Uspl-fso雷射通信點對點和點對多點光學無線通信的製作方法

2023-06-25 12:55:51 2

Uspl-fso雷射通信點對點和點對多點光學無線通信的製作方法
【專利摘要】光束傳播性能方面的增強能夠通過利用用於雷射發送平臺的超短脈衝雷射(USPL)源來實現，所述雷射發送平臺能夠在全部電信網絡基礎設施架構上使用。能夠在例如通過減輕光學衰減和閃爍效應來改進通過大氣的光學傳播時使用USPL自由空間光學(USPL-FSO)雷射通信的所描述和例示的特徵中的一個或更多個，從而增強有效系統可用性以及鏈路預算考慮，如通過USPL與霧相關大氣事件之間的實驗研究和理論計算所證明的那樣。
【專利說明】USPL-FSO雷射通信點對點和點對多點光學無線通信
[0001] 相關申請的交叉引用
[0002] 本申請根據美國法典第35條§ 119(e)款要求於2012年1月9日提交的臨時專 利申請no. 61/584, 666的優先權，其公開內容通過引用整體併入本文。

【技術領域】
[0003] 本文所述的主題涉及自由空間光學（FS0)無線通信，並且更特別地，涉及增強的 光學傳輸效率，其能夠被實現用於對於通過由於各條件而導致的光學上受損大氣條件的光 束傳播使用超短脈衝雷射（USPL)源的波長傳播，所述條件能夠包括但不限於霧、大氣光束 漂移、閃爍效應等等。

【背景技術】
[0004] 來自私人以及商業部門的對電信服務的需求的爆炸式增長已對當前可用的電信 網絡帶來空前壓力。在沒有替代網絡傳送技術和拓撲的情況下，總的有效網絡速度很可能 降低，同時在網絡內瓶頸的發生將變得越來越頻繁。
[0005] 雙向自由空間光學（FS0)通信網絡能夠在可行的情況下，向微波鏈路、電線或電 纜系統應用提供有用的替代方案。這樣的網絡由於公共技術平臺與光纖傳輸系統（許多現 代電信系統的骨幹）的共享而對於當前的以及將來的網絡架構而言可以是透明的。FS0通 信系統通常能夠共享公共光纖組件，並且商業光學組件常常能夠被用於兩個應用。在自由 空間光學數據鏈路方面的主要差異是傳播的介質是大氣而不是光纖。
[0006] 利用當前的現有技術水平光纖組件，自由空間光學數據鏈路能夠被完全地集成到 當前的短程和長程高速光學網絡中。自由空間數據鏈路能夠完全地達到當前同步光學網絡 (SONET)系統架構，諸如例如利用當前1550nm技術平臺的SONET 0C-48架構。另外，這樣的 系統能夠被升級為較高數據速率和配置。光學數據鏈路系統能夠受益於在電磁光譜的未調 節段中操作。不像微波和RF光譜，光學數據鏈路通常能夠不需要待發出的特殊租賃費用或 資費。另外，因為系統的工作波長，通常能夠最小化與眼安全有關的問題。此外，典型地不 需要操作與地面通行權有關的自由空間數據鏈路的特殊措施或許可證。還能夠避免與固定 有線系統的翻地和挖溝有關的花費。
[0007] 最近，FS0通信技術已利用了在1550nm光學傳輸頻帶內製成的商業進步。摻鉺光 纖放大器（EFDA)技術已被併入系統設計配置內以用於增強傳輸預算的總體有效光學預算 並且從而延伸傳輸系統在空中的可及範圍。
[0008] 高功率光學放大器對於陸地自由空間傳輸以及光纖系統來說是有用的。已在陸 地和海底光纖系統中延伸了中繼器距離並且已引入密集波分復用（DWDM)傳輸架構。隨著 高功率Er/Yb光學放大器的出現，如在光纖傳輸中所看到的類似進步也已在光學無線和自 由空間雷射通信系統中實現。已經報告了越過2. 4km傳輸跨距在2. 5Gbps工作的單通道 1550nm自由空間光學數據鏈路的實驗傳輸結果，像具有越過4. 4km傳輸距離在lOGbps工作 的四通道1550nm波分復用（WDM)自由空間光學數據鏈路的結果一樣。


【發明內容】

[0009] 在當前主題的一些實施方式中，提供了一種光學通信設備和用於操作該光學通信 設備的方法以用於調製信號的生成和傳輸。
[0010] 在一個方面，所述光學通信設備包括生成光脈衝束的超短脈衝雷射（USPL)源。各 個光脈衝具有大約1納秒或更短的持續時間。光學通信設備還包括對由USPL源所生成的 光束施加調製信號以生成調製光學信號的調製元件。調製信號承載用於傳輸到第二光學通 信設備的數據。光學通信設備還包括光學收發機，該光學收發機接收調製光學信號並且發 送調製光學信號以用於由第二光學通信設備接收。
[0011] 在相互關聯的方面，一種方法包括生成光脈衝束。這些光脈衝中的每一個具有大 約1納秒或更短的持續時間。該方法還包括對光束施加調製信號以生成調製光學信號。調 制信號承載用於傳輸到第二光學通信設備的數據。該方法還包括以下步驟：在光學收發機 處接收調製光學信號；以及使用光學收發機發送調製光學信號以用於由第二光學通信設備 接收。
[0012] 在另一相互關聯的方面，一種方法包括以下步驟：生成包括光脈衝的第一光束和 第二光束；對第一光束施加第一調製信號以生成第一調製光學信號並且對第二光束施加第 二調製信號以生成第二調製光學信號；調節第一調製光學信號的第一偏振態；將具有經調 節的第一偏振態的第一調製光學信號與第二調製信號復用；以及通過光學收發機發送經復 用的具有經調節的第一偏振態的第一調製光學信號與第二調製信號，以用於由第二光學通 信設備接收。
[0013] 在相互關聯的方面，一種光學通信設備包括生成包括光脈衝的第一光束的第一激 光源和生成包括光脈衝的第二光束的第二雷射源。第一調製兀件對第一光束施加第一調製 信號以生成第一調製光學信號。第一調製信號承載用於傳輸到遠程光學通信設備的第一數 據。第二調製元件對第二光束施加第二調製信號以生成第二調製光學信號。第二調製信號 承載用於傳輸到遠程光學通信設備的第二數據。第一偏振組件調節第一調製光學信號的第 一偏振態。偏振相關復用器組件將具有經調節的第一偏振態的第一調製光學信號與第二調 制信號復用。光學收發機接收具有經調節的第一偏振態的第一調製光學信號與第二調製信 號的經復用的光學信號，並且發送經復用的具有經調節的第一偏振態的第一調製光學信號 與第二調製信號，以用於由第二光學通信設備接收。
[0014] 在另外的變化中，以下附加的特徵中的一個或更多個能夠被包括在任何可行的組 合中。關於光學通信設備，調製元件能夠包括直接調製元件、間接調製元件以及外部調製元 件中的至少一個。外部調製元件可以在USPL源外部。
[0015] 在一些變化中，各個光脈衝的持續時間可以小於大約一皮秒。在其它變化中，各個 光脈衝的持續時間可以小於大約一飛秒。在其它變化中，各個光脈衝的持續時間可以小於 大約一阿託秒。
[0016] 另選地或另外地，一種光學通信設備能夠進一步包括將一個以上的通信信道復用 到光束中的光學復用器。
[0017] 在一些變化中，一種光學通信設備能夠進一步包括布置於USPL源與光學收發機 之間的光學放大器。光學放大器能夠提高由光學收發機所發送的調製光學信號的輸出功 率。在一些變化中，光學放大器能夠包括光學前置放大器、半導體光學放大器、摻鉺光纖放 大器以及摻鉺-鐿光纖放大器中的至少一個。
[0018] 在其它變化中，光學通信設備能夠進一步包括將光脈衝的第二光束供應給光學收 發機的第二USPL源。第二USPL源能夠用作跟蹤和對準信標以在第二光學通信設備處確定 或者驗證用於所發送的調製光學信號的目標點。
[0019] 在其它變化中，能夠在調製光學信號中生成跟蹤和對準信標信號。跟蹤和對準信 標信號能夠被用來在第二光學通信設備處確定或者驗證用於所發送的調製光學信號的目 標點。
