CN114391113A - 通过有损介质进行超短脉冲激光通信的方法和设备 - Google Patents

Abstract

自由空间光学(FSO)无线传输，包括光通信、遥感、功率发射等，可以通过用峰值脉冲功率为1kW或更大且脉冲长度小于1皮秒的超短脉冲激光(USPL)源替换在光谱的红外部分工作的传统激光源来增强。具体而言，已经观察到，在这些条件下，在有损介质(例如大气)中，具有与常规激光器相同平均光功率的USPL光束的衰减显着小于具有较低峰值脉冲功率和/或较长脉冲宽度的常规激光光束的衰减。使用USPL时的卓越系统性能可以转化为发射器中的激光源和接收器中的光电探测器之间的距离增加和/或在恶劣天气条件下系统运行的更高可靠性。

Description

通过有损介质进行超短脉冲激光通信的方法和设备

相关申请的交叉引用

本申请要求于2019年2月6日提交的名称为“通过有损介质进行超短脉冲激光通信的方法和设备”的美国专利申请No.16/269106的优先权，其公开内容通过引用整体并入本文。

技术领域

本文所述的主题涉及自由空间光学(FSO)无线传输，包括光学通信、遥感、功率发射等，并且更特别地，涉及增强的光学传输效率，其能够被实现用于对于通过由于各因素而导致的光学上受损大气条件的光束传播使用超短脉冲激光(USPL)源的波长传播，所述因素能够包括但不限于雾、云(即水气溶胶)、大气光束漂移、闪烁效应等等。

背景技术

来自私人以及商业和政府部门的对电信服务的需求的爆炸式增长已对当前可用的电信网络带来空前压力。在没有替代网络传送技术和拓扑的情况下，总的有效网络速度很可能限制，同时在网络内瓶颈的发生将变得越来越频繁。

双向自由空间光学(FSO)通信网络能够在可行的情况下，向微波链路、电线或电缆系统应用提供有用的替代方案。这样的网络由于公共技术平台与光纤传输系统(许多现代电信系统的骨干)的共享而对于当前的以及将来的网络架构而言可以是透明的。FSO通信系统通常能够共享公共光纤组件，并且商业光学组件常常能够被用于自由空间光学和光纤应用。在自由空间光学数据链路方面的主要差异是传播的介质是大气而不是光纤。

利用当前的现有技术水平光纤组件，自由空间光学数据链路能够被完全地集成到当前的短程和长程高速光学网络中。自由空间数据链路能够完全地达到当前同步光学网络(SONET)系统架构，诸如例如利用当前1550nm波长光学技术平台的SONET OC-48架构。另外，这样的系统能够被升级为较高数据速率和配置。光学数据链路系统能够受益于在电磁光谱的未调节段中操作。不像微波和RF光谱，光学数据链路通常能够不需要待发出的特殊租赁费用或资费。另外，因为系统的工作波长，通常能够最小化与眼安全有关的问题。此外，典型地不需要操作与地面通行权有关的自由空间光学数据链路的特殊措施或许可证。还能够避免与固定有线系统的翻地和挖沟有关的花费。

最近，FSO通信技术已利用了在1550nm光学波长传输频带内制成的商业进步。掺铒光纤放大器(EFDA)技术已被并入系统设计配置内以用于增强整体有效光预算以获得可接受的光衰减，并且从而延伸传输系统在大气的可及范围。

高功率光学放大器对于陆地自由空间传输以及光纤系统来说是有用的。已在陆地和海底光纤系统中延伸了中继器距离并且已引入密集波分复用(DWDM)传输架构。随着高功率Er/Yb光学放大器的出现，如在光纤传输中所看到的类似进步也已在光学无线和自由空间激光通信系统中实现。已经报告了越过2.4km传输跨距在2.5Gbps工作的单通道1550nm自由空间光学数据链路的实验传输结果，像具有越过4.4km传输距离在10Gbps工作的四通道1550nm波分复用(WDM)自由空间光学数据链路的结果一样。

虽然一些商业和军事FSO通信系统已经开发并正在运行，但它们的地面应用性能受到与大气相关的光衰减效应的限制，这些光衰减效应是由包括雾、雨、雪、烟和空气在内的恶劣天气影响引起的湍流。这些影响限制了FSO的应用在需要高可靠性和不间断可用性的典型情况下，通信到相对较短的光传输距离(大约几百米)。

1997年8月4日一项专利申请转让给摩托罗拉公司(申请号08/905,760)已提交，承诺减轻由大气引起的不良衰减效应，并于2003年授予该申请的专利(US6,043,920)。在第2栏第22至35行中说明：“本发明的方法和设备涉及这些窄脉宽信号的新发现特性应用于激光通信领域。根据优选实施例，极窄宽度的调制激光脉冲可以通过有损介质传输而不会遭受显着衰减。因此本发明的方法和设备能够通过以前认为损耗太大而无助于高速激光通信的介质进行极高速率的通信。例如，本发明的方法和设备可用于通过空气、水、水蒸气、固体障碍物、悬浮颗粒、玻璃纤维和其他介质的激光通信。”

然而，这一断言仅得到以下声明的支持(第2栏第16至21行)：“现代激光技术已经能够产生窄宽度脉冲，并且实验表明这些窄宽度脉冲具有能够穿透介质的特性，其衰减比现有技术所遭受的衰减小得多。”

该已授权专利中的权利要求1非常广泛，包括适用于通过任何有损介质(例如大气)的任何无线链路上的通信，使用脉冲宽度小于200飞秒的未指定波长的激光调制脉冲。

基于Attochron有限责任公司和在其他地方进行的研究，据推测，该专利，特别是该权利要求，是基于对实践的建设性减少，即使在该专利的期限于2017年到期之后，也从未被其他人验证或复制过。然而，多年来，关于使用超短光脉冲在各种介质中可能减少光衰减的问题一直存在相当大的争议。例如，在2000年10月6日提交并于2003年6月24日授权的专利号US 6,583,911 B1(发明人D.R.Alexander,)报道，使用持续时间小于100飞秒且波长范围为0.75至0.85微米的超短激光脉冲进行了广泛的实验室测试，其中指出：“......数据没有表明脉冲波传输比连续波更有益。”这一事实数据直接与摩托罗拉专利中的主张相矛盾。

随后，在2005年和2006年，Ulf Osterberg等人发表了两篇论文[U.J.Gibson、ULOsterberg，“光学前体和比尔定律违规；水中的非指数传播损失”，光学快报13 6(2005年)和AE Fox，U.Osterberg，“观察超导的非指数吸收水中的快速脉冲”，光学快报14 8(2006)]表明USPL光束的吸收可能不遵守比尔定律(光束在有损介质中的指数衰减)。作者使用这些结果表明，飞秒激光脉冲的光吸收损耗明显低于在相同波长下工作的CW激光器。据报道，650到800nm范围内的波长已用于研究工作的实验部分。因此，起初，似乎在1997年提交的摩托罗拉专利US 6,043,920中报告的异常低光衰减的潜在假设可能已经被Ulf Osterberg等人的工作后验了。即使它有点推测性并且与Alexander在US 6,583,911 Bl中提供的数据相矛盾。

然而，2007年由简发表的一篇重要论文WO 2020/162960 PCT/US2019/033132，来自内布拉斯加大学的Chao Li等[内布拉斯加大学——林肯大学；DigitalCommon@内布拉斯加大学——林肯；电气工程系教师出版物，2-2007]题为“通过水传播超短激光脉冲”专门驳斥了奥斯特伯格等人的上述结论和解释。本文得出结论，奥斯特伯格等人观察到的亚比尔定律(非指数)吸收效应。仅仅是因为USPL的光谱带很宽，与激光脉冲的短促无关。李等人。指出，对于与USPL具有相同宽光谱带的非相干CW光源，将观察到相同的sub-Beers效应。因此，亚比尔定律吸收不能直接归因于水中飞秒脉冲的较低衰减。这又再次对使用超短脉冲通过有损介质增强传输的任何优势提出了质疑，正如摩托罗拉的发明人在US 6,043,920中所教导的那样。

对“使用USPL增强大气传输有什么好处吗？”这个问题的最明确答案。似乎来自Paul Corrigan等人的工作。在2007年题为“在常规CW操作上提高低功率(60mW)飞秒自由空间光通信系统性能”的论文中[Proc.SPIE 6457，自由空间激光通信技术XIX和电磁波的大气传播，64570X(WO 2020/162960 PCT/US2019/033132 2007年2月)]。上述问题的答案似乎是光散射的边缘“是”和光吸收的“不，还没有”。这篇论文的作者在他们的结论中指出：

“一旦已知稳定物质的透射和散射特性(通常通过两次不同的测量确定)，差异就是吸收。在模拟雾中，这种[将吸收效应与散射效应分开]尤其难以做到，因为模拟本身是不稳定的，就像真正的雾一样。然而，没有当前的测量或声明表明这种增强的传播与大气对超快脉冲的不同物理吸收有关。”

这里应该指出，Corrigan等人的这项工作。是在比之前报道的研究人员使用的波长更长的波长(1560nm)下进行的。因此，与上面讨论的部分或全部其他结果相比，这些结果可能有不同的解释。

面对上述所有未经证实的结果以及随后的矛盾和争议，FSO通信的增长受到限制，并且还没有一个基于过期的摩托罗拉专利中的权利要求的商业系统生产出来也就不足为奇了(美国6,043,920)。显然，如果使用超短激光脉冲可以在恶劣条件下显着改善地面自由空间光通信，那么一劳永逸地建立将是有益的。如果结果是积极的，这将代表一个重大突破，并对未来FSO通信的采用产生重大的有利影响。

发明内容

与上述讨论相关的一个转折点发生在2013年，当时Isaac Kim等人在2013年的Laser Focus杂志上发表了一篇文章，标题为“通信中的进步：新的FSO提供可靠的10Gbit/sec及更高的回程连接”。这篇文章报道：

“Attochron,LLC在位于新泽西州多佛市的美国陆军皮卡汀尼兵工厂的500m无线测试设施中进行的实验表明，基于USP激光的FSO系统在接收功率方面比传统的CW FSO系统提高了25dB，多雾路段。”这些作者还提到，“传统的FSO系统在晴朗或朦胧的天气中工作良好，距离可达1.5公里，但雾的存在会将有效链路距离减少到200米[II Kim,Lightwave,26,19-21(2009)]”。

在这项工作中，USPL系统和CW激光系统同时运行，并排，它们的激光束在同一测试范围内穿过相邻的光路。他们接着说：

“这些新的USP FSO系统的输出是由1550nm的被动锁模100fs脉冲产生的，平均输出功率为50mW，重复率为1Gbit/s[数据]。超短脉冲流在外部进行调制产生千兆以太网信号。在皮卡汀尼阿森纳实验中，发射端使用了一个直径为3英寸的望远镜，接收端使用了类似的3英寸望远镜。”

Isaac Kim等人得出的结论。就是：“在我们的原型USP基于激光的FSO系统的初步测试中，25dB的额外余量将1Gbit/s的链路可用性提高到[范围]3公里的99.5％”。

在2010年和2011年皮卡汀尼阿森纳测试期间获得这些重要结果之后，AttochronLLC于2013年1月16日提交了一项专利申请(申请号：13/737,898)，其广泛的权利要求描述了：

“一种光通信设备，包括：超短脉冲激光(USPL)源，其产生包括光脉冲的光束，每个光脉冲的持续时间约为1纳秒或更短(权利要求1)，或1皮秒或更短(权利要求3)或1飞秒或更短(权利要求4)……

但是，授予专利权利要求的范围受到以下条款的实质性限制，该条款在申请的审查过程中添加到所有权利要求中：

“其中光学收发器配置为检测大气元素，能够分析检测到的大气元素的空气传播颗粒特征的反向散射信号，从而能够调整USPL源产生的光束，增强大气渗透。”

