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Technisches Gebiet
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Die vorliegende Erfindung betrifft
allgemein Datenkommunikationssysteme und insbesondere optische Freiraum-Datenkommunikationsnetze.
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Allgemeiner Stand der Technik
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Traditionelle Telekommunikationssysteme, die
zwei oder mehr Standorte mit physischem Draht oder Kabel verbinden,
sind im allgemeinen auf relativ langsame Anwendungen mit relativ
geringer Kapazität
begrenzt. Um diese Begrenzungen zu behandeln, verwenden in jüngster Zeit
entwickelte Systeme Lichtwellenleiter. Die Fasern erfordern jedoch
immernoch eine physische Kabelverbindung. Um diese Begrenzung zu
entfernen, wurden Systeme entwickelt, die die freie Raumübertragung
einer oder mehrerer mit Daten modulierter Lichtstrahlen verwenden. Systeme,
die solche Strahlen verwenden, verbessern die Datengeschwindigkeit
und Kapazitätsraten (bis
zu 10 Gbps) sehr gegenüber
traditionellen drahtgestützten
Systemen und vermeiden gleichzeitig die Infrastrukturkosten traditioneller
Kommunikationssysteme des Legens von Faserkabel, um einen Standort
in dem System physisch mit einem anderen zu verbinden. Anstelle
von Kabeln bestehen optische Freiraum-Kommunikationssysteme teilweise aus mindestens
einem Sendeteleskop und mindestens einem Empfangsteleskop zum Senden
bzw. Empfangen von Informationen zwischen zwei oder mehr Kommunikationsstandorten.
Jedes dieser Teleskope enthält
Optik, die mindestens aus einem Primärspiegel und einem Sekundärspiegel
oder einer Linse besteht. Das Sendeteleskop verwendet seine Optik zum
Senden des Lichtstrahls zu dem Empfangsteleskop. Das Empfangsteleskop
verwendet seine Optik zum Fokussieren des ankommenden Lichtstrahls
auf die Fokalebene des Teleskops. Im allgemeinen ist jedes Teleskop
an ein Kommunikationsnetz oder an eine andere Quelle bzw. an ein
anderes Ziel von Informationen angeschlossen. Im Betrieb empfängt das
Sendeteleskop Informationen über
Kabel oder drahtlose Übertragung
von seinem jeweiligen Netzwerk und sendet dann einen mit diesen
Informationen modulierten Lichtstrahl zu einem oder mehreren Ziel-Empfangsteleskopen.
Jedes Empfangsteleskop leitet Daten dann über eine Kabel- oder drahtlose Übertragung
zu seinem beabsichtigten Ziel in seinem jeweiligen Netzwerk weiter.
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Die oben erwähnten Freiraum-Kommunikationssysteme
hätten
deshalb scheinbar die Vorteile verringerter Kosten bei der Installation
und Wartung physischer festverdrahteter Teile von Netzwerken, während gleichzeitig
die Übertragungskapazität vergrößert wird.
Die optische Freiraumkommunikation kann jedoch durch vielfältige Faktoren
behindert werden. Da die Sende- und
Empfangsteleskope weit voneinander entfernt sein können, kann
es zum Beispiel schwierig sein, die Teleskope anfänglich auszurichten,
um sicherzustellen, daß der
gesendete Lichtstrahl auf die Fokalebene des Empfangstelekops einfällt. Auch
bei anfänglicher
Ausrichtung kann zusätzlich
eine Fehlausrichtung des Sende- und des Empfangsteleskops aus einer
etwaigen Versetzung des Lichtstrahls bei der Übertragung oder einer etwaigen Bewegung
entweder des Sende- oder des Empfangsteleskops oder ihrer jeweiligen
physischen Anbringungsplattformen resultieren. Als Folge einer solchen
Fehlausrichtung fällt
der gesendete Lichtstrahl möglicherweise
nicht auf die Fokalebene des Empfangsteleskops ein oder fällt möglicherweise
nur teilweise darauf ein, was zu einem Verlust oder zu einer Verschlechterung
der Kommunikationskollektivität führt.
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Ein anderes Problem bei der optischen
Freiraumkommunikation resultiert aus der Variation atmosphärischer
Bedingungen. Da Bedingungen wie zum Beispiel Nebel oder Schnee den
gesendeten Lichtstrahl in solchen Systemen stören können, muß genauer gesagt das Sendeteleskop
einen Lichtstrahl mit einer Leistung erzeugen, die ausreicht, um
in solchen variablen Bedingungen die Kommunikationskonnektivität aufrechtzuerhalten.
Ohne solche signalverschlechternde Bedingungen kann die Leistung des
empfangenen Lichtstrahls jedoch die Elektronik des Empfangsteleskops überlasten.
