СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ СВЯЗИ В ПОГЛОЩАЮЩЕЙ СРЕДЕ С ПОМОЩЬЮ ЛАЗЕРА С УЛЬТРАКОРОТКИМИ ИМПУЛЬСАМИ Российский патент 2023 года по МПК G01S17/10 

ПЕРЕКРЕСТНЫЕ ССЫЛКИ НА РОДСТВЕННЫЕ ЗАЯВКИ

[0001] По данной заявке испрашивается приоритет согласно заявке на патент США №16/269106, поданной 6 февраля 2019, под названием «МЕТНСЮ AND APPARATUS FOR ULTRA-SHORT PULSED LASER COMMUNICATION THROUGH A LOSSY MEDIUM», содержание которой включено в данный документ посредством ссылки.

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ

[0002] Объект изобретения по данному описанию относится к беспроводной передаче данных с помощью оптической связи в свободном пространстве (FSO), в том числе к системам оптической связи, системам дистанционного зондирования, направленной передаче энергии и т.п., а конкретнее, к повышенной оптической транспортной эффективности, которая может быть достигнута в случае распространения волнового спектра с применением источников лазерного излучения с ультракороткими импульсами (USPL) для распространения пучка излучения в оптически сложных атмосферных условиях в результате действия факторов, к которым может относиться среди прочего туман, облака (то есть водные аэрозоли), блуждание пучка в атмосфере, сцинтилляционные эффекты и тому подобное.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

[0003] Стремительный рост спроса на телекоммуникационные услуги, как в частном и коммерческом секторах, так и в государственном секторе создал беспрецедентную нагрузку на доступные в настоящее время телекоммуникационные сети. Без применения альтернативных сетевых технологий и топологий для доставки данных общая эффективная скорость сети, вероятно, будет ограниченной, в то время как узкие места внутри сетей будут возникать с возрастающей частотой.

[0004] Сети на основе двусторонних систем оптической связи в свободном пространстве (FSO) могут в случае технологической целесообразности предоставлять выгодную альтернативу микроволновым линиям связи, вариантам с применением проводных или кабельных систем. Такие сети могут являться открытыми для существующих, а также будущих сетевых архитектур благодаря совместному использованию технологических платформ, общих с волоконно-оптическими системами передачи, которые составляют основу многих современных телекоммуникационных систем. Системы связи на основе FSO могут в общем случае совместно использовать общие волоконно-оптические компоненты, а коммерческие оптические компоненты часто могут использоваться как для вариантов применения оптической связи в свободном пространстве, так и для вариантов применения волоконной оптики. Главное отличие систем на основе оптических линий передачи данных в свободном пространстве заключается в том, что средой распространения является атмосфера, а не оптическое волокно.

[0005] С использованием современных волоконно-оптических компонентов оптические линии передачи данных в свободном пространстве могут быть полностью интегрированы в существующие высокоскоростные оптические сети малой дальности и большой дальности. Линии передачи данных в свободном пространстве могут полностью соответствовать существующим архитектурам систем на основе синхронных оптических сетей (SONET), таким как, например, архитектуры SONET ОС-48, использующие существующие платформы оптических технологий с длиной волны 1550 нм. Кроме того, такие системы могут быть масштабированы для более высоких скоростей передачи данных и других конфигураций. Системы на основе оптических линий передачи данных могут использовать преимущество, полученное в результате их работы в нерегламентируемом сегменте электромагнитного спектра. В отличие от микроволнового и радиочастотного спектров, для оптических линий передачи данных в общем случае может не требоваться выплата специальных арендных сборов или пошлин. Кроме того, вследствие рабочей длины волны такой системы проблемы, связанные с безопасностью для глаз, в общем случае могут быть сведены к минимуму. Более того, для эксплуатации оптических линий передачи данных в свободном пространстве, как правило, не требуются никакие особые меры предосторожности или разрешения, связанные с полосой отвода земельного участка. Также можно избежать расходов на выемку грунта и рытье траншей для стационарных кабельных систем.

[0006] В последнее время в технологии связи на основе FSO были привлечены имеющиеся на рынке усовершенствования, полученные в 1550 нм оптическом волновом диапазоне передачи. В структурную модель системы была включена технология усилителя на основе легированных эрбием оптических волокон (EFDA) для повышения общего эффективного оптического потенциала при достижении приемлемой величины оптического затухания и, в результате этого, расширения зоны действия транспортных систем в атмосфере.

[0007] Оптические усилители большой мощности пригодны к применению для наземной передачи в свободном пространстве, а также для волоконно-оптических систем. Были увеличены расстояния до промежуточных станций в наземных и подводных волоконно-оптических системах, а также внедрены архитектуры передачи на основе мультиплексирования с плотным разделением по длине волны (DWDM). С появлением мощных оптических усилителей на основе Er/Yb усовершенствования, аналогичные наблюдаемым в волоконно-оптических системах передачи, были также реализованы в системах оптической беспроводной связи и лазерной связи в свободном пространстве. Были опубликованы экспериментальные результаты по характеристикам передачи в одноканальной 1550 нм оптической линии передачи данных в свободном пространстве, работающей со скоростью 2,5 Гбит/с и длиной передачи 2,4 км, а также имеются результаты для четырехканального 1550 нм для четырехканального 1550 нм мультиплексирования с разделением по длине волны (WDM), работающих со скоростью 10 Ебит/с на расстоянии передачи 4,4 км.

[0008] Несмотря на то, что ряд коммерческих и военного назначения систем связи на основе FSO был разработан и в настоящее время находится в эксплуатации, их рабочие характеристики для наземных вариантов применения ограничены эффектами оптического ослабления, связанными с атмосферными факторами, которые вызваны неблагоприятными погодными явлениями, в том числе туманом, дождем, снегом, дымом и атмосферной турбулентностью. Такие эффекты ограничивают варианты применения систем связи на основе FSO относительно короткими расстояниями оптической передачи (порядка нескольких сотен метров) в типовых ситуациях, требующих высокой надежности и бесперебойного доступа.

[0009] 4 августа 1997 г. была подана заявка на патент, правообладателем по которой является компания Motorola Corporation (заявка №08/905,760), которая подавала надежду на снижение нежелательных эффектов ослабления, вызываемых атмосферой, и по данной заявке в 2003 году был выдан патент (U.S. 6,043,920). В строках с 22 по 35 колонки 2 говорится: «В способе и устройстве по данному изобретению находят применение недавно обнаруженные свойства таких сигналов с узкой шириной импульса в области лазерной связи. В соответствии с предпочтительным вариантом реализации изобретения модулированный импульс лазерного излучения с чрезвычайно узкой шириной может быть передан через поглощающую среду, не испытывая значительного ослабления. Вследствие этого способ и устройство по данному изобретению дают возможность осуществления связи с чрезвычайно высокой скоростью через среды, которые ранее считались обладающими слишком высоким уровнем поглощения для применения их в качестве проводящих для лазерной связи с высокой скоростью. Например, способ и устройство по данному изобретению мог бы применяться для лазерной связи через воздух, воду, водяной пар, твердые препятствия, взвесь твердых частиц, стекловолокно и другие среды».

В то же время такое утверждение было подтверждено лишь с помощью следующей формулировки (кол. 2, строки с 16 по 21):

«Современная лазерная технология дала возможность генерировать импульсы малой ширины, и эксперименты показывают, что такие импульсы малой ширины обладают свойствами, которые дают им возможность проникать в среды, испытывая значительно меньшее ослабление по сравнению со способами из известного уровня техники».

[0010] Пункт 1 формулы изобретения в этом выданном патенте имел очень широкое значение применительно к связи по любой беспроводной линии через любую поглощающую среду (например, атмосферу) с модулированными импульсами лазерного излучения с неопределенной длиной волны, характеризующимися ширину импульса, составляющей менее чем 200 фемтосекунд.

[ООН] На основании исследований, проведенных в компании Attochron LLC и в других местах, предполагается, что данный патент, и в особенности данный пункт формулы изобретения, были основаны на конструктивной формальной демонстрации осуществления изобретения, которое никогда не было подтверждено или воспроизведено кем-либо еще даже после истечения срока действия данного патента в 2017 году. В то же время на протяжении многих лет ведутся серьезные споры по поводу возможного уменьшения оптического ослабления в различных средах с использованием ультракоротких оптических импульсов. Например, в патенте №US 6,583,911 В1, поданном 6 октября 2000 г. и выданном 24 июня 2003 г. под авторством Д. Р. Александера, сообщается об обширных лабораторных испытаниях с использованием ультракоротких лазерных импульсов длительностью менее чем 100 фемтосекунд и с длиной волны в диапазоне от 0,75 микрон до 0,85 микрон, в результате которых было сделано заключение:

«…указанные данные ничем не подтвердили того, что передача импульсного волнового сигнала дает большее преимущество, чем передача непрерывного волнового сигнала».

Такие фактические данные прямо противоречили утверждениям, сделанным в патенте компании Motorola.

[0012] Впоследствии, в 2005 и 2006 годах Ульф Остерберг и др. опубликовали две статьи [U. J. Gibson, U. L. Osterberg, "Optical Precursors and Beer's Law Violations; Non-Exponential Propagation Losses in Water," Optics Express 13 6 (2005), and A. E. Fox, L.J. Osterberg, "Observation of Non-Exponential Absorption of Ultra-fast Pulses in Water," Optics Express 14 8 (2006)], в которых сделано предположение о том, что поглощение пучка USPL излучения может не подчиняться закону Бера (экспоненциальное ослабление оптического пучка в поглощающей среде). Эти результаты были использованы авторами с тем, чтобы сделать предположение о том, что потери на оптическое поглощение для фемтосекундных лазерных импульсов являются существенно более низкими, чем для лазера с непрерывным излучением (CW), работающего на той же длине волны. Было сделано сообщение о том, что в экспериментальной части исследовательской работы использовались длины волн в диапазоне от 650 нм до 800 нм. По этой причине вначале казалось, что лежащее в основе предположение об аномально низком оптическом ослаблении, о чем сообщалось в патенте US 6,043,920 от компании Motorola, поданном в 1997 году, вероятно, впоследствии было подтверждено в работе Ульфа Остерберга и др., несмотря на то, что такие данные имели несколько спекулятивный характер и противоречили данным, представленным Александером в документе US 6,583,911 В1.

[0013] В то же время одна важная по значению статья, опубликованная в 2007 г. под авторством Цзянь Чао Ли и др. из Университета Небраски [University of Nebraska- Lincoln; DigitalCommon®University of Nebraska - Linclon; Faculty Publications from the Department of Electrical Engineering, 2-2007], с названием «Propagation of ultrashort laser pulses through water» прямо опровергают приведенные выше выводы и объяснения, представленные в работе Остерберга и др. В указанной статье делается вывод о том, что неберовский (с не экспоненциальной зависимостью) эффект поглощения, который наблюдали Остерберг и др., возникает всего лишь вследствие широкой спектральной полосы USPL и не связан с короткой длительностью лазерных импульсов. Ли и др. отмечали, что аналогичный неберовский эффект будет наблюдаться для некогерентного источника света с непрерывным излучением, обладающего аналогичной USPL широкой спектральной полосой. Поэтому неберовское поглощение не может напрямую рассматриваться как следствие более низкого ослабления фемтосекундных импульсов в воде. Это, в свою очередь, снова ставит под сомнение любое преимущество использования ультракоротких импульсов для улучшенной передачи через поглощающую среду, как было предложено авторами из компании Motorola в документе US 6,043,920.

[0014] Наиболее ясный ответ на вопрос: «Существует ли какое-либо преимущество в использовании USPL для улучшенной передачи через атмосферу?» вероятно содержится в работе Пола, Корригана и др., опубликованной в статье 2007 года под названием «Enhanced Performance of Low-Power (60mW) Femtosecond Free Space Optical Communication System Over Conventional CW Operation" [Proc. SPIE 6457, Free-Space Laser Communication Technologies XIX and Atmospheric Propagation of Electromagnetic Waves, 64570X (12 February 2007)]. И ответ на поставленный выше вопрос судя по всему является предельно кратким: «Да» по отношению к оптическому рассеянию и «Нет, пока нет» по отношению к оптическому поглощению. Авторы указанной статьи в своем заключении заявляют:

«Если характеристики пропускания и рассеяния (как правило, определяемые в двух различных измерениях) для стабильного вещества известны, то разница заключается в поглощении. Это [отделение эффектов поглощения от эффектов рассеяния] особенно сложно выполнить в моделированном тумане, поскольку сама симуляция является нестабильной, как и настоящий туман. Тем не менее, в настоящее время отсутствуют какие-либо результаты измерений или заявленные свойства, указывающие на то, что такое облегченное распространение связано с иными физическими основами поглощения атмосферой сверхбыстрых импульсов».

В данном случае следует отметить, что указанная работа Корригана и др. была выполнена на более длинной длине волны (1560 нм), чем те, которые использовали ранее упомянутые исследователи. По этой причине такие результаты, в отличие от некоторых или всех других рассматриваемых выше результатов, могут иметь иное объяснение.

[0015] В свете всех вышеупомянутых не имеющих должного подтверждения результатов и возникающих в результате противоречий и споров, неудивительно, что развитие систем связи на основе FSO было ограничено, и что пока еще не было создано ни одной коммерческой системы на основании формулы изобретения в патенте от компании Motorola с истекшим сроком действия (US 6,043,920). Ясно, что было бы практически целесообразно установить окончательно и бесповоротно, произойдет ли существенное улучшение работы наземных систем оптической связи в свободном пространстве в неблагоприятных условиях в случае использования ультракоротких лазерных импульсов. И в случае положительного результата это означало бы крупный прорыв и оказало бы существенное благоприятное влияние на будущее развитие систем связи на основе FSO.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[0016] Поворотный момент в отношении вышеупомянутого спора произошел в 2013 году вместе с публикацией статьи Айзека Кима и др. в выпуске журнала Laser Focus за 2013 год под названием «ADVANCES IN COMMUNICATIONS: New FSO provides reliable 10 Gbit/sec and beyond backhaul connections)). В указанной статье сообщается:

«Эксперименты, проведенные компанией Attochron, LLC на 500-метровом испытательном стенде беспроводной связи в Арсенале Пикатинни армии США в Дувре, штат Нью-Джерси, показали, что системы FSO на основе USP лазеров демонстрируют вплоть до 25 дБ увеличения принимаемой мощности в условиях тумана по сравнению с традиционной системой FSO на основе лазера CW.» Данные авторы также упоминают, что «традиционные системы FSO хорошо работают в ясную или пасмурную погоду на расстояниях вплоть до 1,5 км, но присутствие тумана может снижать эффективную дальность линии связи до 200 м [I. I. Kim, Lightwave, 26, 19-21 (2009)])).

[0017] В указанной публикации система на основе USPL и система на основе лазера CW работали одновременно, находясь в непосредственной близости друг к другу, а их пучки лазерного излучения проходили вдоль прилегающих оптических путей на одном и том же испытательном полигоне. Также в указанной публикации сообщается следующее.

«В таких новых системах FSO на основе USP выходной сигнал вырабатывается с помощью импульсов длительностью 100 фс с пассивной синхронизацией мод на длине волны 1550 нм со средней выходной мощностью 50 мВт и частотой повторения импульсов [данных] 1 Гбит/с. Выполняется внешняя модуляция потока ультракоротких импульсов для получения сигнала гигабитного Ethernet. В экспериментах, проводимых в Арсенале Пикатинни, на передающей стороне применялся один телескоп диаметром 3 дюйма и аналогичный телескоп диаметром 3 дюйма применялся на стороне приемника».

[0018] Вывод, сделанный Айзеком Кимом и др., заключается в следующем:

«В процессе предварительных испытаний нашего прототипа систем FSO на основе лазера USP дополнительные 25 дБ динамического диапазона улучшают до 99,5% качество соединения со скоростью 1 Гбит/с на [дальности] 3 км».

[0019] После получения таких важных по значению результатов во время проведения испытаний в Арсенале Пикатинни в 2010 и 2011 годах 16 января 2013 года компания Attochron LLC подала заявку на патент (Заявка №13/737,898) с широким значением формулы изобретения, в которой описывается:

«Устройство оптической связи, содержащее:

источник лазерного излучения с ультракороткими импульсами (USPL), который генерирует пучок излучения, содержащий световые импульсы, каждый из которых характеризуется длительностью около 1 наносекунды или менее (пункт 1 формулы изобретения), или 1 пикосекунды или менее (пункт 3 формулы изобретения), или 1 фемтосекунды или менее (пункт 4 формулы изобретения) …»

В то же время объем формулы изобретения по выданному патенту был существенно ограничен следующей формулировкой, которая была добавлена ко всем пунктам формулы изобретения в ходе рассмотрения заявки:

«При этом оптический трансивер выполнен с возможностью обнаружения атмосферных элементов, что позволяет производить анализ обратнорассеиваемого сигнала сигнатуры обнаруживаемых атмосферных элементов, получаемого от находящихся в воздухе частиц, что позволяет регулировать пучок излучения, генерируемый источником USPL, облегчая проникновение в атмосферные слои».

