專利名稱：用于具有自適應(yīng)光學(xué)器件的自由空間光通信系統(tǒng)的組合波前傳感器和數(shù)據(jù)探測(cè)器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及自由空間光通信領(lǐng)域。更具體地說(shuō)，本發(fā)明涉及使用自適應(yīng)光學(xué)器件(例如包括傾斜(tip/tilt)校正)作為對(duì)自由空間光通信鏈路的增強(qiáng)。
背景技術(shù)：
隨著技術(shù)的新發(fā)展，日益關(guān)心把自由空間光通信用于各種應(yīng)用。例如，目前的多數(shù)電信基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)以通過(guò)光纖的光信號(hào)的傳輸為基礎(chǔ)。雖然光纖的使用已增大了數(shù)據(jù)傳輸?shù)娜萘亢托?，不過(guò)仍然存在新光纖的敷設(shè)并不是最佳解決方案的許多情形。從而，關(guān)心通過(guò)經(jīng)大氣的自由空間傳輸光信號(hào)，擴(kuò)大電信基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)。
自由空間光通信鏈路也可有利地用在電信基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)之外的應(yīng)用中。和其它通信技術(shù)相比，自由空間光通信鏈路可具有更高的移動(dòng)性和較小的尺寸，更好的方向性(例如更難以截取)，更快的架設(shè)和拆卸，和/或適合于一個(gè)或兩個(gè)收發(fā)器都在移動(dòng)的情況的優(yōu)點(diǎn)。從而，自由空間光通信鏈路可用在許多不同的情況中，包括在機(jī)載，艦載，太空和/或陸地狀況下使用。
但是，在許多這些潛在的應(yīng)用中，自由空間光通信存在光學(xué)畸變的問(wèn)題。例如，大氣條件的改變會(huì)顯著影響自由空間光通信系統(tǒng)的精度、可靠性和效率。風(fēng)、熱浪、人造污染物和其它影響會(huì)產(chǎn)生持續(xù)變化的畸變。這又會(huì)降低可在接收器獲得的光信號(hào)的質(zhì)量，導(dǎo)致通信信道的整體質(zhì)量和效率的降低。
自適應(yīng)光學(xué)器件能夠補(bǔ)償這些畸變，從而改進(jìn)自由空間光通信鏈路的性能。但是，目前的具有自適應(yīng)光學(xué)能力的自由空間光通信鏈路一般使用獨(dú)立的檢測(cè)器進(jìn)行數(shù)據(jù)探測(cè)和波前檢測(cè)。輸入的光束一般由分光器分開(kāi)，一部分被引向數(shù)據(jù)探測(cè)器，另一部分被引向波前傳感器。但是，這要求數(shù)據(jù)探測(cè)器和波前傳感器準(zhǔn)確地相互配準(zhǔn)。兩個(gè)獨(dú)立探測(cè)器的使用和由此引起的配準(zhǔn)要求增大了整個(gè)系統(tǒng)的成本和復(fù)雜性，并且還降低了系統(tǒng)的可靠性。
從而，對(duì)于自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，消除對(duì)兩個(gè)獨(dú)立探測(cè)器的需要應(yīng)是有利的。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明通過(guò)提供其中一起實(shí)現(xiàn)波前檢測(cè)和數(shù)據(jù)探測(cè)的自適應(yīng)光學(xué)模塊，克服了現(xiàn)有技術(shù)的限制。在一個(gè)實(shí)施例中，這樣的設(shè)備包括與分離模塊耦接的光電轉(zhuǎn)換器。光電轉(zhuǎn)換器把數(shù)據(jù)編碼光束轉(zhuǎn)換成中間電信號(hào)，中間電信號(hào)既包含在光束中編碼的數(shù)據(jù)，又包含關(guān)于光束的波前信息。分離模塊根據(jù)中間電信號(hào)產(chǎn)生波前電信號(hào)和數(shù)據(jù)電信號(hào)。波前電信號(hào)包含波前信息，數(shù)據(jù)電信號(hào)包含數(shù)據(jù)。
在一種方法中，波前信息和數(shù)據(jù)在中間電信號(hào)內(nèi)以頻率分離。例如，波前信息可位于比數(shù)據(jù)所位于的頻率低的頻率。分離模塊通過(guò)使用調(diào)諧電路/濾波器或者電分頻網(wǎng)絡(luò)，根據(jù)頻率分離波前信息和數(shù)據(jù)。
在一個(gè)實(shí)施例中，光電轉(zhuǎn)換器包括多個(gè)探測(cè)器元件。每個(gè)探測(cè)器元件接收光束的一個(gè)子孔徑部分，并將其轉(zhuǎn)換成中間電信號(hào)。中間電信號(hào)被組合以便進(jìn)行數(shù)據(jù)探測(cè)，并被單獨(dú)處理以便進(jìn)行波前檢測(cè)。
在一個(gè)特殊的實(shí)施例中，自適應(yīng)光學(xué)模塊使用可變形曲率反射鏡來(lái)補(bǔ)償畸變。例如，可變形曲率反射鏡可以是具有電極段圖案的電阻材料的夾層結(jié)構(gòu)。通過(guò)對(duì)電極段應(yīng)用不同的電壓，使夾層結(jié)構(gòu)變形。組合的波前/數(shù)據(jù)傳感器包括一個(gè)分段探測(cè)器，可變形曲率反射鏡被成像到分段探測(cè)器上。在一個(gè)實(shí)施例中，探測(cè)器中的每個(gè)段對(duì)應(yīng)于可變形曲率反射鏡上的電極段之一。位于可變形曲率反射鏡和分段探測(cè)器之間的焦平面的膜反射鏡以抖動(dòng)頻率振動(dòng)，從而把焦點(diǎn)抖動(dòng)引入光學(xué)系統(tǒng)中。分頻網(wǎng)絡(luò)從分段探測(cè)器接收中間電信號(hào)，并根據(jù)頻率把波前信息(它位于抖動(dòng)頻率周圍)和數(shù)據(jù)(它位于遠(yuǎn)大于抖動(dòng)頻率的頻率下)分開(kāi)。
本發(fā)明的其它方面包括自適應(yīng)光學(xué)模塊，收發(fā)器和FSO通信鏈路和使用上述設(shè)備的系統(tǒng)，以及對(duì)應(yīng)于上述全部的方法。


結(jié)合附圖，根據(jù)本發(fā)明的下述詳細(xì)說(shuō)明以及附加的權(quán)利要求，本發(fā)明的其它優(yōu)點(diǎn)和特征將變得顯而易見(jiàn)，其中圖1圖解說(shuō)明適合于本發(fā)明的自由空間光通信系統(tǒng)。
圖2圖解說(shuō)明適合本發(fā)明的另一自由空間光通信系統(tǒng)。
圖3圖解說(shuō)明適合本發(fā)明的又一自由空間光通信系統(tǒng)。
圖4圖解說(shuō)明根據(jù)本發(fā)明的自適應(yīng)光學(xué)模塊。
圖5是圖解說(shuō)明波前信息和數(shù)據(jù)的頻率分離的能譜。
圖6是分離模塊的一個(gè)例子的電路圖。
圖7是分離模塊的另一例子的電路圖。
圖8圖解說(shuō)明圖4的自適應(yīng)光學(xué)模塊的一種實(shí)現(xiàn)。
圖9A-9C是不同的分頻網(wǎng)絡(luò)的電路圖。
具體實(shí)施例方式
