經直接調製中紅外雷射器的數據傳輸的製作方法
2023-05-08 19:04:06 1
專利名稱：經直接調製中紅外雷射器的數據傳輸的製作方法
技術領域：
本發明涉及雷射器調製和光數據傳輸。
背景技術：
近年來，對於自由空間光數據傳輸(FSODT)的興趣不斷增強，因為FSODT在密集城市區域中的經濟效益是很吸引人的。在這些區域，利用FSODT可以避免安裝新的電纜或光纖。在城市區域安裝電纜和光纖的費用是驚人的。取代電纜和光纖，FSODT利用自由空間進行通信，例如，大樓屋頂之間的大氣層。然而，這種自由空間傳輸對於來自大氣層條件的幹擾是很敏感的，例如，霧，汙染，和沉澱物。
常規的FSODT系統使用波長在1.55微米附近的近紅外雷射器，通過自由空間光發射數據。常規FSODT發射機的近紅外雷射器有連續波的輸出，在自由空間傳輸到遠程接收機之前，通過調製該輸出引入數據。
這些常規的FSODT系統有幾個限制。第一，該系統是基於近紅外雷射器，必須工作在有限的功率電平以確保眼安全。第二，近紅外雷射器產生光的波長可以是大氣衰減(即，吸收和散射)足夠高的波長而阻礙傳輸。例如，在惡劣的天氣條件下，例如，霧，發射的波長往往被強烈地吸收。第三，常規的FSODT系統利用複雜的發射機，它包含雷射器和該雷射器輸出端的調製器。這些複雜的發射機很難製成單片的器件，因此，製造這種單片器件的產量是很低的。
發明內容
本發明一個方面的特徵是一種光發射數據到遠程接收機的過程。該過程包括接收輸入數據信號流，和利用波形的直接調製方法調製中紅外(mid-IR)雷射器，波形的順序值反映該流中的數據信號。中紅外雷射器激射的波長是在約3.5微米至約24微米的範圍內。直接調製方法包括泵浦中紅外雷射器以產生高光功率電平和低光功率電平，它們反映不同的順序值。該過程還包括從調製的中紅外雷射器經自由空間通信信道發射輸出光到遠程接收機。遠程接收機把與高光功率電平和低光功率電平相關的發射光分別識別為「信號接通」狀態和「信號關斷」狀態。
本發明另一個方面的特徵是一種光發射機。光發射機包括有光增益媒體的中紅外雷射器和電調製器，用於在調製間隔期間調製增益媒體的泵浦操作。調製器按照這樣的方式調製泵浦操作，它反映相關的數據間隔中接收的數據信號值。調製器配置成使中紅外雷射器在與一種數據信號值相關的調製間隔中的一部分產生一種光功率電平，而在與那個數據信號值相關的調製間隔中的其餘部分產生相對低的光功率電平。
圖1A表示接通雷射器電源之後量子級聯(QC)雷射器輸出功率中的瞬態漂移；圖1B表示相同QC雷射器的輸出功率如何響應於交變電壓的泵浦；圖1C表示相同QC雷射器的輸出功率如何響應於高頻(HF)交變電壓的泵浦；圖2表示相同QC雷射器的輸出功率如何響應於電壓的泵浦，該電壓的幅度代表偽隨機比特序列；圖3A表示利用直接調製中紅外雷射器的中紅外光發射機；圖3B表示圖3A發射機的一個實施例中調製器產生的調製波形；圖4表示基於圖3A發射機的自由空間通信系統的一個實施例；圖5是利用直接調製QC雷射器發射數據過程的流程圖；和圖6表示基於圖4通信系統的自由空間數據傳輸中接收的信號電平和噪聲電平。
具體實施例方式
量子級聯(QC)雷射器具有有利於自由空間光發射機的性質。例如，QC雷射器是有高輸出功率的中紅外雷射器。此處，中紅外(mid-IR)雷射器發射的波長是在約3.5微米至約20微米的範圍內。