[0020] На самом деле более широкая формула изобретения по исходной заявке не была одобрена по той причине, что из поданной патентной заявки от компании Attochron не являлось очевидным то, что изобретение было создано без этой ограничивающей формулировки. В частности, результаты полевых испытаний, полученные компанией Attochron LLC в Арсенале Пикатинни даже не были упомянуты в описании. Но даже в случае их включения в заявку не стало бы очевидным, что более высокие рабочие характеристики системы, которые наблюдали и о которых сообщали сотрудники компании Attochron LLC во время проведения полевых испытаний в Арсенале Пикатинни, являлись всего лишь результатом одного или нескольких уже известных факторов, таких как (1) сниженное влияние эффекта атмосферной турбулентности на пучок излучения USPL вследствие его известной более низкой когерентности по сравнению с пучком излучения лазера CW с непрерывным излучением, который использовался в качестве эталона в процессе испытаний в Арсенале Пикатинни, и/или (2) известное улучшение отношения сигнал/шум при обнаружении пучков лазерного излучения лучей с более высокой максимальной амплитудой импульсов по сравнению с пучками непрерывного излучения лазера CW или сравниваемыми значениями энергии на принятый бит (см. L. Biovin et al., "Receiver Sensitivity Improvement by Impulsive Coding", IEEE PHOTONICS TECHNOLOGY LETTERS, Vol.9, No. 5, May 1997) или (3) другие известные факторы.

[0021] Одной из задач данной заявки является обобщение всех важных результатов, которые были получены во время проведения испытаний в Арсенале Пикатинни в 2010 и 2011 годах, а также других результатов, полученных в результате всестороннего анализа зафиксированных данных, который был окончательно завершен в октябре 2017 года. Эти результаты являются впечатляющими. В условиях сильного тумана, а также при ясных теплых погодных условиях, при которых возникают сцинтилляционные эффекты, в обоих случаях рабочие характеристики системы на основе USPL показали расширение динамического диапазона принимаемого сигнала на более чем 25 дБ по сравнению со значениями, полученными для расположенного в непосредственной близости лазера CW системы FSO, работающей в том же испытуемом диапазоне и, в действительности, по тому же оптическому пути, что и пучок излучения USPL. Кроме того, наблюдаемый для системы на основе USPL показатель расширения динамического диапазона по отношению к системе на основе CW, составляющий по меньшей мере 25 дБ, является всего лишь нижним пределом для, возможно, намного более высоких показателей, которые с большой вероятностью могут иметь место в случае получения результатов от более мощных лазерных источников.

[0022] Следует отметить, что рассматриваемый выше показатель расширения динамического диапазона на по меньшей мере 25 дБ для системы на основе USPL по отношению к системе на основе CW выражается в логарифмических единицах, что является традиционным при описании рабочих характеристик для многих типов систем связи. В линейных единицах это эквивалентно показателю, равному 316 или более (logio 316=10 × 2,5=25 дБ). При таком выражении становится очевидным, что данный показатель является очень большим, что является неожиданным, исходя из любых опубликованных данных из известного уровня техники или известных физических основ.

[0023] Несмотря на то, что существует целый ряд теорий, которые могли бы объяснить частично или полностью все наблюдаемые результаты, вполне вероятно, что получению значительного наблюдаемого, связанного с USPL показателя расширения динамического диапазона по сравнению с результатом испытания для лазера CW способствует некое нелинейное оптическое явление, которое пока еще не изучено или не признано повсеместно. На то, что это действительно так, также указывают результаты предварительных испытаний в компании Attochron LLC. В частности, наблюдаемое расширение динамического диапазона не проявляется при использовании ультракоротких лазерных импульсов с более низкими уровнями пиковой мощности, составляющей менее чем около 1 киловатт. В то же время показатель расширения динамического диапазона становится заметным при использовании ультракоротких лазерных импульсов с шириной импульса менее одной наносекунды, которые работают при величинах пиковой оптической мощности, равной 1 киловатту или более высокой. И такие эффекты становятся существенными в том случае, когда уровни пиковой оптической мощности импульсов находятся в диапазоне от 5 до 10 киловатт или более.

[0024] Благодаря такому новому представлению о связи на основе FSO становится очевидным, почему не нашедшая должного подтверждения формула изобретения по патенту от компании Motorola с истекшим сроком действия (US 6,043,920) оставалась настолько противоречивой на протяжении многих лет. Положительное влияние от использования фемтосекундных импульсов может быть реализовано только в случае применения лазерного источника с высокой пиковой оптической мощностью в диапазоне от 1 киловатт или более, предпочтительно в диапазоне от 10 киловатт или более. И следует четко отметить, что все пункты формулы изобретения в патенте от компании Motorola были ограничены формулировкой: «подача модулированного потока [электрических] импульсов на [пучок излучения] лазера [CW] для генерации лазерных импульсов, при этом ширина каждого импульса из потока импульсов составляет менее 200 фемтосекунд; и направление лазерных оптических импульсов через поглощающую среду в сторону детектора». Реальность такова, что единственный способ, который бы удовлетворял таким условиям, заключается в применении лазера CW, обладающего средней мощностью выходного сигнала, составляющей по меньшей мере 1 киловатт, из которого с помощью внешнего оптического модулятора пучка излучения можно было бы нарезать импульсы длительностью менее чем 200 фемтосекунд. Настолько мощный лазер являлся бы непрактичным в установке и эксплуатации, а также являлся бы слишком дорогостоящим для применения в коммерческих системах связи на основе FSO. В то же время основой данного изобретения является применение источников USPL в системах связи на основе FSO с намного более ограниченными значениями средней мощности выходного сигнала, но при этом очень высокими значениями пиковой импульсной мощности, превышающими 1 киловатт. Это приводит к неожиданному улучшению передачи через атмосферу по сравнению с применением лазеров непрерывного излучения (CW) и импульсных лазеров более низкой мощности любого типа.

[0025] Следует отметить, что спектральная ширина импульсов из USPL может характеризоваться значительной величиной. Например, USPL с центральной длиной волны 1560 нм может обладать спектральной шириной полосы протяженностью в несколько сотен нанометров или более. Это происходит в результате фундаментального обратного соотношения между минимальной частотной спектральной шириной Δf импульсов любого лазера и его временной шириной импульса Δt. То есть Δf=1/Δt. И поскольку длина волны λ определяется из соотношения λ=c/f, где с - скорость света в вакууме, a f - центральная частота лазера, то дифференцирование этого соотношения приводит к Δλ=(-c/f2)Δf=-(λ²/c)(1/Δt). Например, если λ=1560 нм, а ширина импульса Δt составляет 20 фемтосекунд, тогда, используя указанное уравнение, минимальная спектральная ширина Δλ будет равна 406 нм. Аналогичным образом для USPL с длительностью импульса 10 фемтосекунд минимальная спектральная ширина будет вдвое больше, 812 нм. А для USPL с шириной импульса 100 фемтосекунд минимальная спектральная ширина составит 81 нм.

[0026] Ниже кратко сформулированы ключевые результаты, которые были получены:

1. Неожиданное преимущество при распространении импульсов USPL в условиях атмосферных явлений в прозрачном воздухе, которое заключается в:

увеличении на не менее чем -30 дБ динамического диапазона линии связи на основе USPL (по сравнению с лазером CW) для «расчетной» центральной длины волны (1550 нм) в условиях атмосферных явлений в прозрачном воздухе (сцинтилляция, блуждание пучка, турбулентность и т.п.).

2. Неожиданное преимущество при распространении импульсов USPL через водные аэрозоли (туман, облака и т.п.), которое заключается в:

увеличении на не менее чем 30 дБ динамического диапазона линии связи на основе USPL (по сравнению с лазером CW) для «расчетной» центральной длины волны (1550 нм) в случае распространения через водные аэрозоли (туман, облака и т.п.).

3. Неожиданные преимущества спектрального смещения в «более дальнюю инфракрасную область» в водных аэрозолях (улучшение распространения), которые заключаются в том, что:

в тяжелых водных аэрозолях (иногда «на уровне или вблизи» ослабления от -100 дБ до -150 дБ на километр) и в тех случаях, когда пучок излучения лазера CW был ослаблен до значений ниже его уровня обнаружения (то есть ниже уровня собственных шумов измерителя оптической мощности), и в тех случаях, когда часть спектра выходного сигнала USPL (с центром на 1550 нм) с наибольшей мощностью также была ослаблена до значений ниже ее уровня обнаружения, остальная часть пучка излучения от USPL на 1571 нм (с начальным уровнем средней мощности на ~5 дБ ниже, чем часть спектра с центром на 1550 нм) вся полностью находилась на 15 дБ выше уровня обнаружения и являлась стабильной (с низкими уровнями флуктуаций во времени).

4. Неожиданные преимущества в уровнях мощности «от пика до спада» принимаемого импульса USPL, которые заключаются в том, что:

флуктуации мощности принимаемого сигнала в пучке излучения USPL, либо во время периодов с более низким ослаблением, но, что наиболее важно, во время периодов с увеличением или уменьшением ослабления в результате действия погодных явлений, были значительно, на 10-^ки дБ, меньше в течение очень коротких временных интервалов (как правило, временных интервалов в одну секунду) по сравнению с флуктуациями мощности в в пучке излучения лазера CW), и

5. Преимущество импульсного кодирования с использованием истинного дискретного импульса высокой пиковой мощности с возвращением к нулю, которое заключается в: увеличении на не менее чем -10 дБ и выше динамического диапазона оптического детектора в линии связи за счет использования ультракоротких импульсов в качестве носителя сигнала в системах модуляции «с импульсным кодированием» любого вида.

[0026] Следует также отметить, что вышеупомянутые преимущества, взятые по отдельности либо в сочетании, в значительной степени способствуют общему качеству работы систем связи и наблюдения на основе USPL.

[0027] Объект изобретения по данному описанию может быть реализован в системах, устройствах, способах и/или изделиях в зависимости от требуемой модели исполнения. Варианты реализации, указанные в предшествующем описании, не представляют всех вариантов реализации в соответствии с объектом изобретения согласно объекту изобретения по данному описанию. Вместо этого они представляют собой лишь отдельные примеры согласно с аспектами, связанными с объектом изобретения по данному описанию. Хотя выше подробно рассматривается несколько вариантов, возможны и другие модификации или дополнения. В частности, могут предлагаться дополнительные конструктивные особенности и/или варианты в дополнение к таковым указанным в данном документе. Например, описанные выше варианты реализации изобретения могут относиться к различным сочетаниям и выбранным из них частичным сочетаниям раскрываемых конструктивных особенностей и/или сочетаниям и выбранным из них частичным сочетаниям нескольких других конструктивных особенностей, раскрываемых выше. Кроме того, логические блок-схемы, изображенные на прилагаемых графических материалах и/или описываемые в данном документе, для достижения заданных результатов не обязательно требуют представленного конкретного порядка или последовательности выполнения.

ОПИСАНИЕ ГРАФИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ

[0028] Прилагаемые графические материалы, которые включены в данное описание и составляют его часть, показывают определенные аспекты объекта изобретения по данному описанию и совместно с описываемыми характеристиками способствуют объяснению некоторых принципов, связанных с раскрываемыми вариантами реализации изобретения. Во всех тех случаях, когда показаны или рассматриваются USPL, следует принимать, что пиковая выходная мощность таких лазеров составляет один киловатт или более, а длительность их импульсов составляет одну наносекунду или менее.

[0029] На фиг. 1 изображен пример платформы оптической связи, содержащей соединение в свободном пространстве источника USPL в качестве оптического источника и выполненной с возможностью передачи данных на дистанционный оптический приемный терминал.

[0030] На фиг. 2 изображен пример платформы оптической связи, содержащей волоконно-оптическое соединение источника USPL в качестве оптического источника и выполненной с возможностью передачи данных на дистанционный оптический приемный терминал.

[0031] На фиг. 3 изображен пример платформы оптической связи, содержащей волоконно-оптическое соединение источника USPL с внешним модулятором и выполненной с возможностью передачи данных на дистанционный оптический приемный терминал.

[0032] На фиг. 4 изображен пример платформы оптической связи, содержащей волоконно-оптическое соединение источника USPL с внешним модулятором в волоконно-оптической среде и выполненной с возможностью передачи данных на дистанционный оптический приемный терминал.

[0033] На фиг. 5 изображен пример передающих и/или принимающих элементов, которые могут представлять собой конструкции, выполненные по методу получения гиперболических зеркал, либо традиционные ньютоновские конструкции.

[0034] На фиг. 6 изображен пример элемента волоконно-оптического усилителя, выполненного и применяемого с возможностью увеличения пусковой мощности для облегченной оптической передачи данных на дистанционный оптический приемный терминал.

[0035] На фиг. 7 изображен пример устройства передачи данных на основе лазера USPL, соединенного по волоконно-оптической цепи с внешним модулятором с возможностью передачи данных на дистанционный оптический приемный терминал в прямой (типа point-to-point) конфигурации.

[0036] На фиг. 8 изображен пример устройства на основе лазера USPL, соединенного по волоконно-оптической цепи с внешним модулятором с возможностью передачи данных в разветвленной (типа point-to-Multi-point) конфигурации.

[0037] На фиг. 9 изображен пример применения источников USPL, работающих в качестве источников для следящих и ориентирующих (указывающих направление) маяков.

[0038] На фиг. 10 изображен пример лазерных источников USPL, содержащих цепь мультиплексирования с поляризационным разделением передаваемого оптического сигнала, выполненную с возможностью получения систем на основе USP-FSO с поляризационным уплотнением каналов (PM-USP-FSO).

[0039] На фиг. 11 А и фиг. 11 В соответственно изображены примеры трансиверов на основе USP-FSO, используемых для применения в лазерных системах связи прямой видимости и непрямой видимости.

[0040] На фиг. 12 изображен пример светового излучения, содержащего световое излучение от сигнала данных, распространяющегося в прямом направлении и обратнорассеиваемого при взаимодействии с находящимися в воздухе частицами, которые являются объектом исследования.

[0041] На фиг. 13 изображен пример лазерных источников USPL применяемых в способах приема оптического сигнала и выполненных с возможностью увеличения чувствительности обнаружения в соответствии с вариантом реализации данного объекта изобретения, к которому относятся лазерные источники USPL, а также способы приема оптического сигнала с возможностью увеличения чувствительности обнаружения.

[0042] На фиг. 14 изображен пример трансивера системы USPL-FSO, применяемого и работающего в инфракрасном диапазоне длин волн, необязательно содержащем световое излучение от сигнала данных, в качестве оптического дальномера и устройства наведения, выполненного с возможностью идентификации цели.

[0043] На фиг. 15 изображен пример устройства умножителя импульсов USPL в соответствии с вариантами реализации данного объекта изобретения.

[0044] На фиг. 16 изображен другой пример устройства для генерирования оптических потоков с высокой частотой следования импульсов USPL в соответствии с вариантами реализации данного объекта изобретения.

[0045] На фиг. 17 изображен другой пример оптического устройства для генерирования потока RZ-данных из сетевого элемента традиционной передачи.

[0046] На фиг. 18 изображен пример применения устройства умножителя импульсов USPL, выполненного с возможностью генерирования системы сигналов типа 10 × TDM с получением выходного сигнала 100 Гбит/с.

[0047] На фиг. 19 изображен пример реализации другого типа устройства умножителя импульсов USPL, выполненного с возможностью увеличения частоты повторения импульсов для применения в сетях с высокой пропускной способностью.

[0048] На фиг. 20 изображен пример реализации другого типа устройства умножителя импульсов USPL, выполненного с возможностью увеличения скорости повторения импульсов для применения в сетях с высокой пропускной способностью.

[0049] На фиг. 21 изображены примеры линейных волоконных лазеров с синхронизацией активных мод и системами регенеративной обратной связи: волоконно-оптический отражатель (FR), мультиплексор с разделением по длине волны (WDM), легированное эрбием оптическое волокно (EDF), ответвитель (ОС), фотоприемник (ФП), контур фазовой авто подстройки частоты (ФАПЧ) и модулятор Маха-Цендера (MZM).

[0050] На фиг. 22 и фиг. 23 изображены примеры линейных волоконных лазеров с синхронизацией активных мод, использующих насыщающийся поглотитель на основе углеродных нанотрубок: волоконно-оптический отражатель (FR), мультиплексор с разделением по длине волны (WDM), легированное эрбием оптическое волокно (EDF), оптический ответвитель (ОС), и насыщающийся поглотитель (SA).

[0051] На фиг. 24 изображено устройство стабилизации с временной задержкой, содержащее оптический ответвитель (ОС_вх, ОС_вых), фотоприемник (ФП), фильтр верхних частот (ФВЧ), фильтр нижних частот (ФНЧ), контур фазовой авто подстройки частоты (ФАПЧ), фазовый компаратор (ФК), делитель частоты (1/N), схема восстановления тактовой частоты (CDR), пьезоэлектрический актюатор (ПЗ1…ПЗМ), суммирующий операционный усилитель, необходимые для применения при стабилизации соотношения между импульсами, получаемыми от источника USPL.

[0052] На фиг. 25А и фиг. 25В соответственно содержится структурная схема и график зависимости, относящиеся к примеру управляющего устройства, выполненного с возможностью стабилизации частоты выходного сигнала от источников TDM с использованием схематизированного ПЗ актюатора.

