DE112020005597T5

DE112020005597T5 - Array-basierte optische kommunikationsverbindungen im freien raum

Info

Publication number: DE112020005597T5
Application number: DE112020005597.3T
Authority: DE
Inventors: Ehsan Shah Hosseini; Michael Robert WATTS
Original assignee: Analog Photonics LLC
Current assignee: Analog Photonics LLC
Priority date: 2019-11-14
Filing date: 2020-11-09
Publication date: 2022-08-25
Also published as: US20210152243A1; JP7457115B2; JP2023503843A; US11196486B2; WO2021096789A1; KR20220087470A; KR102650098B1

Abstract

Optische Kommunikation mit einem entfernten Knoten umfasst: Senden mindestens eines optischen Strahls zum entfernten Knoten; Empfangen mindestens eines Abschnitts von mindestens einem optischen Strahl vom entfernten Knoten; Bereitstellen von Intensitätsinformationen basierend auf einem oder mehreren Signalen von einem oder mehreren optischen Detektormodulen in einer Anordnung optischer Detektormodule, welche den Abschnitt des optischen Strahls, welcher vom entfernten Knoten empfangen worden ist, erfassen; und Steuern mindestens eines optischen phasengesteuerten Felds zum Lenken des optischen Strahls, welcher zum entfernten Knoten gesendet wird, basierend auf Intensitätsinformationen, welche vom entfernten Knoten empfangen worden sind.

Description

QUERVERWEIS ZU VERWANDTER/VERWANDTEN ANMELDUNG(EN)
Diese Anmeldung beansprucht die Priorität und den Nutzen aus der vorläufigen US-Patentanmeldung mit der Seriennummer 62/935,471 mit dem Titel „Array-basierte optische Kommunikationsverbindungen im freien Raum“, eingereicht am 14. November 2019.
TECHNISCHES GEBIET
Diese Offenbarung betrifft array-basierte optische Kommunikationsverbindungen im freien Raum.
HINTERGRUND
Bestimmte optische Kommunikationsverbindungen im freien Raum (FSO-Kommunikationsverbindungen) arbeiten mit optischen Elementen, welche für eine Punkt-zu-Punkt-Kommunikation angeordnet sind. Zum Beispiel können zwei Knoten, welche über eine Punkt-zu-Punkt-Kommunikationsverbindung miteinander kommunizieren, jeweils eine Teleskopanordnung verwenden, welche relativ große Linsen zum Ausrichten jeweiliger optischer Strahlen von einer sendenden Öffnung eines Knotens zu einer empfangenden Öffnung eines weiteren Knotens aufweisen. Solche FSO-Kommunikationsverbindungen sind potenziell empfindlich gegenüber Beeinträchtigungen, wie zum Beispiel Fehlausrichtung, Vibration und Szintillation/Funkeln.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
In einem Aspekt weist eine Vorrichtung zur optischen Kommunikation mit einem entfernten Knoten in der Regel auf: ein Empfängermodul, welches dafür eingerichtet ist, mindestens einen Abschnitt mindestens eines optischen Strahls vom entfernten Knoten zu empfangen, das Empfängermodul aufweisend: mindestens eine Anordnung optischer Detektormodule und Schaltkreise, welche dafür eingerichtet sind, die optischen Detektormodule zu steuern und Intensitätsinformationen basierend auf einem oder mehreren Signalen von einem oder mehreren der optischen Detektormodule bereitzustellen; und ein Sendermodul, welches dafür eingerichtet ist, mindestens einen optischen Strahl zum entfernten Knoten zu senden, das Sendermodul aufweisend: mindestens ein optisches phasengesteuertes Feld, welches den optischen Strahl, welcher zum entfernten Knoten gesendet wird, bereitstellt, und Schaltkreise, welche dafür eingerichtet sind, Intensitätsinformationen vom entfernten Knoten zu empfangen, um das optische phasengesteuerte Feld zum Lenken des optischen Strahls, welcher zum entfernten Knoten gesendet wird, zu steuern.
In einem weiteren Aspekt umfasst ein Verfahren zur optischen Kommunikation mit einem entfernten Knoten in der Regel: Senden mindestens eines optischen Strahls zum entfernten Knoten; Empfangen mindestens eines Abschnitts des mindestens einen optischen Strahls vom entfernten Knoten; Bereitstellen von Intensitätsinformationen basierend auf einem oder mehreren Signalen von einem oder mehreren optischen Detektormodulen, welche den Abschnitt des optischen Strahls, welcher vom entfernten Knoten empfangen worden ist, erfassen; und Steuern mindestens eines optischen phasengesteuerten Felds zum Lenken des optischen Strahls, welcher zum entfernten Knoten gesendet wird, basierend auf Intensitätsinformationen, welche vom entfernten Knoten empfangen worden sind.
Aspekte können eines oder mehrere der folgenden Merkmale aufweisen.
Die Anordnung optischer Detektormodule weist eine zweidimensionale Anordnung von Fotodioden auf, welche jeweils einen entsprechenden Fotostrom einem entsprechenden Verstärker bereitstellen.
Die Fotodioden weisen Lawinenfotodioden auf, und die Verstärker weisen Transimpedanzverstärker auf.
Die Schaltkreise des Empfängermoduls sind dafür eingerichtet, basierend mindestens teilweise auf dem Vergleichen des Fotostroms im entsprechenden Verstärker mit einem Schwellwert eine Untergruppe von weniger als sämtlichen der Verstärker, welche eingeschaltet sind, zu bestimmen.
Die Schaltkreise des Empfängermoduls sind dafür eingerichtet, eine erste Untergruppe der Fotodioden, welche mindestens einen Abschnitt des optischen Strahls empfangen, und eine zweite Untergruppe der Fotodioden, welche mindestens einen Abschnitt eines weiteren optischen Strahls empfangen, zu bestimmen.
Das Empfängermodul weist ferner eine Lichtquelle auf, welche einen kohärenten lokalen Oszillatorstrahl zum kohärenten Empfangen des optischen Strahls bereitstellt.
Die Lichtquelle stellt mehrere kohärente lokale Oszillatorstrahlen zum kohärenten Empfangen mehrerer optischer Strahlen gleichzeitig bereit.
Die Intensitätsinformationen vom entfernten Knoten werden mindestens während der Einrichtung der optischen Kommunikationsverbindung im freien Raum durch die Schaltkreise des Sendermoduls über ein Seitenkanalnetzwerk, welches von einer optischen Kommunikationsverbindung mit dem entfernten Knoten im freien Raum getrennt ist, empfangen.
Nach der Einrichtung der optischen Kommunikationsverbindung im freien Raum werden zusätzliche Intensitätsinformationen vom entfernten Knoten durch die Schaltkreise des Sendermoduls zum Steuern des optischen phasengesteuerten Felds über die optische Kommunikationsverbindung im freien Raum empfangen.
Das Empfängermodul weist ferner eine Mikrolinsenanordnung in der Nähe der Anordnung optischer Detektormodule auf.
Das Empfängermodul weist ferner mindestens eine Linse auf, welche dafür eingerichtet ist, Licht in der Nähe der Mikrolinsenanordnung zu fokussieren.
Ein Abstand zwischen der Mikrolinsenanordnung und der Linse ist um mindestens 5 % größer oder kleiner als eine Brennweite der Linse.
Das Empfängermodul weist ferner mindestens eine Linse auf, welche dafür eingerichtet ist, Licht in der Nähe der Anordnung optischer Detektormodule zu fokussieren.
Ein Abstand zwischen der Anordnung optischer Detektormodule und der Linse ist um mindestens 5 % größer oder kleiner als eine Brennweite der Linse.
Die Anordnung optischer Detektormodule weist eine Anordnung von Fotodetektoren in einer photonischen integrierten Schaltung auf.