[0020] 在其它變化中，一種光學通信設備能夠進一步包括在調製光學信號到第二光學通 信設備的傳輸之前對不同極性的光學信號進行復用的偏振相關復用器組件。
[0021] 在一些變化中，一種光學通信設備能夠進一步包括對作為第二調製光學信號從第 二光學通信設備接收到的不同極性的光學信號進行解復用的偏振相關解復用器組件。經解 復用的光學信號各自能夠被對接到不同的光學網絡以用於網絡使用。
[0022] 在當前主題的一些實施方式中，提供了一種遠程感測設備和用於操作該遠程感測 設備的方法。在一個方面，一種方法包括以下步驟：使用USPL源來生成各自具有大約1納 秒或更短的持續時間的光脈衝的束；經由光學收發機向目標大氣區發送光脈衝束；以及分 析作為光脈衝束從目標大氣區中的一個或更多個物體的光學反向散射的結果在光學收發 機處所接收到的光學信息。
[0023] 在相互關聯的方面，一種遠程感測設備包括：超短脈衝雷射（USPL)源，該超短脈 衝激光（USPL)源生成各自具有大約1納秒或更短的持續時間的光脈衝的束；光學收發機， 該光學收發機向目標大氣區發送光脈衝束；以及檢測電路，該檢測電路用於分析作為來自 目標大氣區中的一個或更多個物體的光學反向散射的結果在遠程感測設備處所接收到的 光學信息。遠程感測設備能夠可選地包括光譜分析組件以用於分析從在遠程感測設備處接 收到的光學信息中提取的光譜信息。
[0024] 當前主題的實施方式能夠包括但不限於包括如本文所述的一個或更多個特徵的 系統和方法以及包括可操作來使一個或更多個機器（例如，計算機等）產生本文所述的操 作的有形地具體實現的機器可讀介質的物品。類似地，還描述了可以包括一個或更多個處 理器和耦合到所述一個或更多個處理器的一個或更多個存儲器的計算機系統。能夠包括計 算機可讀存儲介質的存儲器可以包括、編碼、存儲等使一個或更多個處理器執行本文所述 的操作中的一個或更多個的一個或更多個程序。與當前主題的一個或更多個實施方式一致 的計算機實現的方法能夠由駐留在單個計算系統或多個計算系統中的一個或更多個數據 處理器來實現。這樣的多個計算系統能夠被連接並且能夠經由一個或更多個連接來交換數 據和/或命令或其它指令等，所述連接包括但不限於通過網絡（例如網際網路、無線廣域網、 區域網、廣域網、有線網絡等）的連接、經由在多個計算系統中的一個或更多個之間的直接 連接等。
[0025] 在以下附圖和本說明書中闡述本文所述的主題的一個或更多個變化的細節。本文 所述的主題的其它特徵和優點從本說明書和附圖以及從權利要求中將是顯而易見的。雖然 關於企業資源軟體系統或其它商業軟體解決方案或架構當前公開的主題的特定特徵被描 述用於說明性目的，但是應該容易地理解，這樣的特徵不旨在為限制性的。遵循本公開內容 的權利要求旨在限定所保護的主題的範圍。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0026] 被併入本說明書並構成本說明書的一部分的附圖示出了本文公開的主題的特定 方面，並且與本說明書一起，幫助說明與所公開的實施方式相關聯的原理中的一些。附圖 中：
[0027] 圖1描繪了包括作為傳輸用光源的USPL源到遠程光學接收終端的自由空間耦合 的光學通信平臺的示例；
[0028] 圖2描繪了包括作為傳輸用光源的USPL源到遠程光學接收終端的光纖耦合的光 學通信平臺的示例；
[0029] 圖3描繪了包括USPL源到傳輸用外部調製器到遠程光學接收終端的光纖耦合的 光學通信平臺的示例；
[0030] 圖4描繪了包括USPL源到外部調製器通過傳輸用光纖介質到遠程光學接收終端 的光纖耦合的光學通信平臺的示例；
[0031] 圖5描繪了發送元件和或接收元件的示例，其可以具有來自雙曲面鏡製造技術或 常規牛頓設計的類型；
[0032] 圖6描繪了被標識並且用來提高用於傳輸到遠程光學接收終端的增強光學發送 激勵功率的光纖放大器兀件的不例；
[0033] 圖7描繪了在用於傳輸到遠程光學接收終端的點對點配置中被光纖耦合到傳輸 用外部調製器的USPL雷射裝置的示例；
[0034] 圖8描繪了在點到多點配置中被光纖耦合到傳輸用外部調製器的USPL雷射裝置 的示例；
[0035] 圖9描繪了作為跟蹤和對準（瞄準）信標源的USPL源的使用的示例；
[0036] 圖10描繪了偏振復用到發送的光學信號上以提供偏振復用 USP-FSO(PM-USP-FSO)功能性的USPL雷射源的示例；
[0037] 圖11A和圖11B分別描繪了被用於在視線和非視線雷射通信應用中使用的 USPL-FS0收發機的示例；
[0038] 圖12描繪了通過與作為調查的主體的空氣傳播微粒交互而被反向散射的向前傳 播的光的示例；
[0039] 圖13描繪了作為光學系統接收技術以改進與當前主題的實施方式一致的檢測靈 敏度的USPL雷射源的示例，USPL雷射源以及光學接收技術用來改進檢測靈敏度。
[0040] 圖14描繪了出於目標標識的目的作為測距儀和定點（spotting)設備在1.3至 1. 6微米波長範圍利用和操作的USPL-FS0收發機的示例；
[0041] 圖15描繪了與當前主題的實施方式一致的USPL脈衝倍增器裝置的示例；
[0042] 圖16描繪了用於生成與當前主題的實施方式一致的高脈衝速率USPL光學流的裝 置的另一示例；
[0043] 圖17描繪了用來從常規傳輸聯網元件生成USPL RZ數據流的光學裝置的另一示 例；
[0044] 圖18描繪了實現用於生成10x TDM型信號系統以給出lOOGbps輸出的USPL脈衝 倍增器裝置的示例；
[0045] 圖19描繪了用於擴展脈衝重複率以用於在高容量網絡中使用的另一類型的USPL 脈衝倍增器裝置的示例；
[0046] 圖20描繪了用於擴展脈衝重複率以用於在高容量網絡中使用的另一類型的USPL 脈衝倍增器裝置的示例；
[0047] 圖21描繪了採用反饋再生系統的有源鎖模線性光纖雷射器的示例：光纖反射器 (FR)、波分復用器（WDM)、摻餌光纖（EDF)、光學耦合器（0C)、光電檢測器（PD)、鎖相環（PLL) 以及馬赫-曾德調製器（MZM);
[0048] 圖22和圖23描繪了使用碳納米管可飽和吸收器的無源鎖模線性光纖雷射器的示 例：光纖反射器（FR)、波分復用器（WDM)、摻餌光纖（EDF)、光學耦合器（0C)以及可飽和吸 收器（SA);
[0049] 圖24描繪了時延穩定化機構的不例：光學稱合器（OCin, OCout)、光電檢測器 (H)in，PDout)、高通濾波器（HPF)、低通濾波器（LPF)、鎖相環（PLL)、相位比較器（PC)、分頻 器（1/N)、時鐘-數據恢復系統（CDR)、壓電執行器（PZ1. . PZN)、求和運算放大器，以用於使 從USPL源產生的光學脈衝對脈衝關係穩定；
[0050] 圖25A和圖25B分別包括涉及利用理想化PZ執行器來使TDM源的輸出頻率穩定 的控制機構的不例的不意圖和圖表；
[0051] 圖26描繪了時間域復用（TDM)的示例，其中TDM使用具有待相對於彼此"一致的" 延遲通道的並行時延通道對脈衝串進行復用（因為輸出復用的脈衝串的頻率理想地盡可 能對環境改變不敏感，所以反饋環路控制系統能夠針對損害輸出重複率的穩定性的任何波 動來校正延遲單元，並且能夠通過到神經網絡的互連提供反饋）；
[0052] 圖27描繪了連同用於控制單獨的MFC電路的壓電換能器一起使用基於光纖的準 直器的不例；
