USPL-FSO激光通信点对点和点对多点光学无线通信

申请号 CN201380013245.1 申请日 2013-01-09 公开(公告)号 CN104160640A 公开(公告)日 2014-11-19
申请人 阿托隆有限责任公司; 发明人 T·查菲; P·A·扎若斯基; I·金; A·布拉加;
摘要 光束传播性能方面的增强能够通过利用用于激光发送平台的超短脉冲激光(USPL)源来实现,所述激光发送平台能够在全部电信网络 基础 设施架构上使用。能够在例如通过减轻光学衰减和闪烁效应来改进通过大气的光学传播时使用USPL自由空间光学(USPL-FSO)激光通信的所描述和例示的特征中的一个或更多个,从而增强有效系统可用性以及链路预算考虑,如通过USPL与雾相关大气事件之间的实验研究和理论计算所证明的那样。
权利要求

1.一种光学通信设备,该光学通信设备包括:
超短脉冲激光(USPL)源,该USPL源生成包括各自具有大约1纳秒或更短的持续时间的光脉冲的光束;
调制元件,该调制元件对由所述USPL源生成的所述光束施加调制信号以生成调制光学信号,所述调制信号承载用于传输到第二光学通信设备的数据;
光学收发机,该光学收发机接收所述调制光学信号,并且发送所述调制光学信号以用于由所述第二光学通信设备接收。
2.根据权利要求1所述的光学通信设备,其中,所述调制元件包括直接调制元件、间接调制元件和外部调制元件中的至少一个,所述外部调制元件位于所述USPL源的外部。
3.根据权利要求1所述的光学通信设备,其中,所述持续时间小于大约一皮秒。
4.根据权利要求1所述的光学通信设备,其中,所述持续时间小于大约一飞秒。
5.根据权利要求1所述的光学通信设备,其中,所述持续时间小于大约一阿托秒。
6.根据权利要求1所述的光学通信设备,该光学通信设备还包括将一个以上的通信信道复用到所述光束中的光学复用器。
7.根据权利要求1所述的光学通信设备,该光学通信设备还包括布置在所述USPL源与所述光学收发机之间的光学放大器,该光学放大器增大由所述光学收发机发送的所述调制光学信号的输出功率。
8.根据权利要求7所述的光学通信设备,其中,所述光学放大器包括光学前置放大器、半导体光学放大器、掺铒光纤放大器和掺铒-镱光纤放大器中的至少一个。
9.根据权利要求1所述的光学通信设备,该光学通信设备还包括对所述光学收发机施加第二束光脉冲的第二USPL源,该第二USPL源用作跟踪和对准信标以在远程接收设备处确定或验证用于所发送的调制光学信号的目标点。
10.根据权利要求1所述的光学通信设备,其中,在所述调制光学信号内生成跟踪和对准信标信号,该跟踪和对准信标信号被用来在所述远程接收设备处确定或验证用于所发送的调制光学信号的目标点。
11.根据权利要求1所述的光学通信设备,该光学通信设备还包括在所述调制光学信号到所述第二光学通信设备的传输之前对不同极性的光学信号进行复用的偏振相关复用器组件。
12.根据权利要求1所述的光学通信设备,该光学通信设备还包括对从所述第二光学通信设备作为第二调制光学信号接收到的不同极性的光学信号进行解复用的偏振相关解复用器组件。
13.根据权利要求12所述的光学通信设备,其中,经解复用的光学信号被各自对接到不同的光学网络以用于网络使用。
14.一种方法,该方法包括以下步骤:
生成包括各自具有大约1纳秒或更短的持续时间的光脉冲的光束;
对所述光束施加调制信号以生成调制光学信号,所述调制信号承载用于传输到远程接收设备的数据;
在光学收发机处接收所述调制光学信号;以及
使用所述光学收发机来发送所述调制光学信号以用于由所述第二光学通信设备接收。
15.根据权利要求14所述的方法,其中,所述生成是由超短脉冲激光(USPL)源执行的。
16.根据权利要求14所述的方法,其中,所述施加是由调制元件执行的,所述调制元件包括直接调制元件、间接调制元件和外部调制元件中的至少一个,所述外部调制元件位于所述USPL源的外部。
17.一种远程感测设备,该远程感测设备包括:
超短脉冲激光(USPL)源,该USPL源生成包括各自具有大约1纳秒或更短的持续时间的光脉冲的光束;
光学收发机,该光学收发机向目标大气区发送所述光脉冲的光束;以及检测电路,该检测电路用于对作为来自所述目标大气区中的一个或更多个物体的光学反向散射的结果在所述远程感测设备处接收到的光学信息进行分析。
18.根据权利要求17所述的远程感测设备,该远程感测设备还包括用于对从在所述远程感测设备处接收到的所述光学信息中提取的光谱信息进行分析的光谱分析组件。
19.一种方法,该方法包括以下步骤:
使用USPL源生成一束各自具有大约1纳秒或更短的持续时间的光脉冲;
经由光学收发机向目标大气区发送该束光脉冲;以及
分析作为该束光脉冲从所述目标大气区中的一个或更多个物体的光学反向散射的结果在所述光学收发机处接收到的光学信息。
20.一种光学通信设备,该光学通信设备包括:
第一激光源,该第一激光源生成包括光脉冲的第一光束;
第二激光源,该第二激光源生成包括光脉冲的第二光束;
第一调制元件,该第一调制元件对所述第一光束施加第一调制信号以生成第一调制光学信号,所述第一调制信号承载用于传输到远程光学通信设备的第一数据;
第二调制元件,该第二调制元件对所述第二光束施加第二调制信号以生成第二调制光学信号,所述第二调制信号承载用于传输到所述远程光学通信设备的第二数据;
第一偏振组件,该第一偏振组件调节所述第一调制光学信号的第一偏振态;
偏振相关复用器组件,该偏振相关复用器组件将具有经调节的第一偏振态的所述第一调制光学信号与所述第二调制信号复用;以及
光学收发机,该光学收发机接收具有经调节的第一偏振态的第一调制光学信号与所述第二调制信号的经复用的光学信号,并且发送经复用的具有经调节的第一偏振态的第一调制光学信号与所述第二调制信号,以用于由所述第二光学通信设备接收。
21.一种方法,该方法包括以下步骤:
生成包括光脉冲的第一光束和第二光束;
对所述第一光束施加第一调制信号以生成第一调制光学信号并且对所述第二光束施加第二调制信号以生成第二调制光学信号;
调节所述第一调制光学信号的第一偏振态;
将具有经调节的第一偏振态的所述第一调制光学信号与所述第二调制信号复用;以及通过光学收发机发送经复用的具有经调节的第一偏振态的第一调制光学信号与所述第二调制信号,以用于由第二光学通信设备接收。

说明书全文

USPL-FSO激光通信点对点和点对多点光学无线通信

[0001] 相关申请的交叉引用
[0002] 本申请根据美国法典第35条§119(e)款要求于2012年1月9日提交的临时专利申请no.61/584,666的优先权,其公开内容通过引用整体并入本文。

技术领域

[0003] 本文所述的主题涉及自由空间光学(FSO)无线通信,并且更特别地,涉及增强的光学传输效率,其能够被实现用于对于通过由于各条件而导致的光学上受损大气条件的光束传播使用超短脉冲激光(USPL)源的波长传播,所述条件能够包括但不限于雾、大气光束漂移、闪烁效应等等。

背景技术

[0004] 来自私人以及商业部的对电信服务的需求的爆炸式增长已对当前可用的电信网络带来空前压。在没有替代网络传送技术和拓扑的情况下,总的有效网络速度很可能降低,同时在网络内瓶颈的发生将变得越来越频繁。
[0005] 双向自由空间光学(FSO)通信网络能够在可行的情况下,向微波链路、电线或电缆系统应用提供有用的替代方案。这样的网络由于公共技术平台与光纤传输系统(许多现代电信系统的骨干)的共享而对于当前的以及将来的网络架构而言可以是透明的。FSO通信系统通常能够共享公共光纤组件,并且商业光学组件常常能够被用于两个应用。在自由空间光学数据链路方面的主要差异是传播的介质是大气而不是光纤。
[0006] 利用当前的现有技术平光纤组件,自由空间光学数据链路能够被完全地集成到当前的短程和长程高速光学网络中。自由空间数据链路能够完全地达到当前同步光学网络(SONET)系统架构,诸如例如利用当前1550nm技术平台的SONET OC-48架构。另外,这样的系统能够被升级为较高数据速率和配置。光学数据链路系统能够受益于在电磁光谱的未调节段中操作。不像微波和RF光谱,光学数据链路通常能够不需要待发出的特殊租赁费用或资费。另外,因为系统的工作波长,通常能够最小化与眼安全有关的问题。此外,典型地不需要操作与地面通行权有关的自由空间数据链路的特殊措施或许可证。还能够避免与固定有线系统的翻地和挖沟有关的花费。
[0007] 最近,FSO通信技术已利用了在1550nm光学传输频带内制成的商业进步。掺铒光纤放大器(EFDA)技术已被并入系统设计配置内以用于增强传输预算的总体有效光学预算并且从而延伸传输系统在空中的可及范围。
[0008] 高功率光学放大器对于陆地自由空间传输以及光纤系统来说是有用的。已在陆地和海底光纤系统中延伸了中继器距离并且已引入密集波分复用(DWDM)传输架构。随着高功率Er/Yb光学放大器的出现,如在光纤传输中所看到的类似进步也已在光学无线和自由空间激光通信系统中实现。已经报告了越过2.4km传输跨距在2.5Gbps工作的单通道1550nm自由空间光学数据链路的实验传输结果,像具有越过4.4km传输距离在10Gbps工作的四通道1550nm波分复用(WDM)自由空间光学数据链路的结果一样。
发明内容
[0009] 在当前主题的一些实施方式中,提供了一种光学通信设备和用于操作该光学通信设备的方法以用于调制信号的生成和传输。
[0010] 在一个方面,所述光学通信设备包括生成光脉冲束的超短脉冲激光(USPL)源。各个光脉冲具有大约1纳秒或更短的持续时间。光学通信设备还包括对由USPL源所生成的光束施加调制信号以生成调制光学信号的调制元件。调制信号承载用于传输到第二光学通信设备的数据。光学通信设备还包括光学收发机,该光学收发机接收调制光学信号并且发送调制光学信号以用于由第二光学通信设备接收。
[0011] 在相互关联的方面,一种方法包括生成光脉冲束。这些光脉冲中的每一个具有大约1纳秒或更短的持续时间。该方法还包括对光束施加调制信号以生成调制光学信号。调制信号承载用于传输到第二光学通信设备的数据。该方法还包括以下步骤:在光学收发机处接收调制光学信号;以及使用光学收发机发送调制光学信号以用于由第二光学通信设备接收。
[0012] 在另一相互关联的方面,一种方法包括以下步骤:生成包括光脉冲的第一光束和第二光束;对第一光束施加第一调制信号以生成第一调制光学信号并且对第二光束施加第二调制信号以生成第二调制光学信号;调节第一调制光学信号的第一偏振态;将具有经调节的第一偏振态的第一调制光学信号与第二调制信号复用;以及通过光学收发机发送经复用的具有经调节的第一偏振态的第一调制光学信号与第二调制信号,以用于由第二光学通信设备接收。
[0013] 在相互关联的方面,一种光学通信设备包括生成包括光脉冲的第一光束的第一激光源和生成包括光脉冲的第二光束的第二激光源。第一调制元件对第一光束施加第一调制信号以生成第一调制光学信号。第一调制信号承载用于传输到远程光学通信设备的第一数据。第二调制元件对第二光束施加第二调制信号以生成第二调制光学信号。第二调制信号承载用于传输到远程光学通信设备的第二数据。第一偏振组件调节第一调制光学信号的第一偏振态。偏振相关复用器组件将具有经调节的第一偏振态的第一调制光学信号与第二调制信号复用。光学收发机接收具有经调节的第一偏振态的第一调制光学信号与第二调制信号的经复用的光学信号,并且发送经复用的具有经调节的第一偏振态的第一调制光学信号与第二调制信号,以用于由第二光学通信设备接收。
[0014] 在另外的变化中,以下附加的特征中的一个或更多个能够被包括在任何可行的组合中。关于光学通信设备,调制元件能够包括直接调制元件、间接调制元件以及外部调制元件中的至少一个。外部调制元件可以在USPL源外部。
[0015] 在一些变化中,各个光脉冲的持续时间可以小于大约一皮秒。在其它变化中,各个光脉冲的持续时间可以小于大约一飞秒。在其它变化中,各个光脉冲的持续时间可以小于大约一阿托秒。
