CN110855356A - 一种基于检测反馈控制的共振波束通信装置 - Google Patents

一种基于检测反馈控制的共振波束通信装置 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于检测反馈控制的共振波束通信装置，该装置包括共同构成自由空间共振腔的主机和从机，所述的从机内设有第二逆反射器所述的主机包括第一逆反射器、功率放大器和信号处理模组，所述的信号处理模组包括依次连接的分束器、探测器、信号处理器和调制器，所述的第一逆反射器、功率放大器、分束器和调制器依次沿共振波束路径设置，所述的探测器接收分束器从主机和从机之间共振波束中按设定比例分出的样本光束并输出电信号，信号处理器接收探测器输出的电信号以及携带信息的输入信号向调制器发送控制信号。与现有技术相比，本发明具有超高速率通信、可移动性和安全性高等优点。

Description

一种基于检测反馈控制的共振波束通信装置
技术领域
本发明涉及光共振波束的高速通信领域，尤其是涉及一种基于检测反馈控制的共振波束通信装置。
背景技术
现在5G通信的目标是达到ms级延时、上百的设备连接、数十Gbps的峰值速率，其相应的载波频率在几十GHz。然而，在5G之后的需求可能会更高。据称，实现一个人的高清晰全息投影所需的传输速率将达到4.62Tbps，这就需要载波达到THz以上级别。这种情况下，现有的5G技术已难以满足。另一方面，常规的无线通信方法中，在空中传播的电磁辐射功率需要被限定在安全范围。因此，常规无线通信接收机所接收到的功率具有一个较低的上限，根据香农理论，这将导致信道容量限制在一个较低的水平，难以满足5G之后的应用需求。
中国发明专利201711063529.8公开的基于分布式光学谐振腔的无线通信装置实现了通信的功能，该专利描述了在分布式光学共振腔的结构上实现通信的调制、接收、光路控制等器件和方法。中国发明专利申请号201811209197.4公开的一种基于谐振光束的携能通信装置，该专利描述了基于分布式光学共振腔的能量和信息的协同传输的***结构、调制方法、能量和信息分路模块的电路等，但是以上两个专利无法消除高速调制带来的回波干扰等问题。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种基于检测反馈控制的共振波束通信装置。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种基于检测反馈控制的共振波束通信装置，该装置包括共同构成自由空间共振腔的主机和从机，所述的从机内设有第二逆反射器所述的主机包括第一逆反射器、功率放大器和信号处理模组，所述的信号处理模组包括依次连接的分束器、探测器、信号处理器和调制器，所述的第一逆反射器、功率放大器、分束器和调制器依次沿共振波束路径设置，所述的探测器接收分束器从主机和从机之间共振波束中按设定比例分出的样本光束并输出电信号，信号处理器接收探测器输出的电信号以及携带信息的输入信号向调制器发送控制信号。
所述的第一逆反射器和第二逆反射器为对光波、太赫兹电磁波进行逆向反射的猫眼反射器、远心猫眼反射器或角反射器及其阵列，或者为对微波、射频波进行逆向反射的方向回溯天线阵列。
所述的主机还包括设置在分束器与调制器之间共振波束路径上的延时器，用以增加从分束器向调制器方向共振波束的传播速度，使得分束器分出的样本光束经转化成控制信号后到达调制器的时间与分束后的共振光束到达调制器的时间一致。
所述的主机还包括设置在分束器与调制器之间共振波束路径上的多个反射镜，通过增加分束后的共振光束的传播路程延长到达调制器的时间，使得分束器分出的样本光束经转化成控制信号后到达调制器的时间与分束后的共振光束到达调制器的时间一致。
