專利名稱：不要求鏈路間作電-光轉(zhuǎn)換的光纖鏈路與自由場(chǎng)空間鏈路集成的陸上光通信網(wǎng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及陸上光通信，尤其涉及一種新穎改進(jìn)的全光學(xué)陸上光通信網(wǎng)，它集成了光纖與自由場(chǎng)空間兩種鏈路而無須在光纖鏈路與自由場(chǎng)空間鏈路之間作電-光轉(zhuǎn)換，在惡劣氣候條件下為可靠的通信實(shí)現(xiàn)相對(duì)良好的鏈路功率容限，無縫地集成了遠(yuǎn)距離光纖主干鏈路，可對(duì)無意識(shí)的眼睛損害提供安全性，而且實(shí)施相對(duì)方便和成本低廉。
背景技術(shù)：
現(xiàn)代社會(huì)要求以相對(duì)無差錯(cuò)的方式在用戶之間發(fā)送大量信息，其中大多數(shù)信息作為數(shù)字信息傳輸，主要是因?yàn)閿?shù)字技術(shù)能迅速而可靠地傳輸更多的信息，而且大量信息是在計(jì)算機(jī)之間傳遞的。計(jì)算機(jī)的應(yīng)用和計(jì)算機(jī)技術(shù)的進(jìn)化擔(dān)當(dāng)了大部分對(duì)信息通信增長(zhǎng)的需求。過去幾年對(duì)信息通信的需求劇增，預(yù)計(jì)這一需求將持續(xù)到將來。
攜帶大量信息的典型媒體是電導(dǎo)體或銅線。多年來已安裝的電話系統(tǒng)是用于局部或局部化通信的主要媒體。對(duì)電信與高速數(shù)據(jù)通信應(yīng)用有線媒體造成若干難題，而這些難題是因電線引起的。電線對(duì)能傳送信息的物理長(zhǎng)度或距離帶來了實(shí)際限制，冗長(zhǎng)的導(dǎo)體把信號(hào)衰減到難以或無法識(shí)別的程度，通過電線傳導(dǎo)的信號(hào)對(duì)發(fā)信頻率因而對(duì)能攜帶的信息量有一有限的極限。而且，噪聲相對(duì)容易被引入電線而劣化電線傳送的信號(hào)。線狀導(dǎo)體媒體在許多場(chǎng)合中也難以或無法安裝，有些都市區(qū)連在公用設(shè)施管道中容納附加導(dǎo)體的空間也沒有，而要進(jìn)入大樓優(yōu)先安裝導(dǎo)體通常很難或不可能，費(fèi)用肯定很高。為此，通信的許多發(fā)展集中于無線的信息傳輸媒體。
射頻(RF)傳輸避免了許多與有線媒體有關(guān)的物理問題，大氣變?yōu)镽F通信的媒體，因而與入戶、空間和優(yōu)先權(quán)有關(guān)的物理限制不再是最重要的問題。但由于大氣可被所有被允許的用戶自由地利用，故總是存在干擾的可能性。已設(shè)想出各種盡量減小RF干擾的技術(shù)，但實(shí)施起來相對(duì)昂貴。再者，甚至這些技術(shù)不能有效地保證眾多信息能通過RF廣播可靠地傳送，因?yàn)楸粡V播的信息不能限制于得到能消除干擾源的通信信道或鏈路。
光學(xué)媒體比有線和RF媒體具有許多優(yōu)點(diǎn)。大量信息可被編碼成光信號(hào)，而光信號(hào)并不遭遇許多對(duì)有線電氣通信和RF廣播有負(fù)面影響的干擾與噪聲問題。而且，從理論上講，光學(xué)技術(shù)的信息編碼能力比實(shí)際編碼到有線電氣或廣播RF通信上的信息高出三個(gè)量級(jí)，具有傳送更多信息的優(yōu)點(diǎn)。
光纖是最為流行的傳送光信號(hào)的導(dǎo)體型式。雖然光纖導(dǎo)體的缺點(diǎn)在于必須作物理上的安裝，但實(shí)際上可通過光纖導(dǎo)體發(fā)送大量信息，減少了必須安裝的光纖導(dǎo)體的數(shù)量，這在難以獲得附加電纜空間的都市區(qū)里避免了某些問題。在長(zhǎng)距離傳送信息的場(chǎng)合中，光纖導(dǎo)體是用于這類遠(yuǎn)距離傳輸?shù)牡湫兔襟w。
大氣自由場(chǎng)空間鏈路也被用于以光學(xué)方法傳送信息。自由場(chǎng)空間鏈路沿光學(xué)發(fā)射機(jī)與光學(xué)接收機(jī)之間的一條視線路經(jīng)延伸。光學(xué)自由場(chǎng)空間鏈路的優(yōu)點(diǎn)是不必物理安裝導(dǎo)體；另一優(yōu)點(diǎn)是消除干擾源的選擇性，因?yàn)楣鈱W(xué)鏈路直接聚集在光學(xué)發(fā)射機(jī)與接收機(jī)之間，這與無方向性廣播的RF通信不同，因此任何有害的干擾都不出現(xiàn)在這一直接的視線路徑內(nèi)，即鏈路不會(huì)干擾被傳送的光信號(hào)。
除了優(yōu)點(diǎn)，光學(xué)自由場(chǎng)空間鏈路也有若干問題。發(fā)射的光信號(hào)的質(zhì)量與功率，在很大程度上依賴于鏈路兩端存在于光學(xué)發(fā)射機(jī)與接收機(jī)之間的氣候條件。下雨、起霧、下雪、煙霧、大氣中的灰塵等會(huì)使光束折射或散射，在接收機(jī)處減小或衰減了光功率。光學(xué)自由場(chǎng)空間鏈路的長(zhǎng)度也會(huì)影響功率衰減量，因?yàn)檩^長(zhǎng)的自由場(chǎng)空間鏈路自然比較短的鏈路包含更多可能使光束散射的大氣因素。而且，光束傳播距離越大，自然越會(huì)發(fā)散，最后的束發(fā)散度降低了可供檢測(cè)的功率量。若光束衰減足夠大，就會(huì)削弱識(shí)別以可靠的基礎(chǔ)傳送的信息的能力，增大通信差錯(cuò)的可能性。大氣衰減尤其減小了以較高傳輸頻率作無差錯(cuò)通信的可能性，因?yàn)檩^高光學(xué)頻率(即較短波長(zhǎng))比較低光學(xué)頻率在很大程度上更容易出現(xiàn)大氣衰減。
減少大氣衰減不利影響的一個(gè)方法是在自由場(chǎng)空間鏈路中應(yīng)用激光束傳輸，其頻率具有更大的穿透能力而很少被大氣影響所折射或散射。但更有穿透力的頻率有時(shí)容易損傷人的眼睛。為了既保持安全又能避免某些大氣衰減的問題，就要大大限制以這些更有穿透力的頻率以光學(xué)方法發(fā)射的功率量。由于更有穿透力的頻率也遭受束發(fā)散性，因而減小功率仍使可靠的信息通信復(fù)雜起來。結(jié)果，減小的功率傳輸電平抵消了更有穿透力頻率較少大氣衰減的優(yōu)點(diǎn)。由于以更有穿透力頻率減小了功率，故光學(xué)自由場(chǎng)空間鏈路的有效長(zhǎng)度仍然有限。
再者，更有穿透力的自由場(chǎng)空間光學(xué)頻率不同于一般用于通過長(zhǎng)距離光纖通信系統(tǒng)發(fā)射信息的那些頻率。把光纖鏈路產(chǎn)干傳輸頻率轉(zhuǎn)換成自由場(chǎng)空間傳輸頻率，要求作電-光轉(zhuǎn)換。電-光轉(zhuǎn)換涉及把較高頻率的光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，再以更有穿透力的激光頻率轉(zhuǎn)換回光信號(hào)，反之亦然。轉(zhuǎn)換要求附加設(shè)備，增大了陸上光通信網(wǎng)的成本和復(fù)雜性。
另外，電-光轉(zhuǎn)換還引入了轉(zhuǎn)換期間產(chǎn)生誤差的可能性，在光纖信號(hào)以多種不同波長(zhǎng)傳送信息的一般場(chǎng)合下尤其如此。一般光學(xué)檢測(cè)器對(duì)寬頻范圍或波長(zhǎng)帶內(nèi)的信息作出響應(yīng)，而這種寬帶響應(yīng)損壞了以特定波長(zhǎng)傳送的信息。為避免這一問題并保持呈現(xiàn)在不同特定波長(zhǎng)光信號(hào)里的信息，必須先將光信號(hào)濾波成它的不同的波長(zhǎng)分量，然后必須以電-光方法獨(dú)立地轉(zhuǎn)換各不同的波長(zhǎng)分量，再把所有獨(dú)立轉(zhuǎn)換的諸分量重新組合成單個(gè)光信號(hào)。這一過程的復(fù)雜性增大了在被傳輸信息中引入誤差的可能性，并增大了用于陸上光通信網(wǎng)的設(shè)備的成本。
電-光轉(zhuǎn)換還用于放大通過光纖纜線傳導(dǎo)的光信號(hào)。通過光纜傳導(dǎo)的光信號(hào)會(huì)衰減，為保持信號(hào)強(qiáng)度，必須定期放大這些信號(hào)。但近來開發(fā)的摻鉺光纖放大器(EDFA，有時(shí)也稱ERDA)，在光信號(hào)通過光纖時(shí)以光學(xué)方法對(duì)它放大，無須電-光轉(zhuǎn)換。EDFA讓光在相對(duì)寬的波長(zhǎng)帶(約30納米(nm))內(nèi)圍繞1.55微米(μm)基本波長(zhǎng)被放大。EDFA在遠(yuǎn)距離電信系統(tǒng)中尤其有利，因?yàn)檫@些系統(tǒng)一般工作于1.55μm波長(zhǎng)范圍。EDFA圍繞1.55μm基本頻率的寬帶放大作用，使得EDFA集成入應(yīng)用波分復(fù)用(WDM)的系統(tǒng)，因而能在同一根光纖中以不同波長(zhǎng)同時(shí)傳輸獨(dú)立的信息。這樣，EDFA由于能避免電-光轉(zhuǎn)換，在長(zhǎng)距離光纖電信系統(tǒng)中特別重要和有價(jià)值。
本發(fā)明的開發(fā)正是與種種同陸上光通信領(lǐng)域相關(guān)的背景信息因素有關(guān)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對(duì)上述和其它諸要求，提出一種從自由場(chǎng)空間鏈路接收光信號(hào)的方法。該方法包括步驟接收來自自由場(chǎng)空間鏈路的光；把接收的光引導(dǎo)到多塊透鏡上；把通過每塊透鏡接收的光導(dǎo)入各自的單模光纖；把各條單模光纖輸出的所有光束在一條單模光纖中組合成單條光束；用與一條單模光纖光學(xué)耦合的多波長(zhǎng)光纖放大器放大該單光束；和把單光束導(dǎo)入與多波長(zhǎng)光纖放大器光學(xué)耦合的光纖通信系統(tǒng)。
在另一實(shí)施例中，本發(fā)明提供一種從自由場(chǎng)空間鏈路接收光信號(hào)的光學(xué)接收機(jī)。該光學(xué)接收機(jī)包括多塊配置成從自由場(chǎng)空間鏈路接收光的透鏡；多條配置成各自從各自一塊透鏡接收光的單模光纖；配置成在一條單模光纖中把多條單模光纖輸出的光束組合成單光束的組合級(jí)；與一條單模光纖光學(xué)耦合且配置成放大單光束的多波長(zhǎng)光纖放大器；和把多波長(zhǎng)光纖放大器光學(xué)耦合到外部單模光纖的裝置。
在另一實(shí)施例中，本發(fā)明提出一種通過自由場(chǎng)空間鏈路傳輸光信號(hào)的方法。該方法包括步驟從第一光纖導(dǎo)體接收用于長(zhǎng)距離光纖通信系統(tǒng)的具有預(yù)定基本波長(zhǎng)的第一光信號(hào)；用與第一光纖導(dǎo)體直線連接的光纖放大器放大預(yù)定基本波長(zhǎng)的第一光信號(hào)，形成放大的預(yù)定基本波長(zhǎng)的第一光信號(hào)；用與光纖放大器光學(xué)耦合的聚束元件引導(dǎo)放大的預(yù)定基本波長(zhǎng)的第一光信號(hào)通過自由場(chǎng)空間鏈路；和響應(yīng)于通過自由場(chǎng)空間鏈路接收的第二光信號(hào)，控制光纖放大器的功率增益。
