CN1537369A - 灵活的多光束自由空间光通信设备 - Google Patents

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Abstract

一种电子学上灵活的多光束光收发机，有第一纵横交换机，该第一纵横交换机把各输入信号切换至光发射器空间阵列选择的各个发射器。各光发射器向远心透镜的空间定位提供调制的光束，该远心透镜按照偏离空间阵列内各光发射器单元透镜轴的位移，在几何上对沿不同发散路径的各光束进行变换。从各远程地点来的入射远心透镜发散面的各光束，被偏转至光电检测器阵列，光电检测器阵列的各输出，耦合至第二纵横交换机。辅助的光电检测器阵列监控来自空间定位已知的一个或多个地点的各光束，并给出空间误差校正信号，供实时的瞄准和跟踪及大气压校正。

Description

灵活的多光束自由空间光通信设备
技术领域
本发明一般涉及光通信系统，具体说，是针对一种新的和改进的、在电子学上灵活的自由空间光通信设备，该设备能用于有选择地引导多束独立光束的每一束，如那些分别被不同的通信信号调制的光束，按各自不同的方向，通过一共同的光孔径，到达多个空间上互异的接收机地点。
背景技术
当前可供自由空间应用的光(如基于激光的)通信系统，如从建筑物到建筑物的局域网和中继线扩充系统，照例是按(短距离和长距离)自由空间‘点到点’系统构成。如在图1和图2中示意地表明，该种系统通常包括本地的和远程的光(基于激光)收发机对1/2和4/5，每一对收发机对，有相应的用作孔径的望远镜，并在一条或多条视线光链路3/6上彼此在光学上耦合。
在图2中还表明，对超过几km的长距离应用，照例用某些形式的主动驱动的机械的稳定化平台7来维持光束的瞄准。此外，对符合中枢-辐条式操作的点到点的应用，如在图3中所表明，该系统有高度集成的配置，还要求相当大量的硬件，以便在高功率的中枢地点8与多个接收机(用户)的地点9之间，提供多点到一点的各链路。遗憾的是，这些现有的结构中没有一个针对战术的应用或移动的节点，它们也没有提供廉价的一点到多点的通信。
发明内容
按照本发明，利用自由空间光通信(FSOC)近期的和显现的技术进展，包括经济地制作密集的可寻址的发射机和接收机单元阵列，以此提供一种在电子学上灵活的多光束光收发机(或叫“AMOX”)，用于一点到多点的中枢，该光收发机能随心所欲地，使多束光束(独立地被各自不同的通信信号调制)的任一光束，动态地被路由并在空间上重新引导，沿各自不同方向，通过相当宽的场上的共同光孔径，到达多个空间上互异的地点或节点。本发明还包括跟踪阵列，能主动地校正瞄准和跟踪误差，这些误差可能起因于节点的相对移动和大气压导致的畸变。利用电子学上的灵活性，本发明没有运动的部件，从而在大小、重量、和成本方面都得到降低，同时改善了可靠性和功能度。
为此，一种多端口的输入输出单元，包括输入的纵横交换机，电子信号送至该输入纵横交换机的各个输入，如通过数字电信网络送至用户的信号。该纵横交换机的各输出，连接至与光发射器(激光器)阵列(两维)各单元耦合的各个发射机驱动电路，发射器阵列的各输出光束，耦合至一远心透镜系统。对集成的收发机的应用，该远心透镜系统包括频率选择(分色)界面，该界面能使光发射器阵列按传输波长发出的光传送至该透镜的凸面，并从该透镜该凸面发散，而入射该透镜的凸面的光，则被该分色界面反射至光电子接收机阵列。
远心透镜执行光束的几何变换，该光束来自某一发射阵列的空间定位，沿穿过透镜出射表面上孔径中焦点的路径，按照两维的空间位移，从发射机阵列内它相应的发射器的光束轴发散。就是说，载有特定信号信道的光束要求的传播路径，容易通过控制向两维发射机阵列馈送信号的纵横交换机而确定。因此，本发明能以精确的发射器位置与其角发射方向之间的关系，把光发射器两维平面阵列发射的多个光信号，投射成为通过共同分享的远心透镜孔径的、不同发散的自由空间光束。
