专利名称：自由空间光通信系统中校正光信号波前失真的方法和设备的制作方法
技术领域：
本发明一般地涉及数据通信系统，更特别地，涉及自由空间的光学数据通信系统。
背景技术：
利用物理导线或缆线连接两端或多端的电信系统通常受到相对低速度、低容量应用的限制。对于这些系统而言，铺设缆线也是昂贵的并可能是困难的，尤其是在安装选择受到限制的拥挤的大城市地区。为了解决这些限制，近来开发的一些系统利用由数据调制的一个或者多个光束的自由空间传输，将数据从一点发射到另一点。即使在两个网络之间存在物理的、硬线连接的情况下，使用这种波束的自由空间系统也会在这些网络之间提供更高速度和更高容量的链路，目前高达10Gbps。当两个网络尚未经导线物理地链接时，自由空间通信避免了铺设连接系统中的一端到另一端的缆线的通信系统基础设施的成本。替代缆线，自由空间光通信系统部分地包括，在两个或多个通信端之间的至少一个用于发送信息的发射望远镜和至少一个用于接收信息的接收望远镜。
然而，自由空间通信的工作可能受到各种因素的妨碍。例如，由于扰动、衰减或其它现象，可能出现发射光束的波前失真。这种失真可能导致公知的“波束倾斜”现象，其中光束波前的不同分立部分偏离其发射的、与光波传播线正交的方向。在接收望远镜处，这种波束倾斜的结果是在接收望远镜的聚焦平面上的接收波束图象的位移。还可能出现波束强度波动，也称为闪烁现象。这些现象的任何一种都可能导致通信的明显恶化或整个丢失。
发明内容
本发明改善了与波前失真有关的上述各种问题。按照本发明，利用自适应光学装置，操作接收望远镜的光学装置以补偿至少某些失真。这里使用的术语“自适应光学装置”意味着一种光系统，该系统中至少一个光参数作为控制信号的函数而改变，该控制信号可以是诸如表示发射信号的波前失真现象的信号。适合使用在这种系统，并使用在公开在这里的所说明的实施例中的光学装置的例子，是在申请号为No.09/679159、发明名称为“用于自由空间无线光通信系统的望远镜”的共同未决美国专利申请中所描述的可变形反射镜。接收望远镜中的波前失真被表示为从正常的、相对于传播线的发射光波束的波前正交方向的偏离。这种偏离例如可以通过诸如识别发射波束的分立部分的倾斜或光束倾斜的Shack-Hartman检测器之类的波前检测器进行检测。然后，接收望远镜的光学装置可以以抵消波前失真并相应地减小接收信号因此而产生的失真的方式进行变形。
例如在天文学中，接收望远镜中校正失真信号的自适应光学装置的使用是公知的。但是，在天文学中的自适应光学装置的使用与本发明的电信中的自适应光学装置的使用之间存在着关键的区别。这些区别导致考虑将现有技术中的自适应光学装置用于电信技术的应用。例如，用于电信技术中的望远镜将要使光圈比用于天文学中所使用的更小。因此，在电信望远镜中的规定量级的规定变形对信号特性的影响将比天文望远镜在同样变形时，对信号特性的影响更大。结果，这种变形的校正要求电信望远镜比天文望远镜更宽的光动态控制范围。此外，通信光束传播的距离大大地小于天文光束的传播距离。但是，天文光束基本是垂直于分层大气失真传播，而用于本发明的通信光束几乎是正切于这些层的。因此，失真在性质上是不同于在天文学中遇到的。特别是，使用在通信中的光束经受与天文光束性质不同的波前失真功率谱。因此，利用自适应光学装置校正这种失真的需求并不是显而易见的。
最后，人们可以用一种显然在天文学使用中是不可能的方法改变电信技术中发射信号的特性。因此，在通信系统中，多数致力于减小失真效应的现有技术都着眼于有效地处理发射的信号，例如通过增加或降低信号的幅度。从而，虽然在当前望远镜中的自适应光学装置的概念是公知的，但在电信领域本申请仍然保持实现自适应光学装置的有效性和可应用性。