在另一實(shí)施例中，本發(fā)明提供一種通過自由場(chǎng)空間鏈路傳送光信號(hào)的光學(xué)收發(fā)機(jī)。該光學(xué)收發(fā)機(jī)包括第一光纖導(dǎo)體；與第一光纖導(dǎo)體直線連接的光纖放大器，被配置成從第一光纖導(dǎo)體接收用于長(zhǎng)距離光纖通信系統(tǒng)的預(yù)定基本波長(zhǎng)的第一光信號(hào)并放大其光信號(hào)功率，形成放大的預(yù)定基本波長(zhǎng)的第一光信號(hào)；與光纖放大器光學(xué)耦合的聚束元件，被配置成引導(dǎo)放大的預(yù)定基本波長(zhǎng)的第一光信號(hào)通過自由場(chǎng)空間鏈路；和配置成響應(yīng)于通過自由場(chǎng)空間鏈路接收的第二光信號(hào)控制光纖放大器功率增益的控制器。
在另一實(shí)施例中，本發(fā)明提供一個(gè)陸上光通信網(wǎng)，它包括多條光纖鏈路與自由場(chǎng)空間鏈路，在鏈路之間用多波長(zhǎng)光纖放大器光學(xué)耦合光信號(hào)，還包括一控制器，它被配置成響應(yīng)于通過其中一條自由場(chǎng)空間鏈路接收的光信號(hào)，控制至少一個(gè)多波長(zhǎng)光纖放大器的光學(xué)功率增益。
在另一實(shí)施例中，本發(fā)明提出一種陸上光通信方法，包括步驟建立多條在其間傳送光信號(hào)的光纖鏈路與自由場(chǎng)空間鏈路；在光纖鏈路與自由場(chǎng)空間鏈路之間以光學(xué)方法耦合光信號(hào)，不作電-光轉(zhuǎn)換；和響應(yīng)于通過自由場(chǎng)空間鏈路接收的光信號(hào)，控制通過一條自由場(chǎng)空間鏈路發(fā)射的傳輸光信號(hào)的光學(xué)功率。
通過參閱下面概括的附圖、本發(fā)明目前諸較佳實(shí)施例的詳述和所附的權(quán)項(xiàng)，可以更完整地理解本發(fā)明及其范圍。


圖1是表示陸上全光通信網(wǎng)的框圖，該網(wǎng)集成了光纖與自由場(chǎng)空間兩種鏈路并結(jié)合了本發(fā)明。
圖2是兩個(gè)鏈路頭站部分的框圖，光學(xué)收發(fā)機(jī)位于圖1所示網(wǎng)的自由場(chǎng)空間鏈路的相對(duì)兩端。
圖3是兩個(gè)鏈路頭站部分的框圖，光學(xué)收發(fā)機(jī)位于圖1所示網(wǎng)的光纖鏈路的相對(duì)兩端。
圖4是用于圖1所示網(wǎng)的自由場(chǎng)空間鏈路的轉(zhuǎn)發(fā)器部分的框圖。
圖5是用于圖1所示網(wǎng)的光纖鏈路的轉(zhuǎn)發(fā)器部分的框圖。
圖6是用于圖1所示網(wǎng)的路由轉(zhuǎn)換器框圖。
圖7簡(jiǎn)單表示原有技術(shù)的摻鉺光纖放大器(EDFA)，用于圖1所示網(wǎng)中的收發(fā)機(jī)、轉(zhuǎn)發(fā)器與路由轉(zhuǎn)換器。
圖8是圖7所示EDFA接收的光信號(hào)在多個(gè)不同波長(zhǎng)的示例功率曲線圖。
圖9是圖7所示EDFA放大后提供的光信號(hào)在多個(gè)不同波長(zhǎng)的示例功率曲線圖。
圖10是光學(xué)收發(fā)機(jī)位于圖1所示網(wǎng)的自由場(chǎng)空間鏈路相對(duì)兩端的兩個(gè)鏈路頭站部分的框圖，對(duì)在其間傳送的光信號(hào)實(shí)行自適應(yīng)功率控制。
圖11是光學(xué)收發(fā)機(jī)位于圖1所示網(wǎng)的自由場(chǎng)空間鏈路相對(duì)兩端的兩個(gè)鏈路頭站部分的框圖，對(duì)在其間傳送的光信號(hào)實(shí)行另一類自適應(yīng)功率控制。
圖12是收發(fā)機(jī)正視圖，帶圖1所示網(wǎng)中應(yīng)用的位置調(diào)整機(jī)構(gòu)。
圖13是以圖12的直線13-13平面截取的截面圖。
圖14是以圖12中直線14-14平面截取的截面圖。
圖15是框圖，示出按本發(fā)明一實(shí)施例制造的另一對(duì)自由場(chǎng)空間光學(xué)收發(fā)機(jī)。
圖16是框圖，示出本發(fā)明一實(shí)施例在圖15所示的一個(gè)收發(fā)機(jī)的示例接收部件RX型式。
圖17和18是框圖，更詳細(xì)地示出圖16所示的接收部件RX。
圖19是等體圖，示出本發(fā)明一實(shí)施例在圖15中所示一個(gè)收發(fā)機(jī)的接收部件RX部分的示例型式。
圖20-24均為框圖，更詳細(xì)地示出圖19所示的接收部件RX。
詳細(xì)描述本發(fā)明的重大改進(jìn)之一涉及在陸上通信網(wǎng)內(nèi)無縫全光學(xué)地集成了光纖鏈路與自由場(chǎng)空間鏈路，在自由場(chǎng)空間鏈路與光纖鏈路之間不作電-光轉(zhuǎn)換。另一改進(jìn)涉及在陸上光通信網(wǎng)內(nèi)通過光纖鏈路上自由場(chǎng)空間鏈路以不要求頻率轉(zhuǎn)換的波長(zhǎng)傳送信息。另一改進(jìn)涉及在陸上光通信網(wǎng)內(nèi)以對(duì)人的視力更安全的激光波長(zhǎng)用足夠的鏈路功率容限操作光學(xué)自由場(chǎng)空間鏈路，以避免眾多大氣衰減與發(fā)散性的一利影響。又一改進(jìn)涉及自由場(chǎng)空間鏈路以某一基本波長(zhǎng)操作陸上光通信網(wǎng)，所述波長(zhǎng)兼容于或近似等于長(zhǎng)距離光通信系統(tǒng)一般使用的基本波長(zhǎng)。再一改進(jìn)涉及在陸上光通信網(wǎng)內(nèi)建立非視線而且不使用要求電-光轉(zhuǎn)換的光學(xué)轉(zhuǎn)發(fā)器的自由場(chǎng)空間鏈路。還有一個(gè)改進(jìn)涉及改變光學(xué)接收機(jī)和發(fā)射機(jī)的物理定向，以使光束的鏈路功率容限最大，由此提高傳輸可靠性。在這里未特地提及的改進(jìn)當(dāng)中，最后要特地提到的改進(jìn)是通過有效地利用多波長(zhǎng)光纖放大器如摻鉺光纖放大器(EDFA，有時(shí)也稱ERDA)，構(gòu)制一種相對(duì)低成本的陸上全光通信網(wǎng)。
運(yùn)用一種陸上光通信網(wǎng)和陸上光通信方法，可實(shí)現(xiàn)種種改進(jìn)，其中所述網(wǎng)包括多條光纖鏈路和自由場(chǎng)空間鏈路，在其間用摻鉺光纖放大器(EDFA)等多波長(zhǎng)光纖放大器光學(xué)耦合光信號(hào)；而所述方法包括建立多條光纖鏈路和自由場(chǎng)空間鏈路的步驟，并在其間較佳地用EDFA光學(xué)耦合光信號(hào)而不作電-光轉(zhuǎn)換。EDFA在光纖與自由場(chǎng)空間鏈路之間光學(xué)耦合光信號(hào)，因而當(dāng)光信號(hào)在光纖與自由場(chǎng)空間鏈路之間渡越時(shí)，不必作電-光轉(zhuǎn)換。相對(duì)廉價(jià)的EDFA產(chǎn)生全光學(xué)的相對(duì)寬帶的放大作用，不必作電-光轉(zhuǎn)換。EDFA的基本波長(zhǎng)也兼容于長(zhǎng)距離和主干通信系統(tǒng)使用的基本波長(zhǎng)，因而便于本發(fā)明的網(wǎng)與這些通信系統(tǒng)集成。EDFA的基本波長(zhǎng)對(duì)人的視力也更安全。
其它改進(jìn)是通過一種陸上光通信網(wǎng)實(shí)現(xiàn)的，該網(wǎng)包括多條鏈路，鏈路間的光信號(hào)通過一發(fā)射的EDFA作光學(xué)傳輸。發(fā)射的EDFA對(duì)光信號(hào)作放大，再把它通過鏈路傳輸，而與該發(fā)射EDFA相接的控制器則控制該發(fā)射EDFA的光功率增益?？刂破鞲鶕?jù)通過鏈路接收的光信號(hào)的光功率，調(diào)節(jié)被發(fā)射光信號(hào)的光功率。一種相關(guān)的陸上光通信方法，涉及檢測(cè)通過鏈路接收的光信號(hào)的光功率，并根據(jù)檢測(cè)的接收光信號(hào)的光功率，調(diào)節(jié)通過鏈路發(fā)射的光信號(hào)的光功率。
其它較佳的功控改進(jìn)方面，包括根據(jù)在發(fā)射與接收位置所接收的信號(hào)功率控制光功率增益，控制接收放大器的光功率增益，在鏈路的接收與發(fā)射端之間以光學(xué)方法發(fā)送功控信息，以及控制發(fā)射與接收EDFA的光學(xué)增益而得到最佳質(zhì)量信號(hào)。
通過按照這些改進(jìn)來控制發(fā)射與接收的功率，可利用光通信有效的較高功率盡量減小EDFA較小穿透力波長(zhǎng)的缺點(diǎn)。而且，功控改進(jìn)可獲得較佳質(zhì)量的光信號(hào)來傳送信息。
其它改進(jìn)由一種陸上光通信網(wǎng)實(shí)現(xiàn)，該網(wǎng)包括多條鏈路，鏈路之間用一收發(fā)機(jī)以光學(xué)方法傳送光信號(hào)，該收發(fā)機(jī)發(fā)射與接收通過鏈路傳送的光信號(hào)，而與收發(fā)機(jī)相接的控制器根據(jù)通過該鏈路接收的光信號(hào)，控制該收發(fā)機(jī)相對(duì)于鏈路光信號(hào)路徑的物理位置。一種陸上光通信方法包括步驟把調(diào)整機(jī)械接至收發(fā)機(jī)以調(diào)整該收發(fā)機(jī)的位置，和通過控制該調(diào)整機(jī)構(gòu)來調(diào)整收發(fā)機(jī)位置。按這些改進(jìn)控制調(diào)整機(jī)構(gòu)的位置，對(duì)傳送信息保證了較佳質(zhì)量的光信號(hào)。
本發(fā)明的諸種改進(jìn)被引用于如圖1所示的陸上光通信網(wǎng)20。網(wǎng)20包括多個(gè)鏈路頭站22，光信號(hào)在這些頭站之間傳送并通過這些頭站傳送。光信號(hào)通過光學(xué)自由場(chǎng)空間鏈路24和光纖導(dǎo)體鏈路26傳導(dǎo)，這些鏈路在鏈路頭站22之間延伸。根據(jù)本發(fā)明，自由場(chǎng)空間鏈路24和光纖鏈路26在網(wǎng)20中以無縫方式集成在一起，避免了在自由場(chǎng)空間鏈路24與光纖鏈路26之間傳送的光信號(hào)的電-光轉(zhuǎn)換，通過自由場(chǎng)空間鏈路和光纖鏈路傳送同一頻率與波長(zhǎng)的光信號(hào)。
通過自由場(chǎng)空間鏈路24和光纖鏈路26傳導(dǎo)的光信號(hào)較佳地是激光束，其基本頻率或波長(zhǎng)用包含待傳送信息的其它頻率的信號(hào)編碼。收到用信息編碼的激光束后，即將該信息與基本波長(zhǎng)分開或譯碼，并分成各個(gè)信息信號(hào)。已知多種不同的技術(shù)適用于把信息編碼到基本波長(zhǎng)光信號(hào)上并對(duì)其譯碼信息，諸如波分復(fù)用法(WDM)。一旦被分成各個(gè)含信息信號(hào)，通常就將該光學(xué)信息轉(zhuǎn)換成電信號(hào)信息并為位于和接至各鏈路頭站22的計(jì)算機(jī)設(shè)備應(yīng)用。接各鏈路頭站22的計(jì)算機(jī)設(shè)備是常規(guī)通信設(shè)備，如電話設(shè)備、數(shù)據(jù)通信設(shè)備、主機(jī)架或服務(wù)器計(jì)算機(jī)、有線或光學(xué)局域網(wǎng)節(jié)點(diǎn)等。