Obwohl die Leistung für
den Laser oder Laserverstärker
zur Kompensation reduziert werden kann, kann dies bedeuten, daß die Einrichtungen
mit Verstärkungen
betrieben werden, bei denen sie nicht effizient arbeiten.
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Aus EP-A-0 398 596 ist eine atmosphärische Kommunikationsstrecke
mit zwei Sendern/Empfängern
bekannt, die sich an jedem Ende einer Unterbrechung von Lichtwellenleiter
befinden. Das Licht wird von einem Sendeteil eines Senders/Empfängers zur atmosphärischen Übertragung
zu einem Empfangsteil eines Senders/Empfängers expandiert und kollimiert.
Im Empfänger
wird der empfangene Strahl optisch auf ein Ende eines Lichtwellenleiters
fokussiert, um Licht in diese Faser einzukoppeln. Die Optik in den
Sendern/Empfängern
ist auf einer Plattform angebracht, die in Echtzeit einstellbar
ist, um das empfangene Signal zu optimieren. Die optische Ausrichtung
kann automatisch durch Steuern des Senders aufrechterhalten werden.
Die Sender und die Empfänger
erfordern außer
dem ankommenden Strahl keine Kommunikation, um die optische Ausrichtung aufrechtzuerhalten,
und erfordern keine zusätzlichen Bit
in dem Datenstrom zur Telemetrie.
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Aus US-A-4,097,067 ist ein optisches
Kommunikationssystem bekannt, wobei mehrere Stationen in einer Gitter-,
einer linearen oder einer zufälligen
Anordnung angeordnet sind. Optische Signale von einer Master- oder
antwortenden Station werden von Station zu Station weitergeleitet.
Die Kopplung zwischen Stationen kann mittels optischer Linsen erreicht
werden, deren Fokalbereiche an elektronische Geräte angekoppelt werden, die
sich entfernt davon befinden können.
Empfangene optische Signale werden von den elektronischen Geräten detektiert,
regeneriert und weitergesendet, und die elektronischen Geräte leiten
ein Antwort-Lichtsignal zu der Master-Station ein, wenn das empfangene
optische Signal an die Empfangsstation adressiert ist.
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Aus US-A-5,142,400 ist ein Verfahren
und eine bevorzugte Vorrichtung zur Suche, Erfassung und Ausrichtung
zweier abgesetzter Lichtstrahlsender/-empfänger
bekannt, die sich für
die Verwendung bei der Satellitenkommunikation eignen. Ein erster Sender/Empfänger arbeitet
in einem Suchmodus, während
er eine Kommunikationsstrecke mit einem zweiten Sender/Empfänger, der
in einem Stare-Modus arbeitet, erfaßt. Jeder Sender/Empfänger weist eine
optische Achse und einen Retroreflektor auf, der einfallende Strahlen
reflektiert, die nicht im wesentlichen mit der lokalen optischen
Achse ausgerichtet sind, während
alle einfallenden Strahlen, die im wesentlichen mit der lokalen
optischen Achse ausgerichtet sind, nicht reflektiert werden. Jeder
Sender/Empfänger
enthält
eine achsenausgerichtete Strahlsendequelle, einen achsenausgerichteten
optischen Detektor für
ankommende Strahlen, ein Zeigesystem zum Richten der lokalen optischen
Achse in eine beliebige Richtung über einen hemisphärischen Bereich
und einen Strahlverfolger zum Aufrechterhalten der Ausrichtung nach
der Erfassung. Der Entscheidungsprozessor enthält ein Mittel zum Unterscheiden
zwischen optischen Strahlen, die von dem zweiten Sender/Empfänger reflektiert
werden, und optischen Strahlen, die von dem zweiten Sender/Empfänger gesendet
werden. Im Betrieb nimmt die Intensität des reflektierten Strahls
zu, wenn sich die beiden Sender/Empfänger der Ausrichtung nähern, aber
er fällt
auf 0 ab, wenn die Sender/Empfänger
die Ausrichtung erreichen. Die bevorzugte Vorrichtung enthält ein angepaßtes Paar
reflektierender Teleskope, die starr an einer kardanisch aufgehängten Plattform
angebracht sind, wobei die Sende- und Empfangsteleskopachsen präzise ausgerichtet
und parallel sind. Jedes Teleskop enthält einen Primärreflektor,
einen Sekundärreflektor
mit einem Cassegrain-Fokus hinter dem Primärreflektor und einem Tertiär-Retroreflektor
hinter einer Öffnung
am Scheitelpunkt des Primärreflektors.