图1表示在正常通信条件下利用现有技术的望远镜设备的光通信系统；图2表示在大气扰动引起发射的光束波前失真的情况下，利用现有技术的望远镜设备的光通信系统；图3表示能够利用自适应光学装置进行变形以补偿大气扰动的本发明系统中的接收望远镜；图4表示按照本发明的原理利用自适应光学装置补偿接收光束的波前失真的光通信系统；图5表示能够确定接收光束的波前各个分立部分的倾斜从而确定大气扰动对光束的影响的Shack-Hartman检测器；图6A表示用于图5检测器中的电荷耦合器件的横断面和当没有大气扰动时产生的图象；图6B表示用于图5检测器中的电荷耦合器件的横断面和当有大气扰动时产生的图象；图7表示描述图4系统的操作步骤的流程图。
具体实施例方式
图1表示在自由空间光通信系统中在正常对准工作条件下的两个现有技术的光通信望远镜101和102。激光器130产生由调制器131利用从网络110接收的数据进行调制的并在光纤106上发送的光束。发射望远镜101经光纤106接收已调光信号。望远镜101的主反射镜120和次反射镜121进行光学整形并发射已调光束，使得光束入射到接收望远镜102的聚焦平面125上。接收望远镜102利用其包含主反射镜122和次反射镜123的光学装置将入射的、发射调制光束103聚焦到聚焦平面125的接收光纤112上。接收机129从接收光纤接收已调光信号并将其变换为电信号，解调数据，并将数据转发到网络109。应当注意到，接收望远镜102可能被设计为能够通过包含类似于激光器130和调制器131的激光器和调制器发射光束。同样，发射望远镜101可能被设计为能通过在望远镜的电子电路中包含的，类似于接收机129的接收机进行接收。因此，系统的两个望远镜将都能进行发射和接收。这种发射和接收的双使用能力将应用到在下面披露的本发明的各个实施例中所描述的所有望远镜中。
在某些情况下，由发射望远镜发射的波束的波前，当到达接收望远镜的聚焦平面时可能失真，产生相应失真的通信信号。如图2所示，由于沿望远镜201和202之间的路径的任何地方的大气扰动，诸如小单元扰动204，可能出现这种失真，引起发射光束203的波前的各部分折射并因此偏离发射和接收望远镜之间的直接路径。当这种情况出现时，波前205的各个分立部分变得与波前的传播线207不正交。导致波前的某些部分将以与其它部分不同的时间到达接收望远镜并且可能以相对于波束的传播线207的不同角度到达。因此，发射望远镜的视在位置将相对于接收望远镜改变，这就改变了接收望远镜聚焦平面上的接收光束图象的各个分立位置。由于接收望远镜聚焦平面上的图象还可能在亮度上随时间变化，也会造成接收光束各个分立位置的接收功率变化。这能明显地恶化两个望远镜之间的通信。
图3表示通过测量例如，大气扰动对光束波前的影响并在接收望远镜中补偿这种扰动的本发明的一个实施例。在该实施例中，光束303的波前306没有失真并垂直于光束传播线307。但是，当通过扰动304时，波前失真产生了，正如由波前305示例的那样。当由接收望远镜302接收时，如下面所描述的那样，测量这个失真，并且识别在接收望远镜的主反射镜上变形的位置，以及变形的幅度和方向。然后，接收望远镜302的控制单元309经导线311改变位于主反射镜325表面或附近的各个电极310的个别电压。通过在反射镜325与电极310之间施加不同电压，在每个电极与该电极附近的反射镜部分之间产生静电引力或斥力，引起反射镜变形。在自由空间激光通信系统中，这种可变形的反射镜的使用是上述援引的共同未决专利申请的主题。改变电极310上的电压能使反射镜325的变形程度受到控制。结果，按照使入射到接收光纤326上的光束图象基本不失真并且光束图象是与光束的传播线307正交的光束图象的方式，补偿具有接收波前305的光束303的失真。