網(wǎng)20的某些鏈路頭站22和鏈路24與26的特征與功能，在下面更具體地描述。為便于描述，圖1中用附加字母或其它標(biāo)號(hào)指示某些站和鏈路。網(wǎng)20可接光纖導(dǎo)體26’，后者構(gòu)成廣域、都市區(qū)或遠(yuǎn)距離主干光纖通信網(wǎng)或系統(tǒng)的一部分，因而網(wǎng)20可以包括在地域上延伸相當(dāng)長(zhǎng)距離的光纖主干鏈路26’。鑒于有些鏈路26’的長(zhǎng)度，把轉(zhuǎn)發(fā)站28a在鏈路26’中以物理上預(yù)定分開的間隔定位。各轉(zhuǎn)發(fā)站28a的作用是提升通過鏈路26’傳送的信號(hào)的光功率，較佳地各轉(zhuǎn)發(fā)站28a應(yīng)用摻鉺的光纖放大器(EDFA)。EDFA純粹是以直線安裝在鏈路26’中用于增大光信號(hào)強(qiáng)度而不要求電-光轉(zhuǎn)換的光功率放大器。
另外，若站22a與22b的地域距離長(zhǎng)得足以要求放大光信號(hào)，在網(wǎng)20的站22a與22b之間延伸的光纖鏈路26中還可包括轉(zhuǎn)發(fā)站28b，其作用類似于主干轉(zhuǎn)發(fā)站28a。
在站22c與22d之間延伸的自由場(chǎng)空間鏈路24a中包含轉(zhuǎn)發(fā)器28c，除了在自由場(chǎng)空間鏈路24a中放大光信號(hào)外，它還允許自由場(chǎng)空間鏈路24a圍繞自然的或人造的障礙物如圖1所示的山29轉(zhuǎn)向，所以自由場(chǎng)空間鏈路24a在鏈路頭站22c與22d之間不是一條視線光路。
有些鏈路頭站22也可對(duì)通過鏈路24與26傳送的信息起到路由轉(zhuǎn)換器的作用，例如鏈路頭站22b具有把接收自光纖鏈路26的光信號(hào)傳到一個(gè)或多個(gè)鏈路頭站22i。這樣，只為一個(gè)鏈路頭站22i指定的光信號(hào)可以從站22b傳送到站22i，不必向不指定該信號(hào)的其它站22i發(fā)送同一光信號(hào)。同樣地，鏈路頭站22a對(duì)為站22h指定的信息起著路由轉(zhuǎn)換器的作用，而鏈路頭站22d則將光信號(hào)傳給通過自由場(chǎng)空間鏈路24和光纖鏈路26與之相接的兩個(gè)站22。
近來，鏈路頭站22c對(duì)光纖主干鏈路26’中的信號(hào)起著路由轉(zhuǎn)換器與轉(zhuǎn)發(fā)器的雙重作用，對(duì)其路由功能，站22c把光信號(hào)導(dǎo)向站22a、22d與22f；對(duì)其轉(zhuǎn)發(fā)器功能，站22c在光纖主干鏈路26’上放大通過它傳導(dǎo)的光信號(hào)。
站22h與22a通過光纖鏈路26以普通星形或總線結(jié)構(gòu)連接，站22b同樣通過自由場(chǎng)空間鏈路24以普通星形或總線結(jié)構(gòu)連接站22i，站22j與22f連接成普通環(huán)形結(jié)構(gòu)，而站22f則起著該環(huán)形結(jié)構(gòu)和網(wǎng)20的站22的節(jié)點(diǎn)的作用。環(huán)形、總線和星形結(jié)構(gòu)是通信網(wǎng)普通的連接構(gòu)形，網(wǎng)20顯然可以包括任一種或全部這些結(jié)構(gòu)。
每個(gè)站22包括一個(gè)通過自由場(chǎng)空間鏈路24或光纖鏈路26傳送光信號(hào)的光收發(fā)機(jī)。一例光收發(fā)機(jī)30示于圖2，它位于光學(xué)自由場(chǎng)空間鏈路24的各鏈路頭站22。各光收光機(jī)30包括一只接收的聚束元件32，用于接收來自自由場(chǎng)空間鏈路24的光信號(hào)并把它聚入光纖34。聚束元件32可以是透鏡、拋物面小鏡等，在光通信系統(tǒng)里很普通。光纖34與EDFA36直線連接，后者放大接收自鏈路24的光信號(hào)強(qiáng)度，并在光纖38上提供該光信號(hào)。光纖38接普通波分復(fù)用(WDM)裝置或分路器40，分路器40把光信號(hào)分成其各種分量并在42提供這些分離的信號(hào)。若鏈路頭站22里的設(shè)備(圖1)接收且要求電信號(hào)，則把42處提供電光信號(hào)送光學(xué)轉(zhuǎn)換器(未示出)，后者將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。
以類似方法，收發(fā)機(jī)30還包括一普通的發(fā)射聚束元件44，它將出射光束聚集并引導(dǎo)通過光學(xué)鏈路24。包括發(fā)射束的信號(hào)在46來自位于鏈路頭站的設(shè)備。信號(hào)46是原生的或在鏈路頭站由電-光轉(zhuǎn)換派生的光信號(hào)。信號(hào)46供給WDM裝置或復(fù)用器48，后者在46把分離的信號(hào)復(fù)用成單個(gè)光信號(hào)并供給光纖導(dǎo)體50。EDFA52與光纖導(dǎo)體50直線連接，它接收來自光纖導(dǎo)體50的信號(hào)，放大其光信號(hào)強(qiáng)度或功率，并把放大的信號(hào)供給光纖導(dǎo)體54。光纖導(dǎo)體54把放大的光信號(hào)供給發(fā)射聚束元件44，后者通過自由場(chǎng)空間鏈路24發(fā)射該光信號(hào)。
自由場(chǎng)空間鏈路24相對(duì)端的鏈路頭站22，結(jié)構(gòu)相似，如圖2所示。由于自由場(chǎng)空間鏈路24兩端收發(fā)機(jī)30的物理位置或角度定向可以移動(dòng)，所以較佳地對(duì)各聚束元件32與44接一個(gè)位置調(diào)整機(jī)構(gòu)56。調(diào)整機(jī)構(gòu)56以水平與垂直參照系調(diào)整元件32與44的角位置，以跟蹤接收束的任何角位置變化。
由于發(fā)射站接至例如在風(fēng)力影響下會(huì)前后擺動(dòng)的高層窗務(wù)樓，所以接收束的角位置會(huì)變化。另舉一例，若云霧通過自由場(chǎng)空間鏈路24移動(dòng)，其中的水汽會(huì)稍稍折射光束，位置調(diào)整機(jī)構(gòu)56則響應(yīng)于控制信號(hào)移動(dòng)聚束元件32與44的位置。
由于各收發(fā)機(jī)30的EDFA36和52通過光纖34與54分別接聚束元件32和44，所以EDFA36和52不必在物理上處于聚束元件32與44的位置，可以位于大樓或其它掩蔽所內(nèi)部，在熱學(xué)上更穩(wěn)定的環(huán)境內(nèi)實(shí)現(xiàn)增強(qiáng)的性能。
圖3的58示出一例應(yīng)用于光纖鏈路26兩端鏈路頭站22(圖1)的收發(fā)機(jī)。與圖2的自由場(chǎng)空間鏈路收發(fā)機(jī)30相比，由于光纖導(dǎo)體26a與26b載送并約束著光信號(hào)，所以光纖鏈路收發(fā)機(jī)58不用聚束元件32與44(圖2)。接收EDFA36從光纖導(dǎo)體26b直接接收光信號(hào)，并在送給分路器40之前先作放大。同樣地，發(fā)射EDFA52接收來自復(fù)用器48的信號(hào)，對(duì)它放大后再供給光纖鏈路導(dǎo)體26a。
圖4示出一例自由場(chǎng)空間轉(zhuǎn)發(fā)器(如圖1的28c)應(yīng)用的收發(fā)機(jī)60。自由場(chǎng)空間轉(zhuǎn)發(fā)器收發(fā)機(jī)60也包括兩個(gè)用于放大被接收與發(fā)射的光信號(hào)的EDFA62和64，例如EDFA62接收通過光纜66傳導(dǎo)的來自圖4右側(cè)所示接收聚束元件32的光信號(hào)，并對(duì)這些光信號(hào)作放大而無須電-光轉(zhuǎn)換，再在光纜68上將放大的光信號(hào)供給圖4左側(cè)所示的發(fā)射聚束元件44。同樣地，圖4左側(cè)所示的接收聚束元件32接收光信號(hào)，這些信號(hào)通過光纖導(dǎo)體70傳導(dǎo)到EDFA64，而后者放大這些信號(hào)，并通過光纖導(dǎo)體72將放大的信號(hào)供給圖4右側(cè)所示的發(fā)射聚束元件44。還把位置調(diào)整機(jī)構(gòu)56接至轉(zhuǎn)發(fā)器放大器收發(fā)機(jī)60的每個(gè)聚束元件32和44。收發(fā)機(jī)60的EDFA62和64在自由場(chǎng)空間鏈路24中放大雙向通過該轉(zhuǎn)發(fā)器的光信號(hào)，無須電-光轉(zhuǎn)換。
圖5在74處示出一例光纖轉(zhuǎn)發(fā)器(如圖1的28a或28b)的收發(fā)機(jī)。該收發(fā)機(jī)74包括兩個(gè)EDFA76與78。EDFA76接在光纖鏈路26的光纖導(dǎo)體26c內(nèi)，操作時(shí)放大通過光纖導(dǎo)體26c傳導(dǎo)的在通過EDFA76時(shí)的光信號(hào)。同樣地，EDFA78接在光纖導(dǎo)體26d內(nèi)，操作時(shí)放大通過該導(dǎo)體傳導(dǎo)的光信號(hào)。這樣，就放大了雙向通過轉(zhuǎn)發(fā)器收發(fā)機(jī)74的光信號(hào)。EDFA76和78在光纖鏈路26的光信號(hào)通路里直接直線連接，放大通過光纖鏈路26傳導(dǎo)的光信號(hào)的功率，不用電-光轉(zhuǎn)換。
諸站的路由轉(zhuǎn)換功能以站22b為例，它包括一個(gè)圖6所示已知的市售光學(xué)路由轉(zhuǎn)換器80。該路由轉(zhuǎn)換器80能響應(yīng)包含在接收自光纖鏈路26e與26f的光信號(hào)里的信息。根據(jù)包含在通過光纖鏈路收發(fā)機(jī)74接收自光纖鏈路26的光信號(hào)里的路由信息，路由轉(zhuǎn)換器80激發(fā)一個(gè)有關(guān)自由場(chǎng)空間收發(fā)機(jī)30向選擇的一個(gè)站22i發(fā)送光信息。源自一個(gè)站22i的信息通過自由場(chǎng)空間鏈路24像光信號(hào)一樣由該站22i的收發(fā)機(jī)3發(fā)射，并被路由轉(zhuǎn)換器80的收發(fā)機(jī)30接收。每當(dāng)發(fā)射站22i有該信息時(shí)，就以這種方式發(fā)射光信號(hào)。收到來自發(fā)射站22i的光信號(hào)后，若該信息為另一站22i指定，路由轉(zhuǎn)換器80就立即把光信號(hào)里的該信息向該站發(fā)送，或者通過光纖鏈路收發(fā)機(jī)74在光纖鏈路26上發(fā)送該光信號(hào)。
從前面的討論可知，所有的鏈路頭站22和轉(zhuǎn)發(fā)站28都用EDFA放大接收和發(fā)射的光信號(hào)。為得到可靠地傳送光信號(hào)所攜帶的信息所需的功率電平，EDFA不要求電-光轉(zhuǎn)換。
通過參閱圖示EDFA功率放大作用的圖7-9，能更好地理解普通EFDA的功能特性。EDFA包括一摻鉺的光纖纖芯82，泵激光器84對(duì)摻鉺纖芯82提供附加的光能，較佳地泵激光器84是一種受供給它電信號(hào)控制的激光二極管。由于摻雜的鉺與泵激光器84所供附加光能的互作用，導(dǎo)致無須-光轉(zhuǎn)換而放大信號(hào)的能力。EDFA的鉺與泵激光器84所加附加光能發(fā)生互作用，放大被發(fā)射光信號(hào)的強(qiáng)度或光能。
準(zhǔn)備放大的光信號(hào)86在摻雜纖芯82的左端被接收(如圖7所示)，該接收的信號(hào)在四個(gè)載信息波長(zhǎng)都具有如功率圖88(圖8)所示的功率。信號(hào)通過摻雜纖芯82時(shí)，通過鉺與泵激光器84所加光能的互作用，來自泵激光器84的能量被加到信號(hào)86的能量里，增加的能量增大了四個(gè)波長(zhǎng)各自的功率量，如功率圖90所示(圖9)。這樣，與被接收信號(hào)86相比，發(fā)射的信號(hào)92在所有四個(gè)波長(zhǎng)的光功率明顯增大，而功率增大完全靠鉺與來自泵運(yùn)激光器84的光能的光學(xué)作用實(shí)現(xiàn)的，不用電-光轉(zhuǎn)換。因此，EDFA就是一例多波長(zhǎng)光纖放大器。雖然在這里提供的實(shí)例中使用了EDFA，但應(yīng)明白，可按本發(fā)明諸實(shí)施例對(duì)EDFA構(gòu)成能支持多波長(zhǎng)的任一類光纖放大器(即多波長(zhǎng)光纖放大器)。