所述的信号处理器包括除法器和转换与驱动器，所述的探测器、除法器、转换与驱动器以及调制器依次连接。
所述的第一逆反射器由相互平行设置的第一反射镜和第一透镜构成，所述的第一反射镜与第一透镜的内侧焦平面重合设置，所述的功率放大器设置在第一透镜的外侧光瞳位置处，为实现波束准直，所述的主机内设有由第二透镜和第三透镜构成的准直腔，所述的信号处理模组设置在准直腔内。
所述的第一逆反射器由相互平行设置的第一反射镜和第一透镜构成，为减小主机的体积，所述的信号处理模组设置在第一反射镜与第一透镜之间，所述的功率放大器设置在第一透镜的外侧光瞳位置处。
所述的第一逆反射器由相互平行设置的第一反射镜和第一透镜构成，所述的信号处理模组设置在第一反射镜与第一透镜之间，为进一步减小主机的体积，所述的功率放大器设置在第一反射镜与信号处理模组之间。
所述的从机内还设有检测与解调器，所述的检测与解调器设置在第二逆反射器后接收共振波束，或者通过一分束器接收共振波束。
为实现双向通信，在从机内的第二逆反射器前设有信号处理模组。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
本专利基于对自由空间波束共振腔的检测和反馈控制，配合信号处理模组，设计出高速信息传送的方法和装置。基于自由空间波束共振腔的特点，主机和从机之间可以在较远距离双向通信，此外，主机和从机均可移动，保持通信链路不中断，或中断后可以快速恢复，主机和从机之间自发建立共振波束，可以实现瓦级以上的功率传输。因此，本***具有高信噪比通信的特点。由于自由空间波束共振腔的安全性特点，可在异物侵入腔内时，立刻阻断波束的共振，避免高功率波束危害入侵物体，本发明基于对自由空间波束共振腔的检测和反馈控制，实现高接收功率、高信道容量、可移动、远距离、安全的无线通信功能，并且可以实现双向通信，综上所述，在主机和从机之间建立定向性的波束实现超高速率通信，同时具备移动性和安全性特点。
附图说明
图1为基于检测反馈控制的共振波束通信装置的核心结构示意图。
图2为加入延时器的主机结构示意图。
图3为基于反射镜的延时结构示意图。
图4为信号处理器的内部结构示意图。
图5为在光束路径上增加准直结构的设计示意图。
图6为调制器件处在逆反射器内部的设计示意图。
图7为功率放大器处在逆反射器内部的设计示意图。
图8为逆反射器部分透射共振波束的检测解调设计示意图。
图9为利用分束器从共振波束中提取信号的检测解调设计示意图。
图10为双向通信设计的结构示意图。
图中标记说明：
1、主机，2、从机，3、共振波束，11、第一逆反射器，12、功率放大器，13、分束器，14、调制器，15、探测器，16、信号处理器，161、除法器，162、转换与驱动器，171、延时器，172、反射镜，181、第一透镜，182、第二透镜，183、第三透镜，19、第一反射镜，21、第二逆反射器，22、检测与解调器。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
实施例1
如图1所示，图1示出基于检测反馈控制的共振波束通信装置核心结构，本发明提供一种基于检测反馈控制的共振波束通信装置，该装置包含主机1和从机2。主机1中包括依次放置的第一逆反射器11和功率放大器12，从机2中包括第二逆反射器21。主机1和从机2共同构成了自由空间共振腔。主机1和从机2之间的空间为自由空间。第一逆反射器11和第二逆反射器21之间自然产生共振波束3。主机1内还包括置于共振波束路径上并处于功率放大器12和第二逆反射器21之间的依次放置的分束器13和调制器14。主机1内还包括探测器15，用于接收分束器13分出的光束并对应输出电信号给信号处理器16。主机1内的信号处理器16接收探测器15输出的信号和携带信息的输入信号，并向调制器14发送控制信号。
