本公開一般地涉及光通信，并且具體地涉及發(fā)散光束(diverged-beam)光通信。

背景技術：

使用激光器的自由空間光(FSO)通信的概念追溯到激光器的發(fā)明。然而，生成并對高功率激光器進行調(diào)制的困難已限制了FSO到使用緊密準直光束的視線系統(tǒng)的使用。具有發(fā)散光脈沖的非常低功率且低調(diào)制速率已被用在諸如電視和其它器具的遙控器的幾個壁龕應用中。甚至在當在組件和系統(tǒng)方面做出了數(shù)十億美元的投資時的二十世紀90年代晚期和二十一世紀早期的電信繁榮期間，F(xiàn)SO系統(tǒng)也未超越視線配置中的準直光束。存在出售FSO視線系統(tǒng)的數(shù)個現(xiàn)有公司，但是這些系統(tǒng)要求精確對準和熟練安裝。這些系統(tǒng)成本起價約為每鏈路US $10,000，并且每年發(fā)貨僅幾千個系統(tǒng)。

因此，將期望具有考慮到并解決以上所討論的問題中的至少一些以及可能其它問題的系統(tǒng)和方法。

技術實現(xiàn)要素：

本公開一般地涉及FSO通信尤其是分散光束FSO通信的系統(tǒng)和方法。兩個融合趨勢已導致本公開的系統(tǒng)和方法示例性實施方式。首先是特別由家用電器和移動裝置對帶寬的使用和需求的指數(shù)上升。視頻到住宅和移動裝置的實時遞送要求大量的帶寬，并且這將隨著4K視頻、視頻會議、空中(OTT)服務和其它用途而增加。至今這種需要一直通過電纜、數(shù)字訂戶線路(DSL)、光纖到家(FTTH)以及移動蜂窩無線電技術來滿足。但是可用帶寬開始在除FTTH之外的所有情況下短缺，F(xiàn)TTH太昂貴而無法部署到每個住宅和建筑物。第二趨勢是由于技術發(fā)展以及光子組件在所有類型的應用中的增加使用而導致的激光器和檢測器組件的成本的減小。組件的進步以及對帶寬的市場需要的急劇增加為本公開的示例性實施方式的系統(tǒng)和方法提供了舞臺。

示例性實施例的FSO系統(tǒng)的起始點是光子產(chǎn)生和檢測在摩爾定律型曲線上的前提。激光器輸出功率以及檢測器陣列尺寸和靈敏度在增加，同時成本在減小。所有先前的基于激光器的FSO系統(tǒng)是基于具有發(fā)送器和接收器兩者的窄發(fā)散和緊密角(tight angular)跟蹤的準直光束。相比之下，對于示例性實施例的系統(tǒng)，能夠在一系列角度之上廣播便宜的光子并且大的檢測器能夠接受導致發(fā)送器與接收器之間的增加角容差的一系列角度。發(fā)送器與接收器之間的多個光束路徑減少諸如雨、霧和雪的天氣的影響。因為信息的每個比特要求一些數(shù)目的光子，所以便宜的光子導致較便宜的比特，這進而導致更能負擔得起的更高比特率系統(tǒng)。足夠便宜的光子導致非視線(NLOS)系統(tǒng)，其中由發(fā)送器發(fā)出的光子中的僅一小部分到達接收器，同時仍然足以實現(xiàn)非常高的比特率。光頻率意味著存在可用于由系統(tǒng)使用的數(shù)兆兆位的帶寬。該系統(tǒng)能夠通過對發(fā)散激光束FSO通信的創(chuàng)新來解決最后一英里和移動帶寬市場需要。

本公開因此包括但不限于以下示例性實施例：

示例性實施例1：一種設備，該設備包括：調(diào)制器；以及光發(fā)送器，該光發(fā)送器耦接至所述調(diào)制器并且被配置為發(fā)出所述調(diào)制器要用數(shù)據(jù)進行調(diào)制的光束，所述光發(fā)送器因此被配置為發(fā)出承載所述數(shù)據(jù)并且沒有人為限制(例如，在自由空間中)的所述光束以用于由光接收器接收，該光接收器被配置為從所述光束中檢測并恢復所述數(shù)據(jù)，其中所述光發(fā)送器被配置為按大于0.1度的發(fā)散角并且按小于0.05％的光子效率發(fā)出所述光束，所述光子效率使由所述光接收器可檢測的所述光束的光子的數(shù)目與由所述光發(fā)送器發(fā)出的所述光束的光子的數(shù)目聯(lián)系起來。

示例性實施例2：根據(jù)任何前述或后續(xù)示例性實施例或其組合所述的設備，其中所述光發(fā)送器被配置為發(fā)出所述光束包括：被配置為發(fā)出指向反射器的入射光束以通過所述入射光束的反射來產(chǎn)生反射光束，所述光發(fā)送器被配置為為了由所述光接收器接收所述反射光束而發(fā)出所述入射光束。

示例性實施例3：根據(jù)任何前述或后續(xù)示例性實施例或其組合所述的設備，其中所述光發(fā)送器包括被配置為發(fā)出所述光束的發(fā)射器的陣列，所述陣列具有比在所述光發(fā)送器處的所述光束的光斑尺寸大的尺寸。

示例性實施例4：根據(jù)任何前述或后續(xù)示例性實施例或其組合所述的設備，其中所述光發(fā)送器還包括光學器件，通過該光學器件所述發(fā)射器的陣列被配置為發(fā)出所述光束，所述陣列的所述發(fā)射器被配置為發(fā)出相應的準直光束但是由于所述陣列的空間范圍而具有不同的角度，所述陣列因此被配置為產(chǎn)生由所述相應的準直光束組成并且其發(fā)散角通過所述陣列的尺寸和所述光學器件的焦距來設置的所述光束。

示例性實施例5：根據(jù)任何前述或后續(xù)示例性實施例或其組合所述的設備，其中所述光發(fā)送器還包括光學器件，通過該光學器件，所述發(fā)射器的陣列被配置為發(fā)出所述光束，所述陣列遠離所述光學器件的焦點，所述陣列的所述發(fā)射器被配置為發(fā)出相應的發(fā)散光束，所述陣列因此被配置為產(chǎn)生由所述相應的發(fā)散光束組成并且其發(fā)散角通過所述陣列的尺寸以及由于所述陣列遠離所述光學器件的焦點的情形而導致的失焦的程度來設置的所述光束。

示例性實施例6：根據(jù)任何前述或后續(xù)示例性實施例或其組合所述的設備，其中所述光發(fā)送器被配置為執(zhí)行復用以為多個光接收器服務。

示例性實施例7：根據(jù)任何前述或后續(xù)示例性實施例或其組合所述的設備，其中所述光發(fā)送器被配置為發(fā)出具有可調(diào)節(jié)焦點或散光的所述光束，所述可調(diào)節(jié)焦點使得能實現(xiàn)對所述光束在離所述光發(fā)送器的給定距離處的直徑的調(diào)節(jié)，并且所述散光使所述光束具有不同的垂直和水平發(fā)散。

示例性實施例8：根據(jù)任何前述或后續(xù)示例性實施例或其組合所述的設備，其中所述設備還被配置為發(fā)送用于所述光發(fā)送器和光接收器的定向的心跳信號，所述心跳信號被調(diào)制以承載或者指示所述光發(fā)送器的位置，或者發(fā)送用于使所述光接收器將其位置或其位置的指示返回給所述光發(fā)送器的信號。

示例性實施例9：一種設備，該設備包括：解調(diào)器；以及光接收器，該光接收器耦接至所述解調(diào)器并且被配置為檢測承載所述解調(diào)器要恢復的數(shù)據(jù)的光束，所述光接收器被配置為檢測從光發(fā)送器發(fā)出并且沒有人為限制的所述光束，該光發(fā)送器被配置為發(fā)出用所述數(shù)據(jù)調(diào)制的所述光束，其中所述光接收器被配置為檢測按大于0.1度的發(fā)散角并且按小于0.05％的光子效率發(fā)出的所述光束，所述光子效率使由所述光接收器可檢測的所述光束的光子的數(shù)目與由所述光發(fā)送器發(fā)出的所述光束的光子的數(shù)目聯(lián)系起來。

示例性實施例10：根據(jù)任何前述或后續(xù)示例性實施例或其組合所述的設備，其中所述光接收器被配置為至少在所述光接收器不具有到所述光發(fā)送器的視線的一些實例中檢測所述光束。

示例性實施例11：根據(jù)任何前述或后續(xù)示例性實施例或其組合所述的設備，其中所述設備包含包括所述光接收器的光接收器的陣列，或者所述光接收器包括被配置為檢測所述光束的檢測器的陣列，并且其中所述光接收器的陣列的光接收器或所述檢測器的陣列的檢測器被配置為基于它們相對于所述光發(fā)送器的定向(例如，對準)而選擇性地激活和停用(例如，接通和斷開)。

示例性實施例12：根據(jù)任何前述或后續(xù)示例性實施例或其組合所述的設備，其中所述光束包括入射光束以及通過所述入射光束的反射產(chǎn)生的反射光束，所述光接收器在至少一個實例中被配置為優(yōu)先地檢測所述反射光束，并且避免所述入射光束的直接檢測。

示例性實施例13：根據(jù)任何前述或后續(xù)示例性實施例或其組合所述的設備，其中所述光接收器包括被配置為檢測所述光束的檢測器的陣列，所述陣列具有比在所述光發(fā)送器處的所述光束的光斑尺寸大的尺寸。

示例性實施例14：根據(jù)任何前述或后續(xù)示例性實施例或其組合所述的設備，其中所述光束被空間復用以為多個光接收器服務，所述檢測器的陣列是按照檢測器的圖案布置的，所述檢測器的圖案對應于被獨立地調(diào)制的所述光發(fā)送器的發(fā)射器的圖案。

示例性實施例15：根據(jù)任何前述或后續(xù)示例性實施例或其組合所述的設備，該設備還包括波長特定或波長可調(diào)諧濾光器，以使得所述光接收器能夠檢測被光譜復用以為多個光接收器服務的所述光束。

示例性實施例16：根據(jù)任何前述或后續(xù)示例性實施例或其組合所述的設備，其中所述光接收器被配置為檢測具有可調(diào)節(jié)焦點的所述光束以促進所述光接收器與所述光束的特性相匹配，所述可調(diào)節(jié)焦點在至少一個實例中包括所述光接收器在所述光發(fā)送器與光接收器之間的某個中間點處的焦點。

示例性實施例17：根據(jù)任何前述或后續(xù)示例性實施例或其組合所述的設備，其中所述設備還被配置為接收用于所述光接收器和光發(fā)送器的定向(例如，對準)的心跳信號，所述心跳信號被調(diào)制以承載或者指示所述光發(fā)送器的位置，或者發(fā)送用于使所述光接收器將其位置或其位置的指示返回給所述光發(fā)送器的信號。

示例性實施例18：根據(jù)任何前述或后續(xù)示例性實施例或其組合所述的設備，其中所述光接收器包括被配置為捕獲所述光束的一部分的相機，以及電子裝置，所述相機被配置為與電子裝置進行通信以基于所述光束的所捕獲的部分來驅(qū)動粗略或精細轉(zhuǎn)向以至少部分地使所述光接收器和光發(fā)送器定向(例如，對準)。

示例性實施例19：根據(jù)任何前述或后續(xù)示例性實施例或其組合所述的設備，其中所述光接收器包括被定位在所述光接收器的限制孔徑的周邊附近并且被所述光接收器的限制孔徑遮蔽的多個光電二極管，所述光電二極管被配置為檢測所述光束的相對功率，所述光接收器還包括電子裝置，所述光電二極管被配置為與電子裝置進行通信以基于所述光束的所述相對功率來驅(qū)動粗略或精細轉(zhuǎn)向以至少部分地使所述光接收器和光發(fā)送器定向。

示例性實施例20：一種方法，該方法包括：用數(shù)據(jù)對光束進行調(diào)制；以及由光發(fā)送器發(fā)出承載所述數(shù)據(jù)并且沒有人為限制的所述光束以用于由光接收器接收，該光接收器被配置為從所述光束中檢測并恢復所述數(shù)據(jù)，其中所述光接收器是按大于0.1度的發(fā)散角并且按小于0.05％的光子效率發(fā)出的，所述光子效率使由所述光接收器可檢測的所述光束的光子的數(shù)目與由所述光發(fā)送器發(fā)出的所述光束的光子的數(shù)目聯(lián)系起來。