Das optische phasengesteuerte Feld weist eine zweidimensionale Anordnung optischer Emitter auf, welche jeweils mit einem betreffenden optischen Phasenschieber gekoppelt sind, wobei jeweilige Phasenverschiebungssignale, welche an die optischen Phasenschieber angelegt werden, das Lenken einer Ausbreitungsachse des optischen Strahls, welcher an den entfernten Knoten gesendet wird, innerhalb mindestens einer ersten Ebene steuern.
Jeweilige Phasenverschiebungssignale, welche an die optischen Phasenschieber angelegt werden, steuern das Lenken der Ausbreitungsachse des optischen Strahls, welcher an den entfernten Knoten gesendet wird, innerhalb einer zweiten Ebene lotrecht zur ersten Ebene.
Eine Wellenlängenabstimmung optischer Wellen, welche von den optischen Emittern ausgestrahlt werden, steuern das Lenken der Ausbreitungsachse des optischen Strahls, welcher an den entfernten Knoten gesendet wird, innerhalb einer zweiten Ebene lotrecht zur ersten Ebene.
Aspekte können einen oder mehrere der folgenden Vorteile aufweisen.
In einigen Umsetzungen eines hierin beschriebenen Kommunikationssystems ist ein Sendermodul in der Lage, Licht von einer sendenden Öffnung dynamisch zu lenken, und ein Empfängermodul ist in der Lage, Licht von einer empfangenden Öffnung zu erfassen, um Daten, welche über die Verbindung kommuniziert werden, sowie Intensitätsinformationen, welche für das dynamische Lenken verwendet werden, wiederherzustellen. In einigen Umsetzungen verwendet das Sendermodul ein optisches phasengesteuertes Feld (OPA) (zum Beispiel ein OPA, welches auf einem optischen Chip integriert ist) zum dynamischen Lenken, und das Empfängermodul verwendet ein Hochgeschwindigkeitsdetektoranordnungssystem. Eine solche dynamische Ausrichtung kann zum Beispiel hilfreich dabei sein, ein optisches Hochgeschwindigkeitskommunikationssystem bereitzustellen, welches gegenüber manchen der potenziellen Beeinträchtigungen, wie zum Beispiel Fehlausrichtung, Vibration und Szintillation, weniger empfindlich ist. In einigen Umsetzungen können Abschnitte des Systems an beweglichen Sender- (Tx) und Empfänger- (Rx) Plattformen angebracht sein, welche die dynamische Ausrichtung des Systems weiter erleichtern.
Andere Merkmale und Vorteile werden aus der folgenden Beschreibung sowie den Figuren und Ansprüchen ersichtlich.
Figurenliste
Die vorliegende Offenbarung lässt sich am besten anhand der folgenden detaillierten Beschreibung in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen verstehen. Es ist zu betonen, dass gemäß der branchenüblichen Praxis die verschiedenen Merkmale oder Elemente der Zeichnungen nicht maßstabsgetreu dargestellt sind. Vielmehr sind die Abmessungen der verschiedenen Merkmale oder Elemente zugunsten einer klaren Erläuterung willkürlich vergrößert oder verkleinert.

1A ist eine schematische Darstellung eines Beispielkommunikationssystems.
1B-1E sind schematische Darstellungen alternativer Kommunikationsknoten.
2 ist eine schematische Darstellung einer Beispielstrahllenkungsanordnung.
3A und 3B sind schematische Darstellungen von Beispielen von Strahllenkungsanordnungen.
4A und 4B sind schematische Darstellungen einer Seitenansicht beziehungsweise einer Draufsicht einer Mikrolinsen-Emitteranordnung.
5 ist eine schematische Darstellung einer optischen Geometrie für eine Linse.
6 ist eine schematische Darstellung einer optischen Empfängeranordnung.
7 ist eine schematische Darstellung einer optischen Empfängeranordnung.
8 ist eine schematische Darstellung einer optischen Empfängeranordnung.
9 ist eine schematische Darstellung einer optischen Empfängeranordnung.
10 ist eine schematische Darstellung einer optischen Empfängeranordnung.
11A und 11B sind schematische Darstellungen optischer Empfängeranordnungen.
12 ist eine Darstellung empfangener Intensitätsstrukturen an einer Detektoranordnung.
13 ist eine schematische Darstellung eines Mehrstrahl-FSO-Kommunikationssystems.
14A-14D sind schematische Darstellungen von Maschennetzwerkkonfigurationen.
15A und 15B sind schematische Darstellungen kohärenter Erfassungskonfigurationen.
16 ist eine schematische Darstellung einer kohärenten Erfassungskonfiguration.
17 ist eine schematische Darstellung eines kohärenten Mehrkanal-FSO-Kommunikationssystems.
18 ist eine schematische Darstellung einer Beispielerfassungsanordnung.
19 ist ein Schaltplan einer Beispielausleseschaltung.
20 ist eine schematische Darstellung einer Beispieldetektormodulgeometrie.
21 ist eine schematische Darstellung eines Beispieldetektormodulschaltkreises.
22 ist eine Darstellung einer Beispieldetektorfeldanordnung.
23 ist eine schematische Darstellung einer Beispieldetektorfeldanordnung.
24 ist eine schematische Darstellung eines Beispiels optischer Intensitätsstrukturen für verschiedene empfangene Strahlen.
25 ist eine schematische Darstellung eines Beispiel-FSO-Kommunikationssystems.
26 ist eine schematische Darstellung einer Beispielanordnung für dynamisches Strahllenken.
27A und 27B sind schematische Darstellungen von Beispielerfassungsanordnungen.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
Bezugnehmend auf FIG.iA weist ein Beispielkommunikationssystem eine lokalen Knoten 100A und einen entfernten Knoten 100B auf, welche dafür eingerichtet sind, über eine bidirektionale Hochgeschwindigkeits-FSO-Kommunikationsverbindung (oder einfach eine „FSO-Verbindung“), welche in beiden Richtungen zwischen den Kommunikationsknoten 100A und 100B übertragene optische Strahlen verwendet, zu kommunizieren. Zusätzlich dazu ist auch eine bidirektionale Seitenkanalkommunikationsverbindung (oder einfach „Seitenkanalverbindung“) angeordnet, welche in manchen Umsetzungen für eine anfängliche Ausrichtung und/oder eine fortlaufende dynamische Ausrichtung, welche nachfolgend ausführlicher beschrieben wird, verwendet wird. Die Seitenkanalverbindung muss keine besonders hohe Geschwindigkeit bereitstellen (kann zum Beispiel um eine ganze Größenordnung oder mehr langsamer sein als die FSO-Verbindung), kann jedoch eine relativ niedrige Latenz bereitstellen. Zum Beispiel kann ein Seitenkanalnetzwerk 101 ein beliebiger aus einer Vielzahl von Netzwerktypen sein, unter anderem ein Punkt-zu-Punkt-Netzwerk speziell für die Knoten 100A und 100B, und kann ein beliebiges aus einer Vielzahl von Kommunikationsmedien verwenden, wie zum Beispiel: kabelgebundene Medien (zum Beispiel Koaxialkabel), drahtlose Medien, wie zum Beispiel Hochfrequenz- (HF-) Verbindungen, und/oder optische Medien (zum Beispiel Glasfasern).
