KR20010074507A - 레이저 통신 시스템 및 방법 - Google Patents

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KR20010074507A
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칼슨로버트티.
부커제시더블유.
캐바토앨빈
드리스콜데이비드
헤밀턴스콧
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추후제출
엘에스에이 인코포레이티드
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Abstract

풀 듀플렉스 광대역 데이터 송신을 위한 레이저 통신 시스템은 이색성 파장-다중화된 광학 시스템들을 가지는 제 1 및 제 2 단말기들을 포함하는데, 송신 및 수신 광은 동일한 구경의 경로를 통하여 다중화된다. 바람직하기로는, 광학 시스템들은, 송신 및 수신 레이저 광 모두의 방향을 결정하기 위한 제 1 및 제 2 미러들을 가지는 카세그레인 수신기를 구비하는 것이 바람직하다. 변조된 레이저 광은 고전력 레이저 다이오드에 의하여 발생되는데, 여기서 레이저 다이오드는 열전기 냉각기에 의하여 냉각된다. 변조된 레이저 광이 관통하여 진행하는 하우징 내의 윈도우는, 윈도우의 온도를 조절하기 위하여 전기적 전류가 적용되는 투명 저항성 코팅을 포함한다. 제 1 비구면 미러는 반사율이 높은 표면을 가지고, 바람직하게는 단일점 다이아몬드로 절삭된 미러 표면을 가지며, 단일 피스 형태로 알루미늄 서브스트레이트 상에 형성된다.

Description

레이저 통신 시스템 및 방법{Laser communication system and methods}
초당 1.5 메가 비트(Mbps) 이상의 광대역(고속) 데이터 전송은 현존하는 원거리통신 인프라 구조에 있어서는 전용 대역폭(예를 들어, 리스된 회선들)을 사용하기 때문에 비싸다. 방해받지 않은 시야 선(line of sight)이 존재하는 적당한 범위에 대해서는, 레이저 통신 링크가 고속 데이터 전송률의 전용 대역폭을 획득하기 위한 대안적 수단을 제공할 수 있다.
전술한 바와 같은 이유 및 다른 이유에서, 일반적으로 무선 정보 전송 시스템은, 고비용의 유선 장비들 및 단거리 통신에 있어서도 널리 보급된 고속의 원격 통신 장치들에 대한 대안으로서 점점 더 바람직하게 여겨진다. 무선 주파수 통신 시스템들은, 반송 주파수 및 통신 대역폭이 응용 분야에 할당되어 있어야 하기를 요구한다는 단점을 갖는데, 이것이 단점인 이유는 빔 폭(beamwidth) 및 사이드로브(sidelobe)가 넓어지면 넓어질수록 빔이나 사이드로브들이 서로 간섭을 일으킬 수 있기 때문이다. 그러므로, 광 주파수를 사용하는 통신 시스템에 있어서는, 단일 가시 회선(line-of-sight) 응용분야에서 간섭 문제를 발생시키지 않으면서 대용량 정보를 전송할 필요가 점점 증가되어 왔다.
마이크로웨이브 시스템들 역시 가시광선들이지만, 시장에 나와있는 이러한 마이크로웨이브 시스템들의 다수는 10Mbps 이상의 원하는 데이터 전송률(예를 들어, 45, 100 및 155Mbps의 전송률)을 제공할 수 없다. 더 고주파의 대역폭을 가지는 마이크로웨이브 시스템들(예를 들어 10Mbps 이상의)은 일반적으로 연방 통신 위원회(Federal Communication Committee)의 허가를 얻어야 하며, 지형적 및 건물에 의한 반향에 민감하기 때문에 고층 타워에 설치되는 것이 필요한데, 이 경우 비용이 상당량 증가한다.
대기 내의 자유 공간(free space) 레이저 통신은 수년간 달성될 수 있는 기술 분야로 인식되었으니, 상업적으로 상용화될 수 있는 레이저 통신 시스템들은 아직 그 수에 있어서 매우 드물다. 생산자들의 예를 들면, 렌체스터, PA에 있는 레이저 통신 아이엔시 사(Laser Communications Inc, LCI)(최근에 이스라엘 예루살렘에 있는 졸트 엘티디(Jolt, Ltd)에 인수되었다), 캐나다 온타리오에 있는 프로테온 사(Proteon, 이 회사의 전 이름은 실콤 테크놀로지 사(SilCom Technology)였다), 앵글우드 클리프, N.H.에 있는 캐논 유에스에이 사(Canon USA, Canobeam(TM), 및 샌디에이고, CA에 있는 애스트로테라 코포레이션 사(AstroTerra Corp., TerraLink(TM) 단말기) 들이 있다. 이러한 시스템들 각각은 서브 시스템의 기본 조합을 포함하는데 그것들은 다이오드 레이저, 빔-형성 광학 장치, 수신기(망원경 더하기 감지기), 전자 장치 및 역학적 하우징(housing) 들이다.
애스트로테라(TM) 단말기들은, 본 발명의 발명자들이 인식한 바에 의하면, 현존하는 상업적 단말기들 중에서 가장 장 레인지에 적용되는 단말기들이다. 이러한 경쟁 시스템들은 본 발명이 제공하는 레인지에 비해 짧은 레인지만을 제공하며, 이러한 종류의 설계 시스템은 원천적으로 신뢰성이 떨어지고 본 명세서에서 상세하게 설명되는 바와 같이 발명자에 의하여 제공된 본 시스템에 비하여 비용이 많이 발생한다.
라이스(Rice)에게 허여된 미국 특허 번호 제 5,347,387호는 듀플렉스 광학적 송수신기를 개시하는데, 이 송수신기에서는 시스템 내로 수신된 빛 에너지가 일단 포물면(paraboloidal) 미러에 의하여 빔 확장 미러(beam expander mirror) 상으로 반사된다. 그러면, 빔 확장기에 의하여 반사된 빛은 광 배플(baffle) 및 편광된 빔 회전 장치(beam rotating device)를 통과하여 지나간다. 그 이후에, 재시준된(recollimated) 빔은 입방 빔 분할기(cube beam splitter)를 통화여 다중화되고, 그 이후 애벌런치 포토다이오드 검출기 상에 다시 형상화된다. 전송 경로 내에서, 반도체 레이저 방출이 원형화되고 육각 빔 분할기에 의하여 다중화되기 이전에 원하는 빔 다이버젼스(divergence)로 콜리메이팅되고 송수신기 밖으로 전송된다. 라이스가 도달하는 및 방출되는 광 빔들을 다중화하기 위하여 편광을 사용했기 때문에, 라이스에게 허여된 특허에 의한 시스템은 전송 데이터의 대역폭으로 한정된다.
메이스(Mayeux)에게 허여된 미국 특허번호 제 5,390,040호는 카세그레인(Cassegrain) 수신기를 채택하여 가서 필드로부터 반사된 도달하는 빔을제 1 미러의 중앙부 상으로 수신하고, 상이한 파장을 갖는 방출 빔을 대기로 송신하기 위하여 송신기를 채택한다. 메이스의 특허에서 송신되고 수신된 빔들은 송수신기 내에서 두 개의 개별 경로를 통하여 이동한다.
릴(Reele) 등에게 허여된 미국 특허번호 제 5,422,900호는 집적 레이저 모듈을 구비하는 광학 콤팩트 디스크 라이터(compact disk writer)를 개시하는데, 본 특허에서는 수신 레이저에 연결된 레이저 드라이버 회로가 시스템의 다른 부분으로부터의 전기-자기적 간섭(electro-magnetic interference, EMI)으로부터 완벽하게 차폐된다. 또한, 이 특허는 레이저의 주 싱크부(sink)로 동작하기 위하여 금속으로 형성된 하부 하우징을 개시한다. 프라이만(Freyman) 등에게 허여된 미국 특허번호 제 5,640,407호는 온도를 조절하는 레이저 다이오드 어셈블리를 개시하는데, 본 특허에서 레이저 다이오드는 콤팩트 열전지 냉각기 상으로 직접 탑재되고, 그 전부가 열 싱크 상에 탑재된다.
사카나카(Sskanaka) 등에게 허여된 미국 특허번호 제 5,264,955호, 미하라(Mihara)에게 허여된 미국 특허번호 제 5,424,860호, 미하라(Mihara) 등에게 허여된 미국 특허번호 제 5,506,716호, 다나구치(Tanaguchi)에게 허여된 미국 특허번호 제 5,535,034호, 솔린스키(Solinsky)에게 허여된 미국 특허번호 제 5,142,400호, 칼슨(Carlson)에게 허여된 미국 특허번호 제 5,659,413호와 같은 다른 참조 문헌들이 다른 통신 기술 응용 분야를 제공한다.
하지만, 이러한 선행 기술에 의한 시스템 중 어느 것도 상당한 레인지 및 대역폭을 가지고 유용하고 신뢰성 있는 레이저 전송 시스템을 구현하려는 문제에 대한 최적의 해법을 제공하지는 않는다. 그러므로, 당업계에서 전술된 바와 같은 필요성을 만족시킬 수 있는 개량된 시스템에 대한 필요가 있어 왔다.
