CN1199866A - 自由空间波分复用通信系统的光接收器及解复用器 - Google Patents

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Abstract

一种具有解复用器和接收器装置的自由空间波分复用分路传输系统。解复用器和接收器装置可以基于可旋转干涉滤波器。通过调整干涉滤波器和入射光束的夹角可选出期望的波长。解复用器和接收器也可替代性地基于衍射光栅。不同波长的光以不同的角度被衍射,使得在系统中各波长在空间上实现了分离。利用相应的多元线性光检测器矩阵接收空间上分离的光信号。

Description

自由空间波分复用通信 系统的光接收器及解复用器
本发明涉及光学通信，尤其涉及用于自由空间波分复用光电信系统的信号解复用器和接收器。
自由空间光通信系统是将调制了的光束从发射器通过自由空间(空气)送至接收器的系统。这些系统可为某些用例如双绞线同轴电缆或光纤连结的“硬连线”(hard-wired)网络有困难或成本高昂的地区提供电信服务。在自由空间光通信系统中也可期望利用波分复用来提高系统的信息传输能力。利用该系统中不同波长的光，波分复用系统能够在发射器和接收器间传送多路信道信息。在接收器端，利用波长滤波对多信道分离。
在波分复用多路传输系统中，光信号完全地在单模(single mode)光导纤维上传输于网络节点之间。基于单模光纤的解复用器可用于波长滤波。然而，基于光纤的解复用器使用起来有困难。例如，将自由空间的传输耦合到基于单模光纤的解复用器就非常困难。
因而本发明的目的在于提供用于自由空间波分复用多路传输光学通信系统的改进了的解复用器和接收器。
根据本发明的原理，通过提供具有解复用器和接收器装置的自由空间波分复用多路传输系统，可以实现本发明的这个目的和其它目的。不同波长的光在源节点被复用并通过自由空间发送至用户住宅的节点。电话服务、视频服务、综合业务数字网(ISDN)服务都是该系统可提供的服务类型的例子。还可按要求通过独立的波长信道提供每种服务。
解复用器和接收器装置分离被复用的波长，以使用户接收一个或多个期望服务的数据。解复用器和接收器装置可以基于一可旋转干涉滤波器。通过调整干涉滤波器和入射的被复用的光束的夹角可以选出期望的波长。另外，解复用器和接收器装置也可基于衍射光栅。通过衍射光栅使不同波长的光以不同角度被衍射。各个空间上分离的光束被引向多元线性光检测器矩阵中的相应的检测器单元。这样就可以通过电学访问适当的检测器单元来获得各个信道的数据。
本发明的进一步的特征，本质和各种优点将通过附图和下文的对一个优选实施方式具体描述而更加清楚。
图1是根据本发明的一个系统的示意图
图2a和2b是根据本发明的可调干涉滤波解复用器和接收器装置的图示。
图3是图2a和2b中可调干涉滤波解复用器示意性安装装置的透视图。
图4是根据本发明的衍射光栅解复用器的部分示意图。
自由空间波分复用多路传输通信系统10的部分示意性示于图1。一般地，自由空间通信系统具有发送和接收数据的众多的节点。在图1中所示的系统10的示意部分中，数据在源节点62和用户住宅节点60之间传送，但应当理解的是在其它的系统节点(未示出)之间也存在着相似的传输。
来自各种服务，例如简单的普通老式电话服务(POTS)，视频服务，综合业务数字网(ISDN)服务，卫星始发(satellite-originated)电视服务等的数据输入光源14的数据输入端12。提供给数据输入端12的信号可以来自于和源62相连的自由空间接收器(未示出)或来自于和现存(非自由空间)电信网络基础设施相连的连接点(未示出)。
光源14可以是任何用于自由空间光学波分复用多路传输的适当的窄带光源。例如：光源14可以是工作于1550nm波长范围的分布式反馈激光(distributed feed back lasers)。因为空气中水对这个范围的光的吸收相对较弱，所以工作于1550nm波长范围是理想的。分布式反馈激光易于获得并具有窄的线宽(在埃数量级)所以也是理想的。可以有16-32个与相邻信道相差2nm工作波长的光源14(例如：λ1＝1530nm，λ2＝1532nm等)
光源14的调制了的光学输出被复用以便自由空间传送到区域60，在该处不同信道的信号被解复用。单一的服务(例如POTS，Video，ISDN等)没有必要和单独的光源14相对应，但这样的配置对特定的系统结构可能有好处。
一个适当的多路复用装置包括通过光纤18将光源14的输出和多路复用器16连结起来。然后多路复用器16的波长复用输出波供给光纤20。可以利用例如掺Er3+的光纤放大器的宽带光学放大器22来提高光纤20中的光信号的功率。(如需要，在系统10的接收器端也可使用类似的放大器。)放大器22的放大了的输出送到光纤24。如果光纤24是单模光纤，从光纤24输出的光束在透镜26校正之前将有一个标准15°偏差角的偏差。校正了的光束28通过光束分离器28并被连到望远镜(Telescope)上进一步处理。一旦离开望远镜3光束34在空气36中传播，合适的长度是十到一千米。在望远镜38的输入端，光速40一般具有几英寸的直径。望远镜38校正光束40并缩小其尺寸使得当光速42离开望远镜38时具有约半英寸的直径。
光束分离器将复用光束42a导入解复用器46各种信号分离装置可用于系统10。图1中所示的示例性解复用器46具有可旋转的干涉滤波器46a和透镜46b(可以是一个或多个物理透镜)。通过干涉滤波器46a可以从多波长光束42a中将某一波长提取出来。此单一波长含有用于从数据多路传输入光纤20的众多信道中选出的某信道的数据。此波长被透镜48聚焦于光检测器50上。通过控制电路52对来自光检测器50的信号进行处理，向电视54提供视频信号，电话56提供电话信号，和向计算机58提供ISDN信号。
