通信装置的制作方法

文档序号:11147058来源:国知局
通信装置的制造方法

本发明涉及通信,并且更具体地涉及用于经由光纤来传送信号的装置和方法。



背景技术:

光通信是可以用以使用光纤将数据信号从发送器传输到接收器的已知技术。典型地,光发送器将电信号转换成光信号,光信号形成载波。载波利用调制信号(即数据)来调制,并然后沿着光纤传输到接收器,接收器将光信号转换回电信号并恢复所传输的数据。

单根光纤可以被用来通过经由光纤传输具有一定波长范围的辐射(如,宽带辐射),并且使用波分复用(WDM)系统将辐射划分成离散的波长或波段来传输大量的个体数据流或信道。单独的数据流然后可以在每个波段内传输。

为了恢复在光纤内的一个数据流中(即,在一个波段中)传输的数据,有必要将来自光纤的数据流路由到接收器。一种已知的实现这个的方法是通过使用光分插复用器(OADM),光分插复用器(OADM)将一个数据流路由离开光纤,并且将另一个数据流路由到光纤中以利用空的波段。

使用已知的光分插复用器(OADM)102的系统100的示例被示意性地示于图1中。在示例性的系统100中,波分复用被用来将通过光纤104的辐射划分成四个离散的波段λ1、λ2、λ3和λ4。每个波段能够携带单个数据流。

光纤光栅被形成于光纤104内,在这个示例中,光纤光栅是光纤布拉格光栅(FBG)106。光纤布拉格光栅是可以被配置成反射特定波长(或特定波段中)的辐射并且传输全部其它波长的辐射的光学仪器。在图1所示的示例中,FBG 106被配置成反射具有在波段λ4内的波长的辐射,并且传输全部其它辐射,包括具有在波段λ1、λ2和λ3内的波长的辐射。因此,当在波段λ1、λ2和λ3中传输的数据流可以通过FBG 106沿着光纤104行进时,在波段λ4中传输的数据流由FBG在数据流来的方向上沿着光纤反射回去。

所反射的辐射被馈送到第一光环行器108中,第一光环行器108将来自光纤104的所反射的辐射路由至接收器(未示出)。由OADM 102路由离开光纤104的辐射被称为“下”路(“dropped”path)。因为在波段λ4中的数据流已经被从光纤104中去除,所以有可能将待传输的新的数据流添加到波段λ4中(即,“上路(added path)”)。这通过调制在波段λ4中的载波并在FBG 106之后将其馈送入光纤104中来实现。为了提供期望波长(即,在波段λ4中)的载波,已知的系统100使用激光器(未示出)。来自激光器的期望波长λ4的辐射被馈送到光纤104中,并且第二光环行器110在原传输方向上沿着光纤来路由辐射。

系统(诸如示例性的系统100)可以被定位在光纤通信网络中的每个节点处。这样的通信网络可以被安装在飞机中,在飞机内光纤网络由于与电缆相比它们对电磁干扰的恢复力并且由于光纤一般比屏蔽电缆重量轻的事实而优于电缆网络。但是,为了让网络中的每个节点能够传输数据,每个节点会需要本身耗电量就很大的激光源,并且可能需要主动冷却系统。将激光源安装于飞机上的网络中的每个节点处会抵消由较轻的线缆提供的优势。



技术实现要素:

本发明的第一方面提供了通信装置,包括:光纤,沿着光纤能够传输辐射;形成于光纤内的光纤光栅,光纤光栅具有结构并被配置成反射特定波长的辐射;以及仪器,与光栅耦接并且被配置成可控地修改光栅的结构,由此改变光栅反射辐射的波长。

本发明的一方面提供了通信装置,包括:光纤,沿着光纤能够传输辐射;形成于光纤内的光纤光栅,光纤光栅具有结构并被配置成反射特定波长的辐射;以及仪器,与光栅耦接并且被配置成接收数据信号并响应于所接收的数据信号可控地修改光栅的结构,由此改变光栅反射辐射的波长,从而响应于所接收的数据信号将信号编码于特定波长的辐射中。