在應(yīng)用中，普通EDFA應(yīng)用作為泵光源的單空間模激光二極管和分割復(fù)用耦合器，把來自激光二極管的泵激光學(xué)耦合入摻鉺光纖纖芯。該方法由于單空間模激光二極管可提供的功率很小，即約0.1mW，無法使功率標(biāo)度超出50毫瓦(mW)，故通常要用多只二極管。
通過使用包覆光纖可以回避多只二極管的要求。在雙包覆光纖中，光在直徑約100μm～400μm的相對(duì)大的內(nèi)包層中傳播并被摻雜的單模纖芯吸收。內(nèi)包層直徑大得足以能有效地耦合來自大功率寬區(qū)激光二極管非衍射限制的放射。這種泵激光器到處有售，價(jià)格極為低廉，100μm條寬可產(chǎn)生約1.0瓦輸出功率。因此，應(yīng)用雙包覆光纖的EDFA尤其有利于獲得相當(dāng)高的功率輸出。
而且還知道，對(duì)纖芯一起摻以鉺與釔，可進(jìn)一步提高雙包覆EDFA的性能。在靠近975nm釔吸收峰的泵運(yùn)波長(zhǎng)處，具有這一特征的一起摻雜的纖芯實(shí)現(xiàn)了短的泵運(yùn)吸收長(zhǎng)度。泵激的釔原子以非輻射方式將其能量轉(zhuǎn)移到鉺原子，在1.55μm波長(zhǎng)得到更高的光學(xué)增益。
EDFA技術(shù)能有利地應(yīng)用于本發(fā)明的另一已知的方面是V槽側(cè)面泵運(yùn)技術(shù)。V槽直接形成為摻雜纖芯的側(cè)壁，光纖側(cè)壁上直射的泵運(yùn)光撞擊V槽在光學(xué)上平滑的小平面，再被發(fā)射耦入纖芯內(nèi)包層。由于在玻璃與空氣小平面界面出現(xiàn)全內(nèi)發(fā)射，能實(shí)現(xiàn)極有效的耦合，使用100μm寬帶條形激光器和短形內(nèi)包層為50×120μm的雙包覆光纖，二極管-光纖耦合效率可達(dá)80％。V槽側(cè)面泵運(yùn)技術(shù)使纖芯端部無障礙，能與其它光纖直接拼接。為在多點(diǎn)注射功率，可在纖芯中形成多條V槽，這些V槽對(duì)纖芯里的信號(hào)并不引入反射或損失。與其它大功率光學(xué)放大器相比，這些優(yōu)點(diǎn)能以較低成本建造密死難者而有效的EDFA。
EDFA原先被開發(fā)成光纖鏈路轉(zhuǎn)發(fā)器放大器。光纖摻鉺可在以1.55μm基本波長(zhǎng)為中心的約30nm的寬波長(zhǎng)帶內(nèi)實(shí)現(xiàn)光放大作用。1.55μm波長(zhǎng)通常用于長(zhǎng)距離光通信系統(tǒng)，故EDFA在這些長(zhǎng)距離光纖應(yīng)用中尤其有利。在帶自由場(chǎng)空間鏈路的光通信網(wǎng)中，以前并否認(rèn)為1.55μm波長(zhǎng)很重要，因?yàn)?.55μm波長(zhǎng)易于經(jīng)受大氣衰減引起的大量折射。雖然該波長(zhǎng)在出現(xiàn)大氣衰減條件時(shí)不能有效地穿透大氣，但是能安全地應(yīng)用較高功率的1.55μm光信號(hào)抵消1.55μm波長(zhǎng)差的穿透特性。
再者，本發(fā)明應(yīng)用若干技術(shù)確保自由場(chǎng)空間鏈路中有效的優(yōu)化功率量而不管出現(xiàn)的大氣衰減條件。這些技術(shù)包括為補(bǔ)償和克服大氣衰減條件而在鏈路頭站控制被接收和被發(fā)射的功率電平的自適應(yīng)功控技術(shù)，和在物理上將收發(fā)機(jī)移入接收光束較佳位置的束跟蹤技術(shù)。
本發(fā)明的自適應(yīng)功控技術(shù)的認(rèn)識(shí)基礎(chǔ)是兩種鏈路頭站的收發(fā)機(jī)都通過同樣的大氣媒體發(fā)射光信號(hào)。兩收發(fā)機(jī)之間的自由場(chǎng)空間鏈路呈現(xiàn)同樣的衰減特性，與光信號(hào)傳播方向無關(guān)。根據(jù)被接收信號(hào)強(qiáng)度與事先對(duì)自由場(chǎng)空間鏈路所建立的優(yōu)化信號(hào)強(qiáng)度的比較，在各鏈路頭站建立功控。若接收的信號(hào)強(qiáng)度小于優(yōu)化值，則基于接收鏈路頭站同樣在接收其低于優(yōu)化功率量的被接收光信號(hào)這一假設(shè)，功控器就增大發(fā)射EDFA的放大功率。為增大接收后提供的信號(hào)的光功率，控制器同樣增大EDFA的放大功率。若接收的信號(hào)強(qiáng)度大于優(yōu)化值，則功控器仍基于同樣的假設(shè)降低發(fā)射和接收EDFA的功率。另一鏈路頭站同樣采納該功控技術(shù)，直到這兩個(gè)站通過連接它們的自由場(chǎng)空間鏈路對(duì)大氣條件建立了優(yōu)化功率電平。
圖10示出的兩個(gè)鏈路頭站22都具備這種自適應(yīng)功控形式的能力，各站22配用先前結(jié)合圖2描述的收發(fā)機(jī)30。在接收的信號(hào)42中，其中一個(gè)42’加給控制器100?？刂破?00包含微處理器或微控制器、存儲(chǔ)器和其它有關(guān)設(shè)備，全都編程為起這里所述的作用。在其它功能當(dāng)中，控制器100判斷接收信號(hào)42’的強(qiáng)度，并據(jù)此向與發(fā)射和接收EDFA52與36相關(guān)的泵激光器84分別提供102和104的控制信號(hào)?？刂菩盘?hào)102控制泵激光器84向EDFA52的摻雜纖芯提供的光能量和發(fā)射EDFA52實(shí)現(xiàn)的功率放大程度，而控制信號(hào)104控制泵激光器84向EDFA36的摻雜纖芯提供的光能量和EDFA36實(shí)現(xiàn)的功率放大程度。
控制器100含有記錄在存儲(chǔ)器里較佳地記錄在查表里的信息，該信息規(guī)定了在晴朗無妨礙氣候條件下實(shí)現(xiàn)良好通信的預(yù)定的光功率優(yōu)化值。一旦確定接收信號(hào)42’的功率與該優(yōu)化值不同，就用差值求出控制信號(hào)102和104。把控制信號(hào)102加到泵激光器84，使發(fā)射EDFA52提供的光功率量，應(yīng)讓接收鏈路頭站22經(jīng)受相當(dāng)于在優(yōu)化條件的功率電平或功率容限。同樣地，控制信號(hào)104使接收信號(hào)38達(dá)到該鏈路頭站實(shí)現(xiàn)良好識(shí)別與通信的優(yōu)化功率電平。另一鏈路頭站22也具備同樣的功率自適應(yīng)技術(shù)。
這些自適應(yīng)功控作用為收發(fā)機(jī)30之間的良好通信建立了功率電平。在優(yōu)化條件下，發(fā)射與接收EDFA的功率放大量基本上一樣，這種同一性包含對(duì)噪聲的最大光信號(hào)增益。可變放大器功率電平保證了各收發(fā)機(jī)有合適的功率或鏈路容限。由于各鏈路頭站22根據(jù)接收信號(hào)的功率量來修正其功率輸出而不用另一鏈路頭站的反饋，所以控制器100還較佳地以阻尼時(shí)延或步進(jìn)方式對(duì)發(fā)射EDFA建立功率增益，避免信號(hào)強(qiáng)度在鏈路頭站之間的不穩(wěn)定擺動(dòng)或振蕩。利用合適的阻尼作用，各鏈路相對(duì)兩端的收發(fā)機(jī)的發(fā)射與接收EDFA都能實(shí)現(xiàn)優(yōu)化的通信工作條件。
另一種自適應(yīng)功控技術(shù)利用了來自另一鏈路頭站的反饋信息，該技術(shù)示于圖11。在自適應(yīng)功控的這種反饋形式中，在鏈路頭站22m與22n之間傳送的信號(hào)之一用于在這兩個(gè)鏈路頭路之間傳送狀態(tài)與控制信息。為作圖示，鏈路頭站22m接收信號(hào)42x，它含有自由場(chǎng)空間鏈路24另一端發(fā)射鏈路頭站22n的控制器100被斷定對(duì)接收從站22m發(fā)射的信號(hào)為優(yōu)化的功率電平。信號(hào)42x里包含的該功控信息，是站22n根據(jù)過去從站22m接收的信號(hào)強(qiáng)度而求出的。根據(jù)信號(hào)42x所含的該信息，站22m的控制器100向發(fā)射與接收EDFA52與36的泵激光器84分別提供控制信號(hào)102與104，而以后從站22m發(fā)射的信號(hào)包含了站22n被事先確定為對(duì)接收這些信號(hào)優(yōu)化的功率電平。
同樣地，站22m的控制器100向復(fù)用器48提供控制信號(hào)46y。信號(hào)46y由站22m的控制器100根據(jù)站22m事先從站22n接收的信號(hào)強(qiáng)度而求出。控制信號(hào)46y與其它含信息信號(hào)46一起被復(fù)用器48復(fù)用，并通過自由場(chǎng)空間鏈路24被站22m的EDFA52發(fā)射到另一站22m。站22n將來自發(fā)射信號(hào)46y的該信息接收為接收信號(hào)42y。包含在信號(hào)42y里的該信息由站22n的控制器100譯出，而提供的控制信號(hào)102和104用于控制站22n的EDFA52與36的發(fā)射與接收功率?？刂菩盘?hào)102會(huì)發(fā)射站22n的EDFA52向站22m提供信號(hào)，其功率電平被站22m事先確定為通過自由場(chǎng)空間鏈路24作接收已優(yōu)化?？刂菩盘?hào)104會(huì)站22n的EDFA36向站22n的分路器40提供優(yōu)化電平信號(hào)。為實(shí)現(xiàn)最大放大作用而引入最小噪聲，較佳地使EDFA52和36的發(fā)射與接收增益接近相等。
站22n的控制器100還向復(fù)用器48提供包含在對(duì)站22m下一次傳輸里的信號(hào)46x，該信號(hào)含有站22n希望在其從站22n接收的傳輸中的信號(hào)強(qiáng)度信息。信號(hào)46x里的該信息出現(xiàn)在站22m的控制器100所接收的信號(hào)42x中。
通信網(wǎng)20(圖1)內(nèi)為控制與狀態(tài)信號(hào)所保留的一獨(dú)立波長(zhǎng)，可用于使各站對(duì)每個(gè)與之通信的站建立優(yōu)化功率傳輸電平。根據(jù)各站提供的控制信號(hào)，在各站控制器100的存儲(chǔ)器里建立該功控信息表。當(dāng)信號(hào)準(zhǔn)備用于與發(fā)射站通信的一個(gè)站時(shí)，就查詢各站的專用信息，并把它用于控制發(fā)射與接收EDFA52與36的光功率。而且因接收信號(hào)的強(qiáng)度被不斷更新與評(píng)估，故可連續(xù)調(diào)節(jié)功率調(diào)整以適應(yīng)變化的大氣與其它條件。
自適應(yīng)功控技術(shù)能提供重要的鏈路功率容限或放大作用，如發(fā)射與接收EDFA的增益能達(dá)到約50dB的組合增益，使光通信鏈路的聯(lián)接容限增大同一量。結(jié)合自適應(yīng)功控用雪崩光檢測(cè)器增強(qiáng)接收光信號(hào)的強(qiáng)度，可實(shí)現(xiàn)比以前在激光束光通信網(wǎng)中可達(dá)到的高得多的鏈路功率容限。
