用于自由空间光通信的光环形器的制作方法

本申请是2016年10月11日提交的美国专利申请第15/290，153号的延续，其公开内容通过引用结合于此。

背景技术：

自由空间光通信(freespaceopticalcommunication，fsoc)链路用于通过终端之间的自由空间发送信息。光发射器和光接收器被对准，以便为待发送和待接收的数据建立视线连接。通常，使用诸如光纤放大器的光纤组件。因此，必须在分离(例如，相当远距离)的两个光纤末梢之间建立光学对准。在这样的fsoc系统中，可以要求从单模(singlemode，sm)光纤发送光束，使得光信号能够以高斯光束传播，以确保在远端的聚焦性。可以要求高度的指向准确性以确保光束将被接收。

技术实现要素：

提供了一种方法和系统，以用于以无色的方式在sm光纤中发送光信号，并且在多模(multimode，mm)光纤中接收光信号。光束可以被接收到具有比sm光纤更大直径的mm光纤中，以使得在视线仍然建立的同时可以放宽指向准确性。此外，发送光学器件和接收光学器件是无色的。因此，(多个)发送波长和接收波长不需要预先确定。就这点而言，网络具有重新配置波长分配的灵活性，并且光学器件不需要在自由空间中对准。

系统可以包括具有第一端口、第二端口和第三端口的光环行器。第一光纤耦合到光环行器的第一端口，第二光纤耦合到光环行器的第二端口，并且第三光纤耦合到光环行器的第三端口。光环行器适用于在耦合光纤中的至少两条耦合光纤之间路由光信号。例如，第一光纤可以是sm光纤，第二光纤可以是dc(doubleclad，双包层)光纤，并且第三光纤可以是mm光纤。光环行器可以适用于将光信号从sm光纤路由到dc光纤，并且还可以适用于将光信号从dc光纤路由到mm光纤。dc光纤可以被配置为通过自由空间发送和接收光信号，并且可以被耦合到用于接收光信号的准直器。在一些示例中，一个或多个发射器被耦合到sm光纤，并且一个或多个接收器被耦合到mm光纤，其中系统被配置为使用第一信道发送光信号，并且同时使用第二信道接收光信号。一个或多个发射器可以包括可调谐发射器，或者它们可以被输入到单模波分复用器。可调谐滤波器可以被耦合在mm光纤和一个或多个接收器之间。一个或多个接收器可以包括通过多模波分复用器耦合到mm光纤的多个接收器。该系统可能对波长不敏感，并且需要预先确定波长以用于与其他fsoc系统通信。

本公开的另一方面提供了一种平台，包括一个或多个fsoc系统，每个fsoc系统包括具有第一端口、第二端口和第三端口的光环行器，其中光环行器对波长不敏感，单模光纤被耦合到光环行器的第一端口，双包层光纤被耦合到光环行器的第二端口，并且多模光纤被耦合到光环行器的第三端口，其中光环行器适用于将光信号从单模光纤路由到双包层光纤，并且其中光环行器还适用于将光信号从双包层光纤路由到多模光纤。该平台可以是，例如移动平台。该平台还可以包括与控制系统通信的控制单元，该控制单元可以适用于调整平台的位置和/或提供指令，该指令识别哪个信道用于发送光信号和哪个信道用于接收光信号。

本公开的一个方面提供了一种由第一终端进行光通信的方法，该方法包括将第一光信号注入被耦合到光环行器的第一端口的单模光纤的纤芯(core)中，使用光环行器将第一光信号路由到双包层光纤的纤芯中，双包层光纤被耦合到光环行器的第二端口，并且通过自由空间将第一光信号发送到第二终端。在一些示例中，该方法还包括将第二光信号注入双包层光纤的第一包层中，并且使用光环行器将第二光信号路由到光环行器的第三端口处的多模光纤中。第一光信号可以在将第一光信号路由到双包层光纤之前被放大。例如，单模波分复用器可以放大输入其中的两个光信号带。通过自由空间发送第一光信号可以包括在第一信道上发送第一光信号，并且就这点而言，该方法还可以包括在发送的同时由双包层光纤在第二信道上从第二终端通过自由空间接收第二光信号。此外，可以保持与第二终端的双向光链路，以使得通过切换信道，可以在第二信道上发送第三光信号，并且可以在第一信道上接收第四光信号，而无需中断双向光链路。

