本申请要求于2015年8月21日提交的美国申请号62/208,561、于2015年8月21日提交的美国申请号62/208,565和于2016年6月10日提交的美国申请号62/348,342的优先权，其各自通过引用整体并入本申请中。
背景技术：
在双节点双向自由空间光学(fso)通信系统中，两个fso节点交换在光学载波光束上编码的数据，跨两个节点之间的无障碍视线(los)发送该光学载波光束。如图1所示，图示了传统的双节点双向系统。如图所示，第一节点2和第二节点3通过传送和接收信号6、7进行通信，在节点之间发送信号6、7。在任何问题中，可以在信号上编码数据；为了简单起见，图示了二元开-关示例性信号。每个节点具有用于传送期望信号6、7的光学输出4，并且还具有用于接收传送信号的光学输入5。一旦接收，节点的内部电子器件就可以解码信号并获得传送数据。
仅在第一节点的传送路径与第二节点的接收部件对准时，通信系统工作。为了优化跟踪，传统系统将接收到的光束分成两个路径：一个路径用于检测，并且一个路径用于对准。如图1所示，示例性系统使用分束器、以及作为对准传感器和作为检测器(处理)传感器的分离的检测器。产生的系统是复杂的，因为它需要分束和多个路径来执行每个功能(例如对准和检测)。误差也通过多个路径之间的未对准和/或漂移引入到系统中。
技术实现要素：
描述了自由空间光学节点，该自由空间光学节点包括使用衍射光学元件以减小基于光束的大气闪烁的对准响应。在示例性实施例中，衍射光学元件可以被配置为在焦平面处产生两个同心或重叠的镜像。在示例性实施例中，衍射光学元件可以被配置成通过跨光束平滑其强度轮廓来对光束进行成形。
示例性实施例包括具有光纤的自由空间光学节点，该光纤耦合到接收电子器件和传送电子器件，其中传送/接收器光纤的终端端部位于焦平面处，并且差分波前传感器位于第二平面处。第一平面可以与第二平面相同或不同。自由空间光学节点还可以包括被配置为创建散焦图像的前部光学器件。在示例性实施例中，散焦图像包括在第二平面处的至少两个重叠图像。在示例性实施例中，两个重叠图像是镜像对立物。
示例性实施例包括自由空间光学终端，其具有：波前传感器，其包括在波前传感器的中心区域中的自由空间，波前传感器的有源表面限定平面；光纤，其具有位于该平面中并与波前传感器的自由空间对准的终端端部；以及定位在波前传感器之前的前部光学器件，以将光引导穿过前部光学器件、将穿过前部光学器件的基本上所有光引导到波前传感器的有源区域、光纤的有源区域及其组合上。示例性实施例具有其他光学器件来代替用于处理通信光束的接收和/或传送的光纤。
附图说明
图1图示了示例性现有技术自由空间光学系统。
图2图示了根据本文描述的实施例的示例性fso节点，其中为了说明而示出了其系统部件的一部分。
图3图示了根据本文描述的实施例的传感器配置的示例性前视图。
图4图示了根据本文描述的实施例的示例性部分fso系统。
图5图示了如本文描述的示例性系统部件上的光传播的夸大表示。
图6a图示了根据本文描述的实施例的透镜配置内的示例性透镜。图6b图示了通过图6a的透镜的示例性光路径。图6c图示了如本文描述的在焦平面处观察到的所生成的图像。
图7a和图7b图示了焦平面内部的图像平面和焦平面外部的图像平面上的光的示例性图像。图7c图示了净零焦平面处的示例性光结构，该净零焦平面使图7a和图7b中所示的瞳孔结构无效。
图8a至图8b图示了示例性布置，该示例性布置示出了示例性光传播路径，该示例性光传播路径导致相对于参考焦平面的示例性双焦平面。
具体实施方式
以下详细描述通过示例而不是以限制的方式对本发明的原理进行说明。该描述将清楚地使得本领域技术人员能够制造和使用本发明，并且描述了包括目前被认为是实现本发明的最佳模式的本发明的若干实施例、改变、变型、替换和使用。应该理解的是，附图是本发明的示例性实施例的图示和示意性表示，并且不是对本发明的限制，也不一定按比例绘制。