沿接收或返回路径方向，远心透镜接纳多束接收的光束，并把它们引导至两维的接收机阵列。透镜系统的光学装置，产生典型的Fourier变换操作，并使各焦平面位置与各光束角方向唯一对应。光电检测器阵列各输出与各自的信号解调器连接，解调器各输出耦合至接收机一侧的纵横交换机，纵横交换机各输出则被传送至与发射纵横交换机耦合的各数字用户线。
可以用辅助的跟踪(两维)光电检测器阵列监控来自各节点的一束或多束光束，各节点相对于中枢地点的空间定位是精确已知的。在某束“跟踪”光束的空间定位中，任何偏离跟踪阵列上该节点的偏移，被控制处理器用作误差校正信号，必要时，在输送至纵横交换机的操纵命令中，给出适当的(X-Y)校正，以提供实时的瞄准/跟踪校正能力和大气压校正能力。
在某些应用中，发射的和接收的各光束，可以在两个空间上分开的孔径之间分束，这样可以不必把(发射对接收)波长分离。这种光束分割的可能的优点，包括有助于改善信号收集的较大的接收机孔径、使具体的发射和接收配置最优化、和降低衍射光学单元或全息光学单元的复杂性。
可以用各种方式实现发射机阵列。在空间上一般稳定的远程节点数量少的地方，可以采用几乎定居的不可交换或“非灵活”的阵列。“非灵活”应用的一个例子，包括使用Ethernet网络来“局部地”连接彼此十分接近的建筑物。一套有限的分立的激光光源，可以通过有关的光纤阵列，硬布线至光发射器阵列平面内各个空间定位，对此，由远心透镜产生的空间到角度的变换，将引导发射器光束沿角方向到达用户节点。
虽然本发明可以用于这类“非灵活”的多光束终端，但本发明的优选实施例采用上述“灵活”的配置，其中，任一阵列位置是能活动的并动态地可寻址的。一种灵活的阵列的非限制性应用，是能使移动通信的个人快速地调度某一局域网(LAN)，同时在网络节点数量和/或物理定位上提供动态的变化，并跟踪和校正节点间的相对运动。
要实现成本效益，灵活的发射机阵列，可以采用垂直腔表面发射激光器(VCSEL)部件与一M×N数字纵横交换机的组合。或者，在几乎定居的阵列中，可以用分立的激光二极管取代VCSEL。VCSEL的优点，在于它们同时发射多横模(MTM)的能力。多横模光源可以降低FSOC链路中大气压的闪烁效应。利用MTM光源，光束在某种程度上几乎是均匀化的，因闪烁产生的附加相位加扰，可以极大地降低。这种效应也可以用定制的光学单元，在传输前对相位波前加扰来产生或增强。作为一个非限制性例子，可以采用DOE/HOE或简单的漫射器。这种技术也可以在指定应用中产生需要的光束角度。
作为电子学配置的一种变化，每一纵横交换机可以用全光纤的光交换机实现。全光纤的主要优点在于，激光器的单元数可以减少至与输入信号数匹配。发射单元阵列可以包括完全定居的光纤束，这些光纤束的构造和大小，可以取要求的单元中心到中心的间隔。
虽然发射机阵列可以包括空间上呈周期性的两维点光源发射器阵列，但落在接收机阵列上的光束，可以预期入射在该阵列中与用户节点的角位置有关的任一定位上。因此，该接收机阵列的各单元，应有最大可能的活动面积(高达该阵列要求的空间分辨率)和可能的最高填充系数(或光电检测器各单元间非常小的盲区)。还有，与一相应光电检测器单元的检测器、前置放大器、和反馈电阻等部件连接的节点，必须相对地“在物理上短”，以便保持接收机的带宽性能。在两维的接收机阵列中，由于供安装部件的第二维产生的损耗，该节点的长度可能变得不能接受。接收机阵列可以用光纤束构成，光纤束各输出通过一套光纤光交换机，被(光纤)路由至优化的分立光电检测器子集。
附图说明
图1示意地画出常规的短距离的自由空间光(基于激光器)通信系统；
图2示意地画出常规的长距离的自由空间光(基于激光器)通信系统；
图3示意地画出常规的中枢/辐条结构的多点到一点的自由空间光通信系统；
图4按照本发明，示意地画出一种(电子学的)灵活的多光束光收发机；
图5画出远心透镜结构的一个例子，可用于图4的收发机；
