CN1498465A - 安装在窗户上的自由空间光学无线通信*** - Google Patents

安装在窗户上的自由空间光学无线通信*** Download PDF

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Abstract

将一个小型轻便的自由空间光学通信***(400)安装到一个窗户(1100)上,例如,安装到窗户的表面上。可以采用胶、真空装置或其他紧固装置或固定装置来完成安装。光学通信***(400)具有补偿窗户动态性和其他窗户特性的特征装置,包括用于指向和跟踪的快速转向解决方案以及终端尺寸和重量因素。

Description

安装在窗户上的自由空间光学无线通信***
对相关申请的交叉引用
本申请要求名称为“可安装在窗户上的自由空间光学无线通信***”的、2001年1月22日申请的、发明人为Pierre Robert Barbier,William Joseph Lauby,Scott William Sparrold,Eric JosephDavis,Steven Andrew Cashion,Nicholas Eichhorn Bratt,JamesJoseph Herbert,Eric Lawrence Upton,David Lawrence Rollins和Mark Lewis Plett、与本申请转让给同一受让人的美国临时申请序列号60/263,459的优先权,其在这里被全部引用。
技术领域
本发明在总体上涉及光学通信***,尤其但不专门地涉及安装在窗户上的光学通信***。
背景技术
光学无线通信是通过在自由空间中在直至几公里的距离上在光学上彼此对准两个终端来实现的。从两个终端中的一个的发射机向相对终端的接收机发送一个调制的光学信号(或光束)。光学无线终端的功能之一是将来自通信设备的输入信号变换成一个自由空间光学信号并将产生的光束通过发送光学器件发送到相对终端的接收光学器件上,同时能够从相对终端接收输入光束并将光束变换成一个供给通信设备的信号。通信设备包括可以直接连接到通信线路的路由器、交换机(switch)或其他设备。
自由空间光学通信***的另一个功能是维持两个相对终端之间的对准,并补偿诸如振动和结构摇动的可能产生错定位和不发送数据的停机时间的外部作用。典型地,终端被安装在靠近网络设备的建筑结构上。
在使用光学无线通信***中的主要问题之一是将***安装在现有的建筑结构上以获得终端之间的直接视线。这些结构包括但不限于墙壁、屋顶和金属构架(例如天线)。建筑结构在日照产生的温度梯度、诸如风、井水压力变化、冰雹、雪的外部力量的作用下摇动。另外,建筑结构在人力、机械或自然现象的作用下振动。建筑摇动和振动可能使光学终端同样摇动和振动,这可能导致两个光学终端之间的错定位误差,因此可能产生通信信号丢失。
已经设计了一些自由空间光学通信***来用于屋顶安装。这个解决方案帮助获得一个直接的视线,与削弱信号的将终端安装在窗户后面的室内相比,导致最小的功率损失。然而,安装在屋顶的***受到阵风和天气的强大影响。这些影响导致终端的振动和光束的错定位。
补偿这些条件的常规解决方案是增大发送光束的发散和接收机的观察领域。这种解决方案的代价是,随着更多的背景光到达光探测器,发散光束的地理扩展和接收机灵敏度的下降导致光学功率损失。光学功率损失导致链接范围减小,这会显著地增大调度的成本,或导致对在该范围之外的客户的服务的拒绝。此外,希望限制在发送终端面前的访问。
用于克服室外安装的影响的另一个潜在的解决方案是将一个有源的指向和跟踪(pointing and tracking)***添加到通信终端上。这样一个***可以在大多数条件下保持终端对准,但它对终端的增加可能会增大其尺寸并且一般会实际增大其成本。
由于与获得屋顶进入权利、遵循建筑美学规程、提供闪电保护和安装结构、以及为了允许屋顶安装***的成本经济和可靠的安装而解决环境暴露问题相联系的复杂性以及成本的原因,屋顶安装***也是不希望的。最后,数据线必须被安装在屋顶安装的通信***和用户的网络设备之间,从而导致了成本和另外的安装时间。
为了避免与进入屋顶和环境条件(例如风)有关的这种安装问题,收发信机可以被安装在办公室环境中的室内,以使其通过窗户发送和接收(虽然安装在室内的收发信机也可能受到建筑膨胀和摇动的影响)。为了完成这一点,光学通信终端应该被尽可能接近窗户地安装,以确保通信激光束不会被人的活动所阻碍并且不会牺牲激光眼安全限制。安装在与窗户有一定距离的地方的终端通过直接观看或通过窗户表面为个人接近激光束展示了机会。这个情况必须通过限制激光功率或通过限制对该区域的接近来防护,其中,限制激光功率导致了链接功率预算和范围的后续减少,限制对该区域的接近需要安装实质的物理屏障。由于其成本以及对用户环境的影响,这些解决方案是不被希望的。
一些安装解决方案包括采用支座将终端直接安装在地板上。这个解决方案需要在窗户周围的限制接近的地板空间,这导致侵占了办公室雇员所需要的宝贵的和所希望的地板空间。另外,支座和终端仍然要经受到地板所经历的摇动和振动。
或者,终端可以被直接安装在窗户附近的墙壁、柱子或天花板上。然而,由于建筑结构完整性的需要,建筑环境使得对这些部分的接近和紧固件穿透是困难的或不可能的,使得这些安装解决方案的实施是不现实的。另外,这些建筑结构的构造和条件是变化的、随机的和未知的,从而需要在每一个地点的定制安装,导致其相关的设计、制造和安装费用和时间的损失。
附图简要说明