示例性实施例可以用于极大地简化自由空间光学(fso)终端的复杂性，同时保持分离的对准和检测传感器所带来的好处。因此，根据本文描述的实施例的示例性fso终端包括分离的检测传感器和对准传感器，该分离的检测传感器和对准传感器被配置或定位成使得接收的光学路径被保持为单个接收光学路径。因此，示例性实施例可以通过不将路径细分为分离的检测器来减少系统的未对准。示例性fso终端可以能够进行单向或双向高带宽光学通信。
虽然本文可以根据对准传感器和检测传感器描述和图示本发明的实施例，但应该理解的是，本发明的实施例不限于此，而是附加地可应用于系统的功能部件。例如，相应传感器可以用于其他目的。因此，当期望具有使用相同自由空间信号的部分的两个系统部件并且期望沿着相同信号路径保持部件并且不将信号分成分离的路径时，可以使用示例性实施例。因此，本文描述的检测器和对准传感器可以用于任何系统功能。此外，示例性实施例可适于其他自由空间系统，不一定限于光学应用或通信系统。
与此同时提交的美国申请号15/243,800通过引用整体并入本文，并且美国申请号15/243,800描述了示例性实施例，在该示例性实施例中可以沿着相同的光学路径使用分离的对准传感器和检测传感器来执行不同的功能。图2图示了该系统的示例性实施例，在该系统中示例性fso节点10包括沿着与对准传感器14相同的光学路径(接收光束路径18)的检测传感器12。在示例性实施例中，对准通过结合对准传感器14中的洞、孔或通道来实现，使得接收光束的一部分落在对准传感器上并且接收光束的一部分落在检测传感器12上。如所描述的，对准传感器包括多个检测表面以提供差分检测平面。
图3图示了检测传感器12和对准传感器14的的示例性前视图，从垂直于检测表面的方向上看，该检测传感器12和对准传感器14具有共同的光学接收路径，其中对准传感器的多个检测表面由四元传感器的不同单元限定。为了允许对准和检测的双重检测目的，对准传感器的四元单元具有中心孔以将光学信号的一部分传递到检测传感器的接收光学器件。
由于对准传感器中心部分中的孔，系统对接收信号外围的变化的灵敏度变得更加重要。例如，在地面应用中，大气效应可能影响和/或阻挡光学信号的部分。如果更改位于信号光束的外围边缘，即使系统不是未对准的，这些阻挡或闪烁也会导致系统检测到未对准并尝试重新对准。例如，如果看图3，如果接收光学信号18的一部分被阻挡或以其他方式被影响，从而减小象限14a处的检测信号，则系统可以尝试重新对准系统以将光束朝向象限i移动，这与基于接收的光束柱应该移动的方向相反。
此外，如图3所示，多个检测器包括在对准传感器和接收器之间以及在对准传感器的多个检测器之间的死空间。如果接收器是光纤，那么除了部件之间的空间之外，死空间还包括光纤周围的包层。该死空间减少了到多个传感器的接收信号，并且增大了对闪烁的响应。在示例性实施例中，对准传感器14包括多个传感器或传感器区段。界定接收器12(光纤或检测器)的多个传感器包括有源传感器表面之间的死区或间隙。
如在图4中看到的，可以并入光学部件以减少与接收信号的光束柱对准无关的外部效应。光学部件17可用于克服或减少包括来自死区的强度损失或来自闪烁的影响的本文所述的问题中的一个或多个问题。系统可以包括接收器(诸如检测器或光纤)和对准传感器14。入射光18遇到将光聚焦到接收器12上的聚焦光学器件16。在对准传感器14处接收聚焦光的外围边缘。因此，光的内部部分18b由接收器12检测，并且外部部分18a由对准传感器14检测。外部部分18a可以包括附加光学器件17。如本文所述，光学部件17可以例如包括漫射器、相位屏、透镜及其组合。光学部件17可用于散布、聚焦、重定向、修改或其组合：跨对准传感器的有用部分的信号，并减少来自闪烁的影响或以其他方式改进系统性能。传送光束周围的环形区域由对准传感器(诸如具有洞的四元单元)捕获，以用于以改进的效率和准确度来引导和对准。