图6画出一种用于单向终端的远心透镜结构；
图7是与共同孔径有关的光束形成的几何图解；
图8示意地画出一种供电输入信号使用的非灵活的多光束光发射机；
图9示意地画出一种供光纤光输入信号使用的非灵活的多光束光发射机；
图10画出一种电子学上灵活的发射机阵列，它采用与纵横交换机耦合的垂直腔表面发射激光器；
图11画出一种电子学上灵活的发射机阵列，它在与纵横交换机耦合的几乎定居的阵列内，采用分立的激光二极管；
图12和13画出采用光纤光学纵横交换机的相应发射机阵列；
图14图示一个链路分析汇编结果的例子，可用于确定阵列大小及可寻址的关注的场；和
图15画出接收机阵列的另一个实施例。
具体实施方式
按照本发明，作为一种(电子学上)灵活的多光束光收发机(AMOX)而构建的多光束通信设备的一个非限制性实施例，可用于一点到多点的中枢，示意地画在图4中的该设备包括：画在虚线框10中的多端口的输入输出单元，耦合至接收的电信号，如通过各种信号传输路径提供的那些信号，其中包括通过数字电信网络传送的(用户)信号。作为一个非限制性的例子，如沿发射方向，该输入输出单元10可以包括M个输入乘N个输出的纵横交换机11，该纵横交换机可以是通常作为电信服务供应商中心局设备一部分而安装的类型。
纵横交换机11的作用，是使加于M输入端口12阵列的任一输入端口的信号，能在电子学上可控地(由相联的控制处理器100)操纵，送至N输出端口13阵列的任一输出端口。交换机11的N输出端口13又连接至一套发射机驱动电路20各个信号输入21，发射机驱动电路20各输出22，耦合至各光发射器单元30集成阵列各信号输入。而在一个扩展体积多点传输覆盖的优选实施例中，光发射器阵列30可以包括1×K单元的阵列，该光发射器阵列30是作为光发射单元(如激光器)的两维空间阵列而构建的，其输出各光束有预定光传输波长λT。作为一个非限制性例子，阵列30可以包括可从California，Sunnyvale的Novalux Inc.购买的激光发射器阵列，它有基本上平的输出表面32，有利于把该阵列与远心透镜系统40基本上平的输入面41紧密的光学耦合。
远心透镜系统40可以包括第一透镜单元50和第二透镜单元60，第一透镜单元50又有第一个基本上平的面51和第二个凸面52，第二个凸面52与邻接的第二双凸光束变换透镜单元60在光学上耦合。对两维光发射器阵列的情形，远心透镜被与激光器单元阵列30中心正交的轴70贯穿，远心透镜透镜单元的几何表面，是对称于轴70的旋转表面。
对本收发机例子，透镜单元50可以用第一和第二透镜块部件53和54粘结在频率选择(分色)界面55上形成，该界面能使光发射器单元阵列30产生的传输波长λT的光，通过界面55，并从第二凸面52出射，而有不同的接收机波长λR的光，当被面52从透镜单元60接收时，被透镜的分色界面55向着侧面56反射，在该侧面56上耦合着光电子接收机阵列130。该接收机阵列最好包括一前置的正入射带通滤波器。该滤波器与远心透镜装置中的波长选择分色反射镜结合，对从接收的信号中有效地滤除背景光是起作用的。
在一种另外的配置中，透镜单元50可以按两个子部件实现，如在图5(该图画出与三条双向信道有关的发射和接收)中的80和90所示。在图5的远心透镜结构中，第一子透镜部件80由其间有一分色界面55的两个粘结的部件构成，与图4的结构相同。子透镜部件80有第一个基本上平的面81和第二个平的面82，光发射器阵列30与面81耦合，第二个平的面82与第二子透镜部件90有关平的面91邻接。子透镜部件90有凸面92，在光学上与邻接的双凸光束变换透镜单元60耦合。
如图4所示，对沿通过透镜单元60出射面66上孔径64内焦点62的路径，并从透镜单元60出射面66上孔径64内焦点62发散，入射透镜单元50上一般是平面表面51的光束，远心透镜装置40能有效地执行该光束的几何变换。如图5所示，透镜系统各参数，要能使孔径64的直径，足够容纳阵列30内每一发射器发射的光束的扩展。通过简单地控制阵列30耦合的表面51与远心透镜之间的距离，使发射的光束(有传输波长λT)散焦成必要的光束角宽度值。这一步不影响光束方向的操纵。