In diesem Beispiel ist der lokale Knoten 100A dafür eingerichtet, einen ausgehenden Strahl 102A, welcher in der Lage ist, über einen Raumwinkel in die Richtung des entfernten Knotens 100B gelenkt zu werden, bereitzustellen und einen eingehenden Strahl 104A zu empfangen. Ein Strahlablenker 106 kann dafür eingerichtet sein, eine beliebige aus einer Vielzahl von Techniken zu verwenden, um den ausgehenden Strahl 102A zu lenken, unter anderem optische phasengesteuerte Felder, wie nachfolgend ausführlicher beschrieben. Der lokale Knoten 100A ist auch dafür eingerichtet, Daten von einem eingehenden Datenstrom 108 auf den ausgehenden Strahl 102A zu modulieren. Ein Intensitätsrückmeldungseingangsanschluss 110 stellt Intensitätsinformationen, welche vom entfernten Knoten 102B über das Seitenkanalnetzwerk 101 gesendet worden sind, bereit, welche vom Strahlablenker 106 wiederum dazu verwendet werden, den ausgehenden Strahl 102A zu lenken. Der lokale Knoten 100A weist auch eine Detektoranordnung 112 auf, welche eine Verteilung eng beieinanderliegender optischer Detektormodule aufweist, deren erfasste Signale einzelne Bildpunkte eines Erfassungsbereichs darstellen. Die Detektoranordnung 112, der Strahlablenker 106 und andere Komponenten im Knoten 100A können zum Beispiel von einer Plattform oder einer anderen festen Struktur getragen sein. In einigen Umsetzungen weist der entfernte Knoten 100B dieselben Komponenten auf wie der lokale Knoten 100A. Einige Konfigurationen und Ausrichtungsverfahren werden im Zusammenhang mit dem lokalen Knoten 100A beschrieben, wobei im Wesentlichen dieselben Verfahren auch am entfernten Knoten 100B ausgeführt werden können.
In der Regel weist der eingehende Strahl 104A ein optisches Intensitätseinfallsprofil auf, welches über eine Anzahl von Bildpunkten verteilt ist. Der lokale Knoten 102A weist Schaltkreise auf, welche dafür eingerichtet sind, die optischen Detektormodule der Detektoranordnung 112 zu steuern und Intensitätsinformationen von einem Intensitätsrückmeldungsausgangsanschluss 116 zur Übertragung an den entfernten Knoten 100B bereitzustellen. Die Signale basierend auf den Intensitätsinformationen von den optischen Detektormodulen an einem Knoten können zum anderen Knoten gesendet werden, um das dynamische Lenken der Strahlen zum Ausgleich von Drift des Intensitätsprofils über die Bildpunkte aufgrund von atmosphärischen Effekten (zum Beispiel Intensitätsszintillation aufgrund von Turbulenzen in der Luft zwischen den Knoten) und/oder Bewegung eines der oder beider Knoten zu führen. Ferner kann auch Energie gespart werden, indem gesteuert wird, welche optischen Detektormodule während der Erfassung gleichzeitig aktiv sind. Zum Beispiel kann ein optisches Detektormodul eine zweidimensionale Anordnung von Fotodioden (zum Beispiel Lawinenfotodioden) aufweisen, welche jeweils einem entsprechenden Verstärker (zum Beispiel einem Transimpedanzverstärker) einen entsprechenden Fotostrom bereitstellen. Der Verstärker kann je nach Bedarf basierend darauf, ob eine Ausgabe der Fotodiode einen Schwellwert übersteigt oder nicht, ein- oder ausgeschaltet werden, um Energie zu sparen.
Wenn die FSO-Verbindung zwischen den Knoten 100A und 100B anfangs eingestellt wird, erfolgt ein anfänglicher Ausrichtungsvorgang, welcher eine Grobausrichtungsphase und eine Feinausrichtungsphase umfasst. Während der Grobausrichtungsphase wird der ausgehende Strahl 102A im Einklang mit vorher festgelegten Standortinformationen (zum Beispiel GPS-Koordinaten oder anderen absoluten oder relativen Koordinaten) in einer ungefähren Richtung ausgerichtet, von welcher angenommen wird, dass sie auf den entfernten Knoten 100B gerichtet ist. Die Grobausrichtungsphase kann optional auch ein ungefähres Lenken umfassen, für welches Informationen von einem Teleskop am lokalen Knoten 100A und/oder von einem Retroreflektor, welcher am oder in der Nähe des entfernten Knotens 100B angeordnet ist, verwendet werden. Die Grobausrichtungsphase kann für manche Kommunikationssitzungen nicht erforderlich sein, falls der ausgehende Strahl 102A bereits von einer vorherigen FSO-Verbindung, welche zwischen den Knoten 100A und 100B verwendet worden ist, ungefähr ausgerichtet ist.
Wenn der ausgehende Strahl 102A am entfernten Knoten 100B als ein eingehender Strahl 104B ankommt, kann die Feinausrichtungsphase dazu verwendet werden sicherzustellen, dass der eingehende Strahl 104B in Bezug auf eine Detektoranordnung des entfernten Knotens 100B entsprechend ausgerichtet ist. In manchen Fällen kann der eingehende Strahl 104B zum Beispiel aufgrund von Absorption oder anderen Beeinträchtigungen durch atmosphärische Ausbreitung oder aufgrund von Strahlverbreiterung nur einen Abschnitt der Leistung des ausgehenden Strahls 104A aufweisen. Als Bestandteil der Feinausrichtungsphase können Intensitätsinformationen am entfernten Knoten 100B erfasst und über das Seitenkanalnetzwerk 101 dem Intensitätsrückmeldungsanschluss 110 bereitgestellt werden. Die Intensitätsinformationen können ein Signalqualitätsmaß aufweisen, welches angibt, welcher Anteil der Leistung im eingehenden Strahl 104B durch optische Detektormodule in der Detektoranordnung des entfernten Knotens 100B erfasst wird.
Nachdem die FSO-Verbindung betriebsbereit ist, kann auch eine fortlaufende dynamische Ausrichtung erfolgen, welche dazu verwendet wird, den ausgehenden Strahl 102A basierend auf Intensitätsinformationen, welche als Rückmeldung vom entfernten Knoten 100B verwendet werden, weiterhin zu lenken. Zum Beispiel kann Lenken notwendig sein, um veränderliche atmosphärische Bedingungen auszugleichen, welche sich auf die Ausbreitungsrichtung des Strahls auswirken. Nachdem die FSO-Verbindung betriebsbereit ist, können in einigen Umsetzungen die Intensitätsinformationen als Informationen eingebettet in den Datenkommunikationsströmen in beide Richtungen gesendet werden (zum Beispiel unter Verwendung von Multiplexen in der Zeitdomäne oder Multiplexen in der Frequenzdomäne), anstatt das Seitenkanalnetzwerk 101 zum Senden der Intensitätsinformationen zwischen den Knoten für die dynamische Ausrichtung der Strahlen in beiden Richtungen zu verwenden.
1B-1E zeigen Beispiele alternativer Umsetzungen eines Kommunikationsknotens. Bezugnehmend auf 1B weist ein Knoten 100C eine Linse 120 oder andere strahlformende optische Elemente auf, um die Strahldivergenz zu begrenzen und sicherzustellen, dass der eingehende Strahl am entfernten Knoten relativ gut fokussiert bleibt. Bezugnehmend auf 1C weist ein Knoten 100D eine Linse 122 oder andere strahlformende optische Elemente auf, um Licht von jenseits der Objektivöffnung zu sammeln und mindestens einen Abschnitt des eingehenden Strahls 104A auf einen Abschnitt der Detektoranordnung 112 (zum Beispiel einen oder eine relativ kleine Anzahl von Bildpunkten) zu fokussieren. Im Beispiel von 1D weist ein Knoten 100E sowohl die senderseitige Linse 120 als auch die empfängerseitige Linse 122 auf. Für den Knoten 100C ohne die senderseitige Linse kann in einigen Umsetzungen ein größeres Sichtfeld erzielt werden. Für den Knoten 100B ohne die empfängerseitige Linse kann in einigen Umsetzungen eine geringere Empfindlichkeit gegenüber Ausrichtungsfehlern erzielt werden.
