专利名称：引导光束瞄准的无线光学网络的制作方法
技术领域：
本发明涉及无线光通信领域，尤其涉及用此类通信中使用的微镜组件引导光束。
背景技术：
现代数据通信技术大大扩展了在多类通信设施上传输大量数据的能力，这种通信能力的拓展不仅可作大型数据库的通信，还能对声频和视频内容作数字通信。这种高带宽通信现在已在各种设施内实施，包括电话线(光纤和绞线对)、电缆电视服务商提供者支持的同轴电缆、电缆敷设在办公室或家里的专用网、卫星链路和无线电话。
各种常规通信设施在应用方面有一些限制。在电话网上通信时，如数字用户线(DSL)服务提供的高速数据传输，必须采用特定的频率范围以不干扰话音通信，目前这类高频通信能传播的距离有一定限制。当然，包括电话网、电缆网或专用网在内的“有线”网通信，则要求在服务地点之间布线，这不仅限制了通信网的用户，安装保养也要耗资。
无线通信设施自然解决了对布线与电缆敷设的限制，为用户提供了很大的灵活性。然而，常规无线技术有其自身的局限性，例如无线电话，通信的频率受到管制；再者，考虑到无线服务的单位时间资费，当前大量数据块(如视频)的无线电话通信的费用过高。另外，无线电话通信在邻区内各用户之间易发生干扰。射频数据通信也必须在特定的频率内进行，同样易受其它传输的干扰。卫星传输当前也很昂贵，尤其是双向通信(即超过电视节目的被动接收)。
曾对数据通信提出的一种较新的技术是无线光学网络。以基本上与光纤电话通信相似的方法，该方法通过光束调制来传输数据，光接收机接收调制的光，信号经解调而恢复该数据。然而，与基于光纤的光通信相反，该法不用布线来传输光信号。在制导光通信的情况下，发射机与接收机之间的视线关系能传输由激光器等产生的调制光束而不用光纤波导。
期望本方法的无线光学网络将提供各种重要的优点。首先，高频光能应用常规技术提供例如从100Mbps到几个Gbps量级的高带宽，当在发射机与接收机之间作视线光通信时，该高带宽无需在用户间分享。当然，像无线电话那样，若链路上没有其它用户，该带宽就不受制于其它用户的干扰。与要求多种通信的时间或代码复用的多用户通信相比较，调制也相当简单。该技术还便于双向通信。最后，目前还未管制光频，因而部署超前的网络不需要许可证。
无线光学网络的这些属性令该技术为楼内局域网和外联网都感兴趣。实际上，希望无线光通信适用于室内的数据通信，如将视频信号从计算机传送给视频投影机之类的显示装置。
对于参阅本说明书的本领域技术人员而言，显然明白，在该技术中，把发射的光束正确地瞄准接收机的能力是重要的。尤其对于激光器发出的光点尺寸相当小的准直光束而言，如果发射光束的瞄准偏离接收机的最佳点，就会劣化发射信号的可靠性和信噪比。尤其是考虑到该技术期望的许多应用都与不是精密定位或随时间会移动的设备有关，因而要求精确地瞄准光束并能可控地调节这种瞄准。
题为“Optical Switching Apparatus”的共同待审申请S.N.09/310,284(1999年5月12日提交并且共同授让，结合在此作参照)，揭示了一种在光学开关设备中引导光束的微镜组件。如该申请所揭示的，微镜以一种可由电信号精密控制的方法反射光束。如该专利申请所揭示的，该微镜组件包括一块能沿双轴向旋转的硅镜。微镜本身附接有一块或多块小磁铁；一组4只线圈驱动器按象限设置并由电流控制，按需要吸引或排斥微镜磁铁，以便沿期望的方法使微镜倾斜。
由于被引导的光束或激光束的光点尺寸极小，因而在建立通信时，把反射镜精密地定位成使光束瞄准所需的接收机是个关键。这种精密定位试图通过校正与反馈来实现，从而使反射镜能感知其位置并作校正。