远心透镜执行的几何变换，是使从透镜单元60出射面66出射光束的传播路径所向着的，并从中心光束轴70(该光轴通过远心透镜的焦点62)发散的角度α，能按照它在阵列30内相应发射器偏离光束轴70的两维空间位移而确定。因此，如在图4中所示，由阵列30内较靠近光轴70的激光发射器发射的光束bi，在通过焦点62离开光轴70时，将比离光轴较远的激光发射器发射的光束bj，经历较小的发散角。
如上所述，这意味着，载有特定信号信道的光束要求的传播路径，容易通过控制向两维光束单元阵列30馈送信号的纵横交换机11而确定，据此可以操纵信号，把加于交换机输入端口12中无论哪一个端口的信号，送至交换机输出端口13中应该到达的一个端口，该端口与其相关的光单元阵列30中的光束单元，是产生该指定传播路径的光束单元—根据空间的分离到角发散的变换的几何参数。
就是说，本发明能以精确的发射器位置与其角发射方向之间的关系，把光发射器两维平面阵列发射的多个光信号，投射成为通过共同分享的远心透镜孔径的、不同发散的自由空间光束。反之，沿接收的或返回的路径方向，远心透镜接纳多束接收的光束，并把它们引导至两维的接收机阵列。透镜系统的光学装置，产生典型的Fourier变换操作，并使各焦平面位置与各光束角方向唯一对应。
在预定光接收机波长λR上被接收的各光束，最好是散焦的，以便它们在光电子接收机阵列130上的点，适当大于该阵列的任何盲区。该散焦作用避免了对衍射受限的光学性能的要求，所以透镜部件90和60可以用一对简单的球面透镜实现。
上面已经简要指出，对本例一点到多点收发机的应用，透镜单元50上分色材料镀层的界面55，把面52接收的光，从透镜单元60向侧面56反射，该侧面56与光电子接收机阵列130耦合。如在发射机阵列30的情形中一样，虽然光接收机阵列130可以包括光电检测器单元线阵(1×J)，但最好用对光接收机波长λR有灵敏特性的光电检测器单元的两维阵列，该λR不同于光的传输波长λT。
作为一个非限制性例子，该光电检测器阵列130可以包括购自Princeton N.J.Sensors Unlimited Inc.的光电检测器阵列，它有基本上平的输入表面132，有利于把该阵列与透镜单元50基本上平的侧表面56紧密的光学耦合。因为该收发机的应用，提供与每一远程地点的双向通信，所以光电检测器阵列130可以与激光器发射器阵列30有相同的有效大小，以便它的光电检测器各单元易于对准在其上被远心透镜引导的来自远程地点的输入光束。
光电检测器阵列130的信号输出端口，连接至一套接收机解调器140的各个信号输入，接收机解调器140各输出耦合至X输入乘Y输出的纵横交换机150各信号输入。输出的纵横交换机150可以与输入的纵横交换机11互补，于是有X＝N和Y＝M。如果是这样，则在双向通信的情形下，输出纵横交换机150的输出信号可以送至与发射侧的纵横交换机11耦合的数字用户线。按与发射纵横交换机11互补的意义，接收机纵横交换机150的作用，是使从接收机解调器电路140加于X＝N输入端口151任一个的信号，能可控地用电子学操纵，送至它的Y＝M输出端口的任一个。
图4中还画出一种与有关的聚焦透镜162耦合的辅助跟踪(两维)光电检测器阵列160。阵列160可以包括常规的电荷耦合器件(CCD)接收机阵列。跟踪阵列160各输出耦合至控制处理器100，如上所述，该控制处理器100通过它对纵横交换机30和130的控制，确定各信号光束在空间上的操纵。该辅助阵列160用于监控来自节点的一束或多束光束，这些节点相对于中枢地点的空间定位，是事先精确了解的。在‘跟踪’光束的空间定位中，任何偏离该节点在跟踪阵列160上的偏移，被控制处理器用作误差校正信号，必要时在控制处理器100向纵横交换机30和130发送的操纵命令中，给出适当的(X-Y)校正，以提供实时的瞄准/跟踪校正能力和大气压校正能力。