[0053] На фиг. 26 изображена схема мультиплексирования с временным разделением (TDM), в которой схема TDM мультиплексирует последовательность импульсов с использованием параллельных каналов временной задержки, при этом указанные каналы задержки являются «согласованными» по отношению друг к другу (поскольку частота мультиплексированной последовательности импульсов на выходе в идеальном случае является насколько это возможно нечувствительной к изменениям окружающей среды, система управления контура обратной связи выполнена с возможностью коррекции элементов линии задержки в случае любых флуктуаций, которые ставят под угрозу стабильность частоты повторения выходного сигнала, при этом обратная связь может выполняться посредством сопряжения с нейронной сетью).

[0054] На фиг. 27 изображен пример использования миниатюрных коллиматоров на основе оптического волокна (MFC), выполненных совместно с пьезоэлектрическими преобразователями с возможностью управления электрическими цепями отдельных миниатюрных коллиматоров на основе оптического волокна.

[0055] На фиг. 28 изображен пример схемы временной синхронизации чипа TDM с помощью источника модуляции USPL, выполненной с возможностью получения скорости на уровне терабит в секунду (или более) с помощью фотонного чипа умножителя.

[0056] На фиг. 29 изображен пример схемы временной синхронизации чипа TDM с помощью источника модуляции USPL, выполненной с возможностью получения скорости на уровне терабит в секунду (или более) с помощью фотонного чипа умножителя, работающего в конфигурации с использованием WDM.

[0057] На фиг. 30 изображен пример схемы компьютеризированной системы, выполненной с возможностью управления шириной импульсов полностью волоконного лазера с синхронизацией мод посредством рекурсивной регулировки линейной поляризации с одновременной стабилизацией частоты повторения оптического резонатора, используя синхронное устройство автоматической регенерации, которое также может предоставлять возможность перестройки частоты повторения и ширины импульсов.

[0058] На фиг. 31 изображен пример модифицированной схемы чередования импульсов, реализованной с помощью метода умножения импульсов, в котором последовательность импульсов с более низкой частотой повторения от хорошо изученного лазера с достаточной синхронизацией мод может быть соединена с интегрированным оптическим направленным ответвителем, при этом точно определенная часть импульса отводится от указанного ответвителя и «повторно циркулирует» в оптическом контуре с оптической задержкой, равной заданному интервалу между импульсами в последовательности импульсов на выходе, и повторно соединяется с выходным сигналом направленного ответвителя.

[0059] На фиг. 32 представлена блок-схема рабочего процесса, иллюстрирующая отличительные признаки способа в соответствии с вариантами реализации данного объекта изобретения.

[0060] На фиг. 33 представлена другая блок-схема рабочего процесса, иллюстрирующая отличительные признаки способа в соответствии с вариантами реализации данного объекта изобретения.

[0061] На фиг. 34 представлена другая блок-схема рабочего процесса, иллюстрирующая отличительные признаки способа в соответствии с вариантами реализации данного объекта изобретения.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ГРАФИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ

[0062] На фиг. 1 представлен пример платформы 100 оптической связи в соответствии с вариантом реализации данного объекта изобретения для применения устройства на основе USPL, содержащего соединение в свободном пространстве, в качестве оптического источника для передачи сигнала. Как показано на фиг. 1, элемент 104 внешнего источника осуществляет прямую модуляцию источника 102 USPL. Оптическая мощность от источника 102 USPL может быть соединена через свободное пространство 110 с передающим элементом 106, необязательно с помощью оптического телескопа. Передающий элемент 106 может необязательно содержать оптические компоненты, выполненные по технологии получения гиперболических зеркал, традиционные ньютоновские конструкции и тому подобное. Обратимый принимающий телескоп в системе приемника может предоставлять возможность приема оптического сигнала. В соответствии с вариантами реализации данного объекта изобретения каждая оптическая транспортная платформа может быть выполнена с возможностью работы в виде двустороннего модуля. Иначе говоря, передающий элемент 106 платформы 100 оптической связи также может функционировать в качестве принимающего элемента. В общем случае, если явно не указано иное, можно считать, что описываемый передающий элемент 106 выполнен с возможностью работы также в качестве принимающего элемента, и наоборот. Оптический элемент, который выполняет функции как передачи, так и приема, в данном документе может именоваться оптическим трансивером.

[0063] На фиг. 2 представлен пример системы 200 оптической связи в соответствии с вариантом реализации данного объекта изобретения, содержащей платформу 100 оптической связи по фиг. 1. Также на фиг. 2 показан второй дополнительный принимающий элемент 204, который может представлять собой принимающий телескоп, расположенный на отдаленном расстоянии от передающего элемента 106. Как отмечается выше, как передающий элемент 106, так и принимающий элемент 204 могут являться двусторонними, и каждый из них может функционировать как передающий элемент 106 или как принимающий элемент 204 в зависимости от текущего направления передачи данных в системе 200 оптической связи. Такая конструктивная особенность во всем данном описании относится к передающим и принимающим элементам, если явно не указано иное. Один или оба из передающего элемента 106 и принимающего элемента 204 могут представлять собой оптические телескопы или другие устройства для передачи и приема оптической информации.

[0064] На фиг. 3 представлен пример платформы 300 оптической связи в соответствии с вариантом реализации данного объекта изобретения для применения источника 102 USPL, соединенного по волоконно-оптической цепи с внешним модулятором 302 через волоконно-оптическую среду 304 и подключенного к передающему элементу 106 через дополнительную среду 306 передачи данных, которая необязательно может являться волоконно-оптической средой, соединением в свободном пространстве и т.п. Может осуществляться внешнее модулирование источника 102 USPL с помощью внешнего модулятора 302, в результате чего оптическая мощность от источника 102 USPL соединяется по волоконно-оптической цепи с передающим элементом 106 или обрабатывается с помощью соответствующего оптического телескопа.

[0065] На фиг. 4 представлен пример системы 400 оптической связи в соответствии с вариантом реализации данного объекта изобретения, содержащей платформу 300 оптической связи по фиг. 3. Также на фиг. 4 показан второй дополнительный принимающий телескоп 204, который, как было отмечено по отношению к фиг. 2, может представлять собой принимающий телескоп, расположенный на отдаленном расстоянии от передающего элемента 106.

[0066] На фиг. 5 представлен пример архитектуры 500 системы оптической связи в соответствии с вариантом реализации данного объекта изобретения. Архитектура 500 по фиг. 5 содержит элементы по фиг. 4 и, кроме того, содержит первую сеть 502 связи, соединенную с первой платформой 300 оптической связи. Принимающий элемент 204 является частью второй платформы 504 оптической связи, которая может необязательно содержать элементы, аналогичные элементам первой платформы 300 оптической связи. Вторая сеть 506 связи может быть соединена со второй платформой 504 оптической связи с тем, чтобы данные передавались по оптическому пути между передающим элементом 106 и принимающим элементом 204 или проходили между первой и второй сетями 502, 506 связи, каждая из которых может содержать одну или несколько оптических и электрических конструктивных особенностей организации сети.

[0067] На фиг. 6 представлен пример системы 600 оптической связи в соответствии с вариантом реализации данного объекта изобретения. Как часть платформы 602 оптической связи, источник 102 USPL соединен по волоконно-оптической цепи с внешним модулятором 302, например, по оптическому волокну 202 или через другую среду передачи данных. Световое излучение от источника 102 USPL распространяется через передающий элемент 106 аналогично рассматриваемому выше случаю. Элемент 604 оптического усилителя, который необязательно может являться элементом волоконно-оптического усилителя, может применяться для увеличения пусковой мощности оптической передачи данных и, необязательно, может быть расположен между внешним модулятором 302 и передающим элементом 106 и соединен с одним или обоими из них через дополнительную среду 306 передачи, которая необязательно может являться волоконно-оптической средой, соединением в свободном пространстве и т.п. Также на фиг. 6 показан второй дополнительный принимающий элемент 206, расположенный на отдаленном расстоянии от платформы 602 оптической связи. Совершенно ясно, что вторая платформа 504 оптической связи, содержащая принимающий элемент 204, может также содержать элемент 604 оптического усилителя. Первая и вторая сети 502, 506 связи могут быть соединены соответственно с двумя платформами 602, 504 оптической связи.

[0068] На фиг. 7 представлен пример системы 700 оптической связи в соответствии с вариантом реализации данного объекта изобретения. Платформа 602 оптической связи, показанная на фиг. 6, выполнена с возможностью обмена данными со второй платформой 702 оптической связи, которая в данном варианте реализации может содержать принимающий элемент 204 и оптический предварительный усилитель 704. Другие компоненты, аналогичные тем, которые показаны для платформы 602 оптической связи, также могут содержаться во второй платформа 702 оптической связи, хотя они не показаны на фиг. 7. Следует понимать, что платформа двусторонней оптической связи может содержать как оптический предварительный усилитель 704 для усиления принимаемого оптического сигнала, так и элемент 604 оптического усилителя для усиления передаваемого оптического сигнала. В соответствии с вариантом реализации, изображенном на фиг. 7 и другими вариантами реализации данного объекта изобретения оптическое усиление (например, с помощью одного или обоих из элемента 604 оптического усилителя или оптического предварительного усилителя 704) должно выполняться для увеличения оптического потенциала линии передачи данных между передающим элементом 106 и принимающим элементом 204 (и наоборот), например, с применением одного или нескольких из оптического усилителя на основе легированных эрбием оптических волокон (EDFA), высокомощного оптического усилителя на основе легированных эрбием/иттербием оптических волокон (Er/Yb-DFA), или их эквивалентов, к которым могут относиться среди прочего полупроводниково-оптические усилители (SOA).

[0069] На фиг. 8 представлен пример системы 800 оптической связи в соответствии с вариантом реализации данного объекта изобретения. Платформа 602 оптической связи, показанная на фиг. 6 выполнена с возможностью обмена данными со второй платформой 802 оптической связи, которая в данном варианте реализации может содержать принимающий элемент 204 и оптический предварительный усилитель 704, аналогичные показанным на фиг. 7. Как показано на фиг. 8, вторая платформа 802 оптической связи может также содержать себя электрическую цепь 804 оптического приемника, которая может принимать усиливаемые и извлекаемые с помощью электричества данные, принимаемые на принимающем элементе 204 и усиливаемые оптическим предварительным усилителем. Совокупность источников 806 тактовых импульсов в случае необходимости может обеспечивать сопряжение для различных удаленных многоточечных сетевых соединений с различными сетями 810 связи. Аналогичным образом дополнительный набор источников тактовых импульсов и различные сети связи могут работать совместно с платформой 602 оптической связи (например, вместо единственной сети 502 связи, изображенной на фиг. 8).

[0070] На фиг. 9 представлен пример системы 900 оптической связи в соответствии с вариантом реализации данного объекта изобретения. Платформа 902 оптической связи, которая может характеризоваться элементами, аналогичными элементам в платформе 602 оптической связи, ранее рассматриваемой в данном документе по отношению к фиг. 6, может также содержать дополнительный источник 904 USPL работающий в качестве источника для следящего и ориентирующего (указывающего направление) маяка. Вторая платформа 906 оптической связи также может содержать дополнительный источник 910 USPL, работающий в качестве источника для следящего и ориентирующего (указывающего направление) маяка. Источники 904, 910 для следящего и ориентирующего (указывающего направление) маяка могут необязательно основываться на имеющихся в продаже источниках связи, используемых в транспортных системах передачи данных, или могут быть получены на основе отдельных специально выделенных источников USPL. Кроме того, каждый источник 904, 910 USPL для маяка может содержать внутриполосный или внеполосный источник, тем самым обеспечивая преимущество от применения имеющихся в продаже источников оптического усиления или от специально выделенных средств оптического усиления.

[0071] На фиг. 10 представлен пример системы 1000 оптической связи на основе FSO, содержащей платформу 1001 оптической линии передачи данных на основе USPL-FSO с двойной поляризацией, в которой выполняется мультиплексирование с поляризационным разделением передаваемого оптического сигнала источников USPL с возможностью получения в результате систем на основе USP-FSO с поляризационным уплотнением каналов (PM-USP-FSO). Два источника 102 и 1002 USPL соединены по волоконно-оптической цепи с модуляционными элементами 1004, 1006 соответственно с прямой или внешней модуляцией. Каждый соответствующий модулированный сигнал оптически усиливается с помощью элемента 1010, 1012 оптического усилителя с последующей регулировкой состояний оптической поляризации, выполняемой с использованием поляризационных элементов 1014, 1016. Сигналы состояния поляризации соединены по волоконно-оптической цепи с элементом 1020 поляризационного мультиплексора (PDM) для сопряжения с элементом 1022 пусковой оптической платформы, который может являться аналогичным передающему элементу 106, рассматриваемому выше. Указанный PDM 1020 мультиплексирует световое излучение с различными состояниями поляризации в одну последовательность импульсов для передачи через компонент 1022 оптической пусковой платформы. Оптический маяк 904 на основе USPL может применяться с возможностью получения возможностей, аналогичных тем, которые рассматриваются выше по отношению к фиг. 9, например, для работы в сочетании с или совместно со вторым оптическим маяком 906 на основе USPL на принимающей платформе 1024, которая может содержать принимающий элемент 204, аналогичный описываемым выше. Как отмечалось ранее, принимающий элемент 204, а также другие конструктивные элементы и детали принимающей платформы 1024, как правило, выполнены с возможностью поддержки функции передачи, с тем чтобы устанавливалась двусторонняя линия связи. Принимаемый сигнал, извлекаемый с помощью принимающего элемента 204, дает возможность получения оптического сигнала, который сопрягается с соответствующим поляризационным демультиплексором 1026, выполненным с возможностью получения двух сигналов для дальнейшего оптического усиления с использованием элементов 1030, 1032 усиления. Каждый оптический усиленный сигнал, получаемый от элементов 1030, 1032 усиления, может быть сопряжен с соответствующей оптической сетью 1034, 1036 для использования в сети.

[0072] На фиг. 11А показан пример системы 1100, в которой трансиверы USPL-FSO могут использоваться для применения в системах оптической связи в условиях прямой видимости (например, "lasercom"), а на фиг. 11В показан пример системы 1150, в которой трансиверы USPL-FSO могут использоваться для применения в лазерных системах связи в условиях непрямой видимости. Преимущество для некоторых вариантов реализации данного объекта изобретения может быть реализовано за счет рассеяния оптического сигнала, отправляемого от передающего элемента, при прохождении передаваемого светового излучения через атмосферу. Такое рассеяние может позволять осуществление связи в условиях непрямой видимости. Кроме того, радиоприемники, используемые в таких системах связи, могут работать в солнечно-слепой части диапазона УФ-С, в которой свет излучается на длине волны от 200 до 280 нм. При распространении солнечного излучения в этом диапазоне через окружающую среду, оно сильно ослабляется атмосферой Земли. Это означает, что по мере приближения к поверхности земли количество фонового шумового излучения резко падает, и становится возможной работа линии связи с низким уровнем мощности. С другой стороны, элементы окружающей среды, такие как кислород, озон и вода, могут ослаблять или прерывать трансляцию по каналам связи, ограничивая связь до ближней области действия.

[0073] Когда волны УФ диапазона распространяются через атмосферу, они, как правило, сильно рассеиваются по множеству сигнальных путей. Рассеяние сигнала важно для УФ-систем, работающих в условиях отсутствия прямой видимости, а качество связи может сильно зависеть от указания направления луча передачи и поля зрения приемника. Пространственная конфигурация 1100 для прямой видимости, показанная на фиг. 11А, может отличаться размером полосы пропускания от пространственной конфигурации 1150 для непрямой видимости, показанной на фиг. 11В. Связь в ультрафиолетовом диапазоне может в большей степени зависеть от положения луча передатчика и поля зрения приемника. В результате может быть получено преимущество за счет уточнения угла наведения при вершине, например, экспериментальным путем с использованием дополнительного оборудованием для усиления сигнала УФ-С.

[0074] На фиг. 12 представлен пример системы 1200 дистанционного зондирования, в которой источник 102 USPL соединен по волоконно-оптической цепи с помощью волоконно-оптического элемента 202 с оптическим пусковым элементом 1202, выполненным с возможностью передачи и приема оптических сигналов. Часть светового излучения, распространяющегося в прямом направлении и содержащего световое излучение от сигнала данных, проходящая через оптический пусковой элемент 1202, претерпевает обратное рассеяние при взаимодействии с находящимися в воздухе частицами, которые являются объектом исследования. Оптический обратнорассеиваемый сигнал обнаруживается с помощью оптического пускового элемента 1202 или аналогичной приемной диафрагмы и передается для детектирования и спектрального анализа через электрическую цепь 1204 детектора или тому подобное, как показано на фиг. 12. Сигнатура от частиц, находящихся в целевой области 1206 атмосферы, внутри которой проводится исследование, может быть откалибрована с помощью традиционных способов, например, с использованием заранее определенных калибровочных измерений спектра, основанных на одном или нескольких из ультрафиолетовой спектроскопии, инфракрасной спектроскопии, рамановской спектроскопии и т.п. В соответствии с данным вариантом реализации оптическая система может работать как лидарное устройство, позволяющее получать более высокое разрешение и повышенные характеристики чувствительности обнаружения с использованием лазерных источников USPL, работающих в интересующем спектральном диапазоне. Возможность регулировки спектрального диапазона может способствовать процессу характеризации и анализа химических компонентов в атмосфере.

