专利名称：自由空间光通信的多输入方法和设备的制作方法
技术领域：
本发明涉及自由空间光通信。
背景技术：
长久以来已了解到自由空间光通信(FSO)的优点，例如高带宽和高信号方向性。FSO的已知缺点之一是其容易经受闪烁(scintillation)。也就是说,瑞流和热现象产生大气折射率的局部化波动。传递经过此类波动的单载FSO光束可能由于光学折射而完全或部分地偏转。一个结果是在光束被聚焦到一图像点上的接收端处，该图像点可能在图像平面中游移。
而且，FSO光束通常是作为相干激光束而产生。相关光束起初具有均匀的波前(wavefront)，即，随着在光束的前面上的径向位置缓慢变化的相位。具有均匀波前的光束是合意的，因为在检测器处，该光束将经历相对极少的相消性自干扰。然而，大气中的折射率波动的第二影响是使FSO光束的波前失真。所述失真造成在检测器处的光束的依赖于时间的相消性自干扰，这又导致所接收信号的衰落。
对于与大气闪烁相关的问题的已知解决方案中的一些使用机械镜和自适应光学元件来跟踪游移光束且校正失真的波前。然而，此类解决方案需要大量的硬件组件。其中一些还使用感测和机械致动的闭合迭代控制回路，这限制了其性能。这些缺点在用于FSO光束的QAM和其它高级调制方法的情况下尤其严重，针对这些情况的接收对所接收信号的振幅和相位的保真度是相对敏感的。发明内容
我们已提供一种新解决方案，其利用了如下事实:不同波长在特征在于大气闪烁的传播环境中将通常展现不同的衰落特性。我们的解决方案提供了可完全在高速电子元件中完成的开环自适应处理的可能性。这通过利用由大气产生的多路径传播而允许跨越波前的相干处理且实现光学ΜΜ0。
在一实施例中，我们的解决方案涉及收集至少一个FSO光束，按波长将光束多路分用为至少两个子光束，检测每一子光束以从其产生电输出，以及使用来自所述电输出中的至少两者的互补信息来复原信号。
图1是在一实施例中根据本发明的发射器的简化局部示意图。
图2是在一实施例中根据本发明的接收器的简化局部示意图。
图3是展示在一个实施例中的接收器的光学部分的细节的简化局部示意图。为了呈现的简单，已从图3的视图省略了光学混合体。混合体将通常用以实现相位分集。
图4是通过特征在于大气闪烁的传播环境进行传输的FSO传输系统的简化局部示意图。
图5是具有多个接收孔径的示范性FSO接收器的简化局部示意图。
具体实施例方式转到图1，示范性FSO发射器包含用于产生经译码电信号的数据编码器10，所述电信号被施加于放大级20之后以调制两个或两个以上二极管激光器30的光输出。如图中所见，将波长多路复用器和望远镜的功能组合的光学系统40将来自激光器的光学输出组合为光束50，所述光束50通过空间、通常通过大气朝向接收器投射。虽然为了呈现的简单而仅展示单个投射的经波长多路复用的输出光束50，但将了解，空间分集的一些优点可通过其中产生多个经波长多路复用的输出光束的布置而实现。这可例如通过使用多个发射孔径来完成。所属领域的技术人员使用用于数据编码的已知技术、用于光信号产生、调制和放大的已知技术以及用于波长多路复用和用于将一个或一个以上FSO光束投射到空间中的望远镜式布置的已知布置将了解图1中概念性展示的系统的许多替代实施方案。举例来说，利用例如阵列波导(AWG)和多模干涉(MMI)装置等平面波导技术的光学多路复用器可在至少一些情况下有用。同样，例如铒掺杂的光纤放大器(EDFA)等光纤放大器可在至少一些情况下有用。用于IOGbps和IOGbps以上的光学传输速率的优选数据编码方法包含PSK、QAM和OFDM0另外，在至少一些情况下可能有利的是采用空间-时间块码和类似物，其中经译码群集符号布置于空间-时间矩阵或波长-时间矩阵中，或者布置于在空间、时间和波长中延伸的矩阵上。(空间-时间矩阵在多个输出子孔径和多个符号间隔上分布信号。