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In US-B-6,239,88 koppeln Erbium dotierte Faserverstärker (ERDA)
optisch optische Signale zwischen Freiraum- und faseroptischen Strecken
eines terrestrischen optischen Kommunikationsnetzes. Die optische
Verstärkung
der Sende- und Empfangs-ERDAs wird geregelt, um eine gute optische Signalkommunikation
zu erzielen. Die Regelung erfolgt als Reaktion auf Signale, die
am Sende- und Empfangsende der Strecken empfangen werden. Zwischen
Streckenkopfstationen können
optisch Steuer-, Status- und Verwaltungsinformationen übermittelt
werden.
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Kurze Darstellung der Erfindung
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Die obigen Probleme in bezug auf
die anfängliche
Ausrichtung und den potentiellen Verlust der Kommunikationskonnektivität aufgrund
einer Fehlausrichtung, die während
des Kommunikationsbetriebs auftritt, werden mit der vorliegenden
Erfindung im wesentlichen beseitigt.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung
wird während
der anfänglichen
Ausrichtung des Sende- und des Empfangsteleskops die Querschnittsfläche des
gesendeten Lichtstrahls an dem Punkt, an dem sich das Empfangsteleskop
befindet oder befinden sollte, über
die normale Qerschnittsfläche
eines fokussierten (parallelen) Strahls hinaus vergrößert. Der Querschnitt
des gesendeten Strahls ist also am Empfangsende physisch größer, wodurch
die Wahrscheinlichkeit vergrößert wird,
daß der
empfangene Lichtstrahl auf der Fokalebene des Empfangsteleskops
einfällt.
Diese Zunahme der Querschnittsfläche des
gesendeten Strahls wird durch Variieren der Divergenz des gesendeten
Strahls bewirkt. Durch Überwachen
eines messbaren Signalparameters, wie zum Beispiel der Empfangssignalleistung,
am Empfangsteleskop und Bereitstellen einer bestimmten Art von Rückkopplung
zu dem Sendeteleskop kann die Divergenz des gesendeten Lichtstrahls
variiert werden, bis der Strahl auf den Lichtwellenleiter in der
Fokalebene des Empfangsteleskops einfällt. Nachdem der gesendete
Strahl in dem Empfangslichtwellenleiter durch Messen eines erkennbaren Pegels
der Empfangssignalleistung erkannt wurde, werden der Sendelichtwellenleiter/oder
der Empfangslichtwellenleiter miteinander ausgerichtet, um die Empfangssignalleistung
zu maximieren, indem bei einer ersten Ausführungsform das gesamte Sendeteleskop
physisch bewegt wird, bis die maximale gesendete Leistung auf dem
Empfangsteleskop einfällt.
Als Alternative ermöglichen
gemäß einer
zweiten Ausführungsform
anstelle der Bewegung der gesamten Teleskopvorrichtung, um die Ausrichtung
zu erzielen, bestimmte Teleskopspiegelentwürfe, wie zum Beispiel die durch
eine nicht-Standard-Kegelkonstante definierten, eine Bewegung nur
des Lichtwellenleiters, der sich in der Fokalebene des Sendeteleskops
befindet, sodaß der
gesendete Lichtstrahl auf dem Empfangsteleskop einfällt. Solche
Spiegel mit nicht-Standard-Kegelkonstante
sind der Gegenstand der gleichzeitig anhängigen US-Patentanmeldung mit
dem Titel „Telescope
for a Free-Space Optical Communication System” mit der laufenden Nr. 09/679,159.
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Weiterhin wird gemäß der vorliegenden
Erfindung nach dem Divergieren des Sendestrahls das Empfangsteleskop
physisch so bewegt, daß die
maximale Leistung des gesendeten Strahls auf dem Empfangslichtwellenleiter
einfällt.
Als Alternative wird, anstatt das gesamte Empfangsteleskop zu bewegen,
der Lichtwellenleiter des Empfangsteleskops in der Empfangs-Fokalebene
oder in der Nähe
davon bewegt, um die Leistung des auf den Lichtwellenleiter einfallenden
gesendeten Strahls zu maximieren. Wiederum wird die Bewegung des
Empfangslichtwellenleiters in der Fokalebene durch Verwendung spezifischer
Spiegel ermöglicht,
wie zum Beispiel der durch eine nicht-Standard-Kegelkonstante definierten.
