CN103018857B - 一种可见光光纤传输的光收发装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可见光光纤传输的光收发装置，包括光发送机和光接收机。光发送机由共振腔发光二极管、光发送器驱动电路、具有周期结构的半球形透镜、平面光波导光耦合器和光隔离器组成。光接收机包括光接收组件和限幅放大器。具有周期结构的半球形透镜包括半球形透镜本体，在半球形透镜本体上设有按阵列分布的圆形空气孔。可见光光纤传输的工作波长为650nm，传输介质为石英单模光纤。通过采用具有周期结构的半球形透镜可以更好的提高入纤光功率耦合效果。而可见光在石英光纤中传输时，只有较少数量的传输模式被激励并传输，能抑制多模色散干扰。

Description

一种可见光光纤传输的光收发装置

技术领域

本发明涉及光纤通信技术领域，具体涉及一种可见光光纤传输的光收发装置，包括光发送机和光接收机。

背景技术

随着高清视频和视频会议等高带宽应用的普及，人们对于网络带宽的要求越来越高。在目前光纤入户（FTTH）的布线中，一般使用石英单模光纤连接至楼道或每层楼的布线箱，而在楼层的水平方向上，一般使用铜缆进行“最后一百米”的介入。但铜缆由于不能支持高速率的传输，成本高，以及抗电磁干扰能力差等缺点，正逐步被光纤所取代。

塑料光纤又称聚合物光纤，是采用聚合物材料或有机材料制备而成，用于传输光信号的传输线。与石英单模光纤相比，塑料芯径的大小在250μm到3000μm之间。因此在进行塑料光纤的连接时，即使光纤中心产生了偏差也不会产生过大的耦合损耗。此外，塑料光纤（POF）具有抗干扰能力强，数值孔径大，抗弯曲及不易折断等特点。POF具有非常高的传输损耗，但是在可见光波段650nm处存在着一个低损耗窗口，可采用廉价的大功率，共振腔发光二极管（RCLED）作为光源，RCLEDs具有调制带宽高，耐高温，出光效率高，耦合效率高，紧凑封装等优点。因此目前的POF通信通常选在此波段。并且650nm光源为可见光的红光波段，易于安装，对人体无害，非常方便用户自己动手进行独立安装。通过结合了PON技术与塑料光纤接入网的优点，利用塑料光纤的优势解决了PON技术没有解决的“最后100米”光纤接入问题，可实现光纤到桌面（FTTD）全光接入。

目前的POF通信系统传输速率可达100Mbps，进行100m的传输。但随着高带宽应用的不断增加，局域网的速率由100Mbps向1000Mbps发展。下一代POF通信系统的目标是传输速率达1000Mbps、可进行50m的系统传输。主要是因为以塑料光纤为传输媒质时，存在着传输损耗大，多模色散严重，传输带宽小的缺点。2010年，欧洲研究项目POF-PLUS报道其成功实现了在长度50m的PMMA POF(芯径1mm)上的1G速率传输。该系统采用650nm的RCLED光源，接收端采用基于自适应和盲均衡的判决反馈均衡器（DFE），调制方式为二进制脉冲幅度调制。该系统的成功传输主要得益于优良的并行化盲均衡算法和硬件实现。但是该系统需要用到复杂的电处理算法和昂贵的高速AD器件，而在接入网的应用中，对于价格十分敏感，因此对POF通信形成了很大的挑战。同时现有的塑料光纤通信传输系统中光发送器端的光耦合方法，一般采用普通的半球形透镜结构，利用几何光学的聚光原理，提高入纤的光功率。但是采用普通透镜的光耦合方法效率有限，RCLED发出的可见光光信号在光耦合过程中被损耗，从而导致传输系统的发送端的光功率减少，减少了光信号的可传输距离。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术的不足，提供一种可见光光纤传输的光收发装置，包括光发送机和光接收机。该可见光光纤传输系统可以减少模式色散影响，提高光源进入石英光纤的耦合效率，提高系统的传输带宽，增加传输距离。

本发明具体采用以下技术方案：

一种可见光光纤传输的光收发装置，包括光发送机和光接收机，光收发装置中的光发送机由共振腔发光二极管、光发送器驱动电路、具有周期结构的半球形透镜、平面光波导光耦合器和光隔离器组成，共振腔发光二极管与光发送器驱动电路相连接，半球形透镜处于共振腔发光二极管的上方，光隔离器处于半球形透镜的上方，光隔离器在平面光波导光耦合器的a端口处。