各個實施例利用這些QC雷射器，它們發射的波長是在大氣吸收很低的窗口內。一種低吸收窗口包括的波長是在約8微米至約13微米的範圍內。另一種低吸收窗口包括的波長是在約3.5微米至約5微米的範圍內，其中這些波長不是在位於約4.65微米的CO2吸收峰值上。
QC雷射器還可以在高頻下被直接調製。此處，直接調製是指這樣的調製，它在雷射器有高輸出功率電平的值與該雷射器有低輸出功率電平的值之間改變該雷射器的泵浦。在這些高功率電平和低功率電平上，遠程光接收機把該雷射器分別識別為在信號接通狀態和信號關斷狀態。在一些實施例中，高功率電平和低功率電平分別對應於雷射器的發射狀態和非發射狀態。可以通過泵浦雷射器的增益媒體產生這種接通/關斷直接調製，其泵浦電流或光強所取的值是在持續受激發射的閾值之下和之上。在另一些實施例中，高功率電平和低功率電平對應於這樣的狀態，遠程接收機識別它為雷射器接通狀態和雷射器關斷狀態。當雷射器與接收機之間的媒體產生足夠固定的衰減時，使接收的光功率電平是在該接收機的閾值之下，導致雷射器的關斷狀態。在這些實施例中，輸出的雷射器功率在低功率狀態下就下降，因此，對於遠處接收機來說該雷射器似乎是關斷的。
QC雷射器可以利用直接調製方法進行調製。但是，QC雷射器比常規的中紅外和近紅外雷射器產生更多的熱。增加產生的熱量使直接調製更容易使QC雷射器遭受溫度誘髮漂移。
圖1A是曲線10，表示在雷射器增益媒體兩端第一次加了光激射閾值之上的電壓時QC雷射器的光輸出功率。在時間T＝0，泵浦電壓突然地從一個恆定值，例如，光激射閾值之下的值，改變到光激射閾值之上的另一個恆定值。給予響應，雷射器的光輸出功率在T＝0跳到最大值12，在長度為P的瞬變期間內衰減到較低的穩態值14。
在圖1A中，雷射器輸出功率的瞬態特性來源於反轉載流子數的變化。反轉載流子數確定受激發射產生的光量，它在時間T＝0的雷射器剛開始發射雷射之後有一個最大值，而在大於該時間T之後有較低的值。反轉載流子數的變化是由於長時間的光激射使雷射器的增益媒體發熱，從而改變反轉載流子數目。
圖1B是利用周期為P的方波泵浦電壓直接調製時圖1A中相同QC雷射器的光輸出功率曲線16。方波的最大電壓和最小電壓分別是在光激射閾值電壓之上和之下。雖然該雷射器的泵浦電壓是方波，但是由於雷射器增益媒體的發熱，該雷射器的輸出功率不具有方波的形式。
此外，圖1B中最大的光輸出功率18低於圖1A中最大的光輸出功率12，因為調製頻率太高而使雷射器在光激射周期之間不能冷卻。同樣的道理，光激射周期內的最大光輸出功率18與最小光輸出功率20之間的差值，利用圖1B所示方波電壓泵浦時的差值小於利用圖1A所示恆定泵浦電壓泵浦時的差值。
圖1C是相同QC雷射器利用與圖1B相同幅度和較短周期P/2的方波直接調製方法調製時的光輸出功率22曲線。較短的調製周期降低了光激射時光輸出功率24的最大值。類似地，光激射期間內光輸出功率最大值24與光輸出功率最小值26之差也是在響應於較短調製周期時較小。調製頻率增大時最大光輸出功率下降的趨勢是與調製速率率增大時在光激射周期之間可以冷卻雷射器增益媒體的時間縮短有關。
圖1A-1C表示QC雷射器的光輸出功率在高調製速率下如何隨調製速率而變化。光輸出功率還隨調製數據序列的形式而變化。
圖2是在長度為P′的間隔期間利用泵浦電壓32的隨機二進位序列調製的相同QC雷射器的光輸出功率曲線30。對於該序列的每個間隔，例如，泵浦電壓的調製部分是20毫伏(mV)或0mV。在該序列的不同光激射間隔期間，雷射器的光輸出功率因雷射器增益媒體的溫度差別而不同。在特定的調製間隔期間，增益媒體的溫度取決於較早間隔期間的調製電壓值。在此之前有其他光激射間隔的序列的光激射間隔期間的增益媒體較熱，因為以前產生的熱量在此情況下還未耗散。較熱的增益媒體在相同的泵浦電壓下產生較低的光輸出功率。例如，間隔34之前有兩個光激射間隔，因此，間隔34是增益媒體較熱的間隔。在較熱間隔34中的光輸出功率也比前兩個間隔中的低。
