專利名稱：激光通信系統及方法
背景技術：
本發(fā)明涉及寬帶激光通信設備、激光雷達、可見和紅外遙測設備及長距離通信的關鍵技術與結構，以及制造與使用此種通信系統的方法。
在現有通訊設施上通過租賃線路進行高于1.5Mbps速率的寬帶(高速)數據傳輸是不經濟的。在非阻塞中距離傳輸線路上，激光通信信道為高速率預定帶寬的信號傳輸提供了一種替代方法。
出于各種考慮，無線傳輸系統為人們需要的高速率通信(短途通信也如此)和昂貴的有限通信設備提供了一種良好的替代方法。由于在射頻通信系統中存在的寬光束和邊帶干擾，通信服務必須指定載頻和帶寬。因此利用光頻進行大信息量無干擾通信的激光通信系統日益受到人們的重視。
微波通信系統也可資利用。但速率超過10Mbps(例如45、100、145Mbps)的微波通信系統鮮有成熟產品，并且速率超過10Mbps的微波通信產品需經聯邦通信委員會的認可，且其通信質量易受地貌和天氣對信號反射的影響，因而需要高的收發(fā)塔。顯然這增加了通信系統的費用。
大氣自由空間激光通信技術早為人們所知，但成熟產品極少。自由空間激光通信設備的制造商有美國的LCI.(LaserCommunication Inc.of Lancaster，PA.)(最近以色列的Jolt公司(Jolt Ltd.ofJerusalem，Israel)也得到這一技術)，加拿大的Proteon公司(Pretonin Ontario，Canada，先前的Silcom technology公司)，美國的Canon(Canon，Englewood，cliffs)，N.H.公司(CanobeamTM)，Astroterra公司(Anstroterra Corp.，San Diego，CA。)等。如上公司的激光通信系統產品包括如下的子系統激光二極管、光束變換器件、接收機(望遠鏡加探測器)、電子器件和機械室。
據發(fā)明者所了解，Astroterra(TM)終端是現今市場上提供的最長距離通信終端，但其通信距離、可靠性和制造成本難與本發(fā)明媲美。
Rice的美國專利5,347,387披露了一種采用復用技術的光收發(fā)機。如專利所述，進入此系統的光信號首先經一拋物面反射鏡反射到一擴束鏡，此后再通過一光擾動器和一偏振的光束旋轉設備，再后被準直的光束由一體形分束器復用后，再重新成像到一雪崩光探測器(APD)上。在發(fā)射時，半導體激光器發(fā)射信號在被體形復用器復用前，首先沿光路循環(huán)且被準直到所要求的光束發(fā)散度。但由于Rice偏振復用輸入輸出信號，其系統受到傳輸數據的帶寬限制。Mayeux的美國專利5,390,040披露利用一個卡塞格倫望遠鏡形式的接收機接收從視場反射到主鏡中心部分的入射光束，然后利用發(fā)射機將不同波長的輸出光信號傳入大氣中。但其系統發(fā)射和接收信號在收發(fā)機內沿不同路徑傳輸。
Reele等的美國專利5,422,900利用了一個具有集成激光模塊的光學CD寫入裝置。在該系統中，激光輸入驅動電路完全隔離了系統其它部分的電磁干擾(EMI)，且該系統含有一個作為激光器主散熱器的金屬室。Freyman等的美國專利5,640,407利用一個直接安裝在小體積熱電冷卻器上溫度可調的二極管。Sakanaka等的美國專利5,264,955，Mihara的美國專利5,424,860，5,506,716，Tanaguchi的專利5,535,034，Solinshy的專利5,142,400，Carlson的專利5,659,413等披露了其它的通信應用系統。
先前的系統無一例外的沒有對建立有效、可靠、長距離、大帶寬的激光通信系統所面臨問題提供最優(yōu)化方案，因此研究新的通信系統和方法是有益的。
本發(fā)明簡述本發(fā)明的一個目的是提供改良的激光通信系統；本發(fā)明的另一個目的是提供一種長距離激光通信系統；本發(fā)明的又一個目的是提供通信帶寬增加的激光通信系統；本發(fā)明的再一個目的是提供可靠性增強的激光通信系統；本發(fā)明的又另外一個目的是提供低廉的激光通信系統。
在一個體現本設計目標的系統中，其光收發(fā)機由一個卡塞格倫望遠鏡接收機接收從主鏡反射的視場入射光束，然后通過孔徑光闌加以聚焦，而傳輸不同波長輸出光束的發(fā)射機則利用了與接收機相同的主、輔鏡。進入系統的光信號首先被反射到主鏡然后再聚焦到輔鏡。從輔鏡反射的光信號進入一個帶有凸形噴嘴的光學擾動氣器及光闌以便濾掉背景光和離軸光束。此后，光束被準直，利用分束器復用，光學濾波，然后聚焦到雪崩探測器。