所述光收发装置中的光接收机包括对光信号进行光电转换的光接收组件和对光接收组件输出的电流进行放大处理的限幅放大器，光接收组件与平面光波导光耦合器的b端口相连接，限幅放大器在光接收组件的下方；

在平面光波导PLC光耦合器的c端口处与传输介质相连接。

本发明可以进一步采用以下优化技术措施：

所述具有周期结构的半球形透镜包括半球形透镜本体，在半球形透镜本体上设有按阵列分布的圆形空气孔。

所述共振腔发光二极管的工作波长为650nm，传输介质为石英单模光纤。

所述半球形透镜的直径为8μm，透镜材料的折射率为1.44，周期结构的半球形透镜的圆形空气孔的孔直径为300nm，圆形空气孔的孔间中心距为650nm。

在共振腔发光二极管的表层具有周期性结构，介电系数呈现周期性分布。

相比现有技术，本发明具有以下有益效果：

1、具有周期结构的半球形透镜，圆形空气孔按阵列分布排列于半球形透镜本体中，从而形成高低折射率材料交替排列，形成周期结构。具有周期结构的半球形透镜可形成光子带隙结构，限制LED发出的光在平行于LED发光面方向上的散射。而周期间隔排列着的圆形空气孔，空气孔的圆形对称结构，可以减少光在其中的传输损耗，类似于单模光纤的纤芯的圆形结构，从而提高LED发出的光进入石英光纤的耦合效率。由于半球形透镜在获得所述周期结构效果的同时，增加了光汇聚的能力，从而取得最好的光耦合效果。通过对具有周期结构的圆柱形，圆锥形，半球形的透镜进行数值分析模拟，结果表明，具有周期结构的半球形透镜相比周期结构的圆柱形和圆锥形透镜以及普通结构的半球形透镜，可以更好的提高入纤光功率耦合效果。

2、在共振腔发光二极管的表层具有周期性结构，介电系数呈现周期性分布，表面的周期性结构造成光的散射，破坏了原本应该被全内反射的光，而允许更多的光子逃逸出LED。此外，该周期结构可以形成特殊的能带，可使得LED发光主波长落在该能带内，从而抑制向侧向的光，而将LED内的传播模态的光提取出来，从而提高LED的出光效率，提高LED的低外量子效率。

3、在共振腔发光二极管的表层采用周期性结构，通过提高LED的低外量子效率，增加LED的出光效率，在光源耦合入光纤中的过程中，通过使用具有周期结构的半球形透镜，可以更好的提高入纤光功率耦合效果，因此在可见光光纤传输中，可以提供更高的光发送功率，从而增加可见光光纤传输的传输距离。

4、采用廉价的可见光RCLED作为光源，使用石英光纤作为传输介质，相对于塑料光纤，具有更小的传输损耗，从而能够极大的增加传输距离。

5、对于大芯径的塑料光纤，可见光在塑料光纤中传输时，存在着大量的传输模式，从而带来严重的多模色散干扰。而可见光在石英光纤中传输时，只有较少数量的传输模式被激励并传输，因此本发明能够抑制多模色散干扰，可见光在石英光纤中传输具有比可见光在塑料光纤中传输更大的传输距离带宽积，从而能够使系统获得更高的传输带宽。

附图说明

图1为本发明光收发装置的结构示意图；

图2具有周期结构的半球形透镜的俯视图；

图3具有周期结构的半球形透镜的30°水平角斜视图；

图4具有周期结构的半球形透镜的侧面平视图；

图5为采用半球形透镜的入纤耦合效果仿真图；

图6为采用圆锥形透镜的入纤耦合效果仿真图；

图7为采用具有周期结构的圆锥形透镜的入纤耦合效果仿真图；

图8为采用具有周期结构的圆柱形透镜的入纤耦合效果仿真图；

图9为采用具有周期结构的半球形透镜的入纤耦合效果仿真图；

图10为归一化频率与归一化传播常数的关系图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案进行详细说明：

本发明的思路为：由于用石英光纤具有较小的芯径，通过设计和采用具有周期结构的透镜代替普通结构的透镜，可以提高光源进入石英光纤的耦合效率。采用廉价的可见光RCLED作为光源，使用石英光纤作为传输媒质，具有更低的传输损耗和更小的多模色散，获得更高的数据传输速率。

