[發明專利]用于控制自由空間光通信系統中接收功率級的方法和裝置

無效

• 申請號: 01141210.0
• 申請日: 2001-09-28
• 公開（公告）號: CN1347209A
• 公開（公告）日: 2002-05-01
• 發明（設計）人: 赫爾曼·M·普雷斯比;約翰·A·泰森
• 申請（專利權）人: 朗迅科技公司
• 主分類號: H04B10/10
• 分類號: H04B10/10;G02B23/00;H04B10/08
• 代理公司: 中國國際貿易促進委員會專利商標事務所
• 代理人: 蔣世迅

技術領域

本發明一般涉及數據通信系統，尤其涉及自由空間光數據通信網絡。

背景技術

用物理線路或電纜連接兩個或多個地點的傳統通信系統通常受限于相對低速、低容量的應用中，為克服這些缺陷，最近開發的系統使用了光纖。然而光纖仍要求使用物理光纜連接。為解決這個問題，已開發出利用自由空間發射一個或多個調制有數據的光束的系統。使用這種光束的系統相比傳統的基于有線的系統大大提高了數據速率和容量率，高達每秒10G字節，同時避免了在傳統的通信系統中，鋪設光纜以物理連接系統中的各個地點所耗費的基礎設施成本。自由空間光通信系統不使用光纜，而是部分由至少一個發射望遠鏡和至少一個接收望遠鏡構成，用于在兩個或多個通信地點之間分別發送和接收信息。每個望遠鏡的光學系統至少包括一個主反射鏡(primary?mirror)和一個次反射鏡(secondary?mirror)或透鏡。發射望遠鏡使用其光學系統發送光束到接收望遠鏡。接收望遠鏡使用其光學系統聚焦輸入光束到望遠鏡的焦平面上。通常，每個望遠鏡連接一個通信網絡或其它信息源/目的地。在操作中，發射望遠鏡通過電纜或無線傳輸接收來自其相應網絡的信息，接著發送調制有這個信息的光束到一個或多個目的接收望遠鏡。每個接收望遠鏡接著通過電纜或無線傳輸中繼數據到其相應網絡中的預定目的地。

前面提到的自由空間通信系統因此顯然具有減小安裝和維護網絡的物理硬線(hard-wired)部分相關的成本，同時增大傳輸容量的優點。然而，自由空間光通信可能受多種因素的制約。例如，由于發射和接收望遠鏡相距遙遠，首先校準望遠鏡以確保發射光束入射到接收望遠鏡的焦平面上就很難實現。另外，即使首先校準好了望遠鏡，在發射期間光束的任何位移，或發射或接收望遠鏡或它們的相應物理安裝平臺的任何移動都將導致發射和接收望遠鏡校不準。如果發射和接收望遠鏡未校準，發射光束不入射到接收望遠鏡的焦平面上，或只是部分入射，導致通信連接損耗或降級。

自由空間光通信的另一問題來自于大氣條件的變化。具體地說，由于類似霧或雪等大氣條件能干擾在這種系統中發射的光束，因此，發射望遠鏡必須使產生的光束功率足以維持在這種可變條件下的通信連接。然而在不出現這種削弱信號的條件下，接收光束的功率將使接收望遠鏡的電子設備過載。雖然可減小激光或激光放大器的功率來調整，但這意味著設備的增益系數無法使其高效工作。因此，非常希望以足以對付預期的最壞條件的固定功率級操控設備，而且在必要時減弱光束。需要一種用于減弱光束的裝置。

發明內容

利用本發明可基本上解決前面提到的，關于在通信期間接收望遠鏡從發射望遠鏡接收到一個過高功率光束的問題。根據本發明，當超過一個指定的功率門限時，發射光束和接收光纖互相調整，以便它們不相交于焦點而是相交于發射光束的一個發散(divergence)點。在這個發散點上，發射光束的截面積增大，而單位面積的接收功率減小，從而降低了接收光纖的輸入功率。

根據本發明的第一個實施例，改變發射光束的發散，以便有效地增大入射到接收望遠鏡的光束的截面積。發射光束的這種發散是通過在z方向上沿發射望遠鏡縱軸移動位于發射望遠鏡主反射鏡焦平面上的光纖到焦平面前方一點實現的。發射望遠鏡產生的這種光束增大了發射光束在接收望遠鏡上的截面積。截面越大，相應地導致單位截面積的接收功率降低。因此，接收望遠鏡焦平面上的任何一點單位面積所承受的功率級降低，而且位于接收望遠鏡焦平面上的接收光纖接收的信號功率也將降低。通過在z方向上沿發射望遠鏡的縱軸移動發射光纖到焦平面后方一點也可實現類似的單位面積功率級降低。這種移動將導致發射光束會聚，由于產生的光束截面更小，因此更容易受大氣擾動的影響。然而使用自適應光學系統或其它校正測量將能補償由于這些擾動造成的任何信號干擾。通過監視接收望遠鏡的信號功率以及為發射望遠鏡提供反饋，發射光束的發散被改變直到接收望遠鏡焦平面上的功率級被減小為或低于一個指定門限。如果天氣條件從最佳情況開始惡化，發射光纖可沿發射望遠鏡主反射鏡的z軸移回靠近焦平面的一點，以便發射光束更可能地聚焦，由此使得單位截面積的功率增大。