参考附图可以最好地理解本发明的实施例,在附图中,类似的标号通常代表相同的、功能相近的和/或结构相似的部件。第一次出现一个部件的附图由标号中的最左边的数位所指示,其中:
图1显示了适合于实现本发明的方面的一个窗户;
图2是适合于实现本发明的方面的光学通信***的高级方框图;
图3是适合于用在图2所示的***中的光学通信终端的一个例子;
图4A是适合于实现本发明的方面的光学通信终端的侧视图;
图4B是图4A所示的光学通信终端的正视图;
图5A是光学通信终端的另一个实施例的侧视图;
图5B是图5A所示的光学通信终端的正视图;
图6A是适合于实现本发明的方面的光学通信终端的另一个实施例的侧视图;
图6B是图6A所示的光学通信终端的正视图;
图7A是适合于实现本发明的方面的光学通信终端的另一个实施例的侧视图;
图7B是图7A所示的光学通信终端的正视图;
图8显示了与窗户成九十度角地安装光学通信终端的一个安装例子;
图9显示了一个具有分开的光学和电子分组件的实施例;
图10是显示采用可在窗户上安装的通信终端进行光学通信的方法的流程图;
图11是安装到被分成几个区域的建筑物窗户上的几个自由空间光学终端的透视图;
图12是通过耦合到天花板固定装置、墙壁固定装置、框架固定装置和转角固定装置来安装到几个建筑物窗户上的几个自由空间光学终端的透视图;以及
图13是采用地板固定装置安装到建筑物窗户上的自由空间光学终端的透视图。
所示实施例的详细描述
这里描述将一个小型轻便的自由空间光学通信终端直接安装在窗户表面或窗框上。在下面的描述中,提供了许多具体细节、例如特定处理、程序设计、部件等等来提供对本发明的实施例的全面理解。然而,相关领域的技术人员将认识到,可以在没有一个或更多具体细节的情况下或以其他方法、部件等实现本发明。在其他例子中,公知结构或操作不进行显示或详细描述,以避免使本发明的各个实施例的方面难以理解。
将采用诸如反射镜、光学检测器、望远镜、潜望镜、发射机、接收机、视线等术语来展示说明书的一些部分。这些术语通常由本领域普通技术人员采用以便将其工作的实质传递给本领域其他技术人员。
将采用诸如指向、跟踪、获得、发送、接收等术语按照由计算机***执行的操作展示说明书的其他部分。如同由本领域普通技术人员所充分理解的,这些数量和操作采取能够被存储、传送、合并以及否则通过计算机***的机械和电子部件操纵的电、磁或光信号的形式;术语“计算机***”包括独立的、附属的或嵌入的通用和专用数据处理机、***等。
在这个说明书中对“一个实施例”或“实施例”的引用意味着在本发明的至少一个实施例中包括的与实施例相结合描述的一个特定特征装置(feature)、结构、过程、步骤或特性。这样,在这个说明书中的各个地方的短语“在一个实施例中”或“在实施例中”的出现不是必然都指的是同一个实施例。此外,特定特征装置、结构或特性可以在一个或更多实施例中以任何合适的方式合并。
各种操作将按照以最有助于理解发明的方式被描述为多个顺序执行的离散步骤。然而,它们被描述的顺序不应该被构造为暗示这些操作必然是依赖顺序的或者这些操作应该按照步骤所展示的顺序来执行。
依据本发明的一个方面,自由空间光学通信终端包括一个将自由空间光学终端安装到建筑物窗户来用于发送和接收光(或激光)束的窗户固定装置。将终端安装在建筑物窗户上利用了建筑物窗户的动态性的优点。例如,与其他安装技术相比,建筑物窗户展示出的恒定性在于它们最常见的是以垂直姿态放置、是公知材料、并且展示出一个大致光滑和均匀的表面。建筑物窗户被建筑在墙壁结构中,通常在有用的地板空间外墙之外提供一个凹进的区域。建筑物窗户几乎总是安装在框架***中,这在设计和构造上是普通的,从而展示出一个恒定的可预测的环境。这个被充分理解的和可预测的环境对于简化设备设计和自由空间通信***的经济的、符合人体工程的实现是有益的。
本发明的一个方面将自由空间光学通信终端安装到窗框上来用于发送和接收光(或激光)束。在操作期间,光束从一个安装在窗框上的光学通信***发送,如果安装在室内则通过窗户发送,或者,如果安装在室外则直接发送到自由空间。光束由与安装在窗框上的发送通信终端相对定位的另一个光学通信终端接收。接收端上的光学终端可以是或者可以不是安装在窗框上的。
其他方面提供了提高光束对准性能以补偿窗户动态性或其他窗户特性的指向和跟踪解决方案。该技术和解决方案解决了诸如终端重量、终端尺寸和窗户振动的问题。
当一个光学通信终端被安装到窗户上时,在一个实施例中光学通信终端是小而轻的。这些特征装置的目的是为了使加在窗户上的应力(stress)最小(例如,选择通信终端的重量,使其在窗户的应力限制之内)、减小对通过窗户观看的阻碍、以及减小经受窗户动态性的质量。
为了减小光学通信终端的尺寸和重量,在一个实施例中,使用一个普通的望远镜光圈来发送和接收光束。与对于每个光圈需要一个单独的转向(steering)***的多光圈(aperture)***相比,该普通的望远镜光圈还允许采用一单个快速转向***对所发送和接收的光束进行快速指向和跟踪。
减小光学通信终端重量的其他技术包括折叠在光束进入光学通信终端和向光学检测器传播时光束所采用的光学路径。典型地,光学通信终端从窗户伸出一特定距离,以便与在光学器件中使用的透镜的焦点长度一致。光学路径在光学通信终端内部可以折叠多次,以改变光学组件的形状因素,从而允许一个更小的外壳。折叠可以采用反射镜、棱镜或通过透镜的优化来实现。焦点长度的这个减少例如允许光学通信终端(以大致平坦的方式)被安装在窗格玻璃或窗户表面上,而不与挡板、窗帷或窗帘的操作相冲突。