在發(fā)射光路中，半導體激光器發(fā)射信號首先在光路中循環(huán)且調整到要求的光束發(fā)散度，然后在通過一個雙色光學濾波器。傳輸光信號被一個雙色分束器復用，然后由發(fā)射機輸出。激光驅動電路是熱電冷卻和電磁干擾隔離的。
本發(fā)明收發(fā)機內部光學系統由雙曲形主鏡、單一鋁支架及輔鏡構成。收發(fā)機封裝在一圓柱體鋁鑄件體中。此鑄件體包括一個防止發(fā)射/接收窗體受雨雪影響的單鑄件體遮板、安裝視鏡的鑄件體支架及單散熱器。收/發(fā)窗體內表面涂覆有一層反射可見及大部分太陽光的冷鏡，其內表面利用一層電導膜作為熱控電阻加熱器來消霧去冰。收/發(fā)窗體的內表面為輔鏡提供了一個平坦的安裝底座。
本發(fā)明提供了低廉的適合1-20km大氣中激光通信系統。在每一對通信終端間通信鏈路是以光作為載波和點對點連接的。利用此能組建多鏈路通信網絡，且能與其它通信網絡接口。
附圖簡述結合對附圖對優(yōu)選實施例的詳細說明，本發(fā)明的目的、特性及優(yōu)點將一目了然。附圖的字符在下文中保持一致。附圖在于說明本發(fā)明的原理，其結構尺寸與實物無對應關系。


圖1是一種體現本發(fā)明優(yōu)選實施例的光機械裝置透視圖；圖2是圖1的光機械裝置剖視圖；圖3是優(yōu)選實施例的發(fā)射光路的裝置圖；圖4是優(yōu)選實施例的接收光路裝置圖；圖5是一種體現本發(fā)明優(yōu)選實施例的功能框圖；圖6是優(yōu)選實施例的媒體轉換器的功能框圖；圖7是優(yōu)選實施例的發(fā)射機電子設備框圖；圖8是優(yōu)選實施例的接收機電子設備框圖；圖9是優(yōu)選實施例的電源框圖；圖10是優(yōu)選實施例的輸入輸出功能框圖；圖11是本發(fā)明加熱窗體裝置的分解圖；圖12一同顯示圖11的窗體及收發(fā)機光學裝置的剖視圖；圖13是本發(fā)明熱導管控溫裝置的第一實施例；
圖14是本發(fā)明熱導管控溫裝置的第二實施例。
優(yōu)選實施例的詳細描述如下對本發(fā)明應用在1-20km通信距離、速率大于1。5Mbps的高速數據、聲音和/或視頻信號的無線大氣激光通信系統中的應用加以描述。本領域的技術人員將會認識到本發(fā)明中所采用的系統結構、方法在激光雷達、可見和紅外遙測設備及其它相關領域的應用價值。這些內容可作為本發(fā)明的一部分。
圖1是本發(fā)明的一種機械裝置透視圖。鑄件體94包括支撐幾個包括窗體191、激光裝置、聚焦調整裝置221、接收/發(fā)射光學裝置、視鏡23、主鏡40、輔鏡70、激光驅動電路67、接收電子設備等子裝置。下文參照圖1對這些子裝置進行詳細描述。
窗體191包括如下部分整塊加熱窗體單元95、輔鏡70及其襯墊106(安裝在支架94上)、連接環(huán)101、鉑銅接觸條122、鑄件體窗體護墊97、鑄件體窗體底座94。
激光器由一個熱隔離且用熱電冷卻器高效制冷(/加熱)的激光二極管構成。熱電冷卻器(TEC)由恰當尺寸、工作電流和制冷能力的一個TEC構成。溫度控制由分別位于頂部、底部的TEC隔離器116和119、TEC散熱器117、熱墊片118和熱隔離墊片81共同完成。激光裝置由激光準直透鏡41、發(fā)射帶通濾波器42、分束棱鏡143、吸收濾波器142和分束器43構成。激光器部件，如分束器基座12、分束器安裝架11、激光器護環(huán)10、防壓襯墊8、激光器隔離圈9和尼龍激光芯棒74，由恰當的固件固定在激光管13上。
接收機聚焦調節(jié)裝置221由螺紋結構的變焦透鏡基座87、帶通濾波器51、接收機隔離器15、第二準直透鏡52、聚焦透鏡53、變焦池89、可調節(jié)平臺19、平臺基板17及平臺架18構成。聚焦調節(jié)裝置221封裝在接收管16中且由接收管護圈14、DELRIN環(huán)88及鎖定環(huán)86固定。
接收機包括第一準直鏡50、第二準直鏡52、雪崩光電管93及接收機電路板65。I/O電路板66是將傳輸媒體轉換器(它與其它客戶設備接口)和發(fā)射機/接收機接口的部件，如圖5所示。I/O電路板66也處理如給激光器供電、電磁干擾(EMI)和電泳壓制、EMI濾波、系統狀態(tài)及診斷的LED顯示等其它I/O功能。