[0053] 圖28描繪了 TDM晶片利用倍增器光子晶片從USPL調製源提供太比特/秒（或更 快）的定時的示例；
[0054] 圖29描繪了 TDM晶片利用在WDM配置中操作的倍增器光子晶片從USPL調製源提 供太比特/秒（或更快）的定時的示例；
[0055] 圖30描繪了計算機輔助系統的構造的示例，其能夠使用同步自再生機制隨著腔 的重複率的同時穩定化而控制使用遞歸線性偏振調節的全光纖鎖模的雷射器的脈衝寬度 並且還能夠提供重複率和脈衝寬度的可調諧性；
[0056] 圖31通過脈衝倍增技術描繪了修改的脈衝交織方案的示例，其中良好表徵的、良 好鎖模的雷射器的較低重複率脈衝串能夠被耦合到集成光學定向耦合器中，其中脈衝的良 好確定的一小部分在具有在輸出脈衝串中等於所期望的脈衝間間隔的光學延遲的光學環 路中被分接並且"重新循環"，並且被重新耦合到定向耦合器的輸出端；
[0057] 圖32是例示了與當前主題的實施方式一致的方法的特徵的處理流程圖；
[0058] 圖33是例示了與當前主題的實施方式一致的方法的特徵的另一處理流程圖；以 及
[0059] 圖34是例示了與當前主題的實施方式一致的方法的特徵的另一處理流程圖。

【具體實施方式】
[0060] 當前主題的一個或更多個實施方式能夠為在C-帶波長譜內操作的自由空間光學 無線光學通信系統提供改進的光學傳播效率。當與在1550nm C-帶內操作的當前FS0通信 系統相比時，能夠在降低的光學衰減係數縮減中連同顯著改進的閃爍性能特性一起實現這 些效率。
[0061] 典型地，連同高功率光學放大技術一起使用FS0通常能夠實現僅光學預算和系統 可用性中的邊際增加，尤其是在霧相關事件期間，在這期間在發送帶內的光學衰減能夠上 升到100dB/km以及更高。對用於當前可用的1550nm FS0系統的系統性能以及同樣對在更 短光學工作波長下進行操作的系統的常見限制是由於霧相關效應而導致的衰減的波長靈 敏度。這樣的衰減可能是由幾何和米氏（Mie)散射機制兩者引起的。歸因於由於霧相關事 件而導致的大光學損耗係數，能夠嚴重地降低或者損害FS0傳輸網絡的系統可用性，其中 由於大氣吸收而導致的光學損耗能夠對於濃霧條件能夠超過l〇〇dB/km。在這樣的情況下， 甚至對於在長度上僅數千米的鏈路來說系統可用性考慮也能夠被折衷。當前可用的商業 FS0傳輸系統能夠被限制用於高可用性高容量長距離操作。另外，當前的現有技術水平自由 空間光學通信系統通常需要大量的光學激勵功率以克服通過氣溶膠和霧相關的大氣事件 的視線能見度中的逐漸降低。這樣的系統能夠在一些情況下變得完全行不通，並且因此在 輕霧或重霧事件期間不可用作通信鏈路，從而導致鏈路停止。
[0062] 已報告了在1550nm傳輸窗口內在供替換的FS0雷射傳輸源中的最近進步，其中 USPL技術已被成功地演示為用於當前使用的1550nm光學FS0技術的潛在替換技術。USPL 雷射源脈衝傳播往往對與霧微粒的相互作用不太敏感。因此，通常能夠更加容易地減輕光 學衰減效應，這能夠導致降低的光學衰減以及改進的鏈路可用性和總體系統性能。
[0063] 當前的現有技術水平自由空間光學通信系統通常利用光學跟蹤來維持光學收發 機平臺之間的光學協同對準。這樣的光學跟蹤能夠從而被限制為與用於帶內傳輸通道的數 據承載通道相同的程度。隨著大氣條件惡化，跟蹤和轉向信標能夠在維持收發機之間的協 同對準時變得無效。在提高光學傳輸密度對於克服通過氣溶膠和霧相關的大氣事件的視線 能見度的降低無效的實例中，這樣的方法能夠在輕霧或重霧事件期間變得完全行不通，從 而導致鏈路停止。並且，在高閃爍條件期間，信號漂移和斑點效應能夠嚴重地限制沿著光學 數據鏈路在終端之間的信號傳播和信標跟蹤信號兩者。
[0064] 常規的自由空間光束傳播典型地受來自在鏈路跨距上與光束相互作用的微粒和 氣溶膠的大氣吸收影響。這些現象能夠對信號的總體接收功率電平有累積影響，並且還能 夠由於光束路徑內衰減機制的時間不穩定而在所檢測到的光學功率電平中引起波動。在特 定距離處的發送光學功率由比耳定律（Beer' s Law)給出，其能夠被表達為
[0065] T[R] = P[R]/P[0] = e_°*K (1)
[0066] 其中T[R]是範圍R處的透射比，P[R]是範圍R處的鏈路功率，P[0]是初始激勵數 據鏈路光學功率，並且σ是每單位長度衰減係數。每單位長度衰減係數 〇可以是總體大 氣衰減係數，其能夠由四個變量組成，例如如下：
[0067] 〇 = am+aa+am+aa (2)
[0068] 其中am、aa、％和aa分別是分子吸收係數、氣溶膠吸收係數以及瑞利 (Rayleigh)係數和米氏散射係數。
[0069] 當大氣粒子的大小接近傳播光束的波長時，米氏散射典型地支配總衰減係數。米 氏散射係數能夠被表達為大氣能見度和波長的函數，並且能夠由以下表達式給出：
[0070] (^=-=0=0.91/^(7/550)1 ⑶
[0071] 其中V是能見度（km)，λ是波長（nm)，以及q =散射微粒的大小分布並且對於各 種能見度條件採取各值。上述等式中的值q在各種能見度條件下採取以下值：對於高能見 度條件（例如V〉大約50km) q = 1. 6 ;對於平均能見度（例如大約6〈V〈大約50km) q = 1. 3 ; 對於低能見度（例如V〈大約6km) q = 0. 585V1/3 ;對於霧霾能見度（例如大約lkm〈V〈大約 6km) q = 0. 16V+0. 34 ;對於薄霧能見度（例如大約0. 5km〈V〈大約lkm) q = V - 0. 5 ;以及對 於霧能見度（例如V〈大約0. 5km) q = 0。
[0072] 因為1550nm自由空間鏈路的更短傳輸波長，當與RF和微波通信相比時這些信號 可能對大氣效應更敏感。大氣效應能夠因在檢測到光學功率電平中由於大氣衰減而導致的 總體降低和在所接收到的信號中由光束變形、閃爍效應以及光束漂移產生的隨機光學功率 波動中的任何一個或兩者而使自由空間雷射鏈路傳輸惡化。
[0073] 隨著常規的自由空間光學雷射束通過大氣傳播，它通常經歷其波前的惡化和變 形。這些降級模式是由大氣折射率中的小標度、隨機地局部的改變引起的，這導致波前的光 束漂移和失真以及閃爍效應。地面與大氣條件之間的溫度梯度導致大氣湍流，這進而導致 變化折射率的小標度局部的隨機穴。當閃爍單元大小小於雷射束直徑的直徑時，光束將經 歷失真，並且將觀測到跨越波前的非均勻光學強度。這個效應被稱作閃爍。如果幹涉單元 的大小大於雷射束直徑，則光束將隨機地離開站點路徑的路線。閃爍和光束漂移的混合能 夠導致總體信號穩定性的波動。因此，光束能夠經歷既在空間上且在時間上為非均勻的傳 播路徑，這能夠使光束以隨機方式傳播。這些效應通常加在一起以對所接收到的光學信號 產生總體噪聲分量。
[0074] 閃爍效應可能強烈地取決於在鏈路站點處的並發能見度，並且同樣隨著鏈路距離 而變化。實驗研究指示USPL光束傳播能夠對閃爍和光束漂移現象的效應不太敏感。因此， 至少因為這樣的光束對漂移和對受大氣閃爍影響的相對抵抗力，USPL-FS0雷射通信源在不 僅用於數據傳輸而且用作為用於在瞄準和跟蹤應用中使用的光學信標應用的FS0傳輸平 臺內可能是有用的替換技術。如與常規的FS0傳播技術以及改進的閃爍和光束漂移性能相 t匕，能夠通過增強的能見度性能實現這樣的有益效果。