示例性實施例21：根據(jù)任何前述或后續(xù)示例性實施例或其組合所述的方法，其中發(fā)出所述光束的包括發(fā)出指向反射器的入射光束以通過所述入射光束的反射來產(chǎn)生反射光束，所述入射光束是為了由所述光接收器接收所述反射光束而發(fā)出的。

示例性實施例22：根據(jù)任何前述或后續(xù)示例性實施例或其組合所述的方法，其中所述光束由所述光發(fā)送器的發(fā)射器的陣列發(fā)出，所述陣列具有比在所述光發(fā)送器處的所述光束的光斑尺寸大的尺寸。

示例性實施例23：根據(jù)任何前述或后續(xù)示例性實施例或其組合所述的方法，其中所述光束由所述發(fā)射器的陣列通過光學器件發(fā)出，所述陣列的所述發(fā)射器發(fā)出相應的準直光束但是由于所述陣列的空間范圍而具有不同的角度，所述陣列因此產(chǎn)生由所述相應的準直光束組成并且其發(fā)散角通過所述陣列的尺寸和所述光學器件的焦距來設置的所述光束。

示例性實施例24：根據(jù)任何前述或后續(xù)示例性實施例或其組合所述的方法，其中所述光束由所述發(fā)射器的陣列通過光學器件發(fā)出，所述陣列遠離所述光學器件的焦點，所述陣列的所述發(fā)射器發(fā)出相應的發(fā)散光束，所述陣列因此產(chǎn)生由所述相應的發(fā)散光束組成并且其發(fā)散角是通過所述陣列的尺寸以及由于所述陣列遠離所述光學器件的焦點的情形而導致的失焦的程度來設置的所述光束。

示例性實施例25：根據(jù)任何前述或后續(xù)示例性實施例或其組合所述的方法，該方法還包括執(zhí)行復用以為多個光接收器服務。

示例性實施例26：根據(jù)任何前述或后續(xù)示例性實施例或其組合所述的方法，其中具有可調(diào)節(jié)焦點或散光的所述光束被發(fā)出，所述可調(diào)節(jié)焦點使得能實現(xiàn)對所述光束在離所述光發(fā)送器的給定距離處的直徑的調(diào)節(jié)，并且所述散光使所述光束具有不同的垂直和水平發(fā)散。

示例性實施例27：根據(jù)任何前述或后續(xù)示例性實施例或其組合所述的方法，該方法還包括發(fā)送用于所述光發(fā)送器和光接收器的定向的心跳信號，所述心跳信號被調(diào)制以承載或者指示所述光發(fā)送器的位置，或者發(fā)送用于使所述光接收器將其位置或其位置的指示返回給所述光發(fā)送器的信號。

本公開的這些及其它特征、方面和優(yōu)點從與在下面簡要地描述的附圖一起閱讀以下詳細描述將是顯而易見的。本公開包括此公開中所闡述的兩個、三個、四個或更多個特征或元素的任何組合，而不管這些特征或元素是否被明確地組合或者以其它方式記載在本文的特定實施例描述中。本公開旨在被全面地閱讀，使得除非本公開的上下文另外清楚地規(guī)定，否則本公開的任何可分開的特征或元素在其各方面和實施例中的任一個中應該被視為預定的，即為可組合的。

因此應當了解，以上發(fā)明內(nèi)容是僅僅為了概括一些示例性實施例的目的而提供的，以便提供對本公開的一些方面的基本理解。因此，應當了解，上述示例性實施例僅僅是一些實施例的示例，而不應該被解釋為以任何方式使本公開的范圍或精神變窄。應當了解，除這里概括的那些實施例之外，本公開的范圍還包含許多潛在實施例，將在下面進一步描述潛在實施例中的一些。另外，本文中所公開的實施例的其它方面和優(yōu)點從結(jié)合附圖進行的以下詳細描述將變得顯而易見，附圖通過示例來例示所描述的實施例的原理。

附圖說明

在如此在上述一般項中描述了本公開后，現(xiàn)在將參考附圖，附圖未必按比例繪制，并且其中：

圖1例示了根據(jù)本公開的各種示例性實施例的發(fā)散光束通信系統(tǒng)；

圖2A例示了根據(jù)各種示例性實施例的包括多個光收發(fā)器(有時被稱為收發(fā)器模塊)的光收發(fā)器陣列；

圖2B更詳細地例示了根據(jù)一些示例性實施例的收發(fā)器模塊；

圖2C和圖2D例示了根據(jù)一些示例性實施例的收發(fā)器模塊并且突出其瞄準系統(tǒng)；

圖3例示了根據(jù)一些示例性實施例的被改裝到諸如手機信號塔的現(xiàn)有網(wǎng)絡基礎設施的光收發(fā)器陣列；

圖4A和圖4B例示了根據(jù)一些示例性實施例的可以被配備有光收發(fā)器的移動裝置；

圖5A和圖5B例示了根據(jù)一些示例性實施例的用于使用發(fā)射器的陣列的擴展源來實現(xiàn)光束發(fā)散的示例性技術；

圖6A和圖6B例示了根據(jù)示例性實施例的光接收器；

圖7A例示了根據(jù)一些示例性實施例的包括被配置為使得能實現(xiàn)光束的可調(diào)節(jié)焦點的一個或多個動態(tài)光學器件的光發(fā)送器；

圖7B、圖7C和圖7D例示了根據(jù)一些示例性實施例的用于使得能在光發(fā)送器中實現(xiàn)散光由此垂直發(fā)散可以與水平發(fā)散不同的動態(tài)光學器件的使用；

圖7E例示了根據(jù)一些示例性實施例的用于在光發(fā)送器處實現(xiàn)瞄準調(diào)節(jié)的動態(tài)光學器件的使用；

圖8例示了根據(jù)一些示例性實施例的光束抖動；

圖9A、圖9B和圖9C例示了根據(jù)一些示例性實施例的包括被配置為使得能實現(xiàn)光束的可調(diào)節(jié)焦點的動態(tài)光學器件的光接收器(圖9A)以及視線(LOS)情況(圖9B)和非LOS(NLOS)(圖9C)；

圖9D和圖9E例示了根據(jù)一些示例性實施例的用于在光接收器處使得能實現(xiàn)瞄準調(diào)節(jié)的動態(tài)光學器件的使用；

圖10例示了根據(jù)一些示例性實施例的針對至少光發(fā)送器與接收器之間的初始對準以用于通信的幾個技術；

圖11A和圖11B例示了根據(jù)一些示例性實施例的針對光發(fā)送器與可以被至少部分地實現(xiàn)在光接收器內(nèi)的接收器之間的對準的兩個示例；

圖12A和圖12B分別例示了根據(jù)一些示例性實施例的可以由發(fā)散光束通信系統(tǒng)實現(xiàn)的光譜復用和空間復用；

圖13至圖17、圖18A和圖18B例示了根據(jù)一些示例性實施例的可以在其中部署分散光束通信系統(tǒng)的各種場景；以及

圖19例示了根據(jù)示例性實施例的方法中的各種操作。

具體實施方式

現(xiàn)在將在下文中參考本公開的示例性實施例更充分地描述本公開。這些示例性實施例被描述，使得此公開將是徹底且完整的，并且將會將本公開的范圍充分地傳達給本領域的技術人員。實際上，本公開可以被以許多不同的形式具體實現(xiàn)并且不應該被解釋為限于本文中所闡述的實施例；相反，這些實施例被提供為使得此公開將滿足適用的正當要求。如本說明書和所附權利要求中使用的，例如，除非上下文另外清楚地規(guī)定，否則單數(shù)形式“一”、“一個”、“該”等包括復數(shù)指代。并且，例如，可以在本文中參考定量量度、值、關系等。除非另外陳述，否則這些中的任一個或多個而非全部可以是絕對的或近似的，以說明可能發(fā)生的可接受的變化，諸如由于工程容差等而導致的那些。

如在下文中所描述的，本公開的示例性實施例涉及光通信，并且更具體地涉及發(fā)散光束光通信。主要在自由空間(FSO)通信的上下文中描述本公開的示例性實施例。然而，應該理解，示例性實施例可以在除了與FSO通信(即，通過空氣、外層空間、真空等的通信)傳統(tǒng)上關聯(lián)的上下文以外的上下文中同樣適用。例如，示例性實施例可以同樣地適用于通過水或任何其它液體、溶液或懸浮液以及光束可以用來在沒有光纖電纜、波導或傳輸線路的情況下傳播的任何其它物質(zhì)或介質(zhì)的通信。人為限制的這些和其它類似的手段可以在折射率方面呈現(xiàn)反差，這在其中導致模式限制以承載或者引導光束。因此，示例性實施例可能被更一般地認為適用于包括光束在沒有人為限制(諸如通過光纖電纜、波導、傳輸線路等)的情況下在發(fā)送器與接收器之間傳播的光通信。

如在下面更詳細地說明的，示例性實施例的發(fā)散光束通信系統(tǒng)一般地包括：光發(fā)送器，其被配置為發(fā)出承載數(shù)據(jù)的發(fā)散光束；以及接收器，其被配置為檢測光束并且從中恢復數(shù)據(jù)。該系統(tǒng)可以被部署在許多不同的場景中，其中光發(fā)送器和接收器可以由被配置為發(fā)送和/或接收數(shù)據(jù)的許多不同類型的固定或移動通信裝置和結(jié)構來裝備，或者可以以其它方式支持數(shù)據(jù)的發(fā)送和/或接收。適合的通信裝置和結(jié)構的示例包括天線桿、伸縮天線桿、塔、電桿、樹、建筑物、氣球、風箏、陸地車輛(例如，汽車、火車)、船舶(例如，船、艦)、宇宙飛船(例如，人造衛(wèi)星)、天體(例如，行星、月亮)、航空器(例如，飛機、直升飛機、無人機、飛船)、計算機(例如，臺式計算機、膝上型計算機)、平板計算機、智能電話以及為無線通信裝備或者以其它方式能夠無線通信的許多其它類型的裝置中的任一個。

來自光發(fā)送器的發(fā)散光束以及在光接收器處的適當?shù)慕邮战且馕吨獍l(fā)送器和/或接收器的位置可以在維持通信吞吐量的同時移動。運動的速度可能受到在光接收器處的光束的光斑尺寸、光接收器的接收角以及光發(fā)送器和/或接收器跟蹤的反饋速率的限制。這可能是許多場景所期望的，但是也可能展現(xiàn)出現(xiàn)在難達成或極其昂貴的附加的FSO通信應用。這些包括例如諸如天線桿或塔的地面固定結(jié)構與航空器之間的FSO通信。并且啟用了兩個航空器之間的通信。還也許能夠在宇宙飛船與地面固定結(jié)構之間進行通信，其中在一些示例中，宇宙飛船可以在廣播模式下操作?？梢栽谝恍弥惺褂蒙醺吖β拾l(fā)射器(例如，10至1,000瓦特或更多)。

發(fā)散光束的另一好處可能是無論點對點場景名義上是什么它易于初始對準和對準調(diào)節(jié)。一個示例性場景涉及最初安裝有光發(fā)送器和接收器的兩個地面固定結(jié)構之間(諸如塔與建筑物之間)的光通信。簡單的跟蹤(電子控制的或手動的)可以方便更容易的安裝，從而最大化減少技術人員的時間或者允許終端用戶設置設備。這還可以使得能實現(xiàn)其中發(fā)散光束通信系統(tǒng)僅可以被短時間使用并且需要被迅速地設置和移去的自組織(ad hoc)型網(wǎng)絡。一些示例性潛在場景包括體育事件、賽會或其它聚會，其中與Wi-Fi組合的系統(tǒng)能夠被用來以高吞吐量、更少設備以及快速安裝和拆卸時間向100至100,000個用戶提供帶寬。還可以隨著系統(tǒng)在網(wǎng)絡設備已損壞或者毀壞的區(qū)域中的快速部署而支持災難響應場景。此外，在有戰(zhàn)爭的區(qū)域中以及在帶寬需求可能基于人員數(shù)和設備量而改變的基地和營地中存在針對軍隊和支持人員兩者的許多軍事場景?？梢噪S著需要帶寬的位置隨著時間的推移改變而容易地移去并且重新部署系統(tǒng)。

