RU2172560C1

RU2172560C1 - Устройство оптической связи

Info

Publication number: RU2172560C1
Application number: RU2000114465/09A
Authority: RU
Inventors: В.П. Васильев; М.В. Васильев; А.А. Лещев; В.В. Рагульский; М.А. Садовников; В.Г. Сидорович
Original assignee: Васильев Владимир Павлович; Васильев Михаил Валерьевич; Лещев Алексей Анатольевич; Рагульский Валерий Валерианович; Садовников Михаил Алексеевич; Сидорович Владимир Георгиевич
Priority date: 2000-06-08
Filing date: 2000-06-08
Publication date: 2001-08-20
Also published as: US6829439B1

Abstract

Изобретение относится к системам открытой оптической связи и может быть использовано для двусторонней передачи информации между удаленными друг от друга объектами без использования проводов и/или оптических волокон, в том числе при большом числе объектов, участвующих в обмене информацией. Технический результат состоит в упрощении конструкции и эксплуатации, а также снижении энергопотерь. Устройство оптической связи содержит передатчик, выполненный в виде нескольких излучателей, размещенных на криволинейной поверхности, средства модуляции излучения и несколько абонентских приемников со средствами демодуляции, при этом передатчик снабжен широкоугольным объективом, размещенным между излучателями и абонентскими приемниками, а излучатели расположены в областях, оптически сопряженных абонентским приемником. Кроме того, каждый излучатель установлен с возможностью перемещения по криволинейной поверхности и вдоль оси излучаемого им оптического пучка. На криволинейной поверхности могут быть размещены приемники, оптически сопряженные абонентским излучателям относительно широкоугольного объектива. Приемники могут быть установлены с возможностью перемещения по криволинейной поверхности и вдоль оси принимаемого излучения, объектив может быть выполнен с возможностью его поворота относительно произвольной оси вместе с излучателями и приемниками. 3 з.п.ф-лы, 4 ил.

Description

Изобретение относится к системам открытой оптической связи и может быть использовано для двусторонней передачи информации между удаленными друг от друга объектами без использования проводов и/или оптических волокон, в том числе при большом числе объектов, участвующих в обмене информацией, например, при организации обмена с использованием сетевых технологий, или по схеме "точка-мультиточка", то есть при двустороннем обмене информацией между базовой станцией и несколькими абонентами.

Ключевыми компонентами таких систем являются многолучевые оптические передатчики с произвольно ориентированными в пространстве лучами и оптические приемники для приема сигналов с заданных направлений.

Выполнение многолучевых оптических передатчиков или приемников по многоканальному принципу, то есть в виде набора отдельных однотипных каналов, работающих по схеме "точка-точка", увеличивает массу, габариты и стоимость системы по крайней мере во столько раз, сколько лучей или направлений необходимо реализовать для организации связи.

Основной технической характеристикой многолучевых систем связи является скорость передачи информации или полоса частот, выделяемая абоненту сети связи. Очевидно, что в многоканальной системе отношение полосы частот, выделяемой одному абоненту, к общей массе или стоимости системы, уменьшается по крайней мере пропорционально числу лучей. Другими словами, эффективность многолучевой системы в указанном смысле уменьшается по отношению к эффективности однолучевой системы по крайней мере пропорционально числу лучей. Данное обстоятельство является основной технической и экономической проблемой при создании многолучевых систем открытой оптической связи, предназначенных для обмена информацией между многими объектами или абонентами.

Известно устройство оптической космической связи, содержащее как минимум один приемник и передатчик, выполненный в виде нескольких излучателей, расположенных на плоскости вокруг приемника, при этом излучатели установлены с различным наклоном относительно установочной плоскости так, что угол отклонения от нормали к плоскости возрастает по мере удаления от приемника, что обеспечивает направление лучей от излучателей под разными углами к нормали без их пересечения между собой (см. описание к заявке Японии N 63326970, публикация N 02171043, H 04 В 10/10, 1990 /1/). Недостатками известного устройства являются: сложность юстировки излучателей относительно приемников, на которые они направлены, и необходимость перенацеливания при перемещении последних; большая расходимость лучей от излучателей, что требует либо значительной их мощности, что влечет увеличение массогабаритных характеристик, либо высокой чувствительности приемников. Кроме того, последнее обстоятельство снижает полосу принимаемых частот, т.к. известно, что чем меньше энергии улавливается приемником, тем уже полоса частот, в которой возможна его надежная работа.