[0016] 另选地或另外地,一种光学通信设备能够进一步包括将一个以上的通信信道复用到光束中的光学复用器。
[0017] 在一些变化中,一种光学通信设备能够进一步包括布置于USPL源与光学收发机之间的光学放大器。光学放大器能够提高由光学收发机所发送的调制光学信号的输出功率。在一些变化中,光学放大器能够包括光学前置放大器、半导体光学放大器、掺铒光纤放大器以及掺铒-镱光纤放大器中的至少一个。
[0018] 在其它变化中,光学通信设备能够进一步包括将光脉冲的第二光束供应给光学收发机的第二USPL源。第二USPL源能够用作跟踪和对准信标以在第二光学通信设备处确定或者验证用于所发送的调制光学信号的目标点。
[0019] 在其它变化中,能够在调制光学信号中生成跟踪和对准信标信号。跟踪和对准信标信号能够被用来在第二光学通信设备处确定或者验证用于所发送的调制光学信号的目标点。
[0020] 在其它变化中,一种光学通信设备能够进一步包括在调制光学信号到第二光学通信设备的传输之前对不同极性的光学信号进行复用的偏振相关复用器组件。
[0021] 在一些变化中,一种光学通信设备能够进一步包括对作为第二调制光学信号从第二光学通信设备接收到的不同极性的光学信号进行解复用的偏振相关解复用器组件。经解复用的光学信号各自能够被对接到不同的光学网络以用于网络使用。
[0022] 在当前主题的一些实施方式中,提供了一种远程感测设备和用于操作该远程感测设备的方法。在一个方面,一种方法包括以下步骤:使用USPL源来生成各自具有大约1纳秒或更短的持续时间的光脉冲的束;经由光学收发机向目标大气区发送光脉冲束;以及分析作为光脉冲束从目标大气区中的一个或更多个物体的光学反向散射的结果在光学收发机处所接收到的光学信息。
[0023] 在相互关联的方面,一种远程感测设备包括:超短脉冲激光(USPL)源,该超短脉冲激光(USPL)源生成各自具有大约1纳秒或更短的持续时间的光脉冲的束;光学收发机,该光学收发机向目标大气区发送光脉冲束;以及检测电路,该检测电路用于分析作为来自目标大气区中的一个或更多个物体的光学反向散射的结果在远程感测设备处所接收到的光学信息。远程感测设备能够可选地包括光谱分析组件以用于分析从在远程感测设备处接收到的光学信息中提取的光谱信息。
[0024] 当前主题的实施方式能够包括但不限于包括如本文所述的一个或更多个特征的系统和方法以及包括可操作来使一个或更多个机器(例如,计算机等)产生本文所述的操作的有形地具体实现的机器可读介质的物品。类似地,还描述了可以包括一个或更多个处理器和耦合到所述一个或更多个处理器的一个或更多个存储器计算机系统。能够包括计算机可读存储介质的存储器可以包括、编码、存储等使一个或更多个处理器执行本文所述的操作中的一个或更多个的一个或更多个程序。与当前主题的一个或更多个实施方式一致的计算机实现的方法能够由驻留在单个计算系统或多个计算系统中的一个或更多个数据处理器来实现。这样的多个计算系统能够被连接并且能够经由一个或更多个连接来交换数据和/或命令或其它指令等,所述连接包括但不限于通过网络(例如互联网、无线广域网、局域网、广域网、有线网络等)的连接、经由在多个计算系统中的一个或更多个之间的直接连接等。
[0025] 在以下附图和本说明书中阐述本文所述的主题的一个或更多个变化的细节。本文所述的主题的其它特征和优点从本说明书和附图以及从权利要求中将是显而易见的。虽然关于企业资源软件系统或其它商业软件解决方案或架构当前公开的主题的特定特征被描述用于说明性目的,但是应该容易地理解,这样的特征不旨在为限制性的。遵循本公开内容的权利要求旨在限定所保护的主题的范围。

附图说明

[0026] 被并入本说明书并构成本说明书的一部分的附图示出了本文公开的主题的特定方面,并且与本说明书一起,帮助说明与所公开的实施方式相关联的原理中的一些。附图中:
[0027] 图1描绘了包括作为传输用光源的USPL源到远程光学接收终端的自由空间耦合的光学通信平台的示例;
[0028] 图2描绘了包括作为传输用光源的USPL源到远程光学接收终端的光纤耦合的光学通信平台的示例;
[0029] 图3描绘了包括USPL源到传输用外部调制器到远程光学接收终端的光纤耦合的光学通信平台的示例;
[0030] 图4描绘了包括USPL源到外部调制器通过传输用光纤介质到远程光学接收终端的光纤耦合的光学通信平台的示例;
[0031] 图5描绘了发送元件和或接收元件的示例,其可以具有来自双曲面镜制造技术或常规顿设计的类型;
[0032] 图6描绘了被标识并且用来提高用于传输到远程光学接收终端的增强光学发送激励功率的光纤放大器元件的示例;
[0033] 图7描绘了在用于传输到远程光学接收终端的点对点配置中被光纤耦合到传输用外部调制器的USPL激光装置的示例;
[0034] 图8描绘了在点到多点配置中被光纤耦合到传输用外部调制器的USPL激光装置的示例;
[0035] 图9描绘了作为跟踪和对准(瞄准)信标源的USPL源的使用的示例;
[0036] 图10描 绘 了 偏 振 复 用 到 发 送的 光 学 信 号 上 以 提 供 偏 振 复 用USP-FSO(PM-USP-FSO)功能性的USPL激光源的示例;
[0037] 图11A和图11B分别描绘了被用于在视线和非视线激光通信应用中使用的USPL-FSO收发机的示例;
[0038] 图12描绘了通过与作为调查的主体的空气传播微粒交互而被反向散射的向前传播的光的示例;
[0039] 图13描绘了作为光学系统接收技术以改进与当前主题的实施方式一致的检测灵敏度的USPL激光源的示例,USPL激光源以及光学接收技术用来改进检测灵敏度。
[0040] 图14描绘了出于目标标识的目的作为测距仪和定点(spotting)设备在1.3至1.6微米波长范围利用和操作的USPL-FSO收发机的示例;
[0041] 图15描绘了与当前主题的实施方式一致的USPL脉冲倍增器装置的示例;
[0042] 图16描绘了用于生成与当前主题的实施方式一致的高脉冲速率USPL光学流的装置的另一示例;
[0043] 图17描绘了用来从常规传输联网元件生成USPL RZ数据流的光学装置的另一示例;
[0044] 图18描绘了实现用于生成10x TDM型信号系统以给出100Gbps输出的USPL脉冲倍增器装置的示例;
[0045] 图19描绘了用于扩展脉冲重复率以用于在高容量网络中使用的另一类型的USPL脉冲倍增器装置的示例;
[0046] 图20描绘了用于扩展脉冲重复率以用于在高容量网络中使用的另一类型的USPL脉冲倍增器装置的示例;
[0047] 图21描绘了采用反馈再生系统的有源模线性光纤激光器的示例:光纤反射器(FR)、波分复用器(WDM)、掺饵光纤(EDF)、光学耦合器(OC)、光电检测器(PD)、锁相环(PLL)以及赫-曾德调制器(MZM);
[0048] 图22和图23描绘了使用纳米管可饱和吸收器的无源锁模线性光纤激光器的示例:光纤反射器(FR)、波分复用器(WDM)、掺饵光纤(EDF)、光学耦合器(OC)以及可饱和吸收器(SA);
[0049] 图24描绘了时延稳定化机构的示例:光学耦合器(OCin,OCout)、光电检测器(PDin,PDout)、高通滤波器(HPF)、低通滤波器(LPF)、锁相环(PLL)、相位比较器(PC)、分频器(1/N)、时钟-数据恢复系统(CDR)、压电执行器(PZ1..PZN)、求和运算放大器,以用于使从USPL源产生的光学脉冲对脉冲关系稳定;
[0050] 图25A和图25B分别包括涉及利用理想化PZ执行器来使TDM源的输出频率稳定的控制机构的示例的示意图和图表;
[0051] 图26描绘了时间域复用(TDM)的示例,其中TDM使用具有待相对于彼此“一致的”延迟通道的并行时延通道对脉冲串进行复用(因为输出复用的脉冲串的频率理想地尽可能对环境改变不敏感,所以反馈环路控制系统能够针对损害输出重复率的稳定性的任何波动来校正延迟单元,并且能够通过到神经网络的互连提供反馈);
[0052] 图27描绘了连同用于控制单独的MFC电路的压电换能器一起使用基于光纤的准直器的示例;
[0053] 图28描绘了TDM芯片利用倍增器光子芯片从USPL调制源提供太比特/秒(或更快)的定时的示例;
[0054] 图29描绘了TDM芯片利用在WDM配置中操作的倍增器光子芯片从USPL调制源提供太比特/秒(或更快)的定时的示例;
[0055] 图30描绘了计算机辅助系统的构造的示例,其能够使用同步自再生机制随着腔的重复率的同时稳定化而控制使用递归线性偏振调节的全光纤锁模的激光器的脉冲宽度并且还能够提供重复率和脉冲宽度的可调谐性;
[0056] 图31通过脉冲倍增技术描绘了修改的脉冲交织方案的示例,其中良好表征的、良好锁模的激光器的较低重复率脉冲串能够被耦合到集成光学定向耦合器中,其中脉冲的良好确定的一小部分在具有在输出脉冲串中等于所期望的脉冲间间隔的光学延迟的光学环路中被分接并且“重新循环”,并且被重新耦合到定向耦合器的输出端;
[0057] 图32是例示了与当前主题的实施方式一致的方法的特征的处理流程图
[0058] 图33是例示了与当前主题的实施方式一致的方法的特征的另一处理流程图;以及
[0059] 图34是例示了与当前主题的实施方式一致的方法的特征的另一处理流程图。

具体实施方式

[0060] 当前主题的一个或更多个实施方式能够为在C-带波长谱内操作的自由空间光学无线光学通信系统提供改进的光学传播效率。当与在1550nm C-带内操作的当前FSO通信系统相比时,能够在降低的光学衰减系数缩减中连同显著改进的闪烁性能特性一起实现这些效率。
[0061] 典型地,连同高功率光学放大技术一起使用FSO通常能够实现仅光学预算和系统可用性中的边际增加,尤其是在雾相关事件期间,在这期间在发送带内的光学衰减能够上升到100dB/km以及更高。对用于当前可用的1550nm FSO系统的系统性能以及同样对在更短光学工作波长下进行操作的系统的常见限制是由于雾相关效应而导致的衰减的波长灵敏度。这样的衰减可能是由几何和米氏(Mie)散射机制两者引起的。归因于由于雾相关事件而导致的大光学损耗系数,能够严重地降低或者损害FSO传输网络的系统可用性,其中由于大气吸收而导致的光学损耗能够对于浓雾条件能够超过100dB/km。在这样的情况下,甚至对于在长度上仅数千米的链路来说系统可用性考虑也能够被折衷。当前可用的商业FSO传输系统能够被限制用于高可用性高容量长距离操作。另外,当前的现有技术水平自由空间光学通信系统通常需要大量的光学激励功率以克服通过气溶胶和雾相关的大气事件的视线能见度中的逐渐降低。这样的系统能够在一些情况下变得完全行不通,并且因此在轻雾或重雾事件期间不可用作通信链路,从而导致链路停止。
[0062] 已报告了在1550nm传输窗口内在供替换的FSO激光传输源中的最近进步,其中USPL技术已被成功地演示为用于当前使用的1550nm光学FSO技术的潜在替换技术。USPL激光源脉冲传播往往对与雾微粒的相互作用不太敏感。因此,通常能够更加容易地减轻光学衰减效应,这能够导致降低的光学衰减以及改进的链路可用性和总体系统性能。
[0063] 当前的现有技术水平自由空间光学通信系统通常利用光学跟踪来维持光学收发机平台之间的光学协同对准。这样的光学跟踪能够从而被限制为与用于带内传输通道的数据承载通道相同的程度。随着大气条件恶化,跟踪和转向信标能够在维持收发机之间的协同对准时变得无效。在提高光学传输密度对于克服通过气溶胶和雾相关的大气事件的视线能见度的降低无效的实例中,这样的方法能够在轻雾或重雾事件期间变得完全行不通,从而导致链路停止。并且,在高闪烁条件期间,信号漂移和斑点效应能够严重地限制沿着光学数据链路在终端之间的信号传播和信标跟踪信号两者。
[0064] 常规的自由空间光束传播典型地受来自在链路跨距上与光束相互作用的微粒和气溶胶的大气吸收影响。这些现象能够对信号的总体接收功率电平有累积影响,并且还能够由于光束路径内衰减机制的时间不稳定而在所检测到的光学功率电平中引起波动。在特定距离处的发送光学功率由比定律(Beer’s Law)给出,其能够被表达为[0065] T[R]=P[R]/P[0]=e-σ*R (1)