逆反射器是指能够对包括光波、太赫兹、微波、射频等各种频段电磁波束产生逆向反射的器件，包括但不仅限于对光波、太赫兹波进行逆向反射的猫眼反射器、远心猫眼反射器、角反射器，还包括对微波、射频波进行逆向反射的方向回溯天线阵列。任何波束入射到逆反射器后将以按照入射方向相反的方向被反射回去，反射波束路径与入射波束路径平行，但反射波传播方向和入射波传播方向相反。
功率放大器12包括但不仅限于对光波和太赫兹进行功率放大的器件，也包括对微波和射频波进行功率放大的天线阵列及功率放大电路。对诸如紫外、可见光、红外等光波频段波束进行功率放大的器件包括激光增益介质、半导体材料、光纤功率放大器等。其中，增益介质诸如红宝石、掺钕钇铝石榴石(Nd:YAG)、掺钕钒酸钇(Nd:YVO4)等；半导体诸如掺杂的砷化镓(GaAs)、硫化镉(CdS)、磷化铟(InP)、硫化锌(ZnS)等；光纤功率放大器诸如掺铒光纤功率放大器(EDFA)、掺镨光纤功率放大器(PDFA)、掺铌光纤功率放大器(NDFA)等。
共振波束3为自由空间波束共振腔内自发形成的电磁波束，包括光波、太赫兹、微波、射频等频段。由主机1向从机2传输的电磁波和由从机2向主机1传播的电磁波共同构成了共振波束3。
分束器13能够将一束入射波束分成两束或多束波束，所分出的波束传播方向不同。本核心专利结构中，分束器13按一定功率比例从由主机1向从机2传播的波束中分离出一束单独的波束作为样本波束，并将其传送到探测器15。探测器15可检测样本波束的光学参数包括光强、功率、振幅、频率、相位、偏振等，并输出对应的检测信号。
信号处理器16将携带信息的输入信号进行转换，从而给调制器14发送合理的控制信号，以使输入信号被正确合理地调制到共振波束3上。信号处理器16的输出还取决于探测器15所发送给信号处理器16的检测信号。信号处理器16的功能还包括功率放大，以使输出给调制器14的控制信号的功率、电压或电流满足需求。信号处理器16的功能还包括直流偏置，即使控制信号中包含一直流信号，以控制调制器14的工作点。信号处理器16的功能还包括非线性补偿，以解决调制器14的非线性效应。
上述基于检测反馈控制的共振波束通信装置核心结构对入射到调制器14的波束进行检测，并根据该检测结果对调制器14施加控制信号。该方案克服了腔内回波产生的干扰问题，避免了前一时刻发出的信号对后续信息调制和传输的影响。该方案特别适用于基于共振波束装置的高速通信应用。
实施例2
如图2所示，基于图1中的结构，在分束器13和调制器14之间增加延时器171，以增加从分束器13向调制器14方向波束的传播速度。延时器171可以由一些透明晶体物质组成。由于分束器13将由主机1向从机2传播的波束分成了两路，其中一路经延时器171后输入调制器14，另一路经检测器转换后的电信号对调制器14的影响需要经过一定长度的电路传输。因此两路波束从分束器13分出，直到影响调制器14为止，所经历的时间是不一样的。延时器171对波束传播施加一定时间的延时，以使得上述两路信号传递的时间达到一致。
实施例3
如图3所示，图3说明了基于反射镜172所实现的延时器171结构。所述的延时器171具体可以由至少一个反射镜172构成。所述反射镜172包括平面或曲面反射镜172。通过反射镜172增加了共振波束3的传播路程，从而延长了波束从分束器13传播到调制器14的时间。在图3中，即由两个反射镜172将共振波束3的路径变成折叠的形式，从而延长了共振波束3传播的时间。在此设计中，将尽量减小经过探测器15、信号处理器16这路信号的传播路程以缩短其传播到调制器14的时间。
实施例4
