專利名稱：一點到多點自由空間無線光通信系統的制作方法
技術領域：
本發明涉及自由空間無線光通信領域，更具體說，是涉及自由空間無線光通信系統使用的改進的光學望遠鏡。
因為無線通信系統在發射器和接收器之間不要求物理連接，所以無線光通信系統也優于以光纖為基礎的光通信系統。在城市環境下，在兩幢建筑物間安裝物理連接，如安裝光纖，是困難的，特別是當兩幢建筑物間被一街道、另一幢建筑物、或一水體分隔時。無線光鏈路只要求在發射器與接收器之間一條無阻擋的路徑，在城市環境下，無線光鏈路通常比物理鏈路更易得到。


圖1畫出常規的無線光系統100。如圖1所示，常規的無線光系統100通常包括一發射望遠鏡110，用于形成瞄準接收望遠鏡120的發射光束115。通常，待發射的光信號從一半導體激光器始發，之后可能被光放大器放大。激光器的發射面(或激光耦合進的光纖)位于發射望遠鏡110的前焦面。通常用位于接收望遠鏡120焦平面的光檢測器(或與光檢測器連接的光纖)收集接收的信號。關于常規的無線光系統100更詳細的論述，如見P.F.Szajowski，“Key Elements of High-Speed WDMTerrestrial Free-Space Optical Communications Systems，”SPIE PaperNo.3932-01，Photonics West(Jan.2000)，本文引用，供參考。
在許多無線光系統中，需要用單個發射望遠鏡與許多接收望遠鏡通信(常被稱為“一點到多點”通信)，或用單個接收望遠鏡接收許多發射望遠鏡的信號(“多點到一點”通信)。但是，用常規的無線光系統，一點到多點的通信通常要求對每一光路用一專用的發射和接收望遠鏡。例如見PCT Application Serial Nos.PCT/US99/14710和PCT/US99/15973。因此，有必要使一點到多點的通信系統能用單個發射望遠鏡與許多分布的接收望遠鏡通信。
本發明提供一種反射鏡配置，能使該主和副反射鏡的位置比常規設計更緊靠一起，從而能實現一種非常緊湊的系統。本文公開的反射鏡不用厚的大塊玻璃制成。因此，這些反射鏡薄且輕，為一種輕的望遠鏡單元創造條件。此外，由于本發明提供更大的焦平面，所以能用靜止的或固定的反射鏡設計，為發射器與接收器之間提供自動對準，進而降低制作成本。還有，這些反射鏡能制作成大的直徑，由于光束能量分布在大的面積上，能使高強度的光束以對眼睛安全的級別發射。
除別的優點以外，更大的焦平面允許把一n×n光纖陣列放在該RC光學望遠鏡的焦平面內，從而能用單個光學望遠鏡實現一點到多點的通信。發射望遠鏡的n×n光纖陣列的每一光纖，能夠聚焦在無線光通信系統的不同的接收望遠鏡上。照此方式，n×n光纖陣列的每一光纖，在分開的路徑上瞄準給定的接收望遠鏡發送光能量。同樣，對多點到一點的通信系統，可以把n×n光纖陣列放在RC光接收望遠鏡的焦平面330內，n×n光纖陣列中每一光纖在分開的路徑上從給定的發射望遠鏡接收光能量。
本文還公開若干制作技術，使本發明的光學望遠鏡能以合理的成本制作，以便在無線光通信系統中推廣該種光學望遠鏡。
參考下面詳細的說明和附圖，可以對本發明并對本發明的性能和優點獲得更完整的了解。
圖2按照本發明，畫出一種RC光學望遠鏡200。如圖2所示，光學望遠鏡200包括一凹的主反射鏡210和一凸的副反射鏡220，每個都具有雙曲線形狀。下面還要論述，本發明提供的主反射鏡210和副反射鏡220的配置，要能使反射鏡210、220的位置比常規設計更緊靠一起。主反射鏡210把接收的光信號240-1反射至副反射鏡220，后者接著再引導接收的光信號240-2，通過一般在主反射鏡210中心的小孔250，到達位于焦平面230的光檢測器225-R，供收集并處理。本領域熟練人員易見，焦平面230也可以位于主反射鏡210的前方。雖然圖上畫出的是單根同軸光線，實際上接收的光信號240是錐形會聚光束，射向光檢測器225-R所在的焦點。