波长-时间矩阵在多个波长子通道和多个符号间隔上分布信号。)转到图2，用于来自发射器的传入光束60的示范性FSO接收器包含望远镜式收集系统70、波长多路分用器80、二极管光电检测器90、模/数转换器(ADC) 100和数字信号处理器(DSP)llO。如图中所见，多路分用器80将传入光束分离为占据不同波长带的两个或两个以上子光束。每一子光束由光电检测器90中的一者转换为电信号。在ADC100处，经译码群集符号被复原且被解映射到二进制序列，所述二进制序列在DSP 110中经处理以产生输出数据流120。所属领域的技术人员使用用于数据解码的已知技术、用于光信号检测和解调的已知技术以及用于波长多路分用和用于收集一个或一个以上FSO光束的望远镜式布置的已知布置将了解图2中概念性展示的系统的许多替代实施方案。举例来说，利用对应于上文论述的光学多路复用器的平面波导技术的光学多路分用器可在至少一些情况下有用。如图中可见,DSP具有多个输入流,每一输入流对应于经多路分用为相应子光束的波长通道中的一者。DSP使用来自这些波长通道中的至少两者且优选全部的互补信息，以便计算输出数据流120。举例来说，可在两个或两个以上波长通道中的每一者上发送冗余信息。在此情况下，DSP可在一时间周期中选择最强的那个波长通道(或波长通道子组)。“最强”意味着提供最大的准确接收的概率。可通过信噪比、通过从在相关波长通道上发送的导频信号确定的错误概率或通过其它已知方式测量强度。特定通道选择所持续的时间周期可例如通过传播环境的相干时间的测量来确定，所述相干时间在一些情况下可为几毫秒。根据此方法，在一个通道中较弱地接收的同一信息可能在另一通道中较强地接收的意义上，不同波长通道中的信息是“互补的”。
不同波长通道中的信息也可能是“互补的”，因为不同的通道载运相异的数据流。也就是说，图1的数据编码器10可操作以将一数据流的不同部分分配到不同波长通道。此些分配部分可完全相异，或通过冗余译码，其可含有部分重叠的数据。
在至少一些情况下，将有利的是DSP 110实施分集接收器。在分集接收器中，输入到DSP的相应数据流130.1、…、130.n被指派不同的权重。基于从发射器接收的导频信号，计算权重集合以最小化错误概率。在此情况下，不同频率通道上的信息是“互补的”，因为当根据其经指派权重在DSP中组合时，每一通道均贡献于经优化的所接收信号。
在至少一些情况下，将有利的是DSP 110实施MMO技术以从空间-时间矩阵、频率-时间矩阵和类似物复原信号。如下文将论述，此处理可包含例如从使用从发射器接收的导频信号进行的测量获得的传播系数的使用。可在不同波长通道上以及从不同的发射器子孔径发送单独的导频信号。同样，可在不同的接收器子孔径中接收导频信号。因此，可针对每一波长通道确定传播系数矩阵。在每一此矩阵内，给定系数表达给定发射器子孔径与给定接收器子孔径之间的衰减和相位延迟。下文将进一步描述此矩阵信息的使用。
转到图3，图2的接收器布置的细节包含本机振荡器140，其将相位信息提供到光电检测器90以便实现相干检测。如果将在接收器中考虑所接收光信号的相位，那么相干检测是必要的。这对于PSK、QAM和其它高级调制格式以及对于将传播系数纳入考虑的MMO处理是重要的，如下 文将论述。(所属领域的技术人员将了解，对于相干检测，在接收器布置中恰在光电检测器90之前通常包含光学混合体。为了呈现的简单，已从图中省略了所述光学混合体。)
图3还展示锥形光纤束150 (未按比例绘制)，其将来自多路分用器80的光收集到多个个别光纤端面中且将所述光集中到单个输出光纤中以供输入到光电检测器90。通过此方式，提供相对大的光学孔径以用于收集光信号。因此举例来说，存在已知的锥形光纤束，其采用绝热锥形以有效地将所收集的光耦合到单模输出光纤中以供有效检测。由此技术提供的大孔径的一个益处是对光束游移有较大容限。