[0075] 通過濃霧條件的衰減能夠使用常規的自由空間光學方案來限制信號傳播，而不管 光學激勵功率密度如何。USPL雷射脈衝能夠佔據小得多的空間維度。例如，100飛秒（fs) 脈衝通常在沿著光的傳播軸的維度上佔據30微米。因此，與來自常規雷射源的更長脈衝輻 射相比，脈衝與構成霧和雲的水滴（其典型地具有在幾十微米範圍內的直徑）的相互作用 能夠降低一個或更多個數量級，並且在一些示例中是以前的1/1000或更多同時攜帶相同 量的能量。這個影響的結果可能是大約l〇〇fs的雷射脈衝不在水滴中在與更長脈衝相同的 程度上激發功率清除回音壁物理性質。這樣的現象通常能夠對於連續波（CW)雷射器按指 數規律放大，尤其是在重霧期間。與當前主題的實施方式一致的USPL雷射源的有益效果能 夠導致多達8倍的傳統源的能見度。
[0076] FS0傳輸系統能夠典型地利用耦合到數據源（諸如例如供應數據的光學交換機結 構）的發送望遠鏡，以使所供應的數據沿著直接直線傳輸到遠程站點。在遠程站點處，類似 的光學望遠鏡能夠接收進入信號。各個望遠鏡能夠以雙向方式操作（例如用於數據的發送 和接收兩者）。在其它示例中，發送望遠鏡能夠瞄準第二相同的/相反的接收望遠鏡。待 發送的光學信號能夠從1550nm DFB型半導體雷射器發出，並且然後可以典型地通過使用摻 鉺光纖放大器（EDFA)用光學放大器進行放大。對於常規的無線光學系統的更具體討論， 參見例如 P. F. Szajowski, "Key Elements of High-Speed WDM Terrestrial Free-Space Optical Communications Systems, "SPIE Paper No. 3932-01，Photonics West(2000 年 1 月），其通過引用併入在本文中。
[0077] 如上面所討論的，當前的現有技術水平自由空間光學通信系統由於光學功率預算 以及局部大氣條件（最值得注意的是霧相關事件）而通常在可及範圍和可用性方面是有限 的。為了用當前可用的光學通信解決方案解決這些和/或潛在的其它問題，當前主題的一 個或更多個實施方式提供了方法、系統、物品或製品等等，其除了其它可能的優點外，還提 供了自由空間光學通信鏈路同時減輕能夠限制功率檢測的事件所限制的霧相關和其它類 似的效應。在一些實施方式中，能夠在FS0傳輸硬體的框架中使用USPL1550nm雷射源。改 進的替換光學傳輸技術能夠提供增強的光學預算以及鏈路可用性。
[0078] 與當前主題的一些實施方式一致，能夠提高在接收站點處的總體光學收集效率， 從而使光學數據鏈路變得對大氣效應（諸如例如閃爍效應和與衰減效應）更有抵抗力。此 夕卜，與當前主題的實施方式一致的USPL源通常與當前的電信基礎設施組件兼容。
[0079] 能夠容易地克服先前遇見的問題（例如，在距離和大氣條件情況下由於霧和氣溶 膠光學減損而導致的不足功率和不足帶寬）可以是當前主題的特定實施方式的優點。在克 服這些和其它問題時，當前主題的實施方式能夠（除了其它可能的有益效果之外）為使用 USPL-FS0雷射源的單通道和波分復用（WDM)應用提供用於對FS0雙向雷射通信數據鏈路 進行復用和解復用的技術。同樣包括在當前主題的範圍中的是USPL-FS0雷射源作為帶外 (或另選地）帶內跟蹤信標的使用。
[0080] 能夠使用與當前主題的實施方式一致的USPL雷射源，以當在存在霧或有害的氣 溶膠環境情況下傳播時解決涉及系統可用性的潛在問題。在FS0系統中使用USPL源（例 如，1550nm USPL雷射源）能夠允許USPL被與遍及整個電信行業所使用的常規1550nm類似 的方式調製，以用於在陸地、空間以及海底應用中使用。與FS0平臺相結合地使用的USPL 雷射源能夠在WDM配置中提供具有類似有益效果的光學無線系統，從而提高載波數據鏈路 的有效光學帶寬的大小。具有長距離光學傳播的優點能夠需要同樣地魯棒的光學跟蹤通道 來維持光學終端之間的光學協同對準。
[0081] 能夠通過在雷射器與發送望遠鏡的焦平面之間使用單模光學放大器型裝置來提 高發射機的輸出功率，而不管無線介質是否是多模式（多模）介質。這樣的單模光學結構 能夠有利地包括一個或更多個單模光學放大器以向光學信號提供必要的增益。並且，為了 在帶寬上提供所需的增加，當前主題的實施方式能夠以1550nm波長而不是當前可用的光 學無線技術的單波長通過多個調製USPL雷射源來發送信息。
[0082] FS0發送光束可以是非常窄的（3毫弧度或更少），並且終端之間的任何運動能夠 引起信號鏈路的未對準和丟失。在移動平臺（地面車輛、飛船、海洋船或衛星）上的FS0安 裝因此通常需要跟蹤系統維持雙向FS0終端之間的對準。塔安裝和其它非穩定的固定平臺 還能夠需要跟蹤系統。跟蹤系統能夠使用寬視場CCD (電荷耦合器件）或類似相機或其它 光學器件，其能夠在X-y平面（直接地到另一個FSO終端的Z方向點）中從另一通信終端 捕獲發送光束圖案，並且從而計算該光束在相機上的矩心位置。如果在FS0終端之間存在 任何相對運動，則光束的矩心位置將從相機平面的中心轉移。能夠相應調節外部平衡環或 內部轉向鏡以將矩心往回移動到CCD相機平面的中心，從而使FS0終端保持被對準。
[0083] 傳統連續波（CW)FSO發送光束圖案能夠經受大氣閃爍，其能夠使發送光束在一定 距離處周圍"搖晃"和"飛奔"。在最壞情況下，閃爍能夠引起光束功率衰落，如果跟蹤系統 同時丟失光束則所述光束功率衰落能夠引起跟蹤系統的中斷。來自USPL源的實驗觀測結 果隨著距離示出了更加穩定的光束圖案。在FS0系統中使用USPL作為發送源能夠因為更 加穩定的光束圖案而導致跟蹤系統的改進。因此能夠顯著地減少過度跟蹤運動，從而延長 機械跟蹤系統的壽命。還能夠在FS0系統使用USPL來減少或者甚至消除閃爍衰落，產生具 有減少的或消除的信號損耗和跟蹤中斷的更魯棒的跟蹤系統。跟蹤信號能夠被帶外（在不 同的波長上）調製，或者被作為單獨的乙太網信號發送並且然後併入FS0終端之間的總以 太網管道。另外，帶外光學信號能夠隨著數據流被調製並且復用到數據鏈路的總體容量並 且能夠被用於跟蹤的目的。
[0084] 圖1例示了用於使用被作為傳輸用光源自由空間耦合的USPL裝置的與當前主題 的實施方式一致的光學通信平臺100的示例。如圖1所示，USPL源102由外部源元件104 直接地調製。來自USPL源102的光學功率能夠可選地通過光學望遠鏡來跨越自由空間110 耦合到發送元件106。發送元件106能夠可選地包括由雙曲面鏡製造技術、常規牛頓設計 等所形成的光學組件。在接收機系統處的互換接收望遠鏡能夠提供光學接收。與當前主題 的實施方式一致，各個光學傳輸平臺能夠被設計成作為雙向單元。換句話說，光學通信平臺 100的發送元件106還能夠當作接收元件。一般而言，除非另外顯式地陳述，否則如所描述 的發送元件106能夠當作接收元件並且反之亦然。執行發送功能和接收功能兩者的光學元 件能夠在本文中被稱為光學收發機。
[0085] 圖2例示了包括圖1的光學通信平臺100的與當前主題的實施方式一致的光學通 信系統200的示例。同樣在圖2中示出的是第二互補接收元件204,其可以是位於與發送元 件106相距遙遠距離處的接收望遠鏡。如上面所指出的，發送元件106和接收元件204兩 者都可以是雙向的，並且各自能夠取決於在光學通信系統200中的數據傳輸的即時方向而 當作發送元件106和接收元件204兩者。除非另外顯式地陳述，否則這個特徵在本公開內 容中自始至終適用於發送元件和接收元件。發送元件106和接收元件204中的任何一個或 兩者可以是望遠鏡或用於發送和接收光學信息的其它裝置。
