用於光傳輸數字數據的裝置製造方法
2023-06-13 02:44:11 2
用於光傳輸數字數據的裝置製造方法
【專利摘要】本發明涉及用於光傳輸數字數據的裝置，所述裝置包括信號源（1），其用來輸出光學信號，所述光學信號的大小是基於要傳輸的數字數據而調製的。本發明提供螢光光纖（3），將螢光光纖（3）布置為使得通過外圍區域接收來自信號源（1）的光學信號，通過螢光光纖（3）輸入光學信號，通過發螢光的方法在螢光光纖（3）內將光學信號轉換為螢光信號，通過光纖（3）將所述螢光信號路由到光纖末端（5）。
【專利說明】用於光傳輸數字數據的裝置
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種用於光傳輸數字數據的裝置以及在其中使用所述裝置的設備。
【背景技術】
[0002]在不同的應用中，例如在雷達天線或計算機斷層掃描儀的情況下，本領域的技術人員面臨的問題是保持旋轉部分與靜止部分之間的數據連結。舉例而言，旋轉軸應當總是保持自由，因為那是執行計算機斷層掃描時安置患者本身的地方。
[0003]現有技術中已知多種解決這一問題的不同方法。例如，在專利文獻DE 4421616A中描述了這些方法中的一種。在這種現有技術中，彎曲突光光纖以形成環形的圈。突光光纖本身是一種以適當方式摻雜有螢光染料(例如，羅丹明G、尼羅藍或其它一些螢光染料)的常規光纖。
[0004]如果用具有適當波長(例如650納米)的光來照射這些螢光光纖，則包含在光纖中的染料將吸收輻射且發射出具有更大波長的光(斯託克斯位移，Stokes shift)。所述發射在光纖內且在所有方向上發生，使得發出的一些螢光沿著光纖導向至其末端且能夠在末端進行檢測。
[0005]根據上述的現有技術，將源自例如發光二極體(LED)或雷射二極體的信號源的光學信號從螢光光纖的外周表面側施加到這種螢光光纖上，而且根據歸零制(RZ)或不歸零制(NRZ)的脈衝調製方案來調製這種光學信號。換言之，數位訊號是通過離散脈衝來傳送的，其中光的點亮狀態可代表「 I 」且光的關斷狀態可代表「 O 」，反之亦然。
[0006]但是，這種技術的一個問題在於:螢光光纖在受到適當波長的激勵後需要一段衰減時間，直到染料回落到基態，然後再發生新的激勵。這意味著兩個連續光脈衝之間的間隔必須大於衰減時間，其中衰減時間依賴於所選擇的染料在I到2.5納秒的範圍內。
[0007]因此，數據傳輸的最大頻率在500MHz的範圍內。
[0008]如果要傳輸更大量的數據，那麼必須提供多個信號源和多個螢光光纖。然而，這會使系統變得複雜且昂貴。
【發明內容】
[0009]因此，本發明的目的在於提供一種能克服上述這些不足的用於光傳輸數據的裝置。
[0010]可由根據權利要求1的裝置和根據權利要求7的設備來實現該目的。從屬權利要求涉及本發明的其他有利實施例。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0011]以下將基於說明書附圖和優選實施例對本發明進行詳細地解釋。
[0012]附圖中:
[0013]圖1顯示了在光源和螢光光纖之間進行數據傳輸的功能原理；[0014]圖2顯示了具有根據本發明的裝置的光纖旋轉發射器的大概示意設計；
[0015]圖3顯示了根據本發明的裝置的方框圖；
[0016]圖4顯示了具有根據本發明的裝置的計算機斷層掃描儀的橫截面圖。
【具體實施方式】
[0017]結合圖1對螢光光纖的基本原理進行描述。從適當的信號源I發出的光照射到螢光光纖3的外周表面上。包含在螢光光纖3中的染料吸收一些這樣的光然後發射出具有更長波長的螢光。通過選擇適當的染料和激勵波長，可以最小化通常存在的吸收光譜和發射光譜之間的部分重疊，從而使得僅有較小的自吸收存在。
[0018]發射過程會產生衰減時間(所謂的螢光壽命)，其中衰減時間對染料而言是特有的且通常在幾納秒的範圍內。因此，這會限制傳輸帶寬，如前所述。
[0019]依賴於螢光光纖3的結構，特別是其數值孔徑、直徑等等，在螢光光纖3內產生的一些光在螢光光纖3中被捕獲，且通過全反射在螢光光纖3的兩端5處被發射回外周表面，在兩端5處可用適當方法檢測這些光。因此，可由所謂的傳導效率PE (piping efficiency)來描述所引導的輻射量:
[0020]PE=1- nm/nk
[0021]其中nm和nk代表突光光纖3的光纖表皮和光纖芯的折射率。