[0075] Трансиверы системы USPL-FSO могут применяться для дистанционного зондирования и обнаружения сигнатур элементов, находящихся в воздухе, с помощью методов ионизационного или неионизационного обнаружения с применением оптических транспортных терминалов, изготовленных либо с помощью технологии получения гиперболических зеркал, либо в виде традиционных ньютоновских конструкций, фокусирующих принимаемый сигнал в одной бесконечно удаленной точке. Также определенные модификации могут быть связаны с ионизационным зондированием удаленных областей, включая контролируемую ионизацию, которая, как было показано, происходит на этих частотах, и процесс ионизации, который можно сфокусировать на расстоянии с возможностью регулирования глубины проникновения в слои атмосферы, особенно при сложных погодных условиях и облаках.

[0076] На фиг. 13 представлен пример использования источников USPL, а также способа приема оптического сигнала для повышения чувствительности обнаружения. Исследователи из Национального института стандартов и технологий (NIST), США, создали систему лазерного дальномера, которая способна определять точные координаты различных объектов с точностью до нанометров на расстоянии вплоть до 100 км. Лидарная система обнаружения и определения дальности с помощью света (LIDAR) может найти применение от точного производства на Земле до поддержания сетей спутников в идеальном состоянии (Nature Photonics DOI: 10.1038/NPHOTON. 2009.94). Устройство, разработанное в NIST, использует две когерентные частотные гребенки широкополосного волоконного лазера. Частотные гребенки выдают выходной сигнал в виде ряда стабильных коротких импульсов, также содержащих высококогерентную несущую, которая проходит по всей последовательности импульсов. Это означает, что частотная гребенка может использоваться для одновременного выполнения интерферометрических измерений, а также измерений методом времени пролета, тем самым расширяя аналитические возможности для конкретных вариантов применения.

[0077] В пространственной конфигурации, показанной на фиг. 13 две частотные гребенки 1301 и 1302 с фазовой синхронизацией используются в схеме когерентной линейной оптической выборки, также известной как мультигетеродин, что означает, что с помощью одной частотной гребенки выполняют измерение обеих длин путей, а с помощью другой частотной гребенки получают информацию о расстоянии, которая закодирована в световом излучении первой гребенки. Импульсы от одной частотной гребенки 1301 могут быть выведены из оптического волокна и направлены на две стеклянные пластины, опорную пластину 1303 и мишень 1304. Пластины 1303 и 1304 могут отражать определенную часть (например, около 4%) импульса обратно назад по волокну, эффективно создавая два новых импульса. Временное разделение между двумя импульсами 1301 может указывать расстояние между подвижной пластиной мишени и опорными пластинами. Гребенка 1302 второй частоты жестко синхронизирована по фазе с первой, но имеет несколько отличающуюся частоту повторения. В результате различной задержки между последовательными импульсами при взаимном влиянии источников гребенка второй частоты может производить выборку несколько отличающейся части светового излучения от электрического поля первой гребенки.

[0078] Применение методики, рассматриваемой по отношению к фиг. 13 может сделать возможной замену двух когерентных широкополосных волоконных лазерных источников двумя соответствующими источниками USPL, используемыми в рамках описанной конфигурации, причем каждый источник USPL соединен по волоконно-оптической цепи со специально предназначенной конструкцией оптического телескопа для связи в свободном пространстве. Вследствие этого можно существенно повысить общую эффективность, оптическую дальность и точность.

[0079] Существующие в настоящее время последовательности оптических импульсов USPL работают на собственных частотах повторения импульсов лазерного источника USPL и, как правило, ограничены 50 МГц или менее, тем самым блокируя достижение максимальных значений скорости передачи данных для оптической передачи. В результате оптическая система, использующая лазерные источники USPL, ограничена вариантами применения с низкой скоростью передачи данных 50 Мбит/с или менее. Для получения решений для передачи данных со скоростью, превышающей 50 Мбит/с необходимо наличие средств для увеличения рабочих скоростей USPL.

[0080] На фиг. 14 представлен пример системы 1400 дистанционного зондирования, в которой источник 102 USPL соединен по волоконно-оптической цепи с помощью волоконно-оптического элемента 202 с оптическим пусковым элементом 1202, выполненным с возможностью передачи и приема оптических сигналов. Световое излучение, распространяющееся в прямом направлении с помощью оптического пускового элемента 1202 и содержащее световое излучение от сигнала данных, претерпевает обратное рассеяние при взаимодействии с известными и неизвестными целями, которые являются объектом исследования внутри атмосферной области 1206. Оптический обратнорассеиваемый сигнал, содержащий световое излучение от сигнала данных, обнаруживается с помощью оптического пускового элемента 1202 или аналогичной приемной диафрагмы и передается для детектирования и спектрального анализа через электрическую цепь 1204 детектора и элемент 1402 спектрального анализатора на фиг. 14. Сигнатура частиц внутри исследуемой области 1206 может быть откалибрована, например, в случае выполнения анализа по определению дальности. Система 1400, показанная на фиг. 14, может содержать трансивер системы USPL-FSO, применяемый и работающий в инфракрасном диапазоне длин волн в качестве оптического дальномера и устройства наведения, выполненных с возможностью применения для идентификации цели и отправки сигналов опроса.

[0081] На фиг. 15 представлен модуль 1500 оптического умножителя импульсов, выполненный с возможностью увеличения частоты повторения выходного сигнала от источника 102 USPL. Типовой USPL с шириной импульса 10-100 фемтосекунд характеризуется частотой повторения, например 50 МГц. Выходной сигнал USPL 102 может подаваться в качестве входного сигнала 1502 в модуль 1504 фотонного чипа умножителя импульсов USPL. В этом примере фотонный чип может содержать элемент 1506 оптического разветвителя с коэффициентом разветвления 20000:1, который разветвляет входной сигнал на дискретные элементы светового излучения. Каждый элемент светового излучения на противоположной стороне элемента 1506 оптического разветвителя содержит последовательность импульсов с частотой повторения 50 МГц. Затем каждый элемент светового излучения проходит через схему управления задержкой (либо волоконно-оптический контур, либо матрицу линз) 1510, которая для данного элемента задерживает последовательность импульсов во времени, например, на несколько пикосекунд. В результате последовательные элементы светового излучения задерживаются на постепенно возрастающее количество пикосекунд. Все такие последовательности импульсов с их собственными временными задержками объединяются в одну последовательность импульсов аналогично мультиплексированию с временным разделением с помощью элемента 1512 оптического объединителя 20000:1. Требуемые соотношения для оптических разветвителей и объединителей можно регулировать с возможностью получения необходимых оптических схем для требуемых вариантов применения. Конечный выходной сигнал 1514 представляет собой последовательность импульсов из 10-100 фемтосекундных импульсов с частотой повторения 1 ТГц. Такая терагерцовая последовательность импульсов может затем модулироваться сигналом 10 GigE или 100 GigE, как показано на фиг. 28, что дает 100 фемтосекундных импульсов на бит для системы 10 GigE и 10 фемтосекундных импульсов на бит для систем 100 GigE. Указанный вариант применения не ограничивается конкретными скоростями передачи данных 10 Гбит/с и 100 Гбит/с, но может работать в соответствии с требованиями для рассматриваемого вариант применения. Указанные числовые значения приведены исключительно для иллюстрации. В вариантах реализации данного объекта изобретения может использоваться любой коэффициент умножения для увеличения частоты повторения сигнала USPL с помощью модуля 1504 фотонного чипа умножителя импульсов до любой произвольно выбранной частоты повторения. В данном документе представлены и другие примеры, используемые для генерирования увеличенной частоты повторения сигнала USPL.

[0082] На фиг. 16 изображена система 1600 для генерирования, передачи и приема оптических потоков USPL с высокой частотой следования импульсов. В таких вариантах применения можно использовать модуль 1610 оптического чипа мультиплексирования, который, например, может являться аналогичным тому, который описывается по отношению к фиг. 15. В данном способе выполнения умножения импульсов сигнала USPL ряд соединений маршрутизатора 10 GigE (сеть 10 GigE не предусматривается в качестве ограничивающего признака), описываемых сигналами 1601, 1602, 1603, 1604 (на фиг. 16 показаны четыре сигнала, однако понятно, что любое их количество входит в объем данного объекта изобретения) сопряжен с модулем 1610 оптического чипа мультиплексирования. В процессе работы модуль 1610 оптического чипа мультиплексирования может поддерживать полностью дуплексный режим передатчика и приемника (Тх и Rx) для соединения с маршрутизаторами 1601, 1602, 1603, 1604 сети 10 GigE. Модуль 1610 оптического чипа мультиплексирования выполнен с возможностью эффективной модуляции поступающих оптических сигналов 1601, 1602, 1603, 1604 с помощью выходного сигнала 1685 USPL от источника 1690 USPL. Модуль 1610 оптического чипа мультиплексирования выполнен с возможностью осуществления модуляции и мультиплексирования таких входящих оптических сигналов.

[0083]На удаленном приемном участке, где расположено принимающее устройство, все сигналы, отправляемые через передающий элемент 1660 на передающем устройстве, могут быть извлечены с помощью соответствующего элемента 1665 приемника. Сопряженное устройство на основе модуля 1675 оптического чипа мультиплексирования выполнено с возможностью осуществления демультиплексирования принимаемого потока данных, показанного в виде элементов, поступающих на ряд маршрутизаторов 1601', 1602', 1603', 1604' (опять же, описание четырех таких маршрутизаторов не предусматривается в качестве ограничения). Оконечные сетевые элементы могут указывать на сквозную структуру коммутации сети.

[0084] На фиг. 17 изображены пример системы 1700, в которой оптический чип сопряжен с системой мультиплексирования с разделением по длине волны (WDM), версии которой, доступные в настоящее время, могут являться очень дорогостоящими. Преимущество систем WDM заключается в том, что они не требуют использования тактовых сигналов временной синхронизации, как это необходимо в случае применения маршрутизатора 1701 для сети 10 GigE (или для сети с другой скоростью), поскольку каждый сигнал сети 10 GigE проходит независимо от других таких сигналов на своей собственной длине волны. Использования тактовых сигналов временной синхронизации оптического чипа TDM с маршрутизаторами сети 10 GigE может являться важным фактором для оптического чипа TDM. Коммутатор 1701 для сети GbE выполнен с возможностью направления необходимого электрического РЧ сигнала 1705 от коммутатора 1701 для модуляции источника 1702 USPL либо непосредственно, либо с помощью модуля умножителя импульсов USPL, подробно описываемого выше в данном документе. Типовой выходной сигнал 1710 с возвращением к нулю (RZ) может быть соединен с внешним модулятором 1720, который может быть модулирован с использованием источника тактовых импульсов без возвращения к нулю (NRZ) для коммутатора 1701, что в результате приводит к получению RZ-модулированного спектра 1730. Процесс преобразования с использованием имеющегося в продаже оборудования может приводить к получению возможности применения источников USPL с их преимуществами в области наземных транспортных сетей связи.

[0085] Для успешной работы системы на основе оптического чипа в качестве моста между двумя дистанционными коммутаторами сети 10 GigE, как правило, она должна действовать как обычный участок оптического волокна. В результате временной синхронизацией чипа TDM можно управлять с помощью коммутатора 1701 сети 10 GigE. С помощью РЧ сигнала временной синхронизации можно управлять как USPL с активной синхронизацией мод (то есть на частоте 40 ГГц с шириной импульса в 1 пикосекунду), так и USPL с пассивной синхронизацией мод (то есть на частоте 50 ГГц с шириной импульса в 100 фемтосекунд).

[0086] На фиг. 18 представлено устройство 1800, которое может поддерживать другой способ перехода к процессу передачи данных с высокой скоростью повторения импульсов, такому как процессу передачи данных со сверхвысокой скоростью, в котором схема оптического чипа может быть выполнена с использованием волоконно-оптической связи или оптической связи в свободном пространстве. Источник 1801 USPL с частотой повторения импульсов 50 МГц сопряжен с рядом элементов 1802 схемы управления оптической задержкой, которые могут быть выполнены с использованием либо волоконно-оптических контуров, либо линз со смещенным фокусом, с возможностью получения в результате выходного потока RZ с точной скоростью передачи данных, равной 10,313 Гбит/с, что соответствует скорости линии 10 GigE (более 10 Гбит/с за счет кодировки 64 В/66 В). Элемент 1803 оптического разветвителя выполнен с возможностью разветвления входящей последовательности 1801 оптических сигналов на 206 трактов (в данном примере) вместе с линиями 1804 переменной оптической задержки. После того, как посредством схемы вносится необходимая задержка, все сигналы совместно мультиплексируются с помощью элемента 1805 оптического объединителя. Получаемый в результате таких действий ряд оптических сигналов, каждый из которых является идентичным и расположенным с одинаковым интервалом между соседними импульсами, образует непрерывную последовательность импульсов для модуляции. Перед поступлением на элемент 1806 электрооптического (ЭО) модулятора все входящие оптические сигналы могут быть модифицированы с помощью методов коррекции предыскажений, например, с использованием типовых методов оптического усиления, выполняемых с возможностью получения в результате однородного спектра мощности для каждого выходного сигнала от элемента 1805 объединителя. Затем модифицированные сигналы соединяют с элементом 1806 ЭО модулятора и модулируют с помощью NRZ-сигнала, поступающего от элемента 1807 источника сигнала сети 10 GigE.

Для модулированного выходного сигнала 1809 сети 10 GigE может выполняться сопряжение с усилителем EDFA, а затем с передатчиком ТХ системы на основе FSO (или волоконно-оптической системы). Сигнал со стороны приемника Rx (после детектора) может подаваться непосредственно на коммутатор сети 10 GigE в виде модулированного и усиленного выходного сигнала 1810.

[0087] На фиг. 19 изображен другой пример устройства 1900, которое может применяться для умножения импульсов LJSPL в соответствии с вариантами реализации данного объекта изобретения. В соответствии с такой методикой система сигналов 10 × TDM выполнена с возможностью получения выходного сигнала 100 Гбит/с. Чип демультиплексора TDM может находиться на приемной стороне линии связи с возможностью выделения отдельных сигналов сети 10 GigE и может содержать обратимый вариант схемы, показанный на фиг. 19.

[0088] Как и на фиг. 18, источник 1801 LJSPL с частотой повторения импульсов 50 МГц сопряжен с рядом элементов 1802 схемы управления оптической задержкой, которые могут быть выполнены с использованием либо волоконно-оптических контуров, либо линз со смещенным фокусом с возможностью получения в результате выходного потока RZ с точной скоростью передачи данных, равной 10,313 Гбит/с, что соответствует скорости линии 10 GigE (более чем 10 Гбит/с за счет кодировки 64 В/66 В). Элемент 1803 оптического разветвителя выполнен с возможностью разветвления входящей серии 1801 оптических сигналов на 206 трактов (в данном примере) вместе с линиями 1804 переменной оптической задержки. После того, как посредством схемы вносится необходимая задержка, все сигналы совместно мультиплексируются с помощью элемента 1805 оптического объединителя. В то же время вместо одиночного элемента 1806 модулятора, показанного на фиг. 18, выходной RZ-сигнал 1901 на частоте 10,313 ГГц из элемента 1805 оптического объединителя подается на второй элемент 1910 оптического разветвителя, который в этом случае может являться оптическим 10х разветвителем, который разветвляет оптический сигнал на десять параллельных трактов. Другие варианты реализации такой схемы могут поддерживать различные коэффициенты разветвления в соответствии с требованиями схемы. Оптические тракты, выходящие из второго элемента 1910 оптического разветвителя, по отдельности подключаются к определенным линиям 1920 оптической задержки. Каждый отдельный тракт с задержкой соединен со специально выделенным оптическим модулятором из набора оптических модуляторов 1930, модулируемых поступающим NRZ-сигналом от элемента 1931 источника сигнала 10 × 10 GigE, что приводит к получению серии модулированных оптических сигналов 1935. Оптический объединитель, обозначенный как 1940, выполнен с возможностью получения одиночной последовательности оптических импульсов 1950. Серии оптических импульсов в одиночной последовательности оптических импульсов 1950 могут быть сопряжены с соответствующим оптическим усилителем с возможностью выполнения необходимой оптической модификации для использования в сети.

[0089] На фиг. 20 изображен другой пример устройства 2000, которое может применяться для умножения импульсов USPL в соответствии с вариантами реализации данного объекта изобретения. Представленное устройство 2000 выполнено с возможностью получения высоких частот повторения импульсов данных USPL для сетевых вариантов применения посредством модуляции внутриканальных импульсов с низкой частотой повторения. За счет выполнения прямой модуляции для каждого канала в схеме управления задержкой может быть получено преимущество, которое заключается в создание модели модуляции, которая не ограничена имеющимися технологическими пределами скорости со стороны электронных технологий. В вариантах реализации данного объекта изобретения могут предлагаться способы увеличения пропускной способности системы передачи данных в результате раздельной модуляции отдельных каналов с имеющейся в настоящее время стандартной скоростью электронной модуляции (в примере на фиг. 20 со скоростью линии 100 × 10 GigE для входного сигнала 2001) и мультиплексирования каналов с разделением по времени в одночастотный поток импульсов с высокой частотой повторения. В таком варианте существующее в настоящее время стандартное значение, которое ограничено скоростью электрооптических модуляторов (40 Гбит/с), может быть улучшено на около N порядков величины, где N представляет собой количество каналов мультиплексора с разделением по времени. Например, 100-канальный TDM с амплитудной модуляцией каждого канала с существующей в настоящее время стандартной скоростью передачи данных, может быть выполнен с возможностью предоставления скорости передачи данных вплоть до 4 Тбит/с. Значение N может быть ограничено шириной самого оптического импульса. В предельном случае переноса 1 бита информации на импульс временной интервал, занимаемый 1 битом, представляет собой ширину самого импульса (в этом смысле система RZ переходит в NRZ). Например, в указанной схеме лазер с шириной импульса 40 фс и частотой повторения 40 ГГц может переносить информацию с максимальной скоростью 25 Тбит/с. Такой способ может применяться в схеме модуляции канала 40 Гбит/с (то есть 1 бит каждые 25 пс) и может соответствовать пропускной способности N-625 каналов в одной передаче, что может быть равным количеству временных интервалов 40 фс, размещаемых во временном интервале 25 пс. Существенное преимущество данного способа заключается в возможности «оптического улучшения» схемы модуляции с ограниченной пропускной способностью данных, сохраняя при этом возможность сопряжения с существующими в настоящее время модуляторами с ограниченной скоростью передачи данных. Например, амплитудный модулятор на основе интерферометра Маха-Цендера может быть простым способом интегрирован в схему чипа TDM 1С, для чего требуется возможность разделения канала на два отдельных тракта, добавления к одному из трактов миниатюрного фазового модулятора (нелинейного кристалла) и объединения трактов для получения интерференции.

