自由空間光通信的多輸入方法和設備的制作方法

專利名稱：自由空間光通信的多輸入方法和設備的制作方法
技術領域：
本發明涉及自由空間光通信。
背景技術：
長久以來已了解到自由空間光通信(FSO)的優點，例如高帶寬和高信號方向性。FSO的已知缺點之一是其容易經受閃爍(scintillation)。也就是說,瑞流和熱現象產生大氣折射率的局部化波動。傳遞經過此類波動的單載FSO光束可能由于光學折射而完全或部分地偏轉。一個結果是在光束被聚焦到一圖像點上的接收端處，該圖像點可能在圖像平面中游移。
而且，FSO光束通常是作為相干激光束而產生。相關光束起初具有均勻的波前(wavefront)，即，隨著在光束的前面上的徑向位置緩慢變化的相位。具有均勻波前的光束是合意的，因為在檢測器處，該光束將經歷相對極少的相消性自干擾。然而，大氣中的折射率波動的第二影響是使FSO光束的波前失真。所述失真造成在檢測器處的光束的依賴于時間的相消性自干擾，這又導致所接收信號的衰落。
對于與大氣閃爍相關的問題的已知解決方案中的一些使用機械鏡和自適應光學元件來跟蹤游移光束且校正失真的波前。然而，此類解決方案需要大量的硬件組件。其中一些還使用感測和機械致動的閉合迭代控制回路，這限制了其性能。這些缺點在用于FSO光束的QAM和其它高級調制方法的情況下尤其嚴重，針對這些情況的接收對所接收信號的振幅和相位的保真度是相對敏感的。發明內容
我們已提供一種新解決方案，其利用了如下事實:不同波長在特征在于大氣閃爍的傳播環境中將通常展現不同的衰落特性。我們的解決方案提供了可完全在高速電子元件中完成的開環自適應處理的可能性。這通過利用由大氣產生的多路徑傳播而允許跨越波前的相干處理且實現光學ΜΜ0。
在一實施例中，我們的解決方案涉及收集至少一個FSO光束，按波長將光束多路分用為至少兩個子光束，檢測每一子光束以從其產生電輸出，以及使用來自所述電輸出中的至少兩者的互補信息來復原信號。


圖1是在一實施例中根據本發明的發射器的簡化局部示意圖。
圖2是在一實施例中根據本發明的接收器的簡化局部示意圖。
圖3是展示在一個實施例中的接收器的光學部分的細節的簡化局部示意圖。為了呈現的簡單，已從圖3的視圖省略了光學混合體。混合體將通常用以實現相位分集。
圖4是通過特征在于大氣閃爍的傳播環境進行傳輸的FSO傳輸系統的簡化局部示意圖。
圖5是具有多個接收孔徑的示范性FSO接收器的簡化局部示意圖。
具體實施例方式轉到圖1，示范性FSO發射器包含用于產生經譯碼電信號的數據編碼器10，所述電信號被施加于放大級20之后以調制兩個或兩個以上二極管激光器30的光輸出。如圖中所見，將波長多路復用器和望遠鏡的功能組合的光學系統40將來自激光器的光學輸出組合為光束50，所述光束50通過空間、通常通過大氣朝向接收器投射。雖然為了呈現的簡單而僅展示單個投射的經波長多路復用的輸出光束50，但將了解，空間分集的一些優點可通過其中產生多個經波長多路復用的輸出光束的布置而實現。這可例如通過使用多個發射孔徑來完成。所屬領域的技術人員使用用于數據編碼的已知技術、用于光信號產生、調制和放大的已知技術以及用于波長多路復用和用于將一個或一個以上FSO光束投射到空間中的望遠鏡式布置的已知布置將了解圖1中概念性展示的系統的許多替代實施方案。舉例來說，利用例如陣列波導(AWG)和多模干涉(MMI)裝置等平面波導技術的光學多路復用器可在至少一些情況下有用。同樣，例如鉺摻雜的光纖放大器(EDFA)等光纖放大器可在至少一些情況下有用。用于IOGbps和IOGbps以上的光學傳輸速率的優選數據編碼方法包含PSK、QAM和OFDM0另外，在至少一些情況下可能有利的是采用空間-時間塊碼和類似物，其中經譯碼群集符號布置于空間-時間矩陣或波長-時間矩陣中，或者布置于在空間、時間和波長中延伸的矩陣上。