指向和跟踪解决方案增强光束对准性能以补偿窗户动态性。这些包括补偿由于诸如风的环境因素而产生的是典型的高频率振动的窗户振动的快速转向***的使用。相反,墙壁、地板和其他建筑物结构典型地具有低频振动。
图1显示了光学通信终端可以被安装到的窗户100。窗户100包括窗框102、窗格玻璃104和窗户转角106。为了限制窗户偏斜在指向上的作用,光学通信终端可以以一个直角安装在窗户转角106中,以利用窗框102的坚固性。在一个实施例中,窗户100可以采用间隔物来分成两个或多个部分,以利用由具有多于四个的转角所提供的坚固性。例如,当窗户100被分成四个部分时,光学通信终端可以被安装在每个部分的一个转角附近。参考图11描述依据这个和其他实施例的一个或多个光学终端的安装。
在又一个实施例中,光学通信终端被安装在窗户100附近的墙壁和/或天花板结构上。可以使用托架来从墙壁或天花板支撑终端,并将光学通信终端放在窗户前面100。在这个和其他实施例中,光学通信终端(和/或其至少一部分)可以与窗格玻璃104相接触(例如,压在其上),以便在机械上将光学通信终端与托架隔离开,这样使光学通信终端利用了窗户而不是托架(和墙壁/天花板)的特性。参考图12描述依据这个和其他实施例的一个或多个光学终端的安装。
在另一个实施例中,光学通信终端可以采用一个安装固定装置(例如,支座)来安装在地板或任何其他建筑结构上。在这个实施例中,光学通信终端可以被压在窗格玻璃104上或否则至少其一部分与窗格玻璃104相接触,以便在机械上将光学通信终端与安装固定装置隔离开,这样使光学通信终端利用了窗户而不是安装固定装置(和地板)的特性。参考13描述依据这个和其他实施例的一个或多个光学终端的安装。
图2是适合于实现本发明的方面的光学通信***200的高级方框图。收发信机202将一个输入的电信号204变换成一个光信号210,通过光学器件发送光信号,并将光信号发射给接收机206。接收机206中的光学器件对输入的光信号进行采集、聚焦等,并将其变换成一个电信号208。电信号204通常在通信设备中起源,并在通信设备中终止。典型的通信设备包括路由器、交换机或可以直接连接到通信线路的其他设备。
物理连接210被显示在发射机202和接收器206之间。连接210想要代表用于光信号的传输媒介。在一个实施例中,传输媒介是光纤。在另一个实施例中,由连接210描述的传输媒介是自由空间。
发射机202和接收机206可以被包含在一单个光学通信终端(例如,收发信机)中。图3显示了光学通信终端300的一个例子。每个光学通信终端300同时具有发射和接收能力,包括诸如光学器件(望远镜、透镜、反射镜、光束***器等)、电子器件(激光器、发射机、检测器、接收机)、机械部件(万向接头(gimbal)、齿轮等)等等的部件。需要理解的是,在其他实施例中,光学终端300可以只具有接收能力或只具有发射能力。在一个实施例中,光学通信终端300包括与光学分组件(例如,望远镜304)集成在一起的电子器件302,输出是一个快速以太网端口306。在一个实施例中,光学通信终端300大约是5英寸宽、9英寸高、7英寸厚。其他实施例为更小或更大(例如,200立方英寸,400立方英寸,等等)。
图4A和4B显示了与掺铒纤维(erbium-doped fiber)放大器(EDFA)的1550nm带宽兼容的光学通信终端400的一个示例实施例。这个实施例允许光束402进入终端400内的高速光学通信部件。其他实施例与其他波长兼容,通过阅读这里提供的说明书,本领域普通技术人员可以容易地以其他波长实现本发明。图4A是终端400的侧视图,而图4B是终端400的正视图。
在这个实施例中,发射光束和接收光束共享同一路径,因此共享相同的光学器件,为了解释的目的,有时参考一个光束402来描述终端400。然而,应该理解,光束402包括发射光束和接收光束。
特别参考图4B,终端400包括反射镜404、透镜406、反射镜408、两个光束***器/合并器410和412、检测器414、接收机电子器件416、光纤(或电缆)418、四元组单元(quad cell)420、跟踪电子器件422、发射机光电器件430、激光器432和光纤或电缆434以便分别发送发射光束或驱动激光器432。在另一个实施例中,激光器432被集成到发射机光电器件430中并通过光纤与终端400的光学部分相连。应该理解的是,这些部件仅仅是一个实施例的示例,其他实施例可以具有更多(或更少)的部件,并且这些部件的排列可以不同。
接收光束进入终端400,并通过反射镜404。反射镜404的行为类似一个潜望镜,沿两个轴(“x”和“y”)指向或转向接收光束。以这种方式,反射镜提供了光束402的航线对准。
反射镜404将光束402转到透镜406,透镜406将接收的光束聚焦到一个或多个反射镜上,其中一个反射镜是反射镜408。接收的光束也被聚焦到光束***器/合并器410和光束***器/合并器412中,其分离和/或合并接收光束和发射光束。在一个实施例中,光束***器/合并器410和412包括二向色光束***器/合并器。
接收光束传播经过光束***器/合并器410和412。在光束***器/合并器410之后可以有一个带通滤光器436,以便在接收机上从发射光束中滤除不想要的信号。
接收光束的主要部分被检测器414采集,所得到的电信号通过电缆418被发送到接收机电子器件416。在一个实施例中,检测器414包括雪崩光电二极管(APD)。或者,接收光束传播经过光束***器/合并器410和412并进入光纤418。