图4的装置结构基于图1的结构，即由为除法器161、转换与驱动器162共同构成了信号处理器16。探测器15输出的检测信号经除法器161与输入信号作除法运算，其中输入信号的值作为被除数，探测信号的值作为除数。转换与驱动器162接收除法器161输出的信号，并依此输出控制信号给调制器14。其中，转换与驱动器162有偏置、非线性补偿、功率或电压放大等功能。
实施例5
图5示例了在波束传播路径中增加透镜，实现波束准直的结构。在主机1中，第一逆反射器11的具体设计为由第一反射镜19和第一透镜181构成的猫眼逆反射结构。其中，第一反射镜19与第一透镜181平行且与透镜焦平面重合。此时第一透镜181的另一侧焦点处形成一个光瞳。经光瞳入射的波束可以逆向反射出去。功率放大器12处在该第一逆反射器11光瞳位置。第二透镜182和第三透镜183共同构成一个准直腔，其中第二透镜182的一侧焦点与第一逆反射器11的光瞳重合。在此情况下，任何经过该光瞳进入准直腔内的光束均与准直腔的光轴近似平行，且这些光束均经过第三透镜183外侧的焦点。反之从第三透镜183的焦点进入准直腔的光束也与准直腔的光轴平行，且均经过第一逆反射器11的光瞳。分束器13和调制器14处于第二透镜182和第三透镜183构成的准直腔内。本实施例确定了穿过分束器13和调制器14的波束的方向，使波束方向与分束器13的平面夹角固定，且平行于调制器14的光轴。该设计可以保证分束器13对波束分束的功率比例。
实施例6
图6所示的实施例中，分束器13和调制器14处在第一反射镜19和第一透镜181构成的第一逆反射器11结构内部。功率放大器12处在第一透镜181外侧的焦点处，亦即第一逆反射器11的光瞳处。由于该猫眼逆反射结构内部光线近似平行于光轴，因此可以满足分束器13和调制器14对固定光束方向的需求。另一方面，所有的光束均会经过处在该第一逆反射结构的光瞳处的功率放大器12，该设计可以减少功率放大器12的成本并提高其工作效率。本实施例可以使主机1的体积更小，器件之间更为紧凑。
实施例7
如图7所示的实施例，功率放大器12也可以处在第一逆反射器11内部，即在第一反射镜19和分束器13之间。这种设计可以使主机1的结构体积进一步减小，使器件的分布更为紧凑。本实施例中的功率放大器12并非处在第一逆反射器11的光瞳处。该情况下，以不同方向入射该主机1的光束经过功率放大器12侧面的不同部位，而其他非光束穿过的部位的能量将转换成热量而散失，因此功率放大器12工作效率要低于图6所示的结构。
实施例8：
如图8所示，从机2中第二逆反射器21具有一定的透射率。共振波束3中，向右传播的波束的一部分比例将透过第二逆反射器21，被置于逆反射器后面的检测与解调器22接收。经过检测与解调器22的转换和解调，恢复出光束携带的信息信号。
如图9所示的从机2接收机设计，检测与解调器22的输入光束由分束器13从共振波束3中提取。采用具有极高反射率的第二逆反射器21。该方案的优点是可以利用准直腔等结构，保证在任何情况下共振波束3与分束器13的夹角不变。相比图8所示的结构，本实施例中检测与解调器22所接收的波束强度更为稳定。
实施例9
基于图1所示和核心结构，可增加部分元件，实现双向通信。如图10所示，在从机2中增加调制器14和分束器13，并加分束器13依此连接探测器15和信号处理器16，可以实现从机2向主机1发送信息。从机2中的输入信号可以调制到共振波束3上，并在主机1中检测到。在主机1中，可以增加分束器13提取由从机2发向主机1的调制波束，并进行转换和解调。

Claims (10)