本文描述的示例性实施例可以用于优化在接收器12和波前传感器(wfs)14(诸如四元单元)之间的光分布。在示例性实施例中，光学器件17在四元单元之前并入光束路径中以补偿这些死区。理想地，正好在接收器捕获区域外部的光将撞击界定接收器12的多个检测器中的一个或多个检测器。然而，实际上，这是不可能的，因为光纤被包层包围并且检测器包括孔周围和彼此之间的死区。由于电气原因，典型的检测器需要在有源区域周围的死区。撞击这些区域的光被损失。例如，用于标准smf和mmf的包层为125μm，其中核分别为9μm和50-62.5μm。
图5图示了夸大表示，其中落在包层、光纤和检测器之间的间隙和/或检测器的死区上的损失光19被重定向到系统部件的有源区域。
在示例性实施例中，部件17可以具有中心区域17c、中间区域17b和外部区域17a，其中每个区域被配置为以不同方式引导或影响通过的光。前部光学器件16、17、17a、17b和17c可以以任何组合集成或分离，使得光学器件包括一个或多个部件。中心区域包括将光18b引导到接收器12的有源区域上的第一光学特性。中心区域可以是将光聚焦到接收器12的中心部分上的透镜。如果未改变或具有相同的第一光学特性，中间区域将使穿过中间区的光传递到对准传感器和接收器之间的系统的死区上。中间区域可具有与第一光学特性不同的第二光学特性，使得穿过中间区域19的光被引导至接收器12或对准传感器14的有源区域。前部光学器件包括具有第三光学特性的外部区域17a。第三光学特性可以不同于第一光学特性、第二光学特性或第一光学特性和第二光学特性两者。第三光学特性也可以与第一光学特性或第二光学特性中的任一个相同。前部光学器件的外部区域配置为将穿过前部光学器件的光18a引导到界定接收器12的对准传感器14的有源区域上。
图5中示出的示例性实施例具有三个区域。然而，前部光学器件可以配置有一个、两个区域或四个或更多个区域。系统包括前部光学器件，该前部光学器件配置为将接收光引导到用于对准(或其他功能)的检测器和用于接收和分析传送数据的接收器的有源区域上，而不使用分束器，使得入射光束遵循相同的光束路径。前部光学器件可以包括配置有不同区域的单个集成光学部件，或者可以包括分离的部件，以实现本文描述的组合效果。
图6a图示了在zemax中建模的透镜内的示例性透镜，但是实现相同目标的任何已知方法包括在本公开的范围内。如图6a所示，示出了具有不同折射的不同区域以对应于不同焦点的集成单透镜。透镜的区域被配置为将接收到的光引导到接收器和wfs的有源部分上。如本领域技术人员将理解的，可以替代分离光学器件或与其结合使用的其他替代方案是单个透镜上的衍射涂层，或可以使用全息相位屏。图6b图示了当入射光穿过透镜的中心部分时的光路径。图6b图示了在中心部分的焦平面处观察到的生成的图像。如图所示，中心部分将光大约聚焦到焦平面处的点处，而外部部分将光聚焦在对应于wfs的环形环中。
在示例性实施例中，将前部光学器件并入系统中，以重定向在光纤和传感器的有源区域之间的未使用的光。在示例性实施例中，前部光学器件包括径向间隔开的区段以将光引导至接收器和/或wfs的有源区域。例如，中心区域可以被配置为将穿过光学器件的中心区域的光引导到接收器(光纤或传感器)的内部或有源区域上，而光学器件的外部区域可以被配置为将穿过外部区域的光引导到界定接收器的一个或多个检测器(wfs)的有源区域上。