在发射模式中,发射机光电器件430可以向激光器432发送一个信号,激光器432将电信号变换成一个发射光束。由光束***器/合并器410将发射光束与接收光束合并成光束402。光束402被发送给反射镜408,由透镜406对准,并由反射镜404转出,进入自由空间。在一个实施例中,可以通过改变透镜406和检测器414、四元组单元420和激光器432之间的距离来稍微发散输出光束402,以优化在相对光学终端的指向和跟踪性能。
或者,发射机光电器件430通过光纤434将一个光信号发送到光束***器/合并器410。由光束***器/合并器410将发射光束与接收光束合并成光束402。光束402被聚焦到反射镜408上,由透镜406对准,并由反射镜404转出,进入自由空间。
在操作中,安装在一个窗户上的一个终端尝试与安装在另一个窗户上的另一个终端进行通信。这两个终端向彼此发射以及从彼此接收,其光束402必须跟踪,否则通信可能不是最佳的。光束还必须被正确地指向其相对终端。
在一个实施例中,终端400包括一个快速跟踪***,该***补偿安装在窗户上的实施方式中的跟踪偏移。将终端安装到窗户造成唯一的跟踪和指向问题要克服,因为窗户由于收集了结构振动、声音波、阵风等而要经受各种类型的振动。这些振动可以在100Hz范围内或更高,使得光束402错误指向,这意味着发射光束402会错过接收机目标几个毫弧度。振动还可能使接收光束402被终端400不正确地或不充分地跟踪,这意味着光束402错过其目标(例如,检测器414或光纤418)。
不正确的指向和跟踪有几个不想要的影响。一个是减小了光学功率预算。另一个是减小了通信达到的最大距离。不正确的指向和跟踪的第三个影响是限制了可以使用光学通信***200的衰减条件。将一个自由空间光学通信终端安装在窗户上也促进错误指向和错误跟踪-本发明的实施例以适合于安装在窗户上的实施方式的快速跟踪***解决的问题。
展宽光束的发散减轻了错误指向光束的影响。然而,这个解决方案增大了光学通信***200的几何光学损失并减小了通信达到的最大距离。光束的错误跟踪可以通过展宽在接收机的瞬时视野来缓解。然而,这个解决方案使接收机灵敏度降级,因为展宽瞬时视野使得更多的背景光被光学检测器所采集。
为了增大功率预算,光学通信终端400中的高速(例如,在一个实施例中大于100Hz)指向和跟踪***补偿窗户振动。在一个实施例中,指向和跟踪***是基于一个快速转向机构和一个到达角读出元件的。
在接收方向中,指向和跟踪***检测输入光束402的到达角度,并修改光学通信终端400的内部对准,以使得到达目标(例如,光学检测器414或光纤418)的光学功率最大。相反,当发射光束被正确地跟踪时,发射光束被正确地指到相对光学通信终端中的接收目标上。
快速跟踪***可以采用位置传感器、控制器和快速转向机构来实现。位置传感器可以是对从相对光学通信终端输入的波长灵敏的任何合适的公知的或未来的位置传感器。合适的位置传感器包括但不限于四元组单元检测器(四元组单元)、横向作用单元(LEC)、快速电荷耦合器件(CCD)和互补金属氧化物半导体(CMOS)照相机。
控制器可以是任何合适的公知的或未来的控制器。合适的控制器的例子包括微处理器、数字信号处理器(DSP)芯片和/或现场可编程门阵列(FPGA)。
快速转向机构可以是任何合适的公知的或未来的快速转向机构。合适的快速转向机构包括带有旋转光学分组件的致动器的快速转向反射镜、透镜或万向接头***。
在图4B所示的实施例中,快速转向机构是在反射镜408中实现,位置传感器在四元组单元元件420中实现。接收光束的一部分传播到四元组单元元件420,并采用跟踪电子器件422(例如,控制器、处理器等)处理。在这个实施例中,反射镜408补偿跟踪偏移,并保持光学通信***200内的光束的对准。其结果是,如果窗户振动,快速转向***确保发射光束不从相对接收机转开,并确保接收光束聚焦在四元组单元元件420的中心上。
例如,当接收光束的角度改变时,反射镜408在物理上进行移动以改变接收光束入射在反射镜408上的角度,以保持接收光束在四元组单元元件420的中心上。四元组单元元件420用作一个反馈机构。
回想起在一个实施例中,发射光束和接收光束共享相同的光学器件并在终端400内被分开。发射光束和接收光束是采用波长分类来分开的,以使得被反射回接收机上的发射光束的部分最小。同样可以采用其他分类技术,例如极化分类。
在一个实施例中,带通滤光器(未显示出)跟在光束***器/合并器410之后,潜望镜(未显示)在几个可能的方向中的任何一个方向上将光束402折叠90度,加或减45度。在这个特定实施方式中,光学通信***200是一个焦点光学通信***,以限制部件数目。采用无焦点光学通信***可以达到相同的性能,该***通过采用带有对准光束的光束***器,允许发射机和接收机之间的更高的隔离比率。
图5A是光学通信终端500的另一个实施例的侧视图,图5B是其正视图。除了终端500用一个快速转向反射镜502来代替(潜望镜)反射镜404之外,终端500与终端400类似。另外,终端500用一个固定反射镜504来代替(快速转向)反射镜408。
图6A是光学通信终端600的另一个实施例的侧视图,图6B是其正视图。除了终端600用两个固定反射镜602和604来代替(潜望镜)反射镜404和(快速转向)反射镜408之外,终端600与终端400类似。光学组件采用致动器610和612来转向,致动器610和612可以由步进电机或其他合适的精度运动装置来驱动。
图7A是光学通信终端700的另一个实施例的侧视图,图7B是其正视图。除了终端700具有分离的望远镜光圈、发射光圈702和接收光圈700之外,终端700与终端400类似。这个双筒型的终端实现了终端700的发射机和接收机部分的光学隔离。光学分组件710采用致动器706和708来转向,致动器706和708可以由步进电机来驱动。