[0090] На фиг. 20 содержится источник 2010 USPL, соединенный с элементом 2020 многопортового оптического разветвителя. Количество обозначенных номерами оптических портов не должно ограничивается теми, которые описываются или показаны в данном документе. Ряд оптических линий 2030 задержки выполнен с возможностью получения требуемых значений оптической задержки между каждым параллельным трактом от элемента 2020 многопортового оптического разветвителя и может быть адаптирован для конкретных вариантов применения. Тракты оптической задержки, проходящие от оптических линий 2030 задержки, суммируются вместе с использованием элемента 2035 оптического объединителя. Результирующий объединенный поток оптических данных, проходящий через элемент 2040, представляет собой многократное увеличение частоты повторения импульсов исходного источника USPL, обозначенного как элемент 2010. Дальнейшее повышение частоты повторения импульсов достигается за счет применения элемента 2041, рассматриваемого в качестве оптического разветвителя, в котором происходит разветвление входящего сигнала 2040 на ряд трактов, не ограниченных теми трактами, которые обозначены как элемент 2041. Посредством второй схемы 2045 управления задержкой оптические задержки могут быть добавлены в каждый тракт внутри устройства, обозначенного в виде второго набора трактов 2042 оптической задержки. Каждый параллельный тракт 2042, в свою очередь, модулируется с использованием модулирующего элемента 2044 с помощью имеющегося в наличии элемента источника сигнала РЧ, обозначенного как входной сигнал 2001. Элемент 2050 оптического объединителя собирает все входящие сигналы в одном потоке 2060 данных.

[0091] Оптические методы коррекции и компенсации предыскажений могут быть включены в каждый сегмент описываемых элементов для индивидуальной настройки оптического спектра с возможностью получения однородного или асимметричного распределения оптической мощности. Коррекция и компенсация предыскажений может выполняться с использованием повсеместно применяемых оптических усилителей, таких как оптические усилители с легированным эрбием оптическим волокном (EDFA).

[0092] На фиг. 21 изображен пример системы 2100, содержащей источник 2101 USPL с синхронизацией мод, выполненный с возможностью генерирования надлежащих тактовых импульсов и потоков данных для указанного варианта применения. Лазеры с синхронизацией мод могут быть выбраны в качестве высокоточных источников тактовых импульсов с высокими техническими характеристиками в цифровых систем связи. В этом отношении волоконные лазеры с синхронизацией мод, либо в линейной, либо в кольцевой модели исполнения, могут являться привлекательными кандидатурами для выбора, поскольку они могут достигать значений длительности импульса на уровне источника USPL и частоты повторения на уровне ГГц. В дополнение к этому, оптические волокна характеризуются компактными размерами, низкой стоимостью, низкой чувствительностью к тепловому шуму, низким джиггером, отсутствием проблем, связанных с дифракцией или загрязнением воздуха пылью, не говоря о многом другом. В плане организации связи ширина импульса может определять имеющуюся полосу пропускания системы, а частота повторения ограничивает скорость передачи данных. Ширина импульса может определяться внутренними характеристиками оптического резонатора лазера, то есть уравновешиванием общей дисперсии групповой скорости (GVD) и выбором насыщающегося поглотителя (в случае пассивной системы) или шириной полосы пропускания активного элемента (в случае системы с активной синхронизацией мод). Частота повторения в последовательности импульсов ограничена длиной волокна. Например, в линейном лазере основная мода v_osc лазера может быть выражена как:

[0093] где с представляет собой скорость света в вакууме, n_g представляет собой средний групповой показатель преломления, a L является длиной оптического резонатора. В результате элемент 2110 оптического резонатора волоконного лазера длиной 10 см со средним групповым показателем преломления, равным 1,47, характеризуется частотой повторения 1 ГГц. В полностью пассивных системах синхронизация мод может быть достигнута за счет использования насыщающегося поглотителя. В активном лазере элемент 2150 амплитудного модулятора может быть вставлен в оптический резонатор для увеличения частоты повторения импульсов лазерного излучения (гармоническая синхронизация мод). Для достижения высокой частоты повторения тактовых импульсов с использованием источника USPL с синхронизацией мод можно применять одно или несколько из (i) внутрирезонаторного амплитудного модулятора Маха-Цендера (MZM) 2150, показанного на фиг. 21, и (ii) низкопорогового насыщающегося поглотителя. Такие методы, известные как «гармоническая синхронизация мод», могут применяться в стационарной системе распределения на основе волоконно-оптических линий или в системе на основе FSO для наземных, подводных или оптических в свободном пространстве систем в вариантах применения в атмосфере, космосе или под водой.

[0094] На фиг. 21 в подробностях изображен элемент 2102 накачки с длиной волны 980 нм, соединенный с оптическим устройством 2105 WDM. Для создания нелинейной среды с возможностью получения излучения с синхронизацией мод в виде последовательности импульсов в замкнутом оптическом резонаторе, установленном между двумя фарадеевскими отражателями 2101 и 2160, на обоих концах оптического резонатора USPL можно использовать оптический усилитель 2110 с легированным эрбием оптическим волокном или его аналог. Указанное устройство выполнено с возможностью создавать на выходном порте 2170 модуля независимые последовательности оптических импульсов со скоростью, превышающей 100 Гбит/с, обладающих по своей сути высокой степенью синхронизации. EDFA 2110 может быть выполнен с возможностью создания нелинейной среды с высоким коэффициентом усиления. Контур 2130 фазовой автоподстройки частоты выполнен с возможностью получения преимущества, которое заключается в стабильности работы за счет поддержки синхронизации источника тактовых импульсов посредством модуляции сигналов от элементов 2120, 2130, 2150 независимого генератора импульсов с высокой частотой повторения.

[0095] Для получения высокой частоты повторения в лазере, которая ограничена его размерами (длиной в случае линейного лазера и окружностью в случае кольцевого лазера), может возникать необходимость стимуляции внутрирезонаторной генерации частот, кратных основной моде. В случае активной системы амплитудный модулятор, вставленный в оптическом резонатор, модулирует поглощение в системе, работая как устройство с «пороговым стробированием». Для успешной реализации такого варианта может потребоваться, чтобы управляющий сигнал для модулятора был основан на генерации самого лазера во избежание такой ситуации, когда управляющий сигнал «привносит» на лазер внешнюю частоту генерации. Это может быть реализовано за счет введения элемента 2130 контура фазовой автоподстройки частоты или схемы синхронного генератора для отслеживания и синхронизации частоты повторения лазера и регенерации сигнала. В случае ФАПЧ выходной сигнал РЧ может быть установлен в несколько раз больше входного сигнала (таким же образом, как указанное устройство используется в технологии сотовых телефонов) с более высокой частотой повторения лазера. Затем сигнал можно использовать для запуска генератора импульсов или в сочетании с фильтром нижних частот. Амплитудный модулятор 2150 MZ лазера может применяться вне оптического резонатора лазера для создания модуляции по типу двухпозиционной манипуляции (ООК) на последовательности импульсов, выходящей из лазера с синхронизацией мод.

[0096] На фиг. 22 показано графическое представление 2200, иллюстрирующее влияние модуляции поглощения, вносимого во входную последовательность 2201 импульсов в результате присутствия амплитудного модулятора 2205 с управляющим NRZ-сигналом 2210, состоящим из битовой последовательности, как проиллюстрировано. Результирующий сигнал на выходе устройства 2220 представляет устройство преобразования NRZ в RZ для использования в телекоммуникационных и научных вариантах применения, для которых целесообразными могут являться потоки данных RZ. Тактовый сигнал 2201 (оптический вход) с заданной частотой повторения импульсов проходит через модулятор 2205. В то же время управляющий сигнал, состоящий из последовательности 1 (единиц) и 0 (нулей), может подаваться на РЧ порт элемента 2215 модулятора. Когда элемент 2215 модулятора смещен на минимальный коэффициент передачи, в отсутствие управляющего сигнала поглощение оптического сигнала может достигать максимальных значений. В присутствие сигнала РЧ (1) поглощение снижается до минимума (ОТКРЫТЫЙ КАНАЛ), в результате чего устройство работает как устройство модуляции по типу двухпозиционной манипуляции. Ширина импульса выходного оптического сигнала, как правило, намного меньше, чем временной интервал, занимаемый одним битом информации (даже меньше чем половина тактового периода в схеме сигнала NRZ), что на самом деле преобразует такую систему сигналов в RZ, обозначенную с помощью элемента 2220.

[0097] На фиг. 23 изображен пример системы 2300, выполненной с возможностью генерирования потоков импульсов USPL с оптическими гармониками высшего порядка, характеризующихся высокой частотой повторения импульсов, с использованием устройства 2330 насыщающегося поглотителя (SA). Устройство 2330 SA в некоторых примерах может содержать углеродные нанотрубки. Волоконные лазеры с пассивной синхронизацией мод, в которых используются углеродные нанотрубки SA (CNT-SA), представляют собой еще один привлекательный вариант источников с высокой частотой повторения вследствие их способности генерировать гармоники высшего порядка для основной частоты повторения. В описываемом варианте создается замкнутый саморегулирующийся оптический резонатор, в котором оптический резонатор образуют два фарадеевских отражателя 2301 и 2350. В то время как на фиг. 23 показан оптический усилитель высокой мощности 2310 на основе легированных эрбием оптических волокон (EDFA), можно использовать любую инвертирующую среду для нелинейного оптического резонатора. Затравочный лазер 2315, такой как, например, лазер накачки 980 нм, показанный на фиг. 23 можно использовать для генерирования оптической последовательности с высокой частотой повторения. В частности, по отношению к необходимой длине оптической волны и частоте повторения импульсов может рассматриваться любой пригодный лазер накачки. В соответствии с требованиями конструкции элемент 2330 SA может быть размещен внутри оптического резонатора для получения требуемых характеристик 2350 оптических импульсов.

[0098] На фиг. 23 схематически показан пример лазера, который может применяться в одном или нескольких вариантах реализации данного объекта изобретения. В отличие от активного лазера, показанного на фиг. 22, в данном случае модулятор MZ может быть заменен элементом 2330 SA. Методика, аналогичная описываемой в данном документе, может применяться в стационарной системе распределения на основе волоконно-оптических линий или в системе на основе FSO для наземных, подводных или оптических в свободном пространстве систем на основе FSO в вариантах применения в атмосфере, космосе или под водой.

[0099] На фиг. 24 представлен способ получения мультиплексирования с разделением по времени (TDM), в котором TDM мультиплексирует последовательность импульсов с использованием параллельных каналов временной задержки. В некоторых случаях может быть важной возможность управления каналами задержки таким образом, чтобы они являлись «согласованными» по отношению друг к другу. В идеальном случае частота мультиплексированной последовательности импульсов на выходе может являться насколько это возможно нечувствительной к изменениям окружающей среды. Для этого предлагаемая система управления контуром обратной связи выполнена с возможностью корректировки элементов линии задержки в случае любых флуктуаций, которые ставят под угрозу стабильность частоты повторения выходного сигнала.

[00100] На фиг. 24 показана структурная схема примера системы 2400 управления задержкой. Контур управления может быть выполнен одним из нескольких способов в соответствии с данным объектом изобретения. На фиг. 24 для демонстрации рассматривается одна из возможностей. Последовательность входных импульсов поступает на TDM и мультиплексируется в виде N трактов, каждый из которых содержит свою собственную линию задержки. Если указанные тракты выполнены из волоконно-оптических световодов с низкими «потерями на изгибе», то каждый тракт может быть намотан вокруг цилиндрического пьезоэлектрического актюатора (ПЭ) с радиусом R. Актюаторы, как правило, расширяются в радиальном направлении в результате действия управляющего напряжения (V_ynp). Такое расширение ΔR, которое линейно пропорционально V_ynp, приводит к изменению длины оптического волокна ΔL=2πNΔR, где N представляет собой количество витков оптического волокна вокруг элемента ПЭ. Для терагерцового мультиплексирования задержка между импульсами (и, следовательно, между элементами ПЭ1) должна быть равной 1 пикосекунде. Это может потребовать изменения длины на 200 микрон, что для актюатора ПЭ с одним витком соответствует ΔR=32,5 микрон. Большинство имеющихся в продаже пьезоэлектрических актюаторов обладают высокой линейностью и хорошо работают в этом диапазоне. В результате устройство управления может быть построен на нескольких актюаторах ПЭ, каждый из которых содержит количество витков, кратное величине первой задержки, то есть (32, 64, 96 микрон и т.д.), и управляться одним напряжением V_ynp. Управляющее напряжение определяется системой обратной связи, которая с помощью фазового компаратора (ФК) выполняет сравнение частоты выходного сигнала, проходящего через делитель 1/N, с частотой входного сигнала. Частота «медленного» входного оптического сигнала (представленного на фиг. 24 волновым сигналом с временем прохождения τRT) преобразуется в сигнал РЧ с помощью фотодетектора ФДвх. Для снижения влияния электронного джиттера сигнал РЧ может быть пропущен через «дифференциатор» (или фильтр верхних частот) для увеличения крутизны передних фронтов импульсов. Контур фазовой автоподстройки частоты используется для отслеживания и синхронизации сигнала и его регенерации в виде волнового сигнала с коэффициентом заполнения 50%. Аналогичным образом на выходной стороне оптический сигнал улавливается фотодетектором ФДвых, проходит фильтрацию в фильтре верхних частот и регенерируется с помощью порта вывода тактовых импульсов системы восстановления тактовой частоты, Тактовые импульсы выходного сигнала, частота которых в N раз выше, чем частота входного сигнала, перед поступлением на фазовый компаратор отправляются на делитель частоты с коэффициентом деления N. Величина напряжения постоянного тока, отображающая рассогласование между входными и выходными сигналами (таким же образом, как это используется в архитектуре цепей ФАПЧ) из фазового компаратора указывает направленность поправки для актюаторов. Фильтр нижних частот добавляет к системе постоянную времени для повышения ее нечувствительности к паразитному шуму.

[00101] Схема CDR на выходной стороне, в отличие от ФАПЧ, обеспечивает преимущество, которое заключается в выборе возможности модуляции выходного сигнала или ее отсутствия. Такая система выполнена с возможностью работы как в схеме без модуляции, так и в схеме с «внутренней TDM-модуляцией» (то есть с одним модулятором на каждом тракте задержки). В то же время это представляет собой полностью детерминированный способ компенсации различных длин линий задержки. В идеальном случае и с практической точки зрения все тракты линий задержки должны быть настроены на один и тот же «тепловой уровень», то есть проявлять чувствительность к одним и тем же тепловым изменениям одновременно. В случае, если каждая линия обнаруживает различное отклонение, то данная система может исправить его в режиме реального времени.

[00102]В качестве альтернативы способ, полностью основанный на статистической модели, может включать суммирование цепей операционного усилителя (S1…SN) для подачи управляющего напряжения на актюаторы. В таком способе входные напряжения (от V1 до VN) могут использоваться для компенсации расхождений в длине между линиями в полностью статическом смысле, в противном случае их можно использовать для начальной точной настройки системы. Такой способ, как правило, должен также компенсировать или по меньшей мере принимать в расчет любые требования к потерям на изгибе используемых оптических волокон. Некоторые новые оптические волокна, только что поступившие в продажу, могут характеризоваться критическим радиусом всего в несколько миллиметров.

[00103] В случае, если каждая линия задержки в тракте обнаруживает различное изменение температуры или испытывает некоррелированные изменения длины по причине паразитного локализованного шума, ранее описываемый вариант в таком виде, как он есть, может создавать трудности при внесении поправок в режиме реального времени. В соответствии с вариантами реализации данного объекта изобретения может выполняться более надежный способ, оперирующий полностью в рамках статистической модели. В таком способе для подачи управляющих напряжений на актюаторы могут использоваться цепи суммирующих операционных усилителей (S1…SN). В таком способе входные напряжения (от V1 до VN) могут использоваться для компенсации расхождений в длине между линиями в полностью статическом смысле, в противном случае их можно использовать для начальной точной настройки системы (калибровки).