본 발명은 일반적으로 광대역폭(high bandwidth) 레이저 통신 장비, 레이저 레이더, 가시광선 및 적외선 원격 감지 장비, 장 레인지(long range)에 유용한 장치 및 기술 및 이러한 시스템을 생산하고 사용하는 방법에 대한 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 의한 광학-역학적 어셈블리를 보여주는 파쇄도이다.
도 2는 도 1에 도시된 광학-역학적 어셈블리의 단면도이다.
도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 의한 송신기 경로의 광학적 레이아웃을 나타내는 다이어그램이다.
도 4는 바람직한 실시예에 의한 수신기 경로의 광학적 레이아웃을 나타내는 다이어그램이다.
도 5는 본 발명의 본 발명에 따른 시스템의 바람직한 실시예를 나타내는 기능적 블록도이다.
도 6은 본 발명의 바람직한 실시예에서 수행되는 매체 변환기의 블록도이다.
도 7은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 송신기 전자 장치의 블록도이다.
도 8은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 수신기 전자 장치의 블록도이다.
도 9는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 파워 서플라이의 블록도이다.
도 10은 본 발명의 바람직한 실시예에서 수행되는 입/출력 기능의 블록도이다.
도 11은 본 발명의 가열된 윈도우 어셈블리의 바람직한 실시예의 파쇄도이다.
도 12는 송수신기 광학 장치의 단면도와 결합하여 도 11의 윈도우 어셈블리를 설명하기 위한 도면이다.
도 13은 본 발명에 다른 히트 파이프(heat pipe) 온도 제어 매커니즘의 제 1 실시예를 나타내는 도면이다.
도 14는 본 발명에 다른 히트 파이프 온도 제어 매커니즘의 제 2 실시예를 나타내는 도면이다.
그러므로, 본 발명의 한 목적은 개량된 레이저 통신 시스템을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은, 증가된 레인지를 갖는 레이저 통신 시스템을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은, 증가된 대역폭을 갖는 레이저 통신 시스템을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은, 증가된 신뢰성을 갖는 레이저 통신 시스템을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은, 생산비가 절감된 레이저 통신 시스템을 제공하는 것이다.
본 발명의 바람직한 실시예에서, 광학 송수신기는 제 1 미러에서 반사되고 구경 정지자(aperture stop)을 통과하여 집광되며 시야 필드로부터 도달하는 빔을 수신하기 위해 카세그레인 수신기를 채택하고, 제 1 및 제 2 미러들을 이용하여 상이한 파장을 갖는 방출 빔의 방향을 조절하기 위하여 송신기를 채택한다. 시스템에 입사되는 수신 광의 에너지는 일차적으로 제 1 미러 상으로 반사되고, 제 1 미러는 반사된 빔을 제 2 미러 상으로 집광한다. 제 2 미러로부터 반사된 빛은 돌출된 요철(protruding snout) 광 배플(light baffle) 및 필드 정지자(field stop)에 도달하고 여기서 원하지 않는 배경 광 및 축에서 어긋난 광 소스들이 필터링되어 제거된다. 필드 정지자를 지나는 수신 에너지는 집중되고, 빔 분할기에 의하여 파장이 다중화되고, 광학적으로 필터링된 후 애벌런치 포토다이오드 검출기 상으로 집광된다.
송신 경로에서, 반도체 레이저 방출 현상은 원형화되고, 바람직한 빔 다이버전스로 조절되며, 협대역 이광성 광학 필터를 통하여 진행한다. 그러면, 레이저 송신 에너지는 빔 분할기를 통하여 2색적으로(dichroically) 다중화되고, 송수신기 밖으로 송신된다. 레이저 드라이버 어셈블리는 열전기적으로 냉각되며, 전기자기 간섭으로부터 차폐된다.
바람직한 실시예에 의한 송수신기의 내부 광학 장치들은 포물선 형태의 제 1 미러 및 통합 알루미늄 마운트(integral aluminum mount) 및 제 2 미러를 구비한다. 송수신기는 실린더 형태의 알루미늄 캐스팅 내에 패키징되는데, 실린더 형태의 알루미늄 캐스팅은 비 및 눈으로부터 송신/수신 윈도우를 차폐하기 위한 캐스트 후드(cast hood), 관측 스코프(sighting scope)를 위한 캐스트 마운트 및 통합 캐스트 히트 싱크를 포함한다. 송신/수신 윈도우의 외장 표면은, 가시 광선 및 다수의 입사 태양 에너지를 반사시키기 위하여 저온-미러 코팅되고, 내장 표면은, 서리 제거 및 성애 제거를 위한 열적 제어 저항성 히터로서 전기적으로 도통되는 박막(film)을 사용한다. 송신/수신 윈도우의 내장 표면은 제 2 미러를 위한 평탄한 마운팅 표면을 제공한다.
본 발명은, 레인지가 1-20km 범위인 대기 링크에 적합한 광대역 레이저 통신시스템을 위한 비용 경제적인 장치를 제공한다. 각각의 레이저 통신 링크는 단말기 한 쌍 사이의 시야 선 및 점-대-점(point-to-oint)이며 다중 회선을 갖는 네트워크로 집적될 수 있는 것은 물론, 다른 통신 네트워크에 의해서도 인터페이스 된다.
본 발명의 전술된 바와 같은 및 이와 다른 목적들, 특징들 및 장점들은 첨부된 도면에 의하여 특별히 자세히 설명될 것인데, 첨부 도면에서는 동일한 부재에는 동일한 참조번호가 부여된다. 본 도면들은 그 자체로 강조하는 것이 아니라, 본 발명의 원리를 예시하는 데에만 강조가 이루어진다.
본 발명은 일반적으로, 전형적으로 1-20km 이상의 레인지에서 1.5Mbps 이상의 전송률로 고속 데이터, 음성 및/또는 비디오 전송을 위하여 사용되는 무선 대기 레이저 통신 시스템에 대하여 설명될 것이다. 당업자들은 본 명세서에 개시된 시스템 및 방법들이 레이저 레이더, 가시광선 및 적외선 원격 감지 장비 및 다른 응용 분야에 사용될 수 있다는 것을 알 수 있을 것인데, 이러한 응용분야들은 본 발명의 일부로 생각된다.
도 1은 본 발명의 바람직한 일 실시예의 역학적 어셈블리를 나타내는 파쇄도이다. 캐스트 하우징(94)은 윈도우 어셈블리(191), 레이저 어셈블리, 포커싱 조절기(221), 수광 및 송광 광학 장치들, 관측 스코프(23), 제 1 및 제 2 미러들(40 및 70), 레이저 드라이버 전자 장치 보드(67) 및 수신기 전자 장치 등을 포함하는 수 개의 서브 어셈블리들을 지원한다. 이러한 서브 어셈블리들의 구성 요소들은 도 1을 참조하여 자세히 후술될 것이다.
윈도우 어셈블리(191)는 가열된 모노리틱(monolithic) 윈도우 어셈블리(window assembly, 95), 캐스팅 윈도우 마운트(94), 연결 고리(101), 베릴륨 구리 접촉 스트립(122), 윈도우 복원기(retainer, 97) 및 캐스팅 윈도우 마운트(94) 등을 포함하는데, 캐스팅 윈도우 마운트(94)에는 제 2 미러(70) 및 제 2 미러 스페이서(spacer, 106)가 탑재된다.
바람직하기로는, 레이저 어셈블리는 열적으로 분리되며 열전기적 냉각기(TEC, thermoelectric cooler, 34)에 의하여 능동적으로 냉각되는 다이오드 레이저를 구비하는 것이 바람직하다. 더욱 바람직하기로는, 열전기 냉각기(TEC)는 특정 응용분야에 따른 적당한 크기, 적당한 전류 및 냉각 능력을 갖는 열전기 냉각기(TEC)를 구비하는 것이 바람직하다. 온도 제어는 각각 탑 및 바텀 열전기 냉각기 격리자들(TEC insulators, 116, 119), TEC 히트 싱크(117), 열적 스트랩(strap, 118) 및 열적 갭 패드(gap pad, 81)에 의하여 제공된다. 더 나아가, 레이저 어셈블리는 레이저 콜리메이팅 렌즈(41), 송신기 대역 통과 필터(42), 빔 분할기 프리즘(143), 흡수 필터(142) 및 빔 분할기 플레이트(43) 등을 구비한다. 레이저 어셈블리의 구성 요소들은 레이저 튜브(13) 내에 적당한 탑재 하드웨어을 이용하여 탑재되는데, 사용되는 탑재 하드웨어의 예를 들면, 빔 분할기 베이스(12), 빈 분할기 마운트(11), 레이저 복원 링(retainer ring, 10), 푸시 스페이서(push spacer, 8), 레이저 스페이서(9) 및 나이론 레이저 인서트(nylon laser insert, 74) 등이 있다.