本發明的RC光學望遠鏡200還有的特征是反射鏡210、220的圓錐常數。具體說，雖然現有技術的望遠鏡的特征是，反射鏡具有0(球面反射鏡)和-1(拋物面反射鏡)的圓錐常數，而本發明考慮用具有圓錐常數小于-1的雙曲面和非球面反射鏡210、220。按照本發明的一個示例性RC光學望遠鏡200的精確規格，下面在標題為“雙曲型反射鏡規格”的一段中說明。
一般說，本發明的雙曲型反射鏡在制作時，比通常用于無線光通信系統的球面反射鏡或透鏡更為復雜和昂貴。因此，如在下面標題為“雙曲型反射鏡制作技術”一段中所述，本發明的另一個特征，是提供若干種技術，使本發明的光學望遠鏡能以合理的成本制作，以便在無線光通信系統中推廣該種光學望遠鏡。
按照本發明的再一個特征，本發明的RC望遠鏡，比常規的把接收信號聚焦在一理想點的Newton型設計有更大的視場230。頗為不同的是，本發明的雙曲型反射鏡設計給出大的焦平面或收集面積230(約一平方厘米的量級)，以捕獲接收的信號240。雖然圖2的示例性光學望遠鏡200只按接收模式畫出，但本領域熟練人員易見，該光學望遠鏡200同樣可以配置成發射或雙向模式。
在發射模式，待發送的光信號從半導體激光器發射。因此，激光器的發射面(或激光耦合進的發射光纖225-T)位于發射望遠鏡200的焦平面230。用位于接收望遠鏡200焦平面230上的光電探測器(或與光電探測器連接的接收光纖225-R)收集接收的信號240。因此，發射和接收光纖225-T、225-R都位于望遠鏡200的視場230內，如圖2所示。
按照本發明畫在圖3的另一個特征，通過把n×n光纖陣列350放在RC光學望遠鏡300的焦平面330內，可以獲得一點到多點的通信系統。n×n光纖陣列350的每一光纖，聚焦在無線光通信系統內的不同的接收望遠鏡上。照此方式，n×n光纖陣列350的每一光纖，在分開的路徑上瞄準給定的接收望遠鏡發送光能量。同樣，對多點到一點的通信系統，可以把n×n光纖陣列350放在RC光接收望遠鏡300的焦平面330內，n×n光纖陣列350中每一光纖在分開的路徑上從給定的發射望遠鏡接收光能量。
應當指出，不一定把光束聚焦在光電探測器或光纖上，可以在主反射鏡210的開孔250中采用場透鏡式的附加光學部件，把準直的光束送出主反射鏡210的開孔250，供另外的處理。然后再用一會聚透鏡把光束聚焦在光電探測器上，或聚焦進光纖中。
圖4畫出圖3的n×n光纖陣列350的端視圖。如圖4所示，圖上的n×n光纖陣列350包括n行和n列光纖4101-1至410n-n。
雙曲型反射鏡的制作技術前面已經指出，本發明的雙曲型反射鏡的制作，一般比用于通常的無線光通信系統的球面反射鏡昂貴。因此按照本發明的另一特征，這里公開若干制作技術，使本發明的RC光學望遠鏡能以合理的成本制作。
按照第一種制作技術，本文稱為“電成形金屬反射鏡制作技術”，用“反型金屬或玻璃母模”，如一個型芯，淀積金屬的合金材料，如鎳或金，在型芯表面生長反射鏡。該型芯準備反復使用且可用例如不銹鋼或玻璃制作。該電成形反射鏡可以從意大利的Media Lario S.r.I訂制。關于Media Lario及其電成形反射鏡產品的信息，見http//www.media-lario.it/eng/index.htm，本文引用，供參考。
