專利名稱：經直接調制中紅外激光器的數據傳輸的制作方法
技術領域：
本發明涉及激光器調制和光數據傳輸。
背景技術：
近年來，對于自由空間光數據傳輸(FSODT)的興趣不斷增強，因為FSODT在密集城市區域中的經濟效益是很吸引人的。在這些區域，利用FSODT可以避免安裝新的電纜或光纖。在城市區域安裝電纜和光纖的費用是驚人的。取代電纜和光纖，FSODT利用自由空間進行通信，例如，大樓屋頂之間的大氣層。然而，這種自由空間傳輸對于來自大氣層條件的干擾是很敏感的，例如，霧，污染，和沉淀物。
常規的FSODT系統使用波長在1.55微米附近的近紅外激光器，通過自由空間光發射數據。常規FSODT發射機的近紅外激光器有連續波的輸出，在自由空間傳輸到遠程接收機之前，通過調制該輸出引入數據。
這些常規的FSODT系統有幾個限制。第一，該系統是基于近紅外激光器，必須工作在有限的功率電平以確保眼安全。第二，近紅外激光器產生光的波長可以是大氣衰減(即，吸收和散射)足夠高的波長而阻礙傳輸。例如，在惡劣的天氣條件下，例如，霧，發射的波長往往被強烈地吸收。第三，常規的FSODT系統利用復雜的發射機，它包含激光器和該激光器輸出端的調制器。這些復雜的發射機很難制成單片的器件，因此，制造這種單片器件的產量是很低的。
發明內容
本發明一個方面的特征是一種光發射數據到遠程接收機的過程。該過程包括接收輸入數據信號流，和利用波形的直接調制方法調制中紅外(mid-IR)激光器，波形的順序值反映該流中的數據信號。中紅外激光器激射的波長是在約3.5微米至約24微米的范圍內。直接調制方法包括泵浦中紅外激光器以產生高光功率電平和低光功率電平，它們反映不同的順序值。該過程還包括從調制的中紅外激光器經自由空間通信信道發射輸出光到遠程接收機。遠程接收機把與高光功率電平和低光功率電平相關的發射光分別識別為“信號接通”狀態和“信號關斷”狀態。
本發明另一個方面的特征是一種光發射機。光發射機包括有光增益媒體的中紅外激光器和電調制器，用于在調制間隔期間調制增益媒體的泵浦操作。調制器按照這樣的方式調制泵浦操作，它反映相關的數據間隔中接收的數據信號值。調制器配置成使中紅外激光器在與一種數據信號值相關的調制間隔中的一部分產生一種光功率電平，而在與那個數據信號值相關的調制間隔中的其余部分產生相對低的光功率電平。
圖1A表示接通激光器電源之后量子級聯(QC)激光器輸出功率中的瞬態漂移；圖1B表示相同QC激光器的輸出功率如何響應于交變電壓的泵浦；圖1C表示相同QC激光器的輸出功率如何響應于高頻(HF)交變電壓的泵浦；圖2表示相同QC激光器的輸出功率如何響應于電壓的泵浦，該電壓的幅度代表偽隨機比特序列；圖3A表示利用直接調制中紅外激光器的中紅外光發射機；圖3B表示圖3A發射機的一個實施例中調制器產生的調制波形；圖4表示基于圖3A發射機的自由空間通信系統的一個實施例；圖5是利用直接調制QC激光器發射數據過程的流程圖；和圖6表示基于圖4通信系統的自由空間數據傳輸中接收的信號電平和噪聲電平。
具體實施例方式
量子級聯(QC)激光器具有有利于自由空間光發射機的性質。例如，QC激光器是有高輸出功率的中紅外激光器。此處，中紅外(mid-IR)激光器發射的波長是在約3.5微米至約20微米的范圍內。
各個實施例利用這些QC激光器，它們發射的波長是在大氣吸收很低的窗口內。一種低吸收窗口包括的波長是在約8微米至約13微米的范圍內。另一種低吸收窗口包括的波長是在約3.5微米至約5微米的范圍內，其中這些波長不是在位于約4.65微米的CO2吸收峰值上。