实际上，原始申请的更广泛的权利要求是不被允许的，因为从提交的Attochron专利申请中不能明显看出一项发明是在没有此限制性条款的情况下做出的。具体来说，规格中甚至没有提到Attochron LLC在皮卡汀尼阿森纳获得的现场测试结果。但是，即使它们被如此引入，Attochron LLC的工作人员在皮卡汀尼阿森纳的现场测试期间观察到和报告的卓越系统性能仅仅是由于一个或多个众所周知的效果，例如(1)减少大气湍流对USPL光束的影响，因为其已知的相干性低于皮卡汀尼阿森纳测试期间用作参考的CW激光束，和/或(2)已知改进的检测时的信噪比与CW激光束相比具有更高峰值脉冲的激光束或每个接收位具有可比能量的激光束(参见L.Biovin等人，“通过脉冲编码改进接收器灵敏度”，IEEEPHOTONICS TECHNOLOGY LETTERS，第9卷，第5期，5月1997)，或(3)其他已知因素。

本申请的目的之一是总结2010年和2011年在皮卡汀尼阿森纳测试期间观察到的所有重要结果，以及2017年10月通过对最终得出的记录数据进行广泛分析而揭示的进一步结果。这些结果令人印象深刻。在大雾条件下以及在导致闪烁效应的晴朗温暖天气条件下，USPL系统的性能在这两种情况下都显示出与并排CW激光FSO相比在接收信号余量方面的优势超过25dB系统在相同的测试范围内运行，事实上，在与USPL光束路径完全相同的光路上运行。此外，观察到的USPL系统优于CW系统的至少25dB的优势系数只是一个下限，可能是评估更强大的激光源时可能出现的更大因素。

应该注意的是，上面讨论的USPL系统相对于CW系统的至少25dB的优势因子以对数术语表示，这对于描述许多类型的通信系统的性能是常规的。在线性方面，这相当于316或更大的因数(登录316＝10x2.5＝25dB)。当以这种方式表达时，很明显这是一个非常大的因素，这是基于任何已报道的现有技术或已知物理学出乎意料的。

虽然有许多理论可以解释部分或全部观察到的结果，但一些尚未被理解或被广泛接受的非线性光学现象可能会导致与USPL与CW相关的大观察优势因素激光测试结果。Attochron LLC的初步测试也表明情况确实如此。具体而言，当使用具有低于大约1千瓦的较低峰值功率水平的超短激光脉冲时，观察到的优势因素不会出现。但是，当使用脉冲宽度小于1纳秒的超短激光脉冲时，优势因素变得明显，这些脉冲在1千瓦或以上的光峰值功率下运行。当峰值脉冲光功率水平在5到10千瓦或更大的范围内时，这些影响就会变得很明显。

借助对FSO通信的这种新见解，很明显为什么多年来摩托罗拉已过期专利(6,043,920)中未经证实的主张仍然如此具有争议性。使用飞秒脉冲的有益效果只有在使用峰值光功率在1千瓦或更大范围内，最好在10千瓦或更大范围内的激光源时才能实现。摩托罗拉专利中的大部分权利要求仅限于“将调制的[电]脉冲流应用于[CW]激光[光束]以生成激光脉冲，其中脉冲流的每个脉冲的脉冲宽度低于200飞秒；并引导激光光脉冲通过有损介质朝向检测器。”现实情况是，满足这些条件的唯一方法是从平均输出功率至少为1千瓦的CW激光器开始，使用外部光束调制器可以雕刻出小于200飞秒的脉冲。这种高功率激光器的建造和操作是不切实际的，而且对于商业FSO通信系统来说太昂贵了。然而，在FSO通信系统中使用USPL源具有更适中的平均输出功率但超过1千瓦的非常高的峰值脉冲功率是本发明的本质。与使用连续波(CW)激光器和所有类型的低功率脉冲激光器相比，这导致大气传输的意外改善。

应该指出的是，来自USPL的脉冲的频谱宽度可能具有相当大的宽度。例如，中心波长为1560nm的USPL可能具有延伸数百纳米或更多的光谱带宽。这是由于来自任何激光器的脉冲的最小频谱宽度Af与其时间脉冲宽度At之间存在基本的倒数关系。即，Af＝1/At。由于波长X由关系式定义为X,＝c/f，其中c是真空中的光速，f是激光的中心频率，因此对这种关系进行微分可得到AX,＝(-c/f2)Af＝-(X²/c)(1/At)。例如，如果X,＝1560nm和脉冲宽度。At是20飞秒，那么使用这个方程，最小光谱宽度AX将等于406nm。类似地，对于10飞秒脉冲宽度USPL，最小光谱宽度将是812nm的两倍。对于具有100飞秒脉冲宽度的USPL，最小光谱宽度为81nm。

以下总结了观察到的主要结果：

1.通过晴空大气效应传播USPL脉冲的不可预见的好处：

通过晴空大气效应(闪烁、光束漂移、湍流)的“预期”中心波长(1550nm)的USPL链路余量(相对于CW激光器)提高30dB+。

2.USPL脉冲通过水气溶胶(雾、云等)传播的不可预见的好处：

通过水气溶胶(雾、云等)的“预期”中心波长(1550nm)的USPL链路余量(相对于CW激光器)提高了30dB+。

3.在浓水气溶胶中波长转移到“更深的红外”波长的不可预见的好处(改善传播)：

在重水气溶胶中(有时“达到或接近”—每公里衰减100到—150dB)，并且在CW激光束衰减到其检测水平以下(即低于光功率计的本底噪声)和在USPL输出光谱的最强大部分(以1550nm为中心)也衰减到低于其检测水平后，剩余的1571nm部分USPL光束(发射-平均功率比光谱的1550nm部分低5dB)完全高于检测电平15dB且稳定(时间波动低)。

4.USPL脉冲接收“峰-衰落”功率电平的不可预见的好处：

在USPL波束中接收到的功率波动-无论是在较低衰减期间，但最关键的是，在由于天气影响而增加或减少衰减期间-在非常短的时间内(通常为1第二)与CW激光束中的功率波动相比)，以及

5.使用真正的离散归零高峰值功率脉冲进行脉冲编码的好处：

通过在任何类型的“脉冲编码”调制中使用超短脉冲作为信号载体，将光检测器的链路余量提高了10dB以上。

还应该指出的是，上述好处无论是单独还是组合，都显着提高了USPL通信和传感器系统的整体可用性。

取决于期望的配置，这里描述的主题可以体现在系统、设备、方法和/或物品中。在前面的描述中阐述的实施方式并不代表与这里描述的主题一致的所有实施方式。相反，它们仅仅是与所描述的主题相关的方面一致的一些示例。尽管上面已经详细描述了一些变体，但其他修改或添加也是可能的。特别地，除了在此阐述的那些之外，还可以提供进一步的特征和/或变化。例如，上述实施方式可涉及所公开特征的各种组合和子组合和/或上述若干进一步特征的组合和子组合。此外，在附图中描绘的和/或在此描述的逻辑流程不一定需要所示的特定顺序或顺序来实现期望的结果。

附图说明

被并入本说明书并构成本说明书的一部分的附图示出了本文公开的主题的特定方面，并且与本说明书一起，帮助说明与所公开的实施方式相关联的原理中的一些。在显示或讨论USPL的所有情况下，应假设图纸中这些激光器的峰值输出功率为1kW或更大，并且它们的脉冲宽度为1纳秒或更小。附图中：

图1描绘了包括作为传输用光源的USPL源到远程光学接收终端的自由空间耦合的光学通信平台的示例；

图2描绘了包括作为传输用光源的USPL源到远程光学接收终端的光纤耦合的光学通信平台的示例；

图3描绘了包括USPL源到传输用外部调制器到远程光学接收终端的光纤耦合的光学通信平台的示例；

图4描绘了包括USPL源到外部调制器通过传输用光纤介质到远程光学接收终端的光纤耦合的光学通信平台的示例；

图5描绘了发送元件和或接收元件的示例，其可以具有来自双曲面镜制造技术或常规牛顿设计的类型；

图6描绘了被标识并且用来提高用于传输到远程光学接收终端的增强光学发送激励功率的光纤放大器元件的示例；

图7描绘了在用于传输到远程光学接收终端的点对点配置中被光纤耦合到传输用外部调制器的USPL激光装置的示例；

图8描绘了在点到多点配置中被光纤耦合到传输用外部调制器的USPL激光装置的示例；

图9描绘了作为跟踪和对准(瞄准)信标源的USPL源的使用的示例；

图10描绘了偏振复用到发送的光学信号上以提供偏振复用USP-FSO(PM-USP-FSO)功能性的USPL激光源的示例；

图11A和图11B分别描绘了被用于在视线和非视线激光通信应用中使用的USPL-FSO收发机的示例；

图12描绘了通过与作为调查的主体的空气传播微粒交互而被反向散射的向前传播的光(包括来自数据信号的光)的示例；

图13描绘了作为光学系统接收技术以改进与当前主题的实施方式一致的检测灵敏度的USPL激光源的示例，USPL激光源以及光学接收技术用来改进检测灵敏度。

图14描绘了出于目标标识的目的作为测距仪和定点(spotting)设备在红外波长范围(可选地包括来自数据信号的光)利用和操作的USPL-FSO收发机的示例；

图15描绘了与当前主题的实施方式一致的USPL脉冲倍增器装置的示例；

图16描绘了用于生成与当前主题的实施方式一致的高脉冲速率USPL光学流的装置的另一示例；

图17描绘了用来从常规传输联网元件生成USPL RZ数据流的光学装置的另一示例；

图18描绘了实现用于生成10 x TDM型信号系统以给出100Gbps输出的USPL脉冲倍增器装置的示例；

图19描绘了用于扩展脉冲重复率以用于在高容量网络中使用的另一类型的USPL脉冲倍增器装置的示例；

图20描绘了用于扩展脉冲重复率以用于在高容量网络中使用的另一类型的USPL脉冲倍增器装置的示例；

图21描绘了采用反馈再生系统的有源锁模线性光纤激光器的示例：光纤反射器(FR)、波分复用器(WDM)、掺饵光纤(EDF)、光学耦合器(OC)、光电检测器(PD)、锁相环(PLL)以及马赫-曾德调制器(MZM)；

图22和图23描绘了使用碳纳米管可饱和吸收器的无源锁模线性光纤激光器的示例：光纤反射器(FR)、波分复用器(WDM)、掺饵光纤(EDF)、光学耦合器(OC)以及可饱和吸收器(SA)；

图24描绘了时延稳定化机构的示例：光学耦合器(OCin,OCout)、光电检测器(PDin,PDout)、高通滤波器(HPF)、低通滤波器(LPF)、锁相环(PLL)、相位比较器(PC)、分频器(1/N)、时钟-数据恢复系统(CDR)、压电执行器(PZ1..PZN)、求和运算放大器，以用于使从USPL源产生的光学脉冲对脉冲关系稳定；

图25A和图25B分别包括涉及利用理想化PZ执行器来使TDM源的输出频率稳定的控制机构的示例的示意图和图表；

图26描绘了时间域复用(TDM)的示例，其中TDM使用具有待相对于彼此“一致的”延迟通道的并行时延通道对脉冲串进行复用(因为输出复用的脉冲串的频率理想地尽可能对环境改变不敏感，所以反馈环路控制系统能够针对损害输出重复率的稳定性的任何波动来校正延迟单元，并且能够通过到神经网络的互连提供反馈)；

图27描绘了连同用于控制单独的MFC电路的压电换能器一起使用基于光纤的准直器的示例；

图28描绘了TDM芯片利用倍增器光子芯片从USPL调制源提供太比特/秒(或更快)的定时的示例；

图29描绘了TDM芯片利用在WDM配置中操作的倍增器光子芯片从USPL调制源提供太比特/秒(或更快)的定时的示例；

图30描绘了计算机辅助系统的构造的示例，其能够使用同步自再生机制随着腔的重复率的同时稳定化而控制使用递归线性偏振调节的全光纤锁模的激光器的脉冲宽度并且还能够提供重复率和脉冲宽度的可调谐性；