當在光束中存在散射體時，發(fā)散光束以及在一些示例中在光接收器處的較大接收角可以具有優(yōu)于準直光束的許多好處。對于準直光束，任何散射體可以占主導地使光散射出光束，并且因此可能正好是衰減的源。潛在散射體包括諸如雨、雪、冰、冰雹和霧的天氣相關散射體以及諸如樹葉、樹枝、煙、電線及其他的非天氣散射體。

在示例性實施例的發(fā)散光束通信系統(tǒng)中，散射未必意味著光子丟失。特別地，對于多個散射，可能存在可以在路徑上最初散射的光子，該路徑是使得光子離開到光接收器的光束路徑然后可以隨后又被散射回到光接收器的光束路徑中。這可能在接近于零正向角的角度下存在顯著散射的情形下更經(jīng)常發(fā)生，在光的波長的量級內(nèi)的散射體(諸如霧)情況是這樣的。在一個特定示例中，霧的液滴尺寸可能在2微米附近達到高峰，所述2微米可能在一些示例中接近于系統(tǒng)感興趣的波長，其范圍可以從0.4微米直到1.6微米。正如一個人能夠在有霧條件下很好地在能夠看見汽車之前從汽車的前燈看見光一樣，示例性實施例的系統(tǒng)仍然可以在成像或準直光束將不可見的條件下接收光。

由于諸如霧的散射體的信號退化可能最終達到不能夠維持數(shù)據(jù)速率的點，在此點處發(fā)散光束通信系統(tǒng)可以增加輸出功率或者放慢數(shù)據(jù)速率或者修改其調(diào)制方案、其錯誤校正方案、其編碼方案、其網(wǎng)絡棧協(xié)議或這些的任何組合，以維持足夠的信噪比(SNR)和/或數(shù)據(jù)完整性。在退化是由于太低光子數(shù)或光子效率而導致的實例中，那么增加輸出功率可能足以維持數(shù)據(jù)速率。在退化是由于增加的多徑色散而導致的實例中，那么可以降低數(shù)據(jù)速率。隨著條件改進，系統(tǒng)可以繼續(xù)監(jiān)視性能并且然后增加數(shù)據(jù)速率，降低輸出功率并且/或者調(diào)節(jié)前述修改中的其他中的任一個。一些示例中的系統(tǒng)可以包括用于不同的數(shù)據(jù)速率的多組驅(qū)動和檢測電子裝置。一般而言，給定驅(qū)動器的數(shù)據(jù)速率動態(tài)范圍可以是約一個數(shù)量級或10的倍數(shù)。因此一組電子裝置可以支持1Gb/s直到100Mb/s，但是附加的電子裝置可以被用于低于100Mb/s直到1Mb/s或甚至更低的數(shù)據(jù)速率。更一般地，本公開的一些示例性實施例可以在每秒兆位直到每秒兆兆位或更大的范圍內(nèi)的比特率下支持通信，并且所述比特率可以時常可使用許多不同的技術動態(tài)地調(diào)節(jié)。

圖1例示了根據(jù)本公開的各種示例性實施例的發(fā)散光束通信系統(tǒng)100。如圖所示，該系統(tǒng)包括許多組件中的每一個中的一個或多個，包括為固定或移動通信配置的光發(fā)送器102(示出了一個，并且時常被稱為光源)和光接收器104(兩個被示出為光接收器104a、104b，并且時常被稱為光檢測器)。在一些示例中，一個或多個光發(fā)送器和接收器可以以一個或多個光收發(fā)器的形式位于一處。并且在一些示例中，一個或多個光收發(fā)器可以充當光中繼節(jié)點，該光中繼節(jié)點被配置為(經(jīng)由其接收器)接收承載數(shù)據(jù)的光束，并且(經(jīng)由其發(fā)送器)重新發(fā)送承載相同或類似的數(shù)據(jù)的另一光束。示例性實施例的系統(tǒng)因此可以包括一個或多個光發(fā)送器、接收器和/或收發(fā)器(其中的一些可以充當中繼節(jié)點)的各種組合。

如上面所說明的，光發(fā)送器102、接收器104和/或收發(fā)器(包括發(fā)送器和接收器兩者)可以由許多不同類型的固定或移動通信裝置和結(jié)構來裝備，所述通信裝置和結(jié)構被配置為發(fā)送和/或接收數(shù)據(jù)，或者以其它方式支持數(shù)據(jù)的發(fā)送和/或接收。適合的通信裝置和結(jié)構的示例包括天線桿、伸縮天線桿、塔、電桿、樹、建筑物、氣球、風箏、陸地車輛、船舶、宇宙飛船、天體、航空器、計算機、平板計算機、智能電話以及為無線通信裝備或者以其它方式能夠無線通信的許多其它類型的裝置中的任一個。

光發(fā)送器102可以包括一個或多個發(fā)射器，并且與適當?shù)闹С蛛娮友b置和任何適當?shù)墓鈱W器件耦接，可以被配置為發(fā)出承載數(shù)據(jù)的光束。光接收器104可以包括一個或多個檢測器，并且與適當?shù)闹С蛛娮友b置和任何適當?shù)墓鈱W器件耦接，可以被配置為檢測光束并且從其中恢復數(shù)據(jù)。光發(fā)送器及其支持電子裝置可以是組裝件的一部分，在一些示例中組裝件還包括調(diào)制器106、瞄準系統(tǒng)108和/或控制系統(tǒng)110。光發(fā)送器可以被配置為發(fā)出光束，調(diào)制器可以被配置為用來自數(shù)據(jù)源112的數(shù)據(jù)調(diào)制。光接收器可以被配置為檢測光束，包括在其關聯(lián)的電子裝置中的解調(diào)器可以被配置來解調(diào)以從其中恢復數(shù)據(jù)。并且盡管單獨地示出，但是在一些示例中，一些示例中的調(diào)制器可以被包括在光發(fā)送器的關聯(lián)電子裝置中。

根據(jù)示例性實施例，光發(fā)送器102可以被配置為發(fā)出光束，使得光束隨著它從光發(fā)送器傳播而發(fā)散。光束可能稍微發(fā)散以產(chǎn)生窄發(fā)散光束114，或者更重地發(fā)散以產(chǎn)生寬發(fā)散光束116。更發(fā)散的光束可用于移動光接收器104，諸如由車輛裝備或者由用戶手持的那些光接收器。

因為有效地無限數(shù)目的分立通道的可用性以及多個光信號之間的干擾的固有缺少，更簡單的示例性實施例中的發(fā)散光束通信系統(tǒng)100可以將開/關鍵控(OOK)用作其主調(diào)制方案。這個調(diào)制方案可能基于諸如光發(fā)送器102與接收器104之間的增加距離、大氣條件、漸增帶寬要求、光發(fā)送器功率限制等的許多因素中的任一個而變得不足。該系統(tǒng)可以諸如通過使用在不同頻率下操作的多個光發(fā)送器并且/或者通過使用附加編碼方案，來以許多不同的方式管理這個不足之處。附加編碼方案的適合的示例包括光雙二進制調(diào)制(ODB)、單極化狀態(tài)相位調(diào)制(DPSK)、差分正交相移鍵控(DQPSK)以及雙極化正交狀態(tài)相位調(diào)制(DP-QPSK)。

可以以許多不同的方式(諸如通過使用常規(guī)的糾錯碼和/或前向糾錯)控制光發(fā)送器102與光接收器104之間的數(shù)據(jù)傳輸中的錯誤。

在一些示例中，發(fā)散光束通信系統(tǒng)100可以使用許多不同的技術中的任一個來在日光條件下實現(xiàn)適當?shù)腟NR?？梢源龠MSNR的適合的技術的示例包括高發(fā)送功率、激光線窄化、窄帶通接收器濾波、偽隨機碼調(diào)制、信號平均、自適應遮蔽等的使用。

在一些示例中，諸如通過采用許多不同的復用技術中的任一個，單個光發(fā)送器102可以為駐留在其光束的椎體內(nèi)的多個接收器服務。適合的技術的示例包括基于空間、時間、頻率(光譜)、極化、角動量、代碼或以上一個或多個的某種組合。在更特定示例中，可以使用常規(guī)的信道接入方法，諸如碼分多址(CDMA)、時分多址(TDMA)、頻率間隔等。在其它示例中，可以使用空分多址(SDMA)-三個自由度、角分多址(ADMA)-三個自由度、極分多址(PDMA)-一個自由度等。與可利用無線電頻率得到的三種程度相比，示例性實施例的系統(tǒng)因此可以提供維度分離的多達十個或更多個程度。

在一些示例中，光發(fā)送器102可以被配置為在數(shù)據(jù)發(fā)送之前對其進行加密?？梢杂砂l(fā)送器用于此目的的適合的加密方案的示例包括用于高速RF網(wǎng)絡的常規(guī)技術，諸如具有UEA1或UEA2保密性以及UIA1或UIA2完整性算法的KASUMI塊密碼或SNOW 3G流密碼。光接收器104可以由固定或可移除的可信硬件來標識。另選地，例如，尤其對于純數(shù)據(jù)(與語音和數(shù)據(jù)相對)通信，可以使用現(xiàn)有IEEE 802.11安全協(xié)議。

在一些示例中，可在光發(fā)送器102處通過電子控制的聚焦機制動態(tài)地更改光束發(fā)散。除了其他的優(yōu)點之外，這可以在多個實例中允許減小發(fā)散，其中光束被鎖定到固定光接收器104，或者被鎖定到移動接收器上，該移動接收器被預期為在發(fā)送器與接收器之間的通信的至少某段持續(xù)時間內(nèi)即使移動也不會移動太多。

在一些示例中，光束的功率可以是通過光發(fā)送器102用電子學方法可更改的。除了其他優(yōu)點之外，這可以允許發(fā)散光束通信系統(tǒng)100保存能量并且/或者提供增加的安全。在光束被鎖定到固定光接收器104或者被鎖定到移動接收器上(該移動接收器被預期為在發(fā)送器與接收器之間的通信的至少某段持續(xù)時間內(nèi)即使移動也不會移動太多)的一些示例中，可以減小光束發(fā)散和/或功率。

瞄準系統(tǒng)108可以被配置為諸如根據(jù)許多不同的技術中的任一個在一個或多個光接收器104的通常方向上瞄準光發(fā)送器102。瞄準系統(tǒng)可以在被配置為引導該瞄準系統(tǒng)的控制系統(tǒng)110的方向下進行操作，以在選擇方向上瞄準光發(fā)送器以確保區(qū)域的寬覆蓋范圍很可能包含一個或多個接收器。例如，光發(fā)送器可以向一個或多個可能的接收器發(fā)送指示服務的可用性的代碼。在諸如城市的環(huán)境中，可以遍及城市廣播充當心跳信號的一組一個或多個寬光束以創(chuàng)建光基礎(optical underlay)，該光基礎可以通過幫助檢測一個或多個接收器的位置并且提供適當?shù)亩ㄏ?例如，對準)指令或指導來提供定位。在另一示例中，射頻(RF)系統(tǒng)可以廣播心跳信號以創(chuàng)建RF基礎并且為發(fā)散光束通信系統(tǒng)100提供控制。如本文中所描述的，光發(fā)送器與光接收器之間的定向可以主要在它們的對準的上下文中被描述。然而，應該理解，諸如在至少一些非視線(NLOS)情況下，光發(fā)送器和光接收器可以被以除了可能被認為是傳統(tǒng)對準的方式以外的方式定向或者以其它方式定位。