圖2表示採用隨機的數字輸入數據序列通過直接調製方法調製QC雷射器產生光輸出功率的不規則起伏。由於這種起伏，QC雷射器的光輸出功率可以偶爾下降到發射數據值的閾值電平以下，並引起遠程接收機中的識別差錯，例如，若與20mV泵浦電壓調製部分相關的輸出光功率的閾值是電平36，則接收機很可能錯誤地識別QC雷射器在瞬態間隔34發射的數據值。
當發射機利用高頻率和高功率電平的直接調製方法調製QC雷射器時，光輸出功率的變化更容易產生差錯。為了在光發射機中無差錯地直接調製QC雷射器，必須控制光輸出功率的變化，即，至少是在高數據速率和高輸出功率的情況下。
圖3A表示光發射機40的一個實施例，包括QC雷射器42和電調製器44。典型的QC雷射器42是在U.S.專利No.6,055,254中描述，把它全部合併在此供參考。電調製器44利用直接調製方法經電流信號調製QC雷射器42。該信號是加到電極46的兩端，用於電泵浦該雷射器的增益媒體48。
QC雷射器42與冷卻裝置50還有熱接觸。冷卻裝置50在直接調製期間減少雷射器增益媒體48中的溫度變化。冷卻裝置50的冷卻功率能夠耗散調製時產生的熱量，因此，增益媒體48中的溫度變化保持在預選的範圍內。在該預選的範圍內，溫度變化不會引起QC雷射器42的光輸出功率不可接受的變化。
可接受的溫度變化範圍取決於調製頻率，數據類型，調製電流，和接收機靈敏度。在圖1A-1C和圖2中已描述與調製頻率和數據類型的關係，它們與數據速率和瞬態周期的平均長度和方差有關，該數據在瞬態周期內引起光激射。與調製電流的關係涉及增益媒體48中的功率耗散與調製電流幅度的關係。與接收機靈敏度的關係涉及區分不同數據值的閾值光功率。若溫度變化引起光傳輸功率電平在接收機識別它們為與不同數據值相關的功率範圍之間徘徊，則這種溫度變化就會產生差錯。
圖3A表示包含冷指49的冷卻裝置50的一個實施例。冷指49在位於容器52內的冷卻劑媒體51與雷射器42之間形成熱接觸。典型的冷卻劑媒體51包括液氮和液態空氣。冷指49以這樣的速率調節從雷射器42到冷卻劑媒體51的熱轉移，該速率是足夠地快以保持增益媒體48中的溫度變化在可接受的範圍內，因此，保持雷射器42的光輸出功率變化在可接受的範圍內。
在另一些實施例中，冷卻裝置50使用與雷射器42熱接觸的熱電冷卻器件，提供增益媒體48的冷卻和維持溫度變化在可接受的範圍內。本領域專業人員知道熱電冷卻器件的構造和使用方法。
QC雷射器42產生幅度調製的輸出光束54。輸出光束54被無源光學元件58通過自由空間引向接收機(未畫出)。
圖3B表示圖3A中另一個實施例的調製器44產生的調製電壓/電流波形，該波形反映二進位輸入數據值的序列62，即，0和1。序列62的數據值有相等的時間周期。在時間間隔66中，調製器44產生低於光激射閾值電壓64的泵浦電壓/電流，它與數據值0相關。在與數據值1相關的時間間隔中的第一部分67，調製器44產生光激射閾值電壓64之上的泵浦電壓/電流。在與數據值1相關的時間間隔中的其餘部分68，調製器44產生光激射閾值電壓64之下的泵浦電壓/電流。在典型的調製器44中，第一部分小於與一種數據值相關的總時間間隔的70％，50％，40％，30％，或10％。因此，這些實施例中調製器44在短於與引起光激射的特定數據值相關時間間隔的時間間隔內產生光激射。