Bezugnehmend auf 1E kann die Detektoranordnung 112 in einem Abstand angeordnet sein, welcher nicht exakt mit einer der empfängerseitigen Linse 122 zugeordneten Brennebene übereinstimmt. Zum Beispiel wäre für einen optischen Strahl, welcher im Wesentlichen kollimiert (parallelgerichtet) ist (zum Beispiel zur Ausbreitung über eine relativ große Entfernung), die engste Punktgröße nach der empfängerseitigen Linse 122 nahe der Brennweite der Linse 122. Das Anordnen der Detektoranordnung 112 in einem Abstand weiter entfernt als die Brennweite (oder näher als die Brennweite) würde zu einem Strahl führen, welcher nicht perfekt auf die Detektoranordnung 112 fokussiert ist, was in einigen Umsetzungen von Vorteil sein kann, wie nachfolgend ausführlicher erklärt. Das Ausmaß der Defokussierung kann variieren, aber in einigen Umsetzungen ist der Abstand zwischen der Linse 122 und der Detektoranordnung 112 um mindestens ungefähr 5 % oder mehr, oder mindestens ungefähr 10 % oder mehr, größer oder kleiner als die Brennweite.
Bezugnehmend auf 2 weist ein Beispiel einer Strahllenkungsanordnung 200 einen abstimmbaren Laser 202 auf, welcher mit Daten von einem eingehenden Datenstrom (zum Beispiel mit Binärdatensymbolen abgebildet auf verschiedenen Intensitätsniveaus) moduliert werden kann (zum Beispiel unter Verwendung von Intensitätsmodulation). Dann wird das Licht durch ein Netzwerk von Teilern 204 auf eine Anordnung von Phasenschiebern 206 und eine Anordnung von optischen Emittern 208 verteilt. Dieses optische phasengesteuerte Feld kann unter Verwendung von Wellenlänge und Phase in zwei Winkeldimensionen gelenkt werden. Die Wellenlänge (oder, gleichwirkend, die Frequenz) des abstimmbaren Lasers 202 kann abgestimmt werden, um über eine Winkeldimension eines Raumwinkels zu lenken, und die relativen Phasenverschiebungen der Phasenschieber 206 können abgestimmt werden, um über eine weitere Winkeldimension des Raumwinkels zu lenken.
Bezugnehmend auf die 3A und 3B verwenden andere Beispiele von Strahllenkungsanordnungen ein zweidimensionales optisches phasengesteuertes Feld, welches in der Lage ist, unter Verwendung der Phase über beide Winkeldimensionen gelenkt zu werden.
3A zeigt eine Anordnung 300A, welche optische Emitter 302 verteilt über einen rechteckig geformten Bereich aufweist, wobei Licht zu Phasenschiebern 304 gekoppelt mit jeweils einem der Emitter 302 verteilt worden ist. In diesem Beispiel wird das Licht den Emittern 302 unter Verwendung eines „H-Baum“-förmigen Teilernetzwerks zugeführt. Diese Phasensteuerung kann auch in einem subphasengesteuertem Feldformat vorgenommen werden, welches weniger Eingangs-/Ausgangs-Steuerungen (E-/A-Steuerungen) ermöglicht, wie im US-Patent mit der Nummer 10,613,410, welches durch Bezugnahme in die vorliegende Anmeldung aufgenommen wird, ausführlicher beschrieben.
Ein mögliches Problem, auf welches man bei dieser Anordnung 300A treffen kann, besteht darin, dass die Emitter 302 einen Abstand von ihren nächstgelegenen Nachbarn aufweisen können, welcher größer ist als eine bestimmte Subwellenlängenteilung (zum Beispiel die Hälfte der Arbeitswellenlänge), was zu Nebenkeulen in der Feldemissionsstruktur führen würde. Ein Weg zum Vermindern dieses Effekts der Nebenkeulen (zum Beispiel Verringern der Menge an Energie, welche in die Seitenkeulen emittiert wird) besteht darin, den Elementfaktor im Zusammenhang mit einzelnen Emittern stärker auszurichten. 3B zeigt zum Beispiel einen Weg, die einzelnen Emitter stärker auszurichten, indem eine Mikrolinsenanordnung 306 in der Nähe der Emitter 302 derart angeordnet wird, dass die Linsen in der Mikrolinsenanordnung 306 ungefähr in einem selben Abstandsmaß angeordnet sind, wie die Emitter 302. In einigen Umsetzungen können die Mittelpunkte der Linsen feinabgestimmt werden, um im Wesentlichen mit den Positionen der Emitter übereinzustimmen.
4 zeigt in einer Seitenansicht ein Beispiel einer Mikrolinse 400, welche in der Lage ist, über einem optischen Emitter 402 angeordnet zu werden. In diesem Beispiel wird die Mikrolinse 400 innerhalb eines Glassubstrats gebildet, welches einen Brechungsindex von 1,44 aufweist, und einen Durchmesser von ungefähr 95 µm, einen Krümmungsradius von ungefähr 120 µm und eine numerische Apertur (NA) von ungefähr 0,2 aufweist. Es besteht ein Arbeitsabstand von ungefähr 240 µm zwischen der Mikrolinse 400 und einem Siliziumwellenleiteremitter 404. Der Emitter 404 kann als ein Wellenleiter umgesetzt sein, welcher eine Gitterstruktur aufweist, welche innerhalb einer Oxidummantelung 406 über einem Siliziumsubstrat 408, welches unter Verwendung einer Silizium-auf-Isolator-Plattform (SOI-Plattform) hergestellt wird, eingebettet ist. 4B zeigt eine Draufsicht einer Anordnung 410 der Mikrolinsen 400 innerhalb einer Mikrolinsenanordnung, welche über jeweiligen optischen Emittern 402 angeordnet sind.
5 zeigt ein Beispiel einer Linse 500, welche als eine Mikrolinse innerhalb einer Mikrolinsenanordnung verwendet wird, und die dadurch entstehende optische Geometrie, welche daran beteiligt ist, eine emittierende/erfassende Vorrichtung stärker auszurichten, um eine Nebenmodenunterdrückung bereitzustellen. In diesem Beispiel weist die Linse 500 eine Brennweite von ungefähr 200 µm auf, und es wird angenommen, dass die resultierende Brennfleckgröße in der Brennebene ungefähr 8 µm beträgt. Der Betrachtungswinkel beträgt ungefähr 1,5 Grad. Wenn sich die Größe der Linse (und die daraus resultierende numerische Apertur) erhöht, nimmt die Richtwirkung/Bündelung zu.
Bezugnehmend auf 6 kann die Aufnahme einer empfängerseitigen Linse in eine optische Empfängeranordnung potenziell zur Verringerung des Sichtfelds (oder des „Blickfelds“ oder des „Sammelkegels“) führen, falls zum Beispiel nur ein Empfänger (zum Beispiel ein Fotodetektor) verwendet wird. Jedoch kann das Sichtfeld mit einer empfängerseitigen Linse 600 vergrößert werden, indem mehrere Empfänger, welche angemessen über einer Brennebene angeordnet sind, verwendet werden. Falls sich die Richtung einer eingehenden ebenen Welle verändert (zum Beispiel von einem eingehenden Strahl 602A in einen eingehenden Strahl 602B), bewegt sich der Brennpunkt eines entsprechenden Empfängers auf einer halbkugelförmigen Brennebene (zum Beispiel vom Empfänger 602A zum Empfänger 602B). Eine solche halbkugelförmige Anordnung von Empfänger würde ermöglichen, dass Licht über einen relativ großen Raumkegel aufgenommen wird. Falls alternativ dazu nur ein einziger Empfänger im Zentrum der Linsenachse angeordnet wäre, würde Licht nur aus einem begrenzteren Raumwinkel aufgenommen werden.