在其它实施例中，锥形光纤束可由从大的芯(光学望远镜的焦点处)到小的芯成锥形的单个光纤代替，因此以绝热方式将光导引到单模(小的芯)输出光纤中。
如图3所示的元件布置应在概念上来理解，且应理解为表示多种可能的替代实施方案。
在广义上，图3既定说明的原理之一是锥形光纤有用于减轻光束游移的有害影响。也就是说，光束游移(且在某种程度上还有波前失真)趋于涂抹光学系统的焦点。如果在光学系统的焦平面中的一者中所收集的光被注射到锥形光纤或锥形光纤束的宽孔径中，那么所述光可以绝热方式返回到集中的点。如下文将论述的图4所示，可针对将从波长多路分用器收集的相应波长通道中的每一者复制此锥形。
因此将了解，有利的是:锥形光纤或光纤束的进入端具有大的有效芯，光纤束通过作为组成光纤的芯的有效总和的总芯来实现此目的，且替代方案是使用具有(起初)相对大的芯的锥形单个光纤。在至少一些情况中，使用单个锥形光纤的方法可为最有利的，因为单个光纤由于孔径的包覆覆盖部分而经受较少的光损失。单光纤锥形的制造也可较简单，因为其无需为了减轻组成所述束的光纤之间的干扰而可能需要给锥形光纤束强加精确的路径长度容限。如上所述，光束游移和波前失真两者是不合意的现象，其趋于使通信系统的性能降级。在数据速率增加时，波前失真变得较具破坏性，因为在传播的波前中的所得扩展可能变为与经调制光束中的连续脉冲之间的间距相当。为了能够有效地减轻波前失真的影响，有利的是使用用于检测器的小于一个相干长度的有效光学孔径，或将总孔径细分为若干子孔径，每一子孔径具有其自己的一或多个检测器。每一子孔径还有利地具备其自己的波长多路分用器，位于相应的一或多个检测器之前。将见到，图3描绘其中锥形(S卩，锥形光纤或锥形光纤束)的入口位于光学系统的焦点处的布置，所述焦点位于波长多路分用器80的下游。(有关于此应注意，通常为自由空间光学通信装置的复合光学系统大体上具有多个焦点，使得望远镜的焦点被多次再映射。)在替代布置中，波长多路分用器位于锥形的下游。特定来说，可为有利的是使单光纤锥形的入口位于望远镜的焦平面中，且引导所收集的光通过锥形光纤到达单模波长多路分用器。此些装置是合意的，因为其是紧凑的且其容易使用已知技术来制造。单模光纤可用以将输出信号从波长多路分用器路由到相应光电检测器。然而应注意，当波前失真较不成问题而使得针对收集注射到锥形中的光可容许单个大孔径时，此布置可为最合适的。较大波前失真的情况可通过在望远镜的焦平面处使用多个光纤锥形(通过使用例如光纤锥形束)来处置。在此类情况中，多个光纤锥形有效地将焦点划分为一组相干子片，每一子片可以与单个光纤锥形的情况中相同的方式来处理。每一光纤锥形之后则是单模波长多路分用器以及用于个别波长的检测器。一旦光学信号被转换为电信号，便可跨越子片以及跨越波长而测量波前失真，且可对其进行校正。这使得能够在电子域中实施自适应光学元件。此外，此类基于电子元件的自适应光学元件比常规自适应光学元件更灵活，因为其准许针对每一波长独立地控制振幅和相位。这又实现对波前失真的更特定补偿。图4展示将FSO光束投射到接收器170的发射器160。(图4的在先前图中具有对应物的一些元件由相同参考标号指示。)图4中展示光束的两个波前180和190。波前是具有恒定相位的表面。如图中所见，波前在其穿过大气湍流的单元200时变得失真。因为相位失真的量取决于波长，所以不同波长通道中的信号经历不同的相位失真。在传播通过足够距离之后，相应波长通道中的相位失真变得互相解相关。此解相关使得可在接收器处实现特定增益，所述接收器如上文论述对两个或两个以上相异波长通道执行单独的光电检测。图5展示接收器的细节，其中收集透镜210将所收集的光引导到多模融合光纤束220的大孔径面上。(图5的在先前图中具有对应物的一些元件由相同参考标号指示。)光纤束将所收集的光分布到多个单模光纤中，每一单模光纤终止于相应的检测链处，所述检测链包含前置放大器230 (例如为EDFA)和相干光电检测器240。所属领域的技术人员将了解，类似布置可相反地操作，即，作为由多个激光源发射的光的发射器而不是作为被引导到多个光电检测器上的光的接收器。