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Nachdem die Ausrichtung erreicht
ist, indem das Sendeteleskop und/oder das Empfangsteleskop bewegt
oder indem der Lichtwellenleiter in der Fokalebene eines oder beider
dieser Teleskope bewegt wird, erzielt man maximale Empfangsleistung
durch Vermindern der Divergenz des gesendeten Lichtstrahls. Die
Ausrichtungsprozedur kann wiederholt werden, indem das Sendeteleskop
und/oder das Empfangsteleskop oder der Lichtwellenleiter in der Fokalebene
eines oder beider dieser Teleskope nochmals bewegt wird, bis wieder
eine maximale Empfangssignalleistung erkannt wird. Diese Prozeduren
können
mehrmals iteriert werden, bis der Lichtwellenleiter im Sendeteleskop
zu der Fokalebene dieses Teleskops bewegt wurde und ein fokussierter Lichtstrahl
von dem Sendeteleskop gesendet und von dem Empfangsteleskop, mit
dem es ausgerichtet wurde, empfangen wird. Diese selben Ausrichtungsprozeduren,
die eine variable Divergenz des gesendeten Strahls verwenden, können auch
während
der normalen Kommunikation verwendet werden, wenn eine Fehlausrichtung
aufgrund einer Versetzung des Sende- und des Empfangsteleskops auftritt,
die zum Beispiel auf Wind- oder andere Bedingungen zurückzuführen ist,
die bewirken können,
daß der
gesendete Lichtstrahl nicht in der Fokalebene des Empfangsteleskops
auf den Lichtwellenleiter einfällt.
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Kurze Beschreibung der Zeichnung
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1 zeigt
ein optisches Kommunikationssystem, das eine vorbekannte Teleskopvorrichtung während normaler
Kommunikationsbedingungen verwendet;
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2 zeigt
ein optisches Kommunikationssystem, das eine vorbekannte Teleskopvorrichtung verwendet,
wobei eine Störung,
wie zum Beispiel eine Turbulenz oder eine Dämpfung zwischen dem Empfangs-
und dem Sendeteleskop eine Verschlechterung oder einen Verlust der
Kommunikation bewirkt;
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3 zeigt
ein optisches Kommunikationssystem, das eine vorbekannte Teleskopvorrichtung verwendet,
wobei eine Relativbewegung zwischen dem Sende- und dem Empfangsteleskop
den Verlust oder die Verschlechterung der Kommunikation bewirkt;
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4 zeigt
ein optisches Kommunikationssystem, das aus einem Teleskop mit beweglicher
Optik besteht, um die Ausrichtung des Sende- und des Empfangsteleskops
zu erleichtern;
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5 zeigt
das Sendeteleskop in dem System von 4,
das in der Lage ist, den gesendeten Strahl zu divergieren und somit
die Empfangssignalleistung unter einer spezifizierten Schwelle zu
halten; und
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6 zeigt
das Empfangsteleskop in dem System von 4, das in der Lage ist, die Empfangssignalleistung
unter einer spezifizierten Schwelle zu halten.
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Ausführliche Beschreibung der Erfindung
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1 zeigt
ein Diagramm zweier optischer Kommunikationsteleskope 101 und 102 mit
vorbekanntem Teleskop während
normaler ausgerichteter Betriebsbedingungen in einem optischen Freiraum-Kommunikationssystem.
Der Laser 130 erzeugt einen optischen Lichtstrahl, der
die aus dem Netzwerk 110 empfangenen Daten moduliert und
auf dem Lichtwellenleiter 106 übertragen wird. Das Sendeteleskop 101 empfängt das
modulierte optische Signal über
den Lichtwellenleiter 106. Dann formen und senden der Primärspiegel 120 und
der Sekundärspiegel 121 den
modulierten Lichtstrahl so, daß der Strahl
auf der Fokalebene 125 des Empfangstelekops 102 einfällt. Das
Empfangsteleskop 102 verwendet seine Optik, die aus einem
Primärspiegel 122 und
einem Sekundärspiegel 123 besteht,
um den einfallenden gesendeten modulierten Lichtstrahl 103 auf dem
Empfangslichtwellenleiter 112 in der Fokalebene 125 des
Empfangsteleskops 102 zu fokussieren. Der Empfangslichtwellenleiter
sendet dann das modulierte optische Signal zu dem Empfänger 129, der das
optische Signal in ein elektrisches Signal umwandelt, die Daten
demoduliert und die Daten auf das Netzwerk 109 weiterleitet.
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In bestimmten Situationen fällt der
von dem Sendeteleskop 101 gesendete Lichtstrahl möglicherweise
jedoch nicht auf den Lichtwellenleiter in der Fokalebene des Empfangsteleskops 102 ein.
Zum Beispiel erfordert die Installation der Teleskope eine anfängliche
Ausrichtung, um sicherzustellen, daß der gesendete Strahl auf
der Fokalebene des Empfangsteleskops einfällt. Dies ist notwendig, um
eine anfängliche
Kommunikationskonnektivität
zwischen dem Sende- und dem Empfangsteleskop herzustellen. Wie in 2 gezeigt, können außerdem atmosphärische Störungen,
wie zum Beispiel Turbulenz 204 oder Dämpfung 205 an einem
beliebigen Ort entlang dem Weg zwischen den Teleskopen 201 und 202 verursachen,
daß der
gesendete Strahl 203 von dem direkten Weg zwischen dem
Sende- und dem Empfangsteleskop abweicht, sodaß er teilweise oder vollständig das
Empfangsteleskop 202 verfehlt. Das Ergebnis ist der Verlust
oder die Verschlechterung der Kommunikation zwischen den beiden
Teleskopen. In diesem Fall kann eine Neuausrichtung notwendig sein,
um möglicherweise
die Kommunikation wiederherzustellen und die Empfangsleistung zu
maximieren.