[00104] Как также показано на фиг. 24, источник USPL на входе, обозначенный как элемент 2401, соединен с элементом 2403 оптического ответвителя таким образом, что одна ветвь ответвителя подключена к оптическому фотодиоду, выбранному с возможностью работы на рабочей скорости передачи данных 2401. Отображение входящего сигнала USPL в виде прямоугольных электрических импульсов извлекается с помощью стандартных методы электронной фильтрации, указанные элементами 2404, 2405 и 2406, и обозначается как элемент 2407. Вторая оптическая ветвь ответвителя 2403 сопряжена с соответствующим элементом оптического разветвителя, обозначенным как 2410, в котором происходит разветвление входящего в 2410 сигнала на 206 параллельных оптических трактов. Также показаны оптические линии задержки с переменной скоростью, установленные параллельно для каждой из параллельных ветвей элемента 2410 оптического разветвителя. Параллельные пьезоэлектрические элементы обозначены как элементы 242N и управляются электронным способом с помощью электрической цепи обратной связи в данной структурной схеме. Управляющее напряжение, обозначенное как V_ynp, проходит через фотодиод 2485, а также элементы 2480 и 2475 электрической цепи. Элемент 2475 схемы восстановления тактовой частоты (CDR) образует источник тактовых импульсов, который используется для управления каждым из элементов ПЭ. Оптические тракты, обозначенные как 244N, объединяются после введения в каждую ветвь элемента 2410 соответствующей задержки. В результате происходит генерирование умноженного импульсного сигнала 2490 USPL.

[00105] На фиг. 25А схематически показан волоконный ПЭ актюатор 2500, а на фиг. 25 В показан график 2590 зависимости радиуса от напряжения для такого актюатора. Взятые вместе эти чертежи иллюстрируют работу ПЭ актюатора по увеличению частоты повторения импульсов для входящей последовательности импульсов USPL за счет индуцированной оптической задержки. В то время как данный элемент представлен в качестве элемента для повышения частоты повторения импульсов для сигналов USPL, аналогичный способ можно использовать для других оптических устройств, для которых требуется оптическая задержка или рабочие характеристики которых улучшаются в результате ее применения. Базовая конструкция указанного устройства представляет собой ПЭ актюатор 2501 на основе оптического волокна. Когда напряжение 2550 подается на электроды 2520, в оптическом волокне возникает напряженное состояние, вызванное поданным напряжением, вызывающее задержку во времени оптического сигнала, проходящего через оптическое волокно. При изменении подаваемого напряжения получают рабочую кривую зависимости оптической задержки от подаваемого напряжения, показанную на графике 2590 зависимости на фиг. 25В.

[00106] На фиг. 26 показана структурная схема, на которой представлены конструктивные элементы типовой схемы 2600 статистической поправки. Схема 2640 управления грубой поправкой, показанная на фиг. 26 соответствует системе, описываемой в предыдущем разделе, которая выполнена с возможностью внесения поправки при изменениях длины, одновременно считываемых во всех линиях задержки. Как упоминалось, ожидается, что такие изменения происходят во временном масштабе намного медленнее, чем паразитные изменения «внутри линии задержки». Этот последний фактор может проявляться в виде джитттера, вносимого в систему между временными интервалами. Такой тип джиттера можно контролировать с помощью РЧ анализатора спектра (RFA), в результате чего линия частоты повторения системы должна отображать «боковые линии» (или боковые полосы), которые являются результатом смешивания анализатором шумовых частот, возникающих вследствие неравномерных временных интервалов между последовательными импульсами. Один такой паттерн может быть обработан с помощью аналого-цифрового преобразователя (АЦП) и записан в памяти в виде массива значений, который затем может быть передан в машину нейронной сети (НС). Машины нейронных сетей, как известно, обладают отличными характеристиками адаптируемости, которые позволяют им по сути изучать паттерны внешних событий, адаптируясь к новому набору входных и выходных данных. Набор входных сигналов в таком случае может быть сгенерирован из набора «несовершенных наблюдений», то есть «зашумленных» выходных сигналов системы TDM, обнаруживаемых RFA и преобразуемых в цифровые массивы с помощью АЦП где представляет собой частотный компонент, считываемый с помощью RFA). Набор выходных сигналов может быть сгенерирован из поправок ({V₁, V₂, …, V_n}, где V_i представляют собой величины компенсирующего входного напряжения для суммирующего операционного усилителя), необходимых для удаления из набора выходных частот нежелательного избыточного частотного шума, который возникает в результате внешнего возмущения системы. Для достаточно большого количества пар где V представляют собой массивы частот, напряжений, можно построить статистический набор для обучения NN-машины базовой модели паттерна, связанной с присутствием внутриканального шума. Такие машины могут иметься в продаже в формате ИС от нескольких производителей или реализованы в виде программного обеспечения и использоваться совместно с компьютерным устройством управления на основе обратной связи. Однослойная нейронная сеть типа Perceptron или ADALINE («адаптивный линейный нейрон» или более новая «адаптивный линейный элемент») должна быть достаточной для выполнения этой задачи.

[00107] Подобно описанию, приведенному выше по отношению к фиг. 24, элемент 2670 схемы статистической поправки может содержать электронную схему, которая аналогична или обладает аналогичной функциональностью элементов 2480 и 2475 электрических цепей и фотодиода 2485 на фиг. 24. В способе, показанном на фиг. 26, анализатор 2695 спектра РЧ вместе с нейронной сетью 2670 и элементом 2640 схемы управления грубой поправкой применяются с возможностью выполнения требований оптической задержки, вводимой в параллельный ряд ПЭ элементов 262N.

[00108] На фиг. 27 представлены концепции и возможности способов, в соответствии с вариантами реализации данного объекта изобретения, выполненных с возможностью повышения технических характеристик, точности и разрешающей способности за счет установки новых пьезоэлектрических модулей (ПЭ) в форме диска, обозначенных как элементы 2795 и 272N, в которых для получения оптических линий задержки используются компактные коллиматоры 2795 на основе оптических микроволокон (MFC), окруженные керамическими дисками. Несмотря на то, что представленный способ применяется для увеличения собственной частоты повторения импульсов USPL, представленная схема не ограничивается такими вариантами применения и может быть применена или расширена для других нужд в области оптики, везде, где требуется оптическая задержка. При этом в каждый элемент схемы MFC может быть добавлена временная задержка с более управляемой величиной. Улучшение, получаемое за счет использования элементов MFC, может улучшать скорость отклика, разрешающую способность и получать быстрое воспроизведение требуемых величин отклика на подаваемое напряжение в условиях массового производства. Концепция, обозначенная на фиг. 27, может быть включена в точно изготовляемые элементы, которые могут служить в качестве дополнительных парных единиц, используемых для уменьшения джитттера между импульсами USPL, а также для задач по шифрованию данных.

[00109] Также на фиг. 27 источник 2701 USPL, характеризующийся определенной частотой повторения импульсов, разветвлен на заранее выбранное количество оптических трактов 271N (число которых может отличаться от 206), обозначенных как элемент 2705. Управляемая соответствующим образом задержка 273N вводится в каждую параллельную ветвь разветвленных оптических трактов 271N с использованием элементов, указанных номерами 2795 и 272N. Получаемые в результате оптические тракты 274N с задержкой складываются вместе с помощью элемента 2760 оптического объединителя. В результате образуется умноженный импульсный сигнал 2780 USPL.

[00110] Один потенциальный недостаток некоторых ранее применяемых конструкций TDM, в которых оптические волокна «наматываются» вокруг пьезоэлектрических актюаторов, заключается в том, что устройство должно соответствовать требованиям к потерям на изгибе используемых оптических волокон. Некоторые новые оптические волокна, только что поступившие в продажу, характеризуются критическим радиусом всего в несколько миллиметров. Чтобы исправить такую проблему, в вариантах реализации данного объекта изобретения в качестве замены цилиндрическим пьезоэлементам, обернутым оптическим волокном, могут применяться полученные в результате микрообработки U-образные скобы с воздушным зазором. На фиг. 27 продемонстрирован такой принцип. В этом варианте пьезоэлектрические актюаторы (ПЭ1, …ПЭ_N) могут быть заменены конструкциями из U-образных скоб с воздушным зазором, построенными с применением коллиматоров на основе оптических микроволокон (MFC) и микроколец из пьезоэлектрического материала. Однако в этом случае при подаче управляющих напряжений (V1, V2, … VN) пьезоэлектрический актюатор расширяется в продольном направлении, увеличивая (или уменьшая) расстояние воздушного зазора между коллиматорами. Как и в случае с цилиндрическим пьезоэлектриком, одно напряжение V_ynp может использоваться для управления всеми пьезоэлектрическими устройствами при условии, что коэффициенты усиления каждого канала (G1, G2, … GN) настроены соответствующим образом с возможностью получения необходимого расширения для каждой линии. В идеальном случае за исключением присущих системе смещений (то есть внутренних различий между операционными усилителями), настройки усиления должны быть такими, как G1, 2G1, 3G1 и т.д., с тем чтобы получать величины расширения, кратные значению τRT/N. Другой способ реализации такого варианта может заключаться в применении нескольких пьезоэлектрических колец на каналах. В результате каналы с 1, 2, 3, N пьезоэлектрическими кольцами могут управляться одинаковым напряжением с возможностью получения одинакового коэффициентом усиления для всех усилителей.

[00111] На фиг. 28 дано концептуальное представление системы 2800 на основе оптического чипа, выполненной с возможностью успешного объединения двух удаленных коммутаторов сети 10 GigE. В идеальном случае такое соединение может работать аналогично обычному участку оптического волокна. Временной синхронизацией чипа TDM можно управлять с помощью коммутатора сети 10 GigE.

[00112] Как показано на фиг. 28, источник 2805 USPL, характеризующийся заданной собственной частотой повторения импульсов, обозначенной как 2806, подключен к оптическому чипу 2807 умножителя импульсов. Элемент 2807 выполнен с возможностью преобразования сигнала 2806 с входящими значениями частоты повторения импульсов до уровня, требуемого для работы с коммутаторами высокоскоростной сети Ethernet, обозначенными как 2801. Коммутатор 2801 выдает опорный сигнал 2802, используемый для модуляции сигнала 2809 посредством стандартного электрооптического модулятора 2820 с интересующей скоростью передачи данных. В результате происходит генерирование оптического RZ-сигнала, представленного как элемент 2840.

[00113] В качестве альтернативы получению сигнала временной синхронизации от коммутатора сети 10 GigE является повышение выхода USPL до скорости в Тбит/с (или быстрее) с помощью фотонного чипа умножителя с последующей модуляцией такого сигнала на скорости в Тбит/с сразу же после коммутатора сети 10 GigE. Каждый бит при этом содержит около 100 импульсов. В таком варианте может быть получено преимущество, которое заключается в устранении необходимости передачи отдельных сигналов временной синхронизации от коммутатора к USPL. В этом случае USPL просто должен выдавать через чип умножителя импульсы на скорости Тбит/с. Другое преимущество заключается в том, что выходной сигнал от чипа умножителя не обязательно должен точно соответствовать скорости 10,313 Гбит/с или 103,12 Гбит/с. Он только должен соответствовать скорости около 1 Тбит/с. Если каждый бит сигнала 10 GigE содержит 100, 101 или 99 импульсов, то указанное ограничение не составляет проблемы. Еще одно преимущество заключается в том, что каждый бит содержит много десятков импульсов USPL, поэтому в таком случае сигнал 10 GigE легче распространяется в атмосфере (условиях тумана и сцинтилляции). Еще одно преимущество может быть реализовано на стороне приемника. Оно заключается в том, что детектор легче обнаруживает бит информации, если такой бит содержит около 100 импульсов USPL в пределах одного бита. Это может приводить к повышению чувствительности приемника, и в результате позволит увеличивать дальность действия системы на основе FSO. Дополнительное преимущество может заключаться в том, что увеличение скорости сети до 100 GigE можно производить так же просто, как замену коммутатора сети 10 GigE на коммутатор сети 100 GigE. В этом случае каждый бит будет содержать около 10 импульсов.

[0114] Если рассматривать такой вариант исключительно с позиции обработки сигналов, то он предоставляет эффективный способ отправки данных и тактовых импульсов, объединенных в одном потоке передачи. Как и в случае «выборки» битов с использованием потока оптических импульсов, данный способ обеспечивает преимущество, которое заключается в том, что «размерность» одного бита определяется максимальным количеством импульсов, которые он переносит, что в результате образует основу для подсчета битов по мере их поступления на приемный конец линии. Иначе говоря, если единица бита содержит временной интервал, в котором могут размещаться N импульсов, тактовые импульсы в системе могут быть установлены в виде «одного нового бита информации», следующего после каждого пятого.

[00115] Методика, аналогичная описываемой в данном документе, может применяться в стационарной системе распределения на основе волоконно-оптических линий или в системе на основе FSO для наземных, подводных или оптических систем на основе FSO в свободном пространстве в вариантах применения в атмосфере, космосе или под водой, и впервые демонстрирует, как в вариантах применения для организации сетей выполняется взаимное соединение источников USPL с оптическими сетевыми элементами.

[00116] На фиг. 29 показана система 2900, которая иллюстрирует концептуальное расширение сети для концепции схемы, которая отражена на фиг. 28. Различные источники 2901, 2902, 2903 USPL (следует отметить, что, хотя показаны три из них, любое их число находится в пределах объема данного объекта изобретения), каждый из которых модулируется с помощью специально выделенного оптического коммутатора и чипа умножителя лазера USPL, собраны в конфигурации на основе WDM. Как описывается по отношению к фиг. 28, электрические сигналы от каждого коммутатора сети Ethernet могут использоваться для модуляции специально выделенных оптических модуляторов 2911, 2922, 2928 для каждого оптического тракта. Оптическая мощность для каждого сегмента указанной системы может быть получена от элементов 2931, 2932, 2933 оптического усиления, выполненных с возможностью усиления. Затем каждый тракт усиливаемого сигнала USPL может быть сопряжен с соответствующим оптическим объединителем 2940 с возможностью передачи в сеть 2950, и выполнен при необходимости на основе либо оптической связи в свободном пространстве, либо волоконно-оптической связи. Затем выходной сигнал из модуля WDM может быть направлен на передающий элемент 102 для передачи через FSO или стационарное оборудование волоконно-оптической линии.

[00117] Указанная методика, описываемая в данном документе, может применяться в стационарной системе распределения на основе волоконно-оптических линий или в системе на основе FSO для наземных, подводных или оптических систем на основе FSO в вариантах применения в атмосфере, космосе или под водой, и впервые демонстрирует, как в вариантах применения для организации сетей выполняется взаимное соединение источников USPL с оптическими сетевыми элементами.

[00118] На фиг. 30 показана схема экспериментальной установки в соответствии с вариантами реализации данного объекта изобретения, включающими создание компьютеризированной системы, выполненной с возможностью управления шириной импульсов полностью волоконного лазера с синхронизацией мод посредством рекурсивной регулировки линейной поляризации с одновременной стабилизацией частоты повторения оптического резонатора, используя синхронное устройство автоматической регенерации. Указанная схема также может предоставлять возможность перестройки частоты повторения и ширины импульсов.

[00119] Кольцевой волоконный лазер представлен как внутренний контур синего цвета, в котором все волоконно-оптические ветви внутри оптического резонатора обозначены в синем цвете, за исключением оптического волокна вне контура с высокой положительной дисперсией, которое является частью волоконно-решеточного компрессора (обозначено темно-коричневым цветом). Внешние контуры представляют собой системы с активной обратной связью.

[00120] На фиг. 30 показана структурная схема системы 3000, на которой представлены структурные элементы модуля USPL, выполненного с возможностью управления шириной импульса и управления частотой повторения импульсов с применением зеркал (Ml, М2), решеток (G1, G2), отрезков световода (L1, L2), генератора второй гармоники (SHG), фотоэлектронного умножителя (ФЭУ), синхронного усилителя (LIA), системы сбора данных (ССД), детектора (DET), устройства выделения тактовых импульсов (CLK), векторного преобразователя частоты (FVC), высоковольтного управляющего устройства (HVD), опорного сигнала (REF), генератора импульсов (PGEN), амплитудного модулятора (AM), изолятора (ИЗО), пьезоэлектрического актюатора (ПЭ), оптического ответвителя (ОС), поляризатора (POL) и схемы управления поляризацией (PC), при этом все они используются в схеме управления частотой повторения импульсов и шириной импульса.

[00121] Пассивный способ синхронизации мод может быть основан на нелинейном вращении плоскости поляризации (NPR), которое может применяться в волоконных лазерах с синхронизацией мод. В таком способе для создания эллиптически поляризованного света в распространяющемся импульсе могут применяться одномодовые оптические волокна со слабым двулучепреломлением (SMF). По мере того, как импульс распространяется по оптическому волокну, он испытывает нелинейное влияние, при котором происходит вращение плоскости поляризации, зависящее от интенсивности сигнала. К тому времени, когда импульс достигает схемы управления поляризацией (PC) 3001, состояние поляризации части импульса с высокой интенсивностью испытывает более сильное вращение, чем состояние с меньшей интенсивностью. Указанная схема управления выполнена с возможностью вращения поляризационного компонента импульса высокой интенсивности, приводя его ориентацию насколько возможно ближе к оси поляризатора (POL). В результате, когда импульс проходит через поляризатор, его компоненты с меньшей интенсивностью испытывают большее ослабление, чем компоненты с более высокой интенсивностью. Вследствие этого импульс, выходящий из поляризатора, сужается, и выполнение всего процесса происходит по аналогии с быстро насыщающимся поглотителем (FSA). Такой нелинейный эффект работает в сочетании с дисперсией групповой скорости (GVD) контура, и после ряда циклов возврата возникает ситуация стабильности, и при этом происходит пассивная синхронизация мод. Суммарная величина GVD оптического контура может быть изменена с возможностью получения в рамках допустимой погрешности конкретной заданной ширины импульса с использованием различных типов оптических волокон (таких как одномодовые, со смещением дисперсии, с сохранением поляризации и т.п.), и суммирования их вклада в средней величине GVD лазера.