QC激光器還可以在高頻下被直接調制。此處，直接調制是指這樣的調制，它在激光器有高輸出功率電平的值與該激光器有低輸出功率電平的值之間改變該激光器的泵浦。在這些高功率電平和低功率電平上，遠程光接收機把該激光器分別識別為在信號接通狀態和信號關斷狀態。在一些實施例中，高功率電平和低功率電平分別對應于激光器的發射狀態和非發射狀態。可以通過泵浦激光器的增益媒體產生這種接通/關斷直接調制，其泵浦電流或光強所取的值是在持續受激發射的閾值之下和之上。在另一些實施例中，高功率電平和低功率電平對應于這樣的狀態，遠程接收機識別它為激光器接通狀態和激光器關斷狀態。當激光器與接收機之間的媒體產生足夠固定的衰減時，使接收的光功率電平是在該接收機的閾值之下，導致激光器的關斷狀態。在這些實施例中，輸出的激光器功率在低功率狀態下就下降，因此，對于遠處接收機來說該激光器似乎是關斷的。
QC激光器可以利用直接調制方法進行調制。但是，QC激光器比常規的中紅外和近紅外激光器產生更多的熱。增加產生的熱量使直接調制更容易使QC激光器遭受溫度誘發漂移。
圖1A是曲線10，表示在激光器增益媒體兩端第一次加了光激射閾值之上的電壓時QC激光器的光輸出功率。在時間T＝0，泵浦電壓突然地從一個恒定值，例如，光激射閾值之下的值，改變到光激射閾值之上的另一個恒定值。給予響應，激光器的光輸出功率在T＝0跳到最大值12，在長度為P的瞬變期間內衰減到較低的穩態值14。
在圖1A中，激光器輸出功率的瞬態特性來源于反轉載流子數的變化。反轉載流子數確定受激發射產生的光量，它在時間T＝0的激光器剛開始發射激光之后有一個最大值，而在大于該時間T之后有較低的值。反轉載流子數的變化是由于長時間的光激射使激光器的增益媒體發熱，從而改變反轉載流子數目。
圖1B是利用周期為P的方波泵浦電壓直接調制時圖1A中相同QC激光器的光輸出功率曲線16。方波的最大電壓和最小電壓分別是在光激射閾值電壓之上和之下。雖然該激光器的泵浦電壓是方波，但是由于激光器增益媒體的發熱，該激光器的輸出功率不具有方波的形式。
此外，圖1B中最大的光輸出功率18低于圖1A中最大的光輸出功率12，因為調制頻率太高而使激光器在光激射周期之間不能冷卻。同樣的道理，光激射周期內的最大光輸出功率18與最小光輸出功率20之間的差值，利用圖1B所示方波電壓泵浦時的差值小于利用圖1A所示恒定泵浦電壓泵浦時的差值。
圖1C是相同QC激光器利用與圖1B相同幅度和較短周期P/2的方波直接調制方法調制時的光輸出功率22曲線。較短的調制周期降低了光激射時光輸出功率24的最大值。類似地，光激射期間內光輸出功率最大值24與光輸出功率最小值26之差也是在響應于較短調制周期時較小。調制頻率增大時最大光輸出功率下降的趨勢是與調制速率率增大時在光激射周期之間可以冷卻激光器增益媒體的時間縮短有關。
圖1A-1C表示QC激光器的光輸出功率在高調制速率下如何隨調制速率而變化。光輸出功率還隨調制數據序列的形式而變化。
圖2是在長度為P′的間隔期間利用泵浦電壓32的隨機二進制序列調制的相同QC激光器的光輸出功率曲線30。對于該序列的每個間隔，例如，泵浦電壓的調制部分是20毫伏(mV)或0mV。在該序列的不同光激射間隔期間，激光器的光輸出功率因激光器增益媒體的溫度差別而不同。在特定的調制間隔期間，增益媒體的溫度取決于較早間隔期間的調制電壓值。在此之前有其他光激射間隔的序列的光激射間隔期間的增益媒體較熱，因為以前產生的熱量在此情況下還未耗散。較熱的增益媒體在相同的泵浦電壓下產生較低的光輸出功率。例如，間隔34之前有兩個光激射間隔，因此，間隔34是增益媒體較熱的間隔。在較熱間隔34中的光輸出功率也比前兩個間隔中的低。
圖2表示采用隨機的數字輸入數據序列通過直接調制方法調制QC激光器產生光輸出功率的不規則起伏。由于這種起伏，QC激光器的光輸出功率可以偶爾下降到發射數據值的閾值電平以下，并引起遠程接收機中的識別差錯，例如，若與20mV泵浦電壓調制部分相關的輸出光功率的閾值是電平36，則接收機很可能錯誤地識別QC激光器在瞬態間隔34發射的數據值。