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3 zeigt
eine andere vorbekannte Situation, bei der der von dem Sendeteleskope
gesendete Lichtstrahl nicht auf der Fokalebene des Empfangsteleskops
einfällt.
In diesem Fall sendet das Sendeteleskope 301 einen Lichtstrahl 303,
der aufgrund einer anfänglichen
Fehlausrichtung oder einer relativen Bewegung zwischen dem Sende-
und dem Empfangsteleskop während
des Kommunikationsbetriebs nicht auf dem Empfangsteleskop 302 einfällt. Eine solche
Bewegung während
des Kommunikationsbetriebs könnte
sich aus Bedingungen mit starkem Wind, einer Bewegung der zugrundeliegenden
Stützstruktur
oder einer beliebigen Anzahl anderer potentieller Ursachen ergeben.
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4 zeigt
eine Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung, die eine variable Divergenz des gesendeten
Lichtstrahls zur anfänglichen
Ausrichtung des Sende- und
des Empfangsteleskops und/oder zur Neuausrichtung einer Fehlausrichtung des
Sende- und des Empfangsteleskops während der Kommunikation, wie
oben besprochen, verwendet. In dem Freiraum-Telekommunikationssystem in 4 erzeugt der Laser 419 einen
Lichtstrahl, der von dem Modulator 418 mit Daten aus dem
Netzwerk 410 moduliert werden kann. Dieser modulierte Lichtstrahl
wird dann zu dem Teleskop 401 gesendet, das den Strahl 403 so
formt, daß er
auf der Fokalebene des Empfangsteleskops 402, das mit dem
Netzwerk 409 verbunden ist, einfällt. Obwohl es eine physische festverdrahtete
Verbindung 417 mit relativ niedriger Bandbreite zwischen
den Netzwerken 409 und 410 geben kann, liefert
das Freiraumsystem eine schnelle Strecke mit hoher Kapazität zwischen
diesen Netzwerken.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung
fällt möglicherweise
vor der anfänglichen
Ausrichtung der gesendete Lichtstrahl nicht auf der Fokalebene des Empfangsteleskops 401 ein.
Mit Bezug auf 5 wird
somit während
der anfänglichen
Ausrichtung der Teleskope der Lichtwellenleiter 406 in
der Fokalebene des Sendeteleskops in der Z-Richtung zu einem Punkt
vor der Fokalebene entlang der Längsachse des
Sendeteleskops seines Primärspiegels 420 bewegt,
wodurch bewirkt wird, daß der
Lichtstrahl 504 divergiert, während er von dem Sendeteleskop
gesendet wird. Anstatt wie durch den Strahl 103 in 1 gezeigt mit einer gleichförmigen Querschnittsfläche gesendet
zu werden, divergiert also der Lichtstrahl mit einer zunehmenden
Querschnittsfläche, wenn
der Abstand von dem Sendeteleskop 401 zunimmt. Dadurch
vergrößert sich
wiederum die Wahrscheinlichkeit, daß der divergierende gesendete Strahl 403 auf
dem Lichtwellenleiter 412 in 4 einfällt, der
sich in der Fokalebene des Empfangsteleskops befindet. Diese Zunahme
der Querschnittsfläche
des Strahls führt
jedoch für
jede beliebige gegebene Querschnittsfläche im Empfangsteleskop 402 in 4 im Vergleich zu einem
fokussierten Strahl mit einer gleichförmigen Querschnittsfläche zu einer reduzierten
Signalleistung, da die maximale Empfangssignalleistung mit einem
fokussierten nichtdivergierten Strahl erreicht wird. Nachdem der
divergente gesendete Strahl als auf das Empfangsteleskop einfallend
erkannt wurde, und das Sende- und das Empfangsteleskop auf nachfolgend
beschriebene Weise ausgerichtet wurden, kann deshalb der gesendete
Strahl wieder fokussiert werden, indem die Divergenz durch Bewegung
des Lichtwellenleiters 406 in der Z-Richtung zurück in Richtung
der Fokalebene des Sendeteleskops reduziert wird. Der kleinere Querschnitt
des gesendeten Strahls führt
also zu mehr Leistung pro Flächeneinheit
des gesendeten Strahls im Empfangsteleskop. Eine solche variable Divergenz
mit anschließender
Neuausrichtung, ermöglicht
die Erzielung der größtmöglichen
Signalleistung durch Korrektur einer etwaigen anfänglichen Fehlausrichtung.
