專利名稱：一點到多點自由空間無線光通信系統(tǒng)的制作方法
技術領域：
本發(fā)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(tǒng)使用的改進的光學望遠鏡。
因為無線通信系統(tǒng)在發(fā)射器和接收器之間不要求物理連接，所以無線光通信系統(tǒng)也優(yōu)于以光纖為基礎的光通信系統(tǒng)。在城市環(huán)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(fā)射器與接收器之間一條無阻擋的路徑，在城市環(huán)境下，無線光鏈路通常比物理鏈路更易得到。


圖1畫出常規(guī)的無線光系統(tǒng)100。如圖1所示，常規(guī)的無線光系統(tǒng)100通常包括一發(fā)射望遠鏡110，用于形成瞄準接收望遠鏡120的發(fā)射光束115。通常，待發(fā)射的光信號從一半導體激光器始發(fā)，之后可能被光放大器放大。激光器的發(fā)射面(或激光耦合進的光纖)位于發(fā)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(guī)的無線光系統(tǒng)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(tǒng)中，需要用單個發(fā)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(fā)射望遠鏡的信號(“多點到一點”通信)。但是，用常規(guī)的無線光系統(tǒng)，一點到多點的通信通常要求對每一光路用一專用的發(fā)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(tǒng)能用單個發(fā)射望遠鏡與許多分布的接收望遠鏡通信。
本發(fā)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(guī)設計更緊靠一起，從而能實現(xiàn)一種非常緊湊的系統(tǒng)。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(chuàng)造條件。此外，由于本發(fā)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(fā)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(fā)射。
除別的優(yōu)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(xiàn)一點到多點的通信。發(fā)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(tǒng)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(fā)送光能量。同樣，對多點到一點的通信系統(tǒng)，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(fā)射望遠鏡接收光能量。
本文還公開若干制作技術，使本發(fā)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(tǒng)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(fā)明并對本發(fā)明的性能和優(yōu)點獲得更完整的了解。
圖2按照本發(fā)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(fā)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(guī)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(fā)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(shù)。具體說，雖然現(xiàn)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(shù)，而本發(fā)明考慮用具有圓錐常數(shù)小于-1的雙曲面和非球面反射鏡210、220。按照本發(fā)明的一個示例性RC光學望遠鏡200的精確規(guī)格，下面在標題為“雙曲型反射鏡規(guī)格”的一段中說明。
一般說，本發(fā)明的雙曲型反射鏡在制作時，比通常用于無線光通信系統(tǒng)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(fā)明的另一個特征，是提供若干種技術，使本發(fā)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(tǒng)中推廣該種光學望遠鏡。
按照本發(fā)明的再一個特征，本發(fā)明的RC望遠鏡，比常規(guī)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(fā)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(fā)射或雙向模式。
在發(fā)射模式，待發(fā)送的光信號從半導體激光器發(fā)射。因此，激光器的發(fā)射面(或激光耦合進的發(fā)射光纖225-T)位于發(fā)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(fā)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(fā)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(tǒng)。n×n光纖陣列350的每一光纖，聚焦在無線光通信系統(tǒng)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(fā)送光能量。同樣，對多點到一點的通信系統(tǒng)，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(fā)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(jīng)指出，本發(fā)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(tǒng)的球面反射鏡昂貴。因此按照本發(fā)明的另一特征，這里公開若干制作技術，使本發(fā)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?！?，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(chǎn)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(chǎn)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(chǎn)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，”O(jiān)ptical 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(guī)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(shù)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(shù)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(shù)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(shù)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(shù)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(shù)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(fā)明的雙曲型反射鏡設計，比常規(guī)的球面設計有許多優(yōu)點。正如已經(jīng)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(fā)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(fā)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(xiàn)一點到多點的通信。
此外，本發(fā)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(guī)設計更緊靠一起，從而為一種非常緊湊的系統(tǒng)創(chuàng)造條件。雖然特定的反射鏡間距離將隨圓錐常數(shù)變化，但上述示例性規(guī)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(xiàn)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(fā)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(fā)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(fā)明的原理，因而本領域熟練人員在不偏離本發(fā)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(tǒng)，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(tǒng)，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(tǒng)，其中所述光纖陣列中每一光纖聚焦在不同的發(fā)射望遠鏡上。
4.按照權利要求1的無線通信系統(tǒng)，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(tǒng)，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(tǒng)，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(tǒng)，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(tǒng)，其中所述光纖陣列中每一光纖聚焦在不同的發(fā)射望遠鏡上。
9.按照權利要求6的無線通信系統(tǒng)，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(tǒng)，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(tǒng)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(tǒng)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(fā)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(tǒng)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(tǒng)的發(fā)射望遠鏡中發(fā)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(fā)射所述光信號，該激光器陣列位于所述發(fā)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(tǒng),該系統(tǒng)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(fā)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(yōu)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(xiàn)一點到多點的通信。發(fā)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(tǒng)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(fā)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(yōu)先權日2000年10月5日
發(fā)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