圖1-圖解說(shuō)明使用自適應(yīng)光學(xué)器件的自由空間光(FSO)通信系統(tǒng)的例子。圖1中的FSO通信系統(tǒng)被用于通過(guò)FSO數(shù)據(jù)鏈路150，把數(shù)據(jù)從機(jī)載發(fā)射器110傳送給陸上的接收器120，接收器120可以是固定的或者移動(dòng)的。為了方便起見(jiàn)，術(shù)語(yǔ)“收發(fā)器”將被用于表示只發(fā)射的模塊110，只接收的模塊120，以及既發(fā)射又接收的模塊。
每個(gè)收發(fā)器110、120包括指向另一收發(fā)器的望遠(yuǎn)鏡(telescope)。發(fā)射望遠(yuǎn)鏡110一般包括跟蹤接收望遠(yuǎn)鏡120并把光束150引向接收望遠(yuǎn)鏡120的組件。接收望遠(yuǎn)鏡120一般包括追隨發(fā)射望遠(yuǎn)鏡110，并接收來(lái)自發(fā)射望遠(yuǎn)鏡110的光束150的組件?？捎糜谶@些用途的組件的例子包括轉(zhuǎn)向反射鏡，機(jī)械萬(wàn)向節(jié)，跟蹤機(jī)構(gòu)和控制回路，自動(dòng)聚焦和變焦能力。
FSO通信鏈路150會(huì)因時(shí)變畸變(aberration)而受到損害。例如，對(duì)于許多應(yīng)用來(lái)說(shuō)，大氣的影響是畸變的主要來(lái)源。大氣的密度一般隨著時(shí)間和空間而變化，對(duì)于湍流區(qū)(cell)來(lái)說(shuō)，一般以大約1kHz或小于1kHz的速率變化。作為結(jié)果引起的畸變會(huì)導(dǎo)致有害的影響，例如導(dǎo)致光束漂移的發(fā)散，在接收器120的閃爍圖案和退化的波前。
在圖1的例子中，這些畸變被位于接收器120的自適應(yīng)光學(xué)模塊(adaptive optics module)125部分或者完全校正。自適應(yīng)光學(xué)模塊125校正輸入(incoming)光的波前(wavefront)，這又便于在接收器處置光束。一般通過(guò)直接測(cè)量輸入光束150的波前(通常在校正之后)，確定自適應(yīng)光學(xué)模塊125施加的波前校正，雖然也可使用估計(jì)畸變或輸入波前的其它方法。自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)施加的校正的水平通常被稱為自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)的等級(jí)(order)。例如，術(shù)語(yǔ)第一級(jí)自適應(yīng)光學(xué)器件將被用于表示校正傾斜和/或低級(jí)畸變(例如活塞(piston))，而不是校正散焦或高級(jí)畸變的自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)。術(shù)語(yǔ)高級(jí)自適應(yīng)光學(xué)器件將被用于表示校正散焦和/或高級(jí)畸變的自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)。
圖2圖解說(shuō)明利用自適應(yīng)光學(xué)器件的另一FSO通信系統(tǒng)。在本例中，F(xiàn)SO通信系統(tǒng)用在城市環(huán)境中，發(fā)射器210和接收器220位于兩座建筑物的屋頂上。圖2表示不同高度的建筑物，汽車，道路，樹(shù)和一座建筑上的煙囪，它們產(chǎn)生不同的大氣條件。雨、霧、煙等降低發(fā)射光的強(qiáng)度。諸如太陽(yáng)引起的和建筑物產(chǎn)生的熱浪，除了由氣象條件引起的正常大氣畸變之外，空調(diào)排放，熱交換器排放，汽車排氣等產(chǎn)生沿著光學(xué)鏈路250的畸變。在鄉(xiāng)村應(yīng)用中，不斷變化的地形和植被會(huì)影響沿著光學(xué)鏈路250的畸變。
在圖2中，每個(gè)收發(fā)器210、220包括自適應(yīng)光學(xué)模塊215、225，以便減輕否則會(huì)對(duì)數(shù)據(jù)編碼光波的發(fā)射和接收產(chǎn)生不利影響的大氣條件。在發(fā)射器210中，自適應(yīng)光學(xué)器件215預(yù)校正輸出(outgoing)光的波前。該預(yù)校正降低在接收器220的光束漂移和閃爍圖案，從而增大在接收器220入射的光線的數(shù)量，還改進(jìn)接收的光束的波前質(zhì)量。在接收器220，自適應(yīng)光學(xué)器件225校正接收波前中的畸變，從而改進(jìn)在接收器的圖像質(zhì)量和/或收集效率。
在接收器220，根據(jù)輸入光束250的波前，確定自適應(yīng)光學(xué)模塊225施加的波前校正。反傳播(counter-propagating)的探測(cè)光束260被用于位于發(fā)射器210的自適應(yīng)光學(xué)模塊215。探測(cè)光束260沿著幾乎與初始的數(shù)據(jù)編碼光束250相同的光路反向傳播。它可以具有與初始光束250相同或不同的波長(zhǎng)。探測(cè)光束260經(jīng)歷基本和初始光束250相同的畸變，自適應(yīng)光學(xué)模塊215施加的預(yù)校正以探測(cè)光束260的波前為基礎(chǔ)。按照類似的方式，共同傳播的探測(cè)光束(圖2中未示出)可在接收器225被用作校正初始光束250的波前的基礎(chǔ)，而不是使用初始光束250本身。
在圖2的雙端接校正系統(tǒng)中，兩個(gè)自適應(yīng)光學(xué)模塊215、225在某些條件下可能不希望地交互作用。在減輕這種影響的一種方法中，特征傳播距離可被定義為z0＝πσ2/λ，其中σ是投射光束(在本例中假定為高斯投射光束)的寬度，λ是波長(zhǎng)。例如，就4厘米的光束寬度和1.55微米的波長(zhǎng)來(lái)說(shuō)，特征傳播距離接近3公里。對(duì)于小于特征傳播距離的鏈路距離，相位信息可從發(fā)射器210傳播到接收器220，產(chǎn)生通過(guò)這兩個(gè)自適應(yīng)光學(xué)模塊215、225的反饋路徑，并且可能在自適應(yīng)光學(xué)模塊中導(dǎo)致不穩(wěn)定性。通過(guò)利用例如變焦光學(xué)器件減小發(fā)射光束的尺寸，能夠降低這種影響。另一方面，發(fā)射器210和發(fā)射器220之間的差量焦點(diǎn)可被用于確保接收望遠(yuǎn)鏡的孔徑不會(huì)顯著未充滿。在大于特征傳播距離的鏈路距離下，位于發(fā)射器210的相位變化通常被轉(zhuǎn)換成位于接收器220的振幅變化，同時(shí)數(shù)據(jù)信號(hào)強(qiáng)度成距離平方地下降。從而，在這些更長(zhǎng)的鏈路距離下，相位不穩(wěn)定性問(wèn)題不大。
在短于特征傳播距離的鏈路距離下發(fā)生的第二種影響是光瞳(pupil)照明可能變得不均勻。一種補(bǔ)救方法是調(diào)整發(fā)射望遠(yuǎn)鏡210的焦點(diǎn)，以便擴(kuò)展初始光束250的光瞳照明。
圖1和2中的通信鏈路150、250被表示成單向的。兩個(gè)獨(dú)立的單向系統(tǒng)可被用于產(chǎn)生一個(gè)雙向系統(tǒng)。更經(jīng)濟(jì)的是，例如通過(guò)在每個(gè)收發(fā)器210、220既設(shè)置數(shù)據(jù)源(例如調(diào)制激光器或者光纖饋送)和數(shù)據(jù)接收器(例如光電探測(cè)器或者輸出光纖)，并且共享許多相同的望遠(yuǎn)鏡光學(xué)器件，包括自適應(yīng)光學(xué)校正，每個(gè)位置的發(fā)射器和接收器可被組合成單個(gè)單元。