按照第二種制作技術，本文稱為“金剛鉆車削反射鏡制作技術”，用計算機產生需要的反射鏡形狀描述，然后用車床加工金屬的型材，如不銹鋼，產生所需形狀的反射鏡。關于金剛鉆車削技術的一般論述，例如見Theodore T.Saito，“Diamond Turning of OpticsThe Past，thePresent，and the Exciting Future，”Optical Engineering，Volume 17，Number6，570-73(1978)，本文引用，供參考。
按照又一種制作技術，本文稱為“鑄造制作技術”，用熟知的鑄造技術制造雙曲型反射鏡，就像Ball Aerospace&Technologies Corp.ofBoulder，CO所采用那樣。
雙曲型反射鏡規格在一個特殊的實施例中，主反射鏡210的直徑是20cm并有以25cm的曲率半徑和-1.034的圓錐常數定義的非球面或雙曲線形狀。類似地，副反射鏡220的直徑是4.4cm并有以6.6cm的曲率半徑和-3.14的圓錐常數定義的非球面或雙曲線形狀。在本示例性實施例中，主和副反射鏡210、220的每一個都鍍膜，以便在1.5微米的波長上提供高的反射率。主和副反射鏡210、220的間隔約10cm的量級。
在另一個實施例中，主反射鏡210的直徑是20cm并有以315.8mm的曲率半徑和-1.0667的圓錐常數定義的非球面或雙曲線形狀。類似地，副反射鏡220的直徑是50.2mm并有以110.8mm的曲率半徑和-4.573的圓錐常數定義的非球面或雙曲線形狀。在該實施例中，主和副反射鏡210、220的每一個都鍍膜，以便在1.5微米的波長上提供高的反射率。主和副反射鏡210、220的間隔是12cm。
在又一個實施例中，主反射鏡210的直徑是20cm并有以15cm的曲率半徑和-1.0097的圓錐常數定義的非球面或雙曲線形狀。類似地，副反射鏡220的直徑是2.9cm并有以2.3cm的曲率半徑和-1.947的圓錐常數定義的非球面或雙曲線形狀。在該實施例中，主和副反射鏡210、220的每一個都鍍膜，以便在1.5微米的波長上提供高的反射率。主和副反射鏡210、220的間隔是6.5cm。
雙曲型反射鏡特征本發明的雙曲型反射鏡設計，比常規的球面設計有許多優點。正如已經指出的，該雙曲型反射鏡能用若干已說明的制作技術，以相對低的成本制作。此外，由于本發明提供更大的焦平面，所以能用靜止的或固定的反射鏡設計，為發射器與接收器之間提供自動對準，進而降低制作成本。還有，更大的焦平面允許把一n×n光纖陣列350放在該RC光學望遠鏡300的焦平面330內，如圖3所示，從而能用單個光學望遠鏡300實現一點到多點的通信。
此外，本發明的雙曲型反射鏡設計，能使該主和副反射鏡210、220的位置比常規設計更緊靠一起，從而為一種非常緊湊的系統創造條件。雖然特定的反射鏡間距離將隨圓錐常數變化，但上述示例性規格給出反射鏡間的距離只有5-10cm。
由于反射鏡不是由厚的大塊玻璃制成，這些反射鏡能夠薄且輕，能實現輕的單元。這些反射鏡能制作成大的直徑，由于光束能量分布在大的面積上，能使高強度的光束以對眼睛安全的級別發射。例如，一20cm的望遠鏡能以1瓦量級在波長1.5微米上安全地發射。
應當指出，本文舉出并說明的各實施例和變化，僅為說明本發明的原理，因而本領域熟練人員在不偏離本發明的范圍和精神下，可以實施各種改變。
權利要求
1.一種無線通信系統，包括至少一個Richey-Chetrien(RC)光學望遠鏡，其中至少包括兩根光纖的光纖陣列置于所述RC光學望遠鏡的焦平面上。
2.按照權利要求1的無線通信系統，其中所述光纖陣列中每一光纖聚焦在不同的接收望遠鏡上。
3.按照權利要求1的無線通信系統，其中所述光纖陣列中每一光纖聚焦在不同的發射望遠鏡上。
4.按照權利要求1的無線通信系統，其中所述光纖陣列是一n×n陣列。