图31通过脉冲倍增技术描绘了修改的脉冲交织方案的示例，其中良好表征的、良好锁模的激光器的较低重复率脉冲串能够被耦合到集成光学定向耦合器中，其中脉冲的良好确定的一小部分在具有在输出脉冲串中等于所期望的脉冲间间隔的光学延迟的光学环路中被分接并且“重新循环”，并且被重新耦合到定向耦合器的输出端；

图32是例示了与当前主题的实施方式一致的方法的特征的处理流程图；

图33是例示了与当前主题的实施方式一致的方法的特征的另一处理流程图；以及

图34是例示了与当前主题的实施方式一致的方法的特征的另一处理流程图。

具体实施方式

图1例示了用于使用被作为传输用光源自由空间耦合的USPL装置的与当前主题的实施方式一致的光学通信平台100的示例。如图1所示，USPL源102由外部源元件104直接地调制。来自USPL源102的光学功率能够可选地通过光学望远镜来跨越自由空间110耦合到发送元件106。发送元件106能够可选地包括由双曲面镜制造技术、常规牛顿设计等所形成的光学组件。在接收机系统处的互换接收望远镜能够提供光学接收。与当前主题的实施方式一致，各个光学传输平台能够被设计成作为双向单元。换句话说，光学通信平台100的发送元件106还能够当作接收元件。一般而言，除非另外显式地陈述，否则如所描述的发送元件106能够当作接收元件并且反之亦然。执行发送功能和接收功能两者的光学元件能够在本文中被称为光学收发机。

图2例示了包括图1的光学通信平台100的与当前主题的实施方式一致的光学通信系统200的示例。同样在图2中示出的是第二互补接收元件204，其可以是位于与发送元件106相距遥远距离处的接收望远镜。如上面所指出的，发送元件106和接收元件204两者都可以是双向的，并且各自能够取决于在光学通信系统200中的数据传输的即时方向而当作发送元件106和接收元件204两者。除非另外显式地陈述，否则这个特征在本公开内容中自始至终适用于发送元件和接收元件。发送元件106和接收元件204中的任何一个或两者可以是望远镜或用于发送和接收光学信息的其它装置。

图3例示了用于使用通过光纤介质304光纤耦合到外部调制器302并且通过附加的传输介质306连接到发送元件106的USPL源102的与当前主题的实施方式一致的光学通信平台300的示例，所述附加的传输介质306可选地可以是光纤介质、自由空间连接等。USPL源102能够由外部调制器302外部地调制，使得来自USPL源102的光学功率被光纤耦合到发送元件106或者经由等效光学望远镜处理。

图4例示了包括图3的光学通信平台300的与当前主题的实施方式一致的光学通信系统400的示例。同样在图4中示出的是第二互补接收望远镜204，其如同以上关于图2所指出的那样，可以是位于与发送元件106相距遥远距离处的接收望远镜。

图5例示了与当前主题的实施方式一致的光学通信架构500的示例。图5的架构500包括图4的元件，并且还包括连接到第一光学通信平台300的第一通信网络502。接收元件204是第二光学通信平台504的一部分，所述第二光学通信平台504能够可选地包括类似于第一光学通信平台300的那些组件的组件。第二通信网络506能够被连接到第二光学通信平台504，使得数据在发送元件106与接收元件204之间以光学方式发送，或者在第一通信网络502与第二通信网络506之间传递，所述第一通信网络502与第二通信网络506能够各自包括光学和电联网特征中的一个或更多个。

图6例示了与当前主题的实施方式一致的光学通信系统600的示例。作为光学通信平台602的一部分，USPL源102例如通过光纤202或其它传输介质被光纤耦合到外部调制器302。来自USPL源102的光经由发送元件106以如上面所讨论的类似方式传播。光学放大器元件604(其可选地可以是光纤放大器元件)能够被用来提高光学发送激励功率，并且能够可选地被布置在外部调制器302与发送元件106之间并且经由附加的传输介质306连接到一个或两者，所述附加的传输介质306可选地可以是光纤介质、自由空间连接等。同样在图6中示出的是位于与光学通信平台602相距遥远距离处的第二互补接收元件206。应当容易地理解，包括接收元件204的第二光学通信平台504还能够包括光学放大器元件604。第一通信网络502和第二通信网络506能够分别连接到两个光学通信平台602、504。

图7例示了与当前主题的实施方式一致的光学通信系统700的示例。图6所示的光学通信平台602能够与第二光学通信平台702通信，所述第二光学通信平台702能够在这个实施方式中包括接收元件204和光学前置放大器704。与光学通信平台602所示的那些类似的其它组件还能够被包括在第二光学通信平台702中，但是它们在图7中未被示出。应当理解，双向光学通信平台能够包括用于放大接收光学信号的光学前置放大器704和用于加强发送光学信号的光学放大器元件604两者。与图7中描绘的实施方式和当前主题的其它实施方式一致，例如使用掺铒光纤放大器(EDFA)、高功率掺铒-镱光纤放大器(Er/Yb-DFA)或同等物，光学放大(例如，针对光学放大器元件604或光学前置放大器704中的任何一个或两个)被包括以用于提高用于发送元件106与接收元件204之间的数据链路的光学预算(并且反之亦然)，所述等同物能够包括但不限于半导体光学放大器(SOA)。

图8例示了与当前主题的实施方式一致的光学通信系统800的示例。图6所示的光学通信平台602能够与第二光学通信平台802通信，所述第二光学通信平台802能够在这个实施方式中包括接收元件204和与图7所示的那些类似的光学前置放大器704。如图8所示，第二光学通信平台802能够进一步包括光学接收机电路804，光学接收机电路804能够接收在接收元件204处接收到的并且由光学前置放大器放大的经放大的且以电力方式恢复的数据。多个时钟源806能够根据需要用多个通信网络810对接到多个远程多点网络连接。以类似的方式，能够与光学通信平台602(例如，代替图8中的单个描绘的通信网络502)相结合地操作互补的一组时钟源和多个通信网络。

图9例示了与当前主题的实施方式一致的光学通信系统900的示例。光学通信平台902(其能够以与参照图6在本文中首先讨论的光学通信平台602中的那些类似的元件为特征)还能够包括作为跟踪和对准(瞄准)信标源的附加的USPL源904。第二光学通信平台906还能够包括当作跟踪和对准(瞄准)信标源的附加的USPL源910。跟踪和对准(瞄准)信标源904、910能够可选地源自在数据输送传输中使用的可用通信源，或者能够由单独的专用USPL源提供。此外，各个USPL信标源904、910能够包括带内源或带外源，从而允许可用的光学放大源的或来自专用光学放大资源的优点。

图10例示了包括双偏振USPL-FSO光学数据链路平台1001的FSO通信系统1000的示例，在所述双偏振USPL-FSO光学数据链路平台1001中USPL源被偏振复用到发送光学信号上以从而提供偏振复用的USP-FSO(PM-USP-FSO)功能性。两个USPL源102和1002被分别光纤耦合到直接地调制的或外部地调制的调制组件1004、1006。各个相应的调制信号可选地由光学放大器组件1010、1012放大，后面是使用偏振组件1014、1016的光学偏振态的调节。偏振态信号被光纤耦合到偏振相关复用器(PDM)组件1020以用于对接到光学激励平台组件1022，其能够与上面所讨论的发送元件106类似。PDM 1020将不同偏振态的光复用到单脉冲串中以用于经由光学激励平台组件1022传输。USPL光学信标904能够被包括来提供与以上参照图9讨论的那些类似的能力，例如以在接收平台1024处沿着第二USPL光学信标906或与第二USPL光学信标906相结合地操作，所述接收平台1024能够包括与上面所描述的那些类似的接收元件204。如先前所指出的，接收平台1024的接收元件204以及其它特征和组件通常能够支持传输功能使得双向链路被建立。由接收元件204所恢复的接收信号能够提供被对接到能够提供两个信号以用于使用放大元件1030、1032的进一步光学放大的适当的偏振相关解复用器1026的光学信号。如由放大元件1030、1032所提供的各个光学放大信号能够被对接到适当的光学网络1034、1036以用于网络使用。

图11A示出了USPL-FSO收发机能够被利用用于在视线光学通信(例如“激光通信”)应用中使用的系统100的示例，并且图11B示出了USPL-FSO收发机能够被利用用于在非视线激光通信应用中使用的系统1150的示例。由于从发送元件发送的光学信号随着已发送光通过大气的散射能够实现当前主题的一些实施方式的优点。该散射能够许可非视线通信的使用。此外，在这样的通信系统中使用的无线电设备能够在UV-C带的日盲部分中操作，其中光在200nm至280nm的波长下发射。在这个带中，当太阳辐射通过环境传播时，它被地球的大气强烈地衰减。这意味着，当它更接近于地面时，背景噪声辐射量显著下降，并且低功率通信链路操作是可能的。另一方面，诸如氧、臭氧以及水的环境元素能够削弱或者中断通信广播，从而限制短程应用的使用。

当UV波传遍大气时，它们典型地被强烈地散射到各种信号路径中。信号散射对于在非视线条件下进行操作的UV系统而言是必要的，并且通信性能能够高度地取决于传输光束瞄准和接收机的视场。如图11A所示的视线布置1100能够在带宽大小方面与如图11B所示的非视线布置1150不同。紫外线通信能够更强烈地依赖于发射机的光束位置和接收机的视场。结果，瞄准顶角例如通过用互补设备做实验以增强UV-C信号的改善可能是有利的。

图12例示了远程感测系统1200的示例，其中USPL源102被光纤组件202光纤耦合到能够发送和接收光学信号的光学激励元件1202。通过光学激励元件1202向前传播的光(包括来自数据信号的光)中的一些通过与作为调查的主体的空中传播微粒相互作用而反向散射。光学反向散射信号通过光学激励元件1202或类似的接收孔径被检测到并且通过图12中的检测电路1204或类似物传递以得到检测和光谱分析。微粒在进行调查的目标大气区1206内的符号差能够通过常规方法例如使用基于紫外线光谱学、红外线光谱学、拉曼(Raman)光谱学等中的一个或更多个的预定光谱校准测量来校准。与这个实施方式一致，光学系统能够被操作为LiDAR仪器从而使用在感兴趣光谱范围上操作的USPL激光源来提供增强的分辨率和检测灵敏度性能。光谱范围的可调性能够帮助评估和分析大气中的化学组分。

USPL-FSO收发机能够被利用用于远程感测和检测以得到使用电离或非电离检测技术、利用通过双曲面镜制造技术或将接收信号聚焦在一个理想点处的常规牛顿设计所制造的光学传输终端的空中传播元件的符号差。并且特定改变能够与远程区的电离探测包括可控电离有关，所述可控电离已被示出在这些频率和电离处理处发生，所述电离处理能够被集中在远处以调节尤其在天气和云中的大气穿透的深度。

图13例示了使用USPL源以及光学接收技术来改进检测灵敏度的示例。在美国国家标准和技术研究所(NIST)的研究者已建立能够精确地找到在多达100km的距离下具有纳米精度的多个物体的激光测距系统。LIDAR(光检测和测距)系统能够具有从世界上的精密制造到使卫星的网络维持在完美阵式中的应用(自然光子学DOI：10.1038/NPHOTON.2009.94)。NIST装置使用两个相干宽带光纤-激光器频率梳。频率梳梳出一系列稳定的短脉冲，其同样包含跨越脉冲串扩展的高度相干载波。这意味着频率梳能够被采用来同时进行干涉测量以及飞行时间测量，从而对于专用情形增强分析能力。