光接收器104可以以許多不同的方式(諸如經(jīng)由寬光束和/或RF系統(tǒng))請求服務，從而(例如，經(jīng)由GPS或其它地理定位方法，或者使用嵌入到光通信信道中的時間戳)將其位置提供或者指示給控制系統(tǒng)110?？梢砸栽S多不同的方式中的任一個(諸如通過相對于發(fā)散光束通信系統(tǒng)100的另一組件的地理定位或位置(例如，光接收器相對于光發(fā)送器102的位置))表示本文中所描述的這個及其它位置?？刂葡到y(tǒng)也許可以從多個這樣的光發(fā)送器中計算或者選擇光發(fā)送器，計算或者選擇瞄準所選擇的光發(fā)送器的方向，并且使所選擇的發(fā)送器轉(zhuǎn)向以使用瞄準系統(tǒng)108在所選擇的方向上瞄準它。此外，寬光束和/或RF系統(tǒng)可以提供關于光發(fā)送器的位置的指導，并且向適當移動的接收器傳達命令以用于獲得檢測、初始獲取/握手和/或優(yōu)化接收。

在一些示例中，窄角高分辨率瞄準成本可能是相對較高的，但是光束發(fā)散可能由于增加的功率要求而導致增加的激光器(光學)成本。因此，可能存在在激光器成本及瞄準成本與具有足夠高的傳輸效率和適度的激光器和瞄準成本操作的最優(yōu)范圍之間的權衡。

關于瞄準成本，被布置為提供雙軸運動的當前簡單的跟蹤系統(tǒng)(諸如家庭安全相機中使用的那些)以大約$20價格提供0.2度的瞄準分辨率。當前的軍事系統(tǒng)以約$5M價格粗略地實現(xiàn)0.001度的瞄準精度。在光束發(fā)散方面，適度大功率的激光束能夠發(fā)散以在幾百米至幾千米的距離處產(chǎn)生100米的光斑尺寸。可以使用許多不同的技術中的任一個來產(chǎn)生光束發(fā)散，包括通過光學、機械、電光和光學機械技術等的光束發(fā)散。這些技術能夠包括光束發(fā)散以及光束轉(zhuǎn)向(通過孔徑或直接地)。

作為一個適合的瞄準系統(tǒng)108的示例，能夠以合理的成本實現(xiàn)0.1度的跟蹤準確度，并且光發(fā)送器102(例如，激光器)產(chǎn)生能夠行進多達100km的足夠大功率的光束。在一些示例中，可以諸如通過將適當?shù)墓鈱W器件添加到光發(fā)送器或接收器104中的任一個或添加到兩者來經(jīng)由其它組件改進瞄準系統(tǒng)的性能。用于此目的的適合的光學器件的示例包括微機電系統(tǒng)(MEMS)反射鏡、諸如可轉(zhuǎn)向液體透鏡的動態(tài)光學器件、可變形反射鏡等。這些裝置可以具有非常小的角調(diào)諧范圍，例如現(xiàn)有可轉(zhuǎn)向液體透鏡調(diào)諧+/-0.6度，但是可以具有精細的控制和相對較低的成本。光發(fā)送器的陣列可以使用這樣的瞄準分辨率來為多達10,000個接收器104服務，并且可以實現(xiàn)更優(yōu)于當前的蜂窩數(shù)據(jù)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)速率。

在一些示例中，光發(fā)送器102或光接收器104中的任何一個或兩者可以分別包括光發(fā)送器的陣列或光接收器的陣列(或者分別為發(fā)射器的陣列或檢測器的陣列-如在下面更詳細地描述的)。可以在多個方向上布置光發(fā)送器(或發(fā)射器)的陣列，其中該陣列在一些示例中形成二維(2D)或三維(3D)形狀(例如，立方體、球體、半球體)。類似地，可以在多個方向上布置光接收器(或檢測器)的陣列。在這些和其它類似的示例中，可以省略瞄準系統(tǒng)108，其中相應陣列的光發(fā)送器(發(fā)射器)或光接收器(檢測器)被配置為基于它們相對于期望的光接收器或光發(fā)送器的定向(例如，對準)選擇性地激活和停用。在一些示例中，可以通過相應陣列的光發(fā)送器(發(fā)射器)或光接收器(檢測器)被配置為選擇性地接通和斷開而實現(xiàn)這個選擇性激活和停用。并且在一些示例中，可以基于所接收到的光束的相對功率或者根據(jù)某個其它算法來推理它們的定向。

在本技術的一些部署中，尤其在完全水平地穿過霧的情況下，諸如霧的大氣條件可能是成問題的。在一個示例中，可以使用備用長波長紅外(例如，8-15μm)系統(tǒng)。在另一示例中，可以隨著接收器的按時選通在較高功率下使用較短波長以將光子距離門控為僅在直線或準直線上行進到光接收器104的那些光子，這可以在如果沒有消除散射光的情況下減少散射光并改進SNR。在另一示例中，可以將RF系統(tǒng)用作在較低數(shù)據(jù)速率下的備用。

在特定場景(例如，跟蹤車輛、移動裝置)中，寬且高度發(fā)散的光束可能是必要的，因為窄光束可能不能夠準確地跟蹤光接收器104。在這些示例中，使用反射光束，其中發(fā)生離開諸如建筑物的側(cè)面、地面或其它表面的一個或多個表面的反射，其中那些反射基于足夠?qū)捛掖蠊β实墓馐氖褂枚l(fā)生。如本文中所描述的，對反射的引用可以同樣地表示鏡面反射和漫反射或散射，諸如由于朗伯反射而導致的鏡面反射和漫反射或散射。

能夠使用被配置為攔截入射光束的直接光接收器104a來實現(xiàn)直接接收。另選地，反射光接收器104b可以被用來檢測從反射器118產(chǎn)生的反射光束(包括從散射體產(chǎn)生的散射光束的實例)。在一個示例中，單個接收器可以被配置為用作直接接收器和反射接收器中的任何一個或兩者。接收器能夠檢測光束并恢復數(shù)據(jù)。因為光束發(fā)散了，所以定向(例如，對準)可能不是關鍵的并且可以在光束的寬場中或者在光束被反射的任何地方獲得接收。在一些示例中，光發(fā)送器102可以將光束指向反射器或反射器上的反射點，反射器或反射器上的反射點被預先確定以提供由一個或多個光接收器直接或反射接收的可接受可能性。在這些和其它類似的示例中，光接收器中的一個或多個可以(視需要)往回向光發(fā)送器提供反饋，以將光發(fā)送器引導到與相應光接收器的更期望的定向中。

現(xiàn)在更具體地轉(zhuǎn)向光發(fā)送器102，在一些示例中，光發(fā)送器可以包括一個或多個反射器，該反射器的形式為被配置為發(fā)出可見光、紫外光或紅外光的光束的一個或多個至少部分地相干的(相干的或部分地相干的)激光器。也就是說，光發(fā)送器可以被配置為在電磁光譜的可見范圍(例如，400-700nm)、紫外范圍(例如，波長為200-400mn)或紅外范圍(例如，700nm-1mm)內(nèi)操作并發(fā)出光束。在紅外光的特定示例中，光發(fā)送器可以被配置為在短波長紅外范圍(例如，1.4-3μm波長)或者O、E、S、C、L或U中任何一個或多個紅外波段中操作并發(fā)出光束。適合的激光器的示例包括固態(tài)激光器、激光二極管、太陽能激光器等。在更具體的示例中，如在下面更詳細地說明的，激光器可以是垂直腔表面發(fā)射激光器(VCSEL)。

在一些示例中，光發(fā)送器102可以由一個或多個固定頻率或可調(diào)諧激光器組成。在任何一種情況下，通過部署具有不同的頻率的多個固定頻率激光器或者將多個可調(diào)諧激光器調(diào)諧到不同的頻率，發(fā)散光束通信系統(tǒng)100可以采用多個離散頻率。在一些示例中，該系統(tǒng)可以在和500THz一樣寬的頻率范圍上操作，每信道帶寬從0.1MHz到1000MHz，這可以提供500,000到5,000,000,000之間個的離散的操作信道。

圖2A例示了光收發(fā)器陣列200，該光收發(fā)器陣列200在一些示例中可以對應于多個光收發(fā)器202(有時被稱為收發(fā)器模塊)，其中的每一個包括光發(fā)送器102和光接收器104，并且其示例被更詳細地示出在圖2B中。如所示，收發(fā)器陣列可以沿著其寬度204以及其高度206具有適合數(shù)目的單元。在一個示例中，收發(fā)器陣列可以包括m×n個收發(fā)器模塊，其中m＝70并且n＝30。在一個示例中，收發(fā)器模塊中的發(fā)送器和接收器中的每一個上的光學器件的直徑(例如，孔徑)可以是3至4英寸，從而產(chǎn)生大約4至5英寸高和7至8英寸寬的矩形收發(fā)器。在其它示例中，可以使用較大或較小的光學器件。較大的光學器件可能通常與較長的連接范圍關聯(lián)。光學器件可以具有許多類型，包括低成本模制塑料透鏡、菲涅耳透鏡、反射鏡等。另外，除所示出的正方形或矩形形狀之外的其它形狀可以被用于收發(fā)器陣列。在一個示例中可以使用三角形結(jié)構，然而在另一示例中可以使用八邊形結(jié)構。在其它示例中，如圖2C中所示，現(xiàn)有網(wǎng)絡基礎設施(諸如手機信號塔)可以被使用而不管其幾何形狀。

圖2B更詳細地例示了根據(jù)一些示例性實施例的收發(fā)器模塊202。如所示，例如，收發(fā)器可以包括具有諸如一個或多個激光二極管的一個或多個發(fā)射器的光發(fā)送器102(例如示出了發(fā)射器208的陣列)。一個或多個光學器件210、212(例如，一個或多個透鏡、反射鏡)可以被用來散布來自發(fā)射器的準直光束，并且使該光束重新聚焦并產(chǎn)生相對較寬且部分地準直的(例如，發(fā)散的)光束。在另一示例中，光學器件可以被配置為將來自發(fā)射器的準直光束會聚到光發(fā)送器與光接收器104之間的一點，在此點處光束可以被散布以用于由光接收器接收。

同樣如圖所示，收發(fā)器模塊202可以包含光接收器104，該光接收器104具有一個或多個檢測器，諸如一個或多個PIN光電二極管、雪崩光電二極管(APD)、光電倍增管(PMT)等(例如示出了檢測器214的陣列)。接收器可以被用來檢測傳入光信號，并且一個或多個光學器件216(例如，一個或多個透鏡、反射鏡)可以被用來將傳入光聚焦到接收器上。諸如搖攝和傾斜(pan-and-tilt)控件的瞄準系統(tǒng)108可以被用來移動光發(fā)送器和接收器兩者并且將它們瞄準適當?shù)膮^(qū)域。

瞄準系統(tǒng)108可以被一般地配置為指向收發(fā)器模塊202。然而，在一些示例中，光發(fā)送器102或接收器104可以彼此獨立地被指向。如圖2C和圖2D中所示，在一些示例中，瞄準系統(tǒng)還可以包括被配置為具體地指向光接收器的接收器瞄準系統(tǒng)218。同樣如所示，在一些示例中，接收器瞄準系統(tǒng)可以位于收發(fā)器模塊內(nèi)。接收器瞄準系統(tǒng)可以允許將光接收器對準到傳入光束以優(yōu)化信號。光束可以承載數(shù)據(jù)，或者如在下面說明的，可以承載心跳(heartbeat)。

圖3例示了被改裝到諸如手機信號塔的現(xiàn)有網(wǎng)絡基礎設施300的一個或多個光收發(fā)器陣列202。在諸如圖3中所示的場景中，每個收發(fā)器陣列可以提供120°的覆蓋范圍，并且三個陣列可以提供360°的覆蓋范圍?；蛘咴谝恍┦纠校瑔蝹€收發(fā)器陣列可以被配置為諸如通過按照形成3D形狀的多個方向布置的陣列來提供360°的覆蓋范圍。這些陣列可以包括廣范圍數(shù)目的光發(fā)送器102和光接收器104，從低于十個至幾百個，到上千個并且直到一百萬個或更多個。在一些示例中，可以在光發(fā)送器與接收器之間迅速地切換每個用戶，這可以促進系統(tǒng)的安全操作。