虽然图4和5中所示的光收发机实施例，如上所述，可以采用常规的球面透镜，但应指出，使用别的部件，如衍射光学单元(DOE)或全息光学单元(HOE)，可能存在大的成本和性能优点，应当了解，这类单元在波长依赖性方面，必须在设计两种波长的收发机系统过程中计及。
还有，虽然AMOX的结构，如上所述，能使所有发射和接收的光束分享共同的孔径，但这不是功能上必需的。在某些应用中，把发射和接收的光束在两个空间上分开的孔径间分束是有利的，所以在图4和5的实施例中，不一定必需采用波长(发射对接收)分离。该种光束分割的可能的优点，包括改善信号收集的较大的接收机孔径，对特定的发射和接收阵列配置最优化，及降低DOE/HOE光学单元(如果其中使用的话)的复杂性。
如图6所示，该种单向终端的光学配置，除了缺少供AMOX结构的相应发射或接收部分使用的分色光束分束器外，与画在图5的类似。注意，该终端用作自适应多光束光发射机(AMOT)或自适应多光束光接收机(AMOR)。无论是实现AMOX、AMOT、或AMOR，光学系统的部件可以立刻按比例缩放成特定的阵列并满足光束形成的要求。颇为大量的灵活性从而可用于适应广泛范围的系统应用，包括在关注的场(FOR)中相互有关的变化、数据速率、链路范围、等等。
不论是采用集成的发射/接收实施例，或是采用使发射和接收分开的实施例，各光束都分享一共同孔径，所以在整个FOR上都存在邻近的近场光束的覆盖问题。此外，如图7的光束形成几何图解所示，图中相邻发射光束之间的角度Θi，不大于光束内(例如-3dB的光束边缘)的角宽度Θd，在远场区也同样存在邻近光束的覆盖问题。光束空间的最有效利用出现在Θi＝Θd的情形。在这种情形下，在距离为LS＝Dt/tanΘi时，相邻的光束变成“可分辨的”(例如，中心线以光束宽度的一半分开)。
用于上述FSOC终端的发射机阵列，可以按各种不同的方式实现。在只有少数远程节点的较简单的应用中，这些节点一般也是在空间上稳定的，那么可以采用几乎定居的不可交换的阵列。这样一种‘非灵活’应用的主要例子，包括使用Ethernet网络来“局部地”连接彼此十分接近的建筑物。
对这样的一种应用，在图8的实施例中，把相对地受限制的一套分立的激光光源191与接收的电输入信号耦合，而在图9的实施例中，则是把光输入信号196耦合至激光放大器195。各激光器的输出经过相关的光纤阵列192的硬布线，连接至光发射器阵列平面194内各个空间定位193，远心透镜为各激光器输出产生空间到角度的变换，将引导发射器的光束沿要求的用户节点的角方向。图9的光纤输入实施例的好处，在于相应的输入信号在发射进自由空间之前，只要求光放大这一事实。可供选择的是，光纤阵列可以包括完全定居的光纤束，其中只有特定的光纤根据用户的要求被连接至激光光源。两种情况下，如图所示，M个输入数据信道都明确地映射至M个输出光束方向。
虽然本发明可以用于这种‘非灵活’多光束终端，但本发明的优选实施例采用上述参照图4-7的‘灵活’的配置，其中，任一阵列位置都是能活动的且动态地可寻址的。灵活的阵列一个非限制性的应用，是能使移动通信个人快速地调度某一局域网(LAN)，同时在网络节点数量和/或物理定位上提供动态的变化，并跟踪和校正节点间的相对运动。
为了实现成本效益，灵活的发射机阵列、垂直腔表面发射激光器(VCSEL)部件、可以与M×N数字纵横交换机组合，作为阵列30，如示意地在图10的结构中所示。另外，如图11的实施例所示，在几乎定居的阵列中，VCSEL可以用分立的激光二极管191代替，与图8的实施例类似。使用VCSEL的优点，是它们同时发射多横模的能力。原因与发光二极管(LED)消除多模光纤链路中模式噪声的能力类似，多横模(MTM)光源也可以显著地降低FSOC链路中大气压的闪烁效应。