(空間-時間矩陣在多個輸出子孔徑和多個符號間隔上分布信號。波長-時間矩陣在多個波長子通道和多個符號間隔上分布信號。)轉到圖2，用于來自發射器的傳入光束60的示范性FSO接收器包含望遠鏡式收集系統70、波長多路分用器80、二極管光電檢測器90、模/數轉換器(ADC) 100和數字信號處理器(DSP)llO。如圖中所見，多路分用器80將傳入光束分離為占據不同波長帶的兩個或兩個以上子光束。每一子光束由光電檢測器90中的一者轉換為電信號。在ADC100處，經譯碼群集符號被復原且被解映射到二進制序列，所述二進制序列在DSP 110中經處理以產生輸出數據流120。所屬領域的技術人員使用用于數據解碼的已知技術、用于光信號檢測和解調的已知技術以及用于波長多路分用和用于收集一個或一個以上FSO光束的望遠鏡式布置的已知布置將了解圖2中概念性展示的系統的許多替代實施方案。舉例來說，利用對應于上文論述的光學多路復用器的平面波導技術的光學多路分用器可在至少一些情況下有用。如圖中可見,DSP具有多個輸入流,每一輸入流對應于經多路分用為相應子光束的波長通道中的一者。DSP使用來自這些波長通道中的至少兩者且優選全部的互補信息，以便計算輸出數據流120。舉例來說，可在兩個或兩個以上波長通道中的每一者上發送冗余信息。在此情況下，DSP可在一時間周期中選擇最強的那個波長通道(或波長通道子組)。“最強”意味著提供最大的準確接收的概率。可通過信噪比、通過從在相關波長通道上發送的導頻信號確定的錯誤概率或通過其它已知方式測量強度。特定通道選擇所持續的時間周期可例如通過傳播環境的相干時間的測量來確定，所述相干時間在一些情況下可為幾毫秒。根據此方法，在一個通道中較弱地接收的同一信息可能在另一通道中較強地接收的意義上，不同波長通道中的信息是“互補的”。
不同波長通道中的信息也可能是“互補的”，因為不同的通道載運相異的數據流。也就是說，圖1的數據編碼器10可操作以將一數據流的不同部分分配到不同波長通道。此些分配部分可完全相異，或通過冗余譯碼，其可含有部分重疊的數據。
在至少一些情況下，將有利的是DSP 110實施分集接收器。在分集接收器中，輸入到DSP的相應數據流130.1、…、130.n被指派不同的權重。基于從發射器接收的導頻信號，計算權重集合以最小化錯誤概率。在此情況下，不同頻率通道上的信息是“互補的”，因為當根據其經指派權重在DSP中組合時，每一通道均貢獻于經優化的所接收信號。
在至少一些情況下，將有利的是DSP 110實施MMO技術以從空間-時間矩陣、頻率-時間矩陣和類似物復原信號。如下文將論述，此處理可包含例如從使用從發射器接收的導頻信號進行的測量獲得的傳播系數的使用。可在不同波長通道上以及從不同的發射器子孔徑發送單獨的導頻信號。同樣，可在不同的接收器子孔徑中接收導頻信號。因此，可針對每一波長通道確定傳播系數矩陣。在每一此矩陣內，給定系數表達給定發射器子孔徑與給定接收器子孔徑之間的衰減和相位延遲。下文將進一步描述此矩陣信息的使用。
轉到圖3，圖2的接收器布置的細節包含本機振蕩器140，其將相位信息提供到光電檢測器90以便實現相干檢測。如果將在接收器中考慮所接收光信號的相位，那么相干檢測是必要的。這對于PSK、QAM和其它高級調制格式以及對于將傳播系數納入考慮的MMO處理是重要的，如下 文將論述。(所屬領域的技術人員將了解，對于相干檢測，在接收器布置中恰在光電檢測器90之前通常包含光學混合體。為了呈現的簡單，已從圖中省略了所述光學混合體。)
圖3還展示錐形光纖束150 (未按比例繪制)，其將來自多路分用器80的光收集到多個個別光纖端面中且將所述光集中到單個輸出光纖中以供輸入到光電檢測器90。通過此方式，提供相對大的光學孔徑以用于收集光信號。因此舉例來說，存在已知的錐形光纖束，其采用絕熱錐形以有效地將所收集的光耦合到單模輸出光纖中以供有效檢測。由此技術提供的大孔徑的一個益處是對光束游移有較大容限。