除了控制發(fā)射和接收的光功率，各鏈路頭站的控制器還可參與通過在諸控制器之間以一個(gè)獨(dú)立的波長(zhǎng)信號(hào)傳送網(wǎng)狀態(tài)與管理信息所實(shí)行的網(wǎng)管理操作。例如，可將網(wǎng)管理信息包含在已結(jié)合自適應(yīng)功控描述的信號(hào)42x與42y里(圖11)。各鏈路頭站有一獨(dú)特標(biāo)識(shí)，利用這一標(biāo)識(shí)，可對(duì)各鏈路頭站分別尋址各鏈路頭站控制器所建立的響應(yīng)與操作特性。通過在各特定鏈路頭站與管理中心之間傳送狀態(tài)請(qǐng)求信息，該獨(dú)特標(biāo)識(shí)可從遠(yuǎn)地網(wǎng)管理中心逐一查詢諸鏈路頭站。在該獨(dú)立波長(zhǎng)信號(hào)上傳輸該控制、狀態(tài)與管理信息并不妨礙一般信息通信，因?yàn)樵搶Ｓ貌ㄩL(zhǎng)信號(hào)是為狀態(tài)、控制與管理信息通信保留的。
較佳地，各站22還通過在物理上調(diào)整其發(fā)射與接收聚束元件32與44的位置與角度定向，提高了其發(fā)射與接收光信號(hào)的質(zhì)量。物理上調(diào)整聚束元件32與44的位置由圖2、4、10與11所示的位置調(diào)整機(jī)構(gòu)56實(shí)施。
造成束位置物理偏移狀況的例子包括發(fā)射或接收鏈路頭站移動(dòng)和大氣條件引起的光束折射。若發(fā)射或接收鏈路頭站裝在多層商務(wù)樓的頂層，而且商務(wù)樓在風(fēng)力影響下略微擺動(dòng)，光束將射在接收聚束元件上的不同位置。包括空氣內(nèi)含潮氣的大氣條件會(huì)使大氣折射率隨大氣中的潮濕度而變化，站間自由場(chǎng)空間可變的折射率會(huì)使光束彎曲。其它一些已知因素也可參與使最初對(duì)發(fā)射與接收聚束元件之間優(yōu)化視線位置建立的物理位置發(fā)生偏移。
為了適應(yīng)這些物理變化合理的量同時(shí)保持優(yōu)質(zhì)的光束，各接收站的控制器100評(píng)估被接收束的強(qiáng)度和接收束撞在接收聚束元件32上的位置，如圖10和11所示。各接收站的控制器100評(píng)估接收信號(hào)42’(圖10)和42x與42y(圖11)，若評(píng)估表明信號(hào)強(qiáng)度變小，或者光束撞在聚束元件上的位置有偏移，控制器100就產(chǎn)生向位置調(diào)整機(jī)構(gòu)56提供的控制信號(hào)106。調(diào)整機(jī)構(gòu)56響應(yīng)于控制信號(hào)106，移動(dòng)接收聚束元件32或發(fā)射聚束元件44中的至少一個(gè)，直到實(shí)現(xiàn)優(yōu)化的功率或撞擊位置。
由于光信號(hào)通過其傳播的大氣媒體是同一媒體，與光束傳送方向無關(guān)，因此發(fā)射聚束元件44與接收聚束元件32一起移動(dòng)，通常將這兩種元件定位于有效通信的優(yōu)化位置。不過希望的話，可在適當(dāng)位置分開調(diào)整發(fā)射與接收聚束元件。控制器100根據(jù)接收的信號(hào)對(duì)控制信號(hào)106獨(dú)立地確定位置控制信息，或者該位置控制信息由接收站建立，再傳回通過把控制與狀態(tài)信號(hào)同其它傳送的信息信號(hào)合在一起作位置調(diào)整的站，方法與結(jié)合圖11討論的傳送自適應(yīng)功控信號(hào)的方法相同。
聚束元件32與44和位置調(diào)整機(jī)構(gòu)56的一較佳實(shí)施例示于圖12-14。把多個(gè)光學(xué)接收機(jī)110和多個(gè)光學(xué)發(fā)射機(jī)112裝在載體114上。各光學(xué)接收機(jī)110包括一塊將入射光聚集到管子118內(nèi)一焦點(diǎn)上的透鏡116，管子118連到載體114。光纖導(dǎo)體120的一端位于該焦點(diǎn)接收來自透鏡116的光。從光學(xué)接收機(jī)110進(jìn)入光纖導(dǎo)體120的光在普通合束器121中組合，組合的光在34形成接收的光信號(hào)(圖2、10和11)。同樣地，各光學(xué)發(fā)射機(jī)112包括一塊裝在管子124里的透鏡122，管子124也接到載體114，透鏡122把接收自光纖導(dǎo)體126的光聚集成窄發(fā)射束128，各光學(xué)發(fā)射機(jī)112有其自己導(dǎo)向它的光纖導(dǎo)體126。EDFA52(圖2、10和11)在54處產(chǎn)生的光信號(hào)由普通分束器127分成若干獨(dú)立的信號(hào)，并將這些獨(dú)立信號(hào)之一供給每個(gè)光纖導(dǎo)體126。
光學(xué)接收機(jī)110和發(fā)射機(jī)112裝在載體114上，它們的光軸相互平行，光軸一般平行于分別容納接收機(jī)110和發(fā)射機(jī)112的柱形管118與124的軸線。載體114上還裝有一臺(tái)對(duì)準(zhǔn)望遠(yuǎn)鏡130，望遠(yuǎn)鏡130由透鏡134位于管子132每一端的管子132構(gòu)成。望遠(yuǎn)鏡130的光軸和管子132的軸線也平行于光學(xué)接收機(jī)110與光學(xué)發(fā)射機(jī)112的光軸。對(duì)準(zhǔn)望遠(yuǎn)鏡130用來將光學(xué)接收機(jī)和發(fā)射機(jī)的初始定向瞄準(zhǔn)到自由場(chǎng)空間鏈路另一端鏈路頭站的光學(xué)接收機(jī)和發(fā)射機(jī)位置上。管子118、124和132都用支承結(jié)構(gòu)136連接在一起，使光學(xué)接收機(jī)110、光學(xué)發(fā)射機(jī)112和對(duì)準(zhǔn)望遠(yuǎn)鏡130在物理上保持平行的光學(xué)排列并牢固地接至載體114。
載體114用萬向接頭140接外殼138。萬向接頭140由環(huán)142構(gòu)成，環(huán)142在環(huán)142和載體114上經(jīng)向相對(duì)的位置上的框軸連接件144連接載體114。這樣，載體114和附接的接收機(jī)110與發(fā)射機(jī)112以及對(duì)準(zhǔn)望遠(yuǎn)鏡130能在與通過框軸連接件144的軸線垂直的平面內(nèi)的框軸上轉(zhuǎn)動(dòng)。萬向接頭140還包括另兩個(gè)與框軸連接件144位置偏移90度的框軸連接件146，用于把環(huán)142接至外殼138，因而環(huán)142能在與通過框軸連接件146的軸線垂直的平面內(nèi)在框軸上轉(zhuǎn)動(dòng)。這樣，萬向接頭140的框軸連接件144與146連接著光學(xué)接收機(jī)110與發(fā)射機(jī)112，使它們可在水平與垂直兩個(gè)平面內(nèi)自由地在框軸上轉(zhuǎn)動(dòng)。
在載體114與外殼138之間連接兩臺(tái)伺服電機(jī)，其中一臺(tái)示于148。伺服電機(jī)在通過框軸144與146延伸的兩個(gè)相互垂直的平面內(nèi)，相互以90度位置連接。各伺服電機(jī)經(jīng)向相對(duì)的是接在載體114與外殼138之間的彈簧軸承150，它對(duì)載體114施加偏置力，迫使載體114移向伺服電機(jī)148。這樣在通過伺服電機(jī)148和彈簧軸承150延伸的平面內(nèi)，伺服電機(jī)148的位置建立了接收機(jī)110、發(fā)射機(jī)112和對(duì)準(zhǔn)望遠(yuǎn)鏡130諸光軸的角度。該角度是通過繞框軸連接件144轉(zhuǎn)動(dòng)得到的(圖12)。另一伺服電機(jī)及其相對(duì)的彈簧軸承(都未示出)以同樣方式操作，在與第一平面垂直的平面內(nèi)調(diào)整接收機(jī)110、發(fā)射機(jī)112和對(duì)準(zhǔn)望遠(yuǎn)鏡130的角度定向。該角度是通過繞框軸連接件146實(shí)現(xiàn)的(圖12)。
運(yùn)用萬向接頭140和伺服電機(jī)利用來自控制器100(圖10與11)的控制信號(hào)106所建立的位置控制，能調(diào)整接收機(jī)110和發(fā)射機(jī)112的角度位置，以適應(yīng)自由場(chǎng)空間鏈路相對(duì)端另一鏈路頭站的小小移動(dòng)。該調(diào)整功能提高了在鏈路頭站之間發(fā)射的光束的質(zhì)量。以提高在鏈路頭站之間傳送的信息的質(zhì)量與可靠性。為避免鏈路頭站收發(fā)機(jī)位置不穩(wěn)定的擺動(dòng)或振蕩，控制器100較佳地以阻尼、時(shí)延和/或步進(jìn)方式建立位置控制。
伺服電機(jī)也可用提供可靠而精密的位置控制的任何其它類裝置替代，如壓電裝置。多個(gè)接收機(jī)110和多個(gè)發(fā)射機(jī)112具有增大發(fā)射和接收光信號(hào)總面積的作用。發(fā)射與接收面積越大，光能的傳遞越佳。多個(gè)發(fā)射機(jī)與接收機(jī)還減小了閃爍的影響，提高傳送的光信號(hào)質(zhì)量。
本發(fā)明描述的諸改進(jìn)說明可用EDFA有效地建立一種陸上光通信網(wǎng)，它包含混合組合的用全光學(xué)EDFA無縫連接的自由場(chǎng)空間鏈路鏈路與光纖鏈路。通過用相對(duì)廉價(jià)的EDFA直接集成自由場(chǎng)空間鏈路和光纖鏈路，避免了電-光轉(zhuǎn)換及其有關(guān)的困難和成本。根據(jù)EDFA的要求，雖然光信號(hào)通過該集成型混合陸上網(wǎng)傳導(dǎo)的波長(zhǎng)并不優(yōu)化成穿透不利的氣候條件，但是可以傳遞的功率量相當(dāng)大，因而增強(qiáng)了通信能力。EDFA的波長(zhǎng)因而也是自由場(chǎng)空間傳輸不大會(huì)損傷人的眼睛。在變化的大氣條件下，各鏈路頭站的自適應(yīng)功控對(duì)優(yōu)化通信有效地控制了被發(fā)射與接收的信號(hào)的功率。對(duì)各鏈路頭站光學(xué)收發(fā)機(jī)位置的控制能力，也有助于光信息通過網(wǎng)的自由場(chǎng)空間鏈路作更可靠和有效的通信。在完全理解和明白了本發(fā)明的全部細(xì)節(jié)之后，許多其它改進(jìn)和優(yōu)點(diǎn)也是顯而易見的。
參照?qǐng)D15，圖示為另一對(duì)按本發(fā)明一實(shí)施例制造的自由場(chǎng)空間光學(xué)收發(fā)機(jī)200與202，它們是通過光學(xué)自由場(chǎng)空間鏈路204傳送數(shù)據(jù)的理想收發(fā)機(jī)。與上述裝置相似，收發(fā)機(jī)200、202能接收來自光學(xué)自由場(chǎng)空間鏈路204的光學(xué)數(shù)據(jù)并將該數(shù)據(jù)提供給光纖系統(tǒng)，不用電-光轉(zhuǎn)換。反過來說，收發(fā)機(jī)200、202能接收來自光纖系統(tǒng)的光學(xué)數(shù)據(jù)并通過光學(xué)自由場(chǎng)空間鏈路204發(fā)送該數(shù)據(jù)，也不用電-光轉(zhuǎn)換。由于收發(fā)機(jī)200、202中不出現(xiàn)電-光轉(zhuǎn)換，故把它們稱作“全光學(xué)收發(fā)機(jī)”或“全光學(xué)系統(tǒng)”。