[0066] 其中T[R]是范围R处的透射比,P[R]是范围R处的链路功率,P[0]是初始激励数据链路光学功率,并且σ是每单位长度衰减系数。每单位长度衰减系数σ可以是总体大气衰减系数,其能够由四个变量组成,例如如下:
[0067] σ=αm+αa+αm+αa (2)
[0068] 其中αm、αa、αm和αa分别是分子吸收系数、气溶胶吸收系数以及瑞利(Rayleigh)系数和米氏散射系数。
[0069] 当大气粒子的大小接近传播光束的波长时,米氏散射典型地支配总衰减系数。米氏散射系数能够被表达为大气能见度和波长的函数,并且能够由以下表达式给出:
[0070] σa=~=σ=[3.91/V](V/550)-q (3)
[0071] 其中V是能见度(km),λ是波长(nm),以及q=散射微粒的大小分布并且对于各种能见度条件采取各值。上述等式中的值q在各种能见度条件下采取以下值:对于高能见度条件(例如V>大约50km)q=1.6;对于平均能见度(例如大约6对于低能见度(例如V<大约6km)q=0.585V ;对于雾霾能见度(例如大约1km6km)q=0.16V+0.34;对于薄雾能见度(例如大约0.5km
[0072] 因为1550nm自由空间链路的更短传输波长,当与RF和微波通信相比时这些信号可能对大气效应更敏感。大气效应能够因在检测到光学功率电平中由于大气衰减而导致的总体降低和在所接收到的信号中由光束变形、闪烁效应以及光束漂移产生的随机光学功率波动中的任何一个或两者而使自由空间激光链路传输恶化。
[0073] 随着常规的自由空间光学激光束通过大气传播,它通常经历其波前的恶化和变形。这些降级模式是由大气折射率中的小标度、随机地局部的改变引起的,这导致波前的光束漂移和失真以及闪烁效应。地面与大气条件之间的温度梯度导致大气湍流,这进而导致变化折射率的小标度局部的随机穴。当闪烁单元大小小于激光束直径的直径时,光束将经历失真,并且将观测到跨越波前的非均匀光学强度。这个效应被称作闪烁。如果干涉单元的大小大于激光束直径,则光束将随机地离开站点路径的路线。闪烁和光束漂移的混合能够导致总体信号稳定性的波动。因此,光束能够经历既在空间上且在时间上为非均匀的传播路径,这能够使光束以随机方式传播。这些效应通常加在一起以对所接收到的光学信号产生总体噪声分量。
[0074] 闪烁效应可能强烈地取决于在链路站点处的并发能见度,并且同样随着链路距离而变化。实验研究指示USPL光束传播能够对闪烁和光束漂移现象的效应不太敏感。因此,至少因为这样的光束对漂移和对受大气闪烁影响的相对抵抗力,USPL-FSO激光通信源在不仅用于数据传输而且用作为用于在瞄准和跟踪应用中使用的光学信标应用的FSO传输平台内可能是有用的替换技术。如与常规的FSO传播技术以及改进的闪烁和光束漂移性能相比,能够通过增强的能见度性能实现这样的有益效果。
[0075] 通过浓雾条件的衰减能够使用常规的自由空间光学方案来限制信号传播,而不管光学激励功率密度如何。USPL激光脉冲能够占据小得多的空间维度。例如,100飞秒(fs)脉冲通常在沿着光的传播轴的维度上占据30微米。因此,与来自常规激光源的更长脉冲辐射相比,脉冲与构成雾和的水滴(其典型地具有在几十微米范围内的直径)的相互作用能够降低一个或更多个数量级,并且在一些示例中是以前的1/1000或更多同时携带相同量的能量。这个影响的结果可能是大约100fs的激光脉冲不在水滴中在与更长脉冲相同的程度上激发功率清除回音壁物理性质。这样的现象通常能够对于连续波(CW)激光器按指数规律放大,尤其是在重雾期间。与当前主题的实施方式一致的USPL激光源的有益效果能够导致多达8倍的传统源的能见度。
[0076] FSO传输系统能够典型地利用耦合到数据源(诸如例如供应数据的光学交换机结构)的发送望远镜,以使所供应的数据沿着直接直线传输到远程站点。在远程站点处,类似的光学望远镜能够接收进入信号。各个望远镜能够以双向方式操作(例如用于数据的发送和接收两者)。在其它示例中,发送望远镜能够瞄准第二相同的/相反的接收望远镜。待发送的光学信号能够从1550nm DFB型半导体激光器发出,并且然后可以典型地通过使用掺铒光纤放大器(EDFA)用光学放大器进行放大。对于常规的无线光学系统的更具体讨论,参见例如P.F.Szajowski,"Key Elements of High-Speed WDM Terrestrial Free-Space Optical Communications Systems,"SPIE Paper No.3932-01,Photonics West(2000年1月),其通过引用并入在本文中。
[0077] 如上面所讨论的,当前的现有技术水平自由空间光学通信系统由于光学功率预算以及局部大气条件(最值得注意的是雾相关事件)而通常在可及范围和可用性方面是有限的。为了用当前可用的光学通信解决方案解决这些和/或潜在的其它问题,当前主题的一个或更多个实施方式提供了方法、系统、物品或制品等等,其除了其它可能的优点外,还提供了自由空间光学通信链路同时减轻能够限制功率检测的事件所限制的雾相关和其它类似的效应。在一些实施方式中,能够在FSO传输硬件框架中使用USPL1550nm激光源。改进的替换光学传输技术能够提供增强的光学预算以及链路可用性。
[0078] 与当前主题的一些实施方式一致,能够提高在接收站点处的总体光学收集效率,从而使光学数据链路变得对大气效应(诸如例如闪烁效应和与衰减效应)更有抵抗力。此外,与当前主题的实施方式一致的USPL源通常与当前的电信基础设施组件兼容。
[0079] 能够容易地克服先前遇见的问题(例如,在距离和大气条件情况下由于雾和气溶胶光学减损而导致的不足功率和不足带宽)可以是当前主题的特定实施方式的优点。在克服这些和其它问题时,当前主题的实施方式能够(除了其它可能的有益效果之外)为使用USPL-FSO激光源的单通道和波分复用(WDM)应用提供用于对FSO双向激光通信数据链路进行复用和解复用的技术。同样包括在当前主题的范围中的是USPL-FSO激光源作为带外(或另选地)带内跟踪信标的使用。
[0080] 能够使用与当前主题的实施方式一致的USPL激光源,以当在存在雾或有害的气溶胶环境情况下传播时解决涉及系统可用性的潜在问题。在FSO系统中使用USPL源(例如,1550nm USPL激光源)能够允许USPL被与遍及整个电信行业所使用的常规1550nm类似的方式调制,以用于在陆地、空间以及海底应用中使用。与FSO平台相结合地使用的USPL激光源能够在WDM配置中提供具有类似有益效果的光学无线系统,从而提高载波数据链路的有效光学带宽的大小。具有长距离光学传播的优点能够需要同样地鲁棒的光学跟踪通道来维持光学终端之间的光学协同对准。
[0081] 能够通过在激光器与发送望远镜的焦平面之间使用单模光学放大器型装置来提高发射机的输出功率,而不管无线介质是否是多模式(多模)介质。这样的单模光学结构能够有利地包括一个或更多个单模光学放大器以向光学信号提供必要的增益。并且,为了在带宽上提供所需的增加,当前主题的实施方式能够以1550nm波长而不是当前可用的光学无线技术的单波长通过多个调制USPL激光源来发送信息。
[0082] FSO发送光束可以是非常窄的(3毫弧度或更少),并且终端之间的任何运动能够引起信号链路的未对准和丢失。在移动平台(地面车辆、飞船、海洋船或卫星)上的FSO安装因此通常需要跟踪系统维持双向FSO终端之间的对准。塔安装和其它非稳定的固定平台还能够需要跟踪系统。跟踪系统能够使用宽视场CCD(电荷耦合器件)或类似相机或其它光学器件,其能够在x-y平面(直接地到另一个FSO终端的Z方向点)中从另一通信终端捕获发送光束图案,并且从而计算该光束在相机上的矩心位置。如果在FSO终端之间存在任何相对运动,则光束的矩心位置将从相机平面的中心转移。能够相应调节外部平衡环或内部转向镜以将矩心往回移动到CCD相机平面的中心,从而使FSO终端保持被对准。
[0083] 传统连续波(CW)FSO发送光束图案能够经受大气闪烁,其能够使发送光束在一定距离处周围“摇晃”和“飞奔”。在最坏情况下,闪烁能够引起光束功率衰落,如果跟踪系统同时丢失光束则所述光束功率衰落能够引起跟踪系统的中断。来自USPL源的实验观测结果随着距离示出了更加稳定的光束图案。在FSO系统中使用USPL作为发送源能够因为更加稳定的光束图案而导致跟踪系统的改进。因此能够显著地减少过度跟踪运动,从而延长机械跟踪系统的寿命。还能够在FSO系统使用USPL来减少或者甚至消除闪烁衰落,产生具有减少的或消除的信号损耗和跟踪中断的更鲁棒的跟踪系统。跟踪信号能够被带外(在不同的波长上)调制,或者被作为单独的以太网信号发送并且然后并入FSO终端之间的总以太网管道。另外,带外光学信号能够随着数据流被调制并且复用到数据链路的总体容量并且能够被用于跟踪的目的。
[0084] 图1例示了用于使用被作为传输用光源自由空间耦合的USPL装置的与当前主题的实施方式一致的光学通信平台100的示例。如图1所示,USPL源102由外部源元件104直接地调制。来自USPL源102的光学功率能够可选地通过光学望远镜来跨越自由空间110耦合到发送元件106。发送元件106能够可选地包括由双曲面镜制造技术、常规牛顿设计等所形成的光学组件。在接收机系统处的互换接收望远镜能够提供光学接收。与当前主题的实施方式一致,各个光学传输平台能够被设计成作为双向单元。换句话说,光学通信平台100的发送元件106还能够当作接收元件。一般而言,除非另外显式地陈述,否则如所描述的发送元件106能够当作接收元件并且反之亦然。执行发送功能和接收功能两者的光学元件能够在本文中被称为光学收发机。
[0085] 图2例示了包括图1的光学通信平台100的与当前主题的实施方式一致的光学通信系统200的示例。同样在图2中示出的是第二互补接收元件204,其可以是位于与发送元件106相距遥远距离处的接收望远镜。如上面所指出的,发送元件106和接收元件204两者都可以是双向的,并且各自能够取决于在光学通信系统200中的数据传输的即时方向而当作发送元件106和接收元件204两者。除非另外显式地陈述,否则这个特征在本公开内容中自始至终适用于发送元件和接收元件。发送元件106和接收元件204中的任何一个或两者可以是望远镜或用于发送和接收光学信息的其它装置。
[0086] 图3例示了用于使用通过光纤介质304光纤耦合到外部调制器302并且通过附加的传输介质306连接到发送元件106的USPL源102的与当前主题的实施方式一致的光学通信平台300的示例,所述附加的传输介质306可选地可以是光纤介质、自由空间连接等。USPL源102能够由外部调制器302外部地调制,使得来自USPL源102的光学功率被光纤耦合到发送元件106或者经由等效光学望远镜处理。
[0087] 图4例示了包括图3的光学通信平台300的与当前主题的实施方式一致的光学通信系统400的示例。同样在图4中示出的是第二互补接收望远镜204,其如同以上关于图2所指出的那样,可以是位于与发送元件106相距遥远距离处的接收望远镜。
[0088] 图5例示了与当前主题的实施方式一致的光学通信架构500的示例。图5的架构500包括图4的元件,并且还包括连接到第一光学通信平台300的第一通信网络502。接收元件204是第二光学通信平台504的一部分,所述第二光学通信平台504能够可选地包括类似于第一光学通信平台300的那些组件的组件。第二通信网络506能够被连接到第二光学通信平台504,使得数据在发送元件106与接收元件204之间以光学方式发送,或者在第一通信网络502与第二通信网络506之间传递,所述第一通信网络502与第二通信网络506能够各自包括光学和电联网特征中的一个或更多个。