當發射機利用高頻率和高功率電平的直接調制方法調制QC激光器時，光輸出功率的變化更容易產生差錯。為了在光發射機中無差錯地直接調制QC激光器，必須控制光輸出功率的變化，即，至少是在高數據速率和高輸出功率的情況下。
圖3A表示光發射機40的一個實施例，包括QC激光器42和電調制器44。典型的QC激光器42是在U.S.專利No.6,055,254中描述，把它全部合并在此供參考。電調制器44利用直接調制方法經電流信號調制QC激光器42。該信號是加到電極46的兩端，用于電泵浦該激光器的增益媒體48。
QC激光器42與冷卻裝置50還有熱接觸。冷卻裝置50在直接調制期間減少激光器增益媒體48中的溫度變化。冷卻裝置50的冷卻功率能夠耗散調制時產生的熱量，因此，增益媒體48中的溫度變化保持在預選的范圍內。在該預選的范圍內，溫度變化不會引起QC激光器42的光輸出功率不可接受的變化。
可接受的溫度變化范圍取決于調制頻率，數據類型，調制電流，和接收機靈敏度。在圖1A-1C和圖2中已描述與調制頻率和數據類型的關系，它們與數據速率和瞬態周期的平均長度和方差有關，該數據在瞬態周期內引起光激射。與調制電流的關系涉及增益媒體48中的功率耗散與調制電流幅度的關系。與接收機靈敏度的關系涉及區分不同數據值的閾值光功率。若溫度變化引起光傳輸功率電平在接收機識別它們為與不同數據值相關的功率范圍之間徘徊，則這種溫度變化就會產生差錯。
圖3A表示包含冷指49的冷卻裝置50的一個實施例。冷指49在位于容器52內的冷卻劑媒體51與激光器42之間形成熱接觸。典型的冷卻劑媒體51包括液氮和液態空氣。冷指49以這樣的速率調節從激光器42到冷卻劑媒體51的熱轉移，該速率是足夠地快以保持增益媒體48中的溫度變化在可接受的范圍內，因此，保持激光器42的光輸出功率變化在可接受的范圍內。
在另一些實施例中，冷卻裝置50使用與激光器42熱接觸的熱電冷卻器件，提供增益媒體48的冷卻和維持溫度變化在可接受的范圍內。本領域專業人員知道熱電冷卻器件的構造和使用方法。
QC激光器42產生幅度調制的輸出光束54。輸出光束54被無源光學元件58通過自由空間引向接收機(未畫出)。
圖3B表示圖3A中另一個實施例的調制器44產生的調制電壓/電流波形，該波形反映二進制輸入數據值的序列62，即，0和1。序列62的數據值有相等的時間周期。在時間間隔66中，調制器44產生低于光激射閾值電壓64的泵浦電壓/電流，它與數據值0相關。在與數據值1相關的時間間隔中的第一部分67，調制器44產生光激射閾值電64之上的泵浦電壓/電流。在與數據值1相關的時間間隔中的其余部分68，調制器44產生光激射閾值電壓64之下的泵浦電壓/電流。在典型的調制器44中，第一部分小于與一種數據值相關的總時間間隔的70％，50％，40％，30％，或10％。因此，這些實施例中調制器44在短于與引起光激射的特定數據值相關時間間隔的時間間隔內產生光激射。
通過限制光激射間隔的長度短于各個數據間隔，調制波形60減小了圖3A中激光器42激射的總時間。減小光激射時間的長度就減小了增益媒體48中產生的熱量，即，產生的熱量與泵浦功率的時間積分有關。因此，調制波形60在數據序列的傳輸期間減小了激光器42中的溫度變化和光輸出功率變化。利用配置成產生如波形60的調制波形的調制器44，能夠獲得較高的數據速率和降低保持可接受光輸出特性所需的冷卻量，例如，對于某些這種調制波形，冷卻裝置50是不需要的。
利用圖3A中冷卻裝置50進行冷卻以及利用具有類似于圖3B中波形60的泵浦電壓/電流進行調制，使QC激光器42的溫度在直接調制期間保持穩定。