例如，在圖2中，光束260也可用數(shù)據(jù)編碼。隨后，對(duì)于從210到220的數(shù)據(jù)傳輸，收發(fā)器210是發(fā)射器，光束250是數(shù)據(jù)編碼的初始光束，光束260是探測(cè)光束，收發(fā)器220是接收器。在相反方向上，收發(fā)器220是發(fā)射器，光束260是數(shù)據(jù)編碼初始光束，光束250是探測(cè)光束，收發(fā)器210是接收器。注意每個(gè)光束250、260起兩個(gè)用途。它是一個(gè)方向上的數(shù)據(jù)編碼初始光束，以及另一方向上的探測(cè)光束。一種備用實(shí)現(xiàn)使用四個(gè)光束兩個(gè)數(shù)據(jù)編碼光束和兩個(gè)探測(cè)光束，所有四個(gè)光束都在兩個(gè)收發(fā)器210、220共用相同的望遠(yuǎn)鏡光學(xué)器件。
圖3圖解說(shuō)明使用自適應(yīng)光學(xué)器件的另一FSO通信系統(tǒng)。本例使用調(diào)制后(retro)反射器330。發(fā)射器310把光束350A傳輸給后反射器330。后反射器330的調(diào)制把數(shù)據(jù)編碼到光束上，后反射器330把數(shù)據(jù)編碼的光束350B反射回起源310的附近。在一種實(shí)現(xiàn)中，相同的望遠(yuǎn)鏡310接收返回光束350B。但是在許多應(yīng)用中，后反射器330尺寸有限，并且返回光束350B的衍射受限光斑尺寸顯著大于望遠(yuǎn)鏡孔徑的尺寸。從而，一個(gè)獨(dú)立的望遠(yuǎn)鏡320可被用作接收器，如圖3中所示。另一方面，后反射器330可由不是向后的反射器替換。自適應(yīng)光學(xué)模塊可用在任意一個(gè)或者這兩個(gè)望遠(yuǎn)鏡中(以及用在后反射器中)從而預(yù)校正或后校正光束350，通信鏈路可以是單向的或者雙向的。
圖1-3只是例子。其它應(yīng)用將是明顯的。此外，波長(zhǎng)、數(shù)據(jù)速率、鏈路距離、望遠(yuǎn)鏡設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)源和光源的選擇，數(shù)據(jù)接收器和其它設(shè)計(jì)選擇將取決于應(yīng)用。FSO通信鏈路本身能夠根據(jù)應(yīng)用而顯著變化。在一種應(yīng)用中，兩個(gè)收發(fā)器都是地面收發(fā)器，鏈路主要沿著地球的表面。例子包括城市環(huán)境、鄉(xiāng)村環(huán)境中的鏈路或跨越水體的鏈路。在其它應(yīng)用中，鏈路可以是地對(duì)空或空對(duì)地(例如地面站和飛機(jī)之間的)鏈路，或者空對(duì)空(例如飛機(jī)之間的)鏈路。FSO通信系統(tǒng)也可以是單向的或者雙向的，并利用單端接或雙端接自適應(yīng)光學(xué)校正。這里描述的原理適用于這些情形。
通過(guò)實(shí)驗(yàn)證明了高達(dá)100Gbps和27km的數(shù)據(jù)速率和距離，不過(guò)根據(jù)應(yīng)用，數(shù)據(jù)速率和距離的不同組合可能是適當(dāng)?shù)摹?.55微米波長(zhǎng)范圍中的波長(zhǎng)目前優(yōu)選用于電信應(yīng)用，不過(guò)也可使用其它波長(zhǎng)，在某些大氣條件下或者地于其它類型的應(yīng)用甚至是優(yōu)選的。例如，1.3微米波長(zhǎng)范圍在單波長(zhǎng)模式下表現(xiàn)良好。諸如“光學(xué)”或“光”之類的術(shù)語(yǔ)并不意圖局限于任意一個(gè)特定的波長(zhǎng)范圍。它們也并不意圖局限于電磁波頻譜的可見(jiàn)光范圍。
任何數(shù)目的源可被用于數(shù)據(jù)編碼光束。例如，傳送數(shù)據(jù)編碼光學(xué)信號(hào)的光纖可被直接耦接到發(fā)射望遠(yuǎn)鏡。如果數(shù)據(jù)信號(hào)是電信號(hào)，那么可進(jìn)行電-光轉(zhuǎn)換。例如，電數(shù)據(jù)可被用于內(nèi)部調(diào)制激光二極管(或者其它光源)。另一方面，來(lái)自激光器(或者其它光源)的光束可經(jīng)過(guò)例如Mach-Zender調(diào)制器被電數(shù)據(jù)外部調(diào)制。如果數(shù)據(jù)信號(hào)是光學(xué)信號(hào)，但是具有和當(dāng)前系統(tǒng)不兼容的波長(zhǎng)，那么可進(jìn)行波長(zhǎng)變換，例如從1.3微米波長(zhǎng)范圍變換到1.55微米波長(zhǎng)范圍。波長(zhǎng)變換可由光學(xué)裝置(例如基于非線性光學(xué)現(xiàn)象)或者由光-電-光裝置完成。
在接收器，可按照許多不同的方式處理或重發(fā)接收的光束。例如，一些輸入光可被直接耦接到輸出光纖中。另一方面，它可由光電探測(cè)器或者其它光-電轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成電形式。作為最后的例子，它可被放大并耦接到另一FSO通信鏈路中以便進(jìn)一步傳輸。
自適應(yīng)光學(xué)模塊本身還可具有不同水平的復(fù)雜化。在簡(jiǎn)單的應(yīng)用中，僅僅具有或不具有焦點(diǎn)的傾斜校正可能就已足夠。在要求更高的應(yīng)用中，可實(shí)現(xiàn)高級(jí)畸變的校正。簡(jiǎn)單的第一級(jí)自適應(yīng)光學(xué)校正，例如傾斜校正可由諸如轉(zhuǎn)向反射鏡之類的其它組件實(shí)現(xiàn)或增大，讓自適應(yīng)光學(xué)模塊校正高級(jí)畸變。
望遠(yuǎn)鏡光學(xué)器件也可變化?？梢允褂谜凵?、反射或混合設(shè)計(jì)。在一些應(yīng)用(例如短距離應(yīng)用)中，望遠(yuǎn)鏡可能不是必需的。另一方面，除望遠(yuǎn)鏡之外的收集光學(xué)器件是適當(dāng)?shù)?。在J.Elon Graves和Malcolm J.Northcott于2001年6月16日提交的美國(guó)專利申請(qǐng)No.09/892913，“Atmospheric Optical Data Transmission System”中描述了使用自適應(yīng)光學(xué)器件的FSO通信系統(tǒng)的其它例子，該專利申請(qǐng)?jiān)诖艘秊閰⒖肌?br> 圖4圖解說(shuō)明根據(jù)本發(fā)明的自適應(yīng)光學(xué)模塊。該系統(tǒng)包括望遠(yuǎn)鏡410(由圖4中的透鏡418表示)，可變相位設(shè)備424以及充當(dāng)波前傳感器和數(shù)據(jù)探測(cè)器的設(shè)備420。可變相位設(shè)備424和波前/數(shù)據(jù)傳感器420位于望遠(yuǎn)鏡的光路中，波前/數(shù)據(jù)傳感器420在可變相位設(shè)備424的下游。該系統(tǒng)還包括進(jìn)行發(fā)射的數(shù)據(jù)源440。在本例中，該系統(tǒng)還包括光束轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)416，例如傾斜反射鏡。