当作为发射器操作时，此布置是在多个空间分集的子光束中载运的信号的一个可能源(还有各种其它源)。当相应子光束的有效孔径(在发射或接收中)之间的分隔与相关的相干长度相当或大于相关的相干长度时，空间分集是最有效的。举例来说，相关的相干长度可为发射或接收望远镜分别的物平面或像平面中的失真波前的相干长度。
相干长度容易根据下文论述的紊动媒介中的双频互相干函数的理论来计算。
所属领域的技术人员将进一步了解，通过根据例如图5的布置来配对均具有多个孔径的发射器与接收器，可在发射和接收中实现空间分集。将了解，在此情况下，针对由发射孔径i和接收孔径j组成的每一对将存在复传播系数hu。如所述，每一传播系数表示相应的衰减值和相位延迟。对于足够的传播距离，各种传播系数hu将互相不相关。我们将其中存在N个发射孔径和M个接收孔径的配置称为NXM MIMO配置。
可根据射频MIMO技术中的技术人员众所周知的方法，使用光学导频信号的相干检测来测量传播系数。大体上，对于大气传播通道的相干时间，传播系数可视为准静态的。
如MIMO的领域中众所周知，在符号间隔期间发射孔径的光学输出可描述为向量X，且接收孔径处的光学输入可描述为向量I。在此标记法中，发射孔径中的每一者与接收孔径中的每一者之间的耦合可由矩阵H描述，其条目是传播系数hu。因此，到达给定接收孔径的总光学信号，包含上文描述的由相位失真引起的光学衰落的影响，可表达为x(如果X取作行向量)乘以H的对应于给定接收孔径的列的向量积。在多个接收孔径中的每一者处情况大体都是如此。
一个结果是如果H可有效地求逆，那么通过数值处理可校正由大气湍流引起的失真(在每一空间子光束上平均化)，且实际上，可复原未失真的波前。由此可见，可至少部分地逆转由于衰落引起的信号损失，且可复原较强的信号。
在一个实例中，发射信号发射流。其可从单个发射孔径或从多个发射孔径发射。在单个发射流动情况下，矩阵H精简到单个行，且所接收信号的相关处理等效于从相应接收孔径或子孔径接收的信号的各种版本的相干组合。在理论上，这对应于使用自适应光学元件找到的结果。然而，我们的方法可在不使用控制回路的情况下实现此结果，且其可针对所接收信号的振幅和相位两者而调整。
此外，我们的方法可在由于传播引起的时间延迟相对于符号持续时间较显著的情况中应用。传统的自适应光学元件方法大体上未对此类情况充分地处理。
用于实现H的有效求逆的若干技术在射频MMO的领域中是众所周知的，且其也可应用于如此处描述的光学ΜΙΜ0。
此处描述的光学MIMO技术可以在单个波长通道中或在任一数目的波长子通道中应用。
如上所述，紊动媒介中的双频互相干函数的理论提供用于计算相干长度的框架。同一理论还提供用于计算相干带宽(也称为相关或解相关带宽)的框架。举例来说，针对强闪烁的情况的相干带宽的理论计算在A.石丸(A.1shimaru)的“随机媒介中的波传播和散身寸(ffave Propagation and Scattering in Random Media)，，第 2 卷(1978)第 424 至Ij426页中给出。针对弱闪烁的情况的理论计算在L.安德鲁斯(L.Andrews)和R.L.菲利普(R.L.Phillips)的“激光束穿过随机媒介的传播(Laser Beam Propagation throughRandomMedia) ” (1998)第 150 到 152 页中给出。