背面板104由后面折光板105固定在鑄件體室94上，它為系統狀態(tài)及診斷的LED提供了安裝面。調節(jié)鏡23由適合確定范圍和特使需求的格條鏡構成。它包括調節(jié)視鏡濾波器107、視場濾波器底座120及燕尾椎環(huán)22。
如上討論的子結構將在下文詳細地說明。
圖2是圖1機械裝置的剖視圖。它更為清晰地顯示了包括鏡座40、主鏡面200、輔鏡70、分束器204、光探測器93、接收濾波器208、接收光學元件217、激光濾波器210、激光器36、光學擾動器214、光闌216等接收/發(fā)射部件。這些元件安裝在機械室94上，視鏡23附裝在94上。圖2顯示了另一種窗體結構。加熱元件229安裝在玻璃片231和233間，形成一種三明知結構。輔鏡202附裝在233的內表面，冷鏡230附裝在231的外表面。
本發(fā)明的一個特點是整塊安裝在厚的鋁基座40上的單點可轉動的金剛石主鏡面200。其具有4到10英寸的孔徑，表面為非球面(雙曲面)，有利于批量廉價生產。雙曲表面形狀依據望遠鏡在軸光線傳輸和接收機功能加以優(yōu)化。鋁基座40對鑄件體94提供了堅固的安裝支撐。
接收器孔徑222較諸如Proten和LCI公司的現有設備要大。由于接收光能正比于接收元件的面積，所以對本發(fā)明而言，即使用一個6英寸孔徑的接收機，相對于3英寸的傳統接收機有4倍的接收增益，相對于2英寸的傳統接收機則有9倍的接收增益。較大的接收孔徑222導致入射光能的大孔徑平均，這有效地消除了由大氣擾動帶來的強度抖動。
鋁基座40也可作為發(fā)射/接收光學元件的參考面。鋁鏡高反、抗銹的光學涂層確保了感興趣波長信號的高效傳輸。每一對發(fā)射/接收機采用不同的激光波長且沿光路雙色復用。本發(fā)明現有產品采用低廉的近紅外激光二極管(波長810、850納米)。但是從1550納米到更長的可見光都可應用于此系統。
在接收光路中，光闌216與擾動器214上的長的“噴嘴”狀結構對背景光和離軸光束進行空間濾波(亦即完成窄帶濾波器的功能)，使得無用光信號免于進入系統成像到探測器上。由于此種結構及對入射光的帶通濾波，本系統即使在操作在太陽光或其它光源距離很近時，也工作正常。
本發(fā)明的實施例采用200毫瓦的GaALAs高能二極管36作為發(fā)射機，工作在與對應的接收機相配合的兩個預定的波長之一。于是，一對收發(fā)機設置位于通信鏈路的兩端，每一個使用兩個預定波長之一，而用另一個波長進行接受。激光二極管由下文將詳細描述的方式由熱電冷卻器主動冷卻。LCI和Proteon公司的現有的產品則采用非冷卻的40毫瓦的二極管。由于TEC制冷技術與高能激光的結合，本發(fā)明的產品是其它產品平均功率的5倍(這必然產生較多的熱量)，但并未影響系統的可靠性。
透過光闌216的信號先經由光學元件217準直，再由濾波器208濾掉背景光和發(fā)射機的自發(fā)及受激發(fā)射信號噪聲，最后聚焦到高靈敏對度的光探測器93上，該光探測器93優(yōu)選為具有最大接受靈敏度的雪崩光二極管(APD)。
在發(fā)射光路上，半導體激光器36的發(fā)射信號首先沿光路循環(huán)，直到到達光學元件213以獲得要求的傳輸光束離散度。發(fā)射光信號為防止由接收信道自發(fā)發(fā)射帶來的串擾，首先通過窄帶光學濾波器210，再由體形分束器復用，直到擴束器件202和200，最后由望遠鏡輸出。通過利用附加在分束器上的折射率匹配的吸收元件219，有效地減少了激光光束通過分束器泄露再散射并發(fā)射回探測器的干擾。本發(fā)明的收發(fā)機封裝在可批量廉價生產的單塊鋁鑄件體94中。鑄件體94基本上是一圓柱體結構，包括一塊遮擋雨雪的單塊遮擋板，安裝視鏡23的支架及一單塊散熱器。
先期產品采用離架望遠鏡，導致系統反射率低，消反涂層未達到最佳優(yōu)化。本發(fā)明采用主鏡作為大部分光學元件的支架，因而系統體積較小。望遠鏡的放大作用減小了發(fā)射機/接收機的角度容差，也放寬了對激光二極管和準直鏡213間的空氣隙大小的限制。