Известна телеметрическая система, использующая устройство оптической связи (см. описание к патенту Великобритании N 2180116, H 04 В 9/00, 1987 /2/). Устройство связи выполнено в виде нескольких приемников и передатчика из нескольких излучателей, размещенных на криволинейной поверхности, например полусфере. Недостатками известного устройства являются: сложность юстировки излучателей по отношению к соответствующему каждому из них приемнику; ограниченность применения, заключающаяся в небольшой дальности связи из-за больших энергопотерь, обусловленных расходимостью световых лучей излучателей и обусловленная этим малая полоса пропускаемых частот.

Наиболее близким к заявленному по своей технической сущности и достигаемому результату является устройство открытой оптической связи, известное из описания к патенту США N 5909296, НКИ 359-152, 1999 /3/. Известное устройство содержит передатчик со средствами модуляции светового луча и один или несколько приемников оптического излучения со средствами демодуляции. При этом передатчик выполнен в виде набора направленных на приемники излучателей, размещенных на выпуклой криволинейной поверхности. Для снижения расходимости лучей каждый из излучателей снабжен собственной микролинзой.

Недостатком известного устройства является сложность конструкции, заключающаяся в необходимости снабжать каждый из излучателей передатчика отдельной линзой и связанное с этим увеличение массы и стоимости системы. К тому же излучатели выполнены неподвижными относительно линз, что исключает возможность коррекции ширины и направления луча при изменении расстояния или угла между приемником и передатчиком. Поэтому, несмотря на уменьшение расходимости световых лучей за счет применения линз, эффективность системы остается малой как из-за наличия избыточных энергетических потерь, так и из-за увеличения массы и стоимости системы.

Заявляемое устройство оптической связи направлено на упрощение конструкции и эксплуатации, а также снижение энергопотерь.

Кроме того, устройство открытой оптической связи позволяет увеличить скорость передачи информации и/или дальность действия на единицу массы, энергопотребления или стоимости многолучевой системы открытой оптической связи, улучшить ее габаритные и энергетические показатели, и уменьшить стоимость полосы частот, выделяемой каждому абоненту.

Указанный результат достигается тем, что устройство оптической связи содержит передатчик, выполненный в виде нескольких излучателей, размещенных на криволинейной поверхности, средства модуляции излучения и несколько абонентских приемников со средствами демодуляции, при этом передатчик снабжен широкоугольным объективом, размещенным между излучателями и абонентскими приемниками, а излучатели расположены в областях, оптически сопряженных абонентским приемникам.

Указанный результат достигается также тем, что каждый излучатель установлен с возможностью перемещения по криволинейной поверхности и вдоль оси излучаемого им оптического пучка.

Указанный результат достигается также тем, что на криволинейной поверхности размещены приемники, оптически сопряженные абонентским излучателям относительно широкоугольного объектива.

Указанный результат достигается также тем, что приемники установлены с возможностью перемещения по криволинейной поверхности и вдоль оси принимаемого излучения.

Указанный результат достигается также тем, что объектив выполнен с возможностью его поворота относительно произвольной оси вместе с излучателями и приемниками.

Отличительными признаками заявляемого устройства являются:
- снабжение передатчика широкоугольным объективом и его размещение между излучателями и абонентскими приемниками;
- расположение излучателей в областях, оптически сопряженных абонентским приемникам;
- установка каждого из излучателей с возможностью перемещения по криволинейной поверхности и вдоль оси излучаемого им оптического пучка;
- расположение приемников на криволинейной поверхности и их оптическое сопряжение абонентским излучателям относительно широкоугольного объектива;
- установка приемников с возможностью перемещения по криволинейной поверхности и вдоль оси принимаемого излучения;
- выполнение объектива с возможностью его поворота относительно произвольной оси вместе с излучателями и приемниками.

Снабжение передатчика широкоугольным объективом и его размещение между излучателями и абонентскими приемниками позволяет упростить конструкцию и снизить стоимость устройства оптической связи, а значит увеличить удельную эффективность многолучевой системы связи, т.к. вместо множества линз или других концентрирующих элементов, используемых для каждого излучателя и приемника, устанавливается один совместно используемый объектив.

Размещение излучателей в областях, оптически сопряженных соответствующим абонентским приемникам, позволяет концентрировать излучение от каждого из установленных на криволинейной поверхности излучателей на поверхности соответствующего ему приемника. Таким образом, достигается дальнейшее увеличение эффективности устройства, выражающееся в увеличении пропускной способности, дальности действия или уменьшении энергопотребления.