通信装置还可以包括:接收器,被配置成检测由光纤光栅反射的特定波长的辐射并且解译在由光纤光栅反射的特定波长的辐射中的编码信号。

通信装置还可以包括:接收器,被配置成检测传输通过光纤光栅的特定波长的辐射并且解译在传输通过光纤光栅的特定波长的辐射中的编码信号。

仪器可以被配置成可控地调制光栅的结构以调制光栅反射辐射的波长,使得生成编码信号。

装置可以形成光纤网络中的节点。

节点还可以包括下列项中的至少一项:被配置成将辐射引导离开光纤的倾斜的光纤光栅和长周期的光纤光栅。

节点还可以包括接收模块,被配置成检测被引导离开光纤的辐射并且解译在被引导离开光纤的辐射中的通信信号。

由仪器接收的数据信号可以是通信信号。

通信信号的波长和/或波长带可以不同于编码信号的波长和/或波长带。

仪器可以包括被配置成可控地对光纤光栅施加应变的机械仪器。容纳光纤光栅的光纤可以包括磁约束涂层,并且仪器可以被配置成生成能够与涂层交互的可控磁场,由此修改光栅的结构。

仪器可以包括与光纤光栅耦接的线圈,线圈被配置成响应于施加于线圈的电流在光栅中引起应变。

仪器可以包括被配置成可控地对光纤光栅施加压力或振动,或者可控地改变光纤光栅的和/或容纳光栅的光纤的温度的仪器。

可控地修改光栅的结构可以包括可控地修改光纤光栅的光栅间距或光栅周期。

光纤光栅可以包括光纤布拉格光栅。

装置可以被安装于诸如飞机之类的交通工具中。

本发明的另一个方面提供了经由光纤来传输信号的方法,所述方法包括:提供具有形成于其中的第一光纤光栅的光纤,第一光纤光栅具有结构并被配置成反射特定波长的辐射;以及操作与光栅耦接的仪器以操纵光栅的结构,由此改变第一光栅反射辐射的波长。光纤光栅可以包括光纤布拉格光栅。

本发明的一个方面提供了经由光纤来传输信号的方法,所述方法包括:提供具有形成于其中的第一光纤光栅的光纤,第一光纤光栅具有结构并被配置成反射特定波长的辐射;接收数据信号,操作与光栅耦接的仪器以响应于所接收的数据信号来操纵光栅的结构,由此改变第一光栅反射辐射的波长,从而响应于所接收的数据信号将信号编码在特定波长的辐射中。

该方法还可以包括:操作光源以沿着光纤朝第一光纤光栅传输辐射;并且在接收器处接收由第一光纤光栅反射的特定波长的辐射。

该方法还可以包括:基于由光栅反射的辐射的波长来解译在接收器处接收自第一光纤光栅的信号。

该方法还可以包括:操作仪器以可控地调制光栅的结构,从而调制光栅反射辐射的波长以使得编码信号被生成。

该方法还可以包括:操作光源以沿着光纤朝第一光纤光栅传输辐射;并且在接收器处接收传输通过第一光纤光栅的特定波长的辐射。

该方法还可以包括:基于传输通过第一光纤光栅的辐射的波长来解译在接收器处接收自第一光纤光栅的信号。

该方法还可以包括:在第二光纤光栅处接收经由光纤传输的数据信号;其中对第一光纤光栅的结构的操纵响应于接收到所述数据信号来进行。

本发明的另一个方面提供了通信系统,包括:

如上所述的装置;用于生成要沿着光纤传输的辐射的光源;以及接收器,被配置成接收由光纤栅极反射的辐射。该系统可以包括多于一个的装置和/或多于一个的光源和/或多余一个的接收器。

光源和接收器可以位于光纤的第一端部处。光源可以是扫描波长激光器,或者可以被配置成生成宽带辐射。

使用光纤而不是屏蔽电缆来形成通信系统具有众多优点。光纤一般比屏蔽电缆小或轻。因此,在光通信网络中的节点也可以更小和更轻。而且,可以在不使用用于生成特定波长的辐射的激光源的情况下传输信号的节点可以比包括激光源的节点以更低的成本来生产。这样的节点与需要激光源的节点相比还更轻且耗电量更小。如果在光网络中的节点失效,则网络中的其它节点可以继续工作,因为传输进出每个节点的信号以不同的离散波段来携带。因而,本发明的实施例提供了优于现有技术的优点。