바람직하기로는, 수신기의 포커싱 조절기(focussing adjustment, 221)는 스레딩된(threaded) 줌 베이스(zoom base, 87), 수신기 대역통과 필터(51), 수신기 스페이서(15), 수신기 제 2 콜리메이팅 렌즈(52), 수신기 포커싱 렌즈(53), 줌 셀(zoom cell, 89), 이송 스테이지(translation stage, 19), 이송 스테이지 플레이트(17), 및 이송 스테이지 프레임(18)들을 구비하는 것이 바람직하다. 포커싱 조절기(221)는 수신기 튜브(16) 내에 넣어지고 그 속에서 복원기(retainer, 14), 델린 링(DELRIN ring, 88), 및 수신기 튜브 로킹 링(locking ring, 86) 등에 의하여 고정된다.
수신기는 제 1 콜리메이팅 렌즈(50), 제 2 콜리메이팅 렌즈(52), 애벌런치 포토다이오드(93) 및 전자 장치 보드(65)를 포함한다. 입/출력(I/O) 전자 장치 보드(66)가 매체 변환기(사용자 장비들에 인터페이스 하는)를 송신기 (레이저 다이오드)/수신기 전자 장치에 인터페이스 하도록 제공된다. 도 5를 참조한다. 입/출력 전자 장치 보드(66)는 다른 입/출력 기능들도 핸들링하는데, 이러한 기능들은 레이저를 파워 업 하는 것, 전기자기적 간섭 및 서지 현상(surge)을 억제하는 것, 전기자기 간섭을 필터링하는 것, 및 시스템 상태 및 진단을 디스플레이하는 발광 다이오드를 제어하는 것 등이 있다.
배면 플레이트(104)는 상태 및 진단 발광 다이오드들을 탑재하기 위한 표면을 제공하고, 배면 플레이트 배젤(back plate bezel, 105)을 통하여 캐스트 하우징(94)에 단단히 고정된다. 바람직하기로는, 정렬 스코프(alignment scope, 23)는 적당한 레인지 및 적용 분야에 따른 사양(specification)을 위해 적합한 라이플 스코프(rifle scope)를 구비하며, 정렬 스코프 필터(107), 아이 필터 마운트(eye filter mount, 120), 및 도브테일 마운트 링(dovetail mounting ring, 22)을 포함한다.
전술된 바와 같은 서브 어셈블리들은 더욱 자세히 후술된다.
도 2는 도 1의 기계적 어셈블리의 단면도이며, 수신 및 송신 광학 장치의 어셈블리를 더욱 상세히 설명한다. 도 2에 도시된 장치는 미러 서브스트레이트(mirror substrate, 40), 제 1 미러 표면(200), 제 2 미러(70), 빔 분할기(204), 광검출기(93), 수신기 필터(208), 수신기 광학 장치(receiver optics, 217), 레이저 필터(210), 레이저(36), 배플(baffle, 214), 및 필드 정지자(216)을 포함한다. 이러한 구성 요소들은 하우징(94) 내에 탑재되며, 이 하우징에는 관측 스코프(sighting scope, 23)가 부착된다. 또한, 도 2는 시스템 내에 제공된 윈도우 어셈블리의 다른 실시예를 나타낸다. 글래스 플레이트(231, 233)들이 제공되고, 가열 요소(heating element, 229)가 글래스 플레이트(231 및 233)들 사이에 샌드위치 형상으로 삽입된다. 제 2 미러(202)는 내부 플레이트(233)의 내면을 바라보는 표면 상에 부착되고 저온 미러 코팅(cold mirror coating, 230)은 외부 플레이트(231)의 외부를 향하는 표면 상에 제공된다.
본 발명의 하나의 독특한 특징은 단일점(single point) 다이아몬드절삭된(diamond turned) 제 1 미러 표면(200)인데, 이 제 1 미러 표면(200)은 두꺼운 알루미늄 서브스트레이트(40) 상에 단일 피스 형태로 형성되고, 비구면 형태(포물선 형태)의 공칭 4 인치 내지 10 인치의 구경(aperture)이 제공되는데, 이러한 미러 표면들은 대량 생산에서는 복사된 광학 표면의 형태로 비용 경제적으로 제조될 수 있다. 포물선 형태의 표면 모양은 망원경의 축상(on-axis) 전송 및 수신 기능을 위하여 최적화된다. 알루미늄 서브스트레이트(40)는 역학적인 견고함 및 캐스트 하우징(94)으로의 마운팅 인터페이스를 제공한다.
수신 구경(receiving aperture, 222)은 프로테온 사(예전 이름은 SilCom) 또는 LCI 사에 의해 생산되었던 수신 구경들에 비하여 크다. 집합된 에너지는 수신 광학장치의 면적에 비례하기 때문에, 본 발명에서는(6 인치의 구경이 제공되는), 3-인치의 수신기에 비하여는 4 배의 및 2-인치의 수신기에 비하여는 9배의 인자로 장점을 제공한다. 또한, 구경(222)이 크면 클수록 본 발명에서는 구경 평균(aperture averaging) 역시 커지는데, 그 결과 대기 요동(turbulence)에 의해 유도되는 강도 변화(fluctuation)가 감소한다.
또한, 알루미늄 미러 서브스트레이트(40)는 송신 및 수신 경로 굴절 광학 장치들 및 그들의 하우징을 위한 기준 표면(reference surface)이다. 알루미늄 미러는, 특히 관심 대상인 파장에서 고속 전송을 보장하기 위하여 적용된 고굴절, 비변색(non-tarnishing) 광학 코팅을 가진다. 송신(레이저) 및 수신(검출기) 경로들은, 각각의 쌍을 이루는 송신기 및 상응하는 수신기를 위하여 사용되는 상이한 레이저 파장들로써 이색적으로(dichroically) 파장 다중화된다. 바람직한 실시예에서, 본발명은 저렴한 비용의 적외선에 근접한 다이오드(예를 들어 810nm 및 850nm)를 채택하는데, 본 발명은 이 실시예에 한정되는 것은 아니다. 파장의 바람직한 쌍들 중 어느 것도 적합한 응용분야에서는 바람직하게 사용될 수 있는데, 그 범위는 가시광선 파장으로부터 1550 nm 및 이보다 더 길 수도 있다.
수신기 경로 광학 장치 내의 필드 정지자(216)은 배플(214) 상의 긴 "돌출부(snout)"와 결합되어 제공되는데, "돌출부"는 이러한 구경 정지자보다 많이 돌출되며 광 배플(light baffle) 처럼 동작하여 배경 광 및 축에서 어긋난(off-axis) 광 소스들을 공간적으로 필터링하여(즉, 수신기의 시야 필드가 매우 좁아진다), 원하지 않는 광들이 시스템을 통과하여 검출기 상에 형상화되는 것을 방지한다. 이러한 특징들 및 도달하는 광 파장들을 대역 통과 필터링하는 것들에 의하여 시스템은 태양 또는 다른 광 소스들이 수신기의 시야선에 매우 근접해 있을 경우에도 동작할 수 있도록 한다.
바람직하게는, 본 발명은 고전력의 200mW GaAlAs 다이오드 레이저(36)를 사용하는데, 이 레이저(36)는 상응하는 수신기와 더불어 정합된 두 개의 소정 파장들 중 하나에서 동작한다. 그러므로, 두 개의 소정 송신 파장들 중 하나를 사용하고 다른 파장을 수신하는데 사용하는 정합된 송수신기의 쌍이 각 통신 링크의 반대편 말단에 제공된다. 바람직하기로는, 레이저 다이오드는 본 명세서의 해당 부분에서 후술될 방법으로 열전기적 냉각기에 의하여 능동적으로 냉각된다. LCI 사 및 프로테온 사(전 이름은 SilCom)종래 기술에 의한 장치들은 냉각되지 않는 40mW 다이오드를 사용했었다. 열전기적 냉각기와 고전력의 레이저를 결합함으로써, 본 발명은여분의 열을 생산함으로써 시스템의 신뢰성에 크게 영향을 미치지 않으면서 종래 기술의 설계에 비해 5 배의(five-fold) 전력 장점을 갖는다.
필드 정지자(216)을 지나서 수신된 에너지는 광학 장치(217)에 의하여 콜리메이팅되고, 필터(208) 내에서 광학적으로 필터링되어 송신기를 위한 배경 광 및 자발적 및 여기된 발광(emission)을 감쇄시키고, 광검출기(93) 상에 집광되는데, 바람직하기로는, 광 검출기는 최대 수신기 선택도를 얻기 위하여 애벌런치 포토다이오드(APD)인 것이 바람직하다.
송신 경로에서, 반도체 레이저(36)의 발광은 광학 장치(213)에 의하여 원형화되고 포획되어 원하는 송신 빔 다이버젼스(divergence)가 구현된다. 이러한 레이저 송신기 에너지는 협대역 광학 필터(210)를 지나 자발적 발광 현상이 수신기 채널 내에서 크로스 토크(crosstalk)를 야기하는 것을 방지하고, 또한 육각 빔 분할기(204)를 통하여 이색적으로 다중화되어 공통-경로 빔 확대 광학 장치들(202 및 200)로 전달되어 망원경 밖으로 송신된다. 빔 분할기에서는 인덱스-정합된 흡수성 빔 블록(index-matched absorptive beam block, 219)이 사용되어, 빔 분할기 코팅을 통해 확산되어 검출기로 다시 재반사되는 레이저 누설치를 최소화하기 위하여 사용된다. 본 발명에 의한 레이저 송수신기는 알루미늄 하우징(94) 내에 패키지되는데 알루미늄 하우징(94)은 비용 경제적인 대량 생산에 적합한 단일-피스 캐스팅이고, 본질적으로 모양은 실린더 형태이며, 비나 눈으로부터 윈도우를 보호하기 위한 개별 소자로서 통합 캐스트 후드(integral cast hood)를 포함하고, 관측 스코프(23)를 위한 통합 캐스트 마운트를 포함하고, 및 통합 캐스트 히트 싱크를포함한다.