图5A-5B、6A-6B和7A-7B所示的光学终端的实施例中的任何一个可以被安装在窗户100上。这些光学终端可以带有合适的转向机构、安装机构或可以补偿窗户100的动态性或其他特性的尺寸、形状和重量。
图8显示了光学通信终端800的一个实施例。除了终端800去除了反射镜702和704并且光学分组件802被旋转90度之外,终端800与终端700类似。在这个实施例中,望远镜直接看到窗户外面,而不是向上看到天花板和使用反射镜将光束向下折叠到望远镜。
可以增加步进电机致动器来将整个终端800(或终端400、500、600和700中的每一个)转向,并保持指向和跟踪。例如,终端800可以在箭头812的方向上绕轴810旋转。类似地,终端800可以在箭头816的方向上绕轴814旋转。
虽然描述了光学通信终端的电子分组件与光学分组件集成的几个实施例,在其他实施例中,电子器件与光学分组件是分离的。例如,一条电缆在电子器件(电源,控制电子器件等)和光学机械头之间连接。图9显示了一个例示实施例,其中,光学机械头902被安装在窗户100上。电子器件904在桌子906上,电缆908将光学机械头902连接到电子器件904。
图10是显示采用窗户可安装的光学通信终端进行光学通信的方法的流程图。在一个实施例中,将光学通信终端安装在窗户上(1002),终端发射和/或从自由空间接收一个光信号(1004),如图10所示。在这样的安装中,限制对发射终端的前面的进入。
图11是带有几个安装到其窗格玻璃上的自由空间光学终端400的建筑物窗户1100的透视图。用一个水平划分机构1110和一个垂直划分机构1112将窗户1100分成几个区域(或窗格玻璃)1102、1104、1106、1108。由划分提供的增加的坚固性具有与通过将终端400安装到四个较小的窗户上所提供的机械特性类似的效果。例如,如果只有一个终端400被安装到图1的窗格玻璃104上,框架102将提供坚固性。然而,与框架102为安装在未划分的窗户100上的终端400展示的机械和结构特性类似,水平划分机构1110和垂直划分机构1112为每个终端400展示了有利的机械和结构窗户特性。
虽然这里可以参考自由空间光学终端400描述光学终端的安装,但本发明的实施例包括自由空间光学终端300、500、600、700、800以及光学机械头902和其他自由空间光学终端的安装。为了解释简单起见,这里在安装终端400的上下文中一般地描述各个安装实施例。
窗格玻璃安装可以通过在窗格玻璃1102-1108和支持每个终端400的平板1120之间采用窗户固定装置、例如胶或其他粘结剂将终端400的合适部分直接粘接到窗户1100的表面上来实现。或者,终端400的表面的至少一部分可以直接用胶粘到窗户1100的表面。再或者,终端400可以被安装到一个托架上,托架被安装在窗户1100的表面上。其他将终端400安装到窗户1100(以及窗户100)上的窗户固定装置包括吊钩和环圈紧固件(例如,VELCROTM)、无源或有源真空装置、螺钉或铆钉、或其他紧固装置。
依据一个实施例,可以以一种使得终端400的光圈与窗户表面平行并压在窗户表面的方式将终端400安装到窗户1100或100。这个实施例允许终端400直接面对和捕获入射在窗户上的输入光束,从而使所接收的光学功率最大。此外,从终端400发射的光束可以从光圈直接前进通过窗户,具有来自人或物体的最小(如果有的话)的可能的结构干扰。如上所述,终端400的快速转向部件允许终端400被安装到窗户上,并且能够补偿窗户的动态性(例如振动)和其他窗户特性。
图12是具有四个窗户1202、1204、1206和1208的建筑物1200的透视图。每个窗户具有一个安装到窗格玻璃(例如,分别为1210、1212、1214和1216)上的自由空间光学终端400。
依据本发明的一个实施例,窗户1202中的终端400被采用固定装置1220安装在窗户1202的一个转角中,并与窗格玻璃1210物理接触。在转角中安装终端400限制了窗户偏斜在光束指向上的作用。在一个实施例中,终端400被以一个直角安装在转角中,以利用窗框1222的坚固性。转角固定装置1220可以是任何公知的机构,例如上面描述的各种紧固装置,以确保终端400在窗格玻璃1210之后(或者,在安装在室外时,在前面)的放置。
依据另一个实施例,窗户1204中的终端400可以采用天花板固定装置1230从天花板上悬挂下来。在这个实施例中,终端400的至少一部分被压在窗格玻璃1212上(例如,与窗格玻璃物理接触),以便在机械上将终端400与天花板固定装置1230隔离开。这样,当天花板和窗户1204以不同的频率振动时,机械隔离(例如可以通过已经受益于这个公开的本领域普通技术人员所熟悉的合适的机械耦合连接提供的)允许终端400的快速转向部件根据窗户的动态性而不是天花板的动态性进行调整。
天花板固定装置1230可以是确保终端400在窗格玻璃1212之后(或前面)的放置的任何公知的机构。将终端400保持为压在窗格玻璃1212上的技术包括采用胶直接粘接、吊钩和环圈紧固件、无源或有源真空装置、螺钉或铆钉、或其他紧固技术和设备。
依据另一个实施例,窗户1206中的终端400采用墙壁固定装置1240从墙壁悬挂下来。在这个实施例中,以一种与将终端400放在窗户1204上类似的方式将终端400压在窗格玻璃1214上,以便在机械上将终端400与墙壁固定装置1240隔离开。墙壁固定装置1240可以是确保终端400在窗格玻璃1214之后(或前面)的放置的任何公知的机构。将终端400保持为压在窗格玻璃1214上的技术与将终端400保持为压在窗格玻璃1212上的那些技术类似。