在接收方向上，系統(tǒng)把來(lái)自遠(yuǎn)程源(例如來(lái)自發(fā)射望遠(yuǎn)鏡)的光451收集到波前/數(shù)據(jù)傳感器420?？勺兿辔辉O(shè)備424和波前/數(shù)據(jù)傳感器420形成補(bǔ)償沿著FSO通信鏈路的畸變的自適應(yīng)光學(xué)回路。可變相位設(shè)備424引入補(bǔ)償不希望的畸變的影響的可調(diào)相位，從而降低波前中的殘余畸變。可變相位設(shè)備424的例子包括可變形反射鏡，液晶設(shè)備，MEMS反射鏡，聲-光、熱-光、磁-光和電-光調(diào)制器，大圖像投射器(eidophors)和光寫光激活(optically written optically active)材料。波前/數(shù)據(jù)傳感器420的波前檢測(cè)部分測(cè)量畸變或殘余畸變的實(shí)際量，并控制模塊422把相應(yīng)的控制信號(hào)發(fā)送給可變相位設(shè)備424。這樣，可關(guān)于畸變校正輸入光束的波前，在波前/數(shù)據(jù)傳感器420的數(shù)據(jù)探測(cè)部分得到更好的圖像質(zhì)量和/或收集效率。
在發(fā)射方向上，源440產(chǎn)生光束，該光束將通過(guò)和接收的光束相同的FSO通信鏈路被發(fā)射。來(lái)自源440的光束被可變相位設(shè)備424預(yù)校正。這增大了入射在接收望遠(yuǎn)鏡上的能量的數(shù)量，并且還可降低閃爍效應(yīng)。注意接收光束和發(fā)射光束傳播的光路的大部分是相同的。從而，相同的自適應(yīng)光學(xué)校正既可被用于對(duì)接收光束進(jìn)行后校正，又可被用于地發(fā)射光束進(jìn)行預(yù)校正。
在閉環(huán)操作中，自適應(yīng)光學(xué)器件最好以明顯高于沿著光路的畸變的變化速率的速率，例如最好以快約10倍或更高倍數(shù)的速率校正波前。如果畸變主要由大氣條件引起，那么可變相位設(shè)備424最好以大約10kHz或更大的速率進(jìn)行調(diào)整，因?yàn)榇髿庵械耐牧魑^(qū)以大約1kHz或更小的速率變化。
現(xiàn)在說(shuō)明組合的波前/數(shù)據(jù)傳感器420，傳感器420包括與分離模塊428耦接的光-電轉(zhuǎn)換器427。光-電轉(zhuǎn)換器427的例子包括光電探測(cè)器和相干探測(cè)器(例如與輸入光束混合，隨后被探測(cè)的光學(xué)本地振蕩器)。光-電轉(zhuǎn)換器427把輸入光束轉(zhuǎn)換成電形式。所得到的電信號(hào)將被稱為中間電信號(hào)。該中間電信號(hào)既包含在光束上編碼的數(shù)據(jù)，又包含與光束的波前相關(guān)的波前信息。分離模塊428接收中間電信號(hào)，并產(chǎn)生包含波前信息的波前電信號(hào)和包含數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)電信號(hào)?？刂颇K422根據(jù)波前電信號(hào)控制可變相位設(shè)備424。數(shù)據(jù)電信號(hào)可被處理以便恢復(fù)數(shù)據(jù)。
圖4中所示的結(jié)構(gòu)只是組合波前/數(shù)據(jù)傳感器420的一個(gè)例子。也可以使用其它設(shè)計(jì)。在一個(gè)備選方案中，輸入光束包括不同波長(zhǎng)的包含信息的初始光束和共同傳播探測(cè)光束。組合波前/數(shù)據(jù)傳感器420包括多層或復(fù)合探測(cè)器，它包括對(duì)不同波長(zhǎng)敏感的不同探測(cè)器層。例如，頂層可包含對(duì)探測(cè)光束波長(zhǎng)敏感的探測(cè)器元件，底層可包含對(duì)初始光束的波長(zhǎng)敏感的探測(cè)器元件。來(lái)自頂層的電信號(hào)從而包含波前信息，來(lái)自底層的電信號(hào)包含數(shù)據(jù)。
返回圖4中所示的具體例子，在一種方法中，在中間電信號(hào)內(nèi)依據(jù)頻率分離波前信息和數(shù)據(jù)。圖5表示其中波前信息占用較低的頻帶，數(shù)據(jù)占用較高的頻帶的中間電信號(hào)。分離模塊428隨后根據(jù)頻率分離波前信息和數(shù)據(jù)。
圖5中所示的情形不是罕見(jiàn)的。例如，大氣波動(dòng)導(dǎo)致的畸變一般具有1～10kHz范圍中的帶寬，并且大于1MHz的數(shù)據(jù)速率是常見(jiàn)的(例如，OC3的150MHz，千兆位以太網(wǎng)的1GHz等)。注意在圖5中，數(shù)據(jù)并不具有DC分量。許多通信協(xié)議導(dǎo)致(或者甚至要求)零DC分量。例如，可利用具有8B/10B編碼的NRZ，或其變型對(duì)數(shù)據(jù)編碼。
可利用各種方法來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)和波前信息的頻率分離。例如，可使用調(diào)諧電路/頻率濾波器。圖6是一個(gè)例子的電路圖。這里，光電轉(zhuǎn)換器427被實(shí)現(xiàn)成產(chǎn)生正比于入射光強(qiáng)度的電路的光電二極管或類似器件。輸入的中間電信號(hào)在接合點(diǎn)610被分成兩個(gè)分量。放大器電路620起高通濾波器的作用，選擇中間電信號(hào)的高頻數(shù)據(jù)部分，阻擋波前信息。類似地，放大器電路630起低通濾波器的作用，選擇低頻波前信息，阻擋數(shù)據(jù)。
圖7是基于自動(dòng)增益電路的另一例子的方框圖。在本例中，可變?cè)鲆娌考?block)710對(duì)中間電信號(hào)應(yīng)用時(shí)變?cè)鲆?，以使信?hào)的振幅均衡(equalize)。為了能夠更準(zhǔn)確地估計(jì)過(guò)零，這是合乎需要的。自動(dòng)增益控制模塊720對(duì)輸出信號(hào)采樣，并據(jù)此調(diào)整增益。如果自動(dòng)增益電路足夠快，那么時(shí)變?cè)鲆鎸⒀a(bǔ)償波前信號(hào)引起的變化。從而，能夠從自動(dòng)增益電路施加的時(shí)變?cè)鲆鏅z索波前信息信號(hào)，可從振幅均衡的信號(hào)恢復(fù)數(shù)據(jù)。
圖8圖解說(shuō)明圖4的自適應(yīng)光學(xué)模塊的具體實(shí)現(xiàn)。該系統(tǒng)包括具有自適應(yīng)光學(xué)模塊的望遠(yuǎn)鏡810。來(lái)自遠(yuǎn)程光源的光線851通過(guò)傾斜反射鏡816進(jìn)入該系統(tǒng)。
在一個(gè)實(shí)施例中，接收望遠(yuǎn)鏡810被設(shè)計(jì)成垂直布置。傾斜反射鏡816可繞兩個(gè)垂直軸樞軸轉(zhuǎn)動(dòng)，所述兩個(gè)垂直軸一個(gè)在像轉(zhuǎn)塔(turret)的望遠(yuǎn)鏡的垂直軸上，另一個(gè)在反射鏡的平面中的水平線上，以便實(shí)現(xiàn)傾斜調(diào)整。作為一個(gè)備選方案，望遠(yuǎn)鏡810可繞其垂直軸旋轉(zhuǎn)，從而反射鏡816的一個(gè)旋轉(zhuǎn)軸可被消除。其它備選方案可被用于望遠(yuǎn)鏡的粗略指向或瞄準(zhǔn)，例如使用其它傾斜反射鏡或者把物鏡平移較小的量。