示例性前部光学器件也可以或备选地可以用于实现不同功能。例如，前部光学器件可以包括漫射器/相位屏，以拼凑所接收的光的闪烁结构。在这样的配置中，与至少外部区域17a相关联的前部光学器件可以被配置为分散通过的光，使得光的间隙或阻挡跨光柱的相邻部分被平均。因此，由闪烁引起的光柱的部分中的间隙的瞬间影响将会降低在对准传感器处的系统对准上的或检测上的影响。在示例性实施例中，前部光学器件被配置为跨wfs的大部分表面引导光，和/或跨该区域分散信号。因此，示例性实施例可以解决由大气闪烁引起的非对称结构干扰，并且减小其对对准传感器响应的影响。
在示例性实施例中，前部光学器件17外部部分17a包括对称的散焦图像，对称的散焦图像在相对于焦平面的选择平面处彼此重叠。经过焦点后，发生的是光束中的任何结构将直径上在相对侧出现。这是差分曲率wfs的本质。例如，前部光学器件的中央部分17c被配置为将入射光聚焦在焦平面处。外部部分17a包括双焦点光学器件，该双焦点光学器件创建在焦平面之前和之后聚焦的两个图像。双焦点光学器件被配置为使得当在焦平面处观察时创建两个图像，在wfs处限定图像并且限定彼此的两个重叠的镜像。
图7a和图7b图示了焦平面的内部和外部的图像平面上的光的示例性图像。如图所示，图像在光图像的上部分上具有凹口。这例如可以对应于由传送的光学信号中的大气干扰引起的间隙。凹口出现在接收器的焦平面之前的图像平面中。焦平面另一侧的图像是第一图像的镜像。因此，如图7b所示，凹口出现在光图像的下部分上。
图7c图示了净零聚焦wfs处的示例性光结构，净零聚焦wfs使在图7a和图7b中示出的瞳孔结构无效。图8a至图8b图示了示出了导致双焦平面的示例性光传播路径的示例性布置。如图所示，穿过前部光学器件的上部分的光ltt被引导至内部焦平面ifp和外部焦平面ofp。因此，当在中心部分的焦平面或接收器的焦平面处观察光ltt时，源自ltt处的光在焦平面处的图像的相对侧上。具体地，传播通过ifp的光在焦平面处的图像的下部分ltt1上结束，并且传播通过ofp的光在焦平面处的图像的上部分ltt2上结束。类似地，源自前部光学器件的底部(或邻近孔)的光ltb也聚焦通过ifp和ofp。从ltb传播通过ifp的光在图像的相反侧上结束，或者在焦平面处的图像的上部分ltb1上结束，而传播通过ofp的光保持在焦平面处的图像的下部分ltb2上。因此，通过双焦点透镜的相同环形侧的光在镜侧上结束，作为对准传感器平面处的镜像。如在图8b中看到的，如果通过双焦点前部光学器件的上部分看到光图案18c，则图像聚焦在18d和18e处，作为跨焦平面fp处的对准传感器14的镜像。
因此，在示例性实施例中，前部光学器件的光学配置包括：中心部分，该中心部分被配置成将光聚焦在焦平面处；以及外环形光学器件，该外环形光学器件被配置为双焦点光学器件，该双焦点光学器件具有在中心部分的焦平面的相对侧上的两个焦平面。前部光学器件被配置为使得外环形光学器件的镜像对应于wfs的有源区域并且将两个重叠的镜像成像在wfs的焦平面处。因此，如果wfs位于接收器的焦平面中，则内部焦平面和外部焦平面在该焦平面处产生重叠图像，并且内部焦平面和外部焦平面可能与该焦平面等距。如果wfs传感器与接收器和/或焦平面不在同一平面内，则内部焦平面和外部焦平面被配置为在wfs有源表面处产生重叠的镜像，这可能导致内部焦平面和外部焦平面处于距焦平面不同的距离处。图8b示出了这样的示例性配置。
在图8a和图8b的示例性实施例中，前部光学器件包括聚焦透镜16。聚焦透镜可以被配置为将整个通过的光聚焦到焦平面fp上。聚焦透镜也可以被分段，使得聚焦透镜的不同区域包括不同的折射特性，以用于如本文所述的在不同方向上和/或不同平面中聚焦光。例如，中心部分可以被配置为将光聚焦在焦平面上的点处，以被接收器12接收。聚焦透镜的环形外部分可以被配置为将光引导到聚焦平面或平行于聚焦平面的另一平面的环形环上。前部光学器件还可以包括双焦点透镜，该双焦点透镜在聚焦透镜的焦平面的相对侧上限定两个焦平面ifp和ofp。如图所示，双焦点透镜17是环形环，其尺寸和形状与聚焦透镜的外区域相当。双焦点透镜可以是具有双焦点或多个焦点的任何衍射光学元件。这些前部光学器件16、17可以是分离或集成的部件。例如，双焦元件可以是印刷到聚焦透镜上的衍射涂层。焦平面ifp和ofp可以与fp焦平面等距间隔或可以不同地间隔。