附图说明

图1示出了根据本公开的方面的在fsoc系统中使用的示例带光纤尾纤的光环行器(fiberpigtailedopticalcirculator)。

图2示出了图1的带光纤尾纤的光环行器系统的示例操作。

图3示出了根据本公开的方面的两个fsoc系统之间的示例通信。

图4示出了根据本公开的方面的两个fsoc系统之间的另一示例通信。

图5是包括图1的带光纤尾纤的光环行器系统的示例平台的框图。

图6是示出根据本公开的方面的示例方法的流程图。

图7是示出根据本公开的方面的包括fsoc系统的两个平台之间的示例通信的示意图。

图8是根据本公开的方面的平台和其他实体之间的通信的另一示例。

图9是示出根据本公开的方面的包括多个fsoc系统的平台之间的通信的示例图。

具体实施方式

本文描述的系统和技术涉及fsoc系统，该系统具有安装在sm光纤、双包层(dc)光纤和mm光纤内的光环行器。该系统可以被实施以用于各种环境中的任何一种。例如，该系统可以在客户端设备上本地实施，或者跨客户端设备和服务器环境实施。客户端设备可以是任何通信设备，诸如光通信设备、光发射器、光接收器或fsoc基站等。在一个特定示例中，该系统可以在高空平台(诸如飞机、无人驾驶飞行器(unmannedaerialvehicle，uav)、气球、卫星等)中实施，并且可以用于与其他高空平台或接地设备通信。

图1示出了示例的耦合光纤的光环行器系统100，包括sm光纤110、mm光纤120和dc光纤130，每个都与光环行器140进行通信。例如，sm光纤110、mm光纤120和dc光纤130中的每一个都可以是用光环行器140进行尾纤化的光纤。在光纤中，光信号被引导到称为纤芯的光纤的中心。纤芯被包层包围，包层是使用光学技术中的至少一种来将光捕获在纤芯中的光学材料。例如，包层可以经由全内反射捕获光。

sm光纤110包括纤芯114和包层112。sm光纤110被设计成支持一种横向模式，携带平行于光纤长度的光。光可能具有不同的频率。sm光纤的纤芯直径可以相对较小，例如在8到10.5μm之间，其中包层直径大约为125μm。应当理解，这些尺寸仅仅是示例，并且可以使用其他尺寸。在一些示例中，sm光纤可以被化学改变或物理改变以具有特殊性质。

mm光纤120包括纤芯124和包层126。mm光纤120具有比sm光纤110更大的纤芯直径。仅作为示例，mm光纤120的纤芯直径可以大约为50-100μm。因此，mm光纤120可以支持多于一种的传播模式。

dc光纤130可以包括多层光学材料，诸如纤芯、内包层和外包层。例如，dc光纤130具有被第一包层132包围以支持sm光引导的sm纤芯134。第一包层132被第二包层136包围。在这种示例中，第一包层132本身是mm光波导，其可以与mm光纤120匹配以获得低耦合损耗。

光环行器140是一种可用于导向光信号的光纤组件。该环形器140可以具有用于耦合到多条光纤的多个端口。例如，如图1所示，光环行器140用光纤110-130尾纤化，使得sm光纤110耦合到第一端口，dc光纤130耦合到第二端口，并且mm光纤120耦合到第三端口。因此，在一个端口的光纤处接收到的光信号可以被导向到在另一个端口处的另一光纤。

上文和本文所述的光纤和端口的示例布置可以变化。例如，sm光纤110、mm光纤120和dc光纤130可以是耦合到光环行器140的不同端口的光纤。作为进一步的示例，可以使用不同类型的光纤。

图2提供了如何在fsoc系统中使用带光纤尾纤的环行器100的示例。第一光信号205被注入到sm光纤110的纤芯中。来自端口1的第一光信号205由光环行器140路由到端口2的sm纤芯中，然后作为发送信号215离开光环行器。因此，第一光信号可以被发送到第二fsoc系统(未示出)。

将第二光信号225(例如从第二fsoc系统)接收到充当mm波导的dc光纤130的第一包层中。来自端口2的第二光信号225然后被路由到端口3，端口3用mm光纤120尾纤化。

图2的fsoc系统不是波长选择性的。因此，在图2的fsoc系统和另一个fsoc系统之间发送和接收光信号时，发送或接收信号的波长不需要预先确定。相反，可以发送或接收任何波长。