參見(jiàn)圖8，從傾斜反射鏡816，光線通過(guò)透鏡818，透鏡818把光線聚焦到物像平面OIP，遠(yuǎn)程光源的圖像清晰地存在于物像平面上，不過(guò)未被校正。光線隨后通過(guò)準(zhǔn)直透鏡819到達(dá)可變形反射鏡824?？勺冃畏瓷溏R824被動(dòng)態(tài)成形，以便校正波前中的畸變。根據(jù)波前/數(shù)據(jù)傳感器820進(jìn)行的波前測(cè)量，控制可變形反射鏡824。通過(guò)在OIP插入共軛(conjugate)調(diào)整元件，能夠調(diào)整可變形反射鏡824的共軛。共軛調(diào)整元件的例子包括可插入的透鏡，變焦透鏡或者第二個(gè)可變形反射鏡。
可以使用各種類型的波前傳感器和可變形反射鏡。在本例中，可變形反射鏡824是基于對(duì)壓電材料的不同區(qū)域施加不同的電壓，從而導(dǎo)致變形的可變形曲率反射鏡。在J.Elon Graves和Malcolm J.Northcott于2001年1月25日提交，并在2002年10月15日頒布的美國(guó)專利No.6464364“Deformable Curvature Mirror”；J.Elon Graves和MalcolmJ.Northcott于2001年1月25日提交，并在2003年5月27日頒布的美國(guó)專利No.6568647“Mounting Apparatus for Deformable Mirror”；及J.Elon Graves和Malcolm J.Northcott于2001年6月16日的美國(guó)專利申請(qǐng)No.09/892913“Atmospheric Optical Data Transmission System”中描述和表示了這種可變形反射鏡的其它細(xì)節(jié)。所有這些在此引為參考。
在圖8的例子中，設(shè)備820的波前傳感器部分是基于散瞳圖像的波前曲率傳感器。在J.Elon Graves和Malcolm J.Northcott于2000年5月26日提交，并在2002年9月17日頒布的美國(guó)專利No.6452145“Methodand Apparatus for Wavefront Sensing”；及J.Elon Graves和MalcolmJ.Northcott于2001年6月16日的美國(guó)專利申請(qǐng)No.09/892913“Atmospheric Optical Data Transmission System”中描述和表示了這種波前曲率傳感器的其它細(xì)節(jié)。所有這些在此引為參考。
光線從可變形反射鏡824的表面反射到透鏡825，透鏡825把圖像重新聚焦到振動(dòng)膜反射鏡832。光線通過(guò)透鏡834，從振動(dòng)膜反射鏡832反射到分段探測(cè)器827上。當(dāng)膜反射鏡832未振動(dòng)時(shí)，即，當(dāng)其是平直的時(shí)，可變形反射鏡824被成像到探測(cè)器827上。但是，當(dāng)膜反射鏡832振動(dòng)時(shí)，它在凹陷狀態(tài)和凸起狀態(tài)之間彎曲，使得圖像交替地陽(yáng)性地和陰性地被散焦到探測(cè)器827上。波前信息由分離模塊828抽取，隨后被傳送給控制模塊822，以便確定波前的曲率。
膜反射鏡832以一般不超過(guò)幾十千赫的頻率振動(dòng)。光路(或散焦)在相同的頻率下被有效抖動(dòng)，波前信息占據(jù)抖動(dòng)頻率周圍的頻帶。這種情況下，分離模塊828根據(jù)頻率分離波前信息和數(shù)據(jù)。
控制模塊822內(nèi)的軟件得到波前曲率，對(duì)應(yīng)的控制信號(hào)被提供給可變形反射鏡824。具體地說(shuō)，膜反射鏡832引起的可變聚焦抖動(dòng)導(dǎo)致抖動(dòng)頻率下的信號(hào)分量。該分量的大小正比于光瞳內(nèi)的波前曲率，并且正比于光瞳邊界上的波前徑向傾斜。通過(guò)利用和額外的聚焦圖像的形狀相關(guān)的Neumann邊界條件，關(guān)于強(qiáng)度求解Poisson等式，得到或恢復(fù)波前?？刹捎玫鷶?shù)據(jù)約簡(jiǎn)算法或其它非線性擬合技術(shù)來(lái)補(bǔ)償開(kāi)環(huán)系統(tǒng)中的測(cè)量結(jié)果的非線性。
控制模塊822向可變形反射鏡824的背面上的電極段W-1～W-N提供獨(dú)立并且受控的高壓信號(hào)。可變形反射鏡24被布置成把光線從準(zhǔn)直透鏡819反射到波前/數(shù)據(jù)傳感器820。通過(guò)改變對(duì)電極施加的電壓，能夠控制可變形反射鏡824的總體斜率和曲率。
在這種實(shí)現(xiàn)中，探測(cè)器827被分段。光瞳被分成子孔徑，光束的每個(gè)子孔徑部分落在獨(dú)立的探測(cè)器段上。每個(gè)探測(cè)器段產(chǎn)生一個(gè)獨(dú)立的電信號(hào)。從而，從分段探測(cè)器827到分離模塊828的中間電信號(hào)實(shí)際包括由橫跨從分段探測(cè)器827到分離模塊828的線條的斜杠表示的多個(gè)中間電信號(hào)。每個(gè)中間電信號(hào)提供和整個(gè)波前相關(guān)的信息，通過(guò)處理分離的中間電信號(hào)，進(jìn)行波前確定。對(duì)于數(shù)據(jù)探測(cè)來(lái)說(shuō)，分段探測(cè)器827本質(zhì)上起光桶(light bucket)的作用。通過(guò)組合部分或全部中間電信號(hào)并處理組合的信號(hào)，恢復(fù)數(shù)據(jù)。
例如，如果光束被分成N個(gè)子孔徑，探測(cè)器827可具有產(chǎn)生N個(gè)中間電信號(hào)的N段。分離模塊828可低通過(guò)濾每個(gè)中間電信號(hào)，從而產(chǎn)生N個(gè)獨(dú)立的波前電信號(hào)，所述N個(gè)獨(dú)立的波前電信號(hào)隨后由控制模塊822處理。同時(shí)，分離模塊828高通過(guò)濾信號(hào)，并組合結(jié)果從而產(chǎn)生單個(gè)數(shù)據(jù)電信號(hào)。
組合波前檢測(cè)和數(shù)據(jù)探測(cè)的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單并且穩(wěn)固。探測(cè)器的數(shù)目通常被減少，不需要配準(zhǔn)獨(dú)立的波前探測(cè)器和數(shù)據(jù)探測(cè)器。在多個(gè)光路提供望遠(yuǎn)鏡光瞳中的光線的嚴(yán)重湍流條件下，另一優(yōu)點(diǎn)變得明顯。這會(huì)導(dǎo)致像平面中的幾個(gè)“幻像”。由于引向兩個(gè)幻像之間的中間位置的自適應(yīng)光學(xué)模塊的緣故，或者由于從一個(gè)幻像另一幻像的能量的傳遞導(dǎo)致自適應(yīng)光學(xué)模塊在圖像之間切換(snap)，幻像能夠?qū)е埋罱拥絾文９饫w的損耗。雖然當(dāng)耦接到單模光纖時(shí)，幻像會(huì)導(dǎo)致遺失(dropout)，不過(guò)光瞳中的光能級(jí)很大程度上不受影響。從而，組合的波前傳感器和數(shù)據(jù)探測(cè)器一般將在嚴(yán)重的湍流條件下提供更穩(wěn)健的性能。
