一种使用多芯光纤的光学无线光束对准方法与流程

本发明涉及光学无线通信领域，诸如li-fi通信。更特别地，本文公开了与安全光学无线通信系统相关的各种设备、系统和方法。

背景技术：

1、为了使越来越多的电子设备(如笔记本电脑、平板电脑和智能手机)无线连接到互联网，无线通信面临着前所未有的数据速率和链路质量的要求，并且考虑到与物联网(iot)相关的新兴数字革命，这些要求逐年增长。如wi-fi等射频技术具有有限的频谱容量，无法迎接这场革命。与此同时，光保真(li-fi)凭借其固有的安全性增强和在可见光、紫外(uv)和红外(ir)光谱的可用带宽上支持更高数据速率的能力，吸引了越来越多的关注。此外，与wi-fi相比，li-fi具有方向性，并由挡光材料屏蔽，这使其有可能通过在空间上重用相同的带宽，在用户密集的区域部署更多数量的接入点。与无线射频通信相比，这些关键优势使li-fi成为一种有前途的安全解决方案，以缓解iot应用和室内无线接入对拥挤的无线电频谱的压力。li-fi的其他可能好处包括为某个用户保证带宽，以及在原本易受电磁干扰的区域安全工作的能力。因此，li-fi是一种非常有前途的技术，使下一代沉浸式连接成为可能。

2、为了在短距离点对点光学链路中实现高数据吞吐量，使用了窄光束发射器源，以及小型低电容光接收器。由于这种窄光束特性，发射器和接收器之间的精确对准是必要的。对于非静态系统，这可以通过不同类型的机电致动器和光束跟踪方法来解决。

3、一种用于光束跟踪的低成本且紧凑的方法可以利用附加的低频信标发射器来实现。当光学发射器和光学接收器之间的间隔距离很长时，该系统正常工作。对于短距离，由于高速光学收发器在物理上与基于低频信标的跟踪系统分离，因此由于近场传输特性，跟踪中的偏差可能很大。为了解决这个问题，可以对单元进行校准，以补偿特定通信距离d的偏差。但是，校准只对在固定通信距离下工作的系统有效，而不对完全动态的系统有效。

4、us2020366371a1涉及使用多路接入自由空间光学通信收发器在多个网络节点(诸如地球轨道中的卫星或地面站)之间提供高吞吐量连接的系统和方法。收发器包括焦平面组件，焦平面组件具有可移动光纤或光纤束、多芯光纤或其组合的阵列。每个光纤束可以包括位于中心的数据光纤，带有引导光纤设置在数据光纤周围。

5、us5777768a涉及一种用于在自由空间中建立激光链路通信系统的方法，该系统包括在光路上彼此远离的第一和第二终端。每个终端包括多个激光发射器，它们一起产生多个激光束，每个激光束承载通信信号。

6、us2022107473a1涉及一种包括光纤束和一个或多个处理器的自由空间光学通信设备。光纤束包括连接到第一光电探测器的中心光纤和多个周围光纤，每个周围光纤连接到相应的第二光电探测器。

技术实现思路

1、本发明旨在解决在高速窄光束光学通信(子)系统中减少分立数据和信标/导频收发器(或发射器/接收器)的布置约束的问题，所述收发器包括用于光束对准和获取、指向和跟踪的相关光学器件，同时增强高速窄光束光学通信(子)系统的紧凑性。

2、鉴于以上所述，本发明涉及如权利要求13所述的owc系统以及如权利要求14所述的方法以及如权利要求1所述的光学无线通信owc子系统。

3、根据本发明的第一方面，提供了一种owc子系统。owc子系统，被配置为与远程owc子系统建立双向光学数据通信，用于点对点窄光束光学无线通信，包括:

4、-光纤芯束，包括面向准直器的公共端芯面；

5、-光学收发器，被配置为经由束的第一光纤芯向远程owc子系统发射和从远程owc子系统接收相应的发射和接收数据光束；

6、-辅助信标发射器，被配置为向光纤分路器提供信标光束；

7、-至少两个辅助信标接收器，每个辅助信标接收器被配置为经由束的相应光纤芯从远程owc子系统接收相应的信标光束；

8、-光纤分路器，直接耦合到至少辅助信标发射器，并且被配置为将来自辅助信标发射器的信标光束分成至少两个发射信标光束，每个发射信标光束具有相同量的输出功率，并且将至少两个发射信标光束中的每一个提供给束的相应光纤芯；和

9、该准直器被配置为将从远程owc子系统接收的数据和/或信标光束聚焦到公共端芯面，并准直来自公共端芯面的数据和/或至少两个发射信标光束，以便向远程owc子系统传输，

10、其中该束的光纤芯以预定形状布置，并且

11、其中信标光束用于owc子系统和远程owc子系统之间的双向光束对准，使得当在承载来自远程owc子系统的信标光束的每个光纤芯接收的相应光学功率量被确定为相等时，获得owc子系统(400)与远程owc子系统的对准。

12、因此，代替使用分立信标/导频光束发射器和接收器的特定布置，包括相关联的光学器件，例如对称地位于来自分立光学收发器的数据光束的孔径周围，使用光纤芯束，使得该束的不同芯服务于基于信标/导频和数据传输以及接收/检测的对准过程的不同目的。因此，通过将这些布置约束转移到随后需要以预定形状布置的光纤芯束，可以在对准过程的背景下避免这些分立器件的布置约束。因此，由于光纤芯的固有柔性，可以获得更容易的电磁兼容性(emc)屏蔽和对现有空间的更好利用。

13、有利的是，所述光纤芯布置的预定形状可以由承载发射信标光束的光纤芯和承载来自远程owc子系统的信标光束的光纤芯分别围绕承载相应发射和接收数据光束的第一光纤芯的不同布置来定义。因此，布置约束可以针对光纤芯，并且不是针对分立的辅助信标发射器/接收器和分立的光学收发器。

14、有利地，不同的布置可以包括对称布置和/或基于圆内装圆问题的布置。由此，承载发射信标光束的光纤芯和承载来自远程owc子系统的信标光束的光纤芯可以围绕第一光纤芯对称布置，和/或承载发射信标光束的光纤芯和承载来自远程owc子系统的信标光束的光纤芯可以布置成基于圆内装圆来增强紧凑性。注意，尽管二维圆形装填是针对将单位圆装填成尽可能小的较大圆，但是束(对应于较大的圆，较小的圆装填在较大圆内)的光纤芯(对应于较小的圆)可以具有相同或不同尺寸的任何直径。

15、优选地，对称布置可以在公共端芯面限定圆形数据光束和椭圆形信标光束布置、椭圆形数据光束和圆形信标光束布置以及圆形数据光束和圆形信标光束布置中的至少一种。

16、有利的是，承载相应发射和接收数据光束的第一光纤芯可以放置在束的中心。因此，第一光纤芯在面对准直器的公共端芯面上的位置可以预先确定，以便准直器有利地用来减轻任何数据光束发散。

17、有利的是，公共端芯面上的第一光纤芯可以放置在准直器的焦点上。因此，可以实现最低的数据光束发散度。

18、优选地，光纤芯束可以包括光学多芯光纤或多个光学单芯光纤束。

19、优选地，准直器可以包括成像光学部分或非成像光学部分或者它们的组合。例如，准直器可以包括普通透镜或光学系统，如空气间隔双合透镜或同轴光学器件。

20、优选地，至少两个辅助信标接收器中的每一个至少可以包括光电二极管、照相机传感器(例如，cmos或ingaas图像传感器)、内窥镜传感器、硅光电倍增管(sipm)和单光子雪崩二极管(spad)中的一个。注意，光电二极管也可以指光检测器、光电探测器或光电传感器，其可以是pin二极管、雪崩光电二极管(apd)或光电倍增管，并且sipm阵列可以是并联的spad阵列。