本發(fā)明優(yōu)選實施例的內部光學器件由兩個主要的子結構組成，因而便于快速安裝和發(fā)射/接收光路視軸的精確調整。接收管16組件是包括擾動器噴嘴214、光闌216、配接主鏡基座40的參考面，安裝接收機的正交圓孔以及接收機聚焦透鏡和隔離墊圈的整鑄件體單元。包括沿著光軸的聚焦調節(jié)裝置221的三軸可調平臺附加在接收機上并裝載探測器(APD)。當校正接受探測器和發(fā)射機的位置時，平臺和221的調焦功能可準確定位APD。發(fā)射管13組件滑入接收管16組件中，且包括分束器204及其觸點傾斜的安裝架、激光光束變換器件213、濾波器210及激光器底座和熱隔離器。
圖3更清晰地顯示出發(fā)射機光路圖，而圖4更清晰地顯示出接收機光路圖。
圖5是本發(fā)明的優(yōu)選實施例的功能框圖。寬帶大電流的激光驅動電路采用慢啟動和瞬態(tài)電涌保護特征延長激光器的壽命。激光裝置被熱隔離且利用均衡-積分-差分方法通過TEC制冷/加熱。激光驅動電子設備也通過同樣方法制冷。激光驅動電路觸發(fā)時，激光器必須被制冷/加熱到設置溫度。為增強熱傳遞效率，本發(fā)明采用了絕熱導管(相對于銅環(huán)和拖架而言，具有明顯優(yōu)點)將熱量從激光器傳輸到大容量的TEC，大塊的鋁鑄件體94完成了散熱功能。由于此種設計，即使在溫差很大的沙漠地區(qū)，本發(fā)明的激光器也具有較長的壽命。激光驅動板通過大面地接地，并通過金屬覆層與其它五面隔離，因而極大地減少了寬帶大電流脈沖的電磁干擾在其它設計中可能帶來的對接收電子器件的損壞。
APD提高了接收機的靈敏度。為擴大接收機的動態(tài)范圍及提高其靈敏度，APD及其增益控制，預放大及量化器的集成電路被一起優(yōu)化配置。預放大輸出首先經低通濾波，再交流耦合到量化器，量化器輸出提供給時鐘恢復及傳輸數據重定時設備。本發(fā)明鎖-相-環(huán)特性的優(yōu)化有利于其應用于衰減較大的大氣信道中。為減少噪音和EMI的影響，接收機電路采用了特殊的輸入輸出結構。差分重定時信號輸入到收發(fā)機。該收發(fā)機提供了一個與用戶或中間傳輸媒介轉換器相連的光纖輸出接口。同樣，用戶數據通過光纖接口輸入到收發(fā)機。
通過拓展接收機的動態(tài)范圍，接收機也可應用在短途通信鏈路上。本發(fā)明利用壓控液晶器件的光學自動增益控制來彌補電的自動增益控制(AGC)的缺陷。作為對光學AGC的可選方法或補充，對短途通信，也可采用適應供電方法。
圖6至圖10詳細顯示圖5的功能框圖。圖6是傳輸媒介轉換框圖，圖7是發(fā)射機電子裝置框圖，圖8是接收機電子裝置框圖，圖9是電源框圖，圖10是輸入輸出框圖。
本發(fā)明的激光通信終端的形式依具體應用的不同而異。一般來說，這些接口依據計算機和通信網絡設備的標準來設計。例如，本發(fā)明優(yōu)選實施例提供了一個快速以太網接口以使其產品可作為計算機網絡的節(jié)點設備。
同時，本發(fā)明也可提供與國家電視標準委員會(NTSC)規(guī)范兼容的視頻接口，視頻數據可來自攝象機或錄象機。45Mbps的數字廣播信號也可使用。在本發(fā)明的另一產品中，也可提供與VGA計算機顯示器的接口。在這些視頻接口上，與運動圖象專家組規(guī)范MPEG-2兼容的全運動圖象壓縮視頻信號或與MPEG或NTSC規(guī)范兼容的復用視頻信號都可使用。依實際應用的不同，各種數據速率的信號也可使用。除了45Mbps(DS-3)和52Mbps(同步光網SONET的DC-1和異步傳輸方式ATM)，數據速率也可包括100Mbps(快速以太網和光纖分布數據接口(FDDI))和155Mbps(SONET OC-3c/ATM)。盡管更高傳輸速率必然縮短傳輸距離，但622Mbps和1.25Gbps(ATM、光纖信道和Gigabit以太網)也是可能的。
為在惡虐的天氣條件下獲得較高的通信能力，本發(fā)明的優(yōu)選實施例采用了減少通信速率的適應方法。例如，一個45Mbps Ds-3線路也可調節(jié)到1.5Mbps通信速率。
本發(fā)明通過一個公共數據鏈路(CDL)接口可提供各種信道和速率的多應用服務，其速率可達到274Mbps。這些激光通信鏈路的應用使得可轉換和無噪音傳輸得以實現。
本系統利用了空域和頻域濾波方式。頻域濾波包括冷鏡、帶通濾波器、雙色分束器。空域濾波主要由光闌、探測器視鏡和阻擋離軸光束的擾動器完成。