[0089] 图6例示了与当前主题的实施方式一致的光学通信系统600的示例。作为光学通信平台602的一部分,USPL源102例如通过光纤202或其它传输介质被光纤耦合到外部调制器302。来自USPL源102的光经由发送元件106以如上面所讨论的类似方式传播。光学放大器元件604(其可选地可以是光纤放大器元件)能够被用来提高光学发送激励功率,并且能够可选地被布置在外部调制器302与发送元件106之间并且经由附加的传输介质306连接到一个或两者,所述附加的传输介质306可选地可以是光纤介质、自由空间连接等。同样在图6中示出的是位于与光学通信平台602相距遥远距离处的第二互补接收元件206。应当容易地理解,包括接收元件204的第二光学通信平台504还能够包括光学放大器元件
604。第一通信网络502和第二通信网络506能够分别连接到两个光学通信平台602、504。
[0090] 图7例示了与当前主题的实施方式一致的光学通信系统700的示例。图6所示的光学通信平台602能够与第二光学通信平台702通信,所述第二光学通信平台702能够在这个实施方式中包括接收元件204和光学前置放大器704。与光学通信平台602所示的那些类似的其它组件还能够被包括在第二光学通信平台702中,但是它们在图7中未被示出。应当理解,双向光学通信平台能够包括用于放大接收光学信号的光学前置放大器704和用于加强发送光学信号的光学放大器元件604两者。与图7中描绘的实施方式和当前主题的其它实施方式一致,例如使用掺铒光纤放大器(EDFA)、高功率掺铒-镱光纤放大器(Er/Yb-DFA)或同等物,光学放大(例如,针对光学放大器元件604或光学前置放大器704中的任何一个或两个)被包括以用于提高用于发送元件106与接收元件204之间的数据链路的光学预算(并且反之亦然),所述等同物能够包括但不限于半导体光学放大器(SOA)。
[0091] 图8例示了与当前主题的实施方式一致的光学通信系统800的示例。图6所示的光学通信平台602能够与第二光学通信平台802通信,所述第二光学通信平台802能够在这个实施方式中包括接收元件204和与图7所示的那些类似的光学前置放大器704。如图8所示,第二光学通信平台802能够进一步包括光学接收机电路804,光学接收机电路804能够接收在接收元件204处接收到的并且由光学前置放大器放大的经放大的且以电力方式恢复的数据。多个时钟源806能够根据需要用多个通信网络810对接到多个远程多点网络连接。以类似的方式,能够与光学通信平台602(例如,代替图8中的单个描绘的通信网络502)相结合地操作互补的一组时钟源和多个通信网络。
[0092] 图9例示了与当前主题的实施方式一致的光学通信系统900的示例。光学通信平台902(其能够以与参照图6在本文中首先讨论的光学通信平台602中的那些类似的元件为特征)还能够包括作为跟踪和对准(瞄准)信标源的附加的USPL源904。第二光学通信平台906还能够包括当作跟踪和对准(瞄准)信标源的附加的USPL源910。跟踪和对准(瞄准)信标源904、910能够可选地源自在数据输送传输中使用的可用通信源,或者能够由单独的专用USPL源提供。此外,各个USPL信标源904、910能够包括带内源或带外源,从而允许可用的光学放大源的或来自专用光学放大资源的优点。
[0093] 图10例示了包括双偏振USPL-FSO光学数据链路平台1001的FSO通信系统1000的示例,在所述双偏振USPL-FSO光学数据链路平台1001中USPL源被偏振复用到发送光学信号上以从而提供偏振复用的USP-FSO(PM-USP-FSO)功能性。两个USPL源102和1002被分别光纤耦合到直接地调制的或外部地调制的调制组件1004、1006。各个相应的调制信号可选地由光学放大器组件1010、1012放大,后面是使用偏振组件1014、1016的光学偏振态的调节。偏振态信号被光纤耦合到偏振相关复用器(PDM)组件1020以用于对接到光学激励平台组件1022,其能够与上面所讨论的发送元件106类似。PDM1020将不同偏振态的光复用到单脉冲串中以用于经由光学激励平台组件1022传输。USPL光学信标904能够被包括来提供与以上参照图9讨论的那些类似的能力,例如以在接收平台1024处沿着第二USPL光学信标906或与第二USPL光学信标906相结合地操作,所述接收平台1024能够包括与上面所描述的那些类似的接收元件204。如先前所指出的,接收平台1024的接收元件204以及其它特征和组件通常能够支持传输功能使得双向链路被建立。由接收元件204所恢复的接收信号能够提供被对接到能够提供两个信号以用于使用放大元件1030、1032的进一步光学放大的适当的偏振相关解复用器1026的光学信号。如由放大元件1030、1032所提供的各个光学放大信号能够被对接到适当的光学网络1034、1036以用于网络使用。
[0094] 图11A示出了USPL-FSO收发机能够被利用用于在视线光学通信(例如“激光通信”)应用中使用的系统100的示例,并且图11B示出了USPL-FSO收发机能够被利用用于在非视线激光通信应用中使用的系统1150的示例。由于从发送元件发送的光学信号随着已发送光通过大气的散射能够实现当前主题的一些实施方式的优点。该散射能够许可非视线通信的使用。此外,在这样的通信系统中使用的无线电设备能够在UV-C带的日盲部分中操作,其中光在200nm至280nm的波长下发射。在这个带中,当太阳辐射通过环境传播时,它被地球的大气强烈地衰减。这意味着,当它更接近于地面时,背景噪声辐射量显著下降,并且低功率通信链路操作是可能的。另一方面,诸如、臭氧以及水的环境元素能够削弱或者中断通信广播,从而限制短程应用的使用。
[0095] 当UV波传遍大气时,它们典型地被强烈地散射到各种信号路径中。信号散射对于在非视线条件下进行操作的UV系统而言是必要的,并且通信性能能够高度地取决于传输光束瞄准和接收机的视场。如图11A所示的视线布置1100能够在带宽大小方面与如图11B所示的非视线布置1150不同。紫外线通信能够更强烈地依赖于发射机的光束位置和接收机的视场。结果,瞄准顶例如通过用互补设备做实验以增强UV-C信号的改善可能是有利的。
[0096] 图12例示了远程感测系统1200的示例,其中USPL源102被光纤组件202光纤耦合到能够发送和接收光学信号的光学激励元件1202。通过光学激励元件1202向前传播的光中的一些通过与作为调查的主体的空中传播微粒相互作用而反向散射。光学反向散射信号通过光学激励元件1202或类似的接收孔径被检测到并且通过图12中的检测电路1204或类似物传递以得到检测和光谱分析。微粒在进行调查的目标大气区1206内的符号差能够通过常规方法例如使用基于紫外线光谱学、红外线光谱学、拉曼(Raman)光谱学等中的一个或更多个的预定光谱校准测量来校准。与这个实施方式一致,光学系统能够被操作为LiDAR仪器从而使用在感兴趣光谱范围上操作的USPL激光源来提供增强的分辨率和检测灵敏度性能。光谱范围的可调性能够帮助评估和分析大气中的化学组分。
[0097] USPL-FSO收发机能够被利用用于远程感测和检测以得到使用电离或非电离检测技术、利用通过双曲面镜制造技术或将接收信号聚焦在一个理想点处的常规牛顿设计所制造的光学传输终端的空中传播元件的符号差。并且特定改变能够与远程区的电离探测包括可控电离有关,所述可控电离已被示出在这些频率和电离处理处发生,所述电离处理能够被集中在远处以调节尤其在天气和云中的大气穿透的深度。
[0098] 图13例示了使用USPL源以及光学接收技术来改进检测灵敏度的示例。在美国国家标准和技术研究所(NIST)的研究者已建立能够精确地找到在多达100km的距离下具有纳米精度的多个物体的激光测距系统。LIDAR(光检测和测距)系统能够具有从世界上的精密制造到使卫星的网络维持在完美阵式中的应用(自然光子学DOI:10.1038/NPHOTON.2009.94)。NIST装置使用两个相干宽带光纤-激光器频率梳。频率梳梳出一系列稳定的短脉冲,其同样包含跨越脉冲串扩展的高度相干载波。这意味着频率梳能够被采用来同时进行干涉测量以及飞行时间测量,从而对于专用情形增强分析能力。
[0099] 在图13所示的布置中,两个锁相的频率梳1301和1302被用于也称为多外差的相干线性光学采样配置中,意味着一个频率梳测量两个距离路径,同时另一个频率梳提供鉴于第一梳所编码的距离信息。来自一个频率梳1301的脉冲能够开始离开光纤并且导向两个玻璃板、基准1303以及目标1304。板1303和1304能够反射从光纤返回的脉冲的特定小部分(例如大约4%),从而有效地创建两个新的脉冲。两个脉冲1301之间的时间分离能够给出可移动目标板与基准板之间的距离。第二频率梳1302随着第一频率梳紧密地锁相,但是具有稍微不同的重复率。由于在光源干涉时在连续脉冲之间的不同延迟,第二频率梳能够对来自第一梳的电场的光的稍微不同的部分进行采样。
[0100] 使用参照图13所描述的技术能够使两个相干宽带光纤-激光源与在概述了各自具有光纤耦合到专用自由空间光学望远镜设计的USPL源的配置的范围内所使用的两个适当的USPL源的替换变得可能。通过这样做,能够基本上改进总体效率、光学测距以及准确度。
[0101] 当前可用的USPL光学脉冲串以USPL激光源的本机脉冲重复率操作并且典型地限于50MHz或更小,从而胜过用于光学传输的最大数据速率。结果,利用USPL激光源的光学系统受限于50MHz或更小的低数据速率应用。具有提高USPL操作速率的手段对于为超过50MHz的数据传输提供解决方案是必要的。
[0102] 图14例示了远程感测系统1400的示例,其中USPL源102被光纤组建202光纤耦合到能够发送和接收光学信号的光学激励元件1202。通过光学激励元件1202向前传播的光通过与已知和未知为在大气区1206内调查的主体的目标相互作用而反向散射。光学反向散射信号通过光学激励元件1202或类似的接收孔径而被检测到并且通过图14中的检测电路和光谱分析元件1402传递以得到检测分析。例如在能够执行测距分析情况下,能够校准在调查中的区1206内微粒的符号差。如在图14中一样的系统1400能够包括出于目标标识和询问应用的目的作为测距仪和定点设备跨越1.3至1.6微米波长范围利用和操作的USPL-FSO收发机。
[0103] 图15例示了能够提高来自USPL源102的输出的重复率的光学脉冲倍增器模1500。具有10-100飞秒的脉冲宽度的典型USPL具有例如50MHz的重复率。来自USPL102的输出能够作为输入1502被馈送到USPL光子芯片脉冲倍增器模块1504中。在这个示例中,光子芯片能够包含将输入分成分立光元件的20,000:1分路器元件1506。在分路器元件
1506的相对侧的各个光元件包含50MHz脉冲串。各个光元件然后通过延迟控制器(光纤环路或透镜阵列)1510,其在时间上使用于该元件的脉冲串延迟了例如许多皮秒。连续光元件从而延迟了递增皮秒。具有它们的唯一时延的这些脉冲串中的全部都被以与利用20,000:1光学组合器元件1512的时分复用类似的方式组合成单脉冲串。能够控制所需要的分路器和组合器的比率以为所需要的应用提供必要的光学设计。最后输出1514是具有1THz的重复率的10-100个飞秒脉冲的脉冲串。这个THz脉冲串然后能够由诸如图28所示的10或
100GigE信号调制,从而对于10GigE系统产生每位100个飞秒脉冲,并且对于100GigE系统产生每位10个飞秒脉冲。所引用的应用不限于10和100Gbps的特定数据速率,而是能够像由考虑中的应用所需要的那样操作。这些数字仅用于图示目的。当前主题的实施方式能够使用任何倍增器因子来经由光子芯片倍增器模块1504将USPL的重复率提高至任何任意的重复率。在这个提交内例示了在增强USPL重复率的生成中所使用的其它示例。