在示例性光学配置中，系统包括物镜，该物镜具有用于tx/rx(传送/接收)数据的区。因此，物镜将接收到的光的一部分聚焦到焦平面上的点。接收器定位在焦平面上的焦点处。在示例性实施例中，接收器是多模光纤的终端端部。smf(单模光纤)和mmf(多模光纤)所需的焦平面处的最大光束宽度(f)外部的环形环可以被用于wfs(波前传感器)。wfs可以具有任意数量的传感元件，并且在我们的配置中围绕图像平面中的tx/rx共同光纤。光学特征可以在该环形区内，光学特征在尺寸被设置为与像检测器尺寸那样的事物相匹配的环形环中、在焦平面的内部和外部两者都会造成散焦，避免传感器未收集光的死区等。
在最简单的配置中，两个环形环利用屈光力被用于在包括接收器的焦平面之前和之后对称地散焦，其中焦点使重叠的图像共轭，其中透镜的中心用于tx和rx。这可以安装成或作为透镜构造的一部分。可以使用不同的散焦机制，这些散焦机制在开发和制造的费用方面具有优于其他机制的不同优点。例如，散焦可以是：附接到物镜的两区菲涅耳透镜；自定义菲涅耳透镜，其中每隔一个透镜凹槽具有不同的焦点；具有两个光学焦点的衍射结构；和/或全息。
当使用具有洞的四元单元加上单根双向光纤(smf-mmf)将这些元件组合在简单配置中时，获得非常简单并且鲁棒的封装概念，该封装概念解决对准以及如何将此用于大批量生产的许多问题。
象限检测器上的线性和动态范围的斑可能是顶帽(tophat)平方，其是检测器尺寸的50％，相似的范围被认为是接近50％，诸如40-60％。该配置避免了相对于间检测器间隙尺寸较小的单个斑的问题，并且其中多个斑可能在传递函数中产生失真。该配置可以在某些斑数和图案下发挥破坏作用，达到在相对象限中的2个斑不敏感的程度。当该图案跨检测器移动时，可能看到斜率反转和死区。
因此，自由空间光学(fso)应用有几个挑战，包括例如：
1.视场(fov)，视场(fov)自然导致具有有限动态范围的小斑；
2.使用散焦引起来自光束轮廓梯度和落在入口孔上的闪烁结构的尖端/倾斜混叠
3.使用在焦点内部和外部的2个检测器解决了该问题，但是具有非共同路径光学对准和漂移、以及匹配检测器响应中的多层复杂性；
4.使用随机漫射器与相干单色光在低角度类型下造成大斑点，并且在散射且损失光的更高阶漫射角下变得非常低效，同时对测量尖端/倾斜信号变得不太敏感。
示例性实施例包括沿着相同光路径的多个传感器，以执行诸如检测和对准的不同的功能。示例性实施例使用具有洞的四元单元来形成对准传感器和用于检测的内部接收器。将在四元单元上看到将光束聚焦在接收器上的在物镜或透镜的外部分上的环形环。内部环形来自于四元单元中的洞，而外部环形来自物镜的边缘。任何角度变化都会使这个外部边缘移动，从而使象限上的光平衡移位。
本文描述的示例性实施例包括使用自由空间光学终端，在该自由空间光学终端中，接收光束的一部分用于对准系统，并且光束的分离部分用于数据信号的接收、传送及其任何组合。在示例性实施例中，用于对准的光束的第一部分是界定用于传送和/或接收数据信号的第二部分的外部部分。备选地，第一部分可以是中心部分，而第二部分可以是相同光束的周缘外部分。在示例性实施例中，系统包括第一部分内的光学部件，以减少或防止对准系统响应于接收信号的闪烁或部分阻挡。因此，如本文所述，光学部件可以包括漫射器、相位屏、双焦点光学器件或其他组合。