圖4A和圖4B例示了根據(jù)一些示例性實施例的移動裝置400，諸如可以被配備有包括光發(fā)送器102和光接收器104的光收發(fā)器402的智能電話。如所示，移動裝置可以包括一個或多個上部收發(fā)器光學器件和下部收發(fā)器光學器件(孔徑)以便能夠接收適當?shù)姆瓷涔馐Ｔ谒境龅氖纠?，主要接收透鏡404和主要發(fā)送透鏡406可以位于移動收發(fā)器的底部，并且輔助接收透鏡408和輔助發(fā)送透鏡410可以位于移動裝置的頂部。在一個示例中，光雙工器412可以與下光導管414和上光導管416相結(jié)合地使用，以將光從主要透鏡或輔助透鏡適當?shù)貙蚬馐瞻l(fā)器。

在一些示例中，移動裝置400可以是現(xiàn)有改裝的移動裝置，或者被制造為集成移動裝置。一些示例的移動裝置可以將GPS定位和裝置定向與光發(fā)送器102或光中繼節(jié)點的知識結(jié)合，以使得該移動裝置能夠發(fā)起發(fā)送-接收握手協(xié)議或者對發(fā)送-接收握手協(xié)議的發(fā)起做出響應，以優(yōu)化光發(fā)送器/光中繼節(jié)點之間的光鏈路。一些示例中的移動裝置可以包括數(shù)字接口、具有可轉(zhuǎn)向日光遮蔽的接收器光學器件、激光發(fā)送器/調(diào)制器、光束引向器以及接收器/解調(diào)器。

如以上所指示的，可以使用許多不同的技術中的任一種來產(chǎn)生發(fā)散光束通信系統(tǒng)100中的光束發(fā)散。在一個示例中，可以在光發(fā)送器102中使用諸如激光二極管或光纖的點源發(fā)射器，并且可以通過使用諸如光源不在焦點處的凹透鏡、凸反射鏡或凸透鏡的適當?shù)墓鈱W器件來生成發(fā)散光束。圖5A和圖5B例示了用于使用諸如VCSEL的發(fā)射器208的陣列的擴展源來實現(xiàn)光束發(fā)散的示例性技術，其中擴展源大于在光發(fā)送器處的光束的光斑尺寸。如圖5A中所示，可以將具有擴展源的發(fā)射器放置在一個或多個光學器件502(例如，光學器件210、212)的焦點處。陣列的發(fā)射器可以發(fā)出相應的準直光束504但是由于陣列的空間范圍而具有不同的角度。這可以產(chǎn)生總發(fā)散光束，其發(fā)散角可以通過陣列的尺寸和光學器件的焦距來設置。

如圖5B中所示，發(fā)射器208的陣列可以更靠近或者更遠離光學器件502，并且由此遠離其焦點506，以增加發(fā)散的程度。在這種情形下，發(fā)射器可以再次以不同的角度發(fā)出相應的發(fā)散光束508。在這種情形下的發(fā)散角可以通過陣列的尺寸以及由于陣列遠離光學器件的焦點的情形而導致的失焦的程度來設置。

在另一示例中，發(fā)送器102可以使用具有接近于所期望的系統(tǒng)發(fā)散的固有發(fā)散的源發(fā)射器。例如，VCSEL激光器的發(fā)散角可以小于邊緣發(fā)射激光二極管的發(fā)散并且可以接近系統(tǒng)所需的發(fā)散。在這種情況下，可能不需要額外的光學器件。應該注意，前述方法的某種組合也可以被用來實現(xiàn)所期望的系統(tǒng)光束發(fā)散。還應該注意，垂直和水平方向上的發(fā)散不同可能是有利的。

具有發(fā)射器的陣列的擴展源的發(fā)送器102對于期望的操作也可能導致不同的功率極限，所述期望的操作在一些示例中可能至少部分地與眼安全有關。大多數(shù)激光功率極限計算是在能夠使光聚焦到非常小的點(大約20微米)的準直光束上預測的。在遠場中，這對于擴展源來說可能是正確的極限，因為它將看起來幾乎為點源。在遠場中，因為光束在發(fā)散所以發(fā)散光束通信系統(tǒng)100可能已經(jīng)低于期望的功率極限。然而，在更靠近發(fā)送器的近場中，功率水平可能大于準直光束所期望的功率極限。源發(fā)射器的擴展性質(zhì)可以增加這個極限，因為擴展源可能未被聚焦到單個斑，而是相反可能被聚焦到一個區(qū)域。這個極限可能取決于光束發(fā)散、發(fā)送器之間的距離以及發(fā)射器被聚焦到哪里，但是可能增加所期望的功率極限。進而，這可以在不需要功率極限監(jiān)視中的一些或全部的情況下簡化系統(tǒng)設計并且降低成本。

盡管發(fā)送器102可以采用許多不同類型的發(fā)射器中的任一個，但是VCSEL陣列是還可以自然地導致擴展源的一種發(fā)射器的特別適合的示例。VCSEL陣列具有可以被并聯(lián)布線的單獨二極管的陣列，這對于高頻高數(shù)據(jù)速率應用可能導致比期望輸入電容更高的輸入電容。一個當前的2W VCSEL陣列具有各自與標稱0.4pF電容并聯(lián)的大約1000個二極管，這產(chǎn)生400pF的輸入電容。在一些示例中，布線可以被重新配置為給作為按照并聯(lián)配置連接的10個不同的子陣列的VCSEL陣列供電，這些陣列中的每一個具有100個二極管并且因此具有40pF的電容。可以使用各自驅(qū)動40pF的10個單獨的放大器調(diào)制器來驅(qū)動經(jīng)連接的子陣列。

在另一示例中，布線可以被重新配置為按照串聯(lián)配置連接10個子陣列，這可以將電容減小至4pF(40pF/10)并且允許利用單個放大器調(diào)制器來驅(qū)動所有1000個二極管，從而消除多個放大器同步和相位的問題。用于串聯(lián)配置的驅(qū)動電壓還可以增加十倍，這可以增加驅(qū)動陣列的效率，因為以較低電流驅(qū)動較高電壓負載比以較高電流驅(qū)動較低電壓負載可能更容易。還可以減小功率損失。

根據(jù)示例性實施例，然后，可以按照各種并聯(lián)和/或串聯(lián)配置布置諸如VCSEL的發(fā)射器的陣列，以從最大數(shù)據(jù)吞吐量速率和功率效率兩點優(yōu)化電氣設計。還可以定制電氣驅(qū)動波形，以使由于松弛諧振、斷路狀態(tài)反沖(off-state bounce)和其它效應而導致的接通和/或斷開超調(diào)(overshoot)或振蕩的影響最小化。波形可能取決于有多少單獨的VCSEL串聯(lián)或并聯(lián)或其某種組合。

除上述之外，VCSEL可以向本公開的示例性實施例提供許多其它好處。VCSEL可能更易于直接調(diào)制，因為每個激光器元件固有地具有短腔。直接調(diào)制可以導致更簡單且不太昂貴的系統(tǒng)設計。每個激光器的更高可靠性以及陣列的并聯(lián)性質(zhì)可以導致非常高的系統(tǒng)可靠性和長MTBF(平均故障間隔時間)。即使陣列內(nèi)的幾個激光器發(fā)生故障，功率的總減小也可能是最小的。高效率以及VCSEL陣列的擴展性質(zhì)可以使來自陣列的熱生成和傳遞的問題最小化。這兩者對于高帶寬低成本FSO系統(tǒng)來說是重要的。

VCSEL陣列也可以包括每陣列更大數(shù)目的元件、更高的總輸出功率以及更高的調(diào)制帶寬。VCSEL通常是相當高效的，在一些情況下高于40％。在一些示例中，同一陣列可以包括具有多個波長的VCSEL，并且陣列可以包括獨立地控制或者調(diào)制的子部。可用波長還可以擴大。當前大多數(shù)VCSEL陣列在800nm與900nm之間，但是在400nm直到800nm以及包括在1310nm附近和在1550nm附近的更典型的電信波長中的一些的可見范圍之上，波長可以變得可用。VCSEL陣列的一部分可以作為心跳(在下面更詳細地說明)，其中它可以被以比陣列的數(shù)據(jù)部分慢得多的速率調(diào)制并且生成期望的功率水平。

現(xiàn)在轉(zhuǎn)向光接收器104，許多通信系統(tǒng)已使用相當小的PIN光電二極管或APD，其在一些示例性實施例中可能是適合的。小尺寸使得能實現(xiàn)高帶寬并且還與光導纖維的芯尺寸匹配，光導纖維的芯尺寸范圍從～5微米直到200微米或更大。根據(jù)示例性實施例，光束在檢測器處可以是數(shù)厘米到數(shù)米寬，這可以受益于對來自一厘米到多厘米寬的孔徑的光子的收集。這可以用光學器件(諸如透鏡、反射鏡等)實現(xiàn)，但是在接收角與孔徑尺寸之間存在權衡。這可以通過使用具有較大檢測器的光接收器來減輕。檢測器可以和收集孔徑一樣大，并且光接收器可能不具有任何光學器件。在另一示例中，光接收器可以包括非常大面積的檢測器并且僅在檢測器前面具有濾光，或者可以在組成檢測器陣列的單獨的檢測器前面具有微透鏡。

圖6A例示了根據(jù)本公開的一個示例性實施例的光接收器104。如圖所示，與光發(fā)送器102類似，光接收器可以包括檢測器214的陣列的擴展源以及一個或多個光學器件602(檢測器的陣列的尺寸大于在光發(fā)送器處的光束的光斑尺寸)。檢測器的陣列可以具有與在光發(fā)送器處的發(fā)射器的陣列類似的優(yōu)點。例如，通過基于許多小檢測器構建檢測器，總系統(tǒng)帶寬可以保持相當高。同樣地如果幾個檢測器發(fā)生故障，則可以減小對總系統(tǒng)性能的影響。

圖6B例示了類似的光接收器，但是還包括諸如高折射率材料(諸如紅寶石、藍寶石或一些塑料或玻璃)的一個或多個半球透鏡604的一個或多個光學器件，與檢測器214的陣列極為接近地放置以增加光增益。這個增加可以隨材料的折射率的平方進行。圖示的是單個透鏡正好在檢測器的陣列前面，在一些示例中，透鏡可以替代地是位于檢測器的陣列的各檢測器上方的微透鏡的陣列，其可以減小填充因素對陣列的影響。這些微透鏡可以被形成并布置為在檢測器的陣列中的檢測器上方及檢測器之間覆蓋盡可能多的區(qū)域。

在具有附加光學器件的檢測器214的陣列的情況下，光接收器104的接收角可以像在不比先前的FSO系統(tǒng)高得多的情況下一樣高，因為光增益不必如此大以維持相同或類似的光孔徑。隨著檢測器的尺寸從200微米增加到500微米，然后增加到1mm且更多，接收角可以從一度的一小部分增加直到幾度，同時維持0.1至100或更多厘米的孔徑尺寸。

簡要地返回到圖1，在一些示例中，可以通過在光發(fā)送器102和/或接收器104中具有可調(diào)節(jié)焦點、散光和/或瞄準調(diào)節(jié)來改進光束的發(fā)散性質(zhì)以及在非視線(NLOS)情況下的變化條件，可以以許多不同的方式實現(xiàn)所述可調(diào)節(jié)焦點、散光和/或瞄準調(diào)節(jié)。在一些示例性實施例中，光發(fā)送器102和/或接收器104可以包括一個或多個動態(tài)光學器件，其可以被配置為使得能實現(xiàn)前述可調(diào)節(jié)焦點、散光或瞄準調(diào)節(jié)中的一個或多個。這些動態(tài)光學器件可以包括一個或多個表面，其可以隨著時間的推移而改變，并且其在一些示例中可以被電力地控制。適合的動態(tài)光學器件的示例包括液體透鏡、可變形反射鏡等。更具體的示例包括由Varioptic或Optotune制造的液體透鏡。液體透鏡尤其是一般地為諸如手機相機的成像應用而設計的，但是可以適用于發(fā)散光束通信系統(tǒng)100。它們是相對較小且低成本的，并且可以通過跨越裝置中的膜片的電壓或電流來操作。還存在散光可用的液體透鏡，諸如來自Varioptic的Visayan。