发明内容
本发明的一个目的是提供一种能将其瞄准位置直接反馈给发射机的无线光学接收机。
本发明的另一个目的是提供一种能被动地提供这种反馈的接收机。
本发明的再一个目的是提供一种发射与接收系统，它对发射机提供反馈时无需辅助通信信道。
本领域的技术人员在参阅以下结合附图的说明以后，将明白本发明的其它目的与优点。
通过提供一块由反射性环形物包绕的接收透镜，可将本发明实施成一种无线光学网络。该环形物最好由诸如隅角立方镜等后向反射器组成，能在很宽的入射角范围内把引导的光束反射回发射机。本发明不需要辅助反馈通信信道。
附图简介
图1是应用微镜组件的无线光学网络的示意图，其中设置了一辅助反馈信道。
图2a与2b分别是本发明较佳实施例的无线光学网络中接收机的透视图与剖视图。
图3a与3b是表示本发明较佳实施例中使用的隅角立方镜元件工件状况的剖视图。
图4是表示本发明较佳实施例的无线光学网络发射机结构的示意图。
图5是图2a与2b的接收机的透视图，表示本发明较佳实施例的工作状况。
发明的详细描述本发明结合其较佳实施例予以描述，并列举这些实施例在通信网中应用的例子。然而，本发明不仅能以下述方法实施，对参照了本说明书的本领域技术人员而言，显然明白还可用各种其它方法来实施。除了下述内容以外，本发明还可结合各种应用场合来实施。因此应该理解，以下说明仅是举例，并不限制后面所附权利要求书提出的本发明的实际范围。
具体而言，为便于清楚地说明，本发明将结合单条简化的数据信道来实施，相信参阅了本说明书的本领域技术人员很容易地将本发明在全双工通信和其它应用中实施。
先参照图1，图示的一例无线光学网络可提供本发明的有关内容。在该简化例中，利用调制的引导光可在计算机2与服务器20之间实现单向通信。本例中，计算机2是一般基于微处理器的个人计算机或工作站，包括合适的网络接口适配器，用于输出预传输的数据。例如，计算机2可以包括一个100Base-T～100Base-FX转换器，它耦合至激光驱动器，后者产生的调制控制信号加给发射机光学模块5，模块5将引导的光束瞄准所需的接收机17并对该光束作调制以传送数据。
或者，发射源可以是一网络开关或路由器、一种诸如DVD播放机或电视机机顶转换盒等视频数据源等，而不是图示的计算机2。相信本发明可以结合任何数字数据源一起应用。
本例中，发射机光学模块5包括调制激光器6，它产生的准直相干光束具有期望的波长(如，850nm)和功率(如，在50米处测得为4～5μW/cm2，光点直径为2.0～2.5mm)。响应于计算机2驱动的激光驱动器，调制激光器6根据被发射的数字数据调制该光束。应用的调制方法最好符合普通的数据通信标准，如那些结合光纤通信用于类似网络的标准。调制的激光束由调制激光器6发射，并从微镜组件10向接收机17反射。
在以上结合在此的申请S.W.09/310,284中，已详细了一例微镜组件10的结构。一般而言，微镜组件10包括反射镜元件及其支承铰链、万向接头和镜架，其中反射镜元件由单片材料(最好是单晶硅)形成，即将该材料光刻成所需图案而整体形成镜面29。为增大反射性，镜面最好镀上金或铝等金属。然后将一块或多块永磁铁附接于反射镜与万向接头，使反射镜根据附近线圈驱动磁铁产生的磁场沿所需方向转动，对驱动磁铁则施加所需幅值与极性的电流。
在接收机端，接收机17捕获进入的引导光束，并把调制的光能转换成电信号；例如，接收机17包括的光电二极管按检得光的强度调制电信号。然后按需要放大该光电二极管的输出，并利用诸如100Base-FX～100Base-T转换器把输出转换成常规网络协议。还设置了解调器、滤波器等其它常规接收电路。接着把解调的通信电信号从接收机17传输到路由器18，在本例中再送入接收网络，最后分配给服务器20。