在图13所示的布置中，两个锁相的频率梳1301和1302被用于也称为多外差的相干线性光学采样配置中，意味着一个频率梳测量两个距离路径，同时另一个频率梳提供鉴于第一梳所编码的距离信息。来自一个频率梳1301的脉冲能够开始离开光纤并且导向两个玻璃板、基准1303以及目标1304。板1303和1304能够反射从光纤返回的脉冲的特定小部分(例如大约4％)，从而有效地创建两个新的脉冲。两个脉冲1301之间的时间分离能够给出可移动目标板与基准板之间的距离。第二频率梳1302随着第一频率梳紧密地锁相，但是具有稍微不同的重复率。由于在光源干涉时在连续脉冲之间的不同延迟，第二频率梳能够对来自第一梳的电场的光的稍微不同的部分进行采样。

使用参照图13所描述的技术能够使两个相干宽带光纤-激光源与在概述了各自具有光纤耦合到专用自由空间光学望远镜设计的USPL源的配置的范围内所使用的两个适当的USPL源的替换变得可能。通过这样做，能够基本上改进总体效率、光学测距以及准确度。

当前可用的USPL光学脉冲串以USPL激光源的本机脉冲重复率操作并且典型地限于50MHz或更小，从而胜过用于光学传输的最大数据速率。结果，利用USPL激光源的光学系统受限于50MHz或更小的低数据速率应用。具有提高USPL操作速率的手段对于为超过50MHz的数据传输提供解决方案是必要的。

图14例示了远程感测系统1400的示例，其中USPL源102被光纤组建202光纤耦合到能够发送和接收光学信号的光学激励元件1202。通过光学激励元件1202向前传播的光(包括来自数据信号的光)通过与已知和未知为在大气区1206内调查的主体的目标相互作用而反向散射。光学反向散射信号(包括来自数据信号的光)通过光学激励元件1202或类似的接收孔径而被检测到并且通过图14中的检测电路和光谱分析元件1402传递以得到检测分析。例如在能够执行测距分析情况下，能够校准在调查中的区1206内微粒的符号差。如在图14中一样的系统1400能够包括出于目标标识和询问应用的目的作为测距仪和定点设备跨越红外波长范围利用和操作的USPL-FSO收发机。

图15例示了能够提高来自USPL源102的输出的重复率的光学脉冲倍增器模块1500。具有10-100飞秒的脉冲宽度的典型USPL具有例如50MHz的重复率。来自USPL102的输出能够作为输入1502被馈送到USPL光子芯片脉冲倍增器模块1504中。在这个示例中，光子芯片能够包含将输入分成分立光元件的20,000:1分路器元件1506。在分路器元件1506的相对侧的各个光元件包含50MHz脉冲串。各个光元件然后通过延迟控制器(光纤环路或透镜阵列)1510，其在时间上使用于该元件的脉冲串延迟了例如许多皮秒。连续光元件从而延迟了递增皮秒。具有它们的唯一时延的这些脉冲串中的全部都被以与利用20,000:1光学组合器元件1512的时分复用类似的方式组合成单脉冲串。能够控制所需要的分路器和组合器的比率以为所需要的应用提供必要的光学设计。最后输出1514是具有1THz的重复率的10-100个飞秒脉冲的脉冲串。这个THz脉冲串然后能够由诸如图28所示的10或100GigE信号调制，从而对于10GigE系统产生每位100个飞秒脉冲，并且对于100GigE系统产生每位10个飞秒脉冲。所引用的应用不限于10和100Gbps的特定数据速率，而是能够像由考虑中的应用所需要的那样操作。这些数字仅用于图示目的。当前主题的实施方式能够使用任何倍增器因子来经由光子芯片倍增器模块1504将USPL的重复率提高至任何任意的重复率。在这个提交内例示了在增强USPL重复率的生成中所使用的其它示例。

图16描绘了用于高脉冲速率USPL光学流的生成、传输以及接收的系统1600。能够在本申请中使用光学芯片复用模块1610，其能够例如与参照图15所讨论的光学芯片复用模块类似。在用来实现USPL脉冲倍增的这个方法中，由信号1601、1602、1603、1604(在图16中示出了四个信号，但是应当理解，任何数目在当前主题的范围内)所描述的一系列10GigE路由器连接(10GigE不旨在为限制性特征)被对接到光学芯片复用模块1610。在操作中，光学芯片复用模块1610能够支持全双工(Tx和Rx)以与10GiE路由器1601、1602、1603、1604连接。光学芯片复用模块1610能够通过从USPL源1690输出的USPL信号1685为进入光学信号1601、1602、1603、1604提供高效调制。光学芯片复用模块1610能够提供对这些进入光学信号进行调制和复用的能力。

在定位有接收装置的远程接收站点处，能够使用适当的接收机元件1665来恢复在发送装置处经由发送元件1660发送的所有信号。互补的一组光学芯片复用模块1675能够提供用于对如由元件所示出的接收数据流进行解复用以用于传递到一系列路由器1601’、1602’、1603’、1604’(再次，四个这样的路由器的描绘不旨在为限制性的)的必要能力。能够通过网络端点元件演示端到端网络连接性。

图17描绘了示例系统1700，其中光学芯片被互连到波分复用(WDM)系统，其当前可用的版本可能是非常昂贵的。WDM系统具有不需要如对10GigE(或其它速度)路由器1701所需的定时或同步的优点，因为各个10GigE信号在它自己的波长上独立于其它这样的信号运行。TDM光学芯片与10GigE路由器的定时或同步在TDM光学芯片中可能是重要的。GbE交换机1701能够从交换机1701提供必要的电RF信号1705以要么直接地要么通过使用在本文献内先前详述的USPL脉冲倍增器模块来对USPL源1702进行调制。典型的NRZ输出1710能够被耦合到外部调制器1720中，所述NRZ输出1710能够对于交换机1701使用NRZ时钟源来调制，从而产生RZ调制的光谱1730。使用容易地可用的设备的转换处理能够提供用于将USPL源和它们的有益效果引入到陆地回程网络光谱中的能力。

为了让光学芯片系统成功地桥接在两个远程10GigE交换机之间，它必须典型地表现得像简单的一件光纤。TDM芯片的定时因此能够由10GigE交换机1701驱动。有源锁模的USPL(即40GHz，1皮秒脉冲宽度)和无源锁模的USPL(即50MHz，100飞秒脉冲宽度)两者都能够由RF定时信号驱动。

图18例示了能够支持渐进到高脉冲重复数据速率操作(诸如以得到能够使用光纤或自由空间光学器件来执行光学芯片设计的极其高数据速率操作)的另一方法的装置1800。50MHz USPL源1801被对接到一系列光学延迟控制器元件1802，其能够使用光纤环路或偏移透镜来设计，以导致确切地产生10.313Gbps RZ输出流，其是10GigE线速率(因为64B/66B编码大于10Gbps)。分路器元件1803连同可变光学延迟线1804一起提供进入光学信号串1801到(在这个示例中)206个路径中的分束功能性。在通过设计引入足够的延迟之后，所有信号通过组合器元件1805而被复用在一起。在这样做时，各自相同的并且在相邻脉冲之间同等地隔开的一系列光学信号形成调制用脉冲的连续集。在进入E-O调制器元件1806之前，所有光学进入信号能够通过预加重技术例如使用典型的光学放大技术调节，以对于来自组合器元件1805的各个输出信号产生均匀功率光谱。经调节的输出信号然后被耦合到E-O调制器元件1806中并且用来自10GigE信号源元件1807的可用NRZ信号进行调制。10GigE调制输出1809能够对接到EDFA并且然后进入到FSO系统(或光纤系统)的TX。Rx侧(在检测器之后)能够被直接地馈送到10GigE交换机中作为调制和放大输出1810。

图19例示了能够被用于与当前主题的实施方式一致的USPL脉冲倍增的装置1900的另一示例。与这个方法一致，10 x TDM系统被配置成给出100Gbps输出。TDM解复用芯片可以是在通信链路的接收侧以分解单独的10GigE信号，并且能够包括如图19所示的设计的互换方法。

如在图18中一样，50MHz USPL源1801被对接到一系列光学延迟控制器元件1802，其能够使用光纤环路或偏移透镜来设计，以导致确切地产生10.313Gbps RZ输出流，其是10GigE线速率(因为64B/66B编码而大于10Gbps)。分路器元件1803连同可变光学延迟线1804一起提供进入光学信号串1801到(在这个示例中)206个路径中的分束功能性。在通过设计引入足够的延迟之后，所有信号通过组合器元件1805而被复用在一起。然而，代替如图18所示的单个调制器元件1806，来自组合器元件1805的10.313GHz RZ输出1901被馈送到第二分路器元件1910中，所述第二分路器元件1910在这种情况下可以是10x分路器，其将光学信号分裂到十个并行路径中。这个设计的其它实施方式能够支持如由设计所需要的各种分流比，从第二分路器元件1910出来的光学路径被个别地连接到规定的光学延迟线1920。各个单独的延迟路径被连接到用来自10x10GigE信号源元件1931的可用NRZ信号所调制的一组光学调制器1930的专用光学调制器，产生一系列调制光学信号1935。所标识的光学组合器1940提供单光学脉冲串1950。在单光学脉冲串1950中的该系列光学脉冲能够被对接到适当的光学放大器以得到期望的光学调节以用于网络使用。

图20例示了能够被用于与当前主题的实施方式一致的USPL脉冲倍增的装置2000的另一示例。如所描绘的装置2000能够通过低重复率通道内脉冲的调制为网络应用实现高USPL脉冲重复数据速率的能力。通过在延迟控制器上施加各个通道的直接调制，能够有利地实现不受来自电子技术的当前速度限制所约束的调制方案的创建。当前主题的实施方式能够提供通过分别地以当前的标准电子调制速度(在图20的示例中以100x10GigE信号输入2001的速率)对单独的信道进行调制并且将通道时间复用到单频高重复率脉冲流中来提高系统的数据传输容量的机制。在这个方法中，受电光学调制器的速度(40Gbps)限制的当前标准能够被提高大约N个数量级，其中N是时间复用器的通道数。例如，其中各个通道振幅以当前标准数据速率调制的100通道TDM或许能够以多达4Tbs的速度提供数据速率。N能够由光学脉冲本身的宽度限制。在信息被承载1比特/脉冲的限制中，由1个比特所占据的时隙是脉冲本身的宽度(在那种意义上，RZ系统将收敛于NRZ)。例如，在本方案中，具有40GHz重复速率的40fs脉冲宽度激光器能够以25Tbps的最大速率承载信息。这个方法能够被用于40Gbps-通道调制方案(即每25ps 1个比特)中并且能够对应于单个传输中的N～625个通道的容量，其可以是适应25ps时间间隔的40fs时间间隔的数目。这个方法的有效优点是“光学上提高”另外有限的数据容量调制方案，同时仍然与现有数据速率有限的调制器对接。例如，基于马赫-曾德干涉仪的振幅调制器能够被容易地集成在TDM IC封装中，因为所需要的是将通道分支成两个单独的路径、在各路径中的一个中添加微相位调制器(非线性晶体)并且组合路径以得到干涉的能力。

图20包括耦合到多端口光学分路器元件2020的USPL源2010。所标识的光学端口的数目不必限于本文中所描述或所示出的那些。一系列光学延迟线2030在各个并行路径之间从多端口光学分路器元件2020提供需要的光学延迟，并且能够被定制用于特定应用。来自光学延迟线2030的光学延迟路径使用光学组合器元件2035一起合计。通过元件2040出现的结果得到的组合光学数据流表示由元件2010所标识的原始USPL源的脉冲重复率中的倍增增强。脉冲重复率中的进一步增强通过由进入信号2040被分成不限于由元件2041所标识的那些的一系列路径的光分路器所描述的元件2041的使用来实现。通过第二延迟控制器2045，光学延迟可以被引入到在如由第二组光学延迟路径2042所标识的装置内的各个路径。各个并行路径2042进而由调制元件2044用由信号输出2001所标识的可用RF信号源元件进行调制。光学组合器元件2050将所有进入信号集成到单个数据流2060上。