전형적으로, 종래 기술에 의한 반사 시스템들은 기성품인(off-the-shelf) 망원경들을 사용했으므로, 저율의 반사율 및 최적이 아닌(sub-optimum) 반사 방지(antireflection) 광학 코팅을 가지는 벌크 시스템들이 되었다. 본 발명에서는, 제 1 미러는 거의 모든 광학적 구성 요소들을 위한 구조적 백본(structural backbone)을 형성하여, 간략화된 설계를 제공한다. 본 발명에 의해 제공된 망원경의 확대 기능은 송신기 및 수신기 간의 각 허용치(angular tolerance)를 감소시키고 다이오드 레이저(36) 및 콜리메이팅 렌즈(213) 간의 대기-간격 허용치를 완화한다.
본 발명의 바람직한 실시예에 의한 내장 광학 장치들을 위한 광학 역학적인 설계들은, 고속 조립 및 송신 및 수신 빔들의 정밀한 보어사이트 정렬(boresight alignment)을 용이하게 하는 두 개의 주된 서브 어셈블리들로 구성된다. 수신기 튜브 어셈블리(16)는 단일 기계이거나(single machined) 캐스트 유니트인데, 캐스트 유니트는 배플 돌출부(214), 필드 정지자(216), 제 1 미러 서브스트레이트(40)에 정합되는 기준 표면, 송신기 어셈블리를 삽입하기 위한 직각 구경(orthogonal aperture) 및 수신기 포커싱 렌즈 및 스페이서들을 내장한다. 3-축 이송 스테이지는 광축 상의 포커스 조절기(221)를 포함하는데, 이 이송 스테이지는 수신기 튜브에 부착되어 애벌런치 포토다이오드(APD) 검출기를 운반한다. 이송 및 확대 기능은 수신기 검출기를 송신 레이저에 보어사이팅(boresighting)할 경우 애벌런치 포토다이오드(APD)를 적당하게 위치시키기 위하여 사용된다. 송신기 튜브 어셈블리(13)는수신기 튜브 어셈블리(16) 내로 슬라이딩되고, 빔 분할기 큐브(204) 및 이의 팁-틸트 마운트(tip-tilt mount), 레이저를 위한 빔 형성 광학 장치(213) 및 광학 필터(210), 및 레이저 마운트 및 열적 고립 어셈블리(isolation assembly)를 포함한다.
도 3은 상기 설명된 바와 같이 바람직한 실시예에서 송신기 광 경로(light path)를 보다 상세하게 도시하는 다이어그램이다. 도 4는 바람직한 실시예의 수신 경로를 보다 상세하게 도시하는 유사한 다이어그램이다.
도 5는 본 발명에 따른 시스템에 대한 바람직한 실시예의 기능 블록다이어그램이다. 광대역, 고-전류 레이저 드라이버 전자장치는 레이저 수명을 연장하기 위해 저속-시동 및 과도 서지(Transient surge)보호 특성을 구비한다. 레이저 어셈블리는 열적으로 격리되어 있으며 열전기 냉각기(TEC) 및 비례-적분-미분(PID) 온도 제어기에 의해 능동적으로 냉각(혹은 가열)된다. 열은 동일한 수단에 의해 상기 레이저 드라이버 전자장치로부터 동시에 제거된다. 레이저 드라이버 회로는 상기 레이저가 작동 목표값(Setpoint) 온도로 냉각(혹은 가열)될 때까지 활성화되지 않는다. 상기 열은 (구리 스트랩 혹은 브라켓과 비교하여) 확장된 열 전달을 위해 상기 레이저에서 대용량 열전기 냉각기로 절연된 히트 파이프에 의해 운송된다. 대량의 알루미늄 캐스팅(94)은 최적 열 전달을 위한 열적 히트 싱크(Heat sink)로 사용된다. 이러한 열적 디자인은 사막에서의 작동과 같이 열적으로 열악한 환경에서 우월한 레이저 수명을 제공한다. 레이저 드라이버 전자장치 보드는 접지판(Ground plane)을 활용하고, 남아있는 5 면이 금속 커버에 의해 차폐되어, 수신기 전자장치를 손상시킬 수 있는 광대역 고-전류 펄스로부터 방사되는 전자기 간섭(EMI)을 억제한다.
상기 수신기는 최적 감도를 위해 애벌런치 포토다이오드(APD)를 사용한다. 바람직하기로는, 상기 애벌러치 포토다이오드, 그것의 이득 제어, 및 프리앰프와 양자화기 집적회로(quantizer integrated circuit)는 함께 선택되어 최적 수신기 감도 및 동적 범위를 제공하는 것이 바람직하다. 상기 프리앰프 출력은 저역통과 필터링되고 상기 양자화기에 AC-커플링되어 클럭 복구 및 데이터 재설정(retiming) 장치에 입력된다. 상기 장치의 위상 동기 루프(Phase locked loop) 특성은 페이딩(fading) 환경 채널에서의 사용을 위해 최적화된다. 상기 수신기 회로는 공통모드 잡음 저지(rejection) 및 전자기 간섭(EMI) 방출의 감소를 위해 미분 입력들 및 출력들을 채용한다. 상기 미분 재설정(differential retiming) 데이터는 사용자측 장치 혹은 중간 매체 변환기에 광섬유(fiber) 출력 인터페이스를 제공하는 광섬유 송수신기에 입력된다. 이와 유사하게, 상기 레이저 송신기로의 사용자 입력은 광섬유를 거쳐 상기 광섬유 송수신기에 입력된다.
수신기의 동적 범위는 매우 가까운 레인지에서 통신을 제공하기 위해 확장될 수 있다. 수신기에서 광학적으로 제어되는 자동 이득 제어(AGC:Automatic gain control)는, 전압제어 액정 장치를 이용하여, 전기 자동 이득 제어 회로를 보완하는 그러한 적용예에 제공됨이 바람직하다. 다른 방법으로서 혹은 수신기에서의 광 자동 이득제어에 부가하여, 상기 송신기는 단 레인지 통신용 적응 전력 제어를 제공할 수 있다.
도 6 내지 도 10은 도 5의 기능적 특성을 보다 상세하게 도시하는 블록 다이어그램들이다. 도 6은 매체 변환기 기능의 블록 다이어그램이다. 도 7은 송신기 전자장치의 블록 다이어그램이다. 도 8은 수신기 전자장치의 블록 다이어그램이다. 도 9는 파워 서플라이(Power supply)의 블록 다이어그램이며, 도 10은 입력/출력 기능을 도시하는 블록 다이어그램이다.
본 발명에 따른 레이저 통신 단말기(terminal)를 위해 준비되는 데이터 인터페이스 혹은 인터페이스들의 형태는 응용 분야에 따라 좌우된다. 전형적으로, 이러한 인터페이스들은 컴퓨터 네트워크 혹은 전기통신 전송장치에 채용되는 것들과 같은, 컴퓨터 및 전기통신 표준에 기반한다. 예를 들어, 표준 고속 이더넷 인터페이스는 상기 통신 시스템이 컴퓨터 네트워크 내에서 노드(Node)로서 설치될 수 있도록 바람직한 실시예에서 제공된다.
대안으로, 국제 텔레비전 표준 위원회(NTSC: National Television Standards Committee)규격을 따르는 장치의 비디오 인터페이스가 제공되어 비디오 데이터는 비디오 카메라 혹은 비디오 레코더로부터 전송될 수 있다. 45Mbps의 고품질 디지털 텔레비전도 또한 가능하다. 다른 실시예에서, VGA 컴퓨터 디스플레이에 대한 인터페이스가 제공된다. 동영상 전문가 그룹(MPEG:Motion Picture Experts Group)의 MPEG-2 규격에 따르는 전 동작(Full motion) 압축 비디오, 혹은 MPEG 혹은 NTSC 규격들에 따르는 다중(Multiplexed) 비디오는, 이러한 비디오 인터페이스 링크들로 전송될 수 있다. 어플리케이션의 요구조건에 따라 다양한 데이터 전송률(data rate)이 제공될 수 있다. 45Mbps(DS-3) 및 52Mbps (동기 광네트워크(SONET:Synchronous Optical NETwork) DC-1 및 비동기 전송 모드(ATM:Asynchronous Transfer Mode))에 부가하여, 데이터 전송률에는 100Mbps(고속 이더넷 및 광섬유 분산 데이터 인터페이스) 및 155Mbps (동기 광 네트워크 OC-3c/ATM) 등이 포함될 수 있다. 비록 최고의 데이터 전송률을 달성하기 위해서는 링크 거리(Link distance)를 줄이는 것이 필요하지만, 622Mbps 및 1.25Gbps의 데이터 전송률(비동기 전송 모드, 광섬유 채널, 및 기가비트 이더넷의 경우)도 또한 가능하다.