圖7A例示了包括一個或多個動態(tài)光學器件702的光發(fā)送器102，動態(tài)光學器件702被配置為使得能實現(xiàn)光束的可調(diào)節(jié)焦點。對于光發(fā)送器，可調(diào)節(jié)焦點可以使得能夠從發(fā)散702到類準直704到會聚706，調(diào)節(jié)在離光發(fā)送器的給定距離處的光束直徑。例如，在100m直到1km的短距離建立中，可能期望增加光束發(fā)散，使得功率水平在盡可能多的光束路徑上低于所期望的功率極限。相反，在光束將行進超過1km直到10km或更多的實例中，可能期望減小光束發(fā)散，使得在接收器處的功率水平保持高于給定數(shù)據(jù)速率所需要的閾值。同樣地，在諸如霧的一些天氣條件下，可能期望減小光束發(fā)散，因為可能存在通過霧的散射而生成的附加光束發(fā)散。

圖7B、圖7C和圖7D例示了用于在光發(fā)送器102中使得能實現(xiàn)散光由此垂直發(fā)散708可以與水平發(fā)散710不同(在垂直軸上的聚焦與在水平軸上不同)的動態(tài)光學器件702的使用。這在諸如水平光束擴展可能超過垂直光束擴展的塔對地場景的情況下可能是所希望的。光接收器104可以垂直方向地在地面的幾米內(nèi)，但是可以在水平地幾十或上百米內(nèi)的任何地方，尤其是在離塔1km或更多的距離處。

圖7E例示了用于在光發(fā)送器102處使得能實現(xiàn)瞄準調(diào)節(jié)的動態(tài)光學器件702的使用。如以上在瞄準系統(tǒng)108的上下文中所說明的，動態(tài)光學器件可以使得能夠從直線712到+/-0.6度714、716調(diào)諧光束，但是應該理解，較大或較小的角度也是可能的。在一些示例中，這可以允許～8個比特或256個計數(shù)的調(diào)節(jié)分辨率(1.2度/256＝80微弧度/分辨率)。

如圖8中所示，在一些示例中，示例性實施例的發(fā)散光束通信系統(tǒng)100可以從單個發(fā)送點(諸如從多個光發(fā)送器102的陣列或具有發(fā)射器208的陣列的發(fā)送器)支持多個光束，發(fā)射器208可以支持快速光束抖動802。這個光束抖動然后進而可以被用來減輕使窄光束的服務質(zhì)量退化的閃爍和衰落效應。寬光束可以以比光束角大得多的抖動角而迅速地抖動，這可能產(chǎn)生在一致地擊中期望的光接收器104的光束，同時使閃爍和衰落效應最終達到平衡。這個抖動或快速光束路徑移位還可以提供增加的安全性，其中光束移位使得光束路徑從不在一個區(qū)域中駐留達不希望的時間量。

圖9A例示了包括被配置為使得能實現(xiàn)光束的可調(diào)節(jié)焦點的動態(tài)光學器件902的光接收器104。這個可調(diào)節(jié)焦點可以方便光接收器與光束的特性相匹配。所以針對LOS情況，如圖9B中所示，光接收器可以期望無限的或幾乎無限的焦點，因為傳入光束可以在接收器處有效地被準直。對于天氣方面的LOS，可能期望聚焦在光發(fā)送器102與光接收器之間的某個中間點處，因為由于雨、雪、霧或其他而導致的散射可以在光發(fā)送器與接收器之間生成有效的源點。如圖9C中所示，這對于NLOS的情況也是類似的，其中可能同樣地期望聚焦在光發(fā)送器與接收器之間的某個中間點上。

圖9D和圖9E例示了用于在光接收器104處使得能實現(xiàn)瞄準調(diào)節(jié)的動態(tài)光學器件902的使用。如圖所示，動態(tài)光學器件可以允許類準直光束的調(diào)節(jié)，使得它擊中單個檢測器或光接收器的檢測器214的陣列的子集。這可以在與在光接收器處調(diào)節(jié)焦點相同的時間內(nèi)實現(xiàn)。

可以以許多不同方式中的任一種實現(xiàn)至少用于通信的光發(fā)送器102與接收器104之間的初始對準。圖10例示了以上所引入的幾個示例性技術。如圖所示，發(fā)散光束通信系統(tǒng)100可以被配置為提供高功率高速光通信1002。在一些示例中，RF系統(tǒng)可以為發(fā)散光束通信系統(tǒng)提供支持，并且在光發(fā)送器與接收器之間提供低功率RF通信1004以確立它們的位置并且協(xié)助它們的對準。這個RF通信可以包括由可以協(xié)助光發(fā)送器和接收器的對準的一個或多個RF信號的集合組成的RF心跳信號。并且在下面更詳細地描述的一些示例中，光發(fā)送器可以被配置為發(fā)出由一個或多個寬光束的集合組成的光心跳1006(光心跳信號)，該寬光束可以協(xié)助光發(fā)送器和接收器的對準。在一些示例中，可以對心跳信號進行調(diào)制以承載或者指示光發(fā)送器的位置(地理位置)，并且/或者一個信號可以使光接收器將其位置或其位置的指示返回給光發(fā)送器，使得光發(fā)送器和接收器可以被對準(或者可以以其它方式調(diào)節(jié)它們相對于彼此或光束的定向)。光發(fā)送器和接收器可以知道它們的位置，或者在一些示例中，可以諸如經(jīng)由GPS或其它地理定位方法獲取它們的位置?；蛘咴谝恍┦纠?，光發(fā)送器或接收器可以諸如使用被嵌入到心跳信號中的時間戳來確定另一個光發(fā)送器或接收器的位置。

根據(jù)示例性實施例，由光發(fā)送器102發(fā)出的光心跳可以是在所有情況下處于或者低于期望的功率極限的光束，并且該光束可以被以慢于系統(tǒng)的高功率高速光通信1002的速率調(diào)制。對于對準情況，光發(fā)送器可以發(fā)出心跳(光學或RF)。光接收器104可以諸如通過具有大視場(例如，10度直到180度或更大)的相機來檢測心跳，該相機被配置為捕獲心跳的至少一部分。光接收器可以識別光發(fā)送器心跳，并且根據(jù)需要移動，以與光發(fā)送器對準?；蛘咴诎ü饨邮掌鞯年嚵械囊恍┦纠校c光發(fā)送器最緊密地對準的陣列的光接收器中的一個或多個可以隨著其它光接收器被選擇性地停用(例如，斷開)而被選擇性地激活(例如，接通)，而無需移動光接收器中的任一個。可以采用用于光接收器的選擇性激活或停用的其它技術，包括基于所接收到的光束的相對功率或者通過心跳的技術。在任何事件中，光接收器然后可以通過關聯(lián)的發(fā)送器(光學或RF)將心跳發(fā)送回給光發(fā)送器。光發(fā)送器通過關聯(lián)的接收器可以接收接收器心跳，并且開始發(fā)送高速光通信。在一些示例中，諸如在高速光通信的發(fā)送之前，接收器心跳還可以導致光發(fā)送器與光接收器的提高的對準。

在一些示例中，光發(fā)送器102可以監(jiān)視來自光接收器104的心跳。在光接收器心跳落在閾值水平或其它準則以下的實例中，光發(fā)送器可以禁用高功率高速光通信1002。光發(fā)送器然后可以等待，直到它再次拾取或者以其它方式檢測到接收器心跳(高于閾值水平或其它準則)為止，并且然后重建高功率高速光通信。關閉時間可能足以使光曝光水平保持低于所期望的功率極限，但是可以允許盡可能快地(例如，大約數(shù)毫秒或更快)重建高速光通信。例如，在光束路徑中來回地揮舞的樹枝每當穿過光束時可以頃刻中斷光束，但是足夠快的重新開始可以使對通信吞吐量的任何影響最小化。

在一些示例中，可以在光接收器內(nèi)并且根據(jù)許多不同的技術來至少部分地實現(xiàn)光發(fā)送器102與接收器104之間的對準。圖11A和圖11B例示了兩個示例。如圖11A中所示，光接收器可以包括濾光器或部分拾取反射鏡1102，該濾光器或部分拾取反射鏡1102被配置為通過適當?shù)墓鈱W器件1104來反射所檢測到的光束的一部分并且到相機1106。相機可以被配置為捕獲光束的反射部分，并且與光接收器的電子裝置進行通信以基于所捕獲的光束的反射部分來驅(qū)動粗略轉(zhuǎn)向(例如，電機、接收瞄準系統(tǒng)218)和/或精細轉(zhuǎn)向(例如，MEMS反射鏡、動態(tài)光學器件或其它方法)。在一些示例中，光發(fā)送器的發(fā)射器208的陣列可以包括一個或多個發(fā)射器，或者光發(fā)送器可以包括一個或多個附加的發(fā)射器，其被配置為以小于相機的幀速率的速率發(fā)出光束以允許跟蹤、鎖定和心跳。

如圖11B中所示，在另一示例中，光接收器可以包括被定位在限制孔徑1110的周邊附近并且可能被限制孔徑1110遮蔽的多個光電二極管1108(例示為光電二極管1108a、1108b、1108c、1108d的四個)。在這個示例中，光電二極管可以被配置為檢測在光電二極管處所檢測到的光束(相對于在檢測器214處所檢測到的光束的總功率)的相對功率，并且與光接收器104的電子裝置進行通信以驅(qū)動粗略轉(zhuǎn)向(例如，電機、接收瞄準系統(tǒng)218)和/或精細轉(zhuǎn)向(例如，MEMS反射鏡、動態(tài)光學器件)。在一些示例中，可以使用僅三個光電二極管，諸如環(huán)繞圓間隔開大約120度定位的光電二極管1108a、1108b和1108c。在更特定示例中，對于在相應的光電二極管處檢測到的相對功率能夠?qū)⒎答伩刂聘爬ㄈ缦拢?/p>

如果[光電二極管1108b>光電二極管1108c]，則在第一方向上(例如，向右)搖攝；

如果光電二極管1108b<光電二極管1108c，則在相反的第二方向上(例如，向左)搖攝。

如果[光電二極管1108a>(光電二極管1108b+光電二極管1108c)/2]，則在第三方向上(例如，向下)傾斜；以及

如果[光電二極管1108a<(光電二極管1108b+光電二極管1108c)/2]，則在相反的第四方向上(例如，向上)傾斜。

盡管在使光接收器104轉(zhuǎn)向或者搖攝的上下文中進行描述，但是如以上所說明的，在包括光接收器的陣列的一些示例中，可以在無需移動光接收器的情況下實現(xiàn)對準。在這些示例中，與光發(fā)送器最緊密地對準的陣列的光接收器中的一個或多個可以隨著其它光接收器被選擇性地停用(例如，斷開)而被選擇性地激活(例如，接通)，而無需移動光接收器中的任一個。

如以上所說明的，在一些示例中，單個光發(fā)送器102可以為多個接收器(諸如(針對LOS情況)駐留在其光束的椎體內(nèi)的那些接收器)服務。如以上所說明的，這可以以許多不同的方式(諸如根據(jù)一個或多個復用技術)實現(xiàn)。圖12A例示了一個示例性復用技術，即，光譜復用。如圖所示，可以將光發(fā)送器的發(fā)射器208的陣列劃分成具有不同的相應波長(被示出為λ1、λ2、λ3和λ4，并且其中單獨的發(fā)射器用于前述心跳)的一個或多個發(fā)射器的組。如圖所示，這些組的發(fā)射器可以被按區(qū)域布置在陣列中；或者在其它示例中，發(fā)射器可以彼此散布。光接收器104可以在它們的檢測器214中的一個或多個中的全部或部分前面包括一個或多個波長特定或波長可調(diào)諧濾光器1202。在一些示例中，可調(diào)諧濾光器可以隨著發(fā)射器的波長由于諸如變化環(huán)境條件(特別是溫度)的各種條件而偏移而可動態(tài)地調(diào)諧。