能够在描述成定制光学光谱以得到均匀或不对称光功率分布的元件的各个段内引入光学预加重和去加重技术。能够使用诸如掺铒光学放大器(EDFA)的通常使用的光放大器来实现预加重与去加重。

图21描绘了包括锁模的USPL源2101的系统2100的示例，所述锁模的USPL源2101能够被用来为应用生成适当地需要的时钟和数据流。锁模激光器能够表示用于数字通信系统中的时钟的高性能、高精细源的选择。在这点上，锁模光纤激光器-在线性配置或环形配置中-能够做出有吸引力的选择候选，因为它们能够在USPL源区上实现脉冲带宽以及和GHz一样高的重复率。除此之外，仅举几个例子，光纤提供紧密性、低成本、对热噪声的低灵敏度、低抖动、无与衍射或空气灰尘污染相关联的问题。在通信场景中，脉冲宽度能够确定系统的可用带宽，并且重复率限制数据速率。脉冲宽度能够由激光器腔的内在特性-即总体群速色散(GVD)的平衡和可饱和吸收器的选择(在无源系统的情况下)-或有源元件的带宽(在有源锁模系统的情况下)确定。脉冲串的重复率受光纤的长度约束。例如，在线性激光器中，激光器的基模ν_osc能够被表达为：

其中c是光在真空中的速度，n_g是平均群索引，以及L是腔的长度。因此，具有1.47的平均群索引的10cm长光纤激光器腔元件2110将具有1GHz的重复率。在严格无源系统中，能够通过使用可饱和吸收器来实现锁模。在有源激光器中，振幅调制器元件2150能够被插入腔以提高激光器的重复率(谐波锁模)。为了使用锁模的USPL源实现高重复率，有可能使用(i)如图21所示的腔内振幅马赫-曾德调制器(MZM)2150和(ii)低阈值可饱和吸收器中的一个或更多个。对于空中、空间或海底应用中的陆地、海底或FSO系统，能够在基于光纤的站分布系统内或者在FSO系统内利用被称为“谐波锁模”的这些技术。

在图21内所详述的是耦合到光学WDM装置2105的980nm泵浦元件2102。掺铒光学放大器2110或等同物能够被用来创建非线性环境以在建立于在光学USPL腔的任一端的两个法拉第反射器2101和2160之间的封闭腔内获得锁模的脉冲串发射。装置的操作能够建立超过100Gbps并且在模块的输出端口2170处性质上高度地同步的自包含的一系列光学脉冲。为了实现高增益非线性介质能够特别设计EDFA2110。锁相环2130能够在操作中通过通过信号通过自包含的高重复率脉冲发生器的组件2120、2130、2150的调制来维持同步时钟源而提供有利的稳定性。

为了在受其尺寸(在线性激光器的情况下为长度以及在环形激光器的情况下为周长)限制的激光器中实现高重复率，可能有必要刺激基模的倍数的腔内生成。在有源情况下，插入腔的振幅调制器对作为“阈值门控”装置进行操作的系统的损耗进行调制。为了让这个方法成功，到调制器的控制信号为激光器本身的振荡提供参考以避免在激光器上“强迫”振荡的外部频率的驱动信号可能是必要的。这能够通过引入锁相环元件2130或同步振荡器电路来实现以跟踪并锁定到激光器的重复率上，并且再生该信号。在PLL的情况下，RF输出能够被设定为输入信号的倍数(和这个装置被用在手机技术中几乎一样)，并且激光器的重复率提高了。信号然后能够被用于脉冲发生器的触发，或者与低通滤波器相结合地使用。在激光器腔外面的MZ振幅调制器2150能够被用来对从锁模的激光器出来的脉冲串创建开关键控(OOK)调制。

图22示出了例示在控制信号NRZ信号2210由所例示的位序列构成情况下由于振幅调制器2205的存在而引入到输入脉冲串2201的损耗调制的效应的图形描绘2200。在装置2220的输出端处结果得到的信号表示用于在电信和科学应用中使用的NRZ至RZ转换器装置，其中应用可以受益于RZ数据流。时钟信号2201(光学输入)将以给定脉冲重复率通过调制器2205。同时，由1和0的序列构成的控制信号能够被施加到调制器元件2215的RF端口。当调制器元件2215在最小传输下被偏置时，在缺乏控制信号的情况下由光学信号所经历的损耗可以达到最大。在存在RF信号(1)的情况下，损耗将下降至最小(通门)，从而作为开关键控调制装置。输出光学信号的脉冲宽度典型地比由信息的单个比特所占据的时隙小得多(甚至小于NRZ方案的半个时钟周期)，从而像由元件2220所标识的那样使这个系统纯粹地成为RZ。

图23例示了用于使用可饱和吸收器(SA)装置2330生成具有高脉冲重复率的高次光学谐波USPL脉冲的示例系统2300。SA装置2330能够在一些示例中包括碳纳米管。使用碳纳米管SA(CNT-SA)的无源锁模的光纤激光器由于它们生成基本重复率的高次谐波的能力而为高重复率源做出有吸引力的选项。在所描述的方法中，建立了自包含光腔，其中两个法拉第反射器2301和2350形成该光腔。尽管在图23中示出了高功率掺铒光纤放大器(EDFA)2310，但是能够使用产生非线性光腔的任何反相介质。能够在生成高重复率光学串时使用种子激光器2315，诸如例如如图23所示的980nm泵浦激光器。特别地，可以根据所需要的光波长和脉冲重复率考虑任何适合的泵浦激光器。SA元件2330能够被放入腔内以根据需要通过设计要求来建立需要的光学脉冲特性2350。

图23示出了能够被用于当前主题的一个或更多个实施方式中的激光器的示例的简图。不像图22所示的有源激光器，在这里MZ调制器能够用SA元件2330代替。对于空中、空间或海底应用中的陆地、海底或FSO系统，能够在基于光纤的站分布系统内或在FSO系统内利用与本文所述的那些类似的技术。

图24例示了提供时域复用(TDM)的方法，其中TDM使用并行时延通道对脉冲串进行复用。在一些实例中，操纵延迟通道使得它们相对于彼此是“一致的”能够变得重要。输出复用脉冲串的频率能够理想地尽可能对环境改变不敏感。虽然如此，提出的反馈环路控制系统被设计为针对损害输出重复率的稳定性的任何波动来校正延迟单元。

图24示出了延迟控制系统2400的示例的图。能够以与当前主题一致的数个方式之一实现控制环路。出于图示目的图24描述了一种可能性。输入脉冲串进入TDM并且复用到N个路径中，各个路径具有它自己的延迟线。如果路径由低“弯曲损耗”光纤波导构成，则各个路径能够绕半径R的圆柱压电执行器(PZ)盘绕。作为控制电压(Vc)的结果执行器通常在径向方向上扩张。与Vc线性地成比例的这个扩张ΔR引起光纤的长度中的改变ΔL＝2πNΔR，其中N是绕PZ的光纤匝数。对于太赫兹(Terahertz)复用，脉冲之间的(以及因此PZ1的)延迟必须是1皮秒。这能够需要长度改变等于200微米，其对于一匝PZ执行器对应于ΔR＝32.5微米。大多数在商业上可获得的压电执行器是高度线性的并且在这个范围内操作良好。控制机制因此能够基于数个PZ执行器，各自具有与第一延迟的倍数即(32、64、96微米等)相对应的匝数，并且受单个电压Vc控制。控制电压由反馈系统确定，该反馈系统使用相位比较器(PC)将使用1/N分配器的输出信号的频率与输入信号的频率相比较。“慢”输入光学信号(由图24中具有τRT的波形表示)的频率使用光电检测器PDin被转换成RF信号。为了减少电子抖动的效应，“微分器”(或高通滤波器)能够被施加到RF信号以便使脉冲的前沿变陡峭。锁相环被用来跟踪并锁定信号，并且用来将它再生成50％占空比波形。同样地，在输出侧中，光学信号被光电检测器PDout拾取，进行高通滤波，并且使用时钟和数据恢复系统的时钟输出端口再生。具有输入信号的频率N倍的频率的输出信号的时钟在转向相位比较器之前被发送至N倍分频器。从相位比较器，表示输入信号与输出信号之间的失配的DC电压电平(和在PLL电路的架构中使用的几乎一样)指示针对执行器的校正的方向。低通滤波器将时间常数添加到系统以增强它对寄生噪声的不灵敏性。

与PLL相反，CDR能够有利地被用于输出中，使得输出信号可以或者可以不被调制。这个系统能够被设计成在未调制的和“TDM内调制的”(即在各个延迟路径处一个调制器)方案两者中工作。然而，这是补偿延迟线的长度上的变化的完全确定性方法。理想地，并且在实用观点内，延迟路径应该全部为相同的“热能级”提供参考即同时地对相同的热改变敏感。如果各个线感测到不同的变化，这个系统将不能够实时地校正那个。

在替代方案中，完全确定性方法能够包括运算放大器电路(S1...SN)的求和以向执行器传递控制电压。使用这样的方法，输入电压(V1至VN)能够被用来在完全静态意义上补偿线之间的长度偏差，否则它们能够被用于对系统的初始精细调节。该方法典型地还必须补偿或者至少考虑所用光纤的任何弯曲损耗要求。在市场上刚出来的一些新的光纤可以具有仅几个毫米的临界半径。

如果各个路径延迟线在温度方面感测到不同的变化并且经历由于寄生局部噪声而导致的不相关长度改变，先前描述的方法照原样可以在执行实时校正时遭受困难。能够使用与当前主题的一些实施方式一致的在完全统计意义上进行操作的更鲁棒方法。在这样的方法中，求和运算放大器电路(S1...SN)能够被用来向执行器传递控制电压。在这种情况下，输入电压(V1至VN)能够被用来在完全统计意义上补偿延迟线之间的长度偏差，否则它们仅能够用于对系统的初始精细调节(校准)。

再次参照图24，标识为元件2401的进入USPL源被耦合到光学耦合器元件2403，使得耦合器的一个支线连接到为以2401的操作数据速率操作而选择的光学光电二极管。使用由元件2404、2405以及2406所描述的标准电子滤波技术，进入USPL信号的电方波表示由元件2407来提取和标识。耦合器2403的第二光学支线被对接到由2410所标识的适当的光学分路器元件中，其中进入到2410的进入信号被分裂到206个并行光路中。同样例示的是为分束器元件2410的并行支路中的每一个并行地建立的可变速率光延迟线。并行压电电元件由元件242N标识，并且通过该图内的反馈电路用电子学方法控制。由Vc所标识的控制电压通过光电二极管2485连同电子电路元件2480和2475来生成。时钟和数据恢复(CDR)元件2475产生在控制各个PZ元件时所使用的时钟源。在适当的延迟被引入到元件2410的各个支线中之后标识为244N的光路被组合。从而生成了脉冲倍增的USPL信号2490。

图25A示出了光纤PZ执行器2500的简图，并且图25B示出了用于这样的执行器的半径对电压的图表2590。同时，这些图例示了用于通过引发的光学延迟来提高进入USPL脉冲串的脉冲重复率的PZ执行器的操作。尽管被示出用作为用于针对USPL信号增强脉冲重复率生成的元件，但是相同的技术能够被用于需要或者受益于光学延迟的其它光学装置。用于该装置的基本结构是基于光纤的PZ执行器2501。当电压2550被施加于电极2520时，电压引发的应力在光纤内产生，引起通过光纤而行进的光学信号的时延。通过变化施加的电压，像在图25B的图表2590所示的那样获得了光学延迟对施加的电压的性能曲线。