通過控制激光二極管的波長而得以在發(fā)射和接收端使用窄帶濾波器，從而使得本系統的性能得以改善。這有助于通過減少來自由發(fā)射機泄露到接收機的自發(fā)發(fā)射和接收光學元件收集的可能聚焦到APD的背景光，從而提高了信噪比。如果沒有TEC冷卻，發(fā)射機的可靠性將隨著激光管溫度的升高而減小。
本領域的技術人員在仔細閱讀了本發(fā)明的說明后，下文將介紹的一些新特點是對他們來說是顯而易見的。
特別設計的圓柱體鋁室體具有如下特點對發(fā)射/接收窗體提供保護的單塊遮光板，單塊視架及散熱器。鋁鑄件體室降低了生產成本，且為電路板和視鏡提供了安裝架。具有傳統格條的視鏡可配接一示蹤傳感器，其光軸可調節(jié)到與發(fā)射機和接收機的光軸共線。通過臺頂(bench-top)光調節(jié)系統或視場調節(jié)技術，此三軸可高精度共軸。通過將十字叉絲放置于目標點，借助視鏡或攝象機，用戶能精確定位發(fā)射機和接收機的方向。
鋁鑄件體特別適合批量廉價生產。鋁鏡和鋁鑄件體的配套使用適合對產品進行熱補償的設計(即輔鏡定位與主鏡曲率半徑的關聯)。由于鋁鑄件體表面為非球形，它可作為內部元件的散熱器(如激光裝置的TEC、激光驅動板和其它電子器件)。
全孔徑的平面窗體基座避免了使用大放大倍數光學元件(反射透射鏡的設計)，而且通過窗體基座提供直接安裝輔鏡的部件，避免了調節(jié)的三腳架裝置，這極大地減低了生產成本。
帶有冷鏡的全孔徑窗及其具有反射功能的外表面提供了如上文所述的對入射太陽光的熱控制和對背景光的反射。
窗體內表面的電導膜作為加熱器對其提供了去霧削冰的功能。望遠鏡由一玻璃窗保護，輔鏡安裝在玻璃上。窗體通過兩種方式加熱。
圖11是圖1中窗體加熱裝置的更詳細的透視圖。如圖11所示，其結構包括一單塊加熱器和太陽光反射器。窗體元素95(可能是玻璃的)通過一個折射率匹配的透明電阻涂層228(如銦銻氧化物ITO)被均勻加熱，因而防止了窗體結冰、結霜，和水蒸氣凝結。窗體外表面特殊設計的冷鏡涂層230起到對太陽光最大反射和發(fā)射/接收光束的最大傳輸。窗體230反射了可見光區(qū)98％的太陽光，同時以95％的效率傳輸近紅外激光信號。單窗體95通過減少表面和接口數目，避免使用導致成像模糊的器件(如加熱燈絲)，優(yōu)化了系統的光學性能。
電導體122附著在窗體95的外圍并與電阻涂層228接觸。每一個導體通過電極引線與加熱控制器的電流輸出端相連。因此加熱器件的每一個單元由均勻-微分-積分算法控制選擇性的接通電流，以響應探測溫度變化來維持設置溫度。窗體95安裝在窗架96、固定環(huán)101及窗體護圈97中。輔鏡70通過隔離器106固定在窗體內表面。
由于僅加熱整個收發(fā)機內的一部分，消耗的能量大大減少。圖12顯示了圖1和圖11中的窗體和與它相聯系的收發(fā)機光學裝置1202。
在圖2和圖11的結構中，通過將溫控電流接入加熱部件或ITO玻璃窗體的溫度提高，附著在它上面的霧、霜、冰及凝結的水蒸氣得以消除?！崩溏R”反射大部分背景光，而使信號光透過，這有助于調節(jié)收發(fā)機內部溫度和降低到達探測器的背景光。一般來說，沿窗體基座的邊緣加熱欠理想，因為此種方式導致窗體被低效非均勻的加熱。，并可引起光信號的畸變。本發(fā)明采用的薄膜加熱方法使得窗體被高效均勻加熱，減少了能耗。
圖1和圖11的單塊窗體較圖2的非單塊窗體具有明顯的優(yōu)點。
雙曲主鏡及其基座作為一個整塊生長于大的鋁襯底上，其鏡面由可轉動的金剛石或易復制的光學元件構成。它作為其它光學元件的機械支及調節(jié)的參考面，其熱膨脹系數與鋁鑄件體匹配，由此提供了輔鏡相對主鏡的計量(metering)。整塊定制的主鏡由于它具有保護性的反射涂層以及可作為收發(fā)機望遠鏡和其它光學元件的調節(jié)參考面，對信號光提供了優(yōu)化的性能。金屬鏡面(如生長與鋁襯底上的金剛石及易復制的光學元件)相對于玻璃毛坯而言，具有易廉價批量生產的特點，因為由玻璃毛坯獲得所要求的球面(如雙曲面)，必須經過研磨、拋光及手工精細加工等多重工序才能成形。本發(fā)明的鋁鏡具有可切削、廉價、堅固及熱膨脹系數與鋁室體匹配的特點。鋁鏡及其襯底可利用數控機床加工到一階光學修正度的雙曲面，且放寬了對后續(xù)光學元件設計的限制。