该方法可以包括在fso终端处接收光束。方法包括定位光束使得：第一部分落在一个或多个检测器上，以用于将终端与接收光束对准(或任何第一系统功能)，并且第二部分落在诸如光纤或检测传感器的一个或多个接收器上，以用于检测和/或引导信号，以分析在所接收的光上承载的数据信号。方法包括基于来自用于对准的一个或多个检测器的信号来对准fso终端。该方法包括使用系统部件或处理来负责信号闪烁，并且不基于部分受阻或不完整的接收信号来重新对准系统，而是代之基于来自远程节点的光束柱方向来对准系统。
如图所示和所描述的，使用四元单元来图示围绕光纤或检测传感器的多个检测器。然而，应该理解的是，检测器的任何组合都可以位于共同接收/传送路径周围。检测器可以是相同种类的，或者可以是不同的。存在倾斜传感器选择的变体，并且四元单元不是排他的。可以使用包括具有随机子阵列读出的焦平面阵列的从普通四元物到自定义多像素检测器的任何事物。示例性实施例允许光穿过检测器之间的洞、孔或空间，或者具有透射用于数据传输的光的材料。
“基本上填充”或“基本上”旨在意指诸如超过75％的大于多数。多数旨在意味着50％。也在本文使用范围，并且范围仅为近似。近似要在本领域技术人员内被理解。例如，当一系列检测器近似完全包围或界定光纤时，应理解自然死空间或间隙必须伴随检测器之间的区域。这些近似要在本领域的技术内确定，并且可以取决于系统部件、公差、波长、系统尺寸等。因此，近似完全包围被理解为具有围绕检测器定位的检测器，以最小化死空间，但是将取决于所选检测器的种类和数量。光束路径被理解为传播光束的线性纵向方向。因此，即使当光束的内部、外部或中间部分被不同地聚焦使得它们指向检测器或接收器的有源区时，应理解的是，光束遵循相同的光束路径。
本文描述的特征仅是示例性的，并且如应用所期望的，可以用于任何组合或子组合中。其他特征可以被添加或者上述特征也可以被修改以实现用户的目标。例如，对于特定的应用、距离、环境等，可以重新限定诸如用于波长的范围。而且，可以去除特征，并且重新限定其他特征以适应特征的去除。示例性实施例可以并入或可以使用来自其他系统的特征的组合。在一个示例性实施例中，fso终端可以使用用于向其传送/从其接收数据信号的共同光学器件。例如，本申请人拥有并且通过引用整体并入本文的标题为“dataretransmissionforatmosphericfreespaceopticalcommunicationsystem”的美国申请号14/608,166公开了一种fso单元，该fso单元可以使用共同孔和光学器件来传送和接收数据信号。本文描述的示例性实施例可以结合或替换用于对准和检测的部件来使用。可以告知本发明的备选配置的其他示例性系统包括但不限于由以下公开的那些：2015年1月28日提交的标题为“freespaceopticalcommunicationtrackingwithelectronicboresightcompensation…”的美国申请号14/608,133、2015年1月28日提交的标题为“dataretransmissionforatmosphericfreespaceopticalcommunicationsystem”的美国申请号14/608,166，2015年10月7日提交的标题为“fasttrackingfreespaceopticalmodule”的美国临时申请号62/238,637以及2015年12月14日提交的标题为“freespaceopticalsystemwithcommontransmitandreceivepaths”的美国临时申请62/266,710，其中的每一个都整体并入本文中。
尽管已经参考附图充分描述了本发明的实施例，要注意，对于本领域技术人员来说，各种变化和修改将变得显而易见。这样的改变和修改要被理解为包括在由所附权利要求限定的本发明的实施例的范围内。