21、优选地，承载来自远程owc子系统的信标光束的光纤芯可以耦合到至少两个辅助信标接收器。因此，有两种选择是可能的。在第一种选择中，当承载来自远程owc子系统的信标光束的那些光纤芯的数量等于这些辅助信标接收器的数量时，所述耦合可以“直接”进行，即不通过光纤分路器。在第一种选择中，承载来自远程owc子系统的信标光束的每个光纤芯直接耦合到相应的辅助信标接收器(即，以1∶1的耦合比)。在第二种选择中，当承载来自远程owc子系统的信标光束的那些光纤芯的数量不同于这些辅助信标接收器的数量时，所述耦合可以“间接”进行，即通过光纤分路器。在第二种选择中，然后需要进行分路，并且光纤分路器可以直接耦合到辅助信标接收器。

22、有利地，owc子系统可以包括致动器系统，该致动器系统被配置为操纵发射数据光束和/或发射信标光束。可以使用快速转向镜(fsm)、音圈镜、棱镜等来实现操纵。

23、有利地，光学收发器和至少两个辅助信标接收器中的至少三个可以进一步被配置为至少基于所述光纤芯布置在公共端芯面处的预定形状来检测来自远程owc子系统的相应数据和信标光束的入射角。因此，在三个辅助信标接收器的示例情况下，承载来自远程owc子系统的它们各自的信标光束的相应的三个光纤芯可以在公共端芯面处以120度的角度两两隔开。在结合检测入射角的可能性使用用于操纵从远程owc接收的数据和信标光束的快速转向系统的示例情况下，相应的转向算法不必基于最大接收光学功率来确定光束位置。相反，它直接操纵接收光束的方向，并且因此能够在发现和跟踪光束时做出更快的响应。

24、有利的是，当在承载来自远程owc子系统的信标光束的每个光纤芯接收的相应光学功率量被确定为相等时，可以获得owc子系统与远程owc子系统的对准。

25、根据本发明的第二方面，提供了一种owc系统。owc系统包括:

26、根据第一方面或第一方面的任何组合的owc子系统，其被配置为与远程owc子系统建立双向光学数据通信，以用于双向光束对准；和

27、远程owc子系统，

28、其中owc子系统和远程owc子系统被配置为包括彼此的所有其他组件。

29、因此，有益的是，owc系统和远程owc系统是相同的，以允许光束对准过程由两侧实施。

30、根据本发明的第三方面，提供了一种在owc子系统处执行的方法，用于建立与远程owc子系统的双向光学数据通信，以进行点对点窄光束光学无线通信，其中owc子系统包括光学收发器、至少两个辅助信标接收器、辅助信标发射器、直接耦合到至少辅助信标发射器的光纤分路器、包括面向准直器的公共端芯面的光纤芯束以及准直器。该方法包括:

31、-由光学收发器经由束的第一光纤芯分别向远程owc子系统发射和从远程owc子系统接收相应的发射和接收数据光束；

32、-由辅助信标发射器向光纤分路器提供信标光束；

33、-由两个辅助信标接收器经由束的相应光纤芯从远程owc子系统接收相应的信标光束；

34、-由光纤分路器将来自辅助信标发射器的信标光束分成至少两个发射信标光束，每个发射信标光束具有相同量的输出功率；

35、-由光纤分路器将至少两个发射信标光束中的每一个提供给束的相应光纤芯；和

36、-由准直器将从远程owc子系统接收的数据和/或信标光束聚焦到公共端芯面，并且由准直器准直来自公共端芯面的数据和/或至少两个发射信标光束，以便向远程owc子系统传输，

37、其中该束的光纤芯以预定形状布置，并且

38、其中信标光束用于owc子系统和远程owc子系统之间的双向光束对准，使得当在承载来自远程owc子系统的信标光束的每个光纤芯接收的相应光学功率量被确定为相等时，获得owc子系统(400)与远程owc子系统的对准。