在該圖示例中，收發(fā)機(jī)200、202各自包括發(fā)射部TX與接收部RX。各發(fā)射部TX包括直接接單模光纖(SMP)光纜的連接器206，例如光纜載送1.55μm(即1550納米(nm))基本波長(zhǎng)(也稱1550nm帶)的數(shù)據(jù)。接收發(fā)機(jī)200的發(fā)射SMF光纜標(biāo)為208，接收發(fā)機(jī)202的發(fā)射SMF光纜標(biāo)為210，二者一般光學(xué)耦合至長(zhǎng)距離光纖通信系統(tǒng)。這里用“光學(xué)耦合”表示無電-光轉(zhuǎn)換的耦合。因此，長(zhǎng)距離光纖通信系統(tǒng)載送的光學(xué)數(shù)據(jù)可光學(xué)耦合入SMF光纜208、210，再從這里將光學(xué)數(shù)據(jù)通過自由場(chǎng)空間鏈路204發(fā)射，完全不用電-光轉(zhuǎn)換。
連接器206經(jīng)光纜214耦接多波長(zhǎng)光纖放大器212?？捎糜诒景l(fā)明的一例多波長(zhǎng)光纖放大器就是上述的摻鉺光纖放大器(EDFA)。但應(yīng)明白，除了上述的EDFA外，多波長(zhǎng)光纖放大器212可包括任一類能支持多個(gè)波長(zhǎng)的光纖放大器。換言之，能放大特定波段內(nèi)所有不同波長(zhǎng)的任一類光纖放大器，都可用作多波長(zhǎng)光纖放大器212。如利用這類多波長(zhǎng)光纖放大器，可選擇1550nm空間內(nèi)的一特定波段，諸如C、S或L波段，該多波長(zhǎng)光纖放大器將放所有該波段內(nèi)的從多波長(zhǎng)，這類多波長(zhǎng)光纖放大器通常也能處理粗略的波分復(fù)用(CWDM)和密集的波分復(fù)用(DWDM)。
而且，盡管EDFA有足夠的放大作用，但是多波長(zhǎng)光纖放大器212也可摻以讓它們工作于寬溫度范圍的材料，諸如能在戶外操作的碲(Te)。
多波長(zhǎng)光纖放大器212經(jīng)光纜218耦接可變光學(xué)衰減器(VOA)216，后者對(duì)多波長(zhǎng)光纖放大器212的功率增益作平滑和/或提供阻尼。例如可能具有30-40dB動(dòng)態(tài)范圍的VOA21 6包括一個(gè)由控制器220控制的電氣接口。控制器220包括用于按系統(tǒng)要求靈活地控制VOA216的邏輯電路。舉例說，這種智能控制基于通過自由場(chǎng)空間鏈路204接收的光信號(hào)的測(cè)得功率或包括在其內(nèi)的控制信息，類似于上述的自適應(yīng)功控技術(shù)。按照這種智能控制方案，控制器220把期望的衰減電平傳給VOA216。這樣，控制器220控制著多波長(zhǎng)光纖放大器212的功率增益和VOA216提供的衰減，對(duì)外接的裝置和/或系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)要求的接口功率指標(biāo)。
VOA216經(jīng)光纜224耦接分束器222，分束器222耦接一個(gè)或多個(gè)發(fā)射元件226，后者通過自由場(chǎng)空間鏈路204引導(dǎo)光學(xué)數(shù)據(jù)。發(fā)射元件226通常包括準(zhǔn)直鏡。
收發(fā)機(jī)200、202的各接收部RX包括一個(gè)或多個(gè)接收元件230，用來接收來自自由場(chǎng)空間鏈路204的光學(xué)數(shù)據(jù)。各接收元件230耦接定制的聚焦元件232，后接光纖組合器234。定制聚焦元件232包括例如一根據(jù)錐形光纖或一個(gè)微鏡陣列。下面詳述接收元件230、定制聚焦元件232和光纖組合器234。
光纖組合器234經(jīng)光纜238耦接多波長(zhǎng)光纖放大器236。與上述相似，應(yīng)明白多波長(zhǎng)光纖放大器236包括任一類能支持多個(gè)波長(zhǎng)的光纖放大器，EDFA是一例這樣的多波長(zhǎng)光纖放大器。
多波長(zhǎng)光纖放大器236經(jīng)光纜240耦接VOA238。與VOA216相似，VOA238對(duì)多波長(zhǎng)光纖放大器236的功率增益作平滑和/或提供阻尼。控制器242控制VOA238和多波長(zhǎng)光纖放大器236，它包括用來按系統(tǒng)要求對(duì)裝置作智能控制的邏輯電路。如上所述，這種智能控制基于對(duì)通過自由場(chǎng)空間鏈路204接收的光信號(hào)所測(cè)量的功率或包含在其中的控制信息。而且，VOA238與控制器242一起產(chǎn)生光學(xué)自動(dòng)增益控制(光學(xué)AGC)。通過應(yīng)用該光學(xué)AGC，功率控制不必通過獨(dú)立的波長(zhǎng)或波段裝置外傳送功控?cái)?shù)據(jù)。
最后，VOA238經(jīng)光纜246耦接連接器244。連接器244直接接SMF光纜，如上所述，后者以1550nm基本波長(zhǎng)載送數(shù)據(jù)。接收發(fā)機(jī)200的接收SMF光纜標(biāo)為248，接收發(fā)機(jī)202的接收SMF光纜標(biāo)為250。與SMF光纜208、210相似，SMF光纜248、250通常光學(xué)耦合至長(zhǎng)距離光纖通信系統(tǒng)，即不耦接電-光轉(zhuǎn)換。雖然可將SMF光纜248、250載送的光學(xué)數(shù)據(jù)光學(xué)耦合入長(zhǎng)距離光纖通信系統(tǒng)，但應(yīng)明白，當(dāng)然還可將SMF光纜248、250載送的光學(xué)數(shù)據(jù)分裂轉(zhuǎn)換成電信號(hào)供計(jì)算機(jī)、處理設(shè)備、電話等使用。
對(duì)于接連接器244的裝置和/或系統(tǒng)，控制器242控制著多波長(zhǎng)光纖放大器236的功率增益和VOA238提供的衰減，對(duì)這種外接的裝置和/或系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)要求的接口功率指標(biāo)。
上面已對(duì)圖12-14提到，各光學(xué)接收器110包括一塊把入射光聚集到管子118內(nèi)焦點(diǎn)的透鏡116，而光纖導(dǎo)體120一端在該焦點(diǎn)接收來自透鏡116的光。再者，從光學(xué)接收機(jī)110進(jìn)入光纖導(dǎo)體120的光在普通合束器121中組合，組合光在34形成接收的光信號(hào)(圖2、10和11)。下面的討論提供另一些可在本發(fā)明中用于接收來自自由場(chǎng)空間鏈路的光并把接收的光導(dǎo)入單模光纖而不用電-光轉(zhuǎn)換的技術(shù)。
參照?qǐng)D16，圖示為收發(fā)機(jī)202示例型式的接收部RX。在該型式中，一個(gè)或多個(gè)接收元件230包括把接收的光導(dǎo)入定制聚焦元件232的SchmidtCassegraiin望遠(yuǎn)鏡結(jié)構(gòu)300。這是一種眾所周知的結(jié)構(gòu)，利用組合的小鏡與透鏡折疊光學(xué)元件并形成圖像，有若干優(yōu)點(diǎn)。具體地說，Schmidt Cassegrain設(shè)計(jì)是一優(yōu)良的通過寬場(chǎng)提供剃刀清晰圖像的光學(xué)系統(tǒng)，組合了小鏡與透鏡二者的光學(xué)優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)抵消了它們的缺點(diǎn)。其焦點(diǎn)比一般在f110范圍內(nèi)。最后，Schmidt-Cassegrain結(jié)構(gòu)具有任一類望遠(yuǎn)鏡設(shè)計(jì)的最佳近聚焦能力之一，并且有一采集更多光的大孔徑。雖然在本發(fā)明中使用Schmidt-Cassegrain望遠(yuǎn)鏡是有利的，但應(yīng)明白，可按本發(fā)明替代使用各種其它設(shè)計(jì)的望遠(yuǎn)鏡或其它聚焦裝置。圖17更詳細(xì)地示出了Schmidt-Cassegrain結(jié)構(gòu)300。從左側(cè)接收來自自由場(chǎng)空間鏈路204的入射光，該入射光通過一薄塊Schmidt非球面校正鏡(或校正器)306進(jìn)入，然后撞擊球面一次小鏡302反射用管子。接著光被將光反射出儀器后面開口308的小型二次鏡304截取，在焦面310形成圖像。參照?qǐng)D18，圖示為本發(fā)明一實(shí)施例的一種技術(shù)，用于把接收自自由場(chǎng)空間鏈路204的光學(xué)耦合入接收部RX的0.9μm纖芯SMF。具體而言，根據(jù)該技術(shù)，Schmidt-Cassegrain結(jié)構(gòu)300接收來自自由場(chǎng)空間鏈路204的光。定制聚焦元件232的遠(yuǎn)端320包括微鏡帶/陣列322和光學(xué)組合級(jí)324。
操作時(shí)，把來自Schmidt-Cassegrain結(jié)構(gòu)300輸出的光引導(dǎo)到微鏡陣列322上。將微鏡陣列322輸出的光束導(dǎo)入相應(yīng)的SMF326，然后由光學(xué)組合級(jí)324合成單光束。光學(xué)組合級(jí)324把光組合到像光纖一樣的單波導(dǎo)，直到所有接收的光在SMF中與連接器206、244(圖15)的光纖接口配合。舉例來說，光學(xué)組合級(jí)324可以包括一種多級(jí)組合器(或同類裝置)，如二級(jí)或三級(jí)(2/3級(jí))組合器。在圖示例中，光學(xué)組合級(jí)324包括一個(gè)三級(jí)組合器，具有光纖組合級(jí)328、330、332，這樣將接收自自由場(chǎng)空間鏈路204的光學(xué)耦合接到1550nm的SMF而不用電-光轉(zhuǎn)換。接著多波長(zhǎng)光纖放大器236放大該光。
參照?qǐng)D19，圖示為本發(fā)明另一實(shí)施例的另一種收發(fā)機(jī)結(jié)構(gòu)400，它提供Schmidt-Cassegrain接收機(jī)的替代物，特征在于可用于接收與發(fā)射的單一跟蹤器和密致的50nm接收機(jī)路長(zhǎng)。結(jié)構(gòu)400包括密致的光學(xué)組件402、紅外(IR)窗404和安裝電子線路與萬向接頭驅(qū)動(dòng)器的隔間406。
IR窗404提供一濾波窗，用于遮蓋保護(hù)光學(xué)組件402并減小諸如陽光的熱效應(yīng)。應(yīng)用IR窗404避免了在每一塊透鏡上裝濾波器的要求。IR窗404較佳地包括850/1550nm的帶通濾波窗。盡管IR窗404被圖示成方形，但應(yīng)明白，IR窗404可以包括多種不同的形狀。
圖20-24更詳細(xì)示出密致光學(xué)組件402。本例中，密致光學(xué)組件402包括16個(gè)接收機(jī)陣列410、5個(gè)數(shù)據(jù)發(fā)射機(jī)(DT)412、跟蹤器(Tr)414和信標(biāo)(B)416。接收機(jī)陣列410、數(shù)據(jù)發(fā)射機(jī)412、跟蹤器414和信標(biāo)416都裝在萬向架上(未示出)。
對(duì)數(shù)據(jù)接收機(jī)目標(biāo)，各接收機(jī)陣列410較佳地包括19塊9mm透鏡418(也稱微鏡)，形成圖21所示的4×4透鏡子陣列418。這樣，16個(gè)接收機(jī)陣列410形成16×16的9mm透鏡陣列418。舉例說，透鏡418的各種選項(xiàng)包括錐形單線，CC＝-0.58；和Gradium GPX-10-45，衍射，雙線。透鏡418的示例指標(biāo)包括EFL＝45mm；直徑＝9mm，CA F/5匹配光纖；光點(diǎn)尺寸＜9μm.