本发明的其它特征根据下面的描述将会变得清楚。

附图说明

现在将参照附图来描述本发明的实施例,在附图中:

图1是包括已知的光分插复用器的光学系统的示例;

图2是安装在飞机中的光通信系统的示意图;

图3是根据本发明的实施例的在光通信系统中被配置成用作接收器的节点的示意图;

图4是根据本发明的另一实施例的在光通信系统中被配置成用作接收器的节点的示意图;

图5A和图5B是示出对光纤布拉格光栅施加应变的效果的图表;

图6是根据本发明的实施例的在光通信系统中被配置成用作发送器的节点的示意图;

图7是用来操纵光栅的仪器的示意图;

图8是包括形成光通信系统的一部分的两个节点的光纤的示意图;

图9A、图9B和图9C示出了用作发送器的节点的示例响应;以及

图10是示出根据本发明的用于传输数据的方法的步骤的流程图。

具体实施方式

本发明的某些实施例在飞机上的光通信系统的背景下进行描述。但是,本领域技术人员应当清楚,所描述的通信装置、方法及系统可以安装于飞机以外的系统中。例如,所描述的系统可以用于建筑物或其它交通工具中,诸如,机动车。

参照附图,图2示出了安装有根据本发明的实施例来构造的光通信系统的飞机200。飞机200具有机身202及机翼204a和204b。驾驶舱206位于机身202的前端,并且尾翼(tail)208位于机身的后端。航空电子系统(示意性地示为210)位于驾驶舱206之内或附近,并且被配置成与飞机200中的构件通信并控制它们。

飞机200包括光通信系统,通过该光通信系统航空电子系统210能够经由光纤216和218与位于飞机200上的不同位置的节点212a-e和214a-c通信。在图2所示的示例中,航空电子系统210经由光纤216与节点212a-e通信,并且经由光纤218与节点214a-c通信。在这个示例中,节点212a-e沿着机翼204a的长度间隔开,并且每个节点可以包括一个或多个传感器,以测量诸如像机翼前缘的温度、压力或应变之类的参数。类似地,在这个示例中,节点214a-c位于机身202的后端附近,并且可以各自包括被配置成测量与飞机相关的各种参数的一个或多个传感器,这些参数包括例如气温、燃油温度、燃油液位、压力、旋转位置、线性位置、起落架载荷值及起落架应变。节点212a-e和214a-c中的一个或多个可以包括个体传感器,或者被用作用于传输数据的通信节点,这将在下文讨论。

应当清楚,虽然图2中所示的示例性通信系统包括2根光纤216和218以及8个节点212a-e和214a-c,但是安装在飞机中的典型的通信系统很可能包括更多的节点和更多的光纤。但是,还应当清楚,这样的系统可以包括更少的光纤和更少的节点。

图2中所示的示例性通信系统被配置成通过将数据流调制到载波上而经由光纤212、214来传送数据流,这将在下文解释。

调制是按照使得编码信号可以在介质(例如,辐射)中的另一个点处被提取或检索的方式将信号(例如,图案、数据、数据流或信息)编码到介质上。

在这个示例中,辐射源(诸如,光源220)位于飞机200中的航空电子系统210附近。在某些实施例中,光源220是经由光纤212和214两者将宽带光供应给节点212a-e、214a-c的宽带光源。在某些实施例中,辐射源220可以包括不同类型的光源,诸如扫描波长激光源,但是,一般地,通信系统需要能够生成多个波长的辐射的辐射源。还应当清楚,在这个示例中,虽然光源220位于飞机200的前部附近,靠近或者形成航空电子系统210的一部分,但是作为选择,光源可以位于飞机上的其它地方。

可以设置单个光源220以生成用于通信系统内的全部光纤的光。作为选择,可以设置两个或更多个光源,并且一起位于飞机200上,或者单独位于飞机上的不同位置。有利的是,本文所描述的通信系统使得光源220或其它光源可以位于远离节点212、214的位置。因此,光源220可以位于例如飞机的保护区中,诸如航空电子设备舱(avionics bay)。通过将光源220安置于飞机200的其它电子系统所处的区域中,可以使用单个冷却系统来冷却多个电子构件,而不是为每个电子构件安装冷却系统。