图4表示结合了图3的本发明实施例的自由空间电信系统，如上所述该实施例使用了自适应光学装置，补偿引起上述失真的扰动。在该系统中，激光器419产生由调制器418利用来自网络410的数据调制的光束。然后，这个已调光束被发送到望远镜401，该望远镜整形光束403，以使其入射到接收望远镜402的聚焦平面上。光电检测器411检测入射的光能，将其变换为电信号，并将其传送到解调信号的接收机433。然后，解调的数据被传送到网络409中的预定目的地。
当从发射望远镜401发射信号403时，该信号的波前406没有失真并且波前的所有部分基本上垂直于传播线。但是，当沿信号403的路径存在大气扰动时，伴随各个部分不正交于传播线，波前406可能变得失真，正如由波前405所示例的那样。
当信号403到达接收望远镜402时，分束器423以使信号424入射到这里举例为Shack-Hartman检测器的检测器430上的方式分开信号403。检测器430接收光束，检测到达的波前405并确定是否存在诸如由扰动404引起的信号403的失真。现有技术所公知的Shack-Hartman检测器利用垂直于光束传播路径的透镜阵列，隔离潜在有失真的波前405的分立部分并且将这些分立部分的图象聚焦到电荷耦合器件上。然后，如果有偏移，检测器测量每个图象相对于正常校准位置，即如果波前不存在失真的图象位置的偏移的幅度和方向。相对于其正常的校准位置的每个图象的偏移正比于相应的接收光束波前的分立区的相位偏移。参照图5，描述Shack-Hartman检测器，图4中的通信光束403被分路，使得该光束入射到接收望远镜的聚焦平面上，并且与此同时，分路的光束424入射到Shack-Hartman检测器的透镜502上。透镜502以产生以一部分平行光束入射到每个透镜504上的方式折射光束424。透镜504将光束的各个段的分割图象聚焦到电荷耦合器件(CCD)505上。图6A和图6B是图5中的CCD 505横断面A-A。在大气中没有扰动的情况下，光束的每个部分的图象602将聚焦在CCD 505的正常校准的位置上。但是，当存在图4中的扰动404时，将破坏正交、平面波前406，并导致波前405。在这种情况下，检测器将检测从正常的、校准的位置偏移的CCD 505上的图象604。该光束的各个分立部分的图象还可能如图象605所表示的是模糊的。相对于其正常的、校准的聚焦点的图象偏移与波前的分立部分的相位偏移成比例。通过计算这些偏移的每一个，然后可能确定整个波前的形状。
再次参照图4，利用上述相位偏移信息，通过改变接收望远镜402的主反射镜422的形状，补偿由扰动引起的相位偏移，本发明校正大气扰动404。结果，在接收望远镜422的聚焦平面上的波前405的图象将是一个没有失真的波前图象。
为了实现上述变形，控制单元409从Shack-Hartman检测器430接收相位偏移数据并且从而使接收望远镜402的主反射镜变形。为此目的，控制单元409施加电压到位于需要变形的反射镜422的表面附近的各别电极410。通过改变施加到各个电极410上的电压改变反射镜422的变形。为了在进行中的基础上对发射信号403补偿，由接收望远镜402中的检测器430对信号403的波前405连续或周期性地监视扰动状况404的变化。
图4系统的操作步骤的说明在图7中示出。在步骤701产生初始通信连接信号403，以确定通信信号上的失真影响。在步骤702，如果存在失真，则系统确定接收望远镜的主反射镜的哪个分立位置需要变形，以及在该反射镜上每个分立位置上所要求的变形幅度和方向。在步骤703，接收望远镜的主反射镜被变形。一旦系统已经补偿了失真，在步骤704开始主通信。在通信进行的同时，在步骤705系统连续地监视任何有可能必须改变主反射镜变形的变化的信号失真。在步骤707，如果检测到另外的失真，则在步骤706本发明再次使接收望远镜的主反射镜变形以补偿失真。然后，如果系统经利用自适应光学装置已经成功地补偿了失真，则在步骤708继续主通信。如果在步骤709主通信周期尚未结束，则在步骤705系统继续监视信号的任何可能出现的失真，并按需要经改变接收望远镜的主反射镜失真的位置和量值补偿该失真。