操作時(shí)，接收自自由場(chǎng)空間鏈路204的光通過IR窗404引導(dǎo)到透鏡陣列418上。圖22和23示出了接收自自由場(chǎng)空間鏈路204的光通過透鏡418耦入0.9μm纖芯SMF420的方式。具體而言，陣列410中16塊透鏡418各自把光導(dǎo)入16個(gè)SMF420的各自一個(gè)，而SMF420由16個(gè)光纖安裝架中各自一個(gè)緊固(只示出4塊透鏡418、4個(gè)SMF420和4個(gè)光纖安裝架422)。9mm(45mmEFL)F/5透鏡418匹配0.9μm纖芯SMF420。舉個(gè)例說，SMF420可能具有0.20mr的瞬時(shí)視場(chǎng)(IFOV)。
由16個(gè)光纖安裝架422固定的16個(gè)SMF420組合成16∶1組合器424。由于16個(gè)接收機(jī)陣列410的每一個(gè)有一獨(dú)立的16∶1組合器424，所以用另一個(gè)16∶1組合器(未示出)組合16個(gè)16∶1組合器424的輸出，這樣就把密致光學(xué)組件402接收的光學(xué)耦合接到單一SMF，不用電-光轉(zhuǎn)換。
圖24示出跟蹤器414的一示例實(shí)施例。如上所述，跟蹤器414與密致光學(xué)組件402里的其它元件一起裝在萬向架(未示出)上。跟蹤器414和萬向架旋轉(zhuǎn)光學(xué)組件402，只需要一個(gè)跟蹤器。通過跟蹤器透鏡428接收的光被引導(dǎo)通過850nm濾波器430和場(chǎng)闌432，然后光撞擊用于檢測(cè)束位置的四心位置傳感器434。舉例說，四心位置傳感器430可以包括一個(gè)3-80mr全視場(chǎng)(FFOV)的850nm傳感器。
本發(fā)明目前較佳的諸實(shí)施例及其改進(jìn)已作了詳細(xì)描述，描述舉出了較佳的實(shí)例。本發(fā)明的范圍由下述諸權(quán)項(xiàng)限定，不必限于以上對(duì)該較佳實(shí)施例的詳述。
權(quán)利要求
1.一種接收來自自由場(chǎng)空間鏈路的光信號(hào)的方法，其特征在于，包括步驟接收來自自由場(chǎng)空間鏈路的光；把接收的光引導(dǎo)到多塊透鏡上；把通過每塊透鏡接收的光導(dǎo)入各單模光纖；在一條單模光纖中把所有各別單模光纖輸出的光束組合成單光束；用光學(xué)耦合至一條單模光纖的多波長(zhǎng)光纖放大器放大所述單光束；和把所述單光束導(dǎo)入光學(xué)耦合至多波長(zhǎng)光纖放大器的光纖通信系統(tǒng)。
2.如權(quán)利要求1的方法，其特征在于，還包括步驟用光學(xué)耦合至多波長(zhǎng)光纖放大器的可變光學(xué)衰減器衰減所述單光束。
3.如權(quán)利要求2的方法，其特征在于，還包括步驟控制多波長(zhǎng)光纖放大器的功率增益和可變光學(xué)衰減器提供的衰減量。
4.如權(quán)利要求1的方法，其中接收步驟包括用聚焦裝置接收來自自由場(chǎng)空間鏈路的光的步驟。
5.如權(quán)利要求4的方法，其中聚焦裝置包括望遠(yuǎn)鏡。
6.如權(quán)利要求1的方法，其中接收步驟包括用紅外窗接收來自自由場(chǎng)空間鏈路的光的步驟。
7.如權(quán)利要求6的方法，其中紅外窗包括850/1550納米(nm)的帶通濾波窗。
8.如權(quán)利要求1的方法，其中在光纖通信系統(tǒng)中傳送的光包括落在1550納米(nm)段內(nèi)的基本波長(zhǎng)。
9.如權(quán)利要求8的方法，其中接收自自由場(chǎng)空間鏈路的光和單光束都包括落在1550納米(nm)段內(nèi)的基本波長(zhǎng)。
10.一種接收來自自由場(chǎng)空間鏈路的光信號(hào)的光學(xué)接收機(jī)，其特征在于，包括多塊配置成接收來自自由場(chǎng)空間鏈路的光的透鏡；多條配置成分別接收來自各自一塊透鏡的光的單模光纖；組合級(jí)，配置成在一條單模光纖中將多條單模光纖輸出的光束組合成單光束；多波長(zhǎng)光纖放大器，光學(xué)耦合至一條單模光纖并配置成放大所述單光束；和把多波長(zhǎng)光纖放大器光學(xué)耦合至外部單模光纖的裝置。
11.如權(quán)利要求10的光學(xué)接收機(jī)，其特征在于，還包括一光學(xué)耦合至所述多波長(zhǎng)光纖放大器并配置成衰減所述單光束的可變光學(xué)衰減器。
12.如權(quán)利要求11的光學(xué)接收機(jī)，其特征在于，還包括一控制器，所述控制器配置成控制多波長(zhǎng)光纖放大器的功率增益和可變光學(xué)衰減器提供的衰減量。
13.如權(quán)利要求10的光學(xué)接收機(jī)，其特征在于，還包括一聚焦裝置，所述聚焦裝置配置成接收來自自由場(chǎng)空間鏈路的光并對(duì)多塊微透鏡提供所述接收的光。
14.如權(quán)利要求13的光學(xué)接收機(jī)，其中所述聚焦裝置包括望遠(yuǎn)鏡。
15.如權(quán)利要求10的光學(xué)接收機(jī)，其特征在于，還包括一紅外窗，所述紅外窗配置成接收來自自由場(chǎng)空間鏈路的光并對(duì)多塊微透鏡提供接收的光。
16.如權(quán)利要求15的光學(xué)接收機(jī)，其中所述紅外窗包括850/1550納米(nm)的帶通濾波窗。
17.如權(quán)利要求10的光學(xué)接收機(jī)，其中在單模光纖中傳送的光包括落在1550納米(nm)段內(nèi)的基本波長(zhǎng)。
18.如權(quán)利要求17的光學(xué)接收機(jī)，其中接收自自由場(chǎng)空間鏈路的光包括落在1550納米(nm)段內(nèi)的基本波長(zhǎng)。
19.一種通過自由場(chǎng)空間鏈路傳送光信號(hào)的方法，其特征在于，包括步驟從第一光纖導(dǎo)體接收用于長(zhǎng)距離光纖通信系統(tǒng)的預(yù)定基本波長(zhǎng)的第一光信號(hào)；用與第一光纖導(dǎo)體直線連接的光纖放大器放大預(yù)定基本波長(zhǎng)的第一光信號(hào)，形成放大的預(yù)定基本波長(zhǎng)的第一光信號(hào)；用光學(xué)耦合至所述光纖放大器的聚束元件引導(dǎo)所述放大的預(yù)定基本波長(zhǎng)的第一光信號(hào)通過自由場(chǎng)空間鏈路；和根據(jù)通過自由場(chǎng)空間鏈路接收的第二光信號(hào)，控制所述光纖放大器的功率增益。
20.如權(quán)利要求19的方法，其中控制光纖放大器的功率增益的步驟，還包括確定的第二光信號(hào)強(qiáng)度控制所述光纖放大器的功率增益的步驟。
21.如權(quán)利要求19的方法，其中控制光纖放大器的功率增益的步驟，還包括按包含在第二光信號(hào)里的控制信息控制光纖放大器的功率增益的步驟。
22.如權(quán)利要求19的方法，其中所述聚束元件用第二光纖導(dǎo)體光學(xué)耦合至光纖放大器。
23.如權(quán)利要求19的方法，其中預(yù)定基本波長(zhǎng)約為1.55微米(μm)。
24.一種通過自由場(chǎng)空間鏈路傳送光信號(hào)的光學(xué)收發(fā)機(jī)，其特征在于，包括第一光纖導(dǎo)體；與第一光纖導(dǎo)體直線連接的光纖放大器，配置成從第一光纖導(dǎo)體接收用于長(zhǎng)距離光纖通信系統(tǒng)的預(yù)定基本波長(zhǎng)的第一光信號(hào)，并放大其光信號(hào)功率，以形成放大的預(yù)定基本波長(zhǎng)的第一光信號(hào)；光學(xué)耦合至光纖放大器的聚束元件，配置成引導(dǎo)所述放大的預(yù)定基本波長(zhǎng)的第一光信號(hào)通過自由場(chǎng)空間鏈路；和控制器，配置成根據(jù)通過自由場(chǎng)空間鏈路接收的第二光信號(hào)控制所述光纖放大器的功率增益。
25.如權(quán)利要求24的光學(xué)收發(fā)機(jī)，其中所述控制器還配置在根據(jù)確定的第二光信號(hào)強(qiáng)度控制所述光纖放大器的功率增益。
26.如權(quán)利要求24的光學(xué)收發(fā)機(jī)，其中所述控制器還配置成根據(jù)包含在第二光信號(hào)里的控制信息控制所述光纖放大器的功率增益。
27.如權(quán)利要求24的光學(xué)收機(jī)，其中所述聚束元件用第二光纖導(dǎo)體光學(xué)耦合至所述光纖放大器。
28.如權(quán)利要求24的光學(xué)收發(fā)機(jī)，其中預(yù)定基本波長(zhǎng)約為1.55微米(μm)。
29.一種陸上光通信網(wǎng)，其特征在于，包括多條多波長(zhǎng)光纖放大器在其間光學(xué)耦合諸光信號(hào)的光纖鏈路和自由場(chǎng)空間鏈路，還包括一控制器，所述控制器配置成根據(jù)通過自由場(chǎng)空間鏈路之一接收的光信號(hào)控制至少一個(gè)所述多波長(zhǎng)光纖放大器的光功率增益。
30.如權(quán)利要求29所述的陸上光通信網(wǎng)，其中發(fā)射多波長(zhǎng)光纖放大器放大一傳輸光信號(hào)，再通過至少一條自由場(chǎng)空間鏈路進(jìn)行傳輸，而且把控制器接至所述發(fā)射多波長(zhǎng)光纖放大器，以控制所述發(fā)射多波長(zhǎng)光纖放大器的光功率增益，所述發(fā)射多波長(zhǎng)光纖放大器的光功率增益控制調(diào)節(jié)了通過一條自由場(chǎng)空間鏈路發(fā)射的所述傳輸光信號(hào)的光功率。
31.如權(quán)利要求30所述的陸上光通信網(wǎng)，其中所述控制器根據(jù)通過所述一條自由場(chǎng)空間鏈路接收的光信號(hào)所確定的光功率，控制所述發(fā)射多波長(zhǎng)光纖放大器的光功率增益。
32.如權(quán)利要求30所述的陸上光通信網(wǎng)，其中所述控制器根據(jù)在一條自由場(chǎng)空間鏈路發(fā)射所述傳輸光信號(hào)的相對(duì)端接收的光信號(hào)所確定的光功率，控制所述發(fā)射多波長(zhǎng)光纖放大器的光功率增益。
33.如權(quán)利要求30所述的陸上光通信網(wǎng)，其中所述控制器根據(jù)包含在接收的光信號(hào)里的控制信息，控制所述發(fā)射多波長(zhǎng)光纖放大器的光功率增益。
34.如權(quán)利要求29所述的陸上光通信網(wǎng)，其中接收多波長(zhǎng)光纖放大器在通過一條自由場(chǎng)空間鏈路接收光信號(hào)后對(duì)接收的光信號(hào)作放大，而所述控制器被接至所述接收多波長(zhǎng)光纖放大器以控制其光功率增益，所述接收多波長(zhǎng)光纖放大器的光功率增益控制調(diào)節(jié)了所述接收多波長(zhǎng)光纖放大器所提供的光信號(hào)的光功率。