바람직한 일 실시예에서, 적응 데이터 전송률이 제공되어 날씨가 나쁜 동안에는 더 좋은 침투력(penetration)을 제공하기 위해 데이터 전송률을 감소시킨다. 예를 들어, 45 Mbps에서의 DS-3 링크는 가혹한 날씨동안에는 1.5Mbps의 단국들(Tributaries)중 하나로 떨어진다.
상기 시스템은 다양한 채널 및 보통 274Mbps까지 올라가는 데이터 전송률에서의 다중서비스 사용을 위한 장치를 연결하는 공통 데이터 링크(CDL:Common data Link) 인터페이스를 가질 수 있다. 이러한 어플리케이션들을 위한 레이저 통신 링크의 사용은 비밀 전송 및 무선-사일런트(radio-silent) 전송을 가능하게 한다.
본 발명에 따른 상기 시스템은, 스펙트럼 및 공간(Spatial) 필터링을 포함한다. 상기 스펙트럼 필터는 저온 미러(cold mirror), 대역통과필터, 및 이색성 빔 분할기를 포함한다. 공간 필터링은 중간 필드 정지자(intermediate field stop), 감지기의 관측 필드, 및 축에서 어긋난(off-axis) 광선을 차단하는 배플(Baffle)에 의해 주로 이루어진다.
성능은 다이오드 레이더의 파장을 제어하여 전송 및 수신 측 양쪽 모두에 협대역 필터를 사용하는 것을 허용함으로써 향상된다. 이것은 동일 송수신기(단말기)에서 수신기로 누설되는 송신기로부터의 자연발생적인 방출을 감소시키고, 수신기의 애벌런치 포토다이오드 상에 초점을 맞추었을 수신 광학장치에 의해 수집되는 배경 광(background light)을 감소시킴으로써 신호-대-잡음비(signal-to-noise ratio)를 향상시킨다. 열전기 냉각기(thermoelectric cooler) 없이, 상기 송신기의 신뢰성은 다이오드 온도가 증가함에 따라 감소한다.
본 명세서의 상세한 설명에서 당업자들에게 명백할 것인 다른 중요한 특성 중에서, 본 발명은 후술되는 진보적인 면을 포함한다.
특유한 실린더형의 캐스팅 알루미늄 하우징은 상기 캐스팅을 구성하는 다음의 특성들 : 송신/수신 윈도우 보호를 위한 통합 후드(hood), 통합 관측 스코프 마운트, 및 통합 캐스팅 히트 싱크를 구비한다. 상기 캐스팅 알루미늄 하우징은 또한 생산 비용을 감소시키고 전자 보드 및 유니트의 최상단에 관측 스코프를 위한 설치 영역을 포함한다. 상기 관측 스코프는 범용적인 라이플(Rifle) 스코프일 수 있으며, 또한 추적 센서를 구비할 수 있다. 상기 관측 스코프는 그것의 관측선이 수신기 조준선 및 밖으로 나가는 레이저 빔의 전송 축과 동일하게 조정된다. 상기 세 개의 축들은 벤치-탑(Bench-top) 광 정렬 시스템 혹은 필드 정렬 기법 중 하나에 의해 높은 정밀도로 정렬된다. 상기 스코프를 통해 관측하거나 혹은 비디오 카메라를 사용하여, 사용자는 상기 스코프의 십자선(crosshair)을 원하는 목표물에 위치시킴으로써 수신기 및 송신기 양쪽 모두의 조준 방향을 정확하게 지적할 수 있다.
상기 알루미늄 캐스팅은 대량 생산을 용이하게 하기에 특히 비용-효율적인 하우징이다. 알루미늄 캐스팅과 함께 알루미늄 미러의 사용은 열적으로 보상되는 디자인(예를 들어, 이차 디스페이스(Despace) 대 곡률의 주 반경 변화)을 허용한다. 상기 알루미늄 캐스팅은 기계적으로 튼튼하고, (예를 들어, 레이저 어셈블리를 위한 열전기 냉각기, 및/혹은 레이저 드라이버 보드 및/혹은 다른 내부 전자 장치로부터) 내부적으로 발생되는 열 부하들을 위한 대규모의 히트싱크로서 사용될 수 있다.
최대 구경 평면 윈도우 판(Full-aperture plano window substrate)은 (강하성 디자인(catadioptric design)에서와 같이) 배율이 있는 커다란 옵틱(Optic)의 비용이 필요하지 않고 또한 상기 윈도우에 상기 제 2 미러를 직접 접착시키기 위한 편평한 표면을 제공함으로써 스파이더(Spider) 어셈블리의 비용 및 정렬이 필요하지 않다.
저온 미러 코팅을 지닌 최대 구경 윈도우 및 외부의 윈도우 표면 상에 반영된 형상(mirrored appearance)은 태양열 제어 및 전술된 배경 광 반사 기능을 얻기 위해 제공된다.
전기적으로 전도성의 필름이 서리 제거 및 성애 제거를 위한 저항 히터로서 상기 윈도우의 내부 표면상에 제공된다. 망원경은 이차 미러가 설치되는 유리질의 윈도우에 의해 보호된다. 상기 윈도우는 두 가지 방법 중 하나로 가열된다.
도 11은 도 1에 도시된 본 발명의 가열 윈도우 어셈블리의 바람직한 실시예를 보다 상세하게 도시하는 파쇄도이다. 도 11을 참조하면, 바람직한 실시예는 모노리틱(Monolithic) 윈도우 히터 및 태양열 반사경을 구비한다. 유리일 수 있는, 모노리틱 윈도우 요소(95)는 서리, 얼음, 혹은 응결의 모임을 방지하기 위하여, 내부 표면상에 인듐 주석 산화물(ITO:Indium Tin Oxide)과 같은 인덱스-정합(Index-matched) 투명 저항성 코팅을 제공함으로써 균일하게 가열된다. 동일한 윈도우의 반대(외부) 표면은 태양 광 방사의 반사율 및 원하는 방사(예를 들어, 송신 및 수신 빔들)의 투과율을 최대화하기 위해 특별히 디자인된 저온 미러 코팅(230)으로 코팅된다. 상기 코팅(230)은 적외선 부위의 레이저 에너지를 95%의 효율로 통과시키면서, 가시 스펙트럼에서 태양 광 에너지의 98%를 반사함이 바람직하다. 이러한 모노리틱 윈도우(95)는 표면/인터페이스의 개수(number)를 최소화함으로써, 그리고 필라멘트를 가열하는 것과 같은 모호한 요소들을 피함으로써, 최적의 광학적인 성능을 제공한다.
전기 도체들(122)은 저항 코팅(228)과 전기적 접촉 하에 윈도우(95)의 주변에 부착된다. 전기 도체들(122) 각각은 히터 제어기의 전류 출력에 연결된 전기 리드(1102)를 가지고 있어서, 원하는 온도 설정점을 유지하기 위해 감지되는 온도 변화에 반응하여 상기 가열 요소는 히터 제어기의 비례-적분-미분 제어 알고리즘을 사용하여 선택적으로 전원이 인가될 수 있다. 윈도우(95)는 윈도우 마운트(mount, 96), 복원 링(retaining ring, 101), 및 윈도우 복원기(retainer, 97) 사이에 위치하여 고정된다. 제 2 미러(70)는 스페이서(106)를 거쳐 윈도우(95)의 내부 표면에 장착된다.
전력소비는 전체 송수신기 내부를 가열하지 않음으로써 매우 감소된다. 도12는 송수신기 광학적 어셈블리(1202)의 단면도와 관련하여 도 1 및 도 11의 윈도우 어셈블리를 도시한다.
도 2 및 도 11의 실시예 양쪽 모두에서, 온도 제어 전류는 가열 요소 혹은 인듐-주석 산화물(ITO)에 인가되어 안개, 응결, 얼음, 및 성애가 제거되도록 유리의 온도를 상승시킨다. 저온 미러 코팅은 대부분의 배경 방사(background radiation)를 반사하고 원하는 통신 파장을 통과시킨다. 이는 상기 송수신기의 내부 온도를 규제하고 감지기에 닿을 수 있는 배경 방사를 저하시키는데 도움을 준다. 일반적으로, 윈도우 마운트의 주변 가열은 광학적인 왜곡과 관련하여, 비효율성 및 상기 윈도우의 비균일한 가열을 초래하기 때문에 상기 윈도우 마운트의 주변가열은 덜 선호된다. 본 발명에서의 박판-필름(thin film) 전달 저항 히터 접근법은 전체 구경에 걸쳐 균일하게 가열하는 고효율적인 수단을 제공하여, 균형잡힌 가열 및 최소화된 전력 소비를 초래한다.
도 1 및 도 11에 도시된 모노리틱 윈도우 구조는 도 2에 도시된 비-모노리틱(non-monolitic) 윈도우 구조에 비해 선호된다.