图26示出了例示示例统计校正器2600的特征的图。图26所示的粗校正控制器2640对应于在先前部分中所描述的系统，其能够校正由所有延迟线同时地拾取的长度变化。如所提到的，这些变化预期以比“延迟线内”寄生变化慢得多的时间标度发生。这个后期效应能够将它本身显现为在系统上所引入的周期到周期抖动。这种类型的抖动能够使用RF光谱分析器(RFA)监测，使系统的重复率线显示“边线”(或边带)，其是分析器拍频以及由连续脉冲之间的非均匀时间间隔产生的噪声频率的结果。一个这样的模式能够使用模拟至数字转换器(ADC)处理并且保存为值的阵列，所述值然后能够被馈送给神经网络(NN)机器。神经网络机器已知为拥有极好的适应性特性，其允许它们大体上通过适于输入和输出的新的集合从外部事件学习模式。一组输入在这种情况下能够由一组“不完美的观测结果”，即，如由RFA所检测到的并且由ADC转换为数字阵列({f₁,f₂,…,f_N}，其中f_i是由RFA所拾取的频率分量)的TDM系统的“有噪声的”输出生成。一组输出能够由从不期望的过度频率噪声摆脱输出频率集所需要的校正({V₁,V₂,…,V_N}，其中V_i是求和运算放大器的补偿输入电压)生成，所述过度频率噪声是由于系统的外部扰动而导致的。采用足够大量的{f,V}对，其中f、V是频率、电压数组，能够构建统计集以对NN机器进行训练来学习与通道内噪声的存在相关联的基本模式。这些机器能够在商业上以IC格式从数个制造商找到，或者被实现为软件并且与计算机反馈控制机制相结合地使用。单层感知器型神经网络或ADALINE(自适应线性神经元或后自适应线性元件)应该足以实现任务。

与以上关于图24所提供的描述类似，统计校正器元件2670能够包括与图24的电路元件2480和2475以及光电二极管2485类似的或者提供与图24的电路元件2480和2475以及光电二极管2485类似的功能性的电子电路。对于图26中所例示的方法，RF光谱分析器2695以及神经网络2670和粗校正控制器元件2640被用来执行引入到并行的一系列PZ元件262N中的光学延迟的要求。

图27例示了与当前主题的实施方式一致的方法的构思和能力，在所述方法中能够通过由元件2795和272N所标识的压电圆盘(PZ)模块的替换来改进性能、准确度以及分辨率，其中由陶瓷圆盘所围绕的基于紧凑微光纤的准直器(MFC)2795被用来获得光学延迟线。尽管例示了用于针对USPL脉冲串提高本机脉冲重复率的技术，但是所例示的设计不限于这样的应用，而是能够每当光学延迟是需要的时被应用或者扩展到光学扇区内的其它需要。在这样做时，能够在电路的各个MFC元件内引入更多受控数量的时间延迟。通过利用MFC元件的使用的改进能够改进在批量生产装置中以需要电压响应的快速方式再现的响应、分辨率以及实现。在图27内所标识的构思能够被并入精密地生产的元件，其能够用作互补配对单元以用于在减少USPL脉冲对脉冲抖动时使用以及以用于数据加密需要的目的。

进一步参照图27，具有特定脉冲重复率的USPL源2701被分成预选数目的如由分束器元件2705所标识的光路271N(其能够编号不同于206)。适当地控制的延迟273N使用由2795和272N所描述的元件而被引入到分裂光路271N的各个并行支线中。结果得到的延迟路径274N通过光学组合器元件2760加在一起。得到脉冲倍增的USPL信号2780。

其中光纤“缠绕”压电执行器的一些先前可用的TDM设计的一个潜在缺点是该机制必须遵照所用光纤的弯曲损耗要求。在市场上刚出来的一些新的光纤具有仅几个毫米的临界半径。为了校正这个问题，当前主题的实施方式能够使用微机械气隙U型托架代替缠绕光纤的圆柱钻孔。图27例示了这个原理。在这个方法中，压电执行器(PZ1,…PZN)能够用使用微光纤准直器(MFC)所构造的气隙U型托架结构和由压电材料制成的微环代替。然而，在这种情况下，压电执行器响应于控制电压(V1,V2,…VN)而纵向地扩张，从而增加(或者减少)准直器之间的气隙距离。如在圆柱压电的情况下一样，单个电压Vc能够被用来驱动所有压电装置，只要各个通道的增益(G1,G2,…GN)被相应调节以为每条线提高正确的扩张即可。理想地，除了对系统的内在偏置(即运算放大器之间的固有差异)，增益调节应该如G1、2G1、3G1等一样，以便提供作为τRT/N的倍数的扩张。实现这样的方法的另一方式可以是在通道处使用多个压电环。以那种方式，一个人能够使具有1、2、3、N个压电环的通道通过相同的电压用在相同增益下的所有放大器驱动。

图28提供了用来成功地桥接在两个远程10GigE交换机之间的光学芯片系统2800的概念呈现。理想地，这样的连接能够与简单的一件光纤类似地执行。TDM芯片的定时能够由10GigE交换机驱动。

参照图28具有由2806所标识的预定本机脉冲重复率的USPL源2805连接到光学脉冲倍增器芯片2807。元件2807被设计成将进入脉冲重复率信号2806转换成用于对如由2801所标识的高速网络以太网交换机操作的适当电平。交换机2801提供用来通过标准压电光学调制器2820以感兴趣的数据速率对信号2809进行调制的基准信号2802。结果得到的RZ光学信号像在元件2840所示的那样生成。

具有从10GigE交换机运行的定时的替代方案在于用倍增器光子芯片构建到太拉/秒(或更快)的USPL，并且然后直接地从10GigE交换机对这个太拉/秒信号进行调制。各个比特将具有100左右个脉冲。这个方法的优点可以是对于待从交换机向USPL运行的单独定时信号的需要的消除。经由倍增器芯片的USPL仅不得不抽出太拉/秒脉冲。另一优点是倍增器芯片的输出不必确切地为10.313或103.12Gbps。它仅必须在约1太拉/秒的速率下。在各个10GigE比特具有100或101或99个脉冲情况下，这个限制不是问题。另一优点是各个比特将具有许多10USPL，所以10GigE信号将具有大气传播(雾和闪烁)优点。能够在接收机端实现另一优点。对于检测器来说应该更易于检测到比特，如果该比特在该单个比特内具有100左右个USPL脉冲的话。这能够导致改进的接收机灵敏度，并且因此对于FSO系统允许改进的范围。能够实现附加的优点，因为升级到100GigE可能和用100GigE交换机代替10GigE交换机一样简单。在这种情况下各个比特将具有大约10个脉冲。

从纯粹信号处理观点看，这个方法演示了发送组合在单个传输流中的数据和时钟的高效方式。更像比特使用光学脉冲流的“采样”一样，这个方法具有以下优点：比特“大小”由它承载的脉冲的最大数目确定，因此建立用于随着它们到达接收端而对比特进行计数的基础。换句话说，如果比特单元具有能够适合N个脉冲的时隙，则系统的时钟能够在每第5个之后作为“一个新的信息比特”被建立。

对于空中、空间或海底应用中的陆地、海底或FSO系统，能够在基于光纤的站分布系统内或者在FSO系统内利用与本文所述的那些类似的技术，并且首次例示了从USPL源到光学网络元件的互连如何针对联网应用被实现。

图29示出了例示用于在图28内所反映的设计构思的概念网络扩展的系统2900。作为多个USPL源2901、2902、2903(应该注意的是，虽然示出了三个，但是任何数目在当前主题的范围内)，各自通过专用光交换机调制并且在WDM布置中配置了USPL激光倍增器芯片。如参照图28所描述的，来自各个以太网交换机的电信号能够被用来针对各个光路对专用光学调制器2911、2922、2928进行调制。用于系统的每段的光学功率能够由用于放大目的的光学放大器元件2931、2932、2933提供。各个放大的USPL路径然后能够被对接到适当的光学组合器2940以用于传输到网络2950，并且根据需要可以是自由空间或基于光纤的。来自WDM模块的输出然后能够被配置到用于FSO传输的发送元件102或者到光纤站设备中。

对于空中、空间或海底应用中的陆地、海底或FSO系统，能够在基于光纤的站分布系统内或在FSO系统内利用本文所述的技术，并且首次例示了从USPL源到光学网络元件的互连如何针对联网应用被实现。

图30示出了针对当前主题的实施方式以包括计算机辅助系统的构造来使用同步自再生机制随着腔的重复率的同时稳定化而控制使用递归线性偏振调节的全光纤锁模的激光器的脉冲宽度的实验编排的简图。该设计还能够提供重复率和脉冲宽度的调谐能力。

光纤环形激光器由内部蓝色环路表示，其中除在环路外面的正性高色散光纤之外，所有腔内光纤支路用蓝色编码，所述环路是光纤光栅压缩器(用暗褐色编码)的一部分。外部环路表示反馈有源系统。

图30示出了系统3000的图，所述系统3000例示了通过镜(M1,M2)、光栅(G1,G2)、长度(L1,L2)、二次谐波发生器(SHG)、光电倍增管(PMT)、锁定放大器(LIA)、数据采集系统(DAC)、检测器(DET)、时钟提取机制(CLK)、频率至电压控制器(FVC)、高压驱动器(HVD)、基准信号(REF)、脉冲发生器(PGEN)、振幅调制器(AM)、隔离器(ISO)、压电执行器(PZT)、光学耦合器(OC)、偏振器(POL)以及偏振控制器(PC)来提供对脉冲宽度和脉冲重复率控制的控制的USPL模块的特征全部都用来提供对脉冲重复率和脉冲宽度控制的控制。

无源锁模机制能够基于非线性偏振旋转(NPR)，其能够被用于锁模的光纤激光器中。在这个机制中，弱双折射单模光纤(SMF)能够被用来在传播脉冲中创建成椭圆形偏振的光。随着脉冲沿着光纤行进，它经历非线性效应，其中发生强度相关偏振旋转。到脉冲到达偏振控制器(PC)3001的时候，脉冲的高强度部分的偏振态经历比较低强度脉冲更多的旋转。控制器能够执行使脉冲的高强度偏振分量旋转从而尽可能使其定向几乎与偏振器(POL)的轴对准的功能。因此，随着脉冲通过偏振器，其较低强度分量经历比高强度分量更多的衰减。从偏振器中出来的脉冲因此变窄，并且整个处理作为快速可饱和吸收器(FSA)。这个非线性效应与环路的群速色散(GVD)相结合地工作，并且，在许多往返之后，发生稳定性的饱和，并且实现了无源锁模。光学环路的总体GVD能够被定制成通过使用不同类型的光纤(诸如单模、色散位移、偏振维持等)并且累计它们对激光器的平均GVD的贡献在误差的余量内产生特定期望的脉冲宽度。

线性偏振旋转根据PC的有源控制能够大大地改进激光器的性能。这能够使用跟踪追捕脉冲宽度的进展的反馈系统来实现。由图1中外部环路所表示的这个系统能够被用来最大化压缩，并且因此，最大化脉冲的平均功率。通过OC从光纤环形激光器中出来的脉冲预期具有大约几个皮秒的宽度。使用光纤光栅压缩器的外部脉冲压缩方案被用来使脉冲变窄至不足100fsec范围。这个技术已被广泛地用于许多报告的试验中，导致高能量、高功率USPL脉冲。在这里，经变窄的脉冲集中于二次谐波发生器(SHG)晶体并且使用光电倍增管(PMT)检测。锁定放大器(LIA)将输出DC信号提供给数据采集卡(DAC)。这个信号通过跟踪脉冲的峰值功率中的增加或减少来跟随脉冲宽度的变化。类似的技术已在过去被成功地使用，除了在那种情况下，替代地使用了空间光调制器(SLM)。在这里，可编程伺服机构直接地使用PC上的执行器来控制线性偏振旋转。采用由DAC所提供的DC信号数据，决策软件(诸如但不限于LABVIEW或MATLAB SIMULINK)能够被开发来控制伺服机构，其进而调节输入脉冲的旋转相对于偏振器的轴的角度。由执行器所执行的这些调节使用应力引发的双折射来实现。例如，如果脉冲宽度减少，则机构将促使执行器跟随线性角旋转的特定方向以对此进行补偿，并且如果脉冲宽度增加，则它将在相反方向上动作，两者都针对最大化平均输出功率。