5.按照權利要求1的無線通信系統，其中所述光纖陣列中每一光纖能夠獨立地改變位置，以保持與對應的遠處的望遠鏡對準。
6.一種無線通信系統，包括至少一個有一非球面反射鏡的光學望遠鏡，其中，至少包括兩根光纖的光纖陣列置于所述光學望遠鏡的焦平面上。
7.按照權利要求6的無線通信系統，其中所述光纖陣列中每一光纖聚焦在不同的接收望遠鏡上。
8.按照權利要求6的無線通信系統，其中所述光纖陣列中每一光纖聚焦在不同的發射望遠鏡上。
9.按照權利要求6的無線通信系統，其中所述光纖陣列是一n×n陣列。
10.按照權利要求6的無線通信系統，其中所述光纖陣列中每一光纖能夠獨立地改變位置，以保持與對應的遠處的望遠鏡對準。
11.一種用于無線通信系統鏈路的Richey-Chetrien(RC)光學望遠鏡，包括一凹的非球面主反射鏡；一凸的非球面副反射鏡；和一接收單元，包括位于所述副反射鏡焦平面上的至少有兩根光纖的陣列。
12.按照權利要求11的RC光學望遠鏡，其中所述RC光學望遠鏡包括至少兩個雙曲型反射鏡。
13.按照權利要求11的RC光學望遠鏡，還包括一場透鏡。
14.按照權利要求11的RC光學望遠鏡，其中所述兩個非球面反射鏡是固定的。
15.按照權利要求11的RC光學望遠鏡，其中所述光纖陣列可以在所述RC光學望遠鏡的所述焦平面內改變位置。
16.一種用于無線通信系統鏈路的Richey-Chetrien(RC)光學望遠鏡，包括一凹的非球面主反射鏡；一凸的非球面副反射鏡；和一發射單元，包括位于所述副反射鏡焦平面上的至少有兩根光纖的陣列。
17.按照權利要求16的RC光學望遠鏡，其中所述RC光學望遠鏡包括至少兩個雙曲型反射鏡。
18.按照權利要求16的RC光學望遠鏡，還包括一場透鏡。
19.按照權利要求16的RC光學望遠鏡，其中所述兩個非球面反射鏡是固定的。
20.按照權利要求16的RC光學望遠鏡，其中所述光纖陣列可以在所述RC光學望遠鏡的所述焦平面內改變位置。
21.一種在多點到一點的自由空間無線通信系統中接收光信號的方法，包括的步驟為用一非球面主反射鏡捕獲所述光信號；用一非球面副反射鏡反射所述捕獲的光信號；和用所述非球面副反射鏡，把所述捕獲的光信號再引導至光檢測器陣列中的一個光檢測器上，該光檢測器陣列位于所述非球面副反射鏡的焦平面，至少有兩個光檢測器。
22.一種在一點到多點的自由空間無線通信系統的發射望遠鏡中發射光信號的方法，包括的步驟為從激光器陣列中的一個激光器發射所述光信號，該激光器陣列位于所述發射望遠鏡的焦平面上，至少有兩個激光器；用一非球面副反射鏡捕獲所述光信號；用所述非球面副反射鏡，把所述捕獲的光信號再引導至一非球面主反射鏡；和用所述非球面主反射鏡，把所述捕獲的光信號反射進自由空間。
全文摘要
本文公開一種自由空間無線光通信系統,該系統使用具有非球面反射鏡的望遠鏡設計,如Richey－Chetrien(RC)望遠鏡。RC望遠鏡的特征是一凹的主反射鏡和一凸的副反射鏡,每個都具有雙曲線形狀。由于公開的反射鏡配置提供更大的焦平面,所以能用靜止的或固定的反射鏡設計,為發射器與接收器之間提供自動對準,進而降低制作成本。除別的優點以外,更大的焦平面允許把一n×n光纖陣列放在該RC光學望遠鏡的焦平面內,從而能用單個光學望遠鏡實現一點到多點的通信。發射望遠鏡的n×n光纖陣列的每一光纖,能夠聚焦在無線光通信系統的不同的接收望遠鏡上。照此方式,n×n光纖陣列的每一光纖,在分開的路徑上瞄準給定的接收望遠鏡發送光能量。
文檔編號H04B10/22GK1347208SQ01141209
公開日2002年5月1日 申請日期2001年9月28日 優先權日2000年10月5日
發明者赫爾曼·梅爾文·普來斯拜, 約翰·安舍尼·泰森 申請人:朗迅科技公司