[0086] 圖3例示了用於使用通過光纖介質304光纖耦合到外部調製器302並且通過附加 的傳輸介質306連接到發送元件106的USPL源102的與當前主題的實施方式一致的光學 通信平臺300的示例，所述附加的傳輸介質306可選地可以是光纖介質、自由空間連接等。 USPL源102能夠由外部調製器302外部地調製，使得來自USPL源102的光學功率被光纖耦 合到發送元件106或者經由等效光學望遠鏡處理。
[0087] 圖4例示了包括圖3的光學通信平臺300的與當前主題的實施方式一致的光學通 信系統400的示例。同樣在圖4中示出的是第二互補接收望遠鏡204,其如同以上關於圖2 所指出的那樣，可以是位於與發送元件106相距遙遠距離處的接收望遠鏡。
[0088] 圖5例示了與當前主題的實施方式一致的光學通信架構500的示例。圖5的架構 500包括圖4的元件，並且還包括連接到第一光學通信平臺300的第一通信網絡502。接收 元件204是第二光學通信平臺504的一部分，所述第二光學通信平臺504能夠可選地包括 類似於第一光學通信平臺300的那些組件的組件。第二通信網絡506能夠被連接到第二光 學通信平臺504,使得數據在發送元件106與接收元件204之間以光學方式發送，或者在第 一通信網絡502與第二通信網絡506之間傳遞，所述第一通信網絡502與第二通信網絡506 能夠各自包括光學和電聯網特徵中的一個或更多個。
[0089] 圖6例示了與當前主題的實施方式一致的光學通信系統600的示例。作為光學通 信平臺602的一部分，USPL源102例如通過光纖202或其它傳輸介質被光纖耦合到外部調 制器302。來自USPL源102的光經由發送元件106以如上面所討論的類似方式傳播。光學 放大器元件604 (其可選地可以是光纖放大器元件）能夠被用來提高光學發送激勵功率，並 且能夠可選地被布置在外部調製器302與發送元件106之間並且經由附加的傳輸介質306 連接到一個或兩者，所述附加的傳輸介質306可選地可以是光纖介質、自由空間連接等。同 樣在圖6中示出的是位於與光學通信平臺602相距遙遠距離處的第二互補接收元件206。 應當容易地理解，包括接收元件204的第二光學通信平臺504還能夠包括光學放大器元件 604。第一通信網絡502和第二通信網絡506能夠分別連接到兩個光學通信平臺602、504。
[0090] 圖7例示了與當前主題的實施方式一致的光學通信系統700的示例。圖6所示的 光學通信平臺602能夠與第二光學通信平臺702通信，所述第二光學通信平臺702能夠在 這個實施方式中包括接收元件204和光學前置放大器704。與光學通信平臺602所示的那 些類似的其它組件還能夠被包括在第二光學通信平臺702中，但是它們在圖7中未被示出。 應當理解，雙向光學通信平臺能夠包括用於放大接收光學信號的光學前置放大器704和用 於加強發送光學信號的光學放大器元件604兩者。與圖7中描繪的實施方式和當前主題 的其它實施方式一致，例如使用摻鉺光纖放大器（EDFA)、高功率摻鉺-鐿光纖放大器（Er/ Yb-DFA)或同等物，光學放大（例如，針對光學放大器元件604或光學前置放大器704中的 任何一個或兩個）被包括以用於提高用於發送元件106與接收元件204之間的數據鏈路的 光學預算（並且反之亦然），所述等同物能夠包括但不限於半導體光學放大器（S0A)。
[0091] 圖8例示了與當前主題的實施方式一致的光學通信系統800的示例。圖6所示的 光學通信平臺602能夠與第二光學通信平臺802通信，所述第二光學通信平臺802能夠在 這個實施方式中包括接收元件204和與圖7所示的那些類似的光學前置放大器704。如圖 8所示，第二光學通信平臺802能夠進一步包括光學接收機電路804,光學接收機電路804 能夠接收在接收元件204處接收到的並且由光學前置放大器放大的經放大的且以電力方 式恢復的數據。多個時鐘源806能夠根據需要用多個通信網絡810對接到多個遠程多點網 絡連接。以類似的方式，能夠與光學通信平臺602 (例如，代替圖8中的單個描繪的通信網 絡502)相結合地操作互補的一組時鐘源和多個通信網絡。
[0092] 圖9例示了與當前主題的實施方式一致的光學通信系統900的示例。光學通信平 臺902(其能夠以與參照圖6在本文中首先討論的光學通信平臺602中的那些類似的元件 為特徵）還能夠包括作為跟蹤和對準（瞄準）信標源的附加的USPL源904。第二光學通 信平臺906還能夠包括當作跟蹤和對準（瞄準）信標源的附加的USPL源910。跟蹤和對 準（瞄準）信標源904、910能夠可選地源自在數據輸送傳輸中使用的可用通信源，或者能 夠由單獨的專用USPL源提供。此外，各個USPL信標源904、910能夠包括帶內源或帶外源， 從而允許可用的光學放大源的或來自專用光學放大資源的優點。
[0093] 圖10例示了包括雙偏振USPL-FS0光學數據鏈路平臺1001的FS0通信系統1000 的示例，在所述雙偏振USPL-FS0光學數據鏈路平臺1001中USPL源被偏振復用到發送光學 信號上以從而提供偏振復用的USP-FSO(PM-USP-FSO)功能性。兩個USPL源102和1002被 分別光纖耦合到直接地調製的或外部地調製的調製組件1004、1006。各個相應的調製信號 可選地由光學放大器組件1010、1012放大，後面是使用偏振組件1014、1016的光學偏振態 的調節。偏振態信號被光纖耦合到偏振相關復用器（PDM)組件1020以用於對接到光學激 勵平臺組件1022,其能夠與上面所討論的發送元件106類似。PDM1020將不同偏振態的光 復用到單脈衝串中以用於經由光學激勵平臺組件1022傳輸。USPL光學信標904能夠被包 括來提供與以上參照圖9討論的那些類似的能力，例如以在接收平臺1024處沿著第二USPL 光學信標906或與第二USPL光學信標906相結合地操作，所述接收平臺1024能夠包括與 上面所描述的那些類似的接收元件204。如先前所指出的，接收平臺1024的接收元件204 以及其它特徵和組件通常能夠支持傳輸功能使得雙向鏈路被建立。由接收元件204所恢復 的接收信號能夠提供被對接到能夠提供兩個信號以用於使用放大元件1030U032的進一 步光學放大的適當的偏振相關解復用器1026的光學信號。如由放大元件1030U032所提 供的各個光學放大信號能夠被對接到適當的光學網絡1034U036以用於網絡使用。
[0094] 圖11A示出了 USPL-FS0收發機能夠被利用用於在視線光學通信（例如"雷射通 信"）應用中使用的系統100的示例，並且圖11B示出了 USPL-FS0收發機能夠被利用用於 在非視線雷射通信應用中使用的系統1150的示例。由於從發送元件發送的光學信號隨著 已發送光通過大氣的散射能夠實現當前主題的一些實施方式的優點。該散射能夠許可非視 線通信的使用。此外，在這樣的通信系統中使用的無線電設備能夠在UV-C帶的日盲部分中 操作，其中光在200nm至280nm的波長下發射。在這個帶中，當太陽福射通過環境傳播時， 它被地球的大氣強烈地衰減。這意味著，當它更接近於地面時，背景噪聲輻射量顯著下降， 並且低功率通信鏈路操作是可能的。另一方面，諸如氧、臭氧以及水的環境元素能夠削弱或 者中斷通信廣播，從而限制短程應用的使用。