与光学振荡的重复率同步并且用作振幅调制器(AM)的驱动信号的自再生反馈系统能够调节激光器的往返时间。在有源系统中，振幅调制器通过与往返时间同步地对损耗进行调制而作为阈值门槛装置。这个技术已在最近的报告中能够成功地使锁模的激光器稳定。由光电检测器(DET)从光学耦合器(OC)所拾取的信号能够被用电子学方法锁定并且由诸如锁相环或同步振荡器的时钟提取机制(CLK)再生。经再生的信号触发脉冲发生器(PGen)，其然后被用来驱动调制器。在完美地同步的场景中，AM每当脉冲在各个往返时间(TRT)通过它时“打开”。因为CLK跟随TRT上的变化，所以AM的驱动信号将相应地变化。

外部基准信号(REF)能够被用来调谐腔的重复率。它能够使用混频器与从CLK恢复的信号相比较，并且输出被用来驱动压电(PZT)系统，其能够调节腔的长度。用来调节腔的长度的PZT系统的这样的使用是众所周知的构思，并且已经用实验方法成功地演示了类似设计。在这里可以校准线性频率至电压转换器(FVC)以将输入信号提供给PZT的高压驱动器(HVD)。PZT将调节腔的长度以和REF信号的重复率匹配。如果例如REF信号增加其频率，则FVC的输出将减少，并且所以HV驱动电平也将减少至压电圆筒，从而强迫它接触，并且因此提高激光器的重复率。当基准的重复率减少时发生相反情况。

有可能使用一对负色散光栅来使脉冲的宽度调谐为“变换有限的”值。这个啁啾脉冲压缩技术被很好地建立，并且一直有和6fs一样窄的脉冲压缩的报告。构思将使光栅对脉冲压缩器安装在沿着设定光栅之间的分离的线平移的移动台上。随着距离改变，压缩因子也改变。

在与当前主题的实施方式一致的数据调制方案的示例中，无源锁模的激光器能够被用作超快脉冲的源，这限制我们改变数据调制速率的灵活性。为了按比例放大我们的系统的数据速率，我们需要提高我们的脉冲源的基础重复率。传统上，无源锁模的激光器的重复率已通过要么缩短激光器腔长度要么通过激光器的谐波锁模而提高了。两个技术使腔内脉冲峰值功率减少，导致更长的脉冲宽度和更不稳定的锁模。

解决这个问题的一个方法涉及通过我们称作脉冲倍增的技术来使用修改的脉冲交织方案。图31例示了这个构思。良好表征的、良好锁模的激光器3101的较低重复率脉冲串被耦合到集成光定向耦合器3180中，其中脉冲的良好确定的小部分在光学延迟3150在输出脉冲串中等于所期望的脉冲间间隔的光学环路中被分接和“重新循环”，并且重新耦合到定向耦合器的输出端。例如，为了从10MHz脉冲串生成1GHz脉冲串，1ns的光学延迟是需要的，并且为了使得脉冲串中的第100个脉冲能够与来自10MHz源的输入脉冲重合，可能不得不精确地控制光学延迟。光学延迟环路包括用来补偿信号衰减的光学增益3120、用来恢复脉冲宽度和激活光学延迟控制3150的色散补偿3160。在已发生脉冲倍增后，输出脉冲串被与数据流3182一起OOK调制3175以生成RZ信号3190，并且在掺饵光纤放大器3185中放大以带来多达与输出脉冲串的电平相同的电平(或者多达所期望的输出脉冲能量水平)的脉冲能量。

本文所述的特征中的一个或更多个(无论单独或相结合地进行)能够被包括在当前主题的各种方面或实施方式中。例如，在一些方面，光学无线通信系统能够包括至少一个USPL激光源，其能够可选地包括皮秒、纳秒、飞秒以及阿托秒型激光源中的一个或更多个。光学无线通信系统能够包括能够被光纤耦合或者自由空间耦合到光学传输系统的USPL源，能够对于点到多点通信系统架构使用一个或更多个调制技术来调制，和/或能够利用通过双曲线镜制造技术、常规牛顿镜制造技术、或在功能上等效的或类似的其它技术中的一个或更多个所制造的光学传输终端或望远镜。非球面光学设计还能够或者另选地被用来最小化、降低接收光学信号的遮蔽。

与当前主题的实施方式一致的自由空间光学传输系统能够利用将接收信号聚焦在一个理想点处的USPL激光器设计。在一些实施方式中，用于聚焦和传递光的一个望远镜或其它光学元件能够被认为是发送元件并且与第一望远镜或其它光学元件远程地定位的用于聚焦和接收光的第二望远镜或其它光学元件能够当作接收元件以创建光学数据链路。两个光学通信平台能够可选地包括提供发送和接收功能两者所必需的组件，并且能够被称为USPL光学收发机。用于聚焦和传递光的望远镜或其它光学元件中的任何一个或两者能够通过经由光线或者通过耦合到发送元件的自由空间耦合到发送USPL源。用于聚焦和接收光的望远镜或其它光学元件中的任何一个或两者能够通过光纤或自由空间耦合到光接收机耦合到接收端点。包括一个或更多个USPL源的自由空间(FSO)无线通信系统能够用于以下各项：在光学通信网络的框架内、与光纤回程网络相结合地(并且能够被透明地用在光学通信网络内)、在光学通信网络内(并且能够在1550nm光学通信带内使用开关键控(OOK)非归零(NRZ)和归零(RZ)调制技术调制)、在光学通信网络内(并且能够使用微分相移键控(DPSK)调制技术调制)、在光学通信网络内(并且能够对于使用通常使用的自由空间光收发机终端的点对点通信系统架构使用通常使用的调制技术调制)、在利用D-TEK检测技术的光学通信网络内、在用于与掺铒光纤放大器(EDFA)以及高功率掺铒-镱光纤放大器(Er/Yb-DFA)相结合地使用的通信网络内、在光学通信网络内(并且能够对于点对多点通信系统架构使用通常使用的调制技术调制)等。

USPL技术能够在一些方面被用作提供光学跟踪和光束转向以用于在自动跟踪能力中使用并且以用于在操作期间维持终端协同对准的信标源。在接收终端处所提取的经恢复的时钟和数据能够被用于多跳跨距以用于在扩展网络可及范围时使用。光学网络能够在WDM配置中提供有类似的有益效果，从而提高载波数据链路的有效光带宽的大小。USP激光源还能够或者另选地被偏振复用到已发送光学信号上以提供偏振复用USP-FSO(PM-USP-FSO)功能性。在接收终端处所提取的经恢复的时钟和数据能够被用于多跳跨距以用于在扩展网络可及范围时使用，并且能够包括操作的通用大带宽范围以用于提供数据速率不变操作。光学前置放大器或半导体光放大器(SOA)能够在光接收机元件之前使用，并且另选地或者与在接收终端处所提取的经恢复的时钟和数据相结合地，能够被用于多跳跨距以用于在扩展网络可及范围时使用，从而具有操作的通用大带宽范围以用于提供数据速率不变操作。能够在操作期间维持终端协同对准，使得在性能和终端协同对准方面的有效改进能够通过使用USPL技术、通过使用USPL数据源以及提供通过使用USPL激光器信标维持收发机对准的改进方法来实现。

能够在一些方面利用USPL-FSO收发机以用于使用电离或非电离检测技术执行远程感测和检测以得到机载元件的符号差、利用通过将接收信号聚焦在一个理想点处的双曲面镜制造技术或常规牛顿设计所制造的光传输终端。能够在非视线激光通信应用中利用与当前主题的实施方式一致的USPL-FSO收发机。与当前主题的实施方式一致的USPL-FSO收发机能够允许散射效应(使得能实现NLOS技术)发生所在的距离的调节，允许接收技术使用DTech检测方案来改进检测灵敏度，并且经由包括频率梳的宽带检测器允许改进的带宽。能够与用于执行进入光学波前校正(AO-USPL-FSO)的自适应光(AO)技术相结合地利用与当前主题的实施方式一致的USPL-FSO收发机。与当前主题的实施方式一致的USPL-FSO收发机能够被利用并且跨越红外波长范围操作。能够在单模光纤配置以及多模光纤配置两者中与光学分插技术和光学复用技术相结合地利用与当前主题的实施方式一致的USPL-FSO收发机。能够出于目标标识和询问应用的目的作为测距仪和定点设备跨越红外波长范围利用并且操作与当前主题的实施方式一致的USPL-FSO收发机。

在当前主题的其它方面，一系列交换网络连接(诸如例如10GigE、100GigE等连接)能够通过光纤或自由空间光学器件例如经由时分复用(TDM)从一个点连接到另一点。

与当前主题的实施方式一致的锁模的USPL源能够被用来生成时钟流和数据流两者。锁模的激光器能够表示用于数字通信系统中的时钟的高性能高精细源的选择。在这点上，锁模的光纤激光器-在线性配置或环配置中-能够做出有吸引力的选择候选，因为它们能够实现USPL源区的脉冲带宽以及和GHz一样高的重复率。

能够使用碳纳米管可饱和吸收器实现高次谐波生成。使用碳纳米管可饱和吸收器(CNT-SA)的无源锁模的光纤激光器由于它们容易地生成基本重复率的高次谐波的能力而为高重复率源做出选项。

能够在陆地、空间以及海下应用中使用FSO。

从分束器到孔径的条件性路径长度控制可以是一个重要参数。能够采用与当前主题的实施方式一致的TDM复用器来控制孔径到源路径之间的相对时间时延。能够使用并行时延通道来控制各个脉冲串。这个技术能够被用来采用WDM以及TDM系统控制常规的多发送FSO孔径系统。USPL激光脉冲到脉冲间隔能够被维持和控制到针对TDM和WDM系统两者的精确时间要求。所描述的技术能够被用在基于TDM和WDM光纤的系统中。如本文所述的TDM复用器的使用能够被用来将唯一加密装置实现到已发送光学信号上。互补的TDM复用器能够被利用来颠倒进入接收信号，并且从而恢复脉冲信号的唯一符号差。本文所述的TDM复用器能够被利用来控制WDM脉冲特征以用于WDM加密的目的。TDM复用器能够被用于常规的FSO系统中，其中连接到公共源信号的多个孔径能够使脉冲之间的时间延迟被控制以维持恒定路径长度。TDM复用器能够被用于基于TDM光纤的系统和基于FSO的系统。TDM复用器可以是用来针对USPL源控制光学脉冲串关系的使能技术。TDM复用器能够通过神经校正因子的测量跨越光学链路用作大气链路表征工具以得到相同的脉冲关系。

PZ圆盘的任何组合能够被用于发射机中，并且对于基于USPL的系统或基于光纤和FSO两者的系统能够具有无数的加密组合。定时能够从10GigE交换机或同等物运行并且为了用倍增器光子芯片建立到太拉/秒(或更快)速率的USPL，以及能够直接地从10GigE交换机对这个太拉/秒信号进行调制。当在WDM配置中进行操作时，能够包括到基于光纤的系统或到FSO网络元件的接口。