除光譜復用之外或者代替光譜復用，發(fā)散光束通信系統(tǒng)100在一些示例中可以諸如以圖12B中所示的方式采用空間復用(SMX)。如圖所示，光發(fā)送器的發(fā)射器208的陣列可以被按照可以被獨立地調(diào)制的發(fā)射器的圖案(例如，一個或多個發(fā)射器的組的圖案)布置(被示出為區(qū)域1、區(qū)域2、區(qū)域3、區(qū)域4，并且其中單獨的發(fā)射器用于前述心跳)。可以按照檢測器的對應圖案類似地布置光接收器104處的檢測器214的陣列。在一些示例中，系統(tǒng)可以在清晰條件下使用空間復用。系統(tǒng)然后可以在顯著散射(例如，來自天氣)或NLOS情況下關閉或者減少空間復用，從而潛在地減少總帶寬但是維持通信容量。

各種示例中的發(fā)散光束通信系統(tǒng)100的進一步特征包括光發(fā)送器102嘗試多個路徑和/或發(fā)信號通知用戶以使它們的光接收器104轉(zhuǎn)動或者移動，以優(yōu)化它們的對準并且提高接收信號速度和服務質(zhì)量。可以諸如通過文本、符號、語音、音調(diào)或其它光、聲、觸覺或其它信號以許多不同的方式實現(xiàn)這種向用戶發(fā)信號通知。在更特定示例中，光發(fā)送器可以發(fā)信號通知用戶移動到窗戶，或者移動到它們的前面、后面、左邊或右邊。在另一特定示例中，光發(fā)送器可以發(fā)信號通知用戶按圓轉(zhuǎn)動，并且發(fā)信號通知用戶何時停止轉(zhuǎn)動?；蛘咴谟忠粋€示例中，光發(fā)送器可以發(fā)信號通知用戶使光接收器移動、轉(zhuǎn)動或者傾斜。

在一些示例中，回復反射可以被用來促進安全的功率水平。根據(jù)這些示例，光發(fā)送器102或光發(fā)送器的陣列可以發(fā)出短脈沖，并且包括被配置為監(jiān)視任何返回(反射)信號的一個或多個檢測器或其它傳感器。在非常短時間延遲下的大強度反射可以指示在接近范圍的發(fā)送光束中的對象，這可以使光發(fā)送器或陣列為了支持陣列的不同發(fā)射器或不同發(fā)送器而停止發(fā)出該光束。系統(tǒng)的響應速度可以促進安全操作，因為可以在到達僅可能隨著光能在足夠長的時間段期間的充分累積而出現(xiàn)的特定已知且規(guī)定的能量閾值之前切斷光束。

在一些示例中，發(fā)散光束通信系統(tǒng)100的環(huán)境的3D建?？梢员挥脕韮?yōu)化其吞吐量。這可以使用現(xiàn)有地形和城市架構數(shù)據(jù)庫，以及由系統(tǒng)收集的成像數(shù)據(jù)，或其任何組合來實現(xiàn)。在更特定示例中，回復反射強度和時間延遲能夠被用來實現(xiàn)LIDAR型能力。根據(jù)環(huán)境的3D模型，可以針對固定和移動光發(fā)送器102及接收器104兩者來預測最優(yōu)光束路徑。在移動光接收器的情況下，可以將接收器的路徑建模成3D模型以創(chuàng)建用于由移動用戶接收的最優(yōu)光束路徑。3D模型可以是自適應的，從而對諸如良好反射器118(例如，移動到不同位置的停泊卡車)的改變做出響應。由系統(tǒng)獲得的光束反射和透射強度信息可以被用來改進初始3D模型，或者用來創(chuàng)建新3D模型。

在一個示例中，可以使用固定延遲路由器(光中繼節(jié)點)，在該固定延遲路由器中，可以在大規(guī)模外部載波系統(tǒng)(例如，手機宏小區(qū)站點)和本地路由器系統(tǒng)兩者中使用相同的分量和頻率。這可以提供改進系統(tǒng)效率的規(guī)模經(jīng)濟和共性

在一些示例中，可轉(zhuǎn)向中繼光束可以由發(fā)散光束通信系統(tǒng)100生成。協(xié)作用戶/路由器可以將信號從宏小區(qū)中繼到移動用戶或其它用戶。

在一些示例中，可以例如以非常低權重且低功率光中繼節(jié)點的形式部署自主固定或移動光發(fā)送器、接收器或收發(fā)器(有時被稱為小區(qū)節(jié)點)。在這些示例中，輕便的光中繼節(jié)點可以被部署在空中(例如，在氣球、無人機、飛船中)或者在建筑物、塔、電桿、樹或高于地平面的其它位置上。在一個示例中，這些自主光發(fā)送器、接收器或收發(fā)器可以是太陽能供電的。

在一些示例中，外部、內(nèi)部或兩者的光導可以被用來傳播來自發(fā)散光束通信系統(tǒng)的信號。

在一些示例中，快速光束頻率掃描可以被用于安全、干擾抑制和/或SNR改進以防止太陽能背景和多徑失真。在一個示例中，所有半導體無動性激光器(all-semiconductor akinetic laser)可以被電力地調(diào)諧并且避免任何機械或機電組件的使用。

在一些示例中，可以創(chuàng)建自組織網(wǎng)絡，其中活動用戶對網(wǎng)絡做出貢獻并且形成網(wǎng)絡。

在一些示例中，可以通過使用與一些移動電話電池類似的機載裝置來將發(fā)散光束通信系統(tǒng)100集成到諸如移動電話、平板或個人計算機的現(xiàn)有移動數(shù)據(jù)傳輸裝置中，其中光組件可以與現(xiàn)有移動裝置集成在一起。

在一些示例中，可以在光接收器架構中使用機械阱以允許實現(xiàn)來自光發(fā)送器的單個光束的選擇，從而減少多徑問題以及入射日光對接收系統(tǒng)上的影響。在另一示例中，在光接收器104處的光準直器可以拒絕窄接收范圍外的信號，從而改良多徑效應。

可以以許多方式解決發(fā)散光束通信系統(tǒng)100中的多徑因素和干擾。在一個示例中，光發(fā)送器102與接收器104之間的很可能最強的信號路徑(無論是直接的還是反射的)可以足夠短以使得具有高于拒絕閾值的信號強度的其它路徑并沒有比較強信號路徑長太多或短太多以導致符號間干擾。這種情形可以適用于在相對較低的數(shù)據(jù)速率下的相對較短的路徑。在一個示例中，可以使用編碼來減輕多徑干擾的效應。在另一示例中，可以對光信號進行頻分編碼以消除(account for)多徑環(huán)境中的脈沖的拖影并且減少符號間干擾。接收器可以重建信號。因此，可以使用正交頻分復用(OFDM)來防止多徑問題。在另一示例中，同步的接收器時間選通可以被用來將光子限于僅行進最短或最高效路徑的那些。

為了進一步例示示例性實施例的發(fā)散光束通信系統(tǒng)100，現(xiàn)在將參考圖13至17、圖18A和圖18B，這些圖例示了可以在其中部署示例性實施例的各種場景。如上面所說明的，某些光接收器104a可以檢測來自光發(fā)送器102的入射光束，然而其它光接收器104b(或甚至相同的接收器)可以檢測來自反射器118(包括散射器)的反射光束(包括散射光束)。圖13例示了建筑物1302可能阻擋發(fā)出的光束(作為阻擋的入射光束1304示出)由光接收器104b接收。如圖所示，然而，諸如地面或另一建筑物的適當反射器上的反射點1306可以產(chǎn)生可以由光接收器104b接收的反射光束1308。光接收器在這里可以是固定的或移動的，但是對于移動接收器來說，對入射或反射光束的附加對準可能是期望的或需要的，并且靈敏度問題可能要求額外考慮。

圖14例示了發(fā)散光束通信系統(tǒng)100在固定接收器環(huán)境中的示例性部署。如圖所示，光發(fā)送器的陣列(諸如光收發(fā)器陣列200)可以被放置在主機建筑物1402、塔或其它位置上。光發(fā)送器可以產(chǎn)生光束，該光束包括具有到一個或多個光接收器104a(被示出在建筑物1406中)的直接視線(LOS)的入射光束1404以及可以被反射或者散射以產(chǎn)生可由一個或多個光接收器104b(被示出在另一建筑物1412中)檢測的反射/散射光束1410的另一第二入射光束1408。在圖中未示出的另一示例中，反射/散射光束可以由直接視線光束產(chǎn)生。光接收器104a可以從直接視線光束直接接收光，并且它還可以從第二光束接收直接視線光。第二光束可以被用來生成反射/散射光束，其可能在性質(zhì)上是朗伯的并且遍及全180度使光散射。這個第二光束然后可以由光接收器104b接收。在圖中未示出的另一示例中，固定反射或散射表面或兩種類型的表面可以在第二光束的初始入射點處被附接，以生成可以將光更高效地導向光接收器104b的反射/散射光束。

如上面所指示的，圖14的場景中的光接收器104a、104b可以是固定的。在其它示例中，并且如在下面在示例性場景中更特別地描述的，光接收器中的任何一個或兩者可能替代地可在特定區(qū)域內(nèi)移動或者是移動的。在一個示例中，用戶可以以物理方式將他們的接收器攜帶或者放置到特定區(qū)域內(nèi)的不同位置。在另一示例中，任何一個或兩個接收機可以被配備有允許它們在一個或多個(例如，六個)自由度上自主地移動以改進接收的裝置。

圖15A例示了入射光束1502通過建筑物(例如，建筑物1410、1412)、車輛或其它結(jié)構的窗戶1504的接收，該光束可以反射離開天花板、地板或墻壁以創(chuàng)建反射光束1506。圖15B例示了入射光束由路由器(光中繼節(jié)點)1508接收以便作為另一入射光束中繼的類似場景，該另一入射光束類似地可以反射離開天花板、地板或墻壁以創(chuàng)建反射光束。在任何一個實例中，可以直接接收入射光束。還可以直接接收反射光束，或者它們可能產(chǎn)生形式為諸如可以通過門檻間隙1512的傳播輻射的殘留輻射1510。因為系統(tǒng)能夠適于從在直接接收的入射或反射光束中發(fā)生的那些功率水平到在傳播輻射中發(fā)生的那些功率水平變動的各種功率水平，所以發(fā)送路徑是不關鍵的并且系統(tǒng)能夠按需獲得入射、反射或殘留輻射。

圖15C更具體地例示了根據(jù)一些示例性實施例的路由器(光中繼節(jié)點)1508。如圖所示，路由器可以包括外部布置和內(nèi)部布置。外部布置可以包括具有被配置為接收光束的一個或多個外部檢測器1514的一個或多個外部光接收器，并且內(nèi)部布置可以包括具有被配置為重傳光束的一個或多個內(nèi)部發(fā)射器1516的一個或多個內(nèi)部光發(fā)送器。盡管未單獨地示出，但是在一些示例中，內(nèi)部布置還可以包括具有被配置為接收光束的一個或多個內(nèi)部檢測器的一個或多個內(nèi)部光接收器，并且外部布置可以包括具有被配置為重傳光束的一個或多個外部發(fā)射器的一個或多個外部光發(fā)送器。在一個特定示例中，外部和內(nèi)部檢測器可以覆蓋100cm²的區(qū)域，并且提供1000個光子/比特；并且內(nèi)部和外部發(fā)射器可以覆蓋±45度。內(nèi)部發(fā)射器可以能夠20度瞄準，然而外部發(fā)射器可以能夠0.5度瞄準。

圖16例示了發(fā)散光束通信系統(tǒng)100在移動接收器環(huán)境中的示例性部署。如圖所示，再次，光發(fā)送器的陣列(諸如光收發(fā)器陣列200)可以被放置在主機建筑物1402、塔或其它位置上。光發(fā)送器可以產(chǎn)生包括入射光束1602的光束以及地面反射光束1606，入射光束1602產(chǎn)生建筑物反射光束1604。包括入射光束和反射光束的這些光束然后可以由一個或多個光接收器104a、104b接收。在一些示例中，接收器可以故意地從入射光束“移開”以獲得比直接光束更穩(wěn)定但是功率水平較低的光束。例如，從建筑物或地面反射的輻射可能比來自收發(fā)器陣列的直接輻射更恒定?？梢砸栽S多不同的方式(諸如通過SNR)做出這個確定。因此，光接收器可以優(yōu)選地檢測或者以其它方式鎖定到反射光束上，并且避免入射光束的直接檢測。