从图1和上述说明可知，为便于描述，本例示出一种单向的即简化的通信方法。本领域的技术人员显然明白，对相反方向(路由器18到计算机2)的信号通信可以设置另一对发射机-接收机，可实现双向或双工通信。
图1的通信配置可应用于范围广泛的应用场合，超出图1提出的简单的计算机-网络例子。例如，办公室或其它工作空间里的多台计算机中的每台计算机，都可利用室内传至中央接收机的调制光相互通信并与更大的网通信，还可利用沿过道或通信并与更大的网通信，还可利用沿过道或空中构架中的中继通信在各房间之间通信。这种无线光学网络的其它室内应用可以包括视频信号从计算机或DVD播放机到大屏幕投影仪的传送。还可期望能以这种方法以更大的规模(如在大楼之间)实现这样方式的无线光通信。
微镜组件10的定位必须精密控制，使调制激光束瞄准接收机17，从而优化发射信号的信噪比。相信这种精密定位最好由校正与反馈来实现，使反射镜能感知其位置并作校正。
本例中，接收机17向辅助反馈反射机25施加表示接收信号强度的信号，然后辅助反馈发射机25向发射机光学模块5的控制电路14提供辅助反馈信号SFB。由于辅助反馈信号SFB对带宽要求极低，所以信号SFB的媒体可以是任一种常规通信媒体。该信号可用无线电信号传输以保持网络完全无线，或通过电话或其它硬线连接传输。还有，考虑到无线光学网络自身被用来建立这样的高带宽通信，希望辅助反馈通信信道一般不是高带宽链路。
如本例所示，反射的激光束影响着分束器12，后者向接收机17发射大部分能量，只将一部分能量反射给位置敏感检测器(PSD)15。PSD15向控制电路14提供表示它接收的反射光位置的信号，于是控制电路14向微镜组件10发出控制信号，以根据来自PSD15的信号和在接收机端来自发射机25的辅助反馈信号SFB引导其反射角，从而优化引导激光束瞄准接收机17，在一实例中，在建立传输期间，微镜组件10和PSD15“扫描”引导激光束通过接收机17总区域的瞄准。作为响应，接收机17根据接收能量与时间的关系，向控制电路14发出辅助反馈信号SFB。这些“脉冲信号”可与PSD15测得的微镜组件10的瞬时位置作比较，以便校正和优化微镜组件10的瞄准而实现最大能量传输。这种瞄准一旦建立，就可实现通信。然而，由于大楼或设备移动等外部因素，可能必须加以调节。这类调节可运用来自接收机17的反馈(通过辅助信道或作为双工结构中的发射模反馈)或定期重复测量结果与扫描来实施。
然而，用辅助通信信道传输有关微镜组件10中反射镜定位的反馈相当麻烦。当然，考虑到无线光通信网的目的是提供不用无线电或有线通信的通信，本身不希望设置辅助信道。这些辅助信道通信在光束定位方面必在涉及到等待时间以及相当麻烦的启动算法。再者，图1结构还要求局部检测反射镜10的瞄准，这种局部检测包括分束器12和位置敏感检测器(PSD)15。除了增大系统费用外，光信号强度必定被分束器12减弱。
现在参照图2a和2b，详细描述本发明较佳实施例的接收机27。如图2a的透视图所示，接收机27装在机壳31里。本例中，在机壳31接收来自发射机的入射光的一例，透镜28被发射环30包围。透镜28是一块普通透镜，用于接收和聚焦来自发射机的引导光束，因而发射光束的瞄准最好用透镜28作同轴引导。如图26中接收机27的剖视图所示，聚集锥体32汇集的通过透镜28的光撞击光电二极管34，后者根据它接收的光强度调制一电信号。设置于光电二极管34的窄带滤波器35从光电二极管34接收的光中滤掉不需要的波长光。