[00122] Активное управление вращением линейной поляризации с помощью схемы PC может значительно улучшать характеристики лазера. Этого можно достичь с помощью системы обратной связи, отслеживающей изменение ширины импульса. Такая система, представленная внешним контуром на фиг. 1, выполнена с возможностью получения максимальных значений компрессии и, следовательно, средней мощности импульса. Ожидается, что импульс, выходящий из кольцевого волоконного лазера через ОС, имеет ширину порядка нескольких пикосекунд. Внешняя цепь компрессии импульса, в которой используется волоконно-решеточный компрессор, применяется для сужения импульса до диапазона значений ширины менее 100 фс. Такой метод нашел широкое применение во многих описываемых экспериментах, что привело к получению импульсов USPL с высокой энергией и большой мощностью. В данном изобретении суженный импульс фокусируется на кристалле генератора второй гармоники (SHG) и обнаруживается с помощью фотоэлектронного умножителя (ФЭУ). Синхронный усилитель (LIA) подает выходной сигнал постоянного тока на плату сбора данных (DAC). Данный сигнал следует за изменениями ширины импульса путем отслеживания увеличения или уменьшения пиковой мощности импульсов. Подобный метод успешно использовался в прошлом, за исключением того, что в таком случае применялся пространственно-временной оптический модулятор (SLM). В данном изобретении программируемая сервосистема напрямую управляет вращением линейной поляризации с помощью актюаторов в цепи PC. Используя данные сигнала постоянного тока, получаемые от DAC, можно получать программное обеспечение для принятия решений (например, среди прочего LABVIEW или MATLAB SIMULINK), выполненное с возможностью управления сервомеханизмом, который, в свою очередь, регулирует для входного импульса угол поворота относительно оси поляризатора. Такие регулировки, осуществляемые актюаторами, выполняются с применением двойного лучепреломления, вызванного напряженным состоянием. Например, если ширина импульса уменьшается, система побуждает актюатор следовать определенному направлению линейного углового вращения с возможностью компенсации такого уменьшения, а если ширина импульса увеличивается, указанная система действует в противоположном направлении, причем оба из них нацелены на максимальное увеличение средней выходной мощности.

[00123] Система автоматической регенеративной обратной связи, синхронизированная с частотой повторения оптического сигнала и используемая в качестве управляющего сигнала для амплитудного модулятора (AM) выполнена с возможностью регулирования времени прохождения сигнала лазера в прямом и обратном направлениях. В активной системе амплитудный модулятор действует как пороговое устройство стробирования, модулируя поглощение синхронно со временем прохождения сигнала в прямом и обратном направлениях. Согласно последним сообщениям, такой метод позволяет успешно стабилизировать лазеры с синхронизацией мод. Сигнал, получаемый фотодетектором (DET) из оптического ответвителя (ОС), в электронной схеме может синхронизироваться и регенерироваться устройством извлечения тактовых импульсов (CLK), таким как контур фазовой автоподстройки частоты или синхронный генератор. Восстановленный сигнал запускает генератор импульсов (PGen), который затем используется для управления модулятором. В случае идеальной синхронизации для каждого времени прохождения сигнала в прямом и обратном направлениях (TRT) AM «открывается» каждый раз, когда через него проходит импульс. Поскольку CLK следует за изменениями TRT, управляющий сигнал AM изменяется соответственно.

[00124] Внешний опорный сигнал (REF) может использоваться для настройки частоты повторения оптического резонатора. Указанный сигнал можно сравнивать с восстановленным сигналом от CLK с использованием смесителя и выходного сигнала, используемого для управления пьезоэлектрической (ПЭ) системой, выполненной с возможностью регулирования длины резонатора. Такое применение ПЭ системы для регулирования длины резонатора представляет собой хорошо известную концепцию, и подобные схемы уже были успешно продемонстрированы экспериментально. В данном изобретении линейный преобразователь частоты в напряжение (FVC) выполнен с возможностью калибровки для подачи входного сигнала на высоковольтное управляющее устройство (HVD) ПЭ системы. ПЭ система регулирует длину резонатора в соответствии с частотой повторения сигнала REF. Если, например, возрастает частота сигнала REF, выходная мощность FVC уменьшается, равно как и уровень высоковольтного возбуждения HV для пьезоэлектрического цилиндра, вынуждая его сжиматься, что в результате приводит к увеличению частоты повторения лазера. Обратное явление происходит в том случае, когда скорость повторения опорного сигнала уменьшается.

[00125] Ширина импульса может быть перестроена на значение «ограничена преобразованием» с помощью пары решеток с отрицательной дисперсией. Такой метод компрессии чирпированных импульсов хорошо себя зарекомендовал, и имеются сообщения о компрессии импульсов вплоть до 6 фс. Идея заключается в том, чтобы компрессор импульсов от решеточной пары был установлен на подвижном держателе, который перемещается вдоль линии, задающей расстояние между решетками. По мере изменения расстояния изменяется и коэффициент компрессии.

[00126] В примере способа модуляции данных в соответствии с вариантами реализации данного объекта изобретения в качестве источника сверхбыстрых импульсов может применяться лазер с пассивной синхронизацией мод, что ограничивает универсальность применения способа для изменении скорости модуляции данных. Для увеличения скорости передачи данных такой системы потребуется увеличивать базовую частоту повторения указанного источника импульсов. Традиционно частоту повторения лазера с пассивной синхронизацией мод увеличивают либо за счет уменьшения длины резонатора лазера, либо за счет гармонической синхронизации мод лазера. Оба метода приводят к уменьшению пиковой мощности импульса внутри резонатора, что приводит к увеличению длительности импульса и более нестабильной синхронизации мод.

[00127] Один из способов решения такой проблемы включает использование модифицированной схемы чередования импульсов посредством метода, называемого умножением импульсов. На фиг. 31 представлена данная концепция. Последовательность импульсов с более низкой частотой повторения от хорошо изученного лазера 3101 с достаточной синхронизацией соединяют с интегрированным оптическим направленным ответвителем 3180, при этом точно определенная часть импульса отводится от указанного ответвителя и «повторно циркулирует» в оптическом контуре с оптической задержкой 3150, равной заданному интервалу между импульсами в последовательности импульсов на выходе, и повторно соединяется с выходным сигналом направленного ответвителя. Например, для генерации последовательности импульсов с частотой 1 ГГц из последовательности импульсов с частотой 10 МГц требуется оптическая задержка величиной 1 не, а для того, чтобы 100-й импульс в последовательности совпадал с входным импульсом от источника 10 МГц, может потребоваться точное управление оптической задержкой. Контур оптической задержки содержит оптическое усиление 3120 для компенсации ослабления сигнала, компенсацию 3160 дисперсии для восстановления ширины импульса и схему 3150 активного управления оптической задержкой. После того, как происходит умножение импульсов, последовательность выходных импульсов модулируется в 3175 по методу двухпозиционной манипуляции ООК с использованием потока 3182 данных и с получением в результате генерируемого RZ-сигнала 3190, и усиливается в оптическом усилителе 3185 на основе легированных эрбием оптических волокон с увеличением энергии импульса до уровня, аналогичного уровню в последовательности импульсов на входе (или до заданного уровня энергии выходного импульса).

[00128] Различные аспекты или варианты реализации данного объекта изобретения могут содержать один или несколько конструктивных элементов, описываемых в данном документе, либо взятых по отдельности, либо в их сочетании. Например, в некоторых аспектах система оптической беспроводной связи может содержать по меньшей мере один лазерный источник USPL, который может необязательно содержать один или несколько из лазерных источников пикосекундного, наносекундного, фемтосекундного и аттосекундного типа. Система оптической беспроводной связи может содержать источники USPL, которые могут быть соединены с оптической транспортной системой по волоконно-оптической цепи или в свободном пространстве, могут модулироваться с применением одного или нескольких способов модуляции для разветвленных (типа point-to-Multi-point) архитектур систем связи и/или могут использовать оптические транспортные терминалы или телескопы, изготовленные с помощью одного или нескольких из методов получения гиперболических зеркал, методов получения традиционных ньютоновских зеркал или других методов, являющихся функционально эквивалентными или аналогичными. Также, либо в качестве альтернативы, могут применяться асферические оптические конструкции, выполненные с возможностью минимизации, уменьшения и т.п. затемнения принимаемого оптического сигнала.

[00129] Оптические транспортные системы в свободном пространстве в соответствии с вариантами реализации данного объекта изобретения могут использовать устройства на основе лазера USPL, фокусирующие полученный сигнал в одной в одной бесконечно удаленной точке. В некоторых вариантах реализации один телескоп или иной оптический элемент для фокусировки и доставки светового излучения может рассматриваться в качестве передающего элемента, а второй телескоп или другой оптический элемент для фокусировки и приема светового излучения, расположенный на расстоянии от первого телескопа или другого оптического элемента, может работать в качестве принимающего элемента с возможностью создания оптической линии передачи данных. Обе платформы оптической связи могут необязательно содержать элементы, выполненные с возможностью предоставления функций передачи и приема, которые могут называться оптическими трансиверами USPL. Один или оба из телескопов или других оптических элементов для фокусировки и доставки светового излучения могут быть соединены с передающим источником USPL либо по волоконно-оптической цепи, либо через соединение в свободном пространстве с передающим элементом. Один или оба из телескопов или других оптических элементов для фокусировки и приема светового излучения могут быть соединены с приемной оконечной точкой либо по волоконно-оптической цепи, либо через соединение в свободном пространстве с оптическим приемником. Беспроводная система оптической связи в свободном пространстве (FSO), содержащая один или несколько источников USPL, может применяться: в рамках оптической сети связи в сочетании с волоконно-оптической транспортной сетью (и может применяться без изменения кода в оптических сетях связи) в оптической сети связи (и может модулироваться с помощью методов модуляции на основе двухпозиционной манипуляции (ООК) без возвращения к нулю (NRZ) и с возвращением к нулю (RZ) в 1550 нм диапазоне оптической связи), в оптической сети связи (и может модулироваться с помощью методов модуляции на основе дифференциальной фазовой манипуляции (DPSK)), в оптической сети связи (и может модулироваться с использованием общепринятых методов модуляции для прямых (типа point-to-point) архитектур систем связи с использованием традиционно применяемых терминалов оптических трансиверов для связи в свободном пространстве), в оптической сети связи, использующей методы детектирования D-TEK, в оптической сети связи для применения в сочетании с усилителями на основе легированных эрбием оптических волокон (EDFA), а также высокомощными оптическими усилителями на основе легированных эрбием/иттербием оптических волокон (Er/Yb-DFA), в сети оптической связи (и может модулироваться с использованием общепринятых методов модуляции для разветвленных (типа point-to-Multi-point) архитектур систем связи) и т.п.

[00130] В некоторых аспектах устройство на основе USPL может применяться в качестве источника маяка, выполненного с возможностью оптического слежения и управления пучком излучения для получения возможности автоматического слежения и для поддержки взаимной ориентации терминалов во время работы. Восстанавливаемые тактовые импульсы и данные, извлекаемые на приемном терминале, могут использоваться в упрощенных протоколах spans передачи данных в многоканальных линиях для увеличения дальности действия сети. Подобные преимущества могут быть получены в оптической сети в за счет конфигураций WDM, в результате которой возрастает величина эффективной оптической полосы пропускания линии передачи данных. Также, либо в качестве альтернативы для лазерных источников USP может выполняться мультиплексирование с поляризационным разделением передаваемого оптического сигнала с возможностью получения в результате систем на основе USP-FSO с поляризационным уплотнением каналов (PM-USP-FSO). Восстанавливаемые тактовые импульсы и данные, извлекаемые на приемном терминале, могут использоваться в упрощенных протоколах spans передачи данных в многоканальных линиях для увеличения дальности действия сети и могут содержать широкие возможности для работы со стабильной скоростью передачи данных. Оптический предварительный усилитель или полупроводниковый оптический усилитель (SOA) может применяться перед элементом оптического приемника и, в качестве альтернативы или в сочетании с восстанавливаемыми тактовыми импульсами и данными, извлекаемыми на приемном терминале, может использоваться в упрощенных протоколах spans передачи данных в многоканальных линиях для увеличения дальности действия сети, обладая широкими возможностями для работы со стабильной скоростью передачи данных. Во время работы может поддерживаться взаимная ориентация терминалов, в результате чего может быть получено значительное улучшение рабочих характеристик и взаимной ориентации терминалов при использовании устройств на основе USPL, при использовании источника данных USPL, а также выполнения усовершенствованного способа поддержки ориентации трансивера с применением маяков на основе лазера USPL.

[00131] В некоторых аспектах трансиверы систем USPL-FSO могут применяться для осуществления дистанционного зондирования и обнаружения сигнатур элементов, находящихся в воздухе, с помощью методов ионизационного или неионизационного обнаружения с применением оптических транспортных терминалов, изготовленных либо с помощью методов получения гиперболических зеркал, либо в виде традиционных ньютоновских конструкций, фокусирующих принимаемый сигнал в одной бесконечно удаленной точке. Трансиверы систем USPL-FSO в соответствии с вариантами реализации данного объекта изобретения могут применяться в лазерных системах связи, работающих в условиях непрямой видимости. Трансиверы систем USPL-FSO в соответствии с вариантами реализации данного объекта изобретения могут предоставлять возможность регулирования расстояния, на котором наблюдается эффект рассеяния (включая метод NLOS для условий непрямой видимости), методы для повышения чувствительности обнаружения с применением схем детектирования DTech и увеличенную полосу пропускания за счет применения широкополосных детекторов, содержащих частотные гребенки. Трансиверы систем USPL-FSO в соответствии с вариантами реализации данного объекта изобретения могут применяться совместно с методами адаптивной оптики (АО) для выполнения коррекции входящего оптического сигнала (AO-USPL-FSO). Трансиверы систем USPL-FSO в соответствии с вариантами реализации данного объекта изобретения могут применяться и работать в инфракрасном диапазоне длин волн. Трансиверы систем USPL-FSO в соответствии с вариантами реализации данного объекта изобретения могут применяться в сочетании с методами оптической вставки/вывода и оптического мультиплексирования, как в одномодовых, так и в многомодовых волоконно-оптических конфигурациях. Трансиверы систем USPL-FSO в соответствии с вариантами реализации данного объекта изобретения могут применяться и работать в инфракрасном диапазоне длин волн в качестве дальномера и устройства наведения, выполненного с возможностью применения для идентификации цели и отправки сигналов опроса.

[00132] В других аспектах данного объекта изобретения ряд коммутируемых сетевых соединений, таких как, например, 10 GigE, 100 GigE или подобных соединений, могут быть соединены от одной точки к другой, либо по волоконно-оптической цепи, либо с помощью оптической связи в свободном пространстве, например, с помощью мультиплексирования с временным разделением (TDM).

[00133] Источник USPL с синхронизацией мод в соответствии с вариантами реализации данного объекта изобретения может применяться для генерирования как тактовых импульсов, так и потоков данных. Лазеры с синхронизацией мод могут быть выбраны в качестве высокоточных источников тактовых импульсов с высокими техническими характеристиками в цифровых системах связи. В этом отношении волоконные лазеры с синхронизацией мод, либо в линейной, либо в кольцевой модели построения, могут являться привлекательными кандидатурами для выбора, поскольку они могут достигать значений длительности импульса на уровне источника USPL и частоты повторения на уровне ГГц.

[00134] Генерация гармоник высшего порядка может быть достигнута с использованием насыщающихся поглотителей на основе углеродных нанотрубок. Волоконные лазеры с пассивной синхронизацией мод, в которых используются насыщающиеся поглотители из углеродных нанотрубок (CNT-SA), пригодны в качестве варианта для источников с высокой частотой повторения благодаря их способности легко генерировать гармоники высшего порядка основной частоты повторения.

[00135] Системы на основе FSO могут применяться для наземных, космических и подводных вариантах применения.