[0104] 图16描绘了用于高脉冲速率USPL光学流的生成、传输以及接收的系统1600。能够在本申请中使用光学芯片复用模块1610,其能够例如与参照图15所讨论的光学芯片复用模块类似。在用来实现USPL脉冲倍增的这个方法中,由信号1601、1602、1603、1604(在图16中示出了四个信号,但是应当理解,任何数目在当前主题的范围内)所描述的一系列10GigE路由器连接(10GigE不旨在为限制性特征)被对接到光学芯片复用模块1610。在操作中,光学芯片复用模块1610能够支持全双工(Tx和Rx)以与10GiE路由器1601、1602、
1603、1604连接。光学芯片复用模块1610能够通过从USPL源1690输出的USPL信号1685为进入光学信号1601、1602、1603、1604提供高效调制。光学芯片复用模块1610能够提供对这些进入光学信号进行调制和复用的能力。
[0105] 在定位有接收装置的远程接收站点处,能够使用适当的接收机元件1665来恢复在发送装置处经由发送元件1660发送的所有信号。互补的一组光学芯片复用模块1675能够提供用于对如由元件所示出的接收数据流进行解复用以用于传递到一系列路由器1601’、1602’、1603’、1604’(再次,四个这样的路由器的描绘不旨在为限制性的)的必要能力。能够通过网络端点元件演示端到端网络连接性。
[0106] 图17描绘了示例系统1700,其中光学芯片被互连到波分复用(WDM)系统,其当前可用的版本可能是非常昂贵的。WDM系统具有不需要如对10GigE(或其它速度)路由器1701所需的定时或同步的优点,因为各个10GigE信号在它自己的波长上独立于其它这样的信号运行。TDM光学芯片与10GigE路由器的定时或同步在TDM光学芯片中可能是重要的。GbE交换机1701能够从交换机1701提供必要的电RF信号1705以要么直接地要么通过使用在本文献内先前详述的USPL脉冲倍增器模块来对USPL源1702进行调制。典型的NRZ输出1710能够被耦合到外部调制器1720中,所述NRZ输出1710能够对于交换机1701使用NRZ时钟源来调制,从而产生RZ调制的光谱1730。使用容易地可用的设备的转换处理能够提供用于将USPL源和它们的有益效果引入到陆地回程网络光谱中的能力。
[0107] 为了让光学芯片系统成功地桥接在两个远程10GigE交换机之间,它必须典型地表现得像简单的一件光纤。TDM芯片的定时因此能够由10GigE交换机1701驱动。有源锁模的USPL(即40GHz,1皮秒脉冲宽度)和无源锁模的USPL(即50MHz,100USPL脉冲宽度)两者都能够由RF定时信号驱动。
[0108] 图18例示了能够支持渐进到高脉冲重复数据速率操作(诸如以得到能够使用光纤或自由空间光学器件来执行光学芯片设计的极其高数据速率操作)的另一方法的装置1800。50MHz USPL源1801被对接到一系列光学延迟控制器元件1802,其能够使用光纤环路或偏移透镜来设计,以导致确切地产生10.313Gbps RZ输出流,其是10GigE线速率(因为64B/66B编码大于10Gbps)。分路器元件1803连同可变光学延迟线1804一起提供进入光学信号串1801到(在这个示例中)206个路径中的分束功能性。在通过设计引入足够的延迟之后,所有信号通过组合器元件1805而被复用在一起。在这样做时,各自相同的并且在相邻脉冲之间同等地隔开的一系列光学信号形成调制用脉冲的连续集。在进入E-O调制器元件1806之前,所有光学进入信号能够通过预加重技术例如使用典型的光学放大技术调节,以对于来自组合器元件1805的各个输出信号产生均匀功率光谱。经调节的输出信号然后被耦合到E-O调制器元件1806中并且用来自10GigE信号源元件1807的可用NRZ信号进行调制。10GigE调制输出1809能够对接到EDFA并且然后进入到FSO系统(或光纤系统)的TX。Rx侧(在检测器之后)能够被直接地馈送到10GigE交换机中作为调制和放大输出1810。
[0109] 图19例示了能够被用于与当前主题的实施方式一致的USPL脉冲倍增的装置1900的另一示例。与这个方法一致,10x TDM系统被配置成给出100Gbps输出。TDM解复用芯片可以是在通信链路的接收侧以分解单独的10GigE信号,并且能够包括如图19所示的设计的互换方法。
[0110] 如在图18中一样,50MHz USPL源1801被对接到一系列光学延迟控制器元件1802,其能够使用光纤环路或偏移透镜来设计,以导致确切地产生10.313Gbps RZ输出流,其是10GigE线速率(因为64B/66B编码而大于10Gbps)。分路器元件1803连同可变光学延迟线
1804一起提供进入光学信号串1801到(在这个示例中)206个路径中的分束功能性。在通过设计引入足够的延迟之后,所有信号通过组合器元件1805而被复用在一起。然而,代替如图18所示的单个调制器元件1806,来自组合器元件1805的10.313GHz RZ输出1901被馈送到第二分路器元件1910中,所述第二分路器元件1910在这种情况下可以是10x分路器,其将光学信号分裂到十个并行路径中。这个设计的其它实施方式能够支持如由设计所需要的各种分流比,从第二分路器元件1910出来的光学路径被个别地连接到规定的光学延迟线1920。各个单独的延迟路径被连接到用来自10x10GigE信号源元件1931的可用NRZ信号所调制的一组光学调制器1930的专用光学调制器,产生一系列调制光学信号1935。所标识的光学组合器1940提供单光学脉冲串1950。在单光学脉冲串1950中的该系列光学脉冲能够被对接到适当的光学放大器以得到期望的光学调节以用于网络使用。
[0111] 图20例示了能够被用于与当前主题的实施方式一致的USPL脉冲倍增的装置2000的另一示例。如所描绘的装置2000能够通过低重复率通道内脉冲的调制为网络应用实现高USPL脉冲重复数据速率的能力。通过在延迟控制器上施加各个通道的直接调制,能够有利地实现不受来自电子技术的当前速度限制所约束的调制方案的创建。当前主题的实施方式能够提供通过分别地以当前的标准电子调制速度(在图20的示例中以100x10GigE信号输入2001的速率)对单独的信道进行调制并且将通道时间复用到单频高重复率脉冲流中来提高系统的数据传输容量的机制。在这个方法中,受电光学调制器的速度(40Gbps)限制的当前标准能够被提高大约N个数量级,其中N是时间复用器的通道数。例如,其中各个通道振幅以当前标准数据速率调制的100通道TDM或许能够以多达4Tbs的速度提供数据速率。N能够由光学脉冲本身的宽度限制。在信息被承载1比特/脉冲的限制中,由1个比特所占据的时隙是脉冲本身的宽度(在那种意义上,RZ系统将收敛于NRZ)。例如,在本方案中,具有40GHz重复速率的40fs脉冲宽度激光器能够以25Tbps的最大速率承载信息。这个方法能够被用于40Gbps-通道调制方案(即每25ps1个比特)中并且能够对应于单个传输中的N~625个通道的容量,其可以是适应25ps时间间隔的40fs时间间隔的数目。这个方法的有效优点是“光学上提高”另外有限的数据容量调制方案,同时仍然与现有数据速率有限的调制器对接。例如,基于马赫-曾德干涉仪的振幅调制器能够被容易地集成在TDM IC封装中,因为所需要的是将通道分支成两个单独的路径、在各路径中的一个中添加微相位调制器(非线性晶体)并且组合路径以得到干涉的能力。
[0112] 图20包括耦合到多端口光学分路器元件2020的USPL源2010。所标识的光学端口的数目不必限于本文中所描述或所示出的那些。一系列光学延迟线2030在各个并行路径之间从多端口光学分路器元件2020提供需要的光学延迟,并且能够被定制用于特定应用。来自光学延迟线2030的光学延迟路径使用光学组合器元件2035一起合计。通过元件2040出现的结果得到的组合光学数据流表示由元件2010所标识的原始USPL源的脉冲重复率中的倍增增强。脉冲重复率中的进一步增强通过由进入信号2040被分成不限于由元件2041所标识的那些的一系列路径的光分路器所描述的元件2041的使用来实现。通过第二延迟控制器2045,光学延迟可以被引入到在如由第二组光学延迟路径2042所标识的装置内的各个路径。各个并行路径2042进而由调制元件2044用由信号输出2001所标识的可用RF信号源元件进行调制。光学组合器元件2050将所有进入信号集成到单个数据流2060上。
[0113] 能够在描述成定制光学光谱以得到均匀或不对称光功率分布的元件的各个段内引入光学预加重和去加重技术。能够使用诸如掺铒光学放大器(EDFA)的通常使用的光放大器来实现预加重与去加重。
[0114] 图21描绘了包括锁模的USPL源2101的系统2100的示例,所述锁模的USPL源2101能够被用来为应用生成适当地需要的时钟和数据流。锁模激光器能够表示用于数字通信系统中的时钟的高性能、高精细源的选择。在这点上,锁模光纤激光器-在线性配置或环形配置中-能够做出有吸引力的选择候选,因为它们能够在USPL源区上实现脉冲带宽以及和GHz一样高的重复率。除此之外,仅举几个例子,光纤提供紧密性、低成本、对热噪声的低灵敏度、低抖动、无与衍射或空气灰尘污染相关联的问题。在通信场景中,脉冲宽度能够确定系统的可用带宽,并且重复率限制数据速率。脉冲宽度能够由激光器腔的内在特性-即总体群速色散(GVD)的平衡和可饱和吸收器的选择(在无源系统的情况下)-或有源元件的带宽(在有源锁模系统的情况下)确定。脉冲串的重复率受光纤的长度约束。例如,在线性激光器中,激光器的基模νosc能够被表达为:
[0115]
[0116] 其中c是光在真空中的速度,ng是平均群索引,以及L是腔的长度。因此,具有1.47的平均群索引的10cm长光纤激光器腔元件2110将具有1GHz的重复率。在严格无源系统中,能够通过使用可饱和吸收器来实现锁模。在有源激光器中,振幅调制器元件2150能够被插入腔以提高激光器的重复率(谐波锁模)。为了使用锁模的USPL源实现高重复率,有可能使用(i)如图21所示的腔内振幅马赫-曾德调制器(MZM)2150和(ii)低阈值可饱和吸收器中的一个或更多个。对于空中、空间或海底应用中的陆地、海底或FSO系统,能够在基于光纤的站分布系统内或者在FSO系统内利用被称为“谐波锁模”的这些技术。
[0117] 在图21内所详述的是耦合到光学WDM装置2105的980nm浦元件2102。掺铒光学放大器2110或等同物能够被用来创建非线性环境以在建立于在光学USPL腔的任一端的两个法拉第反射器2101和2160之间的封闭腔内获得锁模的脉冲串发射。装置的操作能够建立超过100Gbps并且在模块的输出端口2170处性质上高度地同步的自包含的一系列光学脉冲。为了实现高增益非线性介质能够特别设计EDFA2110。锁相环2130能够在操作中通过通过信号通过自包含的高重复率脉冲发生器的组件2120、2130、2150的调制来维持同步时钟源而提供有利的稳定性。
[0118] 为了在受其尺寸(在线性激光器的情况下为长度以及在环形激光器的情况下为周长)限制的激光器中实现高重复率,可能有必要刺激基模的倍数的腔内生成。在有源情况下,插入腔的振幅调制器对作为“阈值门控”装置进行操作的系统的损耗进行调制。为了让这个方法成功,到调制器的控制信号为激光器本身的振荡提供参考以避免在激光器上“强迫”振荡的外部频率的驱动信号可能是必要的。这能够通过引入锁相环元件2130或同步振荡器电路来实现以跟踪并锁定到激光器的重复率上,并且再生该信号。在PLL的情况下,RF输出能够被设定为输入信号的倍数(和这个装置被用在手机技术中几乎一样),并且激光器的重复率提高了。信号然后能够被用于脉冲发生器的触发,或者与低通滤波器相结合地使用。在激光器腔外面的MZ振幅调制器2150能够被用来对从锁模的激光器出来的脉冲串创建开关键控(OOK)调制。