在其它實施例中，錐形光纖束可由從大的芯(光學望遠鏡的焦點處)到小的芯成錐形的單個光纖代替，因此以絕熱方式將光導引到單模(小的芯)輸出光纖中。
如圖3所示的元件布置應在概念上來理解，且應理解為表示多種可能的替代實施方案。
在廣義上，圖3既定說明的原理之一是錐形光纖有用于減輕光束游移的有害影響。也就是說，光束游移(且在某種程度上還有波前失真)趨于涂抹光學系統的焦點。如果在光學系統的焦平面中的一者中所收集的光被注射到錐形光纖或錐形光纖束的寬孔徑中，那么所述光可以絕熱方式返回到集中的點。如下文將論述的圖4所示，可針對將從波長多路分用器收集的相應波長通道中的每一者復制此錐形。
因此將了解，有利的是:錐形光纖或光纖束的進入端具有大的有效芯，光纖束通過作為組成光纖的芯的有效總和的總芯來實現此目的，且替代方案是使用具有(起初)相對大的芯的錐形單個光纖。在至少一些情況中，使用單個錐形光纖的方法可為最有利的，因為單個光纖由于孔徑的包覆覆蓋部分而經受較少的光損失。單光纖錐形的制造也可較簡單，因為其無需為了減輕組成所述束的光纖之間的干擾而可能需要給錐形光纖束強加精確的路徑長度容限。如上所述，光束游移和波前失真兩者是不合意的現象，其趨于使通信系統的性能降級。在數據速率增加時，波前失真變得較具破壞性，因為在傳播的波前中的所得擴展可能變為與經調制光束中的連續脈沖之間的間距相當。為了能夠有效地減輕波前失真的影響，有利的是使用用于檢測器的小于一個相干長度的有效光學孔徑，或將總孔徑細分為若干子孔徑，每一子孔徑具有其自己的一或多個檢測器。每一子孔徑還有利地具備其自己的波長多路分用器，位于相應的一或多個檢測器之前。將見到，圖3描繪其中錐形(S卩，錐形光纖或錐形光纖束)的入口位于光學系統的焦點處的布置，所述焦點位于波長多路分用器80的下游。(有關于此應注意，通常為自由空間光學通信裝置的復合光學系統大體上具有多個焦點，使得望遠鏡的焦點被多次再映射。)在替代布置中，波長多路分用器位于錐形的下游。特定來說，可為有利的是使單光纖錐形的入口位于望遠鏡的焦平面中，且引導所收集的光通過錐形光纖到達單模波長多路分用器。此些裝置是合意的，因為其是緊湊的且其容易使用已知技術來制造。單模光纖可用以將輸出信號從波長多路分用器路由到相應光電檢測器。然而應注意，當波前失真較不成問題而使得針對收集注射到錐形中的光可容許單個大孔徑時，此布置可為最合適的。較大波前失真的情況可通過在望遠鏡的焦平面處使用多個光纖錐形(通過使用例如光纖錐形束)來處置。在此類情況中，多個光纖錐形有效地將焦點劃分為一組相干子片，每一子片可以與單個光纖錐形的情況中相同的方式來處理。每一光纖錐形之后則是單模波長多路分用器以及用于個別波長的檢測器。一旦光學信號被轉換為電信號，便可跨越子片以及跨越波長而測量波前失真，且可對其進行校正。這使得能夠在電子域中實施自適應光學元件。此外，此類基于電子元件的自適應光學元件比常規自適應光學元件更靈活，因為其準許針對每一波長獨立地控制振幅和相位。這又實現對波前失真的更特定補償。圖4展示將FSO光束投射到接收器170的發射器160。(圖4的在先前圖中具有對應物的一些元件由相同參考標號指示。)圖4中展示光束的兩個波前180和190。波前是具有恒定相位的表面。如圖中所見，波前在其穿過大氣湍流的單元200時變得失真。因為相位失真的量取決于波長，所以不同波長通道中的信號經歷不同的相位失真。在傳播通過足夠距離之后，相應波長通道中的相位失真變得互相解相關。此解相關使得可在接收器處實現特定增益，所述接收器如上文論述對兩個或兩個以上相異波長通道執行單獨的光電檢測。圖5展示接收器的細節，其中收集透鏡210將所收集的光引導到多模融合光纖束220的大孔徑面上。(圖5的在先前圖中具有對應物的一些元件由相同參考標號指示。)光纖束將所收集的光分布到多個單模光纖中，每一單模光纖終止于相應的檢測鏈處，所述檢測鏈包含前置放大器230 (例如為EDFA)和相干光電檢測器240。所屬領域的技術人員將了解，類似布置可相反地操作，即，作為由多個激光源發射的光的發射器而不是作為被引導到多個光電檢測器上的光的接收器。