上面的描述仅仅说明本发明的原理。因此，对于本专业的技术人员而言，作出虽然在这里并没有明确地描述或表示出来，但却体现了本发明的原理并落入本发明的精神和范围之内的各种改进安排将是显而易见的。另外，在这里描述的所有例子和条件的语言仅仅是出于帮助读者理解本发明原理的教导目的，并解释为不限制于这样一些具体描述的例子和条件。再有，这里描述本发明的各个方面和各个实施例的所有的陈述，以及其各个具体例子均应当包含其功能上的等效物。
其中各个图表示了用于自由空间光通信的光学望远镜和利用数据调制的光束的方案视图。各个光学部件的图并不需要按比例示出，而代之以只是这些部件的可能物理安排。在图中表示的光纤仅代表用于在望远镜与网络目的地之间发送数据的机制。从望远镜到网络目的地传送数据的任何其它通信方法均可用作如图所示方法的替代方法。另外，虽然上面表示的实施例使用了作为导致波前失真的大气扰动现象的例子，但这种失真可能是由任何多种原因引起的。例如，如果光束通过位于光束路径中诸如窗玻璃之类的任何材料，可能引起明显的波前失真。本发明的方法和设备将至少部分地校正由任何原因所引起的任何波前失真。
此外，虽然所公开的实施例使用了图4的望远镜401和402，用于主通信目的以及用于监视通信信号的波前失真的目的，但位于主通信望远镜附近具有单独望远镜的单独参考通信系统也可能被用于获得波前失真信息。对于本专业的技术人员而言，将这种参考系统增加到主通信系统的方法将是显而易见的。
本发明所公开的各实施例的其它方面在本质上也仅仅是说明性的。例如，虽然在上述实施例中Shack-Hartman检测器被用于确定接收的波前的形状，但可以使用任何用于确定波前失真的影响的适当的检测器。这些检测器在自适应光学装置中是众所周知的。另外，尽管示出的实施例使用了传统网络连接，以传递往来于望远镜的信息，但也可能使用无线通信方法。在这种情况下，通信系统可能使用不同波长的反馈信号，以避免干扰主通信信号。再有，本发明所公开的实施例通过改变施加到反射镜附近的各个电极上的电压，使接收望远镜的主反射镜静电变形。但是，任何接收望远镜的反射镜可能以相同的结果进行同样的变形。对于本专业的技术人员而言，在通信系统中使任何反射镜变形，以实现与本发明的实施例相同的结果，也是显而易见的。另外，存在着许多公知的替代在这里使用的用于使反射镜的各个分立部分变形的静电效应的使用，诸如压电驱动器或者机械螺旋。在通信系统中使反射镜变形的任何方法都将包括在本发明中。
最后，在接收望远镜中使用自适应光学装置补偿波前失真的任何方法都将包括在本发明中。例如，透镜可以被用作反射镜的功能等效物。此外，使通信光束波前变形的任何分段反射镜的使用是使多个分立位置的单一反射镜变形的功能等效物。代替使用单一的连续主或次反射镜以使通信信号的波前变形，分段反射镜包括可独立移动的许多小反射镜，以实现相同的效果。任何这样的方法，或其功能等效物都将包括在这里公开的本发明中。
权利要求
1.一种使用在光通信系统中的设备，其中至少一个发射望远镜发射传送数据的光束，所述设备包括自适应地接收所述光束的接收望远镜；用于产生表示所述光束的波前失真的信号的装置；响应于所述信号用于以补偿所述光束的所述波前失真的方式，调整接收望远镜的光学装置。
2.如权利要求1的接收望远镜，其特征在于，用于产生信号的装置包括波前检测器。
3.如权利要求2的接收望远镜，其特征在于，所述波前检测器是Shack-Hartman波前检测器。