[0119] 图22示出了例示在控制信号NRZ信号2210由所例示的位序列构成情况下由于振幅调制器2205的存在而引入到输入脉冲串2201的损耗调制的效应的图形描绘2200。在装置2220的输出端处结果得到的信号表示用于在电信和科学应用中使用的NRZ至RZ转换器装置,其中应用可以受益于RZ数据流。时钟信号2201(光学输入)将以给定脉冲重复率通过调制器2205。同时,由1和0的序列构成的控制信号能够被施加到调制器元件2215的RF端口。当调制器元件2215在最小传输下被偏置时,在缺乏控制信号的情况下由光学信号所经历的损耗可以达到最大。在存在RF信号(1)的情况下,损耗将下降至最小(通门),从而作为开关键控调制装置。输出光学信号的脉冲宽度典型地比由信息的单个比特所占据的时隙小得多(甚至小于NRZ方案的半个时钟周期),从而像由元件2220所标识的那样使这个系统纯粹地成为RZ。
[0120] 图23例示了用于使用可饱和吸收器(SA)装置2330生成具有高脉冲重复率的高次光学谐波USPL脉冲的示例系统2300。SA装置2330能够在一些示例中包括碳纳米管。使用碳纳米管SA(CNT-SA)的无源锁模的光纤激光器由于它们生成基本重复率的高次谐波的能力而为高重复率源做出有吸引力的选项。在所描述的方法中,建立了自包含光腔,其中两个法拉第反射器2301和2350形成该光腔。尽管在图23中示出了高功率掺铒光纤放大器(EDFA)2310,但是能够使用产生非线性光腔的任何反相介质。能够在生成高重复率光学串时使用种子激光器2315,诸如例如如图23所示的980nm泵浦激光器。特别地,可以根据所需要的光波长和脉冲重复率考虑任何适合的泵浦激光器。SA元件2330能够被放入腔内以根据需要通过设计要求来建立需要的光学脉冲特性2350。
[0121] 图23示出了能够被用于当前主题的一个或更多个实施方式中的激光器的示例的简图。不像图22所示的有源激光器,在这里MZ调制器能够用SA元件2330代替。对于空中、空间或海底应用中的陆地、海底或FSO系统,能够在基于光纤的站分布系统内或在FSO系统内利用与本文所述的那些类似的技术。
[0122] 图24例示了提供时域复用(TDM)的方法,其中TDM使用并行时延通道对脉冲串进行复用。在一些实例中,操纵延迟通道使得它们相对于彼此是“一致的”能够变得重要。输出复用脉冲串的频率能够理想地尽可能对环境改变不敏感。虽然如此,提出的反馈环路控制系统被设计为针对损害输出重复率的稳定性的任何波动来校正延迟单元。
[0123] 图24示出了延迟控制系统2400的示例的图。能够以与当前主题一致的数个方式之一实现控制环路。出于图示目的图24描述了一种可能性。输入脉冲串进入TDM并且复用到N个路径中,各个路径具有它自己的延迟线。如果路径由低“弯曲损耗”光纤波导构成,则各个路径能够绕半径R的圆柱压电执行器(PZ)盘绕。作为控制电压(Vc)的结果执行器通常在径向方向上扩张。与Vc线性地成比例的这个扩张ΔR引起光纤的长度中的改变ΔL=2πNΔR,其中N是绕PZ的光纤数。对于太赫兹(Terahertz)复用,脉冲之间的(以及因此PZ1的)延迟必须是1皮秒。这能够需要长度改变等于200微米,其对于一匝PZ执行器对应于ΔR=32.5微米。大多数在商业上可获得的压电执行器是高度线性的并且在这个范围内操作良好。控制机制因此能够基于数个PZ执行器,各自具有与第一延迟的倍数即(32、64、96微米等)相对应的匝数,并且受单个电压Vc控制。控制电压由反馈系统确定,该反馈系统使用相位比较器(PC)将使用1/N分配器的输出信号的频率与输入信号的频率相比较。“慢”输入光学信号(由图24中具有τRT的波形表示)的频率使用光电检测器PDin被转换成RF信号。为了减少电子抖动的效应,“微分器”(或高通滤波器)能够被施加到RF信号以便使脉冲的前沿变陡峭。锁相环被用来跟踪并锁定信号,并且用来将它再生成50%占空比波形。同样地,在输出侧中,光学信号被光电检测器PDout拾取,进行高通滤波,并且使用时钟和数据恢复系统的时钟输出端口再生。具有输入信号的频率N倍的频率的输出信号的时钟在转向相位比较器之前被发送至N倍分频器。从相位比较器,表示输入信号与输出信号之间的失配的DC电压电平(和在PLL电路的架构中使用的几乎一样)指示针对执行器的校正的方向。低通滤波器将时间常数添加到系统以增强它对寄生噪声的不灵敏性。
[0124] 与PLL相反,CDR能够有利地被用于输出中,使得输出信号可以或者可以不被调制。这个系统能够被设计成在未调制的和“TDM内调制的”(即在各个延迟路径处一个调制器)方案两者中工作。然而,这是补偿延迟线的长度上的变化的完全确定性方法。理想地,并且在实用观点内,延迟路径应该全部为相同的“热能级”提供参考即同时地对相同的热改变敏感。如果各个线感测到不同的变化,这个系统将不能够实时地校正那个。
[0125] 在替代方案中,完全确定性方法能够包括运算放大器电路(S1...SN)的求和以向执行器传递控制电压。使用这样的方法,输入电压(V1至VN)能够被用来在完全静态意义上补偿线之间的长度偏差,否则它们能够被用于对系统的初始精细调节。该方法典型地还必须补偿或者至少考虑所用光纤的任何弯曲损耗要求。在市场上刚出来的一些新的光纤可以具有仅几个毫米的临界半径。
[0126] 如果各个路径延迟线在温度方面感测到不同的变化并且经历由于寄生局部噪声而导致的不相关长度改变,先前描述的方法照原样可以在执行实时校正时遭受困难。能够使用与当前主题的一些实施方式一致的在完全统计意义上进行操作的更鲁棒方法。在这样的方法中,求和运算放大器电路(S1...SN)能够被用来向执行器传递控制电压。在这种情况下,输入电压(V1至VN)能够被用来在完全统计意义上补偿延迟线之间的长度偏差,否则它们仅能够用于对系统的初始精细调节(校准)。
[0127] 再次参照图24,标识为元件2401的进入USPL源被耦合到光学耦合器元件2403,使得耦合器的一个支线连接到为以2401的操作数据速率操作而选择的光学光电二极管。使用由元件2404、2405以及2406所描述的标准电子滤波技术,进入USPL信号的电方波表示由元件2407来提取和标识。耦合器2403的第二光学支线被对接到由2410所标识的适当的光学分路器元件中,其中进入到2410的进入信号被分裂到206个并行光路中。同样例示的是为分束器元件2410的并行支路中的每一个并行地建立的可变速率光延迟线。并行压电电元件由元件242N标识,并且通过该图内的反馈电路用电子学方法控制。由Vc所标识的控制电压通过光电二极管2485连同电子电路元件2480和2475来生成。时钟和数据恢复(CDR)元件2475产生在控制各个PZ元件时所使用的时钟源。在适当的延迟被引入到元件2410的各个支线中之后标识为244N的光路被组合。从而生成了脉冲倍增的USPL信号2490。
[0128] 图25A示出了光纤PZ执行器2500的简图,并且图25B示出了用于这样的执行器的半径对电压的图表2590。同时,这些图例示了用于通过引发的光学延迟来提高进入USPL脉冲串的脉冲重复率的PZ执行器的操作。尽管被示出用作为用于针对USPL信号增强脉冲重复率生成的元件,但是相同的技术能够被用于需要或者受益于光学延迟的其它光学装置。用于该装置的基本结构是基于光纤的PZ执行器2501。当电压2550被施加于电极2520时,电压引发的应力在光纤内产生,引起通过光纤而行进的光学信号的时延。通过变化施加的电压,像在图25B的图表2590所示的那样获得了光学延迟对施加的电压的性能曲线。
[0129] 图26示出了例示示例统计校正器2600的特征的图。图26所示的粗校正控制器2640对应于在先前部分中所描述的系统,其能够校正由所有延迟线同时地拾取的长度变化。如所提到的,这些变化预期以比“延迟线内”寄生变化慢得多的时间标度发生。这个后期效应能够将它本身显现为在系统上所引入的周期到周期抖动。这种类型的抖动能够使用RF光谱分析器(RFA)监测,使系统的重复率线显示“边线”(或边带),其是分析器拍频以及由连续脉冲之间的非均匀时间间隔产生的噪声频率的结果。一个这样的模式能够使用模拟至数字转换器(ADC)处理并且保存为值的阵列,所述值然后能够被馈送给神经网络(NN)机器。神经网络机器已知为拥有极好的适应性特性,其允许它们大体上通过适于输入和输出的新的集合从外部事件学习模式。一组输入在这种情况下能够由一组“不完美的观测结果”,即,如由RFA所检测到的并且由ADC转换为数字阵列({f1,f2,…,fN},其中fi是由RFA所拾取的频率分量)的TDM系统的“有噪声的”输出生成。一组输出能够由从不期望的过度频率噪声摆脱输出频率集所需要的校正({V1,V2,…,VN},其中Vi是求和运算放大器的补偿输入电压)生成,所述过度频率噪声是由于系统的外部扰动而导致的。采用足够大量的{f,V}对,其中f、V是频率、电压数组,能够构建统计集以对NN机器进行训练来学习与通道内噪声的存在相关联的基本模式。这些机器能够在商业上以IC格式从数个制造商找到,或者被实现为软件并且与计算机反馈控制机制相结合地使用。单层感知器型神经网络或ADALINE(自适应线性神经元或后自适应线性元件)应该足以实现任务。
[0130] 与以上关于图24所提供的描述类似,统计校正器元件2670能够包括与图24的电路元件2480和2475以及光电二极管2485类似的或者提供与图24的电路元件2480和2475以及光电二极管2485类似的功能性的电子电路。对于图26中所例示的方法,RF光谱分析器2695以及神经网络2670和粗校正控制器元件2640被用来执行引入到并行的一系列PZ元件262N中的光学延迟的要求。
[0131] 图27例示了与当前主题的实施方式一致的方法的构思和能力,在所述方法中能够通过由元件2795和272N所标识的压电圆盘(PZ)模块的替换来改进性能、准确度以及分辨率,其中由陶瓷圆盘所围绕的基于紧凑微光纤的准直器(MFC)2795被用来获得光学延迟线。尽管例示了用于针对USPL脉冲串提高本机脉冲重复率的技术,但是所例示的设计不限于这样的应用,而是能够每当光学延迟是需要的时被应用或者扩展到光学扇区内的其它需要。在这样做时,能够在电路的各个MFC元件内引入更多受控数量的时间延迟。通过利用MFC元件的使用的改进能够改进在批量生产装置中以需要电压响应的快速方式再现的响应、分辨率以及实现。在图27内所标识的构思能够被并入精密地生产的元件,其能够用作互补配对单元以用于在减少USPL脉冲对脉冲抖动时使用以及以用于数据加密需要的目的。
[0132] 进一步参照图27,具有特定脉冲重复率的USPL源2701被分成预选数目的如由分束器元件2705所标识的光路271N(其能够编号不同于206)。适当地控制的延迟273N使用由2795和272N所描述的元件而被引入到分裂光路271N的各个并行支线中。结果得到的延迟路径274N通过光学组合器元件2760加在一起。得到脉冲倍增的USPL信号2780。
[0133] 其中光纤“缠绕”压电执行器的一些先前可用的TDM设计的一个潜在缺点是该机制必须遵照所用光纤的弯曲损耗要求。在市场上刚出来的一些新的光纤具有仅几个毫米的临界半径。为了校正这个问题,当前主题的实施方式能够使用微机械气隙U型托架代替缠绕光纤的圆柱钻孔。图27例示了这个原理。在这个方法中,压电执行器(PZ1,…PZN)能够用使用微光纤准直器(MFC)所构造的气隙U型托架结构和由压电材料制成的微环代替。然而,在这种情况下,压电执行器响应于控制电压(V1,V2,…VN)而纵向地扩张,从而增加(或者减少)准直器之间的气隙距离。如在圆柱压电的情况下一样,单个电压Vc能够被用来驱动所有压电装置,只要各个通道的增益(G1,G2,…GN)被相应调节以为每条线提高正确的扩张即可。理想地,除了对系统的内在偏置(即运算放大器之间的固有差异),增益调节应该如G1、2G1、3G1等一样,以便提供作为τRT/N的倍数的扩张。实现这样的方法的另一方式可以是在通道处使用多个压电环。以那种方式,一个人能够使具有1、2、3、N个压电环的通道通过相同的电压用在相同增益下的所有放大器驱动。
[0134] 图28提供了用来成功地桥接在两个远程10GigE交换机之间的光学芯片系统2800的概念呈现。理想地,这样的连接能够与简单的一件光纤类似地执行。TDM芯片的定时能够由10GigE交换机驱动。