通過限制光激射間隔的長度短於各個數據間隔，調製波形60減小了圖3A中雷射器42激射的總時間。減小光激射時間的長度就減小了增益媒體48中產生的熱量，即，產生的熱量與泵浦功率的時間積分有關。因此，調製波形60在數據序列的傳輸期間減小了雷射器42中的溫度變化和光輸出功率變化。利用配置成產生如波形60的調製波形的調製器44，能夠獲得較高的數據速率和降低保持可接受光輸出特性所需的冷卻量，例如，對於某些這種調製波形，冷卻裝置50是不需要的。
利用圖3A中冷卻裝置50進行冷卻以及利用具有類似於圖3B中波形60的泵浦電壓/電流進行調製，使QC雷射器42的溫度在直接調製期間保持穩定。
圖4表示光通信系統70，例如，在城市區域中提供FSODT的終端線路光通信系統。系統70包括圖3A-3B中的光發射機40和光接收機72。光發射機40包括電調製器44，QC雷射器42，冷卻裝置50，擴束光學元件76，目標光學元件58，和任選的可見光雷射器74。接收機72包括會聚光學元件78，紅外強度檢測器80和接收信號監測器82。監測器82電解碼和利用QC雷射器42發射的數據。
通信系統70包括在物理和電子建立期間起作用的光學器件。在光發射機40的物理建立期間，可見光雷射器74產生可見的光束，它用於物理調整目標光學元件，因此，使輸出光束84瞄準接收機72的會聚光學元件78。在電子建立期間，低頻(LF)源86調製來自調製器44的泵浦電壓/電流，接收機72中的鎖相放大器88以LF源86的頻率檢測接收信號的調製。LF調製和相位匹配檢測有助於在接收機72中設置電子校準。
調製器44包括直流(DC)電壓源92和高頻(HP)調製器94，調製器94經偏置T形接頭96耦合到輸出終端98。DC電壓源92提供恆定的泵浦電壓，使QC雷射器42保持在接近於光激射閾值的非激射狀態，例如，光激射閾值之下的0.1伏至0.001伏。保持QC雷射器42接近於該閾值，能夠使用較小的AC電壓，例如，0.1伏至0.001伏，引起QC雷射器42在直接調製期間在激射狀態與非激射狀態之間轉換。高頻(HP)調製器94產生輸出電壓，其幅度反映發射機40接收的輸入數字或模擬數據。來自HP調製器94的輸出電壓用於增加QC雷射器42上的泵浦電壓/電流到光激射閾值之上，用於響應某些類型的輸入數據，例如，等於邏輯+1的數據值。偏置T形接頭96電隔離DC電壓源92和連接調製器44和QC雷射器42的線路100上的信號。
圖5是利用直接調製QC雷射器，例如，圖4中的雷射器42，發射數據過程110的流程圖。過程110包括在調製器中，例如，圖4中調製器44，接收輸入模擬或數字數據流中的各個值(步驟112)。該調製器通過直接調製方法調製QC雷射器(步驟114)。直接調製方法涉及利用電或光泵浦信號流泵浦雷射器，其形式代表接收的信號流中對應的各個輸入數據值。QC雷射器經自由空間信道發射直接調製方法產生的光脈衝流到遠程接收機，例如，接收機72(步驟116)。
直接調製方法包括調製泵浦高電平與低電平之間的雷射器輸出功率，遠程接收機對這些高電平和低電平分別識別為發射機接通狀態和發射機關斷狀態。在一些實施例中，發射機接通狀態和發射機關斷狀態是QC雷射器的激射狀態和非激射狀態。在另一些實施例中，發射機接通狀態和發射機關斷狀態在遠程接收機中產生的功率電平分別是在該接收機的檢測閾值之上和之下。