發(fā)射和接收光束由一附加有折射率匹配吸收光學元件的體分束器復用。為防止發(fā)射光束被輔鏡遮擋，其光軸相對接收光軸有一定的偏離。不同波長的發(fā)射和接收信號由一個控制光束方向和提供良好隔離度的雙色分束器加以分離。采用內部沿某一角度具有雙色涂層的體分束器、五棱鏡或其它幾何形狀的光學元件也可完成此功能。本發(fā)明的一個顯著特點是由折射率匹配的膠合滌粘合在分束器上的不透明的吸收玻璃(或塑料)，它高效吸收了透過分束器泄露的光能。不然的話，透過雙色涂層的光能從其它光學表面(如消反膜或其它光學面)的低度反射有可能干擾接收信號，從而破壞系統的性能。
TEC制冷的激光裝置和驅動電路板有效地延長了激光器和系統的壽命，因為本發(fā)明通過一個熱導管將激光器產生的熱量有效地轉移到安裝于大散熱器(如鑄件體本身)上的大容量TEC中。
圖13是本發(fā)明的第一種熱導管激光溫控裝置。如圖13所示，一個彈性熱墊片1302與鋁室體94相接觸，一個銅散熱器1304通過1302與鋁室體相接，熱導管1306將散熱器1304和1308連接起來，TEC1310與散熱器1308相連。通常厚約0.15英寸的銅熱墊片1312與TEC1310另一側相連，通過它TEC1310與激光器36相連。絕熱體1314(如軟木塞)可夾在熱墊片1312與圖中未顯示的激光器驅動電路板之間。驅動電路板通過熱墊片1312和絕熱體1314上的小孔與激光器相連接。
具體使用中，充水的熱導管1306在高溫時可將熱量有效的從1310的熱端傳導到接收機的鋁室體94中。熱導管1306將熱量從與TEC熱端接觸的散熱器1308傳導到與鋁室體94接觸的1304。TEC1310的“冷端”與與激光器36直接相接觸的熱墊片1312相連。充水的熱導管盡管很便宜，但在零下甚至沙漠地區(qū)也可使用。在本溫控結構中，由于熱導管較熱，其中可以充水來代替胺。下表顯示了以華氏溫度為單位的典型使用范圍
在上表中，TEC最小溫差為30度，最大為50度。
圖14是另一個實施例的激光器溫控結構。銅散熱器1401與圖中未顯示的激光器36熱接觸，內含冷卻液的熱導管1402將散熱器1401和1403連接起來。散熱器1403與帶有電極引線1404的TEC1310相連，而TEC1310是與鋁室體94相連的。
熱導管1402通過在激光管散熱器1401和TEC散熱器1404間建立一熱傳導途徑而達到冷卻激光管的目的。在本結構中，散熱器1403通過TEC1310的“冷端”冷卻，熱量通過TEC1310的熱端和鋁室體94間的連接器件而傳導。由于本結構當TEC激活時，熱導管溫度較低(或在高海拔地區(qū)存儲或者運輸時，其管溫也低)，為防止熱導管中液體結冰，必須選擇液體的凝固點在零下華氏40度以下，胺符合這一要求。
本發(fā)明的熱系統在與用做散熱器的鋁室體間建立了一條有效的熱傳導途徑，它相對于傳統的對流散熱方法更為效，從而確保了系統的優(yōu)良性能。
圖13和圖14的替代方法是用熱墊片(如銅墊片)代替熱導管，此法在大多數情況下性能良好，但在溫差較大的沙漠地區(qū)則難于使用。一般來說，盡管銅墊片或編制物可將熱量傳輸到附近的散熱器，但其散熱能力正比于距離，反比于墊片厚度，所以為提高散熱效應必然要采用寬厚笨重的墊片，從而使得系統結構布局困難，成本較高。
因此本發(fā)明優(yōu)選實施例使用熱導管將熱量從熱導管傳導到遠端的散熱器(如大的鋁室體)，具有明顯的優(yōu)點。這一特性使得結構設計時不必局限于將激光管安裝在大形散熱器附近，因為熱量的傳輸與導管長度和其幾何結構無關。
由于本發(fā)明內部光學元件構成兩個子結構(接收管和發(fā)射管)，這極大的方便了快速安裝及發(fā)射接收光束的精確視軸調節(jié)。接收管作為內部其它光學元件的調節(jié)參考面，固定于主鏡基座上。
本發(fā)明的其他實施例也可采用不同光學元件的結構布局。例如，通過將許多體光學元件組裝起來完成系統功能。在其他實施例中，為使用激光眼的安全起見，光學設計也可采用全孔徑發(fā)射結構，而不采用為防止輔鏡遮擋而將光軸偏離一定距離的部分孔徑方法。
在另外的實施例中，也可將雙凹鏡作為輔鏡，其內表面附有消反涂層，而在面對窗體的那一面附有反射涂層，此法性能良好但成本較高。光學元件可固定在附加在窗體上的杯形底座上或直接安在窗體邊緣。
