响。这样的颠簸和振动使得光束2和传感器3互相相对移动，正如图上双箭头b表示的。在本发明的框架内不是如在现有技术中那样试图尽可能地阻止振动和颠簸的发生，而是这样来设计传感器3，以使得光束相对于传感器3的移动不会对传感器3传递的信号造成有害的影响。
在图3上，参考数字6和7作为例子在两个位置上显示光束2在传感器3的位置处的光点。它支持这样的理由，光束6和7的直径尺寸至少与衍射限制的光点5的对应的直径尺寸一样大。
图2显示其中来自各个传感器单元4a...4d的输出信号被加到处理电路8的情形。信号由提供装置9来提供。所述提供装置9被安排成不把来自传感器3的每个传感器单元4的每个输出信号提供到处理设备8。为了能够实现这一点，提供装置9是可调节的。而且，调节装置10被显示成可以根据来自传感器3的传感器单元4的输出信号来控制对提供装置9的调节。来自传感器3的传感器单元4的输出信号通过线路11被提供到提供装置9的输入端。相同的输出信号通过线路12被提供到调节装置10的输入端。调节装置10被安排成通过线路13以在下面将要被描述的方式传递信号，对于每个传感器单元4，这个信号确定来自所讨论的传感器单元的、在该时刻存在在线路11上的输出信号是否能够由提供装置9通过线路11被提供到处理设备8。
调节装置10包括用于确定通过线路12输入到调节装置10的信号强度的装置15。为此，所述装置15包括例如门限电路16。来自调节装置10的输出信号取决于在线路12上的输出信号的强度而存在于线路13上，该调节装置10可以调节该提供装置，以便把在提供装置9的输入端处在线路11上存在的该同一个输出信号通过线路14中继到处理设备8。
将一个其本身是已知的控制设备(见图3)安排用于要被读出的传感器单元4。进行所述读出的速度足够高，以便能精确地跟踪光束2中的调制。
由于传感器单元4覆盖的面积大于光束2的直径，如由参考数字6和7所表示的(见直径尺寸c)，所以只有在由圆圈6和7包围的区域内存在的那些传感器单元4分别在线路11和12上感应不同于零的输出信号。所有其他的传感器单元4将感应零的信号，以及对于线路14上的信号不作出贡献。所以，每次重新读出光束2未照射到的传感器单元4都是没有太多用处的。调节装置10通过线路18被连接到控制设备17。通过所述线路18，调节装置10通知控制设备17：哪些传感器单元4感应零信号，因此，在常规地读取传感器单元4的情况下不需要包括它们。只有那些被光束照射到的传感器单元4才需要每次再读取(优选地，这是包围所述单元的一组传感器单元)，以便能够跟踪光束2相对于传感器3的上述的偏移。
可以在传感器单元4每次被读出时进行如上所述的对控制控制设备17的调节，以便只读出传感器3中的有限数目的传感器单元，但是可替换地，该调节可以不时地进行一次，然后，在多次读出时对控制设备17的调节不改变。通过线路18对控制设备17的调节仅仅需要以这样的更新频率来进行：即，使得控制设备将能够按照奈奎斯特准则跟踪光束2相对于传感器3偏移的频率，即，在控制设备17被调节装置复位的那些预定的时间点之间的时间间隔应该小于光束2相对于传感器3偏移的最高频率的周期的一半。调节装置10可以配备有用于该目的的定时器装置20。
图3显示集成电路21，它包括传感器3以及控制设备17，调节装置101和提供装置9。控制设备和/或调节装置和/或提供装置9不一定必须被安排在与传感器3相同的集成电路内。
在上述内容中，调节装置10被描述为安排成使得来自传感器3的传感器单元4的某些输出信号被变换成(以及其他信号则不被变换成)在线路13上的信号，结果，提供装置9把所讨论的输出信号从线路11中继到线路14。替换地，这就有可能只把最强的那些输出信号从线路11提供到线路14，例如，在信号是电信号的情形下，这是其电流或电压具有最大幅度的那些信号。