圖9A-9C是分離模塊828的不同實(shí)現(xiàn)的電路圖。在圖9A中，分離模塊828被實(shí)現(xiàn)成電分頻網(wǎng)絡(luò)910。分頻網(wǎng)絡(luò)910把來(lái)自分段探測(cè)器82的N個(gè)輸出中的每一個(gè)分成高頻分量(即數(shù)據(jù)信號(hào))和低頻分量(即波前信號(hào))。在本例中，對(duì)每個(gè)輸入的中間電信號(hào)單獨(dú)地進(jìn)行分離，得到N個(gè)輸出數(shù)據(jù)電信號(hào)和N個(gè)輸出波前電信號(hào)。
圖9B圖解說(shuō)明分頻網(wǎng)(crossover)絡(luò)910的一個(gè)實(shí)施例。在本例中，電容器阻擋低頻分量，電感器阻擋高頻分量。另外，N個(gè)數(shù)據(jù)信號(hào)被相加，從而形成單一的“復(fù)合”數(shù)據(jù)電信號(hào)。分頻網(wǎng)絡(luò)910之后是放大。一個(gè)放大器920被用于復(fù)合的數(shù)據(jù)信號(hào)，分離放大器930被用于N個(gè)波前信號(hào)中的每一個(gè)。
圖9C類似于圖9B，除了在分離之前進(jìn)行放大之外。在數(shù)據(jù)和波前信息被分離之前，放大器940放大N個(gè)中間電信號(hào)。其它分頻實(shí)施例是可能的，例如基于用于高頻分量的變壓器耦合，定向耦合器或傳輸線耦合；和用于低頻分量的電阻或電感分離的分頻實(shí)施例。
雖然詳細(xì)說(shuō)明包含許多細(xì)節(jié)，不過(guò)它們不應(yīng)被理解為對(duì)本發(fā)明范圍的限制，而只是舉例說(shuō)明本發(fā)明的不同例子和方面。應(yīng)認(rèn)識(shí)到本發(fā)明的范圍包括上面沒(méi)有詳細(xì)說(shuō)明的其它實(shí)施例。
例如，在一些情況下，與位于望遠(yuǎn)鏡光學(xué)器件內(nèi)相反，可變相位設(shè)備424、824可以并且可能最好是光學(xué)器件組的最外面的元件?？勺兿辔辉O(shè)備424、824還可被實(shí)現(xiàn)成一個(gè)以上的設(shè)備。例如，獨(dú)立的設(shè)備可被用于對(duì)輸入光束進(jìn)行后校正，和對(duì)輸出光束進(jìn)行預(yù)校正。另一方面，可能輸入光束和輸出光束應(yīng)用公同的校正，同時(shí)另外的設(shè)備提供增量(或差分)校正。在與衛(wèi)星通信的情況下，這樣的結(jié)構(gòu)是有利的，光束可具有一定程度的“提前點(diǎn)”，以補(bǔ)償衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)。還可按照開(kāi)環(huán)方式應(yīng)用自適應(yīng)光學(xué)校正，使得波前傳感器在校正之前測(cè)量畸變，而不是在校正后測(cè)量殘余畸變。
作為另一種變化，控制模塊422、822可組合來(lái)自其它系統(tǒng)或傳感器的信息和波前信息，以便改進(jìn)性能。例子包括使用關(guān)于衛(wèi)星的軌道元素信息來(lái)計(jì)算提前角，或者使用可移動(dòng)平臺(tái)上的旋轉(zhuǎn)速度傳感器來(lái)提高轉(zhuǎn)向校正的帶寬。發(fā)射器還可接收為自外部系統(tǒng)，包括控制模塊的信息。這樣的信息可包括關(guān)于通信鏈路的管理信息或者關(guān)于發(fā)射器的狀態(tài)信息，例如波長(zhǎng)優(yōu)先選擇，功率級(jí)，提前點(diǎn)要求或極化要求。
在一些情況下，相干(例如QPSK)數(shù)據(jù)探測(cè)的使用能夠顯著增大靈敏性。在一種方法中，光學(xué)本地振蕩器在光瞳平面中與輸入光混合。利用陣列探測(cè)器，例如光電二極管陣列探測(cè)所得到的調(diào)制。這種情況下，每個(gè)探測(cè)器上光學(xué)畸變不同將移動(dòng)恢復(fù)的數(shù)據(jù)信號(hào)的相位，從而在各個(gè)光瞳平面信號(hào)被組合之前，應(yīng)用相位校正。如果使用相位跟蹤信號(hào)組合器，那么每個(gè)恢復(fù)信號(hào)的相對(duì)相位給出對(duì)應(yīng)光瞳區(qū)域上大氣相位畸變的直接量度。波前的相干探測(cè)產(chǎn)生在給定的類似精確的補(bǔ)償設(shè)備的條件下，可開(kāi)環(huán)應(yīng)用校正的足夠測(cè)量精度。
作為另一例子，可按照不同的物理形式實(shí)現(xiàn)上面說(shuō)明的不同功能。根據(jù)具體的應(yīng)用，功能可被實(shí)現(xiàn)成硬件、固件、軟件和/或它們的組合。在上面的許多描述中，不同的功能被實(shí)現(xiàn)成專用電路，以便利用低能耗和高速度的優(yōu)點(diǎn)。在其它應(yīng)用中，相同的功能可被實(shí)現(xiàn)成一般在數(shù)字信號(hào)處理器或者甚至通用處理器上運(yùn)行的軟件。也可以使用各種組合。例如，某些操作可能相當(dāng)普通，可以標(biāo)準(zhǔn)組件、軟件或電路設(shè)計(jì)的形式存在。這些可與剩余功能的定制實(shí)現(xiàn)相組合。
類似地，模塊之間的“耦接”也可采取不同的形式。專用電路可通過(guò)硬連線，通過(guò)共用總線，或者通過(guò)訪問(wèn)公用寄存器或存儲(chǔ)單元來(lái)相互耦接。可借助任意方式來(lái)實(shí)現(xiàn)軟件“耦接”，從而在軟件組件之間(或者在軟件和硬件之間，如果情況如此)傳遞信息。術(shù)語(yǔ)“耦接”意圖包括所有這些，并不局限于兩個(gè)組件之間的硬連線永久連接。
在不脫離在附加的權(quán)利要求中定義的本發(fā)明的精神和范圍的情況下，可在這里公開(kāi)的本發(fā)明的方法和設(shè)備的結(jié)構(gòu)、操作和細(xì)節(jié)方面做出對(duì)本領(lǐng)域的技術(shù)人員來(lái)說(shuō)明顯的各種其它修改，改變和變化。于是，本發(fā)明的范圍應(yīng)由附加的權(quán)利要求和它們的法律等同物確定。此外，任何元件、組件或方法步驟都不打算被奉獻(xiàn)給公眾，不管在權(quán)利要求中是否明確地例舉了所述元件、組件和方法步驟。
權(quán)利要求
1.一種用于波前檢測(cè)和數(shù)據(jù)探測(cè)的設(shè)備，所述設(shè)備包括接收利用數(shù)據(jù)編碼的光束，并把光束轉(zhuǎn)換成中間電信號(hào)的光電轉(zhuǎn)換器，所述中間電信號(hào)包含所述數(shù)據(jù)，并且還包含和光束的波前相關(guān)的波前信息；和與光電轉(zhuǎn)換器耦接，根據(jù)中間電信號(hào)產(chǎn)生波前電信號(hào)和數(shù)據(jù)電信號(hào)的分離模塊，波前電信號(hào)包含波前信息，數(shù)據(jù)電信號(hào)包含所述數(shù)據(jù)。
2.按照權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其中光電轉(zhuǎn)換器包括一個(gè)光電二極管。