图3示出了在fsoc系统中如何使用光环行器从sm光纤320发送光信号以及将光信号接收到mm光纤中。系统架构具有两个终端，西终端350和东终端360。每个终端都有发射器(分别为txwest和txeast)，并且每个发射器可以包括一个或多个光信道，图示为频带txb1和txb2。在txwest处的sm波分复用器(wavelengthdivisionmultiplexer，wdm)315将这两个光信号的信道或频带组合成可选的光放大器370。该放大器的输出连接到光环行器的端口1，并被路由到端口2的dc光纤340的sm纤芯中。在这种示例中，西终端350在第一信道上发送。

然后，光信号在自由空间中被传播到东终端360，并被接收到作为mm光波导的dc光纤345的第一包层中。在一些示例中，诸如准直器385的聚焦光学器件可以用于在东终端360处接收光信号。例如，准直器385可以有助于在接收信号被dc光纤245接收到之前使接收信号的光束变窄，以使得dc光纤345接收更窄的光束(例如，具有更好的光线对准或更窄的横截面)。无焦望远镜(afocaltelescope)可以与带光纤尾纤的准直器结合使用来扩展光束，以用于提供光学天线增益，使得发射器和接收器之间的光损耗减小。波束指向、跟踪和采集方案也可以用于建立这两个终端之间的视线连接。这种接收信号然后被路由到环行器的端口3的mm光纤330，并且被接收器接收。利用这种布置，实现了从sm光纤320发送以及接收到mm光纤330中。

正如西终端350可以在一个或多个信道上发送，东终端360可以在一个或多个信道上接收。取决于东终端和西终端之间的链路损耗，发送功率可以远远高于接收功率。结果，如果从发射器通过同一终端的环行器和准直器到接收器存在任何泄漏或串扰，则接收信号会被这种串扰污染。为了解决这种问题，环行器的端口3之后跟随mmwdm390，以分离两个信道的波长带。在一些示例中，mmwdm390可以是密集wdm(densewdm，dwdm)，或者如果在发送信道中存在多种发射波长，则环行器的端口3之后可以跟随dwdm，以将接收信道分成多个光纤。mm带通滤波器392、394可以放置在mmwdm390和接收器362、接收器364之间。当终端正以某个波长带发送时，分配有相同波长带的接收器可以被电子地设置为处于空闲模式，并且只有被分配有相反波长带的接收器才用于接收来自远端终端的信号。因此，在这种示例中，西终端在第一信道上发送且东终端在第一信道上接收，同时东终端360在第二信道上发送且西终端在第二信道上接收。然而，在其他示例中，信道可以变化。此外，在其他示例系统中，多于两个的信道可以是可用的。

因为环行器是对波长不敏感的，所以从东终端360和西终端350可以切换发送波长和接收波长而无需中断双向光链路，从这个意义上来说，整个架构是无色的。其他波长管理设备(诸如波分多路复用器和/或波分多路分解器)以及滤光器可以用于提高光信号完整性或增加光信道规划的灵活性。

图4示出了图3的替换架构。如图4所示，可选的mm光学前置放大器450用于增加接收灵敏度。因为接收路径在mm光纤410中经由dc光纤420的第一包层和环形器440的端口3的mm光纤410，所以接收路径中的前置放大器被示为mm光学前置放大器450。同样如图4所示，可调谐发射器430可以用在两个终端中。可调谐发射器430可以包括一个波长或多个独立调制的激光波长。此外，mm可调谐带通滤波器460可以用于选择某个(多个)波长带。接收器(rx)可以是单个光电二极管或多个光谱分离的光电二极管。

图5示出了用于使用光环行器以无色的方式发送和接收光信号的示例方法500。方法500可以由，例如本公开的fsoc系统来执行。

在框510中，系统安装光环行器，其中在端口1处有单模(sm)光纤，在端口2处有双包层(dc)光纤，并且在端口3处有多模(mm)光纤。光纤的这种布置仅仅是示例，并且光纤相对于光环行器端口的其它布置也是可能的。

在框520中，系统将第一光信号注入sm光纤的纤芯中。响应于来自一个或多个处理器的命令，可以由，例如发射器生成第一光信号。在一些示例中，第一光信号可以在注入到sm光纤之前被放大。

在框530中，系统使用光环行器将端口1处的第一光信号，经由端口2路由到dc光纤的sm纤芯中。

在框540中，系统将第二光信号注入dc光纤的第一包层中。第二光信号可以从，例如，第二fsoc系统接收。

在框550，系统使用光环行器将端口2处的第二光信号，经由端口3路由到mm光纤中。因此，第二光信号充当mm光纤中的接收信号。结果，光环行器对波长不敏感，并且作为结果促进了从sm光纤的无色发送和无色接收到mm光纤。