如图2a和2b所示，反射环30围住透镜28。根据本发明，反射环30将入射光反射回发射机作为瞄准发射光的引导光反馈。例如，若入射光的光点大小接收反射环30的外径尺寸，当入射光束与透镜28正好同轴位于中心时，反射环30反射的光将达到最大幅值。根据本发明的该实施例，发射机应具备必要的光检测能力以接收作为反馈的反射光。
根据本发明的该实施例，反射环30被构成普通的“隅角立方镜”或“后向反射器”，因而反射环30反射的入射光在很宽的入射角范围内被引回其源。众所周知，隅角立方镜和后向反射器可将光反射回它的源；这类装置的例子包括自行车与其它车辆的反光镜、交通标志、反光布等。图3a和3b所示隅角立方镜元件40的工作原理。如图所示，隅角立方镜元件40具有垂直反射面，中心线C/L限定在其顶角并以同样的45度角延伸。图3a是入射光I平行于中心线C/L传播的例子；入射光I从元件40的两个垂直面反射，反射光R沿同样平行于中心线C/L的线传播。但在图3b场合中，入射光I’沿与中心线C/L成θ角度的线传播。然而，该入射光I’到达隅角立方镜元件40后就从这两个垂直面向源反射回去，而反射R’也遵循平行于入射光I’的θ角。这样，隅角立方镜元件40就将入射光向其源反射回去。
本领域的技术人员应明白，这一效果也能以二维实现；这样，普通隅角立方镜就被构成立体内表面的形式。这种结构适用于本发明该实施例的接收机27的反射环30。反射环30优选材料的具体例子是一种粘性反射膜，如交通标志等常用的商品。
根据本发明的该实施例，加装反射环30是网络接收端唯一必需的变更。由于隅角立方镜材料价格极廉，本发明很容易在网络接收端实施。
现在参照图4，描述本发明该实施例的发射模块45的结构与工作原理。模块45的作用是将数据光束调制后发射给图2a与2b的接收机27，并接收由接收机27作为定位反馈而反射的光。
在发射侧，发射模块45包括激光器36，它产生的引导准直光束根据所需的数据信号而调制。通常，激光束调制可简单地通过开关激光器36的通/断而实现；或者可在发射机45中插入位于激光器36之后的独立调制器。调制的激光器通过透镜38扩展其尺寸，以对应于接收机27的反射环30的尺寸。然后，该光束用反射镜42瞄准接收机27，作为入射光束I。由于反射环30的隅角立方镜将光反射回它的源，所以反射光R就反回发射模块45。
根据本发明的该实施例，发射模块45包括接收侧。透镜44靠近反射镜42。聚集锥体46置于接收来自透镜44的光，并使该光通过窄带滤波器47导向光电二极管48。在此情况下，光电二极管48通过透镜44与滤波器47根据它接收的光强度调制一电信号。前置放大器50放大光电二极管48调制的该信号，并将该信号加给数字信号处理器(DSP)52，后者最好是较高性能的可编程数字信号处理器，如Texas代表公司出售的320C5x和320c6x族DSP，用于分析来自前置放大器50的信号并相应地控制反射镜42的瞄准。
后面的各种方法用于根据反射的光R来控制反射镜42，如上所述，透镜38可以展开调制的激光束，使其光点大小达到反射环30外径的量级。一例具有这种光点大小的入射光I示于图5。本例中，入射光I虽然辐射着透镜28，但是其瞄准并未优化，因为入射光I一透镜28不同心。本例中，反射环30将光反射回发射机45。然而，由于部分反射环30未被入射光I辐照到，所以反射光R的强度不是最大。发射机45经透镜44与光电二极管48接收的信号供给DSP52记录，于是DSP52执行搜索算法以调节反射镜42的瞄准，由此调节入射光I在接收机27上的位置。例如，DSP52可以扫描反射镜42的瞄准，然后根据光电二极管48接收到的反射光R的幅值执行最大化算法。这种最大化最终将导致反射镜42瞄准，使入射光I基本上与透镜28同心，从而提供反射光R的最大强度。