Dasselbe Verfahren kann auch zur Korrektur einer etwaigen nachfolgenden
Fehlausrichtung verwendet werden, die während des Kommunikationsbetriebs
zwischen dem Sende- und
dem Empfangsteleskop auftritt.
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Um das Sende- und das Empfangsteleskop auszurichten,
ist ein Rückkopplungsmechanismus wünschenswert,
um Informationen dazwischen zu übermitteln.
Wieder mit Bezug auf 4 wird
im Empfangsteleskop 402 der ankommende Lichtstrahl von
dem Fotodetektor 432 in ein elektrisches Signal umgewandelt,
das zu dem Empfänger 429 weitergeleitet
wird. Ein Leistungsmesser 408 mißt die Signalleistung des empfangenen
Signals und leitet diesen Meßwert
zu der Steuerung 430 weiter. Während den anfänglichen
Ausrichtungsphasen kann diese Empfangssignalleistung Null sein oder
unter einem spezifizierten Minimalpegel liegen. Die Steuerung 430 sendet
dann ein Signal zu der Steuerung 415 in dem Sendeteleskop,
um die Divergenz des gesendeten Lichtstrahls einzuleiten. Wenn die
Steuerung 415 dieses Signal empfängt, gibt sie ein Signal an
die motorisierte Stufe 416 aus, das die Bewegung des Lichtwellenleiters 406 zu
der Front der Fokalebene des Sendeteleskops 401 entlang
der Längsachse
seines Primärspiegels
(Z-Achse) bewirkt. Es ist zu beachten, daß jeder beliebige Mechanismus
zum Bewegen des Lichtwellenleiters in der Fokalebene des Sendeteleskops
in der Z-Richtung, wie zum Beispiel ein kalibriertes Einrücken mit
endlichen Schritten, verwendet werden kann. Solche Vorrichtungen
sind in der Technik wohl bekannt. Wie bereits beschrieben, führt diese
Bewegung des Lichtwellenleiters zu einem Punkt vor der Fokalebene
des Sendeteleskops zu der Divergenz des gesendeten Lichtstrahls 403,
sodaß er
am Empfangsteleskop 402 einen vergrößerten Querschnitt präsentiert.
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Um die Teleskope neu auszurichten,
kann es notwendig sein, den gesendeten Strahl umzulenken, sodaß er auf
das Empfangsteleskop einfällt,
wenn der Strahl nicht divergiert wird. Deshalb wird bei einer Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung das gesamte Sendeteleskop mit Kardanaufhängungen
oder einer beliebigen wohlbekannten äquivalenten Vorrichtung bewegt,
um den gesendeten Strahl so umzulenken, daß er auf dem Empfangsteleskop
einfällt. Bei
einer anderen Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung können
durch eine nicht-standard-kegelkonstante definierte Spiegel in der
Optik des Sende- und des Empfangsteleskops 401 bzw. 402 verwendet werden.
Die Verwendung solcher Spiegel bei der optischen Freiraumkommunikation
ist der Gegenstand der oben erwähnten
gleichzeitig anhängigen
Patentanmeldungen, auf die hiermit ausdrücklich Bezug genommen wird.
Spiegel mit einer nicht-standardkegelkonstante sind insofern vorteilhaft,
als ihre Verwendung in der optischen Freiraumkommunikation innerhalb
von Grenzen die Notwendigkeit beseitigt, die gesamte Sendeteleskopstruktur
zu bewegen, um die anfängliche
Ausrichtung zu erzielen oder um während des Kommunikationsbetriebs
eine Fehlausrichtung zu korrigieren. Stattdessen wird durch Verwendung
solcher Spiegel die Fokalebene des Sende- und des Empfangsteleskops
vergrößert. Durch Bewegen
des Sendelichtwellenleiters in dieser vergrößerten Fokalebene wird der
resultierende Strahl in einer anderen Winkelrichtung in Bezug auf
das Sendeteleskop gesendet. Anstatt die gesamte Teleskopvorrichtung 401 selbst
zu bewegen, sowie es bei vorbekannten Freiraum-Kommunikationsteleskopen notwendig ist,
kann deshalb ein Sendeteleskop, das Spiegel mit einer nichtstandard-kegelkonstante
verwendet, ausgerichtet werden, indem der Lichtwellenleiter 406 in
der X-Y-Ebene in der Fokalebene des Sendeteleskops bewegt wird,
sodaß der
gesendete Strahl auf dem Empfangsteleskop einfällt.