7 und 8 zeigen unterschiedliche optische Empfängeranordnungen ohne beziehungsweise mit einer empfängerseitigen Linse. Wenn bezugnehmend auf 7 keine empfängerseitige Linse in der Empfängeranordnung angeordnet ist, so weist ein Fotodetektor 700 ein Blickfeld 702 auf, welches vom Akzeptanzwinkel und vom Brechungsindex des Fotodetektors 700 abhängt. Wenn bezugnehmend auf 8 eine Linse 800 in der Empfängeranordnung angeordnet ist, schränkt ein sekundärer Faktor die Anordnung noch weiter auf ein engeres Blickfeld 802 ein. Insbesondere, wie oben erklärt, erfolgt eine damit verbundene Bewegung des Brennpunkts auf der Brennebene 804, welche mit der Linse 800 in Verbindung steht, wenn sich der Winkel des eingehenden Strahls verändert. 9 zeigt eine optische Empfängeranordnung, bei welcher eine Linse 900 und eine Anordnung von mehreren Fotodetektoren auf einer halbkugelförmigen Brennebene 902 angeordnet sind, welche in der Lage sind, Brennflecken von verschiedenen eingehenden Strahlen 904A und 904B, welche in unterschiedlichen Winkel auftreffen, zu empfangen. Zum Beispiel kann die Position und/oder der Winkel des eingehenden Strahls aufgrund der Effekte atmosphärischer Ausbreitung driften. Die elektrischen Signale 906 von den verschiedenen Fotodetektoren entsprechen verschiedenen Bildpunkten aufweisend unterschiedliche Intensitäten in empfangenen Bildern, welche während des Betriebs der FSO-Verbindung variieren können, wenn der Strahl driftet.
Bezugnehmend auf 10 weist in einigen optischen Empfängeranordnungen ein Linsenkombinationssystem 1000 mehrere Linsen, oder mehrere Komponenten einer Verbundlinse, mit unterschiedlichen Formen und/oder Brennweiten auf, welche dafür angeordnet sind, einen eingehenden Strahl, welcher aus verschiedenen Winkeln auftrifft (zum Beispiel einen eingehenden Strahl 1002A oder einen eingehenden Strahl 1002B) zu empfangen. Als eine Alternative zu einer halbkugelförmigen Brennebene in Zusammenhang mit einer einzigen Linse, ist das Linsenkombinationssystem 1000 in der Lage, eine verflachte Brennebene bereitzustellen, welche einer gewünschten geebneten Brennebene 1004 eher entspricht. In einigen Umsetzungen einer Detektoranordnung kann die verflachte Brennebene 1004 eine besser geeignete Anordnung zum Verteilen des Fotodetektors und/oder anderer Komponenten der Detektormodule der Detektoranordnung sein. In einer solchen optischen Empfängeranordnung kann ein Strahl, welcher über einen außermittigen Zugangsweg empfangen wird, in einem bestimmten Abschnitt der Erfassungsfläche 1004 bewusst defokussiert sein, wie an der Randposition 1006 gezeigt, welche leicht defokussiert ist.
Optische Empfängeranordnungen der 11A und 11B veranschaulichen ferner, wie ein bewusstes Defokussieren in einigen Umsetzungen positive Auswirkungen aufweisen kann. Bezugnehmend auf 11A bildet ein Linsensystem 1102 (zum Beispiel ein System aus einer oder mehreren Linsen) entsprechende Brennflecken für verschiedene Bildpunkte, welche verschiedenen Fotodetektoren einer Fotodetektoranordnung 1104 und verschiedenen Mikrolinsen einer Mikrolinsenanordnung 1106 entsprechen, auf verschiedene eingehende akzeptierte Winkel und Positionen im Sichtfeld 1108 ab. In diesem Beispiel, in welchem die Fleckgrößen relativ schmal sind (ungefähr einen einzelnen Bildpunkt breit), wird das Licht für einige akzeptierte Winkel/Positionen sehr effizient erfasst. Zum Beispiel wird ein eingehender Strahl 1110A auf einen der Bildpunkte fokussiert, um eine elektrische Signalausgabe 1112A von diesem Bildpunkt zu erzeugen. Bei anderen Winkeln/an anderen Positionen besteht jedoch eine Lücke im Sichtfeld 1108, wo das Licht zwischen Bildpunkte fallen kann und kein oder nur ein sehr geringes elektrisches Signal bewirkt (das heißt, nicht empfangen wird).
Die Lücken in den akzeptierten Winkeln/Positionen können verringert oder beseitigt werden, indem eine Fleckgröße vorliegt, welche größer als die Bildpunktgröße ist, und/oder indem eine kleine Menge von Defokussierung im Strahl vorliegt, wenn dieser durch die Mikrolinsenanordnung 1106 erfasst wird. Bezugnehmend auf 11B weist ein Sichtfeld 1114 überlappende Kegel akzeptierter Winkel auf, welche jeweils mehreren Bildpunkten zugeordnet sind. Zum Beispiel wird ein eingehender Strahl 110B auf mehrere Bildpunkte 1116B fokussiert, um eine elektrische Signalausgabe 1112B von diesen Bildpunkten 1116B zu erzeugen. Der Effekt des Defokussierens ist auch im Beispiel von 12 ersichtlich, in welchem fokussierte Intensitätsstrukturen auf Bildpunkten einer 21 × 21-Bildpunktdetectoranordnung 1200, welche eine Bildpunktgröße von ungefähr 200 µm aufweist, gezeigt sind. Dieses Beispiel zeigt Intensitätsstrukturen für zwei unterschiedliche mögliche Strahlengänge eines Strahls, welcher von einer quadratförmigen senderseitigen Öffnung gesendet wird. Alternativ dazu könnten die zwei unterschiedlichen Intensitätsstrukturen mehreren Strahlen entsprechen, welche zur selben Zeit empfangen werden, wie nachfolgend ausführlicher beschrieben. In diesem Beispiel haben die quadratische Form der senderseitigen Öffnung und die endlichen Emitterabstände eines senderseitigen OPA zu einer Intensitätsstruktur für jeden der Brennflecken geführt, welche eine Hauptkeule im Zentrum, welche mehr als einen Bildpunkt bedeckt, sowie mehrere Nebenkeulen entlang von zwei orthogonalen Dimensionen an jeder der Seiten der Hauptkeule aufweist.
Falls die elektrischen Signalausgaben von mehreren einzelnen Bildpunkten zur selben Zeit erfasst werden, kann mehr als ein Datenstrom von einer Detektoranordnung gleichzeitig empfangen werden. 13 zeigt ein Mehrstrahl-FSO Kommunikationssystem, in welchem vier Kommunikationsknoten 1300A, 1300B, 1300C und 1300D dafür eingerichtet sind, miteinander zu kommunizieren. Der Knoten 1300A nimmt in diesem Beispiel Strahlen von mehreren Knoten 1300B und 1300C zur selben Zeit auf. In der Regel kann eine beliebige Anzahl von Kommunikationsknoten dafür gestaltet sein, in einem Maschennetzwerk zu kommunizieren, in welchem jeder der Kommunikationsknoten Daten zu einem beliebigen der anderen Kommunikationsknoten senden oder von diesen empfangen kann. In diesem Beispiel weist jeder der Kommunikationsknoten einen einzelnen senderseitigen Anschluss, jedoch mehrere empfängerseitige Anschlüsse auf, welche den mehreren Intensitätsstrukturen, welche an einer Detektoranordnung zur selben Zeit erfasst werden können, entsprechen. Somit sind eine Vielzahl von Maschennetzwerkkonfigurationen möglich, wie in den 14A-14D gezeigt, in welchen die Pfeile die Übertragung von Daten über eine FSO-Verbindung zwischen verschiedenen Kommunikationsknoten (dargestellt durch Kreise) anzeigen. In anderen Beispielen kann jeder der Kommunikationsknoten mehrere senderseitige Anschlüsse aufweisen, zum Beispiel indem mehrere Strahlen von mehreren senderseitigen Öffnungen ausgesendet werden, was zu Maschennetzwerkkonfigurationen führt, welche potenziell komplexer und flexibler sind.