在上述的情形下，最终出现在线路14上的以及代表在某个时间点来自光束2的调制信号的信号，将与光束2相对于传感器3的任何移动无关地存在。而且，借助于调节装置10可以使得只有最强的那些输出信号将被提供到线路14上。
通过线路18把调节信号提供到控制设备17从而使得在光束2相对于传感器3的机械运动会导致产生信号损耗之前就能获得新的调节，这种调节作用达到的效果在于：实现了光束2相对于被读出的传感器3的传感器单元的动态和连续的对准。
提供装置9可包括多数判决设备22。在每次读出传感器3时来自一个以上的传感器单元4的输出信号被提供到线路14的情形下，中继由大多数读出的传感器单元4表示的信号，是很有利的。在可能情况下，可以进行各个输出信号的加权。来自靠近光束直径中心的位置处的传感器单元4的输出信号，与被安排在光束直径7的边缘附近或刚好在边缘以外的传感器单元4相比，可被分配以更大的权因子。
当预定的信号在预定的时间点通过光纤传输时，可以不时地进行光束2相对于传感器3的对准，以及检测哪些传感器单元4以什麽方式对光束2产生响应。
图4显示收发信机设备30。在接收模式下，光束从光纤1出射，以及照射到传感器31。在发送模式下，光束产生器32(它本身是已知的)产生光束33，它通过本身是已知的适当的聚焦装置和半透明单元35聚焦到光纤1的入口面36上。
虽然上面只描述了光束2对于传感器31的对准，但本例也涉及到光束33对于光纤1的对准。为此，设备30包括半透明单元35，反射单元37，二维的位置敏感的传感器31，控制装置38，和光束偏移单元39，用于偏移光束33。
起始，光束2从光纤1射向传感器31。这提供关于光束2照射到传感器31时的传感器31，在图4的画面平面上和垂直于画面平面的平面上的位置的信息。这个信息可以从传感器31通过线40提供到控制设备38。控制设备38包括一个存储器部分，在其中可以存储所需的信息以供进一步处理，正如下面更详细地描述的那些。随后，光束产生器32通过聚焦设备34沿半透明单元35的方向发送光束33。在所述单元35中，光束33被分裂成沿光纤1的方向的光束41和沿镜37方向直线运动的光束42。在本实施例中，镜37是可以把光束42从它来自的方向反射回去的平面镜，正如通过箭头43表示的那样。由镜37反射的辐射的一部分然后由半透明单元35按传感器31的方向被反射成为光束44。对于光束44而言，其中光束44照射到传感器的位置的坐标将通过线40被中继到控制设备38，也是正确的。控制设备38因此知道光束2照射到传感器31的位置和光束44照射到传感器的位置。通过本领域技术人员熟知的软件，根据在传感器31上的光束2和44之间的位置的差别，可以简单地计算：光束33可以由光束偏移装置39在什麽方向被偏移和偏移多大程度，以便确保光束44将在与光束2完全相同的位置上照射到传感器31上。由于光束44按照与光束2相同的方向延伸，光束41也将按照与光束2相同的方向延伸。因此，光束41将在光束2出射的那个位置上照射到光纤1的表面36，这样，确保光束4 4在与光束2完全相同的位置上照射到传感器31上。因此，可以以简单的、非机械方式达到光束产生器32与光纤1的完美的对准。
优选地，光束偏移装置39包括两个可电驱动的光束偏移单元39a和39b，它们能够向两个不同的方向偏移光束，优选地二者互相垂直地延伸。这样的装置是由其本身是已知的各向异性双折射光学片构成的。这样的光学片使得入射的光束与它本身平行地偏移，其偏移程度取决于施加的电场的大小。在本发明的框架内也可以使用不同于上述的、另外的可驱动的光束偏移单元。唯一的条件是出射的光束的位置和/或方向根据所施加的信号而不同于入射的光束的位置或方向，该信号可以是电的，机械的，压电的，或热的信号等等。
为了提高设备的机械精度，可以使用光束分离棱镜作为半透明单元35。
而且，反射单元37可被部署在光束分离棱镜35的后表面上，如图5所示，以便得到更高的精度。