依据另一个实施例,窗户1208中的终端400采用框架固定装置1250安装到窗框1222上。窗框1222可以包括木制的、金属的、塑料的或其他材料的,将窗户1208的玻璃材料框住,并通过框架1222将窗户1208固定在相连的墙壁上。在这个实施例中,以一种与将终端400放在窗户1204和1206上类似的方式将终端400压在窗格玻璃1216上,以便在机械上将终端400与窗框1222隔离开。
框架固定装置1250可以是确保终端400在窗格玻璃1216之后(或前面,当安装在室外时)的放置的任何公知的机构。将终端400保持为压在窗格玻璃1216上的技术与将终端400保持为压在窗格玻璃1212上的那些技术类似。
图13是带有采用地板固定装置1306安装到窗户1302的窗格玻璃1304上的自由空间光学终端400的建筑物1300的透视图。在这个实施例中,以一种与在图12所示的实施例所使用的方式类似的方式将终端400压在窗格玻璃1304上,以便在机械上将终端400与地板固定装置1306隔离开。地板固定装置1306可以是支持终端400在窗格玻璃1304之后(或前面)的放置的任何公知的机构。将终端400保持为压在窗格玻璃1304上的技术与图12中将终端400保持为压在窗格玻璃1212上的那些技术类似。
本发明的所示实施例的上面的描述,包括在摘要中所描述的,并不想作为穷举式的或将本发明限制在所公开的精确形式。虽然这里出于例示目的描述了本发明的具体实施例和例子,但如同相关领域的技术人员将会认识到的,各种等效修改在本发明的范围内是可能的。
例如,通过在发射上具有增大的发散并具有增大的接收视野以便补偿会潜在地引起错误指向的窗户动态性(例如,振动),可以作出终端400的一个适合于窗户安装的实施例。终端400的各种光学部件可以被设计为提供适当的发射发散和/或增大的视野,例如使用具有较小f数的透镜来增大视野
作为另一个修改,在一个实施例中,可以与一个快速转向机构协作使用主检测器414来基于章动(nutation)执行跟踪。这样,检测器414被用作位置检测器,从而消除了***(和浪费)光来用于一个单独的位置检测器的需要。因此不需要单独的位置检测器和额外的光束***器,这使得终端400进一步紧凑并减小重量。
在上面的详细描述的启示下可以对本发明作出这些和其他修改。在下面的权利要求书中使用的术语不应该被构造为将本发明限制到在说明书和权利要求书中公开的具体实施例上。相反,本发明的范围将由下面的权利要求书完全确定,权利要求书是根据所建立的权利要求解释的原则来构造的。

Claims (60)

1.一种设备,包括:
一个自由空间光学通信终端,具有:
一个安装固定装置,以允许所述通信终端的至少一部分被安装到一个窗户上;以及
一个特征装置,以允许所述通信终端补偿所述窗户的特性,其中通过所述安装固定装置将所述通信终端安装到所述窗户上。
2.权利要求1的设备,其中,所述安装固定装置允许所述通信终端被安装到所述窗户的室内表面上。
3.权利要求1的设备,其中,所述安装固定装置允许所述通信终端被安装到所述窗户的室外表面上。
4.权利要求1的设备,其中,所述安装固定装置包括在所述通信终端的一部分和所述窗户的表面之间的胶。
5.权利要求1的设备,其中,所述安装固定装置包括一个平板以支持所述通信终端,并且其中所述平板被构造为附着到所述窗户上。
6.权利要求1的设备,其中,所述安装固定装置包括一个紧固装置,以便将所述通信终端的一部分紧固到所述窗户的表面上。
7.权利要求6的设备,其中,所述紧固装置包括吊钩和环圈紧固件、无源真空装置、有源真空装置、托架、螺钉和铆钉中的至少一个。
8.权利要求1的设备,其中,所述窗户的特性之一包括窗户的振动,其中,允许所述通信终端补偿所述窗户的特性的特征装置包括一个补偿由于窗户的振动而引起的所述通信终端的位置改变的快速转向机构。
9.权利要求8的设备,其中,所述快速转向机构包括一个转向反射镜,用于将由所述通信终端接收的光束转向到一个位置传感器上,所述转向反射镜被构造为随着作为窗户振动的结果出现通信终端的位置改变来进行移动,以保持光束在所述位置传感器上的对准。
10.权利要求8的设备,其中,所述快速转向机构包括:
一个反射镜,用于将由所述通信终端接收的光束指向到一个位置传感器上;以及
一个致动器,如果由于窗户振动的结果而使所述通信终端出现位置改变,如同由所述位置传感器利用由所述反射镜指向到所述位置传感器上的光束检测到的,则所述致动器调整所述通信终端的光学分组件的位置。
11.权利要求1的设备,其中,所述窗户的特性之一包括所述窗户的应力限制,其中,允许所述通信终端补偿所述窗户特性的特征装置包括被选择在所述窗户的应力限制之内的所述通信终端的重量。
12.权利要求1的设备,其中,所述窗户的特性之一包括所述窗户的面积,其中,允许所述通信终端补偿所述窗户特性的特征装置包括被选择为减小对窗户面积的占据的所述通信终端的尺寸。
13.权利要求1的设备,其中,允许所述通信终端补偿所述窗户特性的特征装置包括一个公用光圈,所述公用光圈向自由空间发射和从自由空间接收一个光信号,所述光信号具有分别在第一波长的发射光束和在第二波长的接收光束。
14.权利要求1的设备,进一步包括一个天花板固定装置,所述天花板固定装置能够被附着在窗户附近的天花板上并且可以从所述天花板固定装置中耦合所述通信终端,能够以一种在机械上将所述通信终端与所述天花板固定装置隔离开的方式将所述通信终端的一部分放置为通过所述安装固定装置与所述窗户相接触。
