自由空间光学（FSO）系统技术方案

本公开的实施例涉及自由空间光学(FSO)系统。一种检测器配置具有用于检测所接收的光学信号的多个传感器，该检测器配置用于在自由空间光学(FSO)节点中使用，自由空间光学(FSO)节点用于传送和/或接收光学信号。系统可以被配置为修改或改变多个传感器处的光，以优化不同的系统功能。

【技术实现步骤摘要】
自由空间光学(FSO)系统本申请是国际申请日为2016年08月22日、于2018年04月20日进入中国国家阶段、中国国家申请号为201680061788.4、专利技术名称为“自由空间光学(FSO)系统”的专利技术专利申请的分案申请。优先权本申请要求于2015年8月21日提交的美国申请号62/208,561、于2015年8月21日提交的美国申请号62/208,565和于2016年6月10日提交的美国申请号62/348,342的优先权，其各自通过引用整体并入本申请中。
技术介绍
在双节点双向自由空间光学(FSO)通信系统中，两个FSO节点交换在光学载波光束上编码的数据，跨两个节点之间的无障碍视线(LOS)发送该光学载波光束。如图1所示，图示了传统的双节点双向系统。如图所示，第一节点2和第二节点3通过传送和接收信号6、7进行通信，在节点之间发送信号6、7。在任何问题中，可以在信号上编码数据；为了简单起见，图示了二元开-关示例性信号。每个节点具有用于传送期望信号6、7的光学输出4，并且还具有用于接收传送信号的光学输入5。一旦接收，节点的内部电子器件就可以解码信号并获得传送数据。仅在第一节点的传送路径与第二节点的接收部件对准时，通信系统工作。为了优化跟踪，传统系统将接收到的光束分成两个路径：一个路径用于检测，并且一个路径用于对准。如图1所示，示例性系统使用分束器、以及作为对准传感器和作为检测器(处理)传感器的分离的检测器。产生的系统是复杂的，因为它需要分束和多个路径来执行每个功能(例如对准和检测)。误差也通过多个路径之间的未对准和/或漂移引入到系统中。
技术实现思路
描述了自由空间光学节点，该自由空间光学节点包括使用衍射光学元件以减小基于光束的大气闪烁的对准响应。在示例性实施例中，衍射光学元件可以被配置为在焦平面处产生两个同心或重叠的镜像。在示例性实施例中，衍射光学元件可以被配置成通过跨光束平滑其强度轮廓来对光束进行成形。示例性实施例包括具有光纤的自由空间光学节点，该光纤耦合到接收电子器件和传送电子器件，其中传送/接收器光纤的终端端部位于焦平面处，并且差分波前传感器位于第二平面处。第一平面可以与第二平面相同或不同。自由空间光学节点还可以包括被配置为创建散焦图像的前部光学器件。在示例性实施例中，散焦图像包括在第二平面处的至少两个重叠图像。在示例性实施例中，两个重叠图像是镜像对立物。示例性实施例包括自由空间光学终端，其具有：波前传感器，其包括在波前传感器的中心区域中的自由空间，波前传感器的有源表面限定平面；光纤，其具有位于该平面中并与波前传感器的自由空间对准的终端端部；以及定位在波前传感器之前的前部光学器件，以将光引导穿过前部光学器件、将穿过前部光学器件的基本上所有光引导到波前传感器的有源区域、光纤的有源区域及其组合上。示例性实施例具有其他光学器件来代替用于处理通信光束的接收和/或传送的光纤。附图说明图1图示了示例性现有技术自由空间光学系统。图2图示了根据本文描述的实施例的示例性FSO节点，其中为了说明而示出了其系统部件的一部分。图3图示了根据本文描述的实施例的传感器配置的示例性前视图。图4图示了根据本文描述的实施例的示例性部分FSO系统。图5图示了如本文描述的示例性系统部件上的光传播的夸大表示。图6A图示了根据本文描述的实施例的透镜配置内的示例性透镜。图6B图示了通过图6A的透镜的示例性光路径。图6C图示了如本文描述的在焦平面处观察到的所生成的图像。图7A和图7B图示了焦平面内部的图像平面和焦平面外部的图像平面上的光的示例性图像。图7C图示了净零焦平面处的示例性光结构，该净零焦平面使图7A和图7B中所示的瞳孔结构无效。图8A至图8B图示了示例性布置，该示例性布置示出了示例性光传播路径，该示例性光传播路径导致相对于参考焦平面的示例性双焦平面。具体实施方式以下详细描述通过示例而不是以限制的方式对本专利技术的原理进行说明。该描述将清楚地使得本领域技术人员能够制造和使用本专利技术，并且描述了包括目前被认为是实现本专利技术的最佳模式的本专利技术的若干实施例、改变、变型、替换和使用。应该理解的是，附图是本专利技术的示例性实施例的图示和示意性表示，并且不是对本专利技术的限制，也不一定按比例绘制。示例性实施例可以用于极大地简化自由空间光学(FSO)终端的复杂性，同时保持分离的对准和检测传感器所带来的好处。因此，根据本文描述的实施例的示例性FSO终端包括分离的检测传感器和对准传感器，该分离的检测传感器和对准传感器被配置或定位成使得接收的光学路径被保持为单个接收光学路径。因此，示例性实施例可以通过不将路径细分为分离的检测器来减少系统的未对准。示例性FSO终端可以能够进行单向或双向高带宽光学通信。虽然本文可以根据对准传感器和检测传感器描述和图示本专利技术的实施例，但应该理解的是，本专利技术的实施例不限于此，而是附加地可应用于系统的功能部件。例如，相应传感器可以用于其他目的。因此，当期望具有使用相同自由空间信号的部分的两个系统部件并且期望沿着相同信号路径保持部件并且不将信号分成分离的路径时，可以使用示例性实施例。因此，本文描述的检测器和对准传感器可以用于任何系统功能。此外，示例性实施例可适于其他自由空间系统，不一定限于光学应用或通信系统。与此同时提交的美国申请号15/243,800通过引用整体并入本文，并且美国申请号15/243,800描述了示例性实施例，在该示例性实施例中可以沿着相同的光学路径使用分离的对准传感器和检测传感器来执行不同的功能。图2图示了该系统的示例性实施例，在该系统中示例性FSO节点10包括沿着与对准传感器14相同的光学路径(接收光束路径18)的检测传感器12。在示例性实施例中，对准通过结合对准传感器14中的洞、孔或通道来实现，使得接收光束的一部分落在对准传感器上并且接收光束的一部分落在检测传感器12上。如所描述的，对准传感器包括多个检测表面以提供差分检测平面。图3图示了检测传感器12和对准传感器14的示例性前视图，从垂直于检测表面的方向上看，该检测传感器12和对准传感器14具有共同的光学接收路径，其中对准传感器的多个检测表面由四元传感器的不同单元限定。为了允许对准和检测的双重检测目的，对准传感器的四元单元具有中心孔以将光学信号的一部分传递到检测传感器的接收光学器件。由于对准传感器中心部分中的孔，系统对接收信号外围的变化的灵敏度变得更加重要。例如，在地面应用中，大气效应可能影响和/或阻挡光学信号的部分。如果更改位于信号光束的外围边缘，即使系统不是未对准的，这些阻挡或闪烁也会导致系统检测到未对准并尝试重新对准。例如，如果看图3，如果接收光学信号18的一部分被阻挡或以其他方式被影响，从而减小象限14a处的检测信号，则系统可以尝试重新对准系统以将光束朝向象限I移动，这与基于接收的光束柱应该移动的方向相反。此外，如图3所示，多个检测器包括在对准传感器和接收器之间以及在对准传感器的多个检测器之间的死空间。如果接收器是光纤，那么除本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种自由空间光学节点，被配置为接收来自远程自由空间光学节点的接收光束，并且向远程自由空间光学节点传送传送光束，所述自由空间光学节点包括：/n前部光学器件，沿着所述接收光束的至少一部分的光学路径被定位，所述前部光学器件使所述接收光束的第一部分指向第一平面，并且使所述光束的第二部分指向第二平面；/n对准传感器，具有被定位在所述第一平面处的检测表面，所述检测表面接收所述接收光束的所述第一部分，所述对准传感器沿着所述第一平面限定孔；以及/n接收器，被耦合到接收电子器件，所述接收器被定位在所述第二平面处、并且相对于所述孔被定位，使得所述接收器接收所述接收光束的所述第二部分。/n