如上所述，fsoc系统可以与平台上的一个或多个计算设备结合使用。该平台可以是接地平台，诸如控制器、基站或任何其他计算设备。可替换地，平台可以是移动平台，诸如汽车、浮标、膝上型计算机等。在进一步的示例中，平台可以是高空平台，诸如无人机、卫星、气球等。

图6是示出包括各种组件的示例平台605的框图。该平台可以具有一个或多个计算机，诸如包含处理器620、存储器630和在通用计算机中典型呈现的其他组件的计算机610。一个或多个计算机可以与fsoc系统600通信，如以上示例中所述，该系统包括耦合到sm光纤、mm光纤和dc光纤的光环行器。

存储器630存储可由处理器620访问的信息，包括可由处理器620运行或以其他方式使用的指令632和数据634。存储器630可以是能够存储可由处理器访问的信息的任何类型的存储器，包括计算机可读介质，或存储可以借助于电子设备而读取的数据的其他介质，诸如硬盘驱动器、存储器卡、rom、ram、dvd或其他光盘，以及其他可写和只读存储器。系统和方法可以包括前述的不同组合，从而指令和数据的不同部分被存储在不同类型的介质上。

指令632可以是由处理器直接运行的(诸如机器代码)或者间接运行的(诸如脚本)的任何指令集。例如，指令可以作为计算机代码存储在计算机可读介质上。就这点而言，术语“指令”和“程序”在本文可以互换使用。指令可以以目标代码格式存储，以供处理器直接处理，或者以任何其他计算机语言存储，该计算机语言包括按需解释或提前编译的独立源代码模块的脚本或集合。下面更详细地解释指令的功能、方法和例行程序。

处理器620可以根据指令632检索、存储或修改数据634。例如，尽管系统和方法不受任何特定数据结构的限制，但是数据可以作为具有多个不同字段和记录、xml文档或平面文件的表而存储在计算机寄存器、关系数据库中。数据也可以以任何计算机可读格式格式化。数据可以包含任何信息，诸如数字、描述性文本、专有代码、对存储在相同存储器或不同存储器的其他区域(包括其他网络位置)中的数据的引用，或者由函数用来计算相关数据的信息。

处理器620可以是任何常规处理器，诸如来自英特尔公司或者美国超威半导体公司(advancedmicrodevices)的处理器。可替换地，处理器可以是专用设备，诸如asic。尽管图6在同一框内从功能上示出了的计算机610的处理器、存储器和其他元件，但是本领域普通技术人员将理解，处理器和存储器实际上可以包括多个处理器和存储器，这些处理器和存储器可以存储在同一物理外壳内，也可以不存储在同一物理外壳内。例如，存储器可以是位于数据中心的服务器场中的硬盘驱动器或其他存储介质。因此，对处理器或计算机的引用将被理解为包括对可以并行操作或可以不并行操作的处理器或计算机或存储器的集合的引用。

计算机610可以包括经常与计算机结合使用的所有组件，诸如中央处理单元(centralprocessingunit，cpu)、图形处理单元(graphicsprocessingunit，gpu)、存储数据634和指令的存储器(例如，ram和内部硬盘驱动器)，诸如网络浏览器、电子显示器(例如，具有屏幕的监视器、小型lcd触摸屏或可操作显示信息的任何其他电子设备)以及用户输入(例如，键盘、触摸屏和/或麦克风)。

计算机610还可以包括地理位置组件644，以确定平台605的地理位置。例如，计算机610可以包括gps接收器，以确定平台的纬度、经度和/或高度位置。也可以使用其他定位系统，诸如基于激光的定位系统、惯性辅助gps或基于相机的定位。

计算机610还可以包括其他特征，诸如加速度计、陀螺仪或其他加速设备646，以确定设备定向的方向。仅作为示例，加速设备可以确定其相对于重力方向或垂直于该加速设备的平面的俯仰、偏转或滚动(或其变化)。就这点而言，应当理解，如本文所阐述的计算机提供位置和方向数据可以自动提供给用户、网络的其他计算机、或这两者。

计算机610还可以包括对象检测组件648，以检测和识别对象，诸如其他平台、鸟类、电力线、电线杆或其他障碍物。检测系统可以包括激光器、声纳、雷达、照相机或任何其他这样的检测方法。在使用中，计算机610可以使用这种信息来指示导航系统370更新平台605的位置。