闪烁是大气中多路径传播的结果，由于空气折射率的不均匀性，导致光束在时间上与自身干涉，既有相长干涉，也有相消干涉。但是，与用单横模光源出现的问题比较，利用MTM光源，光束已经在某种程度上“预加扰”或均匀化，所以，由于闪烁产生的附加相位加扰效应，可以极大地降低。这种效应也可以用定制的光学单元，在传输前对相位波前加扰来产生或增强。作为一个非限制性例子，可以采用DOE/HOE或简单的漫射器。这种技术也可以在指定应用中用于产生需要的光束角度，从而两个目的都有效地达到。
上述M×N数字纵横交换机可以按各种不同的方式实现，例如，但不限于：专用集成电路(ASIC)和逻辑控制高速交换机(LCHSS)。ASIC装置有若干显著的技术优点，包括非常高的封装密度(只有一个芯片)、可靠性、和较低的功率要求。但是，在小批量中，ASIC可能是不实际的，因为它们高的配套成本和在ASIC车间里长的持续的储备。用LCHSS把若干高速数字交换机互连，以路由数据信号和字段可编程网关阵列(FPGA)、以控制交换机的配置。该种实施方法有相对低的成本并能封装在小的体积中。
发射阵列各激光发射器的电偏置，也必须个别地控制，以维持整体的低功率工作和降低热积累效应。例如，如果采用同时发射最大10束光束，那么可以用10个电流源控制这些发射器，这些电流源通过半导体开关切换至激光器，并由用于控制数据交换的同一FPGA控制。
另外，纵横交换机可以用全光纤的光交换机实现，如示意地在图12和13中的120所示。用光纤的主要优点，是激光器单元191(如发射波长为1550nm)的数量可以缩减到与输入信号数量匹配。在图12和13的实施例中，发射单元阵列123由完全定居的光纤束构成，这些光纤束的构造和大小，可以取要求的单元中心到中心的间隔。
按照一点到多点(PMP)的应用，已经进行了初步的链路分析，研究了数据速率、链路距离、光束宽度、阵列单元数、光功率、可寻址的关注的场(FOR)、背景光噪声等等的相互关系问题。假定PMP网络中用户的节点是单信道的(即单一激光器、单一检测器)。如果是这样，它们可以采用集中孔径，并以常规方式，按照关闭与多信道中枢终端的双向链路那样的光束宽度来发射光束。作为一个非限制性例子，可以假设用6.0英寸的固定的用户集中孔径。
图14图示一个链路分析汇编结果的例子，可用于确定阵列大小(要求的发射器数)及可寻址的关注的场(FOR)。具体说，图14按39和622Mbps的数据速率，要求覆盖30°到90°之间的FOR的范围，画出阵列发射器数。例如，工作在1km距离上，数据速率是622Mbps，和30°×90°的FOR，要求发射阵列的数量级为20×60发射器单元。
接收机阵列一般要求比发射机阵列更复杂的配置。虽然如上所述，发射机阵列可以包括空间上呈周期性的两维点光源发射器阵列，但落在接收机阵列上的光束，可以预期入射在该阵列中与用户节点的角位置有关的任一定位上。因此，该接收机阵列的各单元，应有最大可能的活动面积(高达该阵列要求的空间分辨率)和可能的最高填充系数(或光电检测器各单元间非常小的盲区)。
此外，与一相应光电检测器单元的检测器、前置放大器、和反馈电阻等部件连接的节点，必须相对地“在物理上短”，以便保持接收机的带宽性能。在两维的接收机阵列中，由于供安装部件的第二维产生的损耗，该节点的长度可能变得不能接受。为缓解该问题，检测器的前置放大器可以合并安装检测器的衬底上。另外，接收机阵列可以用图15中示意表明的结构，该图上画出，接收的光束集中在光纤束125的一端，光纤束各输出通过一套光纤光交换机120，被(光纤)路由至优化的分立的光电检测器127的一个子集。
图15的该种接收机结构，本质上是上述图12发射阵列结构的颠倒。为了获得高的填充系数，相应的光纤可以包含带有相对薄的包层的多模纤芯，如100/125微米的纤芯/包层直径。100微米的纤芯与工作在超过1Gbps的高性能光电检测器的活动面积，有较好的匹配。光纤束221中各光纤，能够按需要在物理上“展成扇形”，便于与光纤光交换机223对接。接收机模块223的高密度封装，可以用集成的接收机阵列加强，目前，商业上已可购得在一个衬底上封装高达1×16的接收机阵列。