[0095] 當UV波傳遍大氣時，它們典型地被強烈地散射到各種信號路徑中。信號散射對於 在非視線條件下進行操作的UV系統而言是必要的，並且通信性能能夠高度地取決於傳輸 光束瞄準和接收機的視場。如圖11A所示的視線布置1100能夠在帶寬大小方面與如圖11B 所示的非視線布置1150不同。紫外線通信能夠更強烈地依賴於發射機的光束位置和接收 機的視場。結果，瞄準頂角例如通過用互補設備做實驗以增強UV-C信號的改善可能是有利 的。
[0096] 圖12例示了遠程感測系統1200的示例，其中USPL源102被光纖組件202光纖耦 合到能夠發送和接收光學信號的光學激勵元件1202。通過光學激勵元件1202向前傳播的 光中的一些通過與作為調查的主體的空中傳播微粒相互作用而反向散射。光學反向散射信 號通過光學激勵元件1202或類似的接收孔徑被檢測到並且通過圖12中的檢測電路1204 或類似物傳遞以得到檢測和光譜分析。微粒在進行調查的目標大氣區1206內的符號差能 夠通過常規方法例如使用基於紫外線光譜學、紅外線光譜學、拉曼（Raman)光譜學等中的 一個或更多個的預定光譜校準測量來校準。與這個實施方式一致，光學系統能夠被操作為 LiDAR儀器從而使用在感興趣光譜範圍上操作的USPL雷射源來提供增強的解析度和檢測 靈敏度性能。光譜範圍的可調性能夠幫助評估和分析大氣中的化學組分。
[0097] USPL-FS0收發機能夠被利用用於遠程感測和檢測以得到使用電離或非電離檢測 技術、利用通過雙曲面鏡製造技術或將接收信號聚焦在一個理想點處的常規牛頓設計所制 造的光學傳輸終端的空中傳播元件的符號差。並且特定改變能夠與遠程區的電離探測包括 可控電離有關，所述可控電離已被示出在這些頻率和電離處理處發生，所述電離處理能夠 被集中在遠處以調節尤其在天氣和雲中的大氣穿透的深度。
[0098] 圖13例示了使用USPL源以及光學接收技術來改進檢測靈敏度的示例。在美國 國家標準和技術研究所（NIST)的研究者已建立能夠精確地找到在多達100km的距離下 具有納米精度的多個物體的雷射測距系統。LIDAR(光檢測和測距）系統能夠具有從世 界上的精密製造到使衛星的網絡維持在完美陣式中的應用（自然光子學DOI :10. 1038/ ΝΡΗ0Τ0Ν. 2009. 94)。NIST裝置使用兩個相干寬帶光纖-雷射器頻率梳。頻率梳梳出一系列 穩定的短脈衝，其同樣包含跨越脈衝串擴展的高度相干載波。這意味著頻率梳能夠被採用 來同時進行幹涉測量以及飛行時間測量，從而對於專用情形增強分析能力。
[0099] 在圖13所示的布置中，兩個鎖相的頻率梳1301和1302被用於也稱為多外差的相 幹線性光學採樣配置中，意味著一個頻率梳測量兩個距離路徑，同時另一個頻率梳提供鑑 於第一梳所編碼的距離信息。來自一個頻率梳1301的脈衝能夠開始離開光纖並且導向兩 個玻璃板、基準1303以及目標1304。板1303和1304能夠反射從光纖返回的脈衝的特定小 部分（例如大約4%)，從而有效地創建兩個新的脈衝。兩個脈衝1301之間的時間分離能 夠給出可移動目標板與基準板之間的距離。第二頻率梳1302隨著第一頻率梳緊密地鎖相， 但是具有稍微不同的重複率。由於在光源幹涉時在連續脈衝之間的不同延遲，第二頻率梳 能夠對來自第一梳的電場的光的稍微不同的部分進行採樣。
[0100] 使用參照圖13所描述的技術能夠使兩個相干寬帶光纖-雷射源與在概述了各自 具有光纖耦合到專用自由空間光學望遠鏡設計的USPL源的配置的範圍內所使用的兩個適 當的USPL源的替換變得可能。通過這樣做，能夠基本上改進總體效率、光學測距以及準確 度。
[0101] 當前可用的USPL光學脈衝串以USPL雷射源的本機脈衝重複率操作並且典型地限 於50MHz或更小，從而勝過用於光學傳輸的最大數據速率。結果，利用USPL雷射源的光學 系統受限於50MHz或更小的低數據速率應用。具有提高USPL操作速率的手段對於為超過 50MHz的數據傳輸提供解決方案是必要的。
[0102] 圖14例示了遠程感測系統1400的示例，其中USPL源102被光纖組建202光纖耦 合到能夠發送和接收光學信號的光學激勵元件1202。通過光學激勵元件1202向前傳播的 光通過與已知和未知為在大氣區1206內調查的主體的目標相互作用而反向散射。光學反 向散射信號通過光學激勵元件1202或類似的接收孔徑而被檢測到並且通過圖14中的檢測 電路和光譜分析元件1402傳遞以得到檢測分析。例如在能夠執行測距分析情況下，能夠校 準在調查中的區1206內微粒的符號差。如在圖14中一樣的系統1400能夠包括出於目標 標識和詢問應用的目的作為測距儀和定點設備跨越1. 3至1. 6微米波長範圍利用和操作的 USPL-FS0收發機。
[0103] 圖15例示了能夠提高來自USPL源102的輸出的重複率的光學脈衝倍增器模塊 1500。具有10-100飛秒的脈衝寬度的典型USPL具有例如50MHz的重複率。來自USPL102 的輸出能夠作為輸入1502被饋送到USPL光子晶片脈衝倍增器模塊1504中。在這個示例 中，光子晶片能夠包含將輸入分成分立光元件的20, 000:1分路器元件1506。在分路器元件 1506的相對側的各個光元件包含50MHz脈衝串。各個光元件然後通過延遲控制器（光纖環 路或透鏡陣列）1510,其在時間上使用於該元件的脈衝串延遲了例如許多皮秒。連續光元件 從而延遲了遞增皮秒。具有它們的唯一時延的這些脈衝串中的全部都被以與利用20, 000:1 光學組合器元件1512的時分復用類似的方式組合成單脈衝串。能夠控制所需要的分路器 和組合器的比率以為所需要的應用提供必要的光學設計。最後輸出1514是具有ITHz的重 復率的10-100個飛秒脈衝的脈衝串。這個THz脈衝串然後能夠由諸如圖28所示的10或 lOOGigE信號調製，從而對於lOGigE系統產生每位100個飛秒脈衝，並且對於lOOGigE系統 產生每位10個飛秒脈衝。所引用的應用不限於10和lOOGbps的特定數據速率，而是能夠 像由考慮中的應用所需要的那樣操作。這些數字僅用於圖示目的。當前主題的實施方式能 夠使用任何倍增器因子來經由光子晶片倍增器模塊1504將USPL的重複率提高至任何任意 的重複率。在這個提交內例示了在增強USPL重複率的生成中所使用的其它示例。
[0104] 圖16描繪了用於高脈衝速率USPL光學流的生成、傳輸以及接收的系統1600。能 夠在本申請中使用光學晶片復用模塊1610,其能夠例如與參照圖15所討論的光學晶片復 用模塊類似。在用來實現USPL脈衝倍增的這個方法中，由信號1601、1602、1603、1604(在 圖16中示出了四個信號，但是應當理解，任何數目在當前主題的範圍內）所描述的一系列 lOGigE路由器連接（lOGigE不旨在為限制性特徵）被對接到光學晶片復用模塊1610。在 操作中，光學晶片復用模塊1610能夠支持全雙工（Tx和Rx)以與10GiE路由器1601、1602、 1603、1604連接。光學晶片復用模塊1610能夠通過從USPL源1690輸出的USPL信號1685 為進入光學信號1601、1602、1603、1604提供高效調製。光學晶片復用模塊1610能夠提供 對這些進入光學信號進行調製和復用的能力。