Установка излучателей с возможностью перемещения по криволинейной поверхности также обеспечивает функционирование устройства в целом и позволяет правильно ориентировать излучатели относительно соответствующих им абонентских приемников. Кроме того, за счет перемещения излучателя по криволинейной поверхности и вдоль оси луча можно обеспечить оптическое сопряжение излучателя и абонентского приемника при изменении направления на приемник или расстояния между ними, а значит минимизировать энергопотери в таких ситуациях и, в конечном итоге, повысить пропускную способность и дальность действия.

Размещение на криволинейной поверхности приемников, оптически сопряженных абонентским излучателям, позволяет обеспечить двустороннюю связь с абонентами с использованием одного и того же объектива как на передачу, так и на прием, что упрощает конструкцию устройства и снижает его стоимость.

Выполнение объектива с возможностью поворота его относительно произвольной оси вместе с излучателями и приемниками упрощает эксплуатацию устройства и обеспечивает повышение пропускной способности или дальности действия системы связи в частных случаях реализации - когда приемники и передатчики размещены на перемещающихся относительно друг друга носителях, например передатчик размещен на высокой мачте, подверженной раскачке под воздействием воздушных потоков.

Установка приемников на криволинейной поверхности с возможностью перемещения как по ней, так и вдоль оси принимаемого излучения позволяет обеспечить оптическое сопряжение абонентского излучателя приемнику при изменении угла или расстояния между ними, а значит снизить энергопотери и повысить дальность действия и пропускную способность.

Сущность заявленного устройства поясняется примером его реализации и чертежами, где на фиг. 1 представлена принципиальная структурная схема устройства оптической связи; на фиг. 2 представлен разрез передатчика с широкоугольным объективом; на фиг. 3 - структурная схема устройства, используемого в частных случаях для двусторонней связи; на фиг. 4 - разрез передатчика с установленными в нем приемниками, как это предусмотрено п.3 формулы изобретения.

Пример 1. В наиболее общем случае, когда устройство для оптической связи предназначено, например, только для передачи информации от одного участника (передающая сторона) нескольким абонентам (принимающая сторона) содержит передатчик 1, который может быть выполнен в виде нескольких излучателей (источников оптического излучения), например, лазеров, выбранных из числа известных. Наиболее оптимальным вариантом с точки зрения массогабаритных характеристик и потребления энергии, представляется использование полупроводниковых лазеров или светоизлучающих диодов, работающих в различных диапазонах длин волн.

В качестве излучателей при скоростях передачи информации до сотен мегабит в секунду используются одномодовые лазерные диоды с плоским резонатором Фабри-Перо с мощностью излучения до 50 мВ т и модуляцией интенсивности излучения током накачки, или лазерные диоды с вертикальным резонатором, обеспечивающие еще большие скорости передачи, но при меньшей выходной мощности. При меньших скоростях передачи информации (обычно 10-40 Мбит/с) могут быть использованы светодиоды, также модулируемые током накачки. При скоростях передачи более 1 Гбит/с применяются лазерные диоды с распределенной обратной связью, а если одновременно требуется большая выходная мощность, то лучшим выбором является эрбиевый волоконный усилитель (EDFA) с задающим маломощным генератором.

С передатчиком соединен модулятор 2, который может быть выбран из числа известных (электрооптический, акустооптический, механический, электрический и т.п.) и обеспечивает любой вид модуляции - фазовый, частотный, амплитудный и т. д. При этом модулятор может обеспечивать как одинаковую модуляцию для всех излучателей, так и различающуюся от излучателя к излучателю в соответствии с индивидуальными особенностями информации, передаваемой разным абонентским приемникам. Например, несколько излучателей могут модулироваться по частоте, а несколько по фазе, в том числе разными сигналами. В частных случаях может быть обеспечена замена одного способа модуляции на другой для одного и того же излучателя. С модулятором связан источник сигнала 3, в качестве которого может выступать любой из числа известных. Например, это может быть видеосигнал из телецентра или телестудии, аудиосигнал радиотранслятора, или снимаемый с обычного микрофона, или волоконно-оптической линии связи, или несколько сигналов из числа упомянутых. Каждый передатчик снабжается драйвером - электронной схемой, поддерживающей оптимальный режим работы излучателей и модулирующей выходное излучение в соответствии с входными электрическими сигналами, подлежащими передаче каждому из абонентских приемников. Каждый излучатель передатчика оптически сопряжен со своим абонентским приемником 4, выполненным, например, в виде фотодетектора или других известных приборов, обеспечивающих преобразование светового излучения в электрический сигнал.