计算机610可以传送和接收来自平台605的各种系统(例如导航670系统)的信息以便控制平台605的移动、速度等。在一些示例中，这样的信息可以在计算机处从另一个实体(诸如，无线地面控制器)接收。例如，计算机610能够与远程服务器或与计算机610配置类似(有处理器、存储器、指令和数据)的其他计算机(未示出)通信。远程服务器或其他计算机可以从传感器680和/或fsoc系统600接收位置信息和/或其他信息。在其他示例中，这样的信息可以由计算机610基于由传感器680或平台605的其他组件检测到的信息来确定。

将理解，尽管在平台605内示出了各种系统和计算机610，但是这些元件可以在平台605外部或者物理上分离。

图7示出了包括两个平台之间以及两个平台和一个或多个地面终端之间的通信的示例网络。如图所示，第一平台710包括fsoc系统715，并且第二平台720包括fsoc系统725。如以上示例中所述，fsoc系统715、725中的每一个可以包括耦合到光纤的光环行器。就这点而言，fsoc系统715、725可以在其间发送和接收光信号，并因此在平台710、720之间传送数据和其他信息。

如图7中进一步所示，一个或多个地面终端也可以通过fsoc系统715、725或者通过平台710、720上的其他通信设备直接与平台710、720通信。例如，地面终端762、764可以位于地面、建筑物顶部等。地面终端762、764可以分别通过网关上行链路(gatewayuplinks，gw-ul)和网关下行链路(gatewaydownlinks，gw-dl)与平台710、720通信。在其他示例中，地面终端可以包括能够与fsoc系统715、725进行光通信的光学系统。类似地，诸如平板电脑772和智能手机774的移动设备也可以通过直接到用户(direct-to-user，dtu)的上行链路或下行链路或光信号与平台710、720直接通信。

图8是平台和其他实体之间通信的另一示例。除了每个平台810、820包括fsoc系统之外，每个平台810、820还可以包括控制和非有效载荷通信(control-and-non-payloadcommunication，cnpc)单元，诸如cnpc单元819、829。cnpc单元819、829可以包括能够与cnpc地面终端860无线通信的收发器。例如，cnpc单元819、829和地面终端960可以经由无线电通信。cnpc地面终端860还可以，例如经由有线链路与网络配置和指向系统880通信。就这点而言，网络配置和指向系统860可以通过cnpc地面终端860向平台810、820提供信息。仅作为示例，这样的信息可以包括定位信息。这样的定位信息可以用于调整fsoc系统中组件的对准，使得由一个平台传送的光信号被其他平台精确接收。根据其他示例，通过cnpc提供的这样的信息可以包括关于哪些信道用于发送光信号以及哪些信道用于接收光信号的指令。

图9是示出包括多个fsoc系统的平台之间的通信的示例图。例如，平台910包括三个fsoc系统913、915、917。这些fsoc系统913、915、917中的每一个可以与另一平台上的另一fsoc系统通信。例如，如图所示，fsoc系统813与平台940上的fsoc系统843通信，fsoc系统915与平台930上的fsoc系统937通信，并且fsoc系统917与平台920上的fsoc系统925通信。因此，一个平台可以同时与多个其他平台进行光通信。

以上描述的技术也可以用于激光雷达系统。例如，第一光信号可以是由光脉冲组成的发送信号，以及第二光信号是来自感兴趣的对象的反射信号。

本文描述的主题可以用软件和/或硬件(例如，计算机、电路或处理器)来实施。主题可以在单个设备上或跨多个设备(例如，客户端设备和服务器设备)实施。实施该主题的设备可以通过有线和/或无线网络连接。提供所公开的具体示例是为了说明的目的，并不限制本公开的范围。

而且，与光环行器一起使用的光纤的布置或光纤的类型可以变化。

除非另外声明，前述替换示例不是相互排斥的，而是可以以各种组合来实施，以获得独特的优势。由于可以在不脱离权利要求限定的主题的情况下利用以上讨论的特征的这些和其他变化和组合，所以实施例的前述描述应该通过说明的方式而不是通过限制权利要求所限定的主题的方式来进行。另外，本文描述的示例的提供以及措辞为“诸如”、“包括”等的条款不应被解释为将权利要求的主题限制于具体示例；相反，这些示例旨在仅示出许多可能实施例中的一个。此外，不同附图中相同的附图标记可以标识相同或相似的元素。