系统能够接受超快光学脉冲串并且能够生成具有脉冲宽度、光谱内容、与输入光学脉冲的啁啾特性相同的啁啾特性并且具有为输入脉冲的脉冲重复率的整数倍的脉冲重复率的一串光学脉冲。这能够通过在具有主动可控光耦合系数的2x2光学耦合器中分接输入脉冲功率的一小部分、出于在装置的输出端处最小化时间脉冲宽度的目的在提供有由光学脉冲在光学延迟线中所经历的时间和光谱展开的光学放大、光学隔离、光学延迟(路径长度)控制、光学相位以及振幅调制和压缩的光学延迟线中遍及一个往返重新循环这个分接的脉冲、以及将这个功率与2x2光学耦合器再组合来实现。

能够像利用掺稀土光纤和/或掺稀土集成光学装置和/或电或光泵浦半导体光学放大的光学增益能够的那样使用无源或有源光学延迟控制。能够使用光纤-布拉格光栅和/或容积布拉格光栅提供色散压缩。能够像遍历延迟线的脉冲的脉冲码数据调制那样提出请求遍历延迟线的脉冲的波分复用数据调制。

对于FSO应用，能够利用微光刻振幅和相位掩模技术实现常规USPL源通过USPL方波脉冲的合成的裁剪。使用技术来调节脉冲宽度的能力和采用这个技术来控制并且主动地控制脉冲的类似方法能够通过FSO传输链路来改进传播效率，从而改进系统可用性和接收光学功率电平。

有源可编程脉冲整形器能够被用来主动地控制USPL脉冲宽度，能够包括使实时大气条件匹配以通过改变环境最大化传播。以下技术中的一个或更多个能够被用在FSO应用中以使用各技术来适配光学时间光谱：傅里叶变换脉冲整形、液晶模块(LCM)阵列、硅上液晶(LCOS)技术、使用声光调制器(AOM)的可编程脉冲整形、声光可编程色散滤波器(AOPDF)以及偏振脉冲整形。

图32示出了例示方法的特征的处理流程图3200，所述特征的一个或更多个能够出现在当前主题的实施方式中。在3202处，生成各自具有大约1纳秒或更短的持续时间的光脉冲束。在3204处，调制信号被施加到光束以生成调制光学信号。调制信号承载用于传输到远程接收设备的数据。在3206处在光学通信平台内的光学收发机处接收调制光学信号，并且在3210处使用光学收发机发送调制光学信号以用于由第二光学通信设备接收。

图33示出了例示方法的特征的另一处理流程图3300，所述特征的一个或更多个能够出现在当前主题的实施方式中。在3302处，例如使用USPL源，生成各自具有大约1纳秒或更短的持续时间的光脉冲束。在3304处经由光学收发机向目标大气区发送光脉冲束。在3306处，分析作为光脉冲束从目标大气区中的一个或更多个物体的光学反向散射的结果在光学收发机处所接收到的光学信息。

图34示出了例示方法的特征的另一处理流程图3400，所述特征中的一个或更多个能够出现在当前主题的实施方式中。在3402处，例如通过USPL源，生成包括光脉冲的第一光束和第二光束。在3404处，第一调制信号被施加到第一光束以生成第一调制光学信号并且第二调制信号被施加到第二光束以生成第二调制光学信号。在3406处调节第一调制光学信号的第一偏振态。可选地，还能够调节第二调制光学信号的第二偏振态。在3410，具有经调节的第一偏振态的第一调制光学信号与第二调制信号复用。在3412中，通过光学收发机发送经复用的具有经调节的第一偏振态的第一调制光学信号与第二调制信号，以用于由第二光学通信设备接收。

本文所述的主题的一个或更多个方面或特征能够用数字电子电路、集成电路、特别设计的专用集成电路(ASIC)、现场可编程门阵列(FPGA)计算机硬件、固件、软件和/或其组合来实现。这些各种方面或特征能够将实施方式包括在可在包括至少一个可编程处理器的可编程系统上执行和/或解释的一个或更多个计算机程序中，所述至少一个可编程处理器可以是专用的或通用的，被耦合成从存储系统、至少一个输入装置以及至少一个输出装置接收数据和指令，并且被耦合成将数据和指令传送到存储系统、至少一个输入装置以及至少一个输出装置。

这些计算机程序(其还能够被称为程序、软件、软件应用、应用、组件或代码)包括用于可编程处理器的机器指令，并且能够用高级过程和/或面向对象编程语言和/或用汇编/机器语言来实现。如本文中所使用的，术语“机器可读介质”指的是用来将机器指令和/或数据提供给可编程处理器的任何计算机程序产品、设备和/或装置，诸如例如磁盘、光盘、存储器以及可编程逻辑器件(PLD)，包括接收机器指令作为机器可读信号的机器可读介质。术语“机器可读信号”指的是用来将机器指令和/或数据提供给可编程处理器的任何信号。机器可读介质能够非暂时地存储这样的机器指令，诸如例如就如非暂时性固态存储器或磁硬盘驱动器或任何等效存储介质一样。机器可读介质能够替换地或附加地以瞬态方式存储这样的机器指令，诸如例如就如与一个或更多个物理处理器核相关联的处理器高速缓存或其它随机存取存储器一样。

为了提供与用户的交互，能够在具有显示装置(诸如例如用于向用户显示信息的阴极射线管(CRT)或液晶显示器(LCD)或发光二极管(LED)监视器)以及用户可以用来向计算机提供输入的键盘和指示装置(诸如例如鼠标或轨迹球)的计算机上实现本文所述的主题的一个或更多个方面或特征。其它种类的装置也能够被用来提供与用户的交互。例如，向用户提供的反馈可以是任何形式的感觉反馈，诸如例如视觉反馈、听觉反馈或触觉反馈；并且可以按照任何形式接收来自用户的输入，包括但不限于声、语音或触觉输入。其它可能的输入装置包括但不限于触摸屏或其它触敏装置，诸如单点或多点电阻式或电容式触摸板、语音识别硬件和软件、光学扫描器、光学指示器、数字图像捕获装置以及相关联的解释软件等等。远离分析器的计算机能够通过有线或无线网络链接到分析器以使得能实现分析器与远程计算机之间的数据交换(例如，在远程计算器处从分析器接收数据和传送诸如校准数据、操作参数、软件升级或更新的信息等等)以及分析器的远程控制、诊断等。

能够取决于所期望的配置以系统、设备、方法和/或物品方式具体实现本文所述的主题。在上述描述中所阐述的实施方式不表示与本文所述的主题一致的所有实施方式。替代地，它们仅仅是与和所描述的主题有关的方面一致的一些示例。尽管已经在上面详细地描述了几个变化，但是其它修改和添加是可能的。特别地，除本文中所阐述的那些之外能够提供另外的特征和/或变化。例如，上面所描述的实施方式能够针对所公开的特征的各种组合及子组合和/或上面所公开的数个另外的特征的组合及子组合。此外，在附图中描绘的和/或在本文所述的逻辑流程未必需要所示出的特定次序或顺序次序来实现所希望的结果。其它实施方式可以在以下权利要求的范围内。

Claims (19)

1.一种光学通信或传感器设备，包括：

超短脉冲激光(USPL)源，该USPL源生成包括各自具有大约1纳秒或更短的持续时间和峰值输出功率为1千瓦或更大的光脉冲的光束；

调制元件，该调制元件对由所述USPL源生成的所述光束施加调制信号以生成调制光学信号，所述调制信号承载用于传输到第二光学通信或传感器设备的数据；

所述第二光通信或传感器设备接收所述调制光学信号，并将其转换为调制电信号以在本地使用或以光学方式或通过一些其他方式重传到另一位置。

2.根据权利要求1所述的光学通信或传感器设备，其中，所述调制元件包括直接调制元件、间接调制元件和外部调制元件中的至少一个，所述外部调制元件位于所述USPL源的外部。

3.根据权利要求1所述的光学通信或传感器设备，其中，所述脉冲持续时间小于大约一皮秒。

4.根据权利要求1所述的光学通信或传感器设备，其中，所述脉冲持续时间小于大约100飞秒。

5.根据权利要求1所述的光学通信或传感器设备，其中，所述持续时间小于大约一飞秒。

6.根据权利要求1所述的光学通信或传感器设备，其中，所述峰值光脉冲功率等于或大于5千瓦。

7.根据权利要求1所述的光学通信或传感器设备，其中，所述峰值光脉冲功率等于或大于10千瓦。

8.根据权利要求1所述的光学通信或传感器设备，其中，所述光脉冲宽度等于或小于100飞秒，并且所述峰值光脉冲功率大于10千瓦。

9.根据权利要求1所述的光学通信或传感器设备，还包括将一个以上的数据信道复用到所述光束中的光学复用器。

10.根据权利要求1所述的光学通信或传感器设备，还包括布置在所述USPL源与光学收发机之间的光学放大器，该光学放大器增大由所述光学收发机发送的调制光学信号的输出功率。

11.根据权利要求10所述的光学通信或传感器设备，其中，所述光学放大器包括光学前置放大器、半导体光学放大器、掺铒光纤放大器和掺铒-镱光纤放大器中的至少一个。

12.根据权利要求1所述的光学通信或传感器设备，还包括对所述光学收发机施加第二束光脉冲的第二USPL源，该第二USPL源用作跟踪和对准信标以在远程接收设备处确定或验证用于所发送的调制光学信号的目标点。

13.根据权利要求1所述的光学通信或传感器设备，其中，在所述调制光学信号内生成跟踪和对准信标信号，该跟踪和对准信标信号被用来在所述远程接收设备处确定或验证用于所发送的调制光学信号的目标点。

14.根据权利要求1所述的光学通信或传感器设备，还包括在所述调制光学信号到所述第二光学通信或传感器设备的传输之前对不同极性的光学信号进行复用的偏振相关复用器组件。

15.根据权利要求1所述的光学通信或传感器设备，还包括对从所述第二光学通信或传感器设备作为第二调制光学信号接收到的不同极性的光学信号进行解复用的偏振相关解复用器组件。

16.根据权利要求15所述的光学通信或传感器设备，其中，经解复用的光学信号被各自对接到不同的光学网络以用于网络使用。

17.一种方法，该方法包括以下步骤：

超短脉冲激光(USPL)源，该USPL源生成包括各自具有大约1纳秒或更短的持续时间和峰值输出功率为1千瓦或更大的光脉冲的光束；

对所述光束施加调制信号以生成调制光学信号，所述调制信号承载用于传输到远程接收设备的数据；

在光学收发机处接收所述调制光学信号；以及

使用所述光学收发机来发送所述调制光学信号以用于由所述第二光学通信或传感器设备接收。

18.根据权利要求17所述的方法，其中，对光束施加调制信号是由调制元件执行的，所述调制元件包括直接调制元件、间接调制元件和外部调制元件中的至少一个，所述外部调制元件位于所述USPL源的外部。

19.一种光学通信或传感器设备，包括：

第一USPL源，该USPL源生成包括各自具有大约1纳秒或更短的持续时间和峰值高度等于或高于1千瓦的光脉冲的第一光束；

第二USPL源，该USPL源生成包括各自具有大约1纳秒或更短的持续时间和峰值高度等于或高于1千瓦的光脉冲的第二光束；

第一调制元件，该第一调制元件对所述第一光束施加第一调制信号以生成第一调制光学信号，所述第一调制信号承载用于传输到远程光学通信设备的第一数据；

第二调制元件，该第二调制元件对所述第二光束施加第二调制信号以生成第二调制光学信号，所述第二调制信号承载用于传输到所述远程光学通信设备的第二数据；

第一偏振组件，该第一偏振组件调节所述第一调制光学信号的第一偏振态；

偏振相关复用器组件，该偏振相关复用器组件将具有经调节的第一偏振态的所述第一调制光学信号与所述第二调制信号复用；以及

光学收发机，该光学收发机接收具有经调节的第一偏振态的第一调制光学信号与所述第二调制信号的经复用的光学信号，并且发送经复用的具有经调节的第一偏振态的第一调制光学信号与所述第二调制信号，以用于由所述第二光学通信设备接收。

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