다이아몬드 절삭되거나 복제된 광학 장치로서 생성되는 미러 표면과, 기계적으로 강인한 스트롱백(strongback)과 광학적인 기준 기능 및 상기 제 1 미러에 대한 제 2 미러의 계량을 제공하는 알루미늄 캐스팅에 대한 정합 열팽창으로 포물선 제 1 미러(Primary mirror) 및 마운트는 대규모의 알루미늄판 상에 단일 부품으로 제작된다. 통합된 설치 인터페이스들을 지닌 주문제작 미러는 보호 반사 코팅, 송수신기 망원경을 위한 기준으로 기능하는 통합 인터페이스 및 송신과 수신 광학 장치 때문에 관심있는 파장에서 최적 성능을 제공한다. (다이아몬드-연삭, 알루미늄판 상에 광학 장치가 복제되거나 전자적으로 형성된)금속 미러의 사용은 또한 대량 생산 및 비구면(즉, 포물선형) 표면을 이루기 위해 최종 단계에서 연삭과 연마 및 종종 수작업을 해야만 하는 글래스 블랭크(glass blank)에 대해 비용에서의 이점을 제공한다. 바람직한 실시예에서, 알루미늄 미러 서브스트레이트(substrate)판은 절삭성(machinability), 저비용, 강건성, 및 알루미늄 하우징과의 열적 적합성을 이유로 사용된다. 상기 알루미늄 제 1 미러 판 혹은 마스터(Master)는 포물면 형상에 대해 컴퓨터 수치 제어 하에 재생가능하게 기계로 제작되어 일차 광학적 보정, 다음의 광학 장치들에 대한 느슨한 디자인 제약조건을 제공할 수 있다.
상기 송신 및 수신 빔들은 입방(cube) 빔 분할기상의 인덱스-정합 빔 블록으로 이색성 파장-다중 송신되고, 상기 송신 빔 축은 망원경 수신 광학축으로부터 차감되어(offset) 이차 미러에 의해 명확해지는 송신 빔을 제공한다. 빔 방향을 제어하고 확장된 송신-수신 채널 격리를 제공하는 이색 빔 분할기에 의하여, 상이한 송신 및 수신 파장들이 분리된다. 이는 송신된 빔이 빠져나오는 유전체 코팅을 지닌 펜타-프리즘(Penta-prism)을 포함하는, 모서리 혹은 다른 적당한 위치에서 내부 이색성 코팅을 가지는 입방 빔 분할기로 구현될 수 있다. 상기 어셈블리의 특이한 특징은 이색성 코팅을 통한 누설을 흡수하고 이렇게 해서 매우 고효율로 상기 경로를 광학적으로 차단하는 인덱스-정합 접합제(cement)로 빔 분할기에 접합된 광학적으로 불투명한 흡수성의 유리(혹은 플라스틱)이다. 이는 수신기 감도를 방해하는 (반사방지 코팅(antireflection cated)되거나 혹은 다르게 코팅된) 다음의 표면들로부터 저수준 반사를 초래할 수 있는 이색코팅을 통해 누설되는 레이저 에너지를 흡수하는데 특히 유용하다.
열전기적으로 냉각되는 레이저 어셈블리 및 드라이브 저장장치는, 바람직한 실시예에서처럼 레이저 어셈블리로부터 대규모 히트싱크(예를 들어, 캐스팅 그 자체)에 설치된 대-용량 열전기 냉각기로의 효율적인 열전달을 위한 히트 파이프와 함께, 레이저 및 시스템 수명을 위해 제공된다.
도 13은 본 발명에 따른 히트 파이프 레이저 온도 제어 메커니즘의 일차 실시예를 도시한다. 도 13에 도시된 바와 같이, 탄성 열적 패드(Elastomeric thermal pad, 1302)는 알루미늄 하우징(94)에 부착되고 구리 히트 싱크(1304)는 그에 의하여 하우징(94)에 설치된다. 히트 파이프(1306)는 히트 싱크(1304)와 히트 싱크(1308) 내의 각 끝단부에서 열 전달 관계로 설치되어 상기 두 개의 히트 싱크 사이를 잇는다. 열전기 냉각기(1310)는 히트 싱크(1308)에 부착된다. 열전기 냉각기(1310)의 다른 면에는, 구리 열 스트랩(1312, 전형적으로 대략 0.15 인치의 두께)가 부착되어, 상기 열 스트랩(1312)을 통해 열전기 냉각기(1310)가 레이저(36)에 열적으로 연결된다. 코르크와 같은 열 격리자(1314)는 열 스트랩(1312) 및 레이저(36)용 구동 회로를 담고있는 인쇄기판(미도시) 사이에 주어질 수 있다. 상기 회로기판과 레이저(36)간의 연결은 스트랩(1312) 및 격리자(1314)에 제공된 구멍 혹은 구멍들을 통해 이루어진다.
작동 중에, 히트 파이프(1306)는 레이저 냉각을 위해 사용되는 열전기 냉각기(1310)의 뜨거운 면으로부터, 높은 온도에서 열 전송을 수행함으로써 상기 물-주입 히트 파이프(1306)가 보다 효율적으로 동작하도록 하는 송수신기 하우징(94)으로 열을 이동시킨다. 본 구현예에서 히트 파이프(1306)는 열전기 냉각기(1310)의 뜨거운 면에 접촉하고 있는 히트 싱크(1308)로부터 알루미늄 하우징(94)에 접촉하는 히트 싱크(1304)에 열을 전달한다. 열전기 냉각기(1310)의 "차가운"면은 다이오드 레이저(36)와 직접 접촉하는 열 스트랩(1312)에 접촉한다. 상기 바람직한 구현예는 매우 저 비용이지만, 영하에서 사막조건까지 사용가능한 물-주입 히트 파이프를 구비한다. 이러한 구성에서, 상기 히트 파이프는 고온이다. 그러므로, 히트 파이프 내의 유체는 암모니아수 보다는 물일 수 있다. 전형적인 작동 온도 범위가 화씨로 다음의 표 1에 나와있다.
저온 고온
외기 온도 95 120
하우징(218) 110 135
히트 싱크(1304) 115 140
히트 싱크(1308) 120 145
열 스트랩(1312) 90 90
레이저(212) 85 85
상기 표에서, 저온 범위는 30도의 열전기 냉각기에서 온도 변화를 나타내고 고온 범위는 55도의 열전기냉 각기에서 온도 변화를 반영한다.
도 14에 도시된 다른 실시예에서, 구리 히트 싱크(1401)는 레이저(36)(본 도면에는 미도시)에 열적으로 부착되고 냉각제 주입 히트 파이프(1402)는 히트 싱크(1401)와 히트 싱크(1403)간에 연결된다. 히트 싱크(1403)는 알루미늄하우징(94)에 열 전달 연결되어 부착된 (전기 리드(1404)를 가지는) 열전기 냉각기(1310)에 부착된다.
히트 파이프(1402)는 레이저 다이오드 히트 싱크(1401) 및 열전기 냉각기 히트 싱크(1403)간의 열 전도 경로를 제공함으로써 레이저 다이오드를 냉각한다. 이러한 구성에서, 상기 열전기 냉각기 히트 싱크(1403)는 열전기 냉각기(1310)의 "차가운" 면에 의해 냉각되고, 열은 열전기 냉각기(1310)의 "뜨거운" 면과 송수신기의 알루미늄 하우징(94) 간의 인터페이스를 통해 서브시스템으로부터 제거된다. 상기 구현예에서, 상기 히트 파이프는 열전기 냉각기가 활성화될 때 차가와진다(혹은 높은 고도에 저장 혹은 이송될 때 차가와질 수 있다). 상기 히트 파이프내의 유체가 결빙하는 것을 방지하기 위해, 유체는 암모니아와 같이 결빙점이 예상되는 주위 온도범위(-40 F) 밖으로 선택되어야 한다.
상기 열적 서브시스템들은 열적 전도 경로를 제공하여 히트 싱크 시스템으로서 효율적으로 작용하는, 캐스팅 알루미늄 하우징에 열전기 냉각기에 의해 이동되는 열을 직접 그리고 효율적으로 방출한다. 상기 열적 전도 경로는 보다 효율적이고 이로 인해 대류 냉각 접근법에 비해 더 좋은 시스템 성능을 제공한다.
도 13 및 도 14에 따른 디자인의 다른 실시예는, 대부분의 환경에서 좋은 성능을 제공하지만 사막조건과 같은 극단적인 환경에서는 선호되지 않는, 히트 파이프 대신에 열적 히트 스트랩(예를들어, 구리 스트랩)을 사용한다. 일반적으로, 비록 구리 스트랩 혹은 끈과 같은 것이 근처의 히트 싱크로 낭비되는 열을 전송할지라도, 이러한 접근법은 거리에 비례하고 스트랩 두께에 반비례하는 손실을 초래하여 원하지 않는 배치의 제약 및 넓고, 두꺼우며 굽혀지지 않는 스트랩으로 이끌기 때문에 덜 선호된다.
그러므로, 바람직한 실시예에서 레이저 다이오드 어셈블리로부터 대규모 하우징과 같이 멀리 떨어진 히트 싱크에 열을 전달하는 히트 파이프의 사용은 독특하게 유용한 특징이다. 이러한 특징은 낭비 열이 히트 파이프 길이 및 배치형상에 사실상 무관하게 효율적으로 전달되므로, 대규모 히트 싱크에 근접하는 이외의 고려에 기반하여 상기 레이저 어셈블리가 위치하도록 한다.