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Jede Fehlausrichtung aufgrund einer
Bewegung des Sendeteleskops kann wie oben beschrieben entweder durch
Bewegen des Sendeteleskops oder des Sendelichtwellenleiters korrigiert
werden. Falls das Empfangsteleskop jedoch nicht mit dem Sendeteleskop
ausgerichtet ist oder wenn es mehrere Zellen von Turbulenz oder
Dämpfung
in der Atmosphäre
gibt, kann es jedoch notwendig sein, außerdem das Empfangsteleskop
zu bewegen, um die Ausrichtung zu erzielen. Bei einer weiteren Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung wird deshalb das gesamte Empfangsteleskop 402 mit
einer kardanischen Aufhängung
oder beliebigen wohlbekannten äquivalenten
Vorrichtungen bewegt, um die Ausrichtung zwischen dem Sende- und
dem Empfangsteleskop zu erzielen und entsprechend die Empfangssignalleistung
zu maximieren. Wiederum kann jedoch bei einer weiteren Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung, die Spiegel mit einer nicht-standard-kegelkonstante
im Empfangsteleskop verwendet, ein Bewegen des gesamten Empfangsteleskops
unnötig sein.
Wie beim Sendeteleskop kann stattdessen ein Empfangsteleskop, das
Spiegel mit einer nichtstandard-kegelkonstante verwendet, mit dem
Sendeteleskop ausgerichtet werden, indem der Lichtwellenleiter 412 in
der X-Y-Ebene in der Fokalebene des Empfangsteleskops bewegt wird,
sodaß der
gesendete Strahl auf dem Empfangslichtwellenleiter einfällt.
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Da das gesamte Empfangssendeteleskop 401 oder
Empfangsteleskop 402 (oder jeweils die Lichtwellenleiter 406 oder 412 dieser
Teleskope) bewegt werden, sodaß der
Lichtstrahl 403 auf dem Empfangslichtwellenleiter 412 einfällt, kann
die Divergenz des gesendeten Strahls 403 verkleinert werden,
um einen besser fokussierten gesendeten Strahl 403 zu erhalten.
Um diese vergrößerte Fokussierung
zu bewirken, sendet die Steuerung 430 im Empfangsteleskop
ein Signal zu der Steuerung 415 im Sendeteleskop, das bewirkt,
daß es
die Divergenz des gesendeten Strahls reduziert. Dies wird durch
die motorisierte Stufe 416 erzielt, die den Lichtwellenleiter 406 zu
einem Punkt entlang der Längsachse
des Primärspiegels 420 (Z-Achse)
des Sendeteleskops bewegt, der sich näher bei der Fokalebene befindet. Iterative
Leistungsmessungen, gefolgt durch Variationen des Grads der Divergenz
des gesendeten Strahls 403 und Bewegungen des Empfangsteleskops 402 oder
des Empfangslichtwellenleiters 412 als Reaktion auf diese
Messungen können
notwendig sein, um eine Ausrichtung des Sende- und des Empfangsteleskops 401 bzw. 402 zu
erreichen.
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Nachdem die Ausrichtung wie oben
beschrieben erzielt wurde, kann bestimmt werden, daß der resultierende
maximale Leistungspegel nicht der optimale Pegel für den Kommunikationsbetrieb
ist. Zum Beispiel muß bei
Freiraumtelekommunikationssystemen der maximale Sendeleistungspegel
dergestalt sein, daß die
Kommunikation auch unter nebligen oder verschneiten atmosphärischen
Bedingungen möglich
ist. Dies bedeutet, daß zum
Beispiel bei klaren atmosphärischen
Bedingungen der maximale Empfangsleistungspegel die Empfängerelektronik überlasten
kann. Wenn die Empfangsleistung eine spezifizierte Schwelle übersteigt,
kann deshalb die von dem Empfangslichtwellenleiter empfangene Leistung
durch Bewegen des Lichtwellenleiters entweder des Sende- oder des
Empfangsteleskops 401 bzw. 402 entlang der Z-Achse
des Primärspiegels des
jeweiligen Teleskops reduziert werden.
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Im ersten Fall wird diese Reduktion
der Empfangsleistung durch Bewegen des Sendelichtwellenleiters 406 zu
einem Punkt vor der Fokalebene des Sendeteleskops entlang der Z-Achse
seines Primärspiegels 420 erreicht.