[0105] 在定位有接收裝置的遠程接收站點處，能夠使用適當的接收機元件1665來恢復 在發送裝置處經由發送元件1660發送的所有信號。互補的一組光學晶片復用模塊1675 能夠提供用於對如由元件所示出的接收數據流進行解復用以用於傳遞到一系列路由器 1601'、1602'、1603'、1604'（再次，四個這樣的路由器的描繪不旨在為限制性的）的必要能 力。能夠通過網絡端點元件演示端到端網絡連接性。
[0106] 圖17描繪了示例系統1700,其中光學晶片被互連到波分復用（WDM)系統，其當前 可用的版本可能是非常昂貴的。WDM系統具有不需要如對lOGigE(或其它速度）路由器 1701所需的定時或同步的優點，因為各個lOGigE信號在它自己的波長上獨立於其它這樣 的信號運行。TDM光學晶片與lOGigE路由器的定時或同步在TDM光學晶片中可能是重要 的。GbE交換機1701能夠從交換機1701提供必要的電RF信號1705以要麼直接地要麼通 過使用在本文獻內先前詳述的USPL脈衝倍增器模塊來對USPL源1702進行調製。典型的 NRZ輸出1710能夠被耦合到外部調製器1720中，所述NRZ輸出1710能夠對於交換機1701 使用NRZ時鐘源來調製，從而產生RZ調製的光譜1730。使用容易地可用的設備的轉換處理 能夠提供用於將USPL源和它們的有益效果引入到陸地回程網絡光譜中的能力。
[0107] 為了讓光學晶片系統成功地橋接在兩個遠程lOGigE交換機之間，它必須典型地 表現得像簡單的一件光纖。TDM晶片的定時因此能夠由lOGigE交換機1701驅動。有源鎖 模的USPL (即40GHz，1皮秒脈衝寬度）和無源鎖模的USPL (即50MHz，100USPL脈衝寬度） 兩者都能夠由RF定時信號驅動。
[0108] 圖18例示了能夠支持漸進到高脈衝重複數據速率操作（諸如以得到能夠使用光 纖或自由空間光學器件來執行光學晶片設計的極其高數據速率操作）的另一方法的裝置 1800。50MHz USPL源1801被對接到一系列光學延遲控制器元件1802,其能夠使用光纖環 路或偏移透鏡來設計，以導致確切地產生10. 313Gbps RZ輸出流，其是lOGigE線速率（因 為64B/66B編碼大於lOGbps)。分路器元件1803連同可變光學延遲線1804 -起提供進入 光學信號串1801到（在這個示例中）206個路徑中的分束功能性。在通過設計引入足夠的 延遲之後，所有信號通過組合器元件1805而被復用在一起。在這樣做時，各自相同的並且 在相鄰脈衝之間同等地隔開的一系列光學信號形成調製用脈衝的連續集。在進入E-0調製 器元件1806之前，所有光學進入信號能夠通過預加重技術例如使用典型的光學放大技術 調節，以對於來自組合器元件1805的各個輸出信號產生均勻功率光譜。經調節的輸出信號 然後被耦合到E-0調製器元件1806中並且用來自lOGigE信號源元件1807的可用NRZ信 號進行調製。lOGigE調製輸出1809能夠對接到EDFA並且然後進入到FS0系統（或光纖系 統）的TX。Rx側（在檢測器之後）能夠被直接地饋送到lOGigE交換機中作為調製和放大 輸出1810。
[0109] 圖19例示了能夠被用於與當前主題的實施方式一致的USPL脈衝倍增的裝置1900 的另一示例。與這個方法一致，l〇x TDM系統被配置成給出lOOGbps輸出。TDM解復用晶片 可以是在通信鏈路的接收側以分解單獨的lOGigE信號，並且能夠包括如圖19所示的設計 的互換方法。
[0110] 如在圖18中一樣，50MHz USPL源1801被對接到一系列光學延遲控制器元件1802， 其能夠使用光纖環路或偏移透鏡來設計，以導致確切地產生10. 313Gbps RZ輸出流，其是 lOGigE線速率（因為64B/66B編碼而大於lOGbps)。分路器元件1803連同可變光學延遲線 1804-起提供進入光學信號串1801到（在這個示例中）206個路徑中的分束功能性。在通 過設計引入足夠的延遲之後，所有信號通過組合器元件1805而被復用在一起。然而，代替 如圖18所示的單個調製器元件1806,來自組合器元件1805的10. 313GHz RZ輸出1901被 饋送到第二分路器元件1910中，所述第二分路器元件1910在這種情況下可以是10x分路 器，其將光學信號分裂到十個並行路徑中。這個設計的其它實施方式能夠支持如由設計所 需要的各種分流比，從第二分路器元件1910出來的光學路徑被個別地連接到規定的光學 延遲線1920。各個單獨的延遲路徑被連接到用來自10xl0GigE信號源元件1931的可用NRZ 信號所調製的一組光學調製器1930的專用光學調製器，產生一系列調製光學信號1935。所 標識的光學組合器1940提供單光學脈衝串1950。在單光學脈衝串1950中的該系列光學脈 衝能夠被對接到適當的光學放大器以得到期望的光學調節以用於網絡使用。
[0111] 圖20例示了能夠被用於與當前主題的實施方式一致的USPL脈衝倍增的裝置2000 的另一示例。如所描繪的裝置2000能夠通過低重複率通道內脈衝的調製為網絡應用實現 高USPL脈衝重複數據速率的能力。通過在延遲控制器上施加各個通道的直接調製，能夠有 利地實現不受來自電子技術的當前速度限制所約束的調製方案的創建。當前主題的實施方 式能夠提供通過分別地以當前的標準電子調製速度（在圖20的示例中以lOOxlOGigE信號 輸入2001的速率）對單獨的信道進行調製並且將通道時間復用到單頻高重複率脈衝流中 來提高系統的數據傳輸容量的機制。在這個方法中，受電光學調製器的速度（40Gbps)限制 的當前標準能夠被提高大約N個數量級，其中N是時間復用器的通道數。例如，其中各個通 道振幅以當前標準數據速率調製的1〇〇通道TDM或許能夠以多達4Tbs的速度提供數據速 率。N能夠由光學脈衝本身的寬度限制。在信息被承載1比特/脈衝的限制中，由1個比特 所佔據的時隙是脈衝本身的寬度（在那種意義上，RZ系統將收斂於NRZ)。例如，在本方案 中，具有40GHz重複速率的40fs脈衝寬度雷射器能夠以25Tbps的最大速率承載信息。這 個方法能夠被用於40Gbps-通道調製方案（即每25psl個比特）中並且能夠對應於單個傳 輸中的N?625個通道的容量，其可以是適應25ps時間間隔的40fs時間間隔的數目。這 個方法的有效優點是"光學上提高"另外有限的數據容量調製方案，同時仍然與現有數據速 率有限的調製器對接。例如，基於馬赫-曾德幹涉儀的振幅調製器能夠被容易地集成在TDM 1C封裝中，因為所需要的是將通道分支成兩個單獨的路徑、在各路徑中的一個中添加微相 位調製器（非線性晶體）並且組合路徑以得到幹涉的能力。
[0112] 圖20包括耦合到多埠光學分路器元件2020的USPL源2010。所標識的光學埠 的數目不必限於本文中所描述或所示出的那些。一系列光學延遲線2030在各個並行路徑 之間從多埠光學分路器元件2020提供需要的光學延遲，並且能夠被定製用於特定應用。 來自光學延遲線2030的光學延遲路徑使用光學組合器元件2035 -起合計。通過元件2040 出現的結果得到的組合光學數據流表示由元件2010所標識的原始USPL源的脈衝重複率中 的倍增增強。脈衝重複率中的進一步增強通過由進入信號2040被分成不限於由元件2041 所標識的那些的一系列路徑的光分路器所描述的元件2041的使用來實現。通過第二延遲 控制器2045,光學延遲可以被引入到在如由第二組光學延遲路徑2042所標識的裝置內的 各個路徑。各個並行路徑2042進而由調製元件2044用由信號輸出2001所標識的可用RF 信號源元件進行調製。光學組合器元件2050將所有進入信號集成到單個數據流2060上。