圖4表示光通信系統70，例如，在城市區域中提供FSODT的終端線路光通信系統。系統70包括圖3A-3B中的光發射機40和光接收機72。光發射機40包括電調制器44，QC激光器42，冷卻裝置50，擴束光學元件76，目標光學元件58，和任選的可見光激光器74。接收機72包括會聚光學元件78，紅外強度檢測器80和接收信號監測器82。監測器82電解碼和利用QC激光器42發射的數據。
通信系統70包括在物理和電子建立期間起作用的光學器件。在光發射機40的物理建立期間，可見光激光器74產生可見的光束，它用于物理調整目標光學元件，因此，使輸出光束84瞄準接收機72的會聚光學元件78。在電子建立期間，低頻(LF)源86調制來自調制器44的泵浦電壓/電流，接收機72中的鎖相放大器88以LF源86的頻率檢測接收信號的調制。LF調制和相位匹配檢測有助于在接收機72中設置電子校準。
調制器44包括直流(DC)電壓源92和高頻(HP)調制器94，調制器94經偏置T形接頭96耦合到輸出終端98。DC電壓源92提供恒定的泵浦電壓，使QC激光器42保持在接近于光激射閾值的非激射狀態，例如，光激射閾值之下的0.1伏至0.001伏。保持QC激光器42接近于該閾值，能夠使用較小的AC電壓，例如，0.1伏至0.001伏，引起QC激光器42在直接調制期間在激射狀態與非激射狀態之間轉換。高頻(HP)調制器94產生輸出電壓，其幅度反映發射機40接收的輸入數字或模擬數據。來自HP調制器94的輸出電壓用于增加QC激光器42上的泵浦電壓/電流到光激射閾值之上，用于響應某些類型的輸入數據，例如，等于邏輯+1的數據值。偏置T形接頭96電隔離DC電壓源92和連接調制器44和QC激光器42的線路100上的信號。
圖5是利用直接調制QC激光器，例如，圖4中的激光器42，發射數據過程110的流程圖。過程110包括在調制器中，例如，圖4中調制器44，接收輸入模擬或數字數據流中的各個值(步驟112)。該調制器通過直接調制方法調制QC激光器(步驟114)。直接調制方法涉及利用電或光泵浦信號流泵浦激光器，其形式代表接收的信號流中對應的各個輸入數據值。QC激光器經自由空間信道發射直接調制方法產生的光脈沖流到遠程接收機，例如，接收機72(步驟116)。
直接調制方法包括調制泵浦高電平與低電平之間的激光器輸出功率，遠程接收機對這些高電平和低電平分別識別為發射機接通狀態和發射機關斷狀態。在一些實施例中，發射機接通狀態和發射機關斷狀態是QC激光器的激射狀態和非激射狀態。在另一些實施例中，發射機接通狀態和發射機關斷狀態在遠程接收機中產生的功率電平分別是在該接收機的檢測閾值之上和之下。
再參照圖4，通信系統70的各個實施例利用位于中紅外波長范圍的光傳輸波段通過自用空間發射數據。一些實施例利用QC激光器可用于寬范圍的輸出波長和利用激光器產生的光波長是在低的大氣衰減窗口內。在這種窗口發射數據減少了大氣吸收和/或諸如散射的各種大氣條件造成的通信差錯數目。
圖6表示圖4通信系統70的一個實施例中信號強度如何依賴于自用空間中紅外傳輸的數據頻率。噪聲本底代表接收機72正確識別發射數字數據的閾值，它是用分貝(dB)表示的。各個數據點是用星號表示的。這些數據點說明信噪比隨數據頻率的增大而減小。然而，該數據說明，直接調制典型的QC激光器42能夠發射速率為1吉赫(GHz)，2GHz，4GHz或更高的數字數據。
根據這個技術說明，附圖，和本申請的權利要求書，本發明的其他實施例對于本領域專業人員是顯而易見的。
權利要求
1.一種光發射數據到遠程接收機的過程，包括接收輸入數據信號流；利用波形的直接調制方法調制中紅外激光器，波形的順序值反映該流中的數據信號，直接調制方法包括泵浦中紅外激光器以產生高光功率電平和低光功率電平，它們反映不同的順序值；和從調制的中紅外激光器經自由空間通信信道發射輸出光到遠程接收機。