В качестве приемников в подавляющем числе случаев применяются быстродействующие фотодиоды либо со структурой PIN типа, либо лавинные фотодиоды. Последние за счет умножения фототока позволяют реализовать более высокую чувствительность приема. Каждый фотодиод также снабжается электронной схемой, поддерживающей оптимальный режим работы фотодиода и выполняющей функции фильтрации и восстановления информационного электрического сигнала.

Абонентский приемник соединен с демодулятором 5, который выбирается из числа известных, в зависимости от используемого способа модуляции оптического излучения. Передатчик 1 в соответствии с заявленным изобретением включает в себя широкоугольный объектив 6, закрепленный в оправе 7. В качестве объектива может быть выбран любой из числа известных. Например, концентрический объектив, шар из оптически прозрачного материала и т.п. Объектив охвачен криволинейной поверхностью 8, на которой закреплены излучатели 9. При этом криволинейная поверхность выполнена так, чтобы размещенные на ней излучатели могли находиться в области, оптически сопряженной приемникам. В частности, таковой может являться фокальная поверхность объектива. Соответственно вид и кривизна этой поверхности будет зависить от типа объектива и изменяться при замене одного объектива на другой. Закреплены излучатели известным образом так, чтобы в частных случаях реализации было возможным их перемещение по криволинейной поверхности и вдоль оси излучаемого ими оптического пучка с последующей фиксацией. Например, это может быть винтовое соединение, установка на магнитных присосках и т.д. (на чертежах не показы в силу известности).

Все перечисленные оптико-электронные компоненты могут без исключения быть применены при построении приемников и излучателей для использования в составе заявленного устройства открытой оптической связи. При этом для того, чтобы разместить на криволинейной поверхности максимальное число источников излучения, целесообразно снабдить выход каждого излучателя оптоволокном и закреплять на указанной поверхности выходные концы волокон. В этом случае собственно на криволинейной поверхности размещаются только торцы волокон малого размера, присоединенные другим концом к оптическим излучателям. Применение оптического волокна позволяет максимально плотно "упаковать" на криволинейной фокальной поверхности объектива большое число точек передачи (а в случае размещения на криволинейной поверхности и приемников - точек приема), а в случае установки заявленного устройства в не защищенном от атмосферных воздействий месте - вынести большую часть аппаратуры в защищенное помещение.

Источниками и потребителями данных, как и в случае абонентской аппаратуры, могут являться компьютеры с соответствующими интерфейсными картами, однако так как заявленная система в первую очередь рассчитана на большие скорости передачи информации, источниками и потребителями данных для нее скорее должны быть узлы связи, присоединенные к магистралям глобальных оптоволоконных сетей доставки высокоскоростной информации, а также узлы связи, предоставляющие мультимедийные услуги. В этом случае промежуточными источниками и потребителями данных являются концентраторы, коммутирующие концентраторы или маршрутизаторы соответствующих узлов связи.

Работает устройство следующим образом. Сначала обеспечивается оптическое сопряжение излучателей и абонентских приемников. Для этого излучатели 9 фиксируют на криволинейной поверхности 8 таким образом, чтобы проходящие через объектив 6 лучи направлялись на соответствующие абонентские приемники 4 и собирались на их поверхности. Сигнал от источника сигнала 3 подается на излучатели 9 через модулятор 2, который модулирует световые сигналы от каждого излучателя, в соответствии с потоком, предназначенной для соответствующего абонентского приемника информации. Модулированный световой поток достигает соответствующего приемника 4, который преобразует световое излучение в электрический сигнал. Электрический сигнал поступает на демодулятор 5, а от него к потребителю в виде цифровой информации, изображения, звуковой информации и т.д.

Пример 2. В частном случае реализации, когда обеспечивается двусторонняя связь, устройство связи может быть выполнено в виде, представленном на фиг. 3.