[0113] 能夠在描述成定製光學光譜以得到均勻或不對稱光功率分布的元件的各個段內 引入光學預加重和去加重技術。能夠使用諸如摻鉺光學放大器（EDFA)的通常使用的光放 大器來實現預加重與去加重。
[0114] 圖21描繪了包括鎖模的USPL源2101的系統2100的示例，所述鎖模的USPL源 2101能夠被用來為應用生成適當地需要的時鐘和數據流。鎖模雷射器能夠表示用於數字通 信系統中的時鐘的高性能、高精細源的選擇。在這點上，鎖模光纖雷射器-在線性配置或環 形配置中-能夠做出有吸引力的選擇候選，因為它們能夠在USPL源區上實現脈衝帶寬以及 和GHz -樣高的重複率。除此之外，僅舉幾個例子，光纖提供緊密性、低成本、對熱噪聲的低 靈敏度、低抖動、無與衍射或空氣灰塵汙染相關聯的問題。在通信場景中，脈衝寬度能夠確 定系統的可用帶寬，並且重複率限制數據速率。脈衝寬度能夠由雷射器腔的內在特性-即 總體群速色散（GVD)的平衡和可飽和吸收器的選擇（在無源系統的情況下）-或有源元件 的帶寬（在有源鎖模系統的情況下）確定。脈衝串的重複率受光纖的長度約束。例如，在 線性雷射器中，雷射器的基模v μ。能夠被表達為：

【權利要求】
1. 一種光學通信設備，該光學通信設備包括： 超短脈衝雷射（USPL)源，該USPL源生成包括各自具有大約1納秒或更短的持續時間 的光脈衝的光束； 調製元件，該調製元件對由所述USPL源生成的所述光束施加調製信號以生成調製光 學信號，所述調製信號承載用於傳輸到第二光學通信設備的數據； 光學收發機，該光學收發機接收所述調製光學信號，並且發送所述調製光學信號以用 於由所述第二光學通信設備接收。
2. 根據權利要求1所述的光學通信設備，其中，所述調製元件包括直接調製元件、間接 調製元件和外部調製元件中的至少一個，所述外部調製元件位於所述USPL源的外部。
3. 根據權利要求1所述的光學通信設備，其中，所述持續時間小於大約一皮秒。
4. 根據權利要求1所述的光學通信設備，其中，所述持續時間小於大約一飛秒。
5. 根據權利要求1所述的光學通信設備，其中，所述持續時間小於大約一阿託秒。
6. 根據權利要求1所述的光學通信設備，該光學通信設備還包括將一個以上的通信信 道復用到所述光束中的光學復用器。
7. 根據權利要求1所述的光學通信設備，該光學通信設備還包括布置在所述USPL源與 所述光學收發機之間的光學放大器，該光學放大器增大由所述光學收發機發送的所述調製 光學信號的輸出功率。
8. 根據權利要求7所述的光學通信設備，其中，所述光學放大器包括光學前置放大器、 半導體光學放大器、摻鉺光纖放大器和摻鉺-鐿光纖放大器中的至少一個。
9. 根據權利要求1所述的光學通信設備，該光學通信設備還包括對所述光學收發機施 加第二束光脈衝的第二USPL源，該第二USPL源用作跟蹤和對準信標以在遠程接收設備處 確定或驗證用於所發送的調製光學信號的目標點。
10. 根據權利要求1所述的光學通信設備，其中，在所述調製光學信號內生成跟蹤和對 準信標信號，該跟蹤和對準信標信號被用來在所述遠程接收設備處確定或驗證用於所發送 的調製光學信號的目標點。
11. 根據權利要求1所述的光學通信設備，該光學通信設備還包括在所述調製光學信 號到所述第二光學通信設備的傳輸之前對不同極性的光學信號進行復用的偏振相關復用 器組件。
12. 根據權利要求1所述的光學通信設備，該光學通信設備還包括對從所述第二光學 通信設備作為第二調製光學信號接收到的不同極性的光學信號進行解復用的偏振相關解 復用器組件。
13. 根據權利要求12所述的光學通信設備，其中，經解復用的光學信號被各自對接到 不同的光學網絡以用於網絡使用。
14. 一種方法，該方法包括以下步驟： 生成包括各自具有大約1納秒或更短的持續時間的光脈衝的光束； 對所述光束施加調製信號以生成調製光學信號，所述調製信號承載用於傳輸到遠程接 收設備的數據； 在光學收發機處接收所述調製光學信號；以及 使用所述光學收發機來發送所述調製光學信號以用於由所述第二光學通信設備接收。
15. 根據權利要求14所述的方法，其中，所述生成是由超短脈衝雷射（USPL)源執行的。
16. 根據權利要求14所述的方法，其中，所述施加是由調製元件執行的，所述調製元件 包括直接調製元件、間接調製元件和外部調製元件中的至少一個，所述外部調製元件位於 所述USPL源的外部。
17. -種遠程感測設備，該遠程感測設備包括： 超短脈衝雷射（USPL)源，該USPL源生成包括各自具有大約1納秒或更短的持續時間 的光脈衝的光束； 光學收發機，該光學收發機向目標大氣區發送所述光脈衝的光束；以及 檢測電路，該檢測電路用於對作為來自所述目標大氣區中的一個或更多個物體的光學 反向散射的結果在所述遠程感測設備處接收到的光學信息進行分析。
18. 根據權利要求17所述的遠程感測設備，該遠程感測設備還包括用於對從在所述遠 程感測設備處接收到的所述光學信息中提取的光譜信息進行分析的光譜分析組件。
19. 一種方法，該方法包括以下步驟： 使用USPL源生成一束各自具有大約1納秒或更短的持續時間的光脈衝； 經由光學收發機向目標大氣區發送該束光脈衝；以及 分析作為該束光脈衝從所述目標大氣區中的一個或更多個物體的光學反向散射的結 果在所述光學收發機處接收到的光學信息。
20. -種光學通信設備，該光學通信設備包括： 第一雷射源，該第一雷射源生成包括光脈衝的第一光束； 第二雷射源，該第二雷射源生成包括光脈衝的第二光束； 第一調製兀件，該第一調製兀件對所述第一光束施加第一調製信號以生成第一調製光 學信號，所述第一調製信號承載用於傳輸到遠程光學通信設備的第一數據； 第二調製元件，該第二調製元件對所述第二光束施加第二調製信號以生成第二調製光 學信號，所述第二調製信號承載用於傳輸到所述遠程光學通信設備的第二數據； 第一偏振組件，該第一偏振組件調節所述第一調製光學信號的第一偏振態； 偏振相關復用器組件，該偏振相關復用器組件將具有經調節的第一偏振態的所述第一 調製光學信號與所述第二調製信號復用；以及 光學收發機，該光學收發機接收具有經調節的第一偏振態的第一調製光學信號與所述 第二調製信號的經復用的光學信號，並且發送經復用的具有經調節的第一偏振態的第一調 制光學信號與所述第二調製信號，以用於由所述第二光學通信設備接收。
21. -種方法，該方法包括以下步驟： 生成包括光脈衝的第一光束和第二光束； 對所述第一光束施加第一調製信號以生成第一調製光學信號並且對所述第二光束施 加第二調製信號以生成第二調製光學信號； 調節所述第一調製光學信號的第一偏振態； 將具有經調節的第一偏振態的所述第一調製光學信號與所述第二調製信號復用；以及 通過光學收發機發送經復用的具有經調節的第一偏振態的第一調製光學信號與所述 第二調製信號，以用於由第二光學通信設備接收。
【文檔編號】H04B10/2575GK104160640SQ201380013245
【公開日】2014年11月19日 申請日期:2013年1月9日 優先權日:2012年1月9日
【發明者】T·查菲, P·A·扎若斯基, I·金, A·布拉加 申請人:阿託隆有限責任公司