所属领域的技术人员将了解，为了有效操作，指派于各种子光束的相应波长带之间的间距应至少为相干带宽，使得子光束之间的基于波长的解相关可发生。所属领域的技术人员将进一步了解，子光束所横跨的总带宽应位于接收器的放大带宽内。因此，放大带宽对波长间距强加上限。将进一步了解，相干带宽取决于平均波长、范围(即，传输距离)和传输路径中的湍流水平。因此，对于给定的范围和湍流水平，有利的是选择平均波长以使得可使用适当的光学放大器来满足上文描述的限制。
权利要求
1.一种方法，其包括: 收集至少一个自由空间光束； 按波长将所述光束多路分用为两个或两个以上子光束； 检测所述子光束中的每一者以产生电输出；以及 使用来自所述输出中的至少两者的互补信息来复原信号。
2.根据权利要求1所述的方法，其进一步包括在所述子光束中的每一者上接收导频信号，且其中所述复原步骤是使用所述所接收导频信号实施的。
3.根据权利要求1所述的方法，其进一步包括在所述多路分用步骤之后将所述子光束中的每一者引导到两个或两个以上空间分离的子孔径的阵列上；且其中所述检测步骤包括单独地检测在所述子孔径中的每一者中收集的光，进而针对每一经波长多路分用的子光束产生多分量电输出，所述多分量电输出针对至少两个所述子孔径中的每一者具有一个分量。
4.一种设备，其包括: 光学望远镜； 波长多路分用器，其经布置以将由所述望远镜选择的光分离为占据不同波长带的若干子光束； 检测器级，其经布置以将每一子光束转换为电输出；以及 接收器，其与所述子光束输出中的每一者成接收关系，且经配置以使用来自至少两个所述子光束输出的互补信息来复原信号。
5.一种方法，其包括: 将至少一个自由空间光束收集到两个或两个以上空间分离的子孔径的阵列上，进而针对每一子孔径界定一个子光束； 检测所述子光束中的每一者以产生电输出；以及 使用来自所述输出中的至少两者的互补信息来复原信号。
6.根据权利要求5所述的方法，其进一步包括在所述子光束中的每一者上接收导频信号，且其中所述复原步骤是使用所述所接收导频信号实施的。
7.根据权利要求6所述的方法，其中所述复原步骤包括在多个时间间隔中的每一者期间用从所述所接收导频信号导出的相应权重对所述子光束输出进行加权。
8.根据权利要求7所述的方法，其中根据所述所接收导频信号计算传播系数，且所述权重是使用有效地对传播系数矩阵求逆的程序导出的。
9.根据权利要求5所述的方法，其中所述收集步骤包括将两个或两个以上自由空间光束收集到所述子孔径阵列上，其中所述所收集光束中的每一者表示位于远处的光学发射器的两个或两个以上出口孔径中的一者。
10.一种设备，其包括: 光学望远镜； 两个或两个以上空间分离的入口子孔径的阵列，每一所述子孔径界定相应子光束； 检测器级，其经布置以将每一子光束转换为电输出；以及 接收器，其与所述子光束输出中的每一者成接收关系，且经配置以使用来自至少两个所述子光束输出的互补信息来复原信号。
全文摘要
本发明提供一种方法，其使用分集来补偿传播通过以大气闪烁为特征的环境的自由空间光FSO信号的衰落。一个实施例涉及收集至少一个FSO光束，按波长将所述光束多路分用为至少两个子光束，检测每一子光束以从其产生电输出，以及使用来自所述电输出中的至少两者的互补信息来复原信号。另一实施例涉及将所述FSO光束收集到空间分离的子孔径的阵列上，检测进入每一子孔径的光以从其产生电输出，以及使用来自所述电输出中的至少两者的互补信息来复原信号。此第二实施例使得两个电子自适应处理能够跨越所述子孔径而相干地整合，且在多个发射孔径的情况下跨越自由空间光多输入多输出MIMO系统而相干地整合。
文档编号H04B10/112GK103155451SQ201180033252
公开日2013年6月12日 申请日期2011年6月30日 优先权日2010年7月7日
发明者扬-凯·陈, 金田纪明, 亚历克斯·皮达威尔拜特斯基 申请人:阿尔卡特朗讯, Lgs创新有限责任公司