Устройство оптической связи содержит передатчик 1, соединенный через модулятор 2 с источником сигнала 3. Устройство снабжено абонентским приемником 4, принятый сигнал от которого через демодулятор 5 направляется к потребителю. Абонентский терминал снабжается абонентским излучателем 10 с соответствующим абонентским модулятором 11 и блоком анализа и управления 12, вход которого соединен с абонентским приемником 4, а выход - с абонентским модулятором 11. Передающий терминал дополняется приемниками 13, размещаемыми на криволинейной поверхности 8, демодулятором 14, блоком анализа и управления 15 и приводом 16. Вход блока управления соединен с выходом демодулятора 14, а выходы - с источником сигнала 3 и приводом 16, обеспечивающим перемещение объектива вместе с приемниками 13 и излучателями 9. Приемники 13 оптически сопрягаются объективом 6 с соответствующими абонентскими излучателями 10. В качестве блоков 12 и 15 могут быть использованы микропроцессоры или компьютеры, снабженные соответствующими программами.

Устройство работает следующим образом. Сигнал от источника 3 подается на модулятор 2, который соответствующим образом модулирует световой поток излучателя 9 в передатчике 1. Излучение от излучателя 9 поступает на оптически сопряженный с данным излучателем абонентский приемник 4, сигнал с которого обрабатывается демодулятором 5 и направляется к потребителю. Кроме того, сигнал с абонентского приемника поступает в блок 12 анализа и управления, выход которого соединен с модулятором 11. Блок 12 анализирует поступивший сигнал для установления отклонения условий приема от оптимальных и в случае нарушения этих условий выдает соответствующий сигнал на модулятор 11. Излучение от абонентского излучателя 10 попадает на приемник 13 передающего терминала и через демодулятор 14 поступает на блок анализа и управления 15. В блоке 15 сигнал подвергается анализу с целью установления факта смещения своего излучателя относительно области, оптически сопряженной абонентскому приемнику, ухудшающего условия приема.

Если луч излучателя начнет смещаться относительно приемника, то блоки анализа 12 и 15 этот факт установят и блок 15 отдаст команду приводу 16 перемещения передатчика для восстановления оптимальных условий связи.

Система обратной связи для слежения за взаимным расположением излучателя и приемника может быть организована и другим, известным методом, например, как это раскрыто в описании к заявке Японии N 01070814, публ.N 022493276, H 04 В 10/10, 1990 /4/. Для того, чтобы снизить энергопотери каждый из приемников может быть снабжен коллекторами излучения, которые могут быть выполнены в виде линз (см. описание к заявкам ЕПВ N 868039, H 04 В 10/22, 1998 /5/ или N 909048, H 04 В 10/24, 1999 /6/), или в виде рефлектора (см. описание к патенту Великобритании N 2326786, H 04 В 10/02, 1998 /7/). (На чертежах не показан в силу известности).

Предлагаемое устройство оптической связи позволяет потребителю (абоненту) осуществлять выбор требуемой информации, например переключение с одного телевизионного канала на другой. Для этого потребитель с помощью блока анализа и управления 12 формирует запрос, который через модулятор 11 поступает на излучатель 10 и отправляется на приемник 13 передающего терминала. Принятый приемником 13 запрос через демодулятор 14 поступает в блок управления и анализа 15, который формирует соответствующее управляющее воздействие на источник сигнала 3, приводящее, например, к замене одной телевизионной программы на другую.

Для обеспечения необходимой мощности излучения, попадающей на приемник, перед приемником в частных случаях может быть установлен усилитель оптического излучения (не показан), выбранный из числа известных (см. Физический энциклопедический словарь. М., 1983, с.790-791 /9/).

Таким образом, предлагаемое устройство за счет обеспечения оптического сопряжения между приемниками и излучателями, достигаемого заявленной конструкцией передатчика, снижает энергопотери при осуществлении связи, что позволяет в свою очередь снизить энергопотребление и его массогабаритные характеристики и тем самым увеличить эффективность системы.

Claims

1. Устройство оптической связи, содержащее передающий терминал с несколькими излучателями и несколько абонентских терминалов с приемниками, отличающееся тем, что между излучателями и приемниками абонентских терминалов размещен широкоугольный объектив, причем излучатели установлены в областях, оптически сопряженных приемникам абонентских терминалов относительно указанного широкоугольного объектива.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что передающий терминал снабжен приемниками, а абонентские терминалы - излучателями, причем приемники передающего терминала установлены в областях, оптически сопряженных излучателям абонентских терминалов относительно широкоугольного объектива.

3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что излучатели и приемники передающего терминала установлены с возможностью перемещения каждого из них по трем координатам.

4. Устройство по п.1 или 2, отличающееся тем, что широкоугольный объектив выполнен с возможностью его поворота относительно произвольной оси вместе с излучателями и приемниками передающего терминала.