[0135] 参照图28具有由2806所标识的预定本机脉冲重复率的USPL源2805连接到光学脉冲倍增器芯片2807。元件2807被设计成将进入脉冲重复率信号2806转换成用于对如由2801所标识的高速网络以太网交换机操作的适当电平。交换机2801提供用来通过标准压电光学调制器2820以感兴趣的数据速率对信号2809进行调制的基准信号2802。结果得到的RZ光学信号像在元件2840所示的那样生成。
[0136] 具有从10GigE交换机运行的定时的替代方案在于用倍增器光子芯片构建到太拉/秒(或更快)的USPL,并且然后直接地从10GigE交换机对这个太拉/秒信号进行调制。各个比特将具有100左右个脉冲。这个方法的优点可以是对于待从交换机向USPL运行的单独定时信号的需要的消除。经由倍增器芯片的USPL仅不得不抽出太拉/秒脉冲。另一优点是倍增器芯片的输出不必确切地为10.313或103.12Gbps。它仅必须在约1太拉/秒的速率下。在各个10GigE比特具有100或101或99个脉冲情况下,这个限制不是问题。另一优点是各个比特将具有许多10USPL,所以10GigE信号将具有大气传播(雾和闪烁)优点。
能够在接收机端实现另一优点。对于检测器来说应该更易于检测到比特,如果该比特在该单个比特内具有100左右个USPL脉冲的话。这能够导致改进的接收机灵敏度,并且因此对于FSO系统允许改进的范围。能够实现附加的优点,因为升级到100GigE可能和用100GigE交换机代替10GigE交换机一样简单。在这种情况下各个比特将具有大约10个脉冲。
[0137] 从纯粹信号处理观点看,这个方法演示了发送组合在单个传输流中的数据和时钟的高效方式。更像比特使用光学脉冲流的“采样”一样,这个方法具有以下优点:比特“大小”由它承载的脉冲的最大数目确定,因此建立用于随着它们到达接收端而对比特进行计数的基础。换句话说,如果比特单元具有能够适合N个脉冲的时隙,则系统的时钟能够在每第5个之后作为“一个新的信息比特”被建立。
[0138] 对于空中、空间或海底应用中的陆地、海底或FSO系统,能够在基于光纤的站分布系统内或者在FSO系统内利用与本文所述的那些类似的技术,并且首次例示了从USPL源到光学网络元件的互连如何针对联网应用被实现。
[0139] 图29示出了例示用于在图28内所反映的设计构思的概念网络扩展的系统2900。作为多个USPL源2901、2902、2903(应该注意的是,虽然示出了三个,但是任何数目在当前主题的范围内),各自通过专用光交换机调制并且在WDM布置中配置了USPL激光倍增器芯片。如参照图28所描述的,来自各个以太网交换机的电信号能够被用来针对各个光路对专用光学调制器2911、2922、2928进行调制。用于系统的每段的光学功率能够由用于放大目的的光学放大器元件2931、2932、2933提供。各个放大的USPL路径然后能够被对接到适当的光学组合器2940以用于传输到网络2950,并且根据需要可以是自由空间或基于光纤的。
来自WDM模块的输出然后能够被配置到用于FSO传输的发送元件102或者到光纤站设备中。
[0140] 对于空中、空间或海底应用中的陆地、海底或FSO系统,能够在基于光纤的站分布系统内或在FSO系统内利用本文所述的技术,并且首次例示了从USPL源到光学网络元件的互连如何针对联网应用被实现。
[0141] 图30示出了针对当前主题的实施方式以包括计算机辅助系统的构造来使用同步自再生机制随着腔的重复率的同时稳定化而控制使用递归线性偏振调节的全光纤锁模的激光器的脉冲宽度的实验编排的简图。该设计还能够提供重复率和脉冲宽度的调谐能力。
[0142] 光纤环形激光器由内部蓝色环路表示,其中除在环路外面的正性高色散光纤之外,所有腔内光纤支路用蓝色编码,所述环路是光纤光栅压缩器(用暗褐色编码)的一部分。外部环路表示反馈有源系统。
[0143] 图30示出了系统3000的图,所述系统3000例示了通过镜(M1,M2)、光栅(G1,G2)、长度(L1,L2)、二次谐波发生器(SHG)、光电倍增管(PMT)、锁定放大器(LIA)、数据采集系统(DAC)、检测器(DET)、时钟提取机制(CLK)、频率至电压控制器(FVC)、高压驱动器(HVD)、基准信号(REF)、脉冲发生器(PGEN)、振幅调制器(AM)、隔离器(ISO)、压电执行器(PZT)、光学耦合器(OC)、偏振器(POL)以及偏振控制器(PC)来提供对脉冲宽度和脉冲重复率控制的控制的USPL模块的特征全部都用来提供对脉冲重复率和脉冲宽度控制的控制。
[0144] 无源锁模机制能够基于非线性偏振旋转(NPR),其能够被用于锁模的光纤激光器中。在这个机制中,弱双折射单模光纤(SMF)能够被用来在传播脉冲中创建成椭圆形偏振的光。随着脉冲沿着光纤行进,它经历非线性效应,其中发生强度相关偏振旋转。到脉冲到达偏振控制器(PC)3001的时候,脉冲的高强度部分的偏振态经历比较低强度脉冲更多的旋转。控制器能够执行使脉冲的高强度偏振分量旋转从而尽可能使其定向几乎与偏振器(POL)的轴对准的功能。因此,随着脉冲通过偏振器,其较低强度分量经历比高强度分量更多的衰减。从偏振器中出来的脉冲因此变窄,并且整个处理作为快速可饱和吸收器(FSA)。这个非线性效应与环路的群速色散(GVD)相结合地工作,并且,在许多往返之后,发生稳定性的饱和,并且实现了无源锁模。光学环路的总体GVD能够被定制成通过使用不同类型的光纤(诸如单模、色散位移、偏振维持等)并且累计它们对激光器的平均GVD的贡献在误差的余量内产生特定期望的脉冲宽度。
[0145] 线性偏振旋转根据PC的有源控制能够大大地改进激光器的性能。这能够使用跟踪追捕脉冲宽度的进展的反馈系统来实现。由图1中外部环路所表示的这个系统能够被用来最大化压缩,并且因此,最大化脉冲的平均功率。通过OC从光纤环形激光器中出来的脉冲预期具有大约几个皮秒的宽度。使用光纤光栅压缩器的外部冲压缩方案被用来使脉冲变窄至不足100fsec范围。这个技术已被广泛地用于许多报告的试验中,导致高能量、高功率USPL脉冲。在这里,经变窄的脉冲集中于二次谐波发生器(SHG)晶体并且使用光电倍增管(PMT)检测。锁定放大器(LIA)将输出DC信号提供给数据采集卡(DAC)。这个信号通过跟踪脉冲的峰值功率中的增加或减少来跟随脉冲宽度的变化。类似的技术已在过去被成功地使用,除了在那种情况下,替代地使用了空间光调制器(SLM)。在这里,可编程伺服机构直接地使用PC上的执行器来控制线性偏振旋转。采用由DAC所提供的DC信号数据,决策软件(诸如但不限于LABVIEW或MATLAB SIMULINK)能够被开发来控制伺服机构,其进而调节输入脉冲的旋转相对于偏振器的轴的角度。由执行器所执行的这些调节使用应力引发的双折射来实现。例如,如果脉冲宽度减少,则机构将促使执行器跟随线性角旋转的特定方向以对此进行补偿,并且如果脉冲宽度增加,则它将在相反方向上动作,两者都针对最大化平均输出功率。
[0146] 与光学振荡的重复率同步并且用作振幅调制器(AM)的驱动信号的自再生反馈系统能够调节激光器的往返时间。在有源系统中,振幅调制器通过与往返时间同步地对损耗进行调制而作为阈值门槛装置。这个技术已在最近的报告中能够成功地使锁模的激光器稳定。由光电检测器(DET)从光学耦合器(OC)所拾取的信号能够被用电子学方法锁定并且由诸如锁相环或同步振荡器的时钟提取机制(CLK)再生。经再生的信号触发脉冲发生器(PGen),其然后被用来驱动调制器。在完美地同步的场景中,AM每当脉冲在各个往返时间(TRT)通过它时“打开”。因为CLK跟随TRT上的变化,所以AM的驱动信号将相应地变化。
[0147] 外部基准信号(REF)能够被用来调谐腔的重复率。它能够使用混频器与从CLK恢复的信号相比较,并且输出被用来驱动压电(PZT)系统,其能够调节腔的长度。用来调节腔的长度的PZT系统的这样的使用是众所周知的构思,并且已经用实验方法成功地演示了类似设计。在这里可以校准线性频率至电压转换器(FVC)以将输入信号提供给PZT的高压驱动器(HVD)。PZT将调节腔的长度以和REF信号的重复率匹配。如果例如REF信号增加其频率,则FVC的输出将减少,并且所以HV驱动电平也将减少至压电圆筒,从而强迫它接触,并且因此提高激光器的重复率。当基准的重复率减少时发生相反情况。
[0148] 有可能使用一对负色散光栅来使脉冲的宽度调谐为“变换有限的”值。这个啁啾脉冲压缩技术被很好地建立,并且一直有和6fs一样窄的脉冲压缩的报告。构思将使光栅对脉冲压缩器安装在沿着设定光栅之间的分离的线平移的移动台上。随着距离改变,压缩因子也改变。
[0149] 在与当前主题的实施方式一致的数据调制方案的示例中,无源锁模的激光器能够被用作超快脉冲的源,这限制我们改变数据调制速率的灵活性。为了按比例放大我们的系统的数据速率,我们需要提高我们的脉冲源的基础重复率。传统上,无源锁模的激光器的重复率已通过要么缩短激光器腔长度要么通过激光器的谐波锁模而提高了。两个技术使腔内脉冲峰值功率减少,导致更长的脉冲宽度和更不稳定的锁模。
[0150] 解决这个问题的一个方法涉及通过我们称作脉冲倍增的技术来使用修改的脉冲交织方案。图31例示了这个构思。良好表征的、良好锁模的激光器3101的较低重复率脉冲串被耦合到集成光定向耦合器3180中,其中脉冲的良好确定的小部分在光学延迟3150在输出脉冲串中等于所期望的脉冲间间隔的光学环路中被分接和“重新循环”,并且重新耦合到定向耦合器的输出端。例如,为了从10MHz脉冲串生成1GHz脉冲串,1ns的光学延迟是需要的,并且为了使得脉冲串中的第100个脉冲能够与来自10MHz源的输入脉冲重合,可能不得不精确地控制光学延迟。光学延迟环路包括用来补偿信号衰减的光学增益3120、用来恢复脉冲宽度和激活光学延迟控制3150的色散补偿3160。在已发生脉冲倍增后,输出脉冲串被与数据流3182一起OOK调制3175以生成RZ信号3190,并且在掺饵光纤放大器3185中放大以带来多达与输出脉冲串的电平相同的电平(或者多达所期望的输出脉冲能量水平)的脉冲能量。
[0151] 本文所述的特征中的一个或更多个(无论单独或相结合地进行)能够被包括在当前主题的各种方面或实施方式中。例如,在一些方面,光学无线通信系统能够包括至少一个USPL激光源,其能够可选地包括皮秒、纳秒、飞秒以及阿托秒型激光源中的一个或更多个。光学无线通信系统能够包括能够被光纤耦合或者自由空间耦合到光学传输系统的USPL源,能够对于点到多点通信系统架构使用一个或更多个调制技术来调制,和/或能够利用通过双曲线镜制造技术、常规牛顿镜制造技术、或在功能上等效的或类似的其它技术中的一个或更多个所制造的光学传输终端或望远镜。非球面光学设计还能够或者另选地被用来最小化、降低接收光学信号的遮蔽。
[0152] 与当前主题的实施方式一致的自由空间光学传输系统能够利用将接收信号聚焦在一个理想点处的USPL激光器设计。在一些实施方式中,用于聚焦和传递光的一个望远镜或其它光学元件能够被认为是发送元件并且与第一望远镜或其它光学元件远程地定位的用于聚焦和接收光的第二望远镜或其它光学元件能够当作接收元件以创建光学数据链路。两个光学通信平台能够可选地包括提供发送和接收功能两者所必需的组件,并且能够被称为USPL光学收发机。用于聚焦和传递光的望远镜或其它光学元件中的任何一个或两者能够通过经由光线或者通过耦合到发送元件的自由空间耦合到发送USPL源。用于聚焦和接收光的望远镜或其它光学元件中的任何一个或两者能够通过光纤或自由空间耦合到光接收机耦合到接收端点。包括一个或更多个USPL源的自由空间(FSO)无线通信系统能够用于以下各项:在光学通信网络的框架内、与光纤回程网络相结合地(并且能够被透明地用在光学通信网络内)、在光学通信网络内(并且能够在1550nm光学通信带内使用开关键控(OOK)非归零(NRZ)和归零(RZ)调制技术调制)、在光学通信网络内(并且能够使用微分相移键控(DPSK)调制技术调制)、在光学通信网络内(并且能够对于使用通常使用的自由空间光收发机终端的点对点通信系统架构使用通常使用的调制技术调制)、在利用D-TEK检测技术的光学通信网络内、在用于与掺铒光纤放大器(EDFA)以及高功率掺铒-镱光纤放大器(Er/Yb-DFA)相结合地使用的通信网络内、在光学通信网络内(并且能够对于点对多点通信系统架构使用通常使用的调制技术调制)等。