15.权利要求1的设备,进一步包括一个墙壁固定装置,所述墙壁固定装置能够被附着在窗户附近的墙壁上并且可以将所述通信终端与所述墙壁固定装置耦合,能够以一种在机械上将所述通信终端与所述墙壁固定装置隔离开的方式将所述通信终端的一部分放置为通过所述安装固定装置与所述窗户相接触。
16.权利要求1的设备,进一步包括一个框架固定装置,所述框架固定装置能够被附着在窗户附近的框架上并且可以将所述通信终端与所述框架固定装置耦合,能够以一种在机械上将所述通信终端与所述框架固定装置隔离开的方式将所述通信终端的一部分放置为通过所述安装固定装置与所述窗户相接触。
17.权利要求1的设备,进一步包括一个地板固定装置,所述地板固定装置能够被附着在窗户附近的地板上并且可以将所述通信终端与所述地板固定装置耦合,能够以一种在机械上将所述通信终端与所述地板固定装置隔离开的方式将所述通信终端的一部分放置为通过所述安装固定装置与所述窗户相接触。
18.权利要求1的设备,其中,所述安装固定装置包括一个允许所述通信终端的一部分被安装到所述窗户的一个转角附近的转角固定装置。
19.一种可以用在自由空间光学通信***中的设备,所述设备包括:
一个自由空间光学通信终端,具有:
一个安装固定装置,用于将所述通信终端的至少一部分安装到一个窗户的表面上,以允许所述通信终端从所述自由空间光学通信***接收光束;以及
一个特征装置,以允许所述通信终端补偿所述窗户的动态性,其中所述通信终端通过所述安装固定装置安装到所述窗户上。
20.权利要求19的设备,其中,窗户的表面包括一个室内表面,并且其中所述安装固定装置被构造为将所述通信终端安装到所述窗户的室内表面上。
21.权利要求19的设备,其中,所述安装固定装置包括在所述通信终端的一部分和所述窗户的表面之间的胶。
22.权利要求19的设备,其中,所述安装固定装置包括一个平板以支持所述通信终端,并且其中所述平板被构造为是附着在所述窗户的表面上的。
23.权利要求19的设备,其中,所述安装固定装置包括一个紧固装置,以便将所述通信终端的一部分紧固到所述窗户的表面上。
24.权利要求19的设备,其中,所述窗户的动态性包括窗户的振动,其中,允许所述通信终端补偿窗户的动态性的特征装置包括一个补偿由于窗户的振动引起的所述通信终端的位置改变的快速转向机构。
25.权利要求19的设备,其中,所述窗户具有包括应力限制和面积的特性,所述通信终端进一步包括附加特征装置,以补偿所述窗户的特性,所述附加特征装置包括:
被选择为在所述窗户的应力限制之内的通信终端的重量;以及
被选择为减小对窗户面积的占据的通信终端的尺寸。
26.权利要求19的设备,其中,所述窗户具有包括应力限制和面积的特性,所述通信终端进一步包括一个公用光圈,所述公用光圈向自由空间发射和从自由空间接收一个光信号,所述光信号具有分别在第一波长的发射光束和在第二波长的接收光束,所述公用光圈被构造为允许所述通信终端在所述窗户的应力限制之内并减小对所述窗户的面积的占据。
27.权利要求19的设备,进一步包括能够被附着在窗户附近的建筑物结构上并且可以将所述通信终端与其耦合的另一个固定装置,能够以一种在机械上将所述通信终端与所述另一个固定装置隔离开的方式将所述通信终端的一部分放置为通过所述安装固定装置与所述窗户相接触。
28.一种设备,包括:
一个自由空间光学通信收发信机,具有:
一个安装固定装置,用于将所述通信收发信机的至少一部分安装到一个窗户的表面上,以允许所述通信收发信机与自由空间光学通信***进行通信;
一个特征装置,以允许所述通信收发信机补偿所述窗户的动态性,其中所述通信收发信机通过所述安装固定装置安装到所述窗户上;以及
一个公用光圈,用于向自由空间发射和从自由空间接收一个光信号,所述光信号具有分别在第一波长的发射光束和在第二波长的接收光束。
29.权利要求28的设备,其中,允许通信终端补偿窗户的动态性的特征装置包括一个跟踪***,所述跟踪***包括可移动转向机构和位置传感器,其中,所述可移动转向机构被在操作上耦合,以便从自由空间接收光信号以及将光信号转向到所述位置传感器上。
30.权利要求28的设备,其中,所述可移动转向机构包括带有致动器的可移动转向反射镜、透镜和万向接头***中的至少一个。
31.权利要求28的设备,其中,所述位置传感器包括四元组单元检测器、横向作用单元、快速电荷耦合器件(CCD)、互补金属氧化物半导体(CMOS)照相机和与一个转向机构协作来执行章动的数据检测器中的至少一个。
32.权利要求29的设备,进一步包括一个在操作上被耦合以处理所述位置传感器的输出的控制器。
33.权利要求28的设备,其中,所述通信收发信机进一步包括:
一个第一光束***器;
一个第二光束***器;以及
一个检测器,其中,第一光束***器在操作上被耦合,以便将光信号分成发射光束和接收光束,并将接收光束指向第二光束***器,而且第二光束***器在操作上被耦合,以便将接收光束的第一部分指向所述位置传感器并将接收光束的第二部分指向所述检测器。
34.权利要求33的设备,进一步包括一个滤波器,所述滤波器在操作上被耦合,以便在将接收光束指向第二光束***器之前从接收光束中滤除不想要的信号。
35.权利要求28的设备,进一步包括:
一个光束***器;以及
光电器件,其中,所述光电器件在操作上被耦合,以便将发射光束指向所述光束***器。
36.权利要求35的设备,进一步包括一个在操作上被耦合在所述光电器件和所述光束***器之间的滤光器。
37.权利要求35的设备,其中,所述光束***器被构造为将发射光束和接收光束合并成光信号。