Weitere mögliche Merkmale, welche einige Umsetzungen eines Kommunikationssystems unter Verwendung der hierin beschriebenen FSO-Verbindungen aufweisen können, weisen andere Modulationstechniken als Intensitätsmodulation mit Binärbits auf. Falls zum Beispiel eine Empfängerschaltung lineare Verstärker und nichtbinäre Entscheidungsschaltungen aufweist, ist es möglich, unter Verwendung einer PAM4- oder einer Amplitudenmodulation höherer Ordnung mehr Informationen zu übertragen. Falls des Weiteren ein kohärenter lokaler Oszillator (LO) (zum Beispiel Licht aus einem Laser) benützt wird, ist es möglich, kohärente Erfassung mit Phasenmodulation zu verwenden. Das Benützen eines kohärenten Erfassungsverfahrens, kann die Empfängerschaltung komplizierter machen, kann jedoch auch die Empfindlichkeit des Systems für Langstreckenkommunikationsverbindungen, in welchen sehr wenige Photonen den Empfänger erreichen könnten, wesentlich verbessern. 15A zeigt ein Beispiel einer gleichmäßigen Beleuchtungskonfiguration 1500A, in welcher eine empfängerseitige Linse 1502 eingehendes Licht auf eine Detektoranordnung 1504 fokussiert, wobei ein LO-Laser 1506 und eine Linse 1508 dazu verwendet werden, die Detektoranordnung 1504 gleichmäßig zu beleuchten. In einigen Umsetzungen wird die anfängliche gleichmäßige Beleuchtungskonfiguration 1500A anfangs dazu verwendet, ein Signal von einem Strahl zu lokalisieren, und danach wird eine gerichtete Beleuchtungskonfiguration 1500B mit dem gezielter fokussierten LO-Strahl verwendet und auf einen Abschnitt der Detektoranordnung 1504 gelenkt. Zum Beispiel kann ein LO-Steuersystem 1510 eine schnelle Rückkopplungsschleife aufweisen, um die LO-Fleckgröße zu steuern und den LO-Strahl dynamisch zu lenken. Der LO-Laser 1506 kann mit einem Übertragungslaser an einem entfernten Knoten gekoppelt sein, und eine Hybridempfangsschaltung ist in der Lage, die Phase des modulierten Lichts zu extrahieren. 16 zeigt eine kohärente Beispielerfassungskonfiguration 1600, welche eine empfängerseitige Linse 1602 zum Fokussieren von Licht von mehreren empfangenen Strahlen auf eine Detektoranordnung 1604 aufweist. In diesem Beispiel sind mehrere LO-Quellen 1606A und 1606B angeordnet, um einen separaten kohärenten LO-Strahl zum gleichzeitigen Interferieren mit jedem von zwei verschiedenen empfangenen Strahlen gleichzeitig bereitzustellen. Auf diese Weise kann eine beliebige Anzahl unabhängiger LO-Quellen dazu verwendet werden, einen Mehrkanalempfänger umzusetzen.
17 zeigt eine Beispielkonfiguration eines kohärenten Mehrkanal-FSO-Kommunikationssystems 1700. Es weist einen Knoten 1702, welcher einen Tx-Laser 1 aufweist, und einen Knoten 1704, welcher einen Tx-Laser 2 aufweist, auf, welche optische Wellen moduliert mit jeweiligen Datenströmen Daten 1 und Daten 2 bereitstellen. Diese optischen Wellen werden als separate optische Strahlen emittiert, welche sich durch die Atmosphäre 1706 ausbreiten, um durch einen Konten 1708 empfangen zu werden. In diesem Beispiel ist eine Lichterfassung für zwei Detektormodule in einer Anordnung mehrerer Detektormodule gezeigt. Ein Laser LO1 und ein Laser LO2 stellen getrennte LO-Strahlen bereit, welche auf die einzelnen Detektormodule gerichtet sind, um gleichphasige und quadraturphasige (I/Q) Komponenten eines kohärent erfassten Signals zu erfassen, welche einem digitalen Signalverarbeitungsschaltkreis (DSP-Schaltkreis) bereitgestellt werden, um die Datenströme Daten 1 und Daten 2 zu demodulieren.
In Umsetzungen, in welchen das System eine relativ große Anzahl von Detektormodulen aufweist, ist es nützlich, in der Lage zu sein, die empfangenen Datenströme zu verarbeiten und die eingehenden Daten zu lesen, ohne übermäßige Störungen, parasitäre Effekte und/oder Verlust der potenziell schwachen Signale zu verursachen. 18 zeigt ein Beispiel einer Detektoranordnung 1800, welche eine empfängerseitige Linse 1802 und eine Mikrolinsenanordnung 1804 angeordnet vor einer Detektoranordnung 1806 von Detektormodulen aufweist, welche jeweils Ausleseschaltkreise auf einer integrierten SiGe-BiCMOS-Plattform, welche einen Transimpedanzverstärker (TIA) für jedes der Detektormodule bereitstellt, aufweisen. Wenn ein TIA direkt unter einem entsprechenden Lawinenfotodioden-Fotodetektor (APD-Fotodetektor) angeordnet wird, kann die APD eine Anfangsverstärkung bereitstellen (zum Beispiel zwischen ungefähr 10 und 1000) und den entstehenden Fotostrom in eine TIA-Verstärkungsstufe einspeisen. Der TIA-Energieverbrauch ist relativ niedrig (zum Beispiel weniger als ungefähr 1 mW pro Bildpunkt für eine TIA-Verstärkung von 1 µA auf 0,8 Vpp). Ein rauscharmer TIA mit einer Bandbreite geeignet für die Datenrate ist in der Lage, eine Spannungssignalausgabe bereitzustellen, welche durch einen rauscharmen Verstärker (zum Beispiel mit einem Rauschen von weniger als ungefähr 3 pA/-√Hz) verstärkt, einem Begrenzungsverstärker eingespeist und digitalisiert werden kann. 19 zeigt eine mögliche Umsetzung einer Ausleseschaltung 1900. 20 zeigt ein Beispieldetektormodul 2000 mit Beispielabmessungen für einen einzelnen Bildpunkt. Das Modul weist eine APD mit einem aktiven Bereich mit einem Durchmesser von ungefähr 36 bis 75 µm auf. Eine Anordnung zugeordneter Schaltkreise rund um die APD weist eine Fläche mit einem Durchmesser von ungefähr 50 bis 200 µm auf. Die Gesamtanzahl von Bildpunkten in einem gesamten Detektorbereich von rund 4 cm² kann zum Beispiel ungefähr 10.000 bis 160.000 betragen, wobei bei einer größeren Detektorfläche Millionen von Bildpunkten angeordnet sein können.