Wenn im Betrieb die von dem Leistungsmesser 408 gemessene
Empfangssignalleistung die spezifizierte Schwelle übersteigt,
sendet die Steuerung 430 ein Signal zu der Steuerung 415 in
dem Sendeteleskop, um die Sendeleistung zu reduzieren. Die Steuerung 415 sendet
dann ein Signal zu der motorisierten Stufe 416, um die Bewegung des
Lichtwellenleiters 406 zu einem Punkt vor der Fokalebene
entlang der Achse des Primärspiegels
des Sendeteleskops (Z-Achse) zu bewirken. Mit Bezug auf 5 bewirkt eine solche Bewegung
des Sendelichtwellenleiters 406, daß der gesendete Lichtstrahl 504 divergiert
und entsprechend die Querschnittsfläche des gesendeten Strahls
in der Fokalebene des Empfangsteleskops vergrößert. Außerdem wird wie bereits beschrieben,
durch diese Zunahme der Querschnittsfläche des Strahls die Leistung
pro Flächeneinheit
des Querschnitts des empfangenen Signals reduziert, sodaß weniger
Leistung auf dem Empfangslichtwellenleiter 412 in 4 in der Fokalebene des
Empfangsteleskops 402 einfällt. Iterative Messungen der
Empfangssignalleistung durch den Leistungsmesser 408 mit
anschließender
Rückkopplung zu
der Sendesteuerung 415 ermöglicht eine Einstellung der
Position des Sendelichtwellenleiters 406, um die Empfangsleistungspegel
unter der spezifizierten maximalen Leistungsschwelle zu halten.
Eine ähnliche
Reduktion der Empfangsleistung kann durch Bewegen des Sendelichtwellenleiters
hinter die Fokalebene des Sendeteleskops erreicht werden. Eine solche
Bewegung würde
jedoch dazu führen, daß der gesendete
Strahl an einem Punkt entlang des Weges des gesendeten Strahls vor
dem Einfall auf dem Empfangsteleskop konvergiert. Ein Strahl mit
einem kleineren Querschnitt reagiert empfindlicher auf Verzerrungen
aufgrund atmosphärischer Störungen als
ein Strahl mit einem größeren Querschnitt.
Wenn Korrekturmaßnahmen
(z. B. adaptive Optik), die solche Verzerrungen reduzieren oder
beseitigen, fehlen, kann als Ergebnis möglicherweise eine Reduktion
der Empfangssignalleistung durch Bewegen des Sendelichtwellenleiters
hinter die Fokalebene zu einer am Empfangslichtwellenleiter empfangenen
verschlechterten Signalqualität
führen.
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Im zweiten Fall wird, wenn die Empfangssignalleistung
die spezifizierte Schwelle übersteigt,
eine Verringerung der Empfangsleistung dadurch erzielt, daß der Empfangslichtwellenleiter
in der Z-Richtung entlang der Achse des Primärspiegels 422 des
Empfangsteleskops bewegt wird. In diesem Fall kann die Faseroptik
entweder zu einem Punkt vor der Fokalebene des Empfangsteleskops
oder als Alternative zu einem Punkt hinter der Fokalebene des Empfangsteleskops
bewegt werden. Jede Bewegung führt
zu einer reduzierten Signalleistung, die auf dem Empfangslichtwellenleiter
einfällt,
ohne daß die
Empfangssignalqualität
verschlechtert wird. 6 zeigt den
Fall, wenn der Empfangslichtwellenleiter zu einem Punkt hinter der
Empfangsfokalebene bewegt wird. In diesem Fall verwendet das Empfangsteleskop 402 seinen
Primär-
und Sekundärspiegel 422 bzw. 423,
um den ankommenden Lichtstrahl auf einen Punkt 601 in der
Fokalebene des Primärspiegels 422 zu
fokussieren. Dieser Brennpunkt ist der Punkt der maximalen Empfangsleistung.
Nachdem der ankommende Lichtstrahl an dem Brennpunkt 601 vorbeiläuft, beginnt
er jedoch zu divergieren, und die Leistung pro Flächeneinheit
des Strahls nimmt entsprechend ab, wenn der Abstand des Strahls
zu dem Brennpunkt zunimmt. Wenn der Leistungsmesser 408 in 4 eine Empfangssignalleistung
mißt,
die die spezifizierte Schwelle übersteigt,
sendet die Steuerung 430 ein Signal zu dem XYZ-Positionierer 411,
um eine Bewegung des Lichtwellenleiters 412 zu einem Punkt
zu bewirken, der etwas von dem Brennpunkt 601 zurückliegt,
wie zum Beispiel um einen Abstand 603, wodurch die auf
den Empfangslichtwellenleiter einfallende Leistung reduziert wird. Wie
bereits besprochen, kann eine ähnliche
Reduktion der Leistung erzielt werden, indem die Faser zu einem
Punkt vor der Empfangsfokalebene bewegt wird. Durch iteratives Messen
des Empfangsleistungspegels in dem Leistungsmesser 408 kann
die Steuerung 430 Signale zu dem XYZ-Positionierer 411 senden,
um die Position des Empfangslichtwellenleiters 412 so einzustellen,
daß optimale
Empfangsleistungspegel aufrechterhalten werden, die eine spezifizierte
Leistungsschwelle nicht übersteigen.