[0153] USPL技术能够在一些方面被用作提供光学跟踪和光束转向以用于在自动跟踪能力中使用并且以用于在操作期间维持终端协同对准的信标源。在接收终端处所提取的经恢复的时钟和数据能够被用于多跳跨距以用于在扩展网络可及范围时使用。光学网络能够在WDM配置中提供有类似的有益效果,从而提高载波数据链路的有效光带宽的大小。USP激光源还能够或者另选地被偏振复用到已发送光学信号上以提供偏振复用USP-FSO(PM-USP-FSO)功能性。在接收终端处所提取的经恢复的时钟和数据能够被用于多跳跨距以用于在扩展网络可及范围时使用,并且能够包括操作的通用大带宽范围以用于提供数据速率不变操作。光学前置放大器或半导体光放大器(SOA)能够在光接收机元件之前使用,并且另选地或者与在接收终端处所提取的经恢复的时钟和数据相结合地,能够被用于多跳跨距以用于在扩展网络可及范围时使用,从而具有操作的通用大带宽范围以用于提供数据速率不变操作。能够在操作期间维持终端协同对准,使得在性能和终端协同对准方面的有效改进能够通过使用USPL技术、通过使用USPL数据源以及提供通过使用USPL激光器信标维持收发机对准的改进方法来实现。
[0154] 能够在一些方面利用USPL-FSO收发机以用于使用电离或非电离检测技术执行远程感测和检测以得到机载元件的符号差、利用通过将接收信号聚焦在一个理想点处的双曲面镜制造技术或常规牛顿设计所制造的光传输终端。能够在非视线激光通信应用中利用与当前主题的实施方式一致的USPL-FSO收发机。与当前主题的实施方式一致的USPL-FSO收发机能够允许散射效应(使得能实现NLOS技术)发生所在的距离的调节,允许接收技术使用DTech检测方案来改进检测灵敏度,并且经由包括频率梳的宽带检测器允许改进的带宽。能够与用于执行进入光学波前校正(AO-USPL-FSO)的自适应光(AO)技术相结合地利用与当前主题的实施方式一致的USPL-FSO收发机。与当前主题的实施方式一致的USPL-FSO收发机能够被利用并且跨越1.3至1.6微米波长范围操作。能够在单模光纤配置以及多模光纤配置两者中与光学分插技术和光学复用技术相结合地利用与当前主题的实施方式一致的USPL-FSO收发机。能够出于目标标识和询问应用的目的作为测距仪和定点设备跨越1.3至1.6微米波长范围利用并且操作与当前主题的实施方式一致的USPL-FSO收发机。
[0155] 在当前主题的其它方面,一系列交换网络连接(诸如例如10GigE、100GigE等连接)能够通过光纤或自由空间光学器件例如经由时分复用(TDM)从一个点连接到另一点。
[0156] 与当前主题的实施方式一致的锁模的USPL源能够被用来生成时钟流和数据流两者。锁模的激光器能够表示用于数字通信系统中的时钟的高性能高精细源的选择。在这点上,锁模的光纤激光器-在线性配置或环配置中-能够做出有吸引力的选择候选,因为它们能够实现USPL源区的脉冲带宽以及和GHz一样高的重复率。
[0157] 能够使用碳纳米管可饱和吸收器实现高次谐波生成。使用碳纳米管可饱和吸收器(CNT-SA)的无源锁模的光纤激光器由于它们容易地生成基本重复率的高次谐波的能力而为高重复率源做出选项。
[0158] 能够在陆地、空间以及海下应用中使用FSO。
[0159] 从分束器到孔径的条件性路径长度控制可以是一个重要参数。能够采用与当前主题的实施方式一致的TDM复用器来控制孔径到源路径之间的相对时间时延。能够使用并行时延通道来控制各个脉冲串。这个技术能够被用来采用WDM以及TDM系统控制常规的多发送FSO孔径系统。USPL激光脉冲到脉冲间隔能够被维持和控制到针对TDM和WDM系统两者的精确时间要求。所描述的技术能够被用在基于TDM和WDM光纤的系统中。如本文所述的TDM复用器的使用能够被用来将唯一加密装置实现到已发送光学信号上。互补的TDM复用器能够被利用来颠倒进入接收信号,并且从而恢复脉冲信号的唯一符号差。本文所述的TDM复用器能够被利用来控制WDM脉冲特征以用于WDM加密的目的。TDM复用器能够被用于常规的FSO系统中,其中连接到公共源信号的多个孔径能够使脉冲之间的时间延迟被控制以维持恒定路径长度。TDM复用器能够被用于基于TDM光纤的系统和基于FSO的系统。TDM复用器可以是用来针对USPL源控制光学脉冲串关系的使能技术。TDM复用器能够通过神经校正因子的测量跨越光学链路用作大气链路表征工具以得到相同的脉冲关系。
[0160] PZ圆盘的任何组合能够被用于发射机中,并且对于基于USPL的系统或基于光纤和FSO两者的系统能够具有无数的加密组合。定时能够从10GigE交换机或同等物运行并且为了用倍增器光子芯片建立到太拉/秒(或更快)速率的USPL,以及能够直接地从10GigE交换机对这个太拉/秒信号进行调制。当在WDM配置中进行操作时,能够包括到基于光纤的系统或到FSO网络元件的接口
[0161] 系统能够接受超快光学脉冲串并且能够生成具有脉冲宽度、光谱内容、与输入光学脉冲的啁啾特性相同的啁啾特性并且具有为输入脉冲的脉冲重复率的整数倍的脉冲重复率的一串光学脉冲。这能够通过在具有主动可控光耦合系数的2x2光学耦合器中分接输入脉冲功率的一小部分、出于在装置的输出端处最小化时间脉冲宽度的目的在提供有由光学脉冲在光学延迟线中所经历的时间和光谱展开的光学放大、光学隔离、光学延迟(路径长度)控制、光学相位以及振幅调制和压缩的光学延迟线中遍及一个往返重新循环这个分接的脉冲、以及将这个功率与2x2光学耦合器再组合来实现。
[0162] 能够像利用掺稀土光纤和/或掺稀土集成光学装置和/或电或光泵浦半导体光学放大的光学增益能够的那样使用无源或有源光学延迟控制。能够使用光纤-布拉格光栅和/或容积布拉格光栅提供色散压缩。能够像遍历延迟线的脉冲的脉冲码数据调制那样提出请求遍历延迟线的脉冲的波分复用数据调制。
[0163] 对于FSO应用,能够利用微光刻振幅和相位掩模技术实现常规USPL源通过USPL方波脉冲的合成的裁剪。使用技术来调节脉冲宽度的能力和采用这个技术来控制并且主动地控制脉冲的类似方法能够通过FSO传输链路来改进传播效率,从而改进系统可用性和接收光学功率电平。
[0164] 有源可编程脉冲整形器能够被用来主动地控制USPL脉冲宽度,能够包括使实时大气条件匹配以通过改变环境最大化传播。以下技术中的一个或更多个能够被用在FSO应用中以使用各技术来适配光学时间光谱:傅里叶变换脉冲整形、液晶模块(LCM)阵列、上液晶(LCOS)技术、使用声光调制器(AOM)的可编程脉冲整形、声光可编程色散滤波器(AOPDF)以及偏振脉冲整形。
[0165] 图32示出了例示方法的特征的处理流程图3200,所述特征的一个或更多个能够出现在当前主题的实施方式中。在3202处,生成各自具有大约1纳秒或更短的持续时间的光脉冲束。在3204处,调制信号被施加到光束以生成调制光学信号。调制信号承载用于传输到远程接收设备的数据。在3206处在光学通信平台内的光学收发机处接收调制光学信号,并且在3210处使用光学收发机发送调制光学信号以用于由第二光学通信设备接收。
[0166] 图33示出了例示方法的特征的另一处理流程图3300,所述特征的一个或更多个能够出现在当前主题的实施方式中。在3302处,例如使用USPL源,生成各自具有大约1纳秒或更短的持续时间的光脉冲束。在3304处经由光学收发机向目标大气区发送光脉冲束。在3306处,分析作为光脉冲束从目标大气区中的一个或更多个物体的光学反向散射的结果在光学收发机处所接收到的光学信息。
[0167] 图34示出了例示方法的特征的另一处理流程图3400,所述特征中的一个或更多个能够出现在当前主题的实施方式中。在3402处,例如通过USPL源,生成包括光脉冲的第一光束和第二光束。在3404处,第一调制信号被施加到第一光束以生成第一调制光学信号并且第二调制信号被施加到第二光束以生成第二调制光学信号。在3406处调节第一调制光学信号的第一偏振态。可选地,还能够调节第二调制光学信号的第二偏振态。在3410,具有经调节的第一偏振态的第一调制光学信号与第二调制信号复用。在3412中,通过光学收发机发送经复用的具有经调节的第一偏振态的第一调制光学信号与第二调制信号,以用于由第二光学通信设备接收。
[0168] 本文所述的主题的一个或更多个方面或特征能够用数字电子电路、集成电路、特别设计的专用集成电路(ASIC)、现场可编程门阵列(FPGA)计算机硬件、固件、软件和/或其组合来实现。这些各种方面或特征能够将实施方式包括在可在包括至少一个可编程处理器的可编程系统上执行和/或解释的一个或更多个计算机程序中,所述至少一个可编程处理器可以是专用的或通用的,被耦合成从存储系统、至少一个输入装置以及至少一个输出装置接收数据和指令,并且被耦合成将数据和指令传送到存储系统、至少一个输入装置以及至少一个输出装置。
[0169] 这些计算机程序(其还能够被称为程序、软件、软件应用、应用、组件或代码)包括用于可编程处理器的机器指令,并且能够用高级过程和/或面向对象编程语言和/或用汇编/机器语言来实现。如本文中所使用的,术语“机器可读介质”指的是用来将机器指令和/或数据提供给可编程处理器的任何计算机程序产品、设备和/或装置,诸如例如磁盘、光盘、存储器以及可编程逻辑器件(PLD),包括接收机器指令作为机器可读信号的机器可读介质。术语“机器可读信号”指的是用来将机器指令和/或数据提供给可编程处理器的任何信号。机器可读介质能够非暂时地存储这样的机器指令,诸如例如就如非暂时性固态存储器或磁硬盘驱动器或任何等效存储介质一样。机器可读介质能够替换地或附加地以瞬态方式存储这样的机器指令,诸如例如就如与一个或更多个物理处理器核相关联的处理器高速缓存或其它随机存取存储器一样。
[0170] 为了提供与用户的交互,能够在具有显示装置(诸如例如用于向用户显示信息的阴极射线管(CRT)或液晶显示器(LCD)或发光二极管(LED)监视器)以及用户可以用来向计算机提供输入的键盘和指示装置(诸如例如鼠标轨迹球)的计算机上实现本文所述的主题的一个或更多个方面或特征。其它种类的装置也能够被用来提供与用户的交互。例如,向用户提供的反馈可以是任何形式的感觉反馈,诸如例如视觉反馈、听觉反馈或触觉反馈;并且可以按照任何形式接收来自用户的输入,包括但不限于声、语音或触觉输入。其它可能的输入装置包括但不限于触摸屏或其它触敏装置,诸如单点或多点电阻式或电容式触摸板语音识别硬件和软件、光学扫描器、光学指示器、数字图像捕获装置以及相关联的解释软件等等。远离分析器的计算机能够通过有线或无线网络链接到分析器以使得能实现分析器与远程计算机之间的数据交换(例如,在远程计算器处从分析器接收数据和传送诸如校准数据、操作参数、软件升级或更新的信息等等)以及分析器的远程控制、诊断等。
[0171] 能够取决于所期望的配置以系统、设备、方法和/或物品方式具体实现本文所述的主题。在上述描述中所阐述的实施方式不表示与本文所述的主题一致的所有实施方式。替代地,它们仅仅是与和所描述的主题有关的方面一致的一些示例。尽管已经在上面详细地描述了几个变化,但是其它修改和添加是可能的。特别地,除本文中所阐述的那些之外能够提供另外的特征和/或变化。例如,上面所描述的实施方式能够针对所公开的特征的各种组合及子组合和/或上面所公开的数个另外的特征的组合及子组合。此外,在附图中描绘的和/或在本文所述的逻辑流程未必需要所示出的特定次序或顺序次序来实现所希望的结果。其它实施方式可以在以下权利要求的范围内。
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