作為另一可選方案，可借助位置傳感器(如導航或電荷耦合器件探測器)和安置在視鏡目鏡上的電處理單元來實現對激光通信終端入射光信號的閉環(huán)跟蹤。借助由位置傳感器測得的誤差信號來控制內部二軸調節(jié)器件(如調節(jié)方位角的萬向接頭)來使輸出光束發(fā)生一定的偏折。位置傳感器和電處理器件也可借助用另一分束器取樣部分入射光信號的方法附加在內部光學元件上，而不必附在視鏡上。在本結構中，一對通信終端可保持連接，但其底座欠穩(wěn)定或平臺可能有適度的移動。
更進一步的實施例是為糾正由大氣起伏而引起的突發(fā)誤碼，采用深度交錯的前向糾錯編碼方式(第一步在發(fā)射機電路中實現，第二步在接收機電路中實現)。這一方案對不使用重發(fā)協議的無誤碼傳輸特別有效。
在另一實施例中，通過使準直透鏡沿光軸縱向移動來由聲線圈(voice coil)或置于準直透鏡后的液晶透鏡調節(jié)光束發(fā)散度的方法，獲得了通信系統的自定距特性。光束發(fā)散度的調節(jié)由電學方法實現。
本發(fā)明相對于現有的產品具有許多明顯的優(yōu)點。首先其系統設計與實現(鑄件體鋁室體、單塊主鏡及其底座、寬容差的兩個主子結構)使得它易于批量生產。通過不借助昂貴的器件((大孔徑的發(fā)射折射透鏡)，取消費時的制作工序(如大形機械加工機架、分立安裝的手工加工的雙曲鏡及費工的器件)以及通過內置光學元件簡化調節(jié)難度，本發(fā)明相對于其它市場上的產品，其生產成本大大降低。
本發(fā)明整塊設計堅固穩(wěn)定，例如本發(fā)明的窗體加熱和溫控特性相對于其它設計可更有效地持續(xù)使用在極端的環(huán)境中。且其具有更大的接收孔徑、激光功率和驅動電流，這使得本系統更適合應用在長距離和連接可靠性要求較高的苛刻應用中。
本說明書借助一些具體實現方案闡明了本發(fā)明的基本思路，但對本領域的技術人員而言，它們可在不背離本發(fā)明的基本思想的前提下，進行各種各樣形式和細節(jié)上的修改。
權利要求
1.一種全雙工寬帶數據傳輸的雙色波分復用激光通信系統包括第一終端裝置，包括一個在第一波長發(fā)射激光的第一激光源；一個在第二波長接收激光的第一激光接收機；一個用做所述第一波長和第二波長光信號傳輸的第一光學系統，它包括復用所述第一波長的發(fā)射激光信號和第二波長的接收激光信號的第一光學裝置；第二終端裝置，包括一個在所述第二波長發(fā)射激光的第二激光源；一個在所述第一波長接收激光的第二激光接收機；一個用做所述第一波長和第二波長光信號傳輸的第二光學系統，它包括復用所述第二波長的發(fā)射激光信號和第一波長的接收激光信號的第二光學裝置。
2.一種根據權利要求1所述的激光通信系統，其特征在于所述第一和第二光學系統分別包括第一和第二卡塞格倫望遠鏡接收機，每一個接收機包括導引所述接收激光和發(fā)射激光信號的一個主鏡和一個輔鏡。
3.一種根據權利要求1所述的所述激光通信系統，其特征在于所述用做復用的第一和第二光學裝置包括一個第一和第二雙色分束器。
4.一種根據權利要求3所述的激光通信系統，其特征在于所述第一和第二雙色分束器包括第一和第二折射率匹配的光束吸收阻斷裝置。
5.一種根據權利要求4所述的激光通信系統，其特征在于所述的第一和第二折射率匹配的光束吸收阻斷裝置各自包括一個用折射率匹配的膠合滌粘接到各自對應的分束器上的不透明吸收玻璃或塑料。
6.一種根據權利要求2所述的激光通信系統，其特征在于所述第一卡塞格倫接收機包括一個主鏡和一個副鏡，其中所述第一波長處的發(fā)射激光光束的光軸相對于所述第二波長處的接收激光光束的光軸有一定的偏離，因此所述第一波長處的發(fā)射激光光束不會被所述輔鏡遮擋。
7.一種激光通信系統，包括一個作為傳輸調制激光的室體和激光傳輸源；一個位于所述室體中的窗體裝置，被調制激光信號在所述鋁室體中傳輸，且所述窗體包括一個透明的電阻涂層；一個將電流接入所述透明的電阻涂層的裝置，通過它，所述窗體裝置的溫度可被控制。
8.一種根據權利要求7所述的激光通信系統，其特征在于所述透明的電阻涂層由銦銻氧化物構成。
9.一種根據權利要求7所述的激光通信系統，其特征在于將電流接入所述透明電阻涂層的裝置由連接在與透明電阻涂層電接觸的窗體邊緣的電導體構成。
10.一種根據權利要求7所述的激光通信系統，其特征在于包括一個加熱控制器，它可以選擇性接通電流以響應探測到的所述窗體溫度變化。