圖17例示了發(fā)散光束通信系統(tǒng)100在城市和鄉(xiāng)村(例如，樹木繁茂的)環(huán)境中的示例性部署。再一次，這個示例包括被放置在主機建筑物1402、塔或其它位置上的光發(fā)送器的陣列，諸如光收發(fā)器陣列200。如這個場景中所例示，來自光發(fā)送器的入射光束1702可以從正常相對均勻的大氣顆粒散射，并且因此產(chǎn)生反射/散射光束1704。附加地，入射光束可以從不均勻的大氣顆粒(諸如由屋頂排氣口產(chǎn)生的水蒸汽1706)或霧、云、煙等散射，并且因此產(chǎn)生附加的反射/散射光束。這些反射/散射光束可以由固定或移動光接收器接收。在一些示例中，諸如藍至紫外波長的較短波長由于它們較大程度的散射而可能是有利的。

圖18A和圖18B例示了發(fā)散光束通信系統(tǒng)100在城市和鄉(xiāng)村(例如，樹木繁茂的)環(huán)境中的其它示例性部署。在這些示例中，系統(tǒng)包括配備有光發(fā)送器或包括光發(fā)送器的收發(fā)器(未單獨地示出)的一個或多個人造衛(wèi)星1802(諸如在衛(wèi)星的增值網(wǎng)絡中)。在這個場景中，衛(wèi)星可以被配置為在城市環(huán)境和/或鄉(xiāng)村環(huán)境中發(fā)送幾乎或有效垂直的光束。這些光束可以由固定或移動光接收器接收。這些光束可以由固定或移動光接收器接收。在一些示例中，諸如紅至紅外波長的較長波長由于它們對云1804的較好穿透而可能是有利的，諸如圖18B中所示。

圖19例示了根據(jù)本公開的示例性實施例的方法1900中的各種操作。如在塊1902和1904處所示，該方法可以包括：分別用數(shù)據(jù)對光束進行調(diào)制；以及由光發(fā)送器發(fā)出承載數(shù)據(jù)并且沒有人為限制的光束以用于由被配置為從光束中檢測并恢復數(shù)據(jù)的光接收器接收?？梢园创笥?.1度的發(fā)散角并且按小于0.05％的光子效率發(fā)出光束?；蛘咴诹硪皇纠?，可以按大于0.1度的發(fā)散角并且按小于0.01％的光子效率發(fā)出光束。并且光子效率可以使可由光接收器檢測的光束的光子的數(shù)目與由光發(fā)送器發(fā)出的光束的光子的數(shù)目聯(lián)系起來。

本公開的示例性實施例因此提供了用于光通信以及更特別地用于發(fā)散光束通信的發(fā)散光束通信系統(tǒng)100和方法。與常規(guī)的FSO通信相比，示例性實施例的系統(tǒng)和方法使用寬得多的光束和高得多的功率水平。光束的功率的有效部分可能相對于更常規(guī)的FSO通信被“浪費”，但是較寬的光束使瞄準和跟蹤變得完全不必要或者變得容易且負擔得起。這些高功率寬光束還使得能實現(xiàn)移動用戶的靈活性、更高服務質(zhì)量以及非視線(NLOS)和阻擋視線應用的可行性，在所述非視線(NLOS)和阻擋視線應用中，反射和散射傳播可以使得能實現(xiàn)高數(shù)據(jù)速率吞吐量和高服務質(zhì)量。

發(fā)散光束通信系統(tǒng)100和方法可以對于高于1Gb/s并且在一些示例中高達1Tb/s或更高的高數(shù)據(jù)速率無線通信采用高功率固態(tài)激光器或其它發(fā)射器。在一些示例中，該系統(tǒng)還可以針對每個通信鏈路來優(yōu)化光束發(fā)散。光束發(fā)散角可以是固定的或者緩慢地或迅速地變化。該系統(tǒng)在光發(fā)送器102與光接收器104之間不需要視線。該發(fā)散光束通信系統(tǒng)中使用的發(fā)射器發(fā)射功率可以是這樣的，即可甚至在多個反射情況下實現(xiàn)非常高的數(shù)據(jù)傳輸速率。

發(fā)散光束通信系統(tǒng)100可以被以許多不同的方式(諸如基于光子或傳輸效率及其光束的發(fā)散)與傳統(tǒng)FSO傳輸對比。這里，光子效率可以使可由光檢測器檢測的光子的數(shù)目與由光發(fā)送器發(fā)出的光束的光子的數(shù)目聯(lián)系起來。在這方面，可由光檢測器檢測的光子的數(shù)目可以通過其接收角來限定或者以其它方式約束。在一些示例中，光子效率可以被表示為由光接收器104檢測到的光子數(shù)(A_R)除以由光發(fā)送器102發(fā)出的光子數(shù)(A_T)的比(E)(E＝A_R/A_T)。因數(shù)E可能受到許多變量(包括光束發(fā)散或光束寬度)影響。

雖然傳統(tǒng)方法可以實現(xiàn)傳輸?shù)母咝?E＝10％至90％)，然而它要求具有大約0.0005至0.005度的發(fā)散的非常窄的光束，這進而要求它在更高成本下被以極端精度瞄準。另一方面，示例性實施例的發(fā)散光束通信系統(tǒng)使用更寬的光束。在一些示例中，其光束可以僅達到0.01％至0.00001％的光子效率，但是更寬的光束具有大約0.2至6度的光束發(fā)散，這可以放松瞄準要求，使得瞄準系統(tǒng)是高度負擔得起的。在其它示例中，光束發(fā)散角可以在0.02至20度、0.1至10度等的范圍內(nèi)。在更一般情況下，在一些示例中，發(fā)散光束通信系統(tǒng)可以按大于0.1度的光束發(fā)散并且按小于0.01％的光子效率進行操作。或者在其它示例中，發(fā)散光束通信系統(tǒng)可以按大于0.1度的光束發(fā)散并且按小于0.05％的光子效率進行操作。

在現(xiàn)有FSO視線系統(tǒng)中，光發(fā)送器通常是僅0.01至10mW，或者可能為30至50mW。這些FSO系統(tǒng)一直受到激光器的成本和安全關注限制，這已經(jīng)意味著高于約100mW或者高于1W的功率水平一直是經(jīng)濟上不可行的和/或不安全的。這些系統(tǒng)因此已尋求使激光器功率最小化。相比之下，本公開的各種示例性實施例的發(fā)散光束通信系統(tǒng)100設法利用增加的而非最大可用的激光器功率。

在發(fā)散光束通信系統(tǒng)100中，光發(fā)送器102的功率可能不是系統(tǒng)的局限，并且可以僅呈現(xiàn)與能耗和成本有關的經(jīng)濟挑戰(zhàn)。現(xiàn)有無線RF系統(tǒng)使用消耗5kW至50kW的峰值功率來為大約1000個客戶服務的宏小區(qū)塔架構。這種情況是每客戶大約5-50峰值瓦特。這個功耗的利用分數(shù)或占空比是相當?shù)偷?，大約0.1至1％，受到光譜利用限制。當前的無線RF系統(tǒng)的能量成本僅在每客戶每月US$0.1至1的范圍內(nèi)。當前的高速無線RF系統(tǒng)每月每客戶收費大約US$30至100。因此，能量成本覆蓋了服務的價格的僅約0.1至1％。

經(jīng)濟上，示例性實施例的發(fā)散光束通信系統(tǒng)100可能受到能量成本挑戰(zhàn)的原因在于超過總服務成本的合理分數(shù)(即，10％)的能量成本可能導致經(jīng)濟問題。因此，在一些示例中，系統(tǒng)可以基于在典型的光譜利用率下的能耗以每客戶約100W至1000W峰值功率操作。上端功率輸出在具有更頻繁密集霧的區(qū)域中可能是特別有利的，并且下端可能可用在更清晰空氣的區(qū)域中。如上面所說明的，這些功率水平可能是現(xiàn)有FSO系統(tǒng)的功率水平的十倍或超過一百萬倍。例如，在系統(tǒng)只有當有必要通過濃霧驅(qū)動信號時才使用上端功率輸出的情況下，情況可能是這樣的，所述濃霧可能僅在幾個百分點的地理區(qū)域中發(fā)生，然后每月僅發(fā)生百分之幾個小時。

示例性實施例的發(fā)散光束通信系統(tǒng)100和方法還可以在沒有無阻礙的直接LOS的情況下操作，從而使得與具有高度阻礙的或甚至完全阻止的LOS的光接收器104的通信能夠到光發(fā)送器102。在一些示例中，接收器可以甚至故意地從光發(fā)送器“移開”以便改進服務質(zhì)量，因為反射光束可以具有比直接入射光束少得多的變化。

示例性實施例的發(fā)散光束通信系統(tǒng)100和方法可以從單個發(fā)送點(諸如從多個光發(fā)送器102的陣列或具有發(fā)射器208的陣列的發(fā)射器)支持多個光束，這可以改進可靠性和服務質(zhì)量。該系統(tǒng)還可以支持使從一個發(fā)送器或發(fā)射器到另一發(fā)送器或發(fā)射器的光束迅速地移位或抖動，使得光束路徑從不在一個斑中駐留足夠呈現(xiàn)不希望的情形得長時長。這個不斷地移位光束和路徑還可以使得能夠不斷地找到新的更多最優(yōu)路徑以維持不變地高服務質(zhì)量。而且，寬光束的這個抖動可以用比光束角小得多的抖動角加以實現(xiàn)，并且可以提高光束擊中其預定光接收器并且使閃爍和衰退效應最終達到平衡的可能性。

本公開的示例性實施例可以用硬件和軟件的任何組合加以實現(xiàn)。如果被實現(xiàn)為計算機實現(xiàn)的設備，則可以使用用于執(zhí)行上面所描述的步驟和功能中的一些或全部的裝置來實現(xiàn)示例。

本公開的示例性實施例能夠被包括在具有例如計算機可讀存儲介質(zhì)的制品(例如，一個或多個計算機程序產(chǎn)品)中，所述計算機可讀存儲介質(zhì)作為能夠存儲信息的非暫時性裝置，可以與諸如能夠?qū)⑿畔囊粋€位置承載到另一位置的電子暫時性信號的計算機可讀傳輸媒體區(qū)分開。如本文中所描述的計算機可讀介質(zhì)可以一般地是指計算機可讀存儲介質(zhì)或計算機可讀傳輸介質(zhì)。計算機可讀存儲介質(zhì)使例如計算機可讀程序代碼裝置被具體實現(xiàn)在其中，該計算機可讀程序指令包括計算機可執(zhí)行指令，以用于提供并且方便示例性實施例的機制。在這方面，計算機可讀存儲介質(zhì)可以使計算機可讀程序代碼部分被存儲在其中，所述計算機可讀程序代碼部分響應于處理器(硬件處理器)的執(zhí)行，使設備執(zhí)行本文中所描述的各種功能。制品能夠作為包括前述處理器的計算機系統(tǒng)的一部分被包括，或者單獨地提供?；蛘咴谝恍┦纠校破房梢员话ㄔ诎l(fā)散光束通信系統(tǒng)100的一個或多個組件(諸如光發(fā)送器102、光接收器104、調(diào)制器106、瞄準系統(tǒng)108、控制系統(tǒng)110和/或數(shù)據(jù)源112)的電子裝置中。

本文中所闡述的本公開的許多修改和其它實施例將被受益于在上述描述和所關聯(lián)的附圖中呈現(xiàn)的教導的與本公開有關的本領域的技術人員想到。因此，應當理解，本公開將不限于所公開的特定實施例，并且修改和其它實施例旨在被包括在所附權利要求的范圍內(nèi)。而且，盡管上述描述和所關聯(lián)的附圖在元素和/或功能的特定示例性組合的上下文中描述示例性實施例，但是應該了解，在不脫離所附權利要求的范圍的情況下，可以通過替代實施例來提供這些元素和/或功能的不同組合。在這方面，例如，除以上顯式地描述的那些元素和/或功能外的元素和/或功能的不同組合也被設想為可以在所附權利要求中的一些中闡述。盡管在本文中采用了特定術語，但是它們僅在通用和描述性意義上被使用，而不用于限制的目的。