38.权利要求37的设备,进一步包括:
一个可移动转向机构;
一个透镜;以及
一个反射镜,其中,所述可移动转向机构在操作上被耦合,以便将光信号从所述光束***器指向所述透镜,其中,所述透镜在操作上被耦合,以便将光信号聚焦到反射镜上,并且其中所述反射镜在操作上被耦合,以便将所述光信号指向自由空间。
39.权利要求28的设备,进一步包括:
光电器件;
一个光源;以及
一个光束***器,其中,所述光电器件在操作上被耦合,以便将一个电信号指向所述光源,其中,所述光源被构造为将所述电信号变换成发射光束和将所述发射光束指向所述光束***器,而且其中所述光束***器被构造为将发射光束和接收光束合并成所述光信号。
40.权利要求29的设备,其中,所述反射镜进一步在操作上被耦合,以便以一个预定角度折叠所述光信号。
41.权利要求29的设备,其中,所述转向机构包括由至少一个精度运动装置驱动的至少一个致动器。
42.权利要求28的设备,其中,所述安装固定装置包括在所述通信收发信机的一部分和所述窗户的表面之间的胶。
43.权利要求28的设备,其中,所述安装固定装置包括一个紧固装置,以便将所述通信收发信机的一部分紧固到所述窗户的表面上。
44.权利要求28的设备,其中,所述窗户的动态性包括窗户的振动,以及其中允许通信收发信机补偿窗户的动态性的特征装置包括一个快速转向机构,用于补偿由于窗户的振动引起的所述通信收发信机的位置改变。
45.权利要求28的设备,其中,所述窗户具有包括应力限制和面积的特性,所述通信收发信机进一步包括附加特征装置,以补偿窗户的特性,所述附加特征装置包括:
被选择为在所述窗户的应力限制之内的通信收发信机的重量;以及
被选择为减小对所述窗户的面积的占据的通信收发信机的尺寸。
46.权利要求28的设备,其中,进一步包括能够被附着在窗户附近的建筑物结构上并且可以将所述通信收发信机与其耦合的另一个固定装置,能够以一种在机械上将所述通信收发信机与所述另一个固定装置隔离开的方式将所述通信收发信机的一部分放置为通过所述安装固定装置与所述窗户相接触。
47.一种***,包括:
第一自由空间光学通信收发信机,具有一个公用光圈,用于向自由空间发射和从自由空间接收分别在第一波长的发射光束和在第二波长的接收光束;以及
第二自由空间光学通信收发信机,以便通过自由空间从第一自由空间光学通信收发信机接收发射光束并通过自由空间向第一自由空间光学通信收发信机发射接收光束,
其中,至少一个通信收发信机包括:
一个安装固定装置,以允许那个通信收发信机的至少一部分被安装到一个窗户上;以及
一个特征装置,以允许那个通信收发信机补偿所述窗户的特性,其中那个通信收发信机通过所述安装固定装置安装到所述窗户上。
48.权利要求47的***,其中,所述安装固定装置包括在所述通信收发信机的一部分和所述窗户的表面之间的胶。
49.权利要求47的***,其中,所述安装固定装置包括一个紧固装置,以便将所述通信收发信机的一部分紧固到所述窗户的表面上。
50.权利要求47的***,其中,所述窗户的特性包括窗户的振动,其中,允许通信收发信机补偿窗户的特性的特征装置包括一个快速转向机构,以补偿由于窗户的振动而引起的所述通信收发信机的位置改变。
51.权利要求47的***,其中,所述窗户的特性包括应力限制和面积,并且其中补偿窗户的特性的特征装置包括:
被选择为在所述窗户的应力限制之内的所述通信收发信机的重量;以及
被选择为减小对所述窗户的面积的占据的所述通信收发信机的尺寸。
52.权利要求47的***,其中,至少一个通信收发信机进一步包括能够被附着在窗户附近的建筑物结构上并且可以将所述通信收发信机与其耦合的另一个固定装置,能够以一种在机械上将所述通信收发信机与所述另一个固定装置隔离开的方式将所述通信收发信机的一部分放置为通过所述安装固定装置与所述窗户相接触。
53.权利要求47的***,其中,补偿窗户的特性的特征装置包括增大的在发射中的发散和增大的接收视野。
54.权利要求47的***,其中,窗户的特性包括一个应力限制,并且其中补偿窗户的特性的特征装置包括一个公用光圈,用于发送和接收光束并且可以容纳一单个转向机构,以允许所述通信收发信机在所述应力限制之内。
55.一种方法,包括:
将一个自由空间光学通信终端安装到一个窗格玻璃上;
采用安装到窗格玻璃上的自由空间光学通信终端将第一光束发射到自由空间中;以及
采用安装到窗格玻璃上的自由空间光学通信终端从自由空间接收第二光束。
56.权利要求55的方法,其中,将自由空间光学通信终端安装到窗格玻璃上包括将所述自由空间光学通信终端的至少一部分直接用胶粘到窗格玻璃的表面上。
57.权利要求55的方法,其中,将自由空间光学通信终端安装到窗格玻璃上包括用一个紧固装置将所述自由空间光学通信终端的至少一部分紧固到窗格玻璃的表面上。
58.权利要求55的方法,进一步包括通过一个固定装置以一种在机械上将所述自由空间光学通信终端与所述固定装置隔离开的同时使所述自由空间光学通信终端的至少一部分与所述窗格玻璃相接触的方式将所述自由空间光学通信终端耦合到在所述窗格玻璃附近的建筑物结构上。
59.权利要求55的方法,其中,将自由空间光学通信终端安装到窗格玻璃上包括在所述窗格玻璃的一个转角附近安装所述自由空间光学通信终端。
60.权利要求55的方法,进一步包括将多个自由空间光学通信终端安装到相应多个窗格玻璃之中的至少一个窗格玻璃上和安装到一单个窗格玻璃上。
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