【技术特征摘要】
20150821 US 62/208,565;20150821 US 62/208,561;20161.一种自由空间光学节点，被配置为接收来自远程自由空间光学节点的接收光束，并且向远程自由空间光学节点传送传送光束，所述自由空间光学节点包括：
前部光学器件，沿着所述接收光束的至少一部分的光学路径被定位，所述前部光学器件使所述接收光束的第一部分指向第一平面，并且使所述光束的第二部分指向第二平面；
对准传感器，具有被定位在所述第一平面处的检测表面，所述检测表面接收所述接收光束的所述第一部分，所述对准传感器沿着所述第一平面限定孔；以及
接收器，被耦合到接收电子器件，所述接收器被定位在所述第二平面处、并且相对于所述孔被定位，使得所述接收器接收所述接收光束的所述第二部分。


2.根据权利要求1所述的自由空间光学节点，还包括：
指向捕获和跟踪(PAT)控制系统，被耦合到所述对准传感器以控制所述前部光学器件的位置，使得所述前部光学器件使所述接收光束的所述第一部分指向所述第一平面，并且使所述光束的所述第二部分指向所述第二平面，对所述位置的控制基于由所述对准传感器测量的所述接收光束的所述第二部分。


3.根据权利要求1所述的自由空间光学节点，其中所述第一平面和所述第二平面是相同的平面，并且所述接收器被定位在由所述对准传感器限定的所述孔内。


4.根据权利要求3所述的自由空间光学节点，其中所述孔被限定在所述对准传感器的中心。


5.根据权利要求1所述的自由空间光学节点，其中所述第一平面和所述第二平面是平行的，并且所述第一平面位于所述前部光学器件和所述第二平面之间。


6.根据权利要求5所述的自由空间光...

【专利技术属性】
技术研发人员：J·E·格雷夫斯，W·迪克森，G·米歇尔，A·麦凯伦，D·佩希纳，
申请(专利权)人：SA光子学公司，
类型：发明
国别省市：美国;US