1.一种基于检测反馈控制的共振波束通信装置，该装置包括共同构成自由空间共振腔的主机(1)和从机(2)，所述的从机(2)内设有第二逆反射器(21)，其特征在于，所述的主机(1)包括第一逆反射器(11)、功率放大器(12)和信号处理模组，所述的信号处理模组包括依次连接的分束器(13)、探测器(15)、信号处理器(16)和调制器(14)，所述的第一逆反射器(11)、功率放大器(12)、分束器(13)和调制器(14)依次沿共振波束路径设置，所述的探测器(15)接收分束器(13)从主机(1)和从机(2)之间共振波束中按设定比例分出的样本光束并输出电信号，信号处理器(16)接收探测器(15)输出的电信号以及携带信息的输入信号向调制器(14)发送控制信号。
2.根据权利要求1所述的一种基于检测反馈控制的共振波束通信装置，其特征在于，所述的第一逆反射器(11)和第二逆反射器(21)为对光波、太赫兹电磁波进行逆向反射的猫眼反射器、远心猫眼反射器或角反射器及其阵列，或者为对微波、射频波进行逆向反射的方向回溯天线阵列。
3.根据权利要求1所述的一种基于检测反馈控制的共振波束通信装置，其特征在于，所述的主机(1)还包括设置在分束器(13)与调制器(14)之间共振波束路径上的延时器(171)，用以增加从分束器(13)向调制器(14)方向共振波束的传播速度，使得分束器(13)分出的样本光束经转化成控制信号后到达调制器(14)的时间与分束后的共振光束到达调制器(14)的时间一致。
4.根据权利要求1所述的一种基于检测反馈控制的共振波束通信装置，其特征在于，所述的主机(1)还包括设置在分束器(13)与调制器(14)之间共振波束路径上的多个反射镜(172)，通过增加分束后的共振光束的传播路程延长到达调制器(14)的时间，使得分束器(13)分出的样本光束经转化成控制信号后到达调制器(14)的时间与分束后的共振光束到达调制器(14)的时间一致。
5.根据权利要求1所述的一种基于检测反馈控制的共振波束通信装置，其特征在于，所述的信号处理器(16)包括除法器(161)和转换与驱动器(162)，所述的探测器(15)、除法器(161)、转换与驱动器(162)以及调制器(14)依次连接。
6.根据权利要求1所述的一种基于检测反馈控制的共振波束通信装置，其特征在于，所述的第一逆反射器(11)由相互平行设置的第一反射镜(19)和第一透镜(181)构成，所述的第一反射镜(19)与第一透镜(181)的内侧焦平面重合设置，所述的功率放大器(12)设置在第一透镜(181)的外侧光瞳位置处，为实现波束准直，所述的主机(1)内设有由第二透镜(182)和第三透镜(183)构成的准直腔，所述的信号处理模组设置在准直腔内。
7.根据权利要求1所述的一种基于检测反馈控制的共振波束通信装置，其特征在于，所述的第一逆反射器(11)由相互平行设置的第一反射镜(19)和第一透镜(181)构成，为减小主机的体积，所述的信号处理模组设置在第一反射镜(19)与第一透镜(181)之间，所述的功率放大器(12)设置在第一透镜(181)的外侧光瞳位置处。
8.根据权利要求1所述的一种基于检测反馈控制的共振波束通信装置，其特征在于，所述的第一逆反射器(11)由相互平行设置的第一反射镜(19)和第一透镜(181)构成，所述的信号处理模组设置在第一反射镜(19)与第一透镜(181)之间，为进一步减小主机的体积，所述的功率放大器(12)设置在第一反射镜(19)与信号处理模组之间。
9.根据权利要求1所述的一种基于检测反馈控制的共振波束通信装置，其特征在于，所述的从机(2)内还设有检测与解调器(22)，所述的检测与解调器(22)设置在第二逆反射器(21)后接收共振波束，或者通过一分束器接收共振波束。
10.根据权利要求1所述的一种基于检测反馈控制的共振波束通信装置，其特征在于，为实现双向通信，在从机(2)内的第二逆反射器(21)前设有信号处理模组。
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