再參照圖4，通信系統70的各個實施例利用位於中紅外波長範圍的光傳輸波段通過自用空間發射數據。一些實施例利用QC雷射器可用於寬範圍的輸出波長和利用雷射器產生的光波長是在低的大氣衰減窗口內。在這種窗口發射數據減少了大氣吸收和/或諸如散射的各種大氣條件造成的通信差錯數目。
圖6表示圖4通信系統70的一個實施例中信號強度如何依賴於自用空間中紅外傳輸的數據頻率。噪聲本底代表接收機72正確識別發射數字數據的閾值，它是用分貝(dB)表示的。各個數據點是用星號表示的。這些數據點說明信噪比隨數據頻率的增大而減小。然而，該數據說明，直接調製典型的QC雷射器42能夠發射速率為1吉赫(GHz)，2GHz，4GHz或更高的數字數據。
根據這個技術說明，附圖，和本申請的權利要求書，本發明的其他實施例對於本領域專業人員是顯而易見的。
權利要求
1.一種光發射數據到遠程接收機的過程，包括接收輸入數據信號流；利用波形直接調製來調製中紅外雷射器，該波形的順序值響應於該流中的數據信號，該直接調製包括響應於不同的順序值而泵浦中紅外雷射器以產生高光功率電平和低光功率電平；和從調製的中紅外雷射器經自由空間通信信道發射輸出光到遠程接收機。
2.按照權利要求1的過程，其中遠程接收機配置成把與高光功率電平和低光功率電平相關的接收光分別識別為中紅外雷射器的「信號接通」狀態和「信號關斷」狀態。
3.按照權利要求2的過程，其中利用直接調製來調製中紅外雷射器包括利用調製電流泵浦該雷射器的增益區，該調製電流相繼的各值響應於該流中的數據信號。
4.按照權利要求1的過程，其中利用直接調製的調製操作響應於有第一信號值的輸入數據信號而泵浦中紅外雷射器到第一間隔期間的激射狀態，並且響應於有第二信號值的輸入數據信號而泵浦中紅外雷射器到第二間隔期間的非激射狀態。
5.按照權利要求4的過程，其中第一間隔短於第二間隔。
6.一種光發射機，包括有光增益媒體的中紅外雷射器；和調製器，被連接以在調製間隔期間按照這樣的方式調製增益媒體的泵浦，該方式響應於在相關數據間隔中接收的數據信號值，調製器被配置成使中紅外雷射器在與一種數據信號值相關的部分調製間隔中產生一種光功率電平，而在與該一種數據信號值相關的其餘調製間隔中產生相對低的光功率電平。
7.按照權利要求6的發射機，其中調製器被配置成使中紅外雷射器在該部分間隔中發射雷射，而在該其餘間隔中不發射雷射。
8.按照權利要求6的發射機，其中調製器在增益媒體的兩端加上電壓以調製媒體的泵浦。
9.按照權利要求6的發射機，其中中紅外雷射器配置成產生光的波長至少為約8微米，但不長於約13微米。
10.按照權利要求6的發射機，其中調製器把光泵浦光加到增益媒體以調製增益媒體的泵浦。
全文摘要
一種光發射數據到遠程接收機的過程,包括:接收輸入數據信號流,和利用波形的直接調製方法調製中紅外雷射器,波形的順序值反映該流中的數據信號。直接調製方法包括泵浦中紅外雷射器以產生高光功率電平和低光功率電平,它們反映不同的順序值。該過程還包括從調製的中紅外雷射器經自由空間通信信道發射輸出光到遠程接收機。
文檔編號H04B10/105GK1368802SQ0210176
公開日2002年9月11日 申請日期2002年1月18日 優先權日2001年1月22日
發明者克萊德·G·比瑟, 飛德裡科·卡帕瑟, 阿爾弗雷德·Y·周, 克萊爾·F·格馬奇, 阿伯特·李·胡琴松, 萊諾·馬丁, 羅伯特·派拉, 德伯拉·李·思烏克, 阿勒桑德羅·特裡迪蘇賽, 埃德瓦·A·維塔克 申請人:朗迅科技公司, 史蒂文斯技術學院理事會