In einigen Umsetzungen können die TIAs und andere Hilfsschaltkreise für eine bestimmte APD ausgeschaltet oder in einen Stromsparmodus (oder „Ruhezustand“) versetzt werden, um Energie zu sparen. 21 zeigt ein Beispiel von Schaltkreisen für ein Detektormodul. In diesem Beispiel gibt es eine Fotodiode 2100 (zum Beispiel eine APD), welche einen Bildpunkt einer Anordnung von Fotodioden, welche auf einer photonischen integrierten Schaltung (PIC) gebildet sind, darstellt. Eine Signalverarbeitungsschaltung 2102, zum Beispiel umgesetzt als eine anwendungsspezifische integrierte Schaltung (ASIC) für analoge/gemischte Signale, weist Bildpunktschaltkreise 2104 für einzelne Bildpunkte sowie eine Steuerung 2106 (zum Beispiel einen Multiplexer oder eine andere selektive Schaltung), welche in der Lage ist, empfangene Daten basierend auf „Signal gültig“-Informationen für ausgewählte Bildpunkte auszuwählen, auf. Die Bildpunktschaltkreise 2104 weisen einen TIA, einen Begrenzungsverstärker und ein Signalerfassungs-/automatisches Verstärkungssteuerungsschaltungsmodul zum Verringern von Bitfehlern auf, welche zusammen die Erfassung eines Datensignals ermöglichen. Unter Verwendung des Bildpunktschaltkreises 2104 und der Steuerung 2106 ist der Signalverarbeitungsschaltkreis 2102 dafür eingerichtet, den Fotostrom von der Fotodiode 2100 zu überwachen, und sobald der Strom in einem vorher festgelegten Spektralbereich (zum Beispiel einem Spektralbereich für ein erwartetes moduliertes Datensignal) einen vorher festgelegten Schwellwert übersteigt, können der TIA und andere Schaltkreise aktiviert werden. Diese gezielte Aktivierung verringert den gesamten Energieverbrauch sowie eine lokale Wärmeerzeugung der Detektoranordnung.
In einigen Umsetzungen sind die elektronische Anordnung von Verstärkern sowie andere Schaltkreise relativ nahe an der Fotodetektoranordnung angeordnet, um Rauschen und Kapazität zu verringern. 22 zeigt ein Beispiel einer Detektoranordnung 2200, welche eine Anordnung verschiedener Schichten in einer kompakten Konfiguration aufweist. Eine APD-Schicht 2202 weist APDs auf, welche einfallendes Licht erfassen. Eine Mittelschicht 2204 weist eine Anordnung von TIAs, Verstärkungsschaltungen und Digitalisierschaltungen auf. Die Mittelschicht 2204 kann im selben Die wie die APD-Schicht 2202 gebildet sein, oder kann zum Beispiel unter Verwendung von 3D-Integration mit einem Die, welcher die APD-Schicht 2202 enthält, verbunden sein. Eine Rückschicht 2206 weist zusätzliche DSP- und Signalaufbereitungsschaltkreise auf, sodass jeder der Bildpunkte Signalverarbeitungsfähigkeiten aufweisen kann. Ein oder mehrere E/A-Chips 2208 entlang eines oder mehrerer Ränder der Rückschicht 2206 werden dazu verwendet, Signale von einer Gruppe von Bildpunkten, welche einem bestimmten empfangenen Strahl entspricht, zu empfangen. In einigen Beispielen können mehrere Bildpunkte einzelne Elemente gemeinsam nutzen. Zum Beispiel zeigt 23 eine Beispieldetektorfeldanordnung 2300, welche mehrere APDs für jede der Mikrolinsen aufweist, wobei jede der APD ihren eigenen TIA aufweist, und es einen einzigen DSP für mehrere benachbarte TIAs gibt. Eine Vielzahl anderer Anordnungen ist ebenfalls möglich, wie zum Beispiel Anordnungen, in welchen jeder der Bildpunkte denselben Satz von Elementen aufweist.
24 zeigt ein Beispiel, in welchem drei verschiedene Strahlen durch eine Detektoranordnung 2400 empfangen werden. Aufgrund von atmosphärischen Effekten, Vibrationen der Plattform, welche die empfängerseitigen und/oder die senderseitigen optischen Elemente trägt, und/oder einer Relativbewegung der Knoten (wie zum Beispiel bei einer Drohne, welche mit einem Flugzeug kommuniziert, oder der Fernkommunikation zwischen zwei Satelliten), können sich die Brennflecken auf der Detektoranordnung 2400 bewegen. Die entstehenden Intensitätsstrukturen für die Bewegung der Brennflecken innerhalb eines bestimmten Zeitraums sind in 24 gezeigt. Je schneller sich eine Plattform zum Beispiel bewegt, umso rascher bewegt sich der Brennfleck eines Strahls über verschiedene Bildpunkte. Um eine fortlaufende Datenübertragung ohne einen Fehler zu erzielen, sollten der Bildpunkt oder die Bildpunkte, welche für das Erfassen der Daten verantwortlich sind, nahtlos übertragen werden, wenn sich der Brennfleck bewegt. Dies kann erreicht werden, indem eine Schaltung ausgeführt mit einer schnellen Rückkopplungsschleife verwendet wird, welche in der Lage ist, die Bildpunkte, welche ein ausreichend hohes Signal empfangen, zu erfassen und die Bewegung des Brennflecks zu verfolgen. In einigen Umsetzungen ist die Schaltung auch dafür eingerichtet, die nächsten Bildpunkte vorherzusagen, welche für das Erfassen der Daten bereit sein sollten. Dies kann zum Beispiel durch eine angemessene Steuerung der analogen Verstärkungsschaltkreise umgesetzt werden, sowie durch Schaltkreise in der digitalen Schicht, welche dafür eingerichtet sind, den Durchsatz der E/A-Anordnung, welche zum Streamen von Daten in Zusammenhang mit verschiedenen verfolgten Strahlen mit E/A-Anschlüssen 2402 gekoppelt ist, zu steuern.
Ein Beispiel eines FSO-Kommunikationssystems ist in 25 gezeigt, welches eine TX/RX-Einheit im freien Raum 2500, welche einem bestimmten lokalen Knoten zugeordnet ist, sowie eine Peer-TX/RX-Einheit 2502, welche einem entfernten Knoten zugeordnet ist, aufweist. Um eine optimale Signalqualität zu erzielen, ist das Arretieren in der optimalen Richtung für das beste Signal-Rausch-Verhältnis und die beste Bitfehlerrate von Nutzen. Daher können die Optikpackages des Empfängers und des Senders in den beiden Knoten aufeinander ausgerichtet sein und idealerweise einen Rückkopplungsmechanismus aufweisen, um die beste Richtung für die Übertragung und die beste Bildpunktauswahl für den Empfang zu erlangen. Dies ist möglich, falls das Empfängersystem Leistungsüberwachungsschaltkreise und möglicherweise Fehlerüberwachungs-DSP-Schaltkreise aufweist. Falls eine Fehlerkorrekturkodierung, wie zum Beispiel Vorwärtsfehlerkorrektur (FEC) benützt wird, werden einige der Bits im Übertragungsdatenstrom zum Erfassen fehlerhafter Bits verwendet. Das Empfängersystem kann die Menge an Fehlern im Zeitverlauf überwachen und seinen Sichtwinkel korrigieren. Das Sendersystem kann auch Intensitätsinformationen vom entfernten Knoten (zum Beispiel über eine Seitenkanalverbindung) empfangen, um den gesendeten Strahl basierend auf dieser Rückmeldung zu lenken, um die Strahlpositionierung an der Detektoranordnung des entfernten Knotens zum Beispiel unter Verwendung der Grobeinstellungs- und Feineinstellungsphasen der anfänglichen Ausrichtung sowie der dynamischen Ausrichtung wie oben beschrieben zu optimieren.
26 veranschaulicht, wie solche Ausrichtungstechniken auch zum Erfassen des ersten Lichts verwendet werden können. Bevor die FSO-Verbindung eingerichtet wird, können sowohl der Sender als auch der Empfänger nach einer Richtung suchen, welche dabei hilft, eine Sichtverbindung einzurichten. Eine Grobausrichtung kann zum Beispiel mit einem Teleskop, GPS-Ortung, vorher festgelegten Standortvereinbarungen und/oder einem temporären optischen Retroreflektor vorgenommen werden, welche den beiden Knoten dabei helfen können, eine grobe Ausrichtung einzurichten.