當作為發射器操作時，此布置是在多個空間分集的子光束中載運的信號的一個可能源(還有各種其它源)。當相應子光束的有效孔徑(在發射或接收中)之間的分隔與相關的相干長度相當或大于相關的相干長度時，空間分集是最有效的。舉例來說，相關的相干長度可為發射或接收望遠鏡分別的物平面或像平面中的失真波前的相干長度。
相干長度容易根據下文論述的紊動媒介中的雙頻互相干函數的理論來計算。
所屬領域的技術人員將進一步了解，通過根據例如圖5的布置來配對均具有多個孔徑的發射器與接收器，可在發射和接收中實現空間分集。將了解，在此情況下，針對由發射孔徑i和接收孔徑j組成的每一對將存在復傳播系數hu。如所述，每一傳播系數表示相應的衰減值和相位延遲。對于足夠的傳播距離，各種傳播系數hu將互相不相關。我們將其中存在N個發射孔徑和M個接收孔徑的配置稱為NXM MIMO配置。
可根據射頻MIMO技術中的技術人員眾所周知的方法，使用光學導頻信號的相干檢測來測量傳播系數。大體上，對于大氣傳播通道的相干時間，傳播系數可視為準靜態的。
如MIMO的領域中眾所周知，在符號間隔期間發射孔徑的光學輸出可描述為向量X，且接收孔徑處的光學輸入可描述為向量I。在此標記法中，發射孔徑中的每一者與接收孔徑中的每一者之間的耦合可由矩陣H描述，其條目是傳播系數hu。因此，到達給定接收孔徑的總光學信號，包含上文描述的由相位失真引起的光學衰落的影響，可表達為x(如果X取作行向量)乘以H的對應于給定接收孔徑的列的向量積。在多個接收孔徑中的每一者處情況大體都是如此。
一個結果是如果H可有效地求逆，那么通過數值處理可校正由大氣湍流引起的失真(在每一空間子光束上平均化)，且實際上，可復原未失真的波前。由此可見，可至少部分地逆轉由于衰落引起的信號損失，且可復原較強的信號。
在一個實例中，發射信號發射流。其可從單個發射孔徑或從多個發射孔徑發射。在單個發射流動情況下，矩陣H精簡到單個行，且所接收信號的相關處理等效于從相應接收孔徑或子孔徑接收的信號的各種版本的相干組合。在理論上，這對應于使用自適應光學元件找到的結果。然而，我們的方法可在不使用控制回路的情況下實現此結果，且其可針對所接收信號的振幅和相位兩者而調整。
此外，我們的方法可在由于傳播引起的時間延遲相對于符號持續時間較顯著的情況中應用。傳統的自適應光學元件方法大體上未對此類情況充分地處理。
用于實現H的有效求逆的若干技術在射頻MMO的領域中是眾所周知的，且其也可應用于如此處描述的光學ΜΙΜ0。
此處描述的光學MIMO技術可以在單個波長通道中或在任一數目的波長子通道中應用。
如上所述，紊動媒介中的雙頻互相干函數的理論提供用于計算相干長度的框架。同一理論還提供用于計算相干帶寬(也稱為相關或解相關帶寬)的框架。舉例來說，針對強閃爍的情況的相干帶寬的理論計算在A.石丸(A.1shimaru)的“隨機媒介中的波傳播和散身寸(ffave Propagation and Scattering in Random Media)，，第 2 卷(1978)第 424 至Ij426頁中給出。針對弱閃爍的情況的理論計算在L.安德魯斯(L.Andrews)和R.L.菲利普(R.L.Phillips)的“激光束穿過隨機媒介的傳播(Laser Beam Propagation throughRandomMedia) ” (1998)第 150 到 152 頁中給出。