在通信系统中的每个节点212、214可以被配置成用作原始无源传感器(被布置成测量例如温度或压力)、接收器、发送器,或者传感器和/或接收器和/或发送器。现在将参照图3至图9来讨论可能在节点内的传输和接收功能,图3至图9示意性地示出了根据本发明的各种实施例来构造的通信系统的节点。

图3和图4示出了节点可以用作接收器的布置。图3示出了具有纤芯(core)304和包层306的光纤302的一部分。光源308位于光纤302的端部,并且被配置成生成沿光纤传输的宽带光(白光)。光源308可以与图2中所示的光源220相同。由光源308发射的宽带光使用已知的波分复用(WDM)技术划分成多个波段。在某些实施例中,可以使用粗WDM技术将宽带光划分成大约16至20个波段或信道。在其它实施例中,可以使用细WDM技术将宽带光划分成大约30个波段或信道。作为选择,可以使用不同的WDM技术将光线划分成不同数量的波段或信道。应当清楚,通过使用不同的WDM技术,来自光源308的宽带光可以根据需要被划分成更多的或更少的波段。为了清楚起见,在本实施例中,由光源308发射的光被划分成4个波段。在每个个体波段内的光可以充当经其可以传输数据信号的载波。

待沿着光纤302传输的数据信号使用本领域技术人员所熟知的技术调制到载波上。所产生的经调制的数据流然后可以沿着光纤302传输。在图3和图4所讨论的实施例中,数据流沿着光纤302在标记为λ1和λ2的两个波段内传输,并且图3和图4所示的节点被配置为用作接收器。

在图3所示的实施例中,示出了其中形成光纤光栅的节点300。在本实施例中,光栅是形成于光纤302的纤芯304内的倾斜的光纤布拉格光栅(FBG)310。FBG可以使用本领域技术人员已知的技术(诸如激光蚀刻或刻写)创建于光纤中。一般地,FBG被配置成反射特定波长(或特定波段)的辐射并且传输全部其它波长的辐射。因此,当白光沿着光纤在一个方向上行进并到达FBG时,该白光的分量沿着光纤在相反的方向上反射回去。倾斜的FBG 310将光的分量(在该例中,在波段λ2中的光)反射离开纤芯304并通过光纤302的包层306。在光纤302的相邻处、附近或周围的接收器312接收反射的光,并且可以被用来从数据流中恢复数据。接收器312可以是用来检测从例如飞机的航空电子设备舱或驾驶舱传输的信号的诸如光电二极管之类的光电探测器。例如,所传输的信号可以是到特定构件的指令,诸如打开或关闭构件。例如,作为选择,所传输的信号可以被用来激活线内开关(in-line switch)。

图4示出了根据替代实施例构造的节点400,在该实施例中长周期的FBG 402形成于光纤302的纤芯304内。长周期的FBG 402仅影响具有在特定波段内的波长的辐射(在该例中,在波段λ1中的光的分量),并且传输全部其它波长的辐射。来自光纤302的纤芯304的某些模式(“纤芯模式”)与来自包层306的模式(“包层模式”)耦接。结果,在波段λ1中的光的分量以及因此在该波段中传输的数据流被耦合到纤芯304之外,并且因此行进到光纤302的包层306中。在光纤302的相邻处、附近或周围的接收器404接收反射的光,并且可以被用来从数据流中恢复数据。如同接收器312那样,接收器404可以是用来检测从例如飞机的航空电子设备舱或驾驶舱传输的信号的诸如光电二极管或光电晶体管之类的光电探测器。为了辅助辐射传输通过光纤302的包层306,涂层可以被施加于光纤的至少一部分。作为选择,光纤302可以按照某种别的方式来处理,或者包层306的一部分可以被去除。

图3和图4中所示的布置展示了使用FBG如何允许光通信系统的节点被用作接收器。本发明还提供了节点可以借以用作发送器,使得数据可以在不使用激光源的情况下从节点传输的机制。

FBG反射辐射的波长由光栅的结构或者更具体地由光栅的间距或周期来确定。例如通过增大或减小光栅间距来改变FBG的结构改变了FBG反射辐射的波长。FBG的结构可以按照许多方式来改变或操纵。例如,改变FBG的温度可以导致光栅间距改变,其结果是不同波长的辐射将会被FBG反射。改变FBG的结构的另一种方式是对FBG施加力或应变,例如,通过使用机械设备施加拉伸或压缩力来使光栅变形。通过这种方式,光栅间距被改变,导致光栅反射辐射的波长改变。