35.如權(quán)利要求34所述的陸上光通信網(wǎng)，其中控制器根據(jù)在所述接收多波長(zhǎng)光纖放大器位置通過一條自由場(chǎng)空間鏈路接收的光信號(hào)所確定的光功率，控制所述接收多波長(zhǎng)光纖放大器的光功率增益。
36.如權(quán)利要求29所述的陸上光通信網(wǎng)，其中發(fā)射多波長(zhǎng)光纖放大器在傳輸光信號(hào)通過至少一條自由場(chǎng)空間鏈路傳輸之前對(duì)它作放大，而接收多波長(zhǎng)光纖放大器放大通過所述一條自由場(chǎng)空間鏈路接收之后的接收光信號(hào)，所述控制器則被接在發(fā)射多波長(zhǎng)光纖放大器以控制其光功率增益，并且被接在接收多波長(zhǎng)光纖放大器以控制其光功率增益，控制發(fā)射多波長(zhǎng)光纖放大器的光功率增益可調(diào)節(jié)所述發(fā)射多波長(zhǎng)光纖放大器通過所述一條自由場(chǎng)空間鏈路發(fā)射的傳輸光信號(hào)的光功率，控制接收多波長(zhǎng)光纖放大器的光功率增益可調(diào)節(jié)所述接收多波長(zhǎng)光纖放大器提供的接收光信號(hào)的光功率。
37.如權(quán)利要求36所述的陸上光通信網(wǎng)，其中控制器根據(jù)通過所述一條自由場(chǎng)空間鏈路接收的已確定的接收光信號(hào)的光功率，控制每個(gè)發(fā)射與接收多波長(zhǎng)光纖放大器的光功率增益。
38.如權(quán)利要求36所述的陸上光通信網(wǎng)，其中控制器根據(jù)包含在接收光信號(hào)里的控制信息，控制發(fā)射多波長(zhǎng)光纖放大器的光功率增益。
39.如權(quán)利要求29所述的陸上光通信網(wǎng)，其特征在于，還包括通過自由場(chǎng)空間鏈路發(fā)射和接收光信號(hào)的收發(fā)機(jī)和一連接至少一條自由場(chǎng)空間鏈路的收發(fā)機(jī)的位置調(diào)整機(jī)構(gòu)，所述調(diào)整機(jī)構(gòu)用于調(diào)整所述收發(fā)機(jī)相對(duì)于通過所述一條自由場(chǎng)空間鏈路發(fā)射的光信號(hào)的物理位置。
40.如權(quán)利要求39所述的陸上光通信網(wǎng)，其中所述物理位置由所述收發(fā)機(jī)通過一條自由場(chǎng)空間鏈路接收的接收光信號(hào)已確定的功率確定。
41.如權(quán)利要求39所述的陸上光通信網(wǎng)，其中所述物理位置根據(jù)位于自由場(chǎng)空間鏈路相對(duì)端的收發(fā)機(jī)通過所述一條自由場(chǎng)空間鏈路以光學(xué)方法發(fā)射的位置控制信息確定。
42.如權(quán)利要求39所述的陸上光通信網(wǎng)，其中收發(fā)機(jī)包括一發(fā)射多波長(zhǎng)光纖放大器，對(duì)通過至少一條自由場(chǎng)空間鏈路傳輸之前的傳輸光信號(hào)作放大，而連接發(fā)射多波長(zhǎng)光纖放大器的控制器根據(jù)通過所述一條自由場(chǎng)空間鏈路接收的接收光信號(hào)已確定的光功率，控制發(fā)射多波長(zhǎng)光纖放大器的光功率增益，并調(diào)節(jié)發(fā)射多波長(zhǎng)光纖放大器通過所述一條自由場(chǎng)空間鏈路發(fā)射的傳輸光信號(hào)的光功率。
43.如權(quán)利要求39所述的陸上光通信網(wǎng)，其中收發(fā)機(jī)包括對(duì)傳輸光信號(hào)在通過至少一條自由場(chǎng)空間鏈路傳輸之前作放大的發(fā)射多波長(zhǎng)光纖放大器和對(duì)接收光信號(hào)在其通過所述一條自由場(chǎng)空間鏈路接收之后作放大的接收多波長(zhǎng)光纖放大器，控制器接至所述發(fā)射與接收多波長(zhǎng)光纖放大器，控制器控制發(fā)射多波長(zhǎng)光纖放大器的光功率增益以調(diào)節(jié)其通過一條自由場(chǎng)空間鏈路所發(fā)射的傳輸光信號(hào)的光功率，控制器控制接收多波長(zhǎng)光纖放大器的光功率增益以調(diào)節(jié)其提供的接收光信號(hào)的光功率增益，控制器根據(jù)通過一條自由場(chǎng)空間鏈路接收的接收光信號(hào)已確定的光功率，控制發(fā)射和接收多波長(zhǎng)光纖放大器中至少一個(gè)的光功率增益。
44.如權(quán)利要求29所述的陸上光通信網(wǎng)，其特征在于，還包括一位于至少一條自由場(chǎng)空間鏈路里的轉(zhuǎn)發(fā)器，所述轉(zhuǎn)發(fā)器包括若干多波長(zhǎng)光纖放大器，用于放大通過自由場(chǎng)空間鏈路傳導(dǎo)的光信號(hào)的功率。
45.如權(quán)利要求29所述的陸上通信網(wǎng)，其特征在于，還包括至少一個(gè)連接多條鏈路的路由轉(zhuǎn)換器，所述路由轉(zhuǎn)換器包括若干多波長(zhǎng)光纖放大器，用于把來自與路由轉(zhuǎn)換器相接的鏈路之一的光信號(hào)光學(xué)耦合至另一條接路由轉(zhuǎn)換的鏈路。
46.如權(quán)利要求29所述的陸上光通信網(wǎng)，其特征在于，每條鏈路的終端還包括一發(fā)射多波長(zhǎng)光纖放大器和一接收多波長(zhǎng)光纖放大器，而接至所述發(fā)射或接收多波長(zhǎng)光纖放大器中至少一個(gè)的控制器控制所述被連接的多波長(zhǎng)光纖放大器，而且其中通過鏈路傳送的光信號(hào)含有被控制器接收并用來管理被連接多波長(zhǎng)光纖放大器的操作的信息。
47.如權(quán)利要求29所述的陸上光通信網(wǎng)，其中多波長(zhǎng)光纖放大器通過光纖鏈路和自由場(chǎng)空間鏈路傳送同一預(yù)定基本波長(zhǎng)的光信號(hào)，而所述預(yù)定基本波長(zhǎng)就是多波長(zhǎng)光纖放大器的基本工作波長(zhǎng)。
48.如權(quán)利要求29所述的陸上光通信網(wǎng)，其中至少一條光纖鏈路還包括一部分長(zhǎng)距離光纖通信系統(tǒng)。
49.如權(quán)利要求29所述的陸上光通信網(wǎng)，其中所述多波長(zhǎng)光纖放大器包括摻鉺光纖放大器(EDFA)。
50.如權(quán)利要求49所述的陸上光通信網(wǎng)，其中EDFA還摻碲(Te)。
51.一種陸上光通信方法，其特征在于，包括步驟建立多條在其間傳送光信號(hào)的光纖鏈路和自由場(chǎng)空間鏈路；在光纖鏈路與自由場(chǎng)空間鏈路之間光學(xué)耦合光信號(hào)，不作電-光轉(zhuǎn)換；和根據(jù)通過自由場(chǎng)空間鏈路接收的接收光信號(hào)，控制通過自由場(chǎng)空間鏈路之一發(fā)射的傳輸光信號(hào)的光功率。
52.如權(quán)利要求51所述的陸上光通信方法，其中光學(xué)耦合光信號(hào)而不作電-光轉(zhuǎn)換的步驟，包括在光纖鏈路與自由場(chǎng)空間鏈路之間用多波長(zhǎng)光纖放大器光學(xué)耦合光信號(hào)。
53.如權(quán)利要求51所述的陸上光通信方法，其特征在于，還包括用發(fā)射多波長(zhǎng)光纖放大器放大通過自由場(chǎng)空間鏈路傳輸之前的傳輸信號(hào)的步驟，而且其中的控制步驟還包括控制發(fā)射多波長(zhǎng)光纖放大器的光功率增益以調(diào)節(jié)通過自由場(chǎng)空間鏈路發(fā)射的傳輸光信號(hào)的光功率的步驟。
54.如權(quán)利要求53所述的陸上光通信方法，其中控制步驟還包括根據(jù)接收光信號(hào)已確定的光功率控制發(fā)射多波長(zhǎng)光纖放大器的光功率增益的步驟。
55.如權(quán)利要求53所述的陸上光通信方法，其中控制步驟還包括根據(jù)包含在接收光信號(hào)里的控制信息控制發(fā)射多波長(zhǎng)光纖放大器的光功率增益的步驟。
56.如權(quán)利要求51所述的陸上光通信方法，其特征在于，還包括用接收多波長(zhǎng)光纖放大器放大通過自由場(chǎng)空間鏈路接收后的接收光信號(hào)的步驟，其中控制步驟還包括控制所述接收多波長(zhǎng)光纖放大器的光功率增益以調(diào)節(jié)接收光信號(hào)的光功率的步驟。
57.如權(quán)利要求51所述的陸上光通信方法，其中控制步驟還包括步驟放大通過自由場(chǎng)空間鏈路傳輸之前的傳輸光信號(hào)；檢測(cè)通過自由場(chǎng)空間鏈路接收的接收光信號(hào)的光功率；根據(jù)檢測(cè)的接收光信號(hào)的光功率，調(diào)節(jié)傳輸光信號(hào)的光功率。
58.如權(quán)利要求57所述的陸上光通信方法，其中控制步驟還包括步驟放大通過自由場(chǎng)空間鏈路接收的被提供使用之前的接收光信號(hào)。
59.如權(quán)利要求51所述的陸上光通信方法，其特征在于，還包括步驟定位自由場(chǎng)空間鏈路一端的收發(fā)機(jī)；和根據(jù)所述收發(fā)機(jī)通過所述自由場(chǎng)空間鏈路接收的接收光信號(hào)控制調(diào)整機(jī)構(gòu)，調(diào)整所述收發(fā)機(jī)相對(duì)于自由場(chǎng)空間鏈路的光信號(hào)通路的物理位置，以便用多波長(zhǎng)光纖放大器優(yōu)化所述自由場(chǎng)空間鏈路所提供的功率量。
60.如權(quán)利要求52所述的陸上光通信方法，其中多波長(zhǎng)光纖放大器包括摻鉺包括放大器(EDFA)。
61.如權(quán)利要求60所述的陸上光通信方法，其中EDFA還摻有碲(Te)。
全文摘要
通過把接收的光引導(dǎo)到多塊微透鏡再導(dǎo)入各自的單模光纖(SMF)，接收來自自由場(chǎng)空間鏈路的光信號(hào)。在一條SMF中把來自諸SMF的光束合成單光束，該單光束用多波長(zhǎng)光纖放大器放大，用可變光學(xué)衰減速器衰減，再導(dǎo)入光纖通信系統(tǒng)而不用電－光轉(zhuǎn)換。光信號(hào)在光通信網(wǎng)的自由場(chǎng)空間鏈路與光纖鏈路之間光學(xué)耦合。根據(jù)在鏈路發(fā)射與接收端接收的信號(hào)，控制發(fā)射與接收多波長(zhǎng)光纖放大器的光學(xué)增益。可在各鏈路頭站之間以光學(xué)方法傳送控制、狀態(tài)和管理信息。
文檔編號(hào)H04Q11/00GK1524359SQ01823430
公開日2004年8月25日 申請(qǐng)日期2001年5月7日 優(yōu)先權(quán)日2001年5月4日
發(fā)明者H·維利布蘭德, H 維利布蘭德, G·R·克拉克, 克拉克 申請(qǐng)人:光點(diǎn)通訊有限公司