一种可见光光纤传输的光收发装置，包括光发送机和光接收机，其特征在于，所述光收发装置中的光发送机由共振腔发光二极管1、光发送器驱动电路2、具有周期结构的半球形透镜5、平面光波导光耦合器6和光隔离器7组成，共振腔发光二极管1与光发送器驱动电路2相连接，半球形透镜5处于共振腔发光二极管1的上方，光隔离器7处于半球形透镜5的上方，光隔离器7在平面光波导光耦合器6的a端口处；

所述光收发装置中的光接收机包括对光信号进行光电转换的光接收组件3和对光接收组件3输出的电流进行放大处理的限幅放大器4，光接收组件3与平面光波导光耦合器6的b端口相连接，限幅放大器4在光接收组件3的下方；

在平面光波导PLC光耦合器6的c端口处与传输介质8相连接。

在本实施例中，

具有周期结构的半球形透镜包括半球形透镜本体，在半球形透镜本体上设有按阵列分布的圆形空气孔。

所述共振腔发光二极管1的工作波长为650nm，传输介质8为石英单模光纤。

半球形透镜的直径为8μm，透镜材料的折射率为1.44，周期结构的半球形透镜的圆形空气孔的孔直径为300nm，圆形空气孔的孔间中心距为650nm。

在共振腔发光二极管1的表层具有周期性结构，介电系数呈现周期性分布。

具有周期结构的半球形透镜，在半球形透镜上周期间隔排列着圆形空气孔，圆形空气孔呈现蜂窝状，由于圆形空气孔的存在，整个半球形透镜的折射率形成周期性的高低变化，该周期结构导致光子带隙的结构，提高了光源的耦合效率。具有类似光子晶体结构的半球形透镜可形成光子带隙，限制RCLED发出的光在平行于RCLED发光面的方向上的传播，增加垂直于RCLED发光面的方向上的传播，从而提高RCLED进入石英光纤的耦合效率。对应于波长为650nm的可见光光纤传输，半球形透镜的直径为8μm，透镜材料的折射率为1.44，周期结构的半球形透镜的圆形空气孔的孔直径为300nm，圆形空气孔孔间的距离为650nm。图2，图3和图4分别为具有光子晶体结构的半球形透镜的俯视图，30°水平角斜视图和侧面平视图。半球形透镜的直径为8μm，透镜材料的折射率为1.44，光子晶体结构的半球形透镜的圆形空气孔的孔径为300nm，圆形空气孔的孔间中心距为650nm。

通过数值模拟方法，对各种结构透镜的入纤耦合效率进行分析和比较。数值分析中采用相同的器件参数。采用650nm的可见光光源，发光区域为透镜底端的直径为8μm。普通结构透镜的直径为8μm，折射率为1.44。具有周期结构的透镜直径为8μm，透镜材料的折射率为1.44，在周期结构中的圆形空气孔的孔直径为300nm，内部孔的间距为650nm。单模光纤的芯径为8μm，折射率为1.447，包层折射率为1.557。在图1中单模光纤的上端面进行功率积分（即表征出光源进入光纤的光功率强度）。图5和图6分别为采用普通结构的半球形透镜和圆锥形透镜的入纤耦合效果仿真图，单模光纤上端面的功率分别为4.5e^-7W和1.2e^-7W。图7，图8和图9分别为具有周期结构的圆锥形透镜，圆柱形透镜和半球形透镜的入纤耦合效果仿真图，单模光纤上端面的功率分别为6.1e^-7W，6.6e^-7W和8.1e^-7W。从以上数值模拟结果可以看出，相比普通结构的透镜，具有周期结构的透镜入纤的光功率更高。而在具有周期结构的透镜中，半球形透镜相比圆柱形和圆锥形的透镜，具有更好的光功率耦合效率。由图5和图9比较可知，相比较于目前的普通结构的半球形透镜，使用具有周期结构的半球形透镜后，RCLED光源进入石英光纤的光功率提高了80%。

与石英单模光纤相比，塑料光纤的芯径的大小在250μm到3000μm之间，因此可见光在塑料光纤中传输时会激励起大量的传输模式，从而导致很大的模式色散。在局域网的应用中，系统对价格十分敏感，加入额外的色散补偿器件，会提高系统成本，降低系统的可行性。因此，可见光在塑料光纤中传输时，模式色散严重制约了传输带宽，尤其是在局域网的速率由100Mbps向1Gbps，10Gbps发展时，模式色散对传输的损害更为明显。而可见光在石英光纤中传输时，只有较少数量的传输模式被激励并传输，能够很好的抑制多模色散的干扰。