从前面的说明显而易见，本发明利用自由空间光通信近期的和显现的技术进展，实现一种电子学上灵活的多光束收发机，供一点到多点的中枢内使用。该灵活的收发机，能使多束光束中的任一束被动态地路由，并通过较宽的场上一共同光孔径，在空间上沿各自不同方向，被重新引导至多个空间互异的地点或节点。此外，一种跟踪阵列主动地校正瞄准和跟踪误差，这些误差可能因节点的相对运动和大气压引起的畸变而产生。由于没有运动的零件，本发明在大小、重量、和成本方面都得到降低，同时改善了可靠性和功能度。
虽然我们已经按照本发明，画出并说明若干实施例，但应指出，本领域熟练人员熟知，所说的实施例不是对本发明的限制，而可以有许多变化和修改。因此，本领域一般人员显然知道，我们不希望受本文出示的细节及说明所限制，我们希望覆盖所有这些变化和修改。

Claims (20)

1.一种通信设备，包括
适合接收多个通信信号的多个输入端口，这些信号计划传输至各个不同的地点；
与所述多个输入端口耦合的光发射单元阵列；
与所述光发射单元阵列发出的各光束耦合的远心透镜装置，该远心透镜装置还能按照所述光发射单元阵列中发出所述光束的光发射单元的空间定位，引导所述光束的各光束通过一光孔径，沿各个不同方向，向着所述不同接收机地点。
2.按照权利要求1的通信设备，其中所述阵列包括一般是平的两维光发射单元阵列，该两维光发射单元阵列在光学上与所述远心透镜装置的第一、一般是平的表面耦合，本通信设备还包括一纵横输入交换机，该纵横输入交换机有适合接收所述多个通信信号的多个输入，和耦合至所述一般是平的两维光发射单元阵列的多个输出。
3.按照权利要求2的通信设备，还包括光电检测器单元的辅助阵列，用于监控来自一个或多个空间定位已知的地点的一束或多束光束，还用于向所述输入纵横交换机提供空间误差校正信号。
4.按照权利要求1的通信设备，还包括光电检测器单元的接收机阵列，而其中所述远心透镜装置，用于引导从不同方向通过所述光孔径入射其上的光束，到达所述接收机阵列各自的空间定位，并且还包括一纵横输出交换机，该纵横输出交换机有多个输入，适合接收所述接收机阵列所述光电检测器单元的输出，还有多个输出，从这些输出可以得到各输出信号。
5.按照权利要求4的通信设备，其中所述远心透镜装置包含一频率选择界面，该频率选择界面能使所述光发射单元阵列发出的第一波长的光，传送至所述远心透镜装置的一个输出面并从所述远心透镜装置该输出面发散，还能使第二波长并入射所述输出面的光，被所述频率选择界面反射至所述接收机阵列。
6.按照权利要求1的通信设备，其中所述光发射单元阵列包括多个光发射单元，该多个光发射单元适合接收所述多个通信信号，并有通过有关光纤耦合至光发射器阵列平面内各个空间定位的各光束输出，所述远心透镜装置产生的空间到角度的变换，引导发射的光束从该光发射器阵列平面，沿所述各个不同方向，向着所述不同接收机地点。
7.按照权利要求6的通信设备，其中所述光发射单元，包括垂直腔表面发射激光器(VCSEL)。
8.按照权利要求6的通信设备，其中所述光发射单元，包括分立的激光二极管。
9.按照权利要求6的通信设备，其中所述光发射单元的各输出，与衍射光学单元在光学上耦合。
10.按照权利要求6的通信设备，其中所述光发射单元的各输出，与全息光学单元在光学上耦合。
11.按照权利要求6的通信设备，还包括一光学纵横输入交换机，该光学纵横输入交换机有多个光输入，适合接收所述光发射单元阵列所述光束输出，该多个光输入还通过所述有关光纤，耦合至所述光发射器阵列平面内各个空间定位。