例如，如果光束44的长度不同于光束41的长度，为了得到更高的精度和降低对聚焦设备34的光学要求，则其上配置了反射单元37的光束分离棱镜35的一个表面可以是弯曲的。作为例子，在图6上显示了凹形的反射单元37。根据周围情形，也可能希望提供凸形的反射单元37。
为了进一步提高精度和降低对聚焦设备34的质量要求，其上有光束33照射的光束分离棱镜35的一个表面可以是弯曲的，所有这些如图7所显示的。
为了增强设备的坚固性，半透明单元35(例如光束分离棱镜35)可被配置在传感器3上。
应当指出，在反射单元37上和/或在半透明单元35的光束33进入表面上形成曲面，有助于防止形成可能由光束产生器发射的不希望的波长的寄生谐振腔。
优选地(然而不是必须地)，二维的、位置敏感的传感器31是参照图1到3描述的传感器。
各种实施例和修正方案对于阅读过以上内容的本领域技术人员将是很明显的。所有这样的实施例和修正方案都被认为属于本发明的范围内。
Claims (10)
1.一种用于与光纤(1)配合起来工作的接收设备的传感器，用于把具有从光纤出射的光束的形式的信号变换成不同类型的信号，该传感器包括两个或多个互相分开的传感器单元(4aa，...，4d)，这些传感器单元(4a，...，4d)传递具有取决于加到传感器单元上的光束强度的输出信号，其特征在于，传感器单元(4a，...，4d)的最大尺寸至多等于在传感器单元(4a，...，4d)的位置处从光纤(1)出射的光束(2)的衍射限制的光点的直径的一半，配备有传感器单元(4a，...，4d)的传感器(3)部分的径向尺寸(c)大于从光纤(1)出射的光束(2)的直径，以及提供了用于确定来自每个传感器单元(4a，...，4d)的输出信号的强度的装置(15)。
2.一种包括如权利要求1中要求的传感器的设备，其特征在于，该设备包括可调节的装置(9)，用于把由传感器单元(4a，...，4d)传递的输出信号提供给处理设备(8)，以及调节装置(10)，用于调节提供装置(9)，以便根据来自传感器单元(4a，...，4d)的输出信号的强度把所述来自传感器单元(4a，...，4d)的输出信号提供或不提供到处理设备(8)，该调节装置(10)包括所述用于确定来自传感器单元的输出信号的强度的装置(15)。
3.如权利要求2中要求的设备，其特征在于，所述调节装置(10)包括门限电路(16)。
4.如权利要求2或3中要求的设备，其特征在于，所述调节装置(10)包括用于把提供装置(9)设置在预定的时间点的定时器装置(20)。
5.如权利要求2，3或4中要求的设备，其特征在于，所述调节装置(10)调节所述提供装置(9)，以便只提供最强的输出信号。
6.如权利要求4中要求的设备，其特征在于，所述预定的时间点之间的时间间隔小于光束在传感器上移动的最高频率的周期的一半。
7.如权利要求2或3中要求的设备，其特征在于，所述提供装置(9)被设置成可提供来自一个以上的传感器单元(4a，...，4d)的输出信号，以及存在着用于根据可提供的输出信号的大多数来确定被提供到处理装置(8)的信号的装置(22)。
8.如权利要求2到5的任一项中要求的设备，其特征在于，所述传感器(3)和所述调节装置(10)形成单个集成电路(21)的一部分。
9.如权利要求8中要求的设备，其特征在于，所述提供装置(9)形成所述单个集成电路(21)的一部分。
10.如权利要求7和权利要求8或9的任一项中要求的设备，其特征在于，所述确定装置(15)形成单个集成电路(21)的一部分。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| AD01 | Patent right deemed abandoned | ||
| C20 | Patent right or utility model deemed to be abandoned or is abandoned |