상기 바람직한 실시예에서 언급된, 내부의 광학장치를 위한 광역학적 디자인은, 신속한 조립 및 전송과 수신 빔들의 정확한 보어사이트(Boresight) 정렬을 용이하게 하는 두 개의 주요 서브어셈블리(수신기 튜브 및 송신기 튜브)로 구성된다. 상기 수신기 튜브는 내부 광학장치를 위한 광역학적 기준 면으로서 동작하는 제 1 미러 판에 고정된다.
본 발명의 대안적인 실시예는 다소 상이한 광학적 규정 및 간격을 지닌 광학적 요소로 실현될 수 있다. 예를 들어, 대안적인 일 실시예는 고체-광학장치 어셈블리에 같이 접합된 많은 광학적 요소들을 구비한다. 대안적인 다른 실시예는 주로 확장된 레이저 눈의 안전을 이유로, 이차 미러에 의한 방해를 회피하기 위한 오프셋 축을 지닌 서브구경(subaperture) 빔보다는 최대구경 송신 레이저 빔을 포함한다.
다른 실시예에서, 내부 표면에 반사 방지 코팅 및 윈도우에 면하는 쪽에 반사 코팅을 한, 양면이 오목한 광학 장치가 이차 미러에 제공된다. 이러한 접근법은다소 높은 비용으로 더 좋은 광학적 품질을 제공한다. 상기 광학 장치는 윈도우에 접합된 작은 컵 형상의 마운트에 접합되거나 윈도우 둘레의 바깥쪽 모서리에 직접 접합될 수 있다.
다른 선택사항으로, 위치감지형 탐지기(예를 들어, 직교(quadrant) 혹은 고체 촬상 소자(CCD:Charge-Coupled Device) 탐지기) 및 시변(time varing) 위치 감지형 탐지기 에러 신호에 따라 출력 레이저 빔 방향을 벗어나게 하는 내부의 2-축 스티어링 장치(혹은 외부 짐벌(gimbal), 즉, 고도-방위)를 제어하는 목적을 위해 관측 스코프 아이피스(eyepiece)에 고정된 프로세싱 전자장치 유니트에 의하여 레이저 통신 단말기로부터 들어오는 레이저 에너지의 폐-루프 추적이 제공될 수 있다. 상기 위치 센서 및 전자장치는 또한, 수신된 에너지의 작은 부위를 샘플링하는 제2 빔 분할기 큐브를 사용하여, 관측 스코프에 부착하는 대신에 내부에 통합될 수 있다. 상기 실시예에서, 레이저 통신 단말기들의 쌍은 설치가 불안정하거나 조심스런 플랫폼 이동시 링크를 유지할 수 있다.
다른 실시예에서, (송신기 전자장치 이전 및 수신기 전자장치 이후에) 매우 깊은 인터리빙(Interleaving)을 지닌 전방 에러 보정 블록 코드(Forward error correction block dode)가 대기중의 섬광으로부터 발생하는 버스트(Burst) 에러의 보정을 위해 제공된다. 상기 실시예는 재전송 프로토콜의 이점없이 무-에러 전송이 필요한 곳에 특히 유용하다.
다른 실시예에서, 보이스 코일을 거쳐 빔 다이버전스(divergence)를 조절하기 위해 광축에서 세로로 이동하는 콜리메이팅(collimating) 렌즈를 제공하거나,혹은 상기 콜리메이팅 렌즈 뒤에 액정 렌즈를 사용함으로써 자동범위조절 특성이 제공된다. 이는 빔 다이버전스를 전자적으로 변경하여 원하는 범위를 이루도록 한다.
본 발명은 종래 기술의 시스템에 비해 많은 실제적인 장점들을 제공한다. 먼저, 바람직한 실시예에서 설명된 디자인 및 시스템 구현(예를 들어, 캐스팅 알루미늄 하우징, 모노리틱 제 1 미러 및 마운트, 광학적 구성 요소를 위한 간이 허용오차를 지닌 두개의 주요 광역학적 서브어셈블리)으로 인하여, 본 발명의 레이저 통신 단말기들은 대량생산이 용이하다. 고가의 구성 요소들(예를 들어, 대구경 강하성 렌즈), 및 고가의 생산 프로세스(예를 들어, 대규모 기계 제작 하우징, 분리된 설치 고정물을 지닌 수작업 포물면 미러, 및 노동 집중적인 어셈블리)를 제거하고, 간이 광학장치를 통한 정렬 요구 사양(specification)을 단순화함으로써, 현재 시장에서의 다른 시스템과 비교할 때, 대량 생산에서의 현저한 생산 비용 감소가 이루어진다.
공개된 시스템의 모든 디자인은 특히 강건(robust)하고 강인하다. 예를 들어, 여기서 제공되는 윈도우 가열 및 레이저 열 제어 특성은 종래 기술의 디자인보다 효율적이고 극단적인 환경 조건에서의 연속적인 확장사용에 더욱 적합하다. 상기 디자인은 또한 시장에서 대부분의 다른 시스템보다 대형 수집 구경, 고출력 레이저 및 고전류 드라이버를 활용한다. 이는 상기 시스템이 다른 시스템으로 가능한 것보다, 더욱 긴 범위 혹은 더욱 높은 링크 유용성과 같이, 더 열악한 어플리케이션에서 사용될 수 있도록 한다.
본 발명이 그에 관하여 특히 바람직한 실시예를 참조하여 도시되고 설명되었지만, 형태 및 세부사항에서의 다양한 변경이 본 발명의 사상 및 영역을 벗어나지 않고 이루어질 수 있음은 당업자에게 있어 이해될 수 있을 것이다.
본 발명의 실시예들이 배타적으로 주장하는 재산 또는 권리는 다음의 청구항에 정의된 바와 같다.

Claims (26)

  1. 풀 듀플렉스(full duplix) 광대역 데이터 전송을 위한 이색성(dichroic) 파장-다중화 방식(wave-multiplexed)의 레이저 통신 시스템에 있어서,
    제 1 단말기 수단 및 제 2 단말기 수단을 구비하며,
    상기 제 1 단말기 수단은,
    제 1 파장의 레이저 광을 전송하기 위한 제 1 레이저 소스(source);
    제 2 파장의 레이저 광을 수신하기 위한 제 1 레이저 수신기; 및
    제 1 광학 시스템을 더 구비하며, 상기 제 1 광학 시스템은, 상기 제 1 파장의 상기 레이저 광 및 상기 제 2 파장의 상기 레이저 광 모두가 상기 제 1 광학 시스템을 통과하여 진행하며, 상기 제 1 광학 시스템은, 상기 제 1 파장의 전송된 상기 레이저 광 및 상기 제 2 파장의 수신된 상기 레이저 광을 다중화하기 위한 제 1 광학 수단을 포함하며;
    상기 제 2 단말기 수단은,
    상기 제 2 파장의 상기 레이저 광을 전송하기 위한 제 2 레이저 소스(source);
    상기 제 1 파장의 상기 레이저 광을 수신하기 위한 제 2 레이저 수신기; 및
    제 2 광학 시스템을 더 구비하며, 상기 제 2 광학 시스템은, 상기 제 1 파장의 상기 레이저 광 및 상기 제 2 파장의 상기 레이저 광 모두가 상기 제 2광학 시스템을 통과하여 진행하며, 상기 제 2 광학 시스템은 상기 제 2 파장의 전송된 상기 레이저 광 및 상기 제 1 파장의 수신된 상기 레이저 광을 다중화하기 위한 제 2 광학 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 레이저 통신 시스템.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 제 1 및 제 2 광학 시스템들은 각각 제 1 및 제 2 카세그레인(cassegrain) 수신기들을 구비하며, 각각의 카세그레인 수신기는 수신된 상기 레이저 광 및 전송된 상기 레이저 광의 방향을 조절하기 위한(directing) 제 1 및 제 2 미러(mirror)를 갖는 것을 특징으로 하는 레이저 통신 시스템.
  3. 제 1항에 있어서,
    다중화를 위한 상기 제 1 및 제 2 광학적 수단은 각각 제 1 및 제 2 이색성 빔 분할기(beam splitter)를 구비하는 것을 특징으로 하는 레이저 통신 시스템.
  4. 제 3항에 있어서,
    상기 제 1 및 제 2 이색성 빔 분할기들은 각각 제 1 및 제 2 인덱스-정합(index-matched) 흡수성 빔 차폐 수단(absorptive beam blocking means)을 구비하는 것을 특징으로 하는 레이저 통신 시스템.
  5. 제 4항에 있어서,
    상기 제 1 및 제 2 인덱스-정합 흡수성 빔 차폐 수단들 각각은, 광학적으로 불투명한(opaque) 흡수성 글래스 또는 인덱스-정합 접합제(cement)에 의해 각각의 빔 분할기에 결합되어 있는 플라스틱을 구비하는 것을 특징으로 하는 레이저 통신 시스템.