[00136] Возможность управления длиной пути от оптического разветвителя до диафрагмы может являться важным фактором. Мультиплексоры TDM могут применяться в соответствии с вариантами реализации данного объекта изобретения для управления относительной временной задержкой между трактами от диафрагмы до источника. Каждой последовательностью импульсов можно управлять с помощью параллельных каналов временной задержки. Такой метод может применяться для управления традиционными системами диафрагм многоканальных передатчиков FSO, использующих системы WDM, а также TDM. Интервал между импульсами лазера USPL может поддерживаться и регулироваться в соответствии с точными временными требованиями как для систем TDM, так и для систем WDM. Описываемые методы могут применяться в волоконно-оптических системах TDM и WDM. В контексте данного документа применение мультиплексоров TDM может быть использовано для реализации средств уникального шифрования передаваемого оптического сигнала. Дополнительный мультиплексор TDM может применяться для инвертирования входящего принимаемого сигнала и в результате восстановления уникальной сигнатуры импульсных сигналов. Описываемый в данном документе мультиплексор TDM может применяться для управления характеристиками импульса WDM для задач шифрования WDM. Мультиплексор TDM может применяться в традиционных системах на основе FSO, при этом различные диафрагмы, подключенные к общему источнику сигнала, выполнены с возможностью управления временной задержкой между импульсами с поддержанием постоянного значения длины пути. Мультиплексор TDM может применяться для систем TDM на основе волоконно-оптических цепей и на основе связи FSO. Мультиплексор TDM может предоставлять источнику USPL возможность управления свойствами последовательности оптических импульсов. Мультиплексор TDM может применяться в качестве устройства для определения характеристик атмосферной связи канала вдоль оптической линии посредством измерения нейронного поправочного коэффициента коррекции для получения одинаковой передачи импульсов.

[00137] В передатчике может применяться любая комбинация дисков ПЭ и может содержаться бесконечное количество комбинаций шифрования для систем на основе USPL, выполненных как на основе волоконно-оптических цепей, так и на основе связи FSO. Сигналы временной синхронизация могут поступать от коммутаторов сети 10 GigE или эквивалентных им для увеличения скорости передачи данных USPL до Тбит/с (или выше) с помощью фотонного чипа умножителя, при этом такой сигнал со скоростью Тбит/с можно модулировать непосредственно с коммутатора сети 10 GigE. При работе в конфигурации WDM может быть подключен интерфейс, либо к системе на основе волоконно-оптических цепей, либо к сетевому элементу связи FSO.

[00138] Система может принимать последовательность сверхбыстрых оптических импульсов и может генерировать последовательность оптических импульсов с шириной импульса, спектральным составом, характеристиками чирпированного сигнала, идентичными характеристикам входного оптического импульса, и с частотой повторения импульсов, равной целочисленному кратному частоты повторения входного импульса. Этого можно добиться за счет отведения части мощности входного импульса в 2×2 оптическом ответвителе с активно регулируемым коэффициентом оптической связи, рециркуляции такого отведенного импульса в течение времени прохождения сигнала в прямом и обратном направлениях в линии оптической задержки, выполненной с оптическим усилителем, оптическим изолятором, управлением оптической задержкой (длиной пути), оптической фазовой и амплитудной модуляцией, а также компенсацией временной и спектральной эволюции оптического импульса в линии оптической задержки с возможностью минимизации временной ширины импульса на выходе устройства и повторного объединения такой мощности с помощью 2×2 оптического ответвителя.

[00139] Может применяться пассивное или активное управление оптической задержкой, а также оптическое усиление с использованием оптического волокна, легированного редкоземельными элементами, и/или интегрированного оптического устройства, легированного редкоземельными элементами, и/или осуществляемое электрическим способом или оптическим способом полупроводниковое оптическое усиление с накачкой. Компенсация дисперсии может быть получена с помощью волоконных брэгговских решеток и/или объемных брэгговских решеток. Может применяться модуляция данных на основе мультиплексирования с разделением по длине волны для импульса, проходящего через линию задержки, а также модуляция данных шифрования импульса, проходящего через линию задержки.

[00140] Адаптация традиционных источников USPL за счет получения прямоугольных импульсов USPL для вариантов применения в системах FSO может выполняться с использованием технологии микролитографической амплитудной и фазовой маски. Возможность регулирования ширины импульса с использованием методов и аналогичных способов управления и активного управления импульсом с помощью указанных методов может повышать эффективность распространения через линии передачи FSO, повышая в результате качество связи в системе и уровни принимаемой оптической мощности.

[00141] Для активного управления шириной импульса USPL могут применяться активные программируемые формирователи импульсов, выполненные с возможностью согласования с атмосферными условиями в режиме реального времени для получения максимального коэффициента распространения сигнала через изменяющиеся среды. Один или несколько из следующих методов могут применяться в вариантах применения систем FSO для адаптации оптического временного спектра с применением методов: формирования импульса с преобразованием Фурье, модульных матриц на жидких кристаллах (LCM), технологии жидких кристаллов на кремнии (LCOS), программируемого формирования импульса с использованием акусто-оптических модуляторов (АОМ), акусто-оптического программируемого дисперсионного фильтра (AOPDF) и формирования поляризационного импульса.

[00142] На фиг. 32 показана блок-схема 3200 рабочего процесса, на которой представлены отличительные признаки способа, один или несколько из которых могут появляться в вариантах реализации данного объекта изобретения. На этапе 3202 генерируется пучок световых импульсов, каждый из которых характеризуется длительностью около 1 наносекунды или менее. На этапе 3204 на пучок излучения подают сигнал модуляции для генерирования модулированного оптического сигнала. Сигнал модуляции содержит данные для передачи на дистанционное принимающее устройство. Модулированный оптический сигнал принимается на оптическом трансивере внутри платформы оптической связи на этапе 3206, а на этапе 3210 модулированный оптический сигнал передается с помощью оптического трансивера для его приема вторым устройством оптической связи.

[00143] На фиг. 33 показана другая блок-схема 3300 рабочего процесса, на которой представлены отличительные признаки способа, один или несколько из которых могут появляться в вариантах реализации данного объекта изобретения. На этапе 3302, например с помощью источника USPL, генерируется пучок световых импульсов, каждый из которых имеет длительность около 1 наносекунды или менее. Пучок световых импульсов передается в 3304 через оптический трансивер по направлению к целевой области атмосферы. На этапе 3306 анализируется оптическая информация, принятая на оптический трансивер в результате оптического обратного рассеяния пучка световых импульсов от одного или нескольких объектов в целевой области атмосферы.

[00144] На фиг. 34 показана другая блок-схема 3400 рабочего процесса, на которой представлены отличительные признаки способа, один или несколько из которых могут появляться в вариантах реализации данного объекта изобретения. На этапе 3402 генерируются, например, источником USPL, первый и второй пучки излучения, содержащие световые импульсы. На этапе 3404 на первый пучок излучения подают первый сигнал модуляции для генерирования первого модулированного оптического сигнала, а на второй пучок излучения подают второй сигнал модуляции для генерирования второго модулированного оптического сигнала. На этапе 3406 устанавливают первое состояние поляризации первого модулированного оптического сигнала. Необязательно, также может быть установлено второе состояние поляризации второго модулированного оптического сигнала. На этапе 3410 первый модулированный оптический сигнал, содержащий установленное первое состояние поляризации, мультиплексируют со вторым модулированным сигналом. На этапе 3412 мультиплексированный первый модулированный оптический сигнал, содержащий установленное первое состояние поляризации, передают совместно со вторым модулированным сигналом с помощью оптического трансивера для приема вторым устройством оптической связи.

[00145] Один или несколько аспектов, или признаков объекта изобретения по данному описанию могут быть реализованы в цифровых электронных схемах, интегральных схемах, специально разработанных интегральных схемах для конкретных вариантов применения (ASIC), программируемых матрицах логических элементов (FPGA), компьютерном оборудовании, встроенном программном обеспечении, программном обеспечении и/или их сочетаниях. К таким различным аспектам или признакам может относиться вариант реализации в одной или нескольких компьютерных программах, которые являются исполняемыми и/или интерпретируемыми в программируемой системе, содержащей по меньшей мере один программируемый процессор, который может быть специального или общего назначения, подключенный с возможностью приема на него данных и команд, и для передачи из него данных и команд, систему хранения данных, по меньшей мере одно устройство ввода и по меньшей мере одно устройство вывода.

[00146] Такие компьютерные программы, которые также могут называться программами, программным обеспечением, программными приложениями, приложениями, компонентами или кодом, содержат машинные команды для программируемого процессора и могут быть реализованы на высокоуровневом процедурном и/или объектно-ориентированном языке программирования, и/или на ассемблере/машинно-ориентированном языке. В контексте данного документа термин «машиночитаемый носитель данных» означает любой компьютерный программный продукт, аппарат и/или устройство, например, магнитные диски, оптические диски, запоминающее устройство и программируемые логические устройствам (PLD), применяемое с возможностью предоставления машинных команд и/или данных на программируемый процессор, в ом числе машиночитаемый носитель данных, который принимает машинные команды в виде машиночитаемого сигнала. Термин «машиночитаемый сигнал» означает любой сигнал, используемый для передачи машинных команд и/или данных на программируемый процессор. Машиночитаемый носитель данных может сохранять такие машинные команды энергонезависимым образом, как например, в энергонезависимой твердотельной памяти, на магнитном жестком диске или на любом эквивалентном носителе данных. Машиночитаемый носитель может в качестве альтернативы или дополнительно сохранять такие машинные команды энергозависимым образом, как например, в кэш-памяти процессора или в другом оперативном запоминающем устройстве, связанном с одним или несколькими физическими ядрами процессора.

[00147] Для взаимодействия с пользователем один или несколько аспектов или признаков объекта изобретения по данному описанию могут быть реализованным на компьютере, содержащем устройство отображения, такое как, например, электронно-лучевая трубка (ЭЛТ) или жидкокристаллический дисплей (LCD), или монитор на светоизлучающих диодах (LED) для отображения информации пользователю, а также клавиатуру и указывающее устройство, такое как, например, мышь или трекбол, с помощью которых пользователь может вводить данные в компьютер. Для взаимодействия с пользователем могут применяться и другие виды устройств. Например, обратная связь, предоставляемая пользователю, может представлять собой любую форму сенсорной обратной связи, такой как, например, визуальная обратная связь, слуховая обратная связь или тактильная обратная связь; и ввод данных от пользователя может быть получен в любой форме, в том числе акустической, речевой или тактильной форме. К другим возможным устройствам ввода относятся среди прочего сенсорные экраны или другие сенсорные устройства, такие как одно- или многоточечные резистивные, или емкостные трекпады, оборудование и программное обеспечение для распознавания голоса, оптические сканеры, оптические указатели, устройства захвата цифровых изображений и связанное с ними программное обеспечение для интерпретации, и тому подобное. Компьютер, находящийся на отдалении от анализатора, может быть связан с анализатором по проводной или беспроводной сети с возможностью осуществления обмена данными между анализатором и удаленным компьютером (например, получения данных на удаленном компьютере от анализатора и передачи информации, такой как данные калибровки, рабочие параметры, обновления или изменения программного обеспечения и т.п.), а также дистанционного управления, диагностики анализатора и др.

[00148] Объект изобретения по данному описанию может быть реализован в системах, устройствах, способах и/или изделиях в зависимости от требуемой модели исполнения. Варианты реализации, изложенные в предшествующем описании, не представляют всех вариантов реализации в соответствии с объектом изобретения по данному описанию. Вместо этого они представляют собой лишь отдельные примеры в соответствии с аспектами, связанными с объектом изобретения по данному описанию. Хотя выше подробно рассматривается несколько вариантов, возможны и другие модификации или дополнения. В частности, могут предлагаться дополнительные конструктивные особенности и/или варианты в дополнение к таковым указанным в данном документе. Например, варианты реализации, описываемые выше, могут относиться к различным сочетаниям и выбранным из них частичным сочетаниям раскрываемых признаков и/или сочетаниям и выбранным из них частичным сочетаниям нескольких других признаков, раскрываемых выше. Кроме того, логические блок-схемы, изображенные на прилагаемых графических материалах и/или описываемые в данном документе, для достижения заданных результатов не обязательно требуют представленного конкретного порядка или последовательности выполнения. В объем нижеследующей формулы изобретения могут входить и другие варианты реализации.

Изобретение относится к беспроводной передаче данных с помощью оптической связи в свободном пространстве. Устройство для атмосферной оптической связи включает источник лазерного излучения с ультракороткими импульсами (USPL) и модулятор, для генерирования модулированного оптического выходного сигнала, каждый из которых характеризуется длительностью, составляющей 1 нс или менее, пиковой оптической импульсной мощностью, составляющей 1 кВт или более, и пропускной способностью не менее 1 Гбит/с; первый оптический трансивер, принимающий и преобразующий модулированный оптический выходной сигнал в беспроводной оптический (FSO) пучок излучения, передаваемый через поглощающую среду на оптическую транспортную платформу, расположенную на удаленном расстоянии от первого оптического трансивера и содержащую второй оптический трансивер, принимающий FSO пучок излучения и направляющий на фотодетектор; при этом поглощающая среда содержит по меньшей мере один из водных аэрозолей, турбулентного воздуха и сцинтилляций в чистом воздухе, которые создают оптически сложные атмосферные условия для FSO пучка излучения. Технический результат – повышение надежности и улучшение дальности работы системы оптической связи. 2 н. и 17 з.п. ф-лы, 34 ил.

1. Устройство для атмосферной оптической связи, содержащее:

источник лазерного излучения с ультракороткими импульсами (USPL) и модулятор, функционально размещенный внутри или снаружи источника USPL и выполненный с возможностью модуляции данных для генерирования модулированного данными оптического выходного сигнала, содержащего модулированные данными оптические импульсы, каждый из которых характеризуется длительностью, составляющей 1 нс или менее, пиковой оптической импульсной мощностью, составляющей 1 кВт или более, и пропускной способностью не менее 1 Гбит/с;

первый оптический трансивер, выполненный с возможностью приема и преобразования модулированного данными оптического выходного сигнала в беспроводной оптический (FSO) пучок излучения, передаваемый через поглощающую среду на оптическую транспортную платформу, расположенную на удаленном расстоянии от первого оптического трансивера и содержащую второй оптический трансивер, выполненный с возможностью приема FSO пучка излучения и доставки полученного FSO пучка излучения на фотодетектор;

при этом поглощающая среда содержит по меньшей мере один из водных аэрозолей, турбулентного воздуха и сцинтилляций в чистом воздухе, которые создают оптически сложные атмосферные условия для FSO пучка излучения.

2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что модулированный данными оптический выходной сигнал имеет спектральную ширину полосы импульса с инфракрасной центральной длиной волны.

3. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что длительность указанного оптического импульса составляет менее одной пс.

4. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что длительность указанного оптического импульса составляет менее 100 фс.

5. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что длительность указанного оптического импульса составляет менее одной фс.

6. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что указанная пиковая импульсная оптическая мощность равна или составляет более 5 кВт.

7. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что указанная пиковая импульсная оптическая мощность равна или составляет более 10 кВт.

8. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что длительность указанного оптического импульса равна или составляет менее 100 фс, и указанная пиковая импульсная оптическая мощность составляет более 10 кВт.

9. Устройство по п. 1, дополнительно содержащее оптический мультиплексор, выполненный с возможностью мультиплексирования более одного канала данных в пучок излучения.

10. Устройство по п. 7, отличающееся тем, что модуляция данных включает модуляцию с импульсным кодированием.

11. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что источник USPL дополнительно имеет частоту повторения не менее 1 ГГц.

12. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что поглощающая среда содержит водные аэрозоли, и при этом указанное устройство обеспечивает улучшенный размах сигнала 25 дБ или более по сравнению с FSO пучком излучения, генерируемым с использованием лазера непрерывного излучения, имеющего такую же среднюю мощность, как источник USPL.

13. Способ обеспечения атмосферной оптической связи с использованием устройства для атмосферной оптической связи по пп. 1-12, включающий:

генерирование в оптическом трансивере модулированного данными оптического выходного сигнала, содержащего оптические импульсы, при этом каждый оптический импульс характеризуется длительностью, составляющей 1 нс или менее, пиковой оптической импульсной мощностью, составляющей 1 кВт или более и пропускной способностью не менее 1 Гбит/с;

формирование беспроводного оптического FSO пучка излучения из модулированного данными оптического выходного сигнала;

передачу FSO пучка излучения через поглощающую среду на оптическую транспортную платформу, имеющую фотодетектор и расположенную на удаленном расстоянии от указанного оптического трансивера; и

обнаружение FSO пучка излучения на указанном фотодетекторе;

при этом поглощающая среда содержит по меньшей мере один из водных аэрозолей, турбулентного воздуха и сцинтилляций в чистом воздухе, которые создают оптически сложные атмосферные условия для FSO пучка излучения.

14. Способ по п. 13, отличающийся тем, что указанное устройство обеспечивает улучшенный размах сигнала 25 дБ или более по сравнению с FSO пучком излучения, генерируемым с использованием лазера непрерывного излучения, имеющего такую же среднюю мощность, как источник USPL.

15. Способ по п. 13, отличающийся тем, что генерирование модулированного данными оптического выходного сигнала включает выполнение импульсного кодирования.

16. Способ по п. 13, отличающийся тем, что модулированный данными оптический выходной сигнал имеет спектральную ширину полосы импульса с центральной длиной волны инфракрасного излучения.

17. Способ по п. 13, отличающийся тем, что поглощающая среда сдвигает центральную длину волны FSO пучка излучения дальше в инфракрасную область, чтобы сформировать вторую центральную длину волны, большую, чем центральная длина волны, выдаваемая источником USPL, причем указанный способ дополнительно включает обнаружение части FSO пучка излучения на второй центральной длине волны с использованием фотодетектора.

18. Способ по п. 13, отличающийся тем, что пиковая оптическая импульсная мощность составляет:

а) от 5 до 10 кВт; или

б) более 10 кВт при длительности импульса менее 100 фс.

19. Способ по п. 13, отличающийся тем, что модулированный данными оптический выходной сигнал дополнительно имеет частоту повторения по меньшей мере 1 ГГц.