11.一種根據權利要求10所述的激光通信系統，其特征在于所述的加熱控制器包括一個應用均勻-微分-積分算法的裝置。
12.一種根據權利要求7所述的激光通信系統，其特征在于所述窗體裝置包括一個涂有反射太陽光和透過所述激光源的激光信號的冷鏡涂層的外表面。
13.一種數據傳輸的激光通信系統，包括第一終端，包括發(fā)射被數據信號調制的激光信號的設備；第二終端，包括接收和解調所述激光信號的設備，進一步包括一個含有非球形主鏡面的光學系統，該球形主鏡面由一個單塊生長在鋁襯底上單點可轉動的金剛石鏡面構成。
14.一種根據權利要求13所述的激光通信系統，其特征在于所述的球形主鏡面有4到10英寸的名義清晰孔徑。
15.一種數據傳輸的激光通信系統，包括第一終端，包括發(fā)射被數據信號調制的激光信號的設備，所述發(fā)射激光信號的設備包括產生功率大于40毫瓦的激光信號的激光二極管設備；主動制冷激光二極管的熱電冷卻器設備；以及第二終端，包括接收和解調所述激光信號的設備。
16.一種根據權利要求15所述的激光通信系統，其特征在于包括一個將熱量從所述激光二極管傳輸到熱電冷卻器的一個熱導管。
17.一種根據權利要求15所述的激光通信系統，其特征在于所述熱電冷卻器安裝到包括所述第一終端的大形室體上，所述室體作為一個從所述散熱器散熱的散熱器。
18.一種根據權利要求15所述的激光通信系統，其特征在于所述激光二極管設備包括能產生功率大于200毫瓦的激光信號的設備。
19.一種根據權利要求15所述的激光通信系統，其特征在于所述激光二極管設備由一個能產生功率200毫瓦的GaAs激光二極管構成。
20.一種根據權利要求15所述的激光通信系統，其特征在于進一步包括一個控制所述熱電冷卻器的均勻積分-微分溫度控制器
21.一種數據傳輸的的激光通信系統，包括發(fā)射被調制激光的設備；接收和解調所述激光信號的設備；一個自定距系統，進一步包括位于所述激光光軸上的準直透鏡；用于調節(jié)光束發(fā)散度，沿所述光軸縱向移動所述準直透鏡電控移動設備，借此光束發(fā)散度能電控調節(jié)以所要求的通信距離。
22.一種根據權利要求21所述的激光通信系統，其特征在于所述電控移動設備包括一個聲線圈。
23.一種數據傳輸的的激光通信系統，包括傳輸調制激光信號的第一終端設備；接收和解調所述激光信號的第二終端設備；輔助定位所述第一終端設備的視鏡；跟蹤入射激光信號的閉環(huán)跟蹤系統，進一步包括與所述視鏡協作產生時變誤差信號的位置傳感探測器；使所述被發(fā)射的調制激光信號偏折的驅動設備；控制所述驅動設備依據位置傳感探測器的時變誤差信號動作的控制電子設備，借此第一和第二通信終端在底座不穩(wěn)或有適度移動的情況下，能維持通信暢通。
24.一種根據權利要求23所述的激光通信系統，其特征在于所述位置傳感探測器包括一個導航探測器。
25.一種根據權利要求所述的激光通信系統，其特征在于所述位置傳感探測器包括一個電荷耦合(CCD)探測器。
26.一種操作數據傳輸激光通信系統的方法，包括提供一種激光發(fā)射機接收機；應用發(fā)射電子設備由傳輸數據信號調制發(fā)射激光光束；探測所述的被調制的發(fā)射激光信號，并產生相應的電信號；應用接收電子設備解調相應的電信號；首先將深度前向糾錯編碼方式應用于所述的發(fā)射電子設備，隨后應用于所述的接收電子設備，以糾正由于大氣起伏引起的突發(fā)性的誤碼。
全文摘要
一種全雙工數據傳輸激光通信系統包括具有雙色波分復用光學系統的第一和第二終端,在此系統中,發(fā)射和接收信號被同一傳輸路徑上的相同孔徑的光學元件波分復用。每一個光學系統包括一個接收機,該接收機具有導引發(fā)射和接收光束的主鏡和輔鏡。調制的激光信號由一個被熱電冷卻器主動制冷的高能激光二極管產生。調制光束在鋁室體中傳輸,該室的窗體包括一透明的電阻涂層,通過將電流接入該涂層可控制窗體的溫度。非球形的主鏡面是一高反面,典型的器件是單塊鋁襯底上生長的單點可轉動的金剛石鏡面。
文檔編號H04B10/24GK1354840SQ99815992
公開日2002年6月19日 申請日期1999年6月10日 優(yōu)先權日1998年6月10日
發(fā)明者羅伯特·T·卡爾森, 杰西·W·布克, 阿爾文·卡巴托, 大衛(wèi)·德里斯科爾, 斯考特·哈姆雷頓 申請人:Lsa公司