3.按照權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其中光電轉(zhuǎn)換器包括一個(gè)相干探測(cè)器。
4.按照權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其中在中間電信號(hào)內(nèi)，波前信息和數(shù)據(jù)在頻率上被分離；分離模塊根據(jù)頻率分離波前信息和數(shù)據(jù)。
5.按照權(quán)利要求4所述的設(shè)備，其中波前信息位于比數(shù)據(jù)所位于的頻率低的頻率。
6.按照權(quán)利要求4所述的設(shè)備，其中波前信息位于小于1MHz的頻率，數(shù)據(jù)位于大于1MHz的頻率。
7.按照權(quán)利要求4所述的設(shè)備，其中在中間電信號(hào)內(nèi)，利用零DC分量對(duì)數(shù)據(jù)編碼。
8.按照權(quán)利要求4所述的設(shè)備，其中通過(guò)在抖動(dòng)頻率下抖動(dòng)光束的光路，產(chǎn)生波前信息，波前信息位于抖動(dòng)頻率周圍的頻帶中。
9.按照權(quán)利要求4所述的設(shè)備，其中分離模塊包括把中間電信號(hào)分成至少兩個(gè)分量的分路器；被耦接以接收分量之一，以便產(chǎn)生波前電信號(hào)的第一頻率濾波器；和被耦接以接收另一分量，以便產(chǎn)生數(shù)據(jù)電信號(hào)的第二頻率濾波器。
10.按照權(quán)利要求4所述的設(shè)備，其中分離模塊包括對(duì)中間電信號(hào)施加時(shí)變?cè)鲆娴目勺冊(cè)鲆娌考?；和與可變?cè)鲆娌考罱?，用于調(diào)節(jié)時(shí)變?cè)鲆妫允怪虚g電信號(hào)的振幅均衡的自動(dòng)增益控制模塊，其中均衡的中間電信號(hào)包含所述數(shù)據(jù)，時(shí)變?cè)鲆姘ㄇ靶畔ⅰ?br> 11.按照權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其中光電轉(zhuǎn)換器包括接收光束的子孔徑部分并把光束的子孔徑部分轉(zhuǎn)換成中間電信號(hào)的多個(gè)探測(cè)器部件的光電轉(zhuǎn)換器；和分離模塊根據(jù)分離的中間電信號(hào)產(chǎn)生波前電信號(hào)，并根據(jù)組合的中間電信號(hào)產(chǎn)生數(shù)據(jù)電信號(hào)。
12.按照權(quán)利要求11所述的設(shè)備，其中分離模塊根據(jù)中間電信號(hào)的和產(chǎn)生數(shù)據(jù)電信號(hào)。
13.按照權(quán)利要求11所述的設(shè)備，其中在中間電信號(hào)內(nèi)，波前信息和數(shù)據(jù)在頻率上被分離；分離模塊頻率分離波前信息和數(shù)據(jù)。
14.按照權(quán)利要求11所述的設(shè)備，其中分離模塊包括接收中間電信號(hào)并分離波前信息和數(shù)據(jù)的分頻網(wǎng)絡(luò)。
15.按照權(quán)利要求11所述的設(shè)備，其中分離模塊包括用于每個(gè)分離的中間電信號(hào)的一個(gè)放大器；和用于組合的中間電信號(hào)的一個(gè)放大器。
16.一種用于波前校正和數(shù)據(jù)傳輸?shù)淖赃m應(yīng)光學(xué)模塊，所述自適應(yīng)光學(xué)模塊包括接收利用數(shù)據(jù)編碼的光束，并根據(jù)光束產(chǎn)生波前電信號(hào)和數(shù)據(jù)電信號(hào)的組合波前/數(shù)據(jù)傳感器，波前電信號(hào)包含和光束的波前相關(guān)的波前信息，數(shù)據(jù)電信號(hào)包括所述數(shù)據(jù)；和與組合的波前/數(shù)據(jù)傳感器耦接，并位于光束的光路中的可變相位設(shè)備，所述可變相位設(shè)備響應(yīng)波前電信號(hào)，在光路中引入可調(diào)相位。
17.按照權(quán)利要求16所述的自適應(yīng)光學(xué)模塊，其中組合的波前/數(shù)據(jù)傳感器包括接收光束并把光束轉(zhuǎn)換成中間電信號(hào)的光電轉(zhuǎn)換器，所述中間電信號(hào)包含所述數(shù)據(jù)和波前信息；和與光電轉(zhuǎn)換器耦接，根據(jù)中間電信號(hào)產(chǎn)生波前電信號(hào)和數(shù)據(jù)電信號(hào)的分離模塊。
18.按照權(quán)利要求16所述的自適應(yīng)光學(xué)模塊，還包括產(chǎn)生反傳播的數(shù)據(jù)編碼光束的發(fā)射器，其中發(fā)射器被定位，使得可變相位設(shè)備預(yù)校正反傳播的數(shù)據(jù)編碼光束。
19.按照權(quán)利要求16所述的自適應(yīng)光學(xué)模塊，其中可變相位設(shè)備包括一個(gè)可變形反射鏡。
20.按照權(quán)利要求19所述的自適應(yīng)光學(xué)模塊，其中可變形反射鏡是可變形曲率反射鏡。
21.按照權(quán)利要求20所述的自適應(yīng)光學(xué)模塊，其中可變形曲率反射鏡包括電阻材料的第一和第二平行板，所述第一和第二板層疊在一起，所述第一板具有外表面和位于所述第一板外表面上的鏡像平面，所述第二板具有外表面，電極段的圖案位于所述第二板外表面上，每個(gè)所述電極段具有對(duì)其施加可變電壓，以便有選擇地使可變形曲率反射鏡變形的獨(dú)立電極端子。
22.按照權(quán)利要求16所述的自適應(yīng)光學(xué)模塊，其中波前信息包括波前曲率。
23.按照權(quán)利要求16所述的自適應(yīng)光學(xué)模塊，其中光電轉(zhuǎn)換器接收散焦光瞳圖像。
24.按照權(quán)利要求23所述的自適應(yīng)光學(xué)模塊，還包括位于光電轉(zhuǎn)換器上游的振動(dòng)反射鏡，所述振動(dòng)反射鏡在光瞳圖像中引入散焦。
25.按照權(quán)利要求16所述的自適應(yīng)光學(xué)模塊，還包括收集光束的望遠(yuǎn)鏡光學(xué)器件。
26.按照權(quán)利要求16所述的自適應(yīng)光學(xué)模塊，其中可調(diào)相位只校正等級(jí)等于或低于傾斜的畸變。
27.按照權(quán)利要求16所述的自適應(yīng)光學(xué)模塊，其中可調(diào)相位校正等級(jí)等于或高于聚焦的至少一個(gè)畸變。
28.按照權(quán)利要求16所述的自適應(yīng)光學(xué)模塊，其中光束包括用數(shù)據(jù)編碼的初始光束和反傳播的探測(cè)光束；和組合的波前/數(shù)據(jù)探測(cè)器包括對(duì)初始光束的波長(zhǎng)敏感的第一探測(cè)器層，用于把初始光束轉(zhuǎn)換成數(shù)據(jù)電信號(hào)；和對(duì)探測(cè)光束的波長(zhǎng)敏感，并且與第一探測(cè)器層重疊的第二探測(cè)器層，用于把探測(cè)光束轉(zhuǎn)換成波前電信號(hào)。