电视54、电话56和计算机58位于住宅60，一般为用户的寓所或办公室。来自区域60的信号经常需要返送回源节点62。例如，利用电话56进行的双向电话交谈要求语音数据能从住宅60传送至源62。类似地，支持例如视频点播(pay-per-view ordering)双向业务和服务的计算机58要求信号从电视54传送至源60。需要从客户设备，例如电视54、电话56、计算机58送出的信号通过控制电路52提供给发射器64。
光学发射器64的输出光束66可以含有单一波长或多波长的光，该输出可以被传送给源节点60(如图1所示)，也可传送给自由空间光学通信系统10中另外的合适的网络节点。输出光束66通过光束分离器44，望远镜38和自由空间36。在源60，该光学信号被望远镜32接收到并通过光束分离器30偏转送至接收器68。如果接收器68收到的光信号含有多个波长的光，接收器68需具有光波长解复用能力。接收器68将光信号转变成电信号并将其供给系统10中适当的部分或通过输出端70供给现有的网络基础设备。
图2a和2b中示出了基于可调干涉滤波器的一种解复用器和接收器装置72。光束74含有多波长的光(图2中示意为λ1，λ2，λ3)，每个波长的光都对应于一独立的信道。干涉滤波器76绕轴78(该轴垂直于页面)转动以选出期望的波长。多介质叠层滤波器(multiple dielectricstack filter)，例如JDS-Fitel或Gould Optics公司出品的这种滤波器用作干涉滤波器76是很适合的。当干涉滤波器以图2a中的角度放置时，唯一波长λ3的光被传输。通过透镜84将光束80a(该光束在图2a的装置中仅含波长为λ3的光)聚焦于光检测器82。当干涉滤波器以图2b中角度放置时，唯一波长λ2的光被传输。通过透镜84将光速80b(该光束在图2b的装置中仅含波长为λ2的光)聚焦于光检测器82。
图2中的干涉滤波器76可以利用图3中所示的示意性定位装置86来定位。装置86具有轭88，干涉滤波器90安置于其中。电机92(例如步进电机)根据控制命令来控制干涉滤波器90的旋转位置，控制命令来自于例如图1中的控制电路52的控制电路。
如需要，装置86可以高频颤动干涉滤波器90的旋转位置，同时监测被传送的光信号强度以确保被传送信号处于最大值并确保当选定某一特定信道后系统能够锁定期望波长的光。
另外，唯一标识信道的信息(如信道号)可以被编码入各个信道。例如，当使用数字调制电路时，信道号(例如No.1-32)可以每隔256位插入被传送的数据。当使用模拟调制电路时，可以插入模拟标识符于被传输的数据。
根据本发明的另一种解复用器和接收器装置示于图4中。在说明性解复用器和接收器装置96中，光束98含有分别对应于一个独立数据信道的波长λ1，λ2，λ3和λ4。如需要，光束98可以被透镜100聚焦或另外用适当的光学镜片处理。衍射光栅102将经过处理的光光束98′分成光束98a，98b，98c和98d，其中每束光都含有单一波长的光。衍射光栅102可以为任何具有空间分离不同波长信道光束能力的合适的衍射光栅，例如Richardson Grating Laboratony/Spectronic Instruments Inc.of Rochester，New York出品的光栅。光栅102可以是透射式(如图4所示)，也可是反射式的。
旋转位定器110，通过输入端112接受来自例如图1中控制电路52的控制电路的控制信息，控制衍射光栅102绕纵向轴108的旋转位置，以确保光束98a 98b 98c和98d与多元传感器106中的相应的检测器单元104a，104b，104c，104d相对准。在初始化对准步骤中或用传感器106接收光信号时，可以调节衍射光栅102的旋转位置以确保衍射光栅102和传感器106之间的正确对准。在信号探测中校准衍射光栅102和传感器106以确保维持光束98a 98b 98c和98d与检测器单元104a 104b104c和104d的对准，从而确保各个信道信号的正确接收。
光束98a含有波长为λ1的光，光束98b含有波长为λ2的光，光束98c含有波长为λ3的光。束98a含有波长为λ4的光。应当理解用于各信道的光源14(图1)围绕其标称波长具有有限的非零的线宽，本发明的信号分离操作传送围绕特定中心波长的非零带宽的光。然而，为了使对本发明描述易于理解，各个光源被看作产生单一波长的光。类似的，解复用器装置被看作传送用于各信道的单一波长的光。
传感器106应对以1550nm为中心的波长区域(例如，近似1530-1560nm)很敏感，从而光源14(图1)发射的光可以被探测到。传感器106可以是类似于Epitaxx Optoelectionic Devices of Treton，NewJersey出品的In Ga As线性光电二极管阵列或EidgenossischeTechnische Hochschule of Zurich，Switzerland出品的InGa As/In P线性光电二极管矩阵的器件。
各个检测器单元104a、104b、104c和104d接收用于不同信道的数据。如需要，例如图1中控制电路52的控制电路可被用来从传感器106接收到的众多信道中提出单一的期望信道。各信道的数据也可能被同时处理。例如，用户可以同时使用电话服务(用λ1提供)和视频服务(用λ2提供)。用检测器单元104a接收电话数据，同时用检测器单元104b接收视频信号。
上文仅是对本发明的原理的说明性描述，在不脱离本发明的使用范围和精神的情况下，熟练的技术人员可以对其进行各种改变。