2.按照權利要求1的過程，其中遠程接收機配置成把與高光功率電平和低光功率電平相關的接收光分別識別為中紅外激光器的“信號接通”狀態和“信號關斷”狀態。
3.按照權利要求2的過程，其中直接調制方法調制中紅外激光器包括利用調制電流泵浦該激光器的增益區，調制電流相繼的各值反映該流中的數據信號。
4.按照權利要求1的過程，其中直接調制方法的調制操作泵浦中紅外激光器到第一間隔期間的激射狀態以響應有第一信號值的輸入數據信號和到第二間隔期間的非激射狀態以響應有第二信號值的輸入數據信號。
5.按照權利要求4的過程，其中第一間隔短于第二間隔。
6.按照權利要求5的過程，其中第一信號值和第二信號值分別是第一數字值和第二數字值。
7.按照權利要求2的過程，其中調制操作產生的光波長是在約3.5微米至約24微米的范圍內。
8.按照權利要求1的過程，其中產生的光波長至少是約8微米長，但不長于約13微米。
9.按照權利要求1的過程，其中產生的光波長至少是約3.5微米長，但不長于約5微米，且不在位于約4.65微米的CO2吸收峰值上。
10.按照權利要求1的過程，其中調制操作產生的光是在這樣的頻譜窗口內，其中大氣衰減低于相鄰的波長范圍。
11.按照權利要求1的過程，其中發射操作是在至少高達1吉赫的速率上發送順序調制的光數據值。
12.按照權利要求1的過程，其中發射操作是在至少高達2吉赫的速率上發送順序調制的光數據值。
13.一種光發射機，包括有光增益媒體的中紅外激光器；和調制器，它在調制間隔期間按照這樣的方式調制增益媒體的泵浦，它反映相關數據間隔中接收的數據信號值，調制器配置成使中紅外激光器在與一種數據信號值相關的調制間隔中的一部分產生一種光功率電平，而在與那個數據信號值相關的調制間隔中的其余部分產生相對低的光功率電平。
14.按照權利要求13的發射機，其中調制器配置成使中紅外激光器在該間隔中的各個部分發射激光，而在該間隔中的其余部分不發射激光。
15.按照權利要求13的發射機，其中調制器在增益媒體的兩端加上電壓以調制媒體的泵浦。
16.按照權利要求13的發射機，其中中紅外激光器是量子級聯激光器。
17.按照權利要求13的發射機，其中中紅外激光器配置成產生光的波長至少為約8微米，但不長于約13微米。
18.按照權利要求13的發射機，其中中紅外激光器配置成產生光的波長至少為約3.5微米，但不長于約5微米，且不在位于約4.65微米的CO2吸收峰值上。
19.按照權利要求13的發射機，其中中紅外激光器產生的光是在這樣的頻譜窗口內，其中大氣吸收低于相鄰的波長范圍。
20.按照權利要求13的發射機，還包括準直光學元件，它把來自中紅外激光器的輸出光準直成直徑至少為1mm的光束。
21.按照權利要求13的發射機，其中調制器把泵浦光加到增益媒體以調制增益媒體的泵浦。
22.按照權利要求13的發射機，其中調制器通過增益媒體發射電流以調制增益媒體的泵浦。
全文摘要
一種光發射數據到遠程接收機的過程，包括接收輸入數據信號流，和利用波形的直接調制方法調制中紅外激光器，波形的順序值反映該流中的數據信號。直接調制方法包括泵浦中紅外激光器以產生高光功率電平和低光功率電平，它們反映不同的順序值。該過程還包括從調制的中紅外激光器經自由空間通信信道發射輸出光到遠程接收機。
文檔編號H04B1/04GK1409499SQ01140670
公開日2003年4月9日 申請日期2001年9月20日 優先權日2001年9月20日
發明者克萊德·G·比瑟, 飛德里科·卡帕瑟, 阿爾弗雷德·Y·周, 克萊爾·F·格馬奇, 阿伯特·李·胡琴松, 萊諾·馬丁, 羅伯特·派拉, 德伯拉·李·思烏克, 阿勒桑德羅·特里迪蘇賽, 埃德瓦·A·維塔克 申請人:朗迅科技公司