4.如权利要求2的接收望远镜，其特征在于，所述波前检测器是曲率(curvature)波前检测器。
5.如权利要求1的接收望远镜，其特征在于，所述接收望远镜包括多个反射镜，用于在所述望远镜的接收聚焦平面上聚焦光束的图象。
6.如权利要求1的接收望远镜，其特征在于，所述接收望远镜包括一个或多个透镜，用于在所述接收望远镜的聚焦平面上聚焦光束的图象。
7.如权利要求2的接收望远镜，其特征在于，用于调整的装置通过使所述接收望远镜的光学装置的至少一个表面变形，调整所述光学装置。
8.如权利要求7的接收望远镜，其特征在于，使光学装置的至少一个表面变形包括使接收望远镜的主反射镜的表面变形。
9.如权利要求7的接收望远镜，其特征在于，使光学装置的至少一个表面变形包括使望远镜的次反射镜的表面变形。
10.如权利要求7的接收望远镜，其特征在于，使所述光学装置的至少一个表面变形，是通过产生多个使所述表面的分立部分变形的静电力。
11.如权利要求10的接收望远镜，其特征在于，所述静电力是通过改变位于所述光学装置的至少一个表面附近的穿过电极的电压而产生的。
12.一种使用在自由空间电信系统中的设备，包括至少一个发射望远镜和至少一个接收望远镜，所述设备包括用于检测从所述发射望远镜向所述接收望远镜发射的光信号的波前失真的装置；响应于所述检测装置用于以这样的方式使所述接收望远镜的光学装置变形的装置，即在接收望远镜的聚焦平面上的所述光信号的波前的图象是至少部分不失真的波前图象，并且比不变形的接收望远镜的光学装置的光束更垂直于光束的传播线。
13.如权利要求12的设备，其特征在于，所述用于变形的装置作为表示所述波前失真的信号的函数，使所述光学装置变形。
14.如权利要求12的设备，其特征在于，所述接收望远镜包括用于将光信号聚焦到接收望远镜聚焦平面上的多个反射镜。
15.如权利要求13的设备，其特征在于，表示所述波前失真的所述信号的生成，响应于接收望远镜中所述失真的检测。
16.如权利要求15的设备，其特征在于，由波前检测器检测所述失真。
17.如权利要求16的设备，其特征在于，所述波前检测器是Shack-Hartman波前检测器。
18.一种在自由空间光通信系统中补偿波前失真的方法，该方法包括从发射望远镜接收光束；检测所述光束中的波前失真；以及作为检测的波前失真的函数，使所述接收望远镜的光学装置变形，以产生比不变形的接收望远镜的光学装置的波前失真小的波前图象。
19.如权利要求18的方法，其特征在于，使接收望远镜的光学装置变形包括产生多个使所述光学装置的至少一个表面上的分立部分变形的静电力。
20.如权利要求19的方法，其特征在于，所述光学装置包括接收望远镜的至少一个反射镜。
21.如权利要求18的方法，其特征在于，由波前检测器检测所述波前失真。
22.如权利要求21的方法，其特征在于，所述波前检测器是Shack-Hartman波前检测器。
全文摘要
本发明涉及自由空间的光学数据通信系统。公开了一种自由空间光通信系统，利用自适应光学装置操作该系统中接收望远镜的光学装置，以补偿由发射望远镜发射的光束的波前失真。显示在接收望远镜上的波前失真是相对于发射光束的传播线的正常、正交方向的偏移。这个偏移可以通过诸如Shack－Hartman检测器之类的波前检测器进行检测，该检测器识别发射光束的各个分立部分的倾斜、或光束倾斜。然后，接收望远镜的光学装置可以以抵消波前失真和相应地降低接收信号的失真的方式进行变形。
文档编号G02B17/00GK1394006SQ0212338
公开日2003年1月29日 申请日期2002年6月25日 优先权日2001年6月29日
发明者赫曼·M·普里斯拜, 约翰·A·泰森 申请人:朗迅科技公司