改变FBG中的光栅间距对由FBG反射的辐射的波长的影响示意性地示于图5A和图5B中。在图5A中,FBG 502处于无应变的形式,并且在该形式中,FBG反射具有波长λa的辐射。图5B示出了应变下的FBG 502。在这种形式中,FBG 502反射具有与λa不同的波长λb的辐射。因而,通过控制施加于FBG的应变量,可以精确地控制由FBG反射的辐射的波长。

图6示出了本发明的节点600可以被用来传输信号的实施例。在图6所示的实施例中,FBG 602形成于光纤302的纤芯304内。FBG 602被配置成反射具有在波段λ3内的波长的辐射,并且传输全部其它辐射,包括具有落在波段λ1、λ2和λ4之内的波长的辐射。

接收器604位于在光纤302的端部处的光源308的相邻处或附近。如同以上所讨论的,这种布置的优点在于:光源308和接收器604可以位于彼此附近,例如,在远离节点的飞机的航空电子设备舱内。

如同上述实施例一样,在本实施例中的光源308被配置成生成宽带光(例如,白光)。具有落在用来将数据流传输到用作接收器的节点的波段内的波长的光可以用数据来调制。但是,具有落在波段λ3内的波长的光不用数据来调制。相反,白光沿着光纤302传输到FBG 602,在FBG 602中,白光的在波段λ3内的分量被反射。

用于操纵、修改或调制FBG 602的结构的机构或仪器606与FBG耦接。仪器606可以是适用于可控地修改或调制FBG 602的光栅间距的任何装置,包括,但不限定于,机械设备、电气设备、电流感生线圈、马达(诸如线性电磁马达),或者用于生成磁场以与施加于光纤的含有FBG的部分的磁约束涂层交互的磁场源(诸如线圈、射频(RF)发送器或微波发送器)。合适仪器606的示例在下文参照图7来讨论。但是,一般地,仪器606及其对FBG 602的影响可以被精确地控制,并因此,可以精确地控制由FBG沿着光纤302反射回到接收器604的辐射的波长。

使用图6中所示的布置,具有特定波长的信号可以由节点600传输到接收器604。接收器604或者与接收器关联的计算机或处理器可以用波长的阈值或离散的波长带来编程,使得如果从节点600接收到在特定的阈值以上的或者落在特定的波长带内的信号,则它可以被相应地解译。例如,具有落在阈值以上的波长的所接收的信号可以被解译为“1”或“ON”响应,指示与该节点关联的特定构件处于“ON”或活动状态。具有落在阈值以下的波长的所接收的信号可以被解译为“0”或“OFF”响应,指示与该节点关联的特定构件处于“OFF”或非活动状态。

根据本发明的各种实施例,可以使用一个或多个仪器来改变光栅的参数,或者以不同的方式来影响光栅。例如,在一种实施例中,仪器被配置成可控地对FBG施加压力,由此调制光栅的结构。在另一种实施例中,仪器被配置成可控地对FBG施加振动,以调制光栅的结构。在又一种实施例中,仪器被配置成可控地改变FBG的和/或容纳FBG的光纤的温度。改变FBG的温度可以改变光栅的结构。

图7示出了本发明的仪器606是能够将应变施加于FBG 602的机械仪器的实施例。在本实施例中,仪器606包括与FBG 602的一个端部处的光纤机械耦接的第一端部702以及与FBG的另一端部处的光纤机械耦接的第二端部704。仪器606包括与数据源(例如,电流源708)连接的线圈706。该布置与扬声器线圈布置类似。当电流被施加于线圈时,在仪器中感生出动力,导致仪器的第一及第二端部702、704彼此相对移动。这种移动导致应变被施加于FBG 602,由此修改光栅间距。

在另一种实施例中(未示出),磁约束涂层被施加于FBG,或者被施加于光纤的容纳FBG的部分。磁约束材料在它们经受磁场时改变它们的形状或尺寸。仪器包括用于生成磁场的装置,诸如射频(RF)发送器或微波发送器。可控磁场被生成,并且在FBG被定位在磁场中时,磁约束涂层改变它的形状,导致FBG的结构被修改。通过精确地控制磁场的强度(例如,通过控制供应的电压或电流),可以精确地控制在FBG上引起的应变,并因此控制FBG的光栅间距的变化。