或者，若入射光I的光点大小小于发射环30的直径，实际上小于反射环30的内径，DSP52可执行一类似的优化算法。然而，DSP52此时应搜索该光强度两最大值之间最小反射光R强度；当入射光I撞击透镜28任一侧的反射环30时，入射光I基本上位于透镜28的中心而在其间出现局部最小值，可检测出该最大值。
期望这些和其它优化算法能特别适用于本发明，相信本领域的技术人员参阅本说明书后，能很容易地应用此类替代技术。
本发明在无线光学网络上传输信号具有众多重要的优点。首先，对发射光束的瞄准提供必要的反馈与控制无需设置辅助反馈通信信道。通过应用反射光，明显缩短了反馈的等待时间，因为反馈是直接以光速传送。另外，本发明能以相当低的成本实施，尤其在接收端，具有以完全被动的方式产生的反馈信号。像瞄准反射镜的优公算法那样，本发明必要的光学元件也相当简单。因此，相信本发明能以低廉的成本和更优的性能提供经改进的瞄准性能。
虽然按较佳实施例描述了本发明，但是当然希望，参阅了本说明书及附图后，本领域的技术人员将明白这些实施例的修改与替代，而这类修改和替代可实现本发明的诸优点和利益。相信这类修改和替代均在所附权项提出的本发明范围之内。
权利要求
1.一种通信系统，其特征在于包括发射机，它包括光源，用于产生调制的引导光束以发射数据信号；可控反射镜，用于将光束导向接收机；光电二极管，用于接收从基本上与反射镜引导的光同一方向反射的光；和控制电路，它耦合至光电二极管与反射镜，用于控制反射镜的瞄准；以及接收机，它包括透镜；光电二极管，用于接收通过透镜的来自发射机的入射光；和反射环，它包围透镜，用于将来自发射机的入射光反射回发射机。
2.如权利要求1所述的系统，其特征在于，反射镜包括反射镜元件，它由单片结晶材料形成，该反射镜元件具有一个镜架、一个镜面和多只镜链。
3.如权利要求1所述的系统，其特征在于，反射环包括多个隅角立方镜元件。
4.如权利要求1所述的系统，其特征在于，光源包括激光器。
5.如权利要求4所述的系统，其特征在于，发射机还包括透镜，用于将调制的激光束展宽成具有与反射环外直径基本上同样尺寸的光点尺寸。
6.一种发射数据信号的方法，其特征在于包括以下步骤产生一经调制的光束；对微镜定向，以将调制的光束向接收机反射；接收来自发射机的反射光；和根据接收到的反射光，调节微镜的定向。
7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，所述调节步骤包括反复调节微镜的定向，使接收到的反射光强度最大。
全文摘要
揭示了一种无线光学网络系统。发射机(45)包括一激光器(36),其产生的光束由微镜(42)向接收机反射。接收机包括一透镜,用于接收入射光(I)并将其导向光电二极管。反射环包围接收机的透镜,将光反射回发射机(45)。反射环最好由隅角立方镜元件形成,使光在一入射角范围内反射回它的源。发射机(45)的光电二极管(48)接收加给控制电路(52)的信号,控制电路(52)接着根据反射光(R)控制反射镜(42)的瞄准,从而可优化反射镜(42)的瞄准。
文档编号H04B10/105GK1356784SQ01140839
公开日2002年7月3日 申请日期2001年9月20日 优先权日2000年9月20日
发明者W·G·德温特尔 申请人:德克萨斯仪器股份有限公司