Claims (13)

1.一种自由空间波分复用多路传输系统，具有多信道，各信道和不同光学波长的光源相联系，该系统具有第一节点和第二节点，第一节点把不同光学波长的光源的光多路复用成多路复用光学信号，第二节点上的用户具有电学系统元件，该系统包括：
位于第二节点用于将多路复用光学信号作为复用光束发射到自由空间的自由空间光发射器。
位于第二节点用于从自由空间接收多路复用光束的自由空间光接收器；
可旋转光学干涉滤波器，该滤波器接收来自自由空间光接收器的多路复用光束，传送出相对应于所选的一信道并具有单一波长的已被解复用的光束；
定位器，该定位器控制干涉滤波器与多路传输光束的夹角位置以决定何信道被发送；
用于接收被解复用的光束并提供相应于所选信道的输出信号的光检测器。
2.进一步包括权利要求1定义的系统，接收来自光检测器的用于所选信道的输出信号，并至少给电学系统的一个元件提供相关服务的数据的控制电路。
3.权利要求1定义的系统，进一步包含位于第二节点的发射器，该发射器通过自由空间发射来自电学系统中至少一个元件的信号给第一节点。
4.权利要求1定义的系统，进一步包含将分离了的光束聚焦于光检测器的透镜。
5.权利要求1定义的系统，其中干涉滤波器由多介质层(multipledielectric stack)构成。
6.权利要求1定义的系统，其中光源为分布式反馈激光。
7.一种自由空间波分复用多路传输系统，具有多个信道，各信道和不同光学波长的光源相联系，该系统具有第一节点和第二节点，第一节点将具有不同光学波长的光源的光多路复用成多路复用光学信号，在第二节点的用户具有电学系统元件，该系统包括：
位于第一节点用于将多路复用光学信号作为多路复用光束发射到自由空间的自由空间光发射器。
位于第二节点用于从自由空间接收多路复用光束的自由空间光接收器；
衍射光栅，该光栅接收来自自由空间光接收器的多路复用光束，提供多个空间上分离的分离了的光束，各光束和一个信道相对应并具有单一波长；
具有多个检测器单元的线性传感器阵列，各检测器单元接收相应的空间上分离的分离了的光束并提供相关信道的对应输出信号。
8.权利要求7定义的系统，进一步包括控制电路，该控制电路接收来自线性传感性阵列的用于各信道的输出信号，向用户电学系统元件提供相关服务的数据。
9.权利要求7定义的系统，进一步包含位于第二种节点的发射器，该发射器通过自由空间发射来自电学系统中的至少一个元件的信号给第一节点。
10.权利要求7定义的系统，进一步包含将多路传输光束聚焦到衍射光栅的透镜。
11.权利要求7定义的系统，其中光源为分布式反馈激光二极管。
12.权利要求7定义的系统，包含旋转定位器，该定位器用于围绕沿多路复用方向的纵光轴调节衍射光栅的转向。
13.一种自由空间波分复用多路传输系统，，具有多个信道，各信道和不同光学波长的光源相联系，该系统具有第一节点和第二节点，第一节点将具有不同光学波长的光源的光多路复用多路复用光学信号，在第二节点的用户具有电学系统元件，并且在第一节点具有用于将多路复用光学信号作为多路复用束发射到自由空间的自由空间光发射器，该系统包括：
位于第二节点用于从自由空间接收多路复用光束的自由空间光接收器；
可旋转光学干涉滤波器，该滤波器接收来自自由空间光接收器的多路复用光束，发送出相对应于所选的一信道并具有单一波长的已被分离的光束。
定位器，该定位器控制干涉滤波器与多路复用光束的夹角位置以决定何信道被传送：
用于接收被分离的光束并提供相应于所选信道的输出信号的光检测器。
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