  6. 제 2항에 있어서,
    상기 제 1 카세그레인 수신기는 제 1 및 제 2 미러를 구비하며, 상기 제 1 파장의 송신된 상기 레이저 광의 광축은 상기 제 2 파장의 수신된 상기 레이저 광의 광축으로부터 차감되고(offset), 상기 제 1 파장의 전송된 상기 레이저 광의 빔 경로는 상기 제 2 미러에 의하여 차단되지 않는(unobscured) 것을 특징으로 하는 레이저 통신 시스템.
  7. 레이저 통신 시스템에 있어서,
    하우징 및 변조된 레이저 광을 전송하기 위하여 상기 하우징 내에 실장된 레이저 전송 소스, 윈도우 수단(window means), 및 인가 수단을 구비하며,
    상기 윈도우 수단은, 상기 하우징 내에 실장되고, 전송된 상기 변조 레이저 광이 상기 윈도우 수단을 통과하여 진행하며, 상기 윈도우 수단은 투명 저항성 코팅(resistive coating)을 구비하고; 및
    상기 인가 수단은, 상기 투명 저항성 코팅에 전기적 전류를 인가하여, 그리하여 상기 윈도우 수단의 온도가 조절될 수 있는 것을 특징으로 하는 레이저 통신시스템.
  8. 제 7항에 있어서,
    상기 투명 저항성 코팅은 인듐 주석 산화물(indium tin oxide)를 구비하는 것을 특징으로 하는 레이저 통신 시스템.
  9. 제 7항에 있어서,
    상기 투명 저항성 코팅에 전기적 전류를 인가하기 위한 상기 수단은, 상기 투명 저항성 코팅과 전기적으로 접촉하며 상기 윈도우 수단의 주변부(periphery)에 부착된 전기적 컨덕터들을 구비하는 것을 특징으로 하는 레이저 통신 시스템.
  10. 제 7항에 있어서,
    상기 윈도우의 온도의 감지된 분산(variance)에 응답하여 전기적 전류를 인가하기 위한 상기 인가 수단에 선택적으로 전력을 공급하기 위한 히터 제어기(heater controller)를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 레이저 통신 시스템.
  11. 제 10항에 있어서,
    상기 히터 제어기는 비례-적분-미분(PID, proportional-integral-differential) 제어 알고리즘을 적용하기 위한 수단을 구비하는 것을 특징으로 하는 레이저 통신 시스템.
  12. 제 7항에 있어서,
    상기 윈도우 수단은 외장 표면(exterior surface)을 구비하며, 상기 외장 표면은, 태양 방사선을 반사하고 상기 레이저 전송 소스의 상기 레이저 광을 전송하는 저온 미러 코팅(cold mirror coating)으로 코팅되어 있는 것을 특징으로 하는 레이저 통신 시스템.
  13. 데이터 전송을 위한 레이저 통신 시스템에 있어서,
    레이저 광을 전송하기 위한 제 1 단말기 구성 수단 및 상기 레이저 광을 수신하고 복조하기 위한 제 2 단말기 구성 수단을 구비하며,
    상기 제 1 단말기 구성 수단은, 데이터 신호에 의하여 변조되는 레이저 광을 송신하고;
    상기 제 2 단말기 구성 수단은, 단일 피스(piece)로서의 알루미늄 서브스트레이트 상에 형성된 단일점(single-point) 다이아몬드 절삭된diamond-turned) 미러 표면을 구비하는 비구면(aspheric) 제 1 미러를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 레이저 통신 시스템.
  14. 제 13항에 있어서,
    상기 비구면 제 1 미러는 4 내지 10 인치의 공칭 클리어 구경(nominal clearaperture)을 가지는 것을 특징으로 하는 레이저 통신 시스템.
  15. 데이터 전송을 위한 레이저 통신 시스템에 있어서,
    레이저 광을 전송하기 위한 제 1 단말기 구성 수단 및 열전기(thermoelectric cooler) 냉각기 및 제 2 단말기 구성 수단을 구비하며,
    상기 제 1 단말기 구성 수단은, 상기 레이저 광이 데이터 신호로 변조되고,
    40 밀리와트 이상의 전력에서 레이저 광을 발생시키기 위한 레이저 다이오드 수단을 구비하고;
    상기 열전기 냉각기는, 상기 레이저 다이오드 수단을 능동적으로(actively) 냉각하며; 및
    상기 제 2 단말기 구성 수단은, 상기 레이저 광을 수신하고 복조하기 위한 수단을 구비하는 것을 특징으로 하는 레이저 통신 시스템.
  16. 제 15항에 있어서,
    상기 레이저 다이오드로부터 상기 열전기 냉각기로의 열전도를 위한 히트 파이프(heat pipe)를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 레이저 통신 시스템.
  17. 제 15항에 있어서,
    상기 열전기 냉각기는 상기 제 1 단말기의 부품들을 포장하는 대형 하우징(massive housing) 상에 탑재되며, 상기 하우징은 상기 열전기 냉각기로부터의 열을 분산시키는 히트 싱크로서 동작하는 것을 특징으로 하는 레이저 통신 시스템.
  18. 제 15항에 있어서,
    상기 레이저 다이오드 수단은 적어도 200 밀리와트의 전력 레벨에서 레이저 광을 발생시키기 위한 수단을 구비하는 것을 특징으로 하는 레이저 통신 시스템.
  19. 제 15항에 있어서,
    상기 레이저 다이오드 수단은 200 밀리와트 GaAs 다이오드 레이저를 구비하는 것을 특징으로 하는 레이저 통신 시스템.
  20. 제 15항에 있어서,
    상기 열전기 냉각기 수단을 제어하기 위한 비례-적분-미분 온도 제어기를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 레이저 통신 시스템.
  21. 데이터 전송을 위한 레이저 통신 시스템에 있어서,
    변조된 레이저 광을 전송하기 위한 수단;
    상기 레이저 광을 수신하고 복조하기 위한 수단;
    자동 레인지 조절(autorange) 수단을 구비하며,
    상기 자동 레이니 조절 수단은,
    상기 레이저 광의 광축 내의 콜리메이팅 렌즈(collimating lens); 및
    상기 콜리메이팅 렌즈를 세로 방향으로 상기 광축 상에서 이동시켜 빔 다이버전스(beam divergence)를 조절하기 위한 전기적 이동 수단(translation means)을 더 구비하며, 그리하여, 빔 다이버전스는 원하는 레인지를 얻기 위햐여 전기적으로 조절될 수 있는 것을 특징으로 하는 레이저 통신 시스템.
  22. 제 21항에 있어서,
    상기 전기적 이동 수단은 보이스 코일(voice coil)을 구비하는 것을 특징으로 하는 레이저 통신 시스템.
  23. 데이터 전송을 위한 레이저 통신 시스템에 있어서,
    변조된 레이저 광을 전송하기 위한 제 1 단말기 수단;
    상기 레이저 광을 수신하고 복조하기 위한 제 2 단말기 수단;
    상기 제 1 단말기 수단의 위치를 결정하는 것을 돕기 위한 관측 스코프(sighting scope);
    도달하는 레이저의 에너지를 추적하기 위한 폐-루프 추적 시스템을 구비하며, 상기 폐-루프 추적 시스템은,
    상기 관측 스코프와 결합되고 시간에 따라 변하는 에러 신호를 발생하기 위한 위치-지각 검출기(position-sensing detector);
    전송되고 복조된 상기 레이저 광의 방향을 변화시키기 위한 스티어링수단(steering means); 및
    시간에 따라 변하는 상기 위치-지각 검출기의 에러 신호에 따라 상기 스티어링 수단을 제어하기 위한 제어 전기장치(control electronics)를 더 구비하고, 상기 제 1 단말기 및 상기 제 2 단말기는 불안정한 탑재(unstable mounting) 또는 적당한 플랫폼 움직임(platform motion)이 있을 경우 통신 링크를 유지할 수 있는 것을 특징으로 하는 레이저 통신 시스템.
  24. 제 23항에 있어서,
    상기 위치-지각 검출기는 직교 검출기(quadrant detector)를 구비하는 것을 특징으로 하는 레이저 통신 시스템.
  25. 제 23항에 있어서,
    상기 위치-지각 검출기는 CCD 검출기를 구비하는 것을 특징으로 하는 레이저 통신 시스템.
  26. 데이터 전송을 위한 레이저 통신 시스템을 동작시키기 위한 방법에 있어서,
    레이저 송신기 및 레이저 수신기를 제공하는 단계;
    송신기 전자 장치를 이용하여 전송된 레이저 광을 전송될 데이터에 따라 변조하는 단계;
    전송되고 변조된 상기 레이저 광을 검출하고 검출된 상기 레이저 광에 상응하는 전기적 신호를 발생하는 단계;
    수신기 전자 장치를 이용하여, 상응하는 상기 전기적 신호를 복조하는 단계;
    상기 송신기 전자 장치 이전 및 상기 수신기 전자 장치 이후에 딥 인터리빙(deep interleaving)의 순방향 에러 정정 블록 코드를 이용하여 대기 섬광(scintillation)에 기인하는 버스트 에러(burst error)를 정정하는 단계를 구비하는 것을 특징으로 하는, 데이터 전송을 위한 레이저 통신 시스템을 동작시키기 위한 방법.
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