Falls der Sender bezugnehmend auf die 27 A und 27B ein optisches phasengesteuertes Feld 2700 als einen Strahlablenker verwendet und eine empfängerseitige Linse 2702 einstellbar ist, kann die Strahldivergenz und das Blickfeld anfänglich auf einen breiten Winkelbereich (27A) auf einer Detektoranordnung 2704 eingestellt werden, um das Finden des ersten Lichts zu unterstützen, und kann danach für eine optimale Datenübertragung auf einen schmäleren Winkelbereich (27B) fokussiert werden.
Obwohl die Offenbarung in Zusammenhang mit bestimmten Ausführungsformen beschrieben worden ist, versteht sich, dass die Offenbarung nicht auf die offenbarten Ausführungsformen beschränkt ist, sondern im Gegenteil dazu dafür vorgesehen ist, verschiedene Modifikationen und gleichwertige Anordnungen einzuschließen, welche in den Umfang der angefügten Patentansprüche fallen, wobei diesem Umfang die weiteste Auslegung beizumessen ist, um sämtliche dieser Modifikationen und gleichwertigen Strukturen soweit rechtlich zulässig einzuschließen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

US 62/935471 [0001]

Claims

Vorrichtung für optische Kommunikation mit einem entfernten Knoten, die Vorrichtung aufweisend: ein Empfangsmodul, welches dafür eingerichtet ist, mindestens einen Abschnitt mindestens eines optischen Strahls vom entfernten Knoten zu empfangen, das Empfangsmodul aufweisend: mindestens eine Anordnung optischer Detektormodule, und Schaltkreise, welche dafür eingerichtet sind, die optischen Detektormodule zu steuern und Intensitätsinformationen basierend auf einem oder mehreren Signalen von einem oder mehreren der optischen Detektormodule bereitzustellen; und ein Sendermodul, welches dafür eingerichtet ist, mindestens einen optischen Strahl zum entfernten Knoten zu senden, das Sendermodul aufweisend: mindestens ein optisches phasengesteuertes Feld, welches den zum entfernten Knoten gesendeten optischen Strahl bereitstellt, und Schaltkreise, welche dafür eingerichtet sind, Intensitätsinformationen vom entfernten Knoten zum Steuern des optischen phasengesteuerten Felds zu empfangen, um den optischen Strahl, welcher zum entfernten Knoten gesendet wird, zu lenken.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Anordnung optischer Detektormodule eine zweidimensionale Anordnung von Fotodioden aufweist, welche einem jeweiligen Verstärker jeweils einen entsprechenden Fotostrom bereitstellen.
Vorrichtung nach Anspruch 2, wobei die Fotodioden Lawinenfotodioden aufweisen, und die Verstärker Transimpedanzverstärker aufweisen.
Vorrichtung nach Anspruch 2, wobei die Schaltkreise des Empfängermoduls dafür eingerichtet sind, basierend mindestens teilweise auf dem Vergleichen des Fotostroms im entsprechenden Verstärker mit einem Schwellwert eine Untergruppe von weniger als sämtlichen der Verstärker, welche eingeschaltet sind, zu bestimmen.
Vorrichtung nach Anspruch 2, wobei die Schaltkreise des Empfängermoduls dafür eingerichtet sind, eine erste Untergruppe der Fotodioden, welche mindestens einen Abschnitt des optischen Strahls empfangen, und eine zweite Untergruppe der Fotodioden, welche mindestens einen Abschnitt eines weiteren optischen Strahls empfangen, zu bestimmen.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei das Empfängermodul ferner eine Lichtquelle aufweist, welche einen kohärenten lokalen Oszillatorstrahl zum kohärenten Empfangen des optischen Strahls bereitstellt.
Vorrichtung nach Anspruch 6, wobei die Lichtquelle mehrere kohärente lokale Oszillatorstrahlen zum kohärenten Empfangen mehrerer optischer Strahlen gleichzeitig bereitstellt.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei mindestens während der Einrichtung der optischen Kommunikationsverbindung im freien Raum die Intensitätsinformationen vom entfernten Knoten durch die Schaltkreise des Sendermoduls über ein Seitenkanalnetzwerk, welches von einer optischen Kommunikationsverbindung mit dem entfernten Knoten im freien Raum getrennt ist, empfangen werden.
Vorrichtung nach Anspruch 8, wobei nach der Einrichtung der optischen Kommunikationsverbindung im freien Raum zusätzliche Intensitätsinformationen vom entfernten Knoten durch die Schaltkreise des Sendermoduls zum Steuern des optischen phasengesteuerten Felds über die optische Kommunikationsverbindung im freien Raum empfangen werden.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei das Empfängermodul ferner eine Mikrolinsenanordnung in der Nähe der Anordnung optischer Detektormodule aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 10, wobei das Empfängermodul ferner mindestens eine Linse aufweist, welche dafür eingerichtet ist, Licht in der Nähe der Mikrolinsenanordnung zu fokussieren.
Vorrichtung nach Anspruch 11, wobei ein Abstand zwischen der Mikrolinsenanordnung und der Linse um mindestens 5 % größer oder kleiner ist als eine Brennweite der Linse.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei das Empfängermodul ferner mindestens eine Linse aufweist, welche dafür eingerichtet ist, Licht in der Nähe der Anordnung optischer Detektormodule zu fokussieren.
Vorrichtung nach Anspruch 13, wobei ein Abstand zwischen der Anordnung optischer Detektormodule und der Linse um mindestens 5 % größer oder kleiner ist als eine Brennweite der Linse.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Anordnung optischer Detektormodule eine Anordnung von Fotodetektoren in einer photonischen integrierten Schaltung aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei das optische phasengesteuerte Feld eine zweidimensionale Anordnung optischer Emitter aufweist, welche jeweils mit einem betreffenden optischen Phasenschieber gekoppelt sind, wobei jeweilige Phasenverschiebungssignale, welche an die optischen Phasenschieber angelegt werden, das Lenken einer Ausbreitungsachse des optischen Strahls, welcher an den entfernen Knoten gesendet wird, innerhalb mindestens einer ersten Ebene steuern.
Vorrichtung nach Anspruch 16, wobei jeweilige Phasenverschiebungssignale, welche an die optischen Phasenschieber angelegt werden, das Lenken der Ausbreitungsachse des optischen Strahls, welcher an den entfernten Knoten gesendet wird, innerhalb einer zweiten Ebene lotrecht zur ersten Ebene steuern.
Vorrichtung nach Anspruch 16, wobei eine Wellenlängenabstimmung optischer Wellen, welche von den optischen Emittern ausgestrahlt werden, das Lenken der Ausbreitungsachse des optischen Strahls, welcher an den entfernten Knoten gesendet wird, innerhalb einer zweiten Ebene lotrecht zur ersten Ebene steuern.
Verfahren für optische Kommunikation mit einem entfernten Knoten, das Verfahren umfassend: Senden mindestens eines optischen Strahls an den entfernten Knoten; Empfangen mindestens eines Abschnitts von mindestens einem optischen Strahl vom entfernten Knoten; Bereitstellen von Intensitätsinformationen basierend auf einem oder mehreren Signalen von einem oder mehreren optischen Detektormodulen in einer Anordnung optischer Detektormodule, welche den Abschnitt des optischen Strahls, welcher vom entfernten Knoten empfangen wird, erfassen; und Steuern mindestens eines optischen phasengesteuerten Felds zum Lenken des optischen Strahls, welcher an den entfernen Knoten gesendet wird, basierend auf Intensitätsinformationen, welche vom entfernten Knoten empfangen worden sind.
Verfahren nach Anspruch 19, wobei die Intensitätsinformationen vom entfernten Knoten mindestens während der Einrichtung der optischen Kommunikationsverbindung im freien Raum durch die Schaltkreise des Sendermoduls über ein Seitenkanalnetzwerk, welches von einer optischen Kommunikationsverbindung mit dem entfernten Knoten im freien Raum getrennt ist, empfangen werden.