12.按照权利要求1的通信设备，其中所述光发射单元阵列包括多个光放大器单元，该多个光放大器单元适合接收以所述多个通信信号调制的光束，并有通过相关光纤耦合至光发射器阵列平面内各个空间定位的放大的光束各输出，所述远心透镜装置产生的空间到角度的变换，引导发射的光束从该光发射器阵列平面，沿所述各个不同方向，向着所述不同接收机地点。
13.按照权利要求12的通信设备，还包括一光学纵横输入交换机，该光学纵横输入交换机有多个光输入，适合接收所述光放大器单元阵列所述光束输出，该多个光输入还通过所述有关光纤，耦合至所述光发射器阵列平面内各个空间定位。
14.一种电子学上灵活的多光束光学收发机，包括第一纵横交换机，该光学收发机在其上有适合接收数字输入通信信号的各输入，还在其上有有选择地耦合至两维空间阵列的光发射单元的各输出，这些光发射单元用于提供输出光束，把所述数字输入通信信号输送至远心透镜系统的多个空间定位，所述远心透镜系统用于执行所述输出光束相应一束的几何变换，该光束按照偏离所述两维空间阵列内相关光发射器所述透镜轴的空间位移，从所述远心透镜系统的某一空间定位，沿发散路径，穿过透镜孔径中透镜轴上焦点，且其中所述远心透镜系统用于使所述光发射器单元发出的传输波长的光束，传送至所述远心透镜系统的光束发散面，并从所述远心透镜系统该光束发散面发散，还用于使以接收机波长入射所述远心透镜系统所述光束发散面的光，偏转至光电检测器阵列，光电检测器阵列的输出，耦合至第二纵横交换机，可以从该第二纵横交换机得到数字输出的通信信号，该数字输出的通信信号，是以接收机波长入射所述远心透镜系统所述光束发散面的光束传送的。
15.按照权利要求14的电子学上灵活的多光束光学收发机，还包括光电检测器单元的辅助阵列，用于监控来自一个或多个空间定位已知的地点的一束或多束光束，还用于给出控制所述第一和第二纵横交换机的空间误差校正信号，以提供实时的瞄准/跟踪校正能力和大气压校正能力。
16.一种执行一点到多点通信的方法，用于从第一通信地点到多个空间上互异的第二通信地点的多个第一通信信号，本方法包括的步骤有：
(a)以所述第一通信信号调制多个光束的各个光束；和
(b)有选择地把所述多个第一光束，耦合至远心透镜系统的多个空间定位，所述远心透镜系统用于执行所述第一光束相应一束的几何变换，该光束按照偏离所述空间定位所述透镜轴的所述空间位移，从所述远心透镜系统中它的空间定位，沿光束发散路径，穿过透镜孔径中透镜轴上的焦点，从所述透镜轴发散。
17.按照权利要求16的方法，其中的步骤(b)包括借助第一纵横交换机，把所述第一通信信号，可控地耦合至相应的光发射单元，所述光发射单元可用于提供所述第一光输出光束，把所述第一通信信号传送至所述远心透镜系统选择的空间定位。
18.按照权利要求17的方法，其中的步骤(a)包括调制由一般是平的两维光发射单元阵列产生的各个光束，该光发射单元阵列在光学上与所述远心透镜系统的第一、一般是平的表面耦合，又其中的纵横输入交换机，有多个适合接收所述通信信号的输入，和多个耦合至所述一般是平的两维光发射单元阵列的输出。
19.按照权利要求17的方法，其中所述远心透镜系统，能使所述光发射器单元发出的传输波长的所述第一光输出光束，传送至所述远心透镜系统的光束发散面，并从所述远心透镜系统该光束发散面发散，还能使以接收机波长入射所述远心透镜系统所述光束发散面的光，偏转至光电检测器阵列，光电检测器阵列的输出，耦合至第二纵横交换机，可以从该第二纵横交换机得到数字输出的通信信号，该数字输出的通信信号，是以接收机波长入射所述远心透镜系统所述光束发散面的光束传送的。
20.按照权利要求19的方法，还包括步骤：
(c)借助光电检测器单元的辅助阵列，监控来自一个或多个空间定位已知的地点的一束或多束光束；和
(d)按照所述光电检测器单元辅助阵列的输出，给出控制所述第一和第二纵横交换机的空间误差校正信号。
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