29.一種FSO收發(fā)器，包括收集用數(shù)據(jù)編碼的光束的望遠(yuǎn)鏡光學(xué)器件；位于光束的光路中的可變形曲率反射鏡，可變形曲率反射鏡用于響應(yīng)波前電信號(hào)，在光路中引入可調(diào)相位；和位于可變形曲率反射鏡的光路下游中的用于波前檢測(cè)和數(shù)據(jù)探測(cè)的設(shè)備，所述設(shè)備包括把光束轉(zhuǎn)換成中間電信號(hào)的光電轉(zhuǎn)換器，所述中間電信號(hào)包含所述數(shù)據(jù)，并且還包含和光束的波前曲率相關(guān)的波前信息；和與光電轉(zhuǎn)換器耦接，根據(jù)中間電信號(hào)產(chǎn)生波前電信號(hào)和數(shù)據(jù)電信號(hào)的分離模塊，波前電信號(hào)包含波前信息，數(shù)據(jù)電信號(hào)包含所述數(shù)據(jù)。
30.按照權(quán)利要求29所述的FSO收發(fā)器，其中光電轉(zhuǎn)換器接收散焦光瞳圖像。
31.按照權(quán)利要求30所述的FSO收發(fā)器，其中用于波前檢測(cè)和數(shù)據(jù)探測(cè)的設(shè)備還包括位于光電轉(zhuǎn)換器上游的振動(dòng)反射鏡，所述振動(dòng)反射鏡在抖動(dòng)頻率下在光瞳圖像中引入散焦；波前信息位于抖動(dòng)頻率周圍的頻帶中，數(shù)據(jù)位于比波前信息所位于的頻帶高的頻率；和分離模塊根據(jù)頻率分離波前信息和數(shù)據(jù)。
32.按照權(quán)利要求29所述的FSO收發(fā)器，其中可變形曲率反射鏡包括電阻材料的第一和第二平行板面，所述第一和第二板層疊在一起，所述第一板具有外表面和位于所述第一板外表面上的鏡像平面，所述第二板具有外表面，電極段的圖案位于所述第二板外表面上，每個(gè)所述電極段具有對(duì)其施加可變電壓，以便有選擇地使可變形曲率反射鏡變形的獨(dú)立電極端子；光電轉(zhuǎn)換器接收可變形曲率反射鏡的散焦圖像，光電轉(zhuǎn)換器包括接收光束的子孔徑部分，并把光束的子孔徑部分轉(zhuǎn)換成中間電信號(hào)的多個(gè)探測(cè)器部件；和分離模塊根據(jù)分離的中間電信號(hào)產(chǎn)生波前電信號(hào)，根據(jù)組合的中間電信號(hào)產(chǎn)生數(shù)據(jù)電信號(hào)。
33.按照權(quán)利要求29所述的FSO收發(fā)器，還包括產(chǎn)生反傳播的數(shù)據(jù)編碼光束的發(fā)射器，其中發(fā)射器被定位，使得可變形曲率反射鏡預(yù)校正反傳播的數(shù)據(jù)編碼光束。
34.一種波前檢測(cè)和數(shù)據(jù)探測(cè)的方法，包括接收利用數(shù)據(jù)編碼的光束；把光束轉(zhuǎn)換成中間電信號(hào)，所述中間電信號(hào)包含所述數(shù)據(jù)，并且還包含和光束的波前相關(guān)的波前信息；和根據(jù)中間電信號(hào)產(chǎn)生波前電信號(hào)和數(shù)據(jù)電信號(hào)，波前電信號(hào)包含波前信息，數(shù)據(jù)電信號(hào)包含所述數(shù)據(jù)。
35.按照權(quán)利要求34所述的方法，其中在中間電信號(hào)內(nèi)，波前信息和數(shù)據(jù)在頻率上被分離；根據(jù)中間電信號(hào)產(chǎn)生波前電信號(hào)和數(shù)據(jù)電信號(hào)的步驟包括根據(jù)頻率分離波前信息和數(shù)據(jù)。
36.按照權(quán)利要求35所述的方法，其中通過(guò)在抖動(dòng)頻率下抖動(dòng)光束的光路產(chǎn)生波前信息，波前信息位于抖動(dòng)頻率周圍的頻帶中。
37.按照權(quán)利要求34所述的方法，其中把光束轉(zhuǎn)換成中間電信號(hào)的步驟包括把光束的子孔徑部分轉(zhuǎn)換成中間電信號(hào)；和根據(jù)中間電信號(hào)產(chǎn)生波前電信號(hào)和數(shù)據(jù)電信號(hào)的步驟包括根據(jù)分離的中間電信號(hào)產(chǎn)生波前電信號(hào)，和根據(jù)組合的中間電信號(hào)產(chǎn)生數(shù)據(jù)電信號(hào)。
38.一種波前校正和數(shù)據(jù)傳送的方法，包括接收利用數(shù)據(jù)編碼的光束；把光束轉(zhuǎn)換成中間電信號(hào)，所述中間電信號(hào)包含所述數(shù)據(jù)，并且還包含和光束的波前相關(guān)的波前信息；根據(jù)中間電信號(hào)產(chǎn)生波前電信號(hào)和數(shù)據(jù)電信號(hào)，波前電信號(hào)包含波前信息，數(shù)據(jù)電信號(hào)包含所述數(shù)據(jù)；和響應(yīng)波前電信號(hào)調(diào)整光束的光路中的相位。
39.按照權(quán)利要求38所述的方法，還包括產(chǎn)生反傳播的數(shù)據(jù)編碼光束，其中光路的調(diào)整相位預(yù)校正反傳播的數(shù)據(jù)編碼光束。
40.按照權(quán)利要求38所述的方法，其中調(diào)整光路的相位的步驟包括調(diào)整光束的波前的曲率。
41.按照權(quán)利要求38所述的方法，其中波前信息包括波前曲率。
42.一種FSO數(shù)據(jù)傳輸方法，包括收集用數(shù)據(jù)編碼的光束；把光束轉(zhuǎn)換成中間電信號(hào)，所述中間電信號(hào)包含所述數(shù)據(jù)，并且還包含和光束的波前曲率相關(guān)的波前信息；根據(jù)中間電信號(hào)產(chǎn)生波前電信號(hào)和數(shù)據(jù)電信號(hào)，波前電信號(hào)包含波前信息，數(shù)據(jù)電信號(hào)包含所述數(shù)據(jù)，和響應(yīng)波前電信號(hào)調(diào)整光束的光路中的相位。
43.按照權(quán)利要求42所述的方法，其中把光束轉(zhuǎn)換成中間電信號(hào)的步驟包括以抖動(dòng)頻率抖動(dòng)光束的光路，從而產(chǎn)生散瞳圖像，和把散瞳圖像轉(zhuǎn)換成中間電信號(hào)；波前信息位于抖動(dòng)頻率周圍的頻帶中，數(shù)據(jù)位于比波前信息位于的頻帶高的頻率；和根據(jù)中間電信號(hào)產(chǎn)生波前電信號(hào)和數(shù)據(jù)電信號(hào)的步驟包括根據(jù)頻率分離波前信息和數(shù)據(jù)。
44.按照權(quán)利要求42所述的方法，還包括產(chǎn)生反傳播的數(shù)據(jù)編碼光束，其中光路的調(diào)整相位預(yù)校正反傳播的數(shù)據(jù)編碼光束。
全文摘要
在自適應(yīng)光學(xué)模塊中，在單個(gè)設(shè)備(420)中實(shí)現(xiàn)波前檢測(cè)和數(shù)據(jù)探測(cè)。例如，光電轉(zhuǎn)換器(427)把數(shù)據(jù)編碼光束轉(zhuǎn)換成中間電信號(hào)，中間電信號(hào)包含在光束中編碼的數(shù)據(jù)，還包含關(guān)于光束的波前信息。稍后通過(guò)例如頻率過(guò)濾(428)分離數(shù)據(jù)和波前信息。
文檔編號(hào)H04B10/00GK1839570SQ200380105321
公開(kāi)日2006年9月27日 申請(qǐng)日期2003年10月17日 優(yōu)先權(quán)日2002年10月17日
發(fā)明者艾倫·J.·格雷夫斯, 梅爾克姆·J.·諾斯科特, 克里斯托弗·J.·肖爾登 申請(qǐng)人:澳普蒂斯科技公司