所屬領域的技術人員將了解，為了有效操作，指派于各種子光束的相應波長帶之間的間距應至少為相干帶寬，使得子光束之間的基于波長的解相關可發生。所屬領域的技術人員將進一步了解，子光束所橫跨的總帶寬應位于接收器的放大帶寬內。因此，放大帶寬對波長間距強加上限。將進一步了解，相干帶寬取決于平均波長、范圍(即，傳輸距離)和傳輸路徑中的湍流水平。因此，對于給定的范圍和湍流水平，有利的是選擇平均波長以使得可使用適當的光學放大器來滿足上文描述的限制。
權利要求
1.一種方法，其包括: 收集至少一個自由空間光束； 按波長將所述光束多路分用為兩個或兩個以上子光束； 檢測所述子光束中的每一者以產生電輸出；以及 使用來自所述輸出中的至少兩者的互補信息來復原信號。
2.根據權利要求1所述的方法，其進一步包括在所述子光束中的每一者上接收導頻信號，且其中所述復原步驟是使用所述所接收導頻信號實施的。
3.根據權利要求1所述的方法，其進一步包括在所述多路分用步驟之后將所述子光束中的每一者引導到兩個或兩個以上空間分離的子孔徑的陣列上；且其中所述檢測步驟包括單獨地檢測在所述子孔徑中的每一者中收集的光，進而針對每一經波長多路分用的子光束產生多分量電輸出，所述多分量電輸出針對至少兩個所述子孔徑中的每一者具有一個分量。
4.一種設備，其包括: 光學望遠鏡； 波長多路分用器，其經布置以將由所述望遠鏡選擇的光分離為占據不同波長帶的若干子光束； 檢測器級，其經布置以將每一子光束轉換為電輸出；以及 接收器，其與所述子光束輸出中的每一者成接收關系，且經配置以使用來自至少兩個所述子光束輸出的互補信息來復原信號。
5.一種方法，其包括: 將至少一個自由空間光束收集到兩個或兩個以上空間分離的子孔徑的陣列上，進而針對每一子孔徑界定一個子光束； 檢測所述子光束中的每一者以產生電輸出；以及 使用來自所述輸出中的至少兩者的互補信息來復原信號。
6.根據權利要求5所述的方法，其進一步包括在所述子光束中的每一者上接收導頻信號，且其中所述復原步驟是使用所述所接收導頻信號實施的。
7.根據權利要求6所述的方法，其中所述復原步驟包括在多個時間間隔中的每一者期間用從所述所接收導頻信號導出的相應權重對所述子光束輸出進行加權。
8.根據權利要求7所述的方法，其中根據所述所接收導頻信號計算傳播系數，且所述權重是使用有效地對傳播系數矩陣求逆的程序導出的。
9.根據權利要求5所述的方法，其中所述收集步驟包括將兩個或兩個以上自由空間光束收集到所述子孔徑陣列上，其中所述所收集光束中的每一者表示位于遠處的光學發射器的兩個或兩個以上出口孔徑中的一者。
10.一種設備，其包括: 光學望遠鏡； 兩個或兩個以上空間分離的入口子孔徑的陣列，每一所述子孔徑界定相應子光束； 檢測器級，其經布置以將每一子光束轉換為電輸出；以及 接收器，其與所述子光束輸出中的每一者成接收關系，且經配置以使用來自至少兩個所述子光束輸出的互補信息來復原信號。
全文摘要
本發明提供一種方法，其使用分集來補償傳播通過以大氣閃爍為特征的環境的自由空間光FSO信號的衰落。一個實施例涉及收集至少一個FSO光束，按波長將所述光束多路分用為至少兩個子光束，檢測每一子光束以從其產生電輸出，以及使用來自所述電輸出中的至少兩者的互補信息來復原信號。另一實施例涉及將所述FSO光束收集到空間分離的子孔徑的陣列上，檢測進入每一子孔徑的光以從其產生電輸出，以及使用來自所述電輸出中的至少兩者的互補信息來復原信號。此第二實施例使得兩個電子自適應處理能夠跨越所述子孔徑而相干地整合，且在多個發射孔徑的情況下跨越自由空間光多輸入多輸出MIMO系統而相干地整合。
文檔編號H04B10/112GK103155451SQ201180033252
公開日2013年6月12日 申請日期2011年6月30日 優先權日2010年7月7日
發明者揚-凱·陳, 金田紀明, 亞歷克斯·皮達威爾拜特斯基 申請人:阿爾卡特朗訊, Lgs創新有限責任公司