[0022]如圖2所示，特別有利的是，把螢光光纖3彎曲成環形以使得它與第二組件的旋轉軸同軸。在第二組件上設置雷射二極體或LED作為光學信號源I，將雷射二極體和LED安裝在與旋轉軸存在一定距離的位置上，並且對其進行定向以使得其發射的光照射到另一組件的螢光光纖3上。如果兩個組件中的一個繞著共有的旋轉軸轉動，則兩個部分之間的安全信號傳輸是可能的。圖2示出了這種數據傳輸的原理。
[0023]如在前言中所提及，在已知系統中每單位時間要傳輸的數據量(帶寬和/或比特率)是由染料的餘暉(即螢光壽命)來確定的。對於常規染料，螢光壽命在納秒的範圍內變化，例如，對於苯乙烯基染料6 (Styril6)而言是2.5納秒，這會使得在利用已知RZ或NRZ調製的情況下將比特率限制為500MHz。另一個不足之處在於當選擇其它具有更短螢光壽命的染料時，得到更低的螢光產量，這將導致螢光光纖3中惡化的信號振幅且從而導致數據傳輸中更高的出錯率。
[0024]這個問題可根據本發明通過傳輸振幅調製的光學信號而不是傳輸數字光學信號得以解決。這種振幅調製的光學信號可根據已知的脈衝振幅調製或根據正交頻分多路復用/離散多音調製(0FDM/DMT)來調製。也可以使用其它的振幅調製技術。以下將簡要地描述上述的這兩種調製方法。
[0025]此外，根據脈衝振幅調製的原理，可以以RZ或NRZ調製方式傳輸離散的光脈衝。但是，傳輸的脈衝的振幅被調整為多級，例如，針對8比特傳輸調整為8級。換言之，接收器不能從所傳輸的脈衝的振幅恢復對應於I比特的信息，卻能通過對振幅的估計來恢復8比特的信息。
[0026]但是，這裡存在很多由上述系統中的傳輸的特定本性引起的問題。在上述系統中，在光纖內將信號源的光學信號轉換為螢光。這些問題基本上包括缺乏激勵光和螢光之間的線性度，這會導致實質上的信號失真。關於這方面，令人驚訝的是，可在接收器端通過適當的預失真或均衡來抵消這種信號失真。
[0027]由於上述的螢光壽命會產生另一問題，這會使激勵脈衝中本來尖銳的輪廓變得模糊。而且，應當注意的是，這裡會產生「記憶效應」，即:信號源的第二光脈衝的螢光信號的強度不應當以不受控的方式依賴於前面的第一光脈衝的強度。
[0028]因此，應當注意的是，根據本發明，激勵光的最大強度應當顯著地低於螢光光纖3的飽和度。此外，兩個連續脈衝之間的間隔應當足夠大到能保證螢光的可靠衰減。最終，對於本技術，可有益地使用為傳輸校正信息而獲得的一些額外數據傳輸帶寬來進行錯誤校正。這裡可使用已知的例如DFE (「決策反饋均衡」)或FFE (「前饋均衡」)的技術。
[0029]圖3顯示了在這樣的上下文中根據本發明的裝置的方框圖。
[0030]在數據源中(未圖示)，將數位訊號發送到預失真器11。在預失真器11中，數位訊號以適當的脈衝持續時間和脈衝高度被轉換為模擬信號，且作為模擬信號被施加到例如雷射二極體或LED的信號源I。由信號源I發出的光學信號因此具有基於要傳輸的數字數據而調製的大小。
[0031]該光學信號落在螢光光纖3的外周表面上，穿透進入螢光光纖3且激勵包含在螢光光纖3中的螢光染料，從而發出具有比激勵波長更長的第二波長的光，如前所述。
[0032]螢光的信號大小是激勵光信號大小的函數，但這種關係通常不是線性的。額外幹擾效應(例如前述的光學螢光光纖3中的隨著光纖末端和激勵位置之間的不同光纖長度而變化的自吸收和衰減，特別是在信號源和光學光纖彼此相對運動的情況下)將導致信號的進一步失真，信號最終到達光纖末端5中的一個，且在該處由適當的檢測器轉換回電信號。可以便利地為光檢測器提供均衡器9，其使所接收到的信號均衡並且將其轉換回數位訊號。
[0033]預失真器11和均衡器9可傳輸預設的比特序列，然後可設置預失真和/或均衡以使得能在接收器端恢復這個比特序列。此外，特別是在優選地採用本發明的旋轉系統中，還可根據旋轉的角度來執行預失真和/或均衡，使得可以補償不同的光纖長度和相關聯的信號損壞。
[0034]一種允許更高數據傳輸速率的第二調製技術是上文所述的正交頻分多路復用/離散多音調製技術。在已知類型的頻分中，將多個信道調製到信號源I的光學信號上。接著，這些信道中的每一個可以獨立地傳輸一個比特。根據已知技術，可調製256或512個信道。利用這些頻分復用方法，可同時傳輸分配在多個載波上的多個信號。正交頻分復用方法優選作為多載波調製的例子。在已知的類型中，將要傳輸的數據劃分成相應地具有更低比特數據率的多個數據子流。接著使用已知的調製方法(例如具有低帶寬的正交振幅調製方法)來調製這些數據子流。然後，所得的更高頻率信號再次相加，且作為經過振幅調製的模擬信號通過信號源I傳輸出去。