图8示出了本发明的光源308连同接收器800一起位于光纤302的一端的实施例。4个FBG被形成于光纤302的纤芯304内。FBG 802和FBG 804与上述的FBG 602类似之处在于:它们的结构可以分别通过仪器806和808可控地操纵。FBG 802被配置成反射具有落在波段λ4内的波长的光,并且FBG 804被配置成反射具有落在波段λ3内的波长的光。倾斜的FBG 810与上述的倾斜的FBG 310类似,并且被配置成使具有落在波段λ2内的波长的光朝接收器812反射。长周期的FBG 814与上述的长周期的FBG 402类似,并且被配置成使具有落在波段λ1内的波长的光朝接收器816反射。在本实施例中,FBG 802和倾斜的FBG 810彼此邻近地位于第一节点上,并且FBG 804和长周期的FBG 814彼此邻近地位于第二节点上。因而,在第一节点处,信号可以由接收器812接收,并且响应于所接收的信号,使用仪器806来控制FBG 802的光栅间距,响应信号可以从FBG 802传输到接收器800。类似地,在第二节点处,信号可以由接收器816接收,并且响应于所接收的信号,使用仪器808来控制FBG 804的光栅间距,响应信号可以从FBG 804传输到接收器800。作为选择,在接收器812、816处接收到的信号可以是对通过仪器806、808进行调制产生的从FBG 802、FBG 804传输到接收器800的信号的响应。

通过使用上述的装置和系统,可以在不使用激光源或电驱动构件的情况下从光纤内的节点传输数字数据和模拟数据二者。图9A、图9B和图9C示出了来自如上所述的用作发送器的节点的可能响应的示例。

图9A示出了第一组响应。在这个示例中,由二值节点(binary node)生成的数据信号可以呈现“ON”状态或“OFF”状态。接收器将响应902(该响应902具有落在波段λa内的波长)解译为意指“ON”,并且将响应904(该响应904具有落在波段λb内的波长)解译为意指“OFF”。具有任意其它波长的响应可以被解译为错误消息,暗示在该节点处已经发生了某种意外,诸如短路或功率剧变(power surge)。

图9B示出了第二组响应。在这个示例中,接收器扫描落在单个波段λc内的响应908。在波段λc内的响应会被解译为意指“ON”,而具有落在波段λc之外的波长的响应(诸如响应906)或者完全没有响应会被解译为意指“OFF”。

图9C示出了第三组响应。在这个示例中,更宽的波段被扫描,并且实际的响应波长按照模拟的方式被确定在最小值λd_min与最大值点λd_max之间。因此,响应910和912呈现连续尺度上的模拟点,并且可以呈现非二值数据,诸如电流测量结果或在音频信号中的样本。这样的音频信号可以是模拟的无源构件和/或能量收集技术的结果,从而允许从该节点进行零功率数据通信。

本发明还提供了用于经由光纤来传送信号的方法。图10是详细说明方法1000的步骤的流程图。

在步骤1002处,提供光纤。光纤包括光纤光栅。在本实施例中,光栅是形成于光纤的纤芯内的光纤布拉格光栅(FBG)。在步骤1004处,光源可以被用来沿着光纤朝FBG传输宽带辐射。在步骤1006处,与FBG耦接的仪器被操作以可控地操纵FBG的结构。在步骤1008处,具有特定波长的辐射被FBG反射,由仪器调制,并且沿着光纤传输回接收器。

光通信领域的技术人员应当清楚,本文所描述的装置、方法和系统可以被用来传送数字数据信号或模拟数据信号。还应当清楚,虽然在某些具体的实施例中已经提到了光纤布拉格光栅(FBG),但是可以使用本领域技术人员已知的其它类型的光纤光栅。

尽管本发明已经在上文参照一个或多个优选实施例进行了描述,但是应当清楚,在不脱离所附的权利要求书所限定的本发明的范围的情况下可以进行各种改变或修改。而且,本发明的实施例可以相互组合,并且在不脱离本发明的范围的情况下个体实施例的特征可以与其它实施例的特征组合。

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