图7为归一化频率与归一化传播常数的关系图。根据光纤光学的知识，我们知道光信号在光纤中进行传播时，传输模式数目随归一化频率（V）的增加而增多。当V值减小时，高阶的传输模式截止，光纤中的传输模式减少。特别值得注意的是当V＜2.405时，只有LP₀₁一个传输模式存在，其余传输模式全部截止。其中LP₀₁称为基模，由两个偏振态简并而成。在弱导条件下，Δ≈(n₁-n₂)/n₁，数值孔径所以归一化频率可表示为：

$V=\frac{2\mathrm{\πa}}{\mathrm{\λ}}\sqrt{n_1^2-n_2^2}\≈\frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}\·a\·\mathrm{NA}$

由此得到单模传输条件为

$V=\frac{2\mathrm{\πa}}{\mathrm{\λ}}\sqrt{n_1^2-n_2^2}\≤2.405$

对于石英光纤而言，使用不同的波长进行传输，会得到不同的归一化频率，因此

${V_1}^2={\left(\frac{2\mathrm{\π}}{{\mathrm{\λ}}_1}a\right)}^2(n_1^2-n_2^2)$

${V_2}^2={\left(\frac{2\mathrm{\π}}{{\mathrm{\λ}}_2}a\right)}^2(n_1^2-n_2^2)$

V₁λ₁=V₂λ₂

目前商用的标准石英光纤，在λ₁为1550nm时，归一化频率V₁为1.7，小于2.405所以只进行单模传输。因此

$V_2=V_1\frac{{\mathrm{\λ}}_1}{{\mathrm{\λ}}_2}=\frac{1.55}{0.65}\×1.7$

由上式可知，当使用可见光在单模光纤中进行传输时，可见光波长λ₂为650nm，归一化频率V₂等于4.05，由图7可知，只有4个传输模式。而对于塑料光纤光通信，当传输波长为650nm时，塑料光纤的数值孔径为0.5，塑料光纤的芯径为1000μm。可以计算得，归一化频率V为4.83×10³。由此可知，当使用可见光在石英光纤中进行传输时，传输模式数量得到了极大的抑制。在光纤通信中，传输模式的数量越多导致的模式色散越大，从而降低了通信系统的传输带宽。此外，塑料光纤在650nm处的传输损耗大约为180dB/km，而石英光纤在650nm处的传输损耗只有4dB/km左右，由以上分析可知，当使用可见光在石英光纤中进行传输时，可以支持更高带宽和更长距离的传输。

Claims (3)

1.一种可见光光纤传输的光收发装置，包括光发送机和光接收机，其特征在于，所述光收发装置中的光发送机由共振腔发光二极管(1)、光发送器驱动电路(2)、具有周期结构的半球形透镜(5)、平面光波导光耦合器(6)和光隔离器(7)组成，共振腔发光二极管(1)与光发送器驱动电路(2)相连接，半球形透镜(5)处于共振腔发光二极管(1)的上方，光隔离器(7)处于半球形透镜(5)的上方，光隔离器(7)在平面光波导光耦合器(6)的a端口处；

所述光收发装置中的光接收机包括对光信号进行光电转换的光接收组件(3)和对光接收组件(3)输出的电流进行放大处理的限幅放大器(4),光接收组件(3)与平面光波导光耦合器(6)的b端口相连接，限幅放大器(4)在光接收组件(3)的下方；

在平面光波导光耦合器(6)的c端口处与传输介质(8)相连接；

具有周期结构的半球形透镜包括半球形透镜本体，在半球形透镜本体上设有按阵列分布的圆形空气孔。

2.根据权利要求1所述的可见光光纤传输的光收发装置，其特征在于，所述共振腔发光二极管(1)的工作波长为650nm，传输介质(8)为石英单模光纤。

3.根据权利要求1所述的可见光光纤传输的光收发装置，其特征在于，半球形透镜的直径为8μm，透镜材料的折射率为1.44，周期结构的半球形透镜的圆形空气孔的孔直径为300nm，圆形空气孔的孔间中心距为650nm。