[0035]將以此種方式調製的信號源I的光學信號轉換為螢光光纖3中相應的螢光信號。雖然這種螢光信號以失真的形式存在，但它能夠被恢復且仍然包含輸出信息，且還能通過在光纖的末端處的適當的解調和接收器電路7和9將失真的螢光信號轉換回原始的輸出數據。
[0036]在這種不再通過離散光脈衝而進行的調製方法中，為了將螢光光纖3中的記憶效應維持在極限之內(即:為了防止由於可能的螢光飽和度而產生的傳輸信號中的信息丟失)，確保信號源激勵光的最大振幅和最高調製頻率都足夠低是特別重要的。[0037]採用這種技術的傳輸因為具有更高的數據傳輸率因而允許以已知的方式將錯誤校正信息加入到原始數據中，使得可由傳輸的大量數據來補償更大的錯誤敏感性，這將導致當從整體上考慮時會有更高的有用數據傳輸率。
[0038]圖4顯示了用作系統和/或設備的結合了計算機斷層掃描儀17的本發明的應用，對於計算機斷層掃描儀17，可以尤其有利地利用根據本發明的裝置。採用計算機斷層掃描，必須在短時間段內在旋轉部分和靜止部分之間規律地傳輸大量數據。因為將對其作檢查的患者(即，患者的病床13)被安置在旋轉軸的位置，所以通過旋轉軸進行傳輸是不可能的。因此，根據本發明，由圖4所示，將環形的螢光光纖3布置在計算機斷層掃描儀的靜止部分上，其中光纖的末端5連接至適當的檢測器電路15。
[0039]將螢光光纖的環設計為與旋轉軸同軸且位於離此旋轉軸一定的距離處，因而給患者提供足夠空間。在離旋轉軸一定距離的旋轉部分上設置例如LED或雷射二極體的信號源
I。該信號源發出具有例如640納米波長的光到螢光光纖3的外周表面上。
[0040]將由計算機斷層掃描儀的旋轉部分記錄的圖像信息轉換為數字數據，通過脈衝振幅調製方法或多頻復用方法將數字數據轉換成信號源I上的經過振幅調製的光學信號，然後將光學信號傳輸到螢光光纖3。在旋轉部分的旋轉時，光總是照射在光纖3上。由於已知旋轉部分和靜止部分之間的相對角度，因此可獲得對光纖3的長度的適當補償。
[0041]將信號源I的光學信號轉換為螢光光纖3中的螢光，且將該螢光路由到光纖3的末端5。例如光電管等的適當的檢測器15將螢光信號轉換為電信號，然後對電信號進行均衡、解調以及模擬到數字的轉換。由此一來，在接收器端恢復了數字圖像數據。由於根據本發明的設備使得可以獲得高的數據傳輸帶寬，因此，可以以適當的錯誤校正數據來傳輸圖像數據，使得可獲得旋轉部分和靜止部分間的安全、可靠且快速的數據傳輸。
[0042]本文參照優選的示例性實施例對本發明進行了描述，但本發明並不受限於這些優選的示例性實施例。除了計算機斷層掃描儀之外，還可以有利地在雷達天線中使用本發明。
【權利要求】
1.一種用於光傳輸數字數據的裝置，包括: 信號源(I )，其被配置為以基於要傳輸的數字數據調製的大小來輸出光學信號，以及螢光光纖(3)，其被布置為在外周表面上接收來自所述信號源(I)的光學信號，且被設計為當接收到所述信號源(I)的光學信號時發螢光以及在所述光纖(3)中將螢光信號路由到光纖末端(5)。
2.根據權利要求1所述的裝置，還包括: 均衡器(9)，其被布置為補償由所述螢光光纖(3)引起的所述光學信號的失真。
3.根據權利要求1或2所述的裝置，還包括: 預失真器(11)，其被布置為對所述數字數據進行預失真以用來補償傳輸路徑中的失真。
4.根據權利要求2或3所述的裝置，其被設計為根據決策反饋均衡技術和/或前饋均衡技術來操作。
5.根據前述權利要求中的任一項所述的裝置，其中所述信號源(I)被設計用來根據脈衝振幅調製方法或正交頻分多路復用/離散多音技術來調製所述光學信號。
6.根據前述權利要求中的任一項所述的裝置，其中所述信號源(I)和所述螢光光纖(3)被設計為能夠彼此相對運動。
7.一種用於在圍繞公共軸彼此相對旋轉的兩個部分之間進行數字數據傳輸的設備，所述設備具有根據前述權利要求中任一項所述的裝置，其中所述信號源(I)以環繞旋轉軸的環的形式布置在一個部分上，且所述突光光纖(3)以相同方式布置在另一個部分上。
8.根據權利要求7所述的設備，其中所述設備是計算機斷層掃描儀。
9.根據權利要求7所述的設備，其中所述設備是雷達設備。
【文檔編號】H04B10/2507GK104040916SQ201280045298
【公開日】2014年9月10日 申請日期:2012年6月21日 優先權日:2011年7月15日
【發明者】漢斯·波伊塞爾, 奧拉夫·齊曼, 亞歷山大·巴赫曼 申請人:紐倫堡應用技術大學