CN109324376A - 一种同轴空间光收发通信器件 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种同轴空间光收发通信器件，包括：激光器，用于产生发射激光信号并发出；准直透镜，用于将发射激光信号的出射角度进行转换，并依次经过第一分光片、光窗射出；第一分光片，用于将发射激光信号透射和将接收激光信号反射；光窗，用于将发射激光信号透射出和接收激光信号透射入；汇聚透镜，位于接收激光信号经所述第一分光片反射后的反射光路上。本发明的同轴空间光收发通信器件，采用收发同轴方案，发射与接收光路同轴，有利于节约通信器件的占用体积，可以实现发射与接收光路同轴，通过将汇聚透镜采取离焦的方式布设，提高了对准容差能力，减小对准的要求。

Description

一种同轴空间光收发通信器件

技术领域

本发明涉及一种光通信器件，具体地说，是涉及一种同轴空间光收发通信器件。

背景技术

现有的地面空间光通信系统，通信距离在几十米至数公里范围，使用的光学天线的典型尺寸在300mm*300mm*600mm左右，重量15Kg左右。体积和重量均较大。且在建立通信前，需要使用跟瞄装置、枪瞄镜或望远镜等辅助光学系统进行光路调试，所需的辅助光学系统体积大，调试时间较长，约需数十分钟至数小时。

地面空间光通信系统目前市场上出现的有法国Radiall公司的F-light通信组件和美国Fsona通信公司的通信组件，其中F-light通信组件分为发射和接收两个单独部分，发射端使用VCSEL和单透镜，接收端使用单透镜、GaAs芯片、TIA、LA，该器件对准较为简单，但工作方式为单工，只能单向通信，不能反向通信。

美国Fsona通信公司的US 7,039,320 B1专利公开了具有四个发射窗口，一个接收窗口，并使用了望远镜、陀螺仪和视频相机进行定位和对准。该装置的发射和接收分离，代表型号SONAbeam 1250-M的尺寸为41cm*41cm*46cm，适用于400m～4800m较长距离的双向光通信。整体尺寸较大，对准操作复杂，不适用于0cm～100cm范围的通信。

发明内容

本发明为了解决现有地面空间光通信组件只能进行单向通信，对准容差能力小，对准操作复杂的技术问题，提出了一种同轴空间光收发通信器件，可以解决上述问题。

为了解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案予以实现：

一种同轴空间光收发通信器件，包括：

激光器，用于产生发射激光信号并发出；

准直透镜，用于将发射激光信号的出射角度进行转换，并依次经过第一分光片、光窗射出；

第一分光片，用于将发射激光信号透射和将接收激光信号反射；

光窗，用于将发射激光信号透射出和接收激光信号透射入；

汇聚透镜，位于接收激光信号经所述第一分光片反射后的反射光路上，用于将接收激光信号汇聚至光探测器，所述光探测器位于所述汇聚透镜的焦点或离焦位置处。

进一步的，所述光探测器与所述汇聚透镜之间的距离小于所述汇聚透镜的焦距。

进一步的，所述激光器与所述准直透镜之间的距离等于或小于所述准直透镜的焦距。

进一步的，所述光探测器与所述汇聚透镜之间还设置有滤光片。

进一步的，所述第一分光片封装在第一方管体内，所述第一方管体具有相对的两侧面，其中一侧面开设有准直透镜孔，用于装配所述准直透镜，另外一侧面上开有光窗口，用于装配所述光窗，所述第一分光片与水平面呈45°角倾斜设置在所述第一方管体中，所述第一分光片的第一面朝向所述光窗，第二面朝向所述准直透镜。

进一步的，所述第一方管体位于所述第一分光片反射光路的一侧面上开设有光探测器装配口，所述光探测器装配口处由内至外依次设置有汇聚透镜和光探测器，所述光探测器封装在APD管体内，所述APD管体与所述光探测器装配口相配合密封连接，且所述光探测器的感光面朝向所述汇聚透镜。

进一步的，所述激光器与所述准直透镜之间还设置有隔离器。

进一步的，所述隔离器设置在隔离器套筒内，所述隔离器套筒与所述准直透镜孔密封固定连接。

进一步的，所述激光器与所述第一方管体之间还连接有第二方管体，所述第二方管体内设置有信标光激光器、第二分光片及隔离器，所述第二分光片设置于所述隔离器与所述准直透镜之间，所述隔离器位于所述第二分光片与激光器之间，所述第二分光片用于将所述信标光激光器的发射光进行反射到所述准直透镜上。

进一步的，所述准直透镜与所述汇聚透镜均为非球面正透镜。

与现有技术相比，本发明的优点和积极效果是：本发明的同轴空间光收发通信器件，采用收发同轴方案，发射与接收光路同轴，有利于节约通信器件的占用体积，使用WDM滤光片方案为有效的收发同轴方案，通过同轴耦合工艺，可以实现发射与接收光路同轴，通过将汇聚透镜采取离焦的方式布设，增加了在光探测器上所形成的光斑面积，提高了对准容差能力，减小对准的要求，且对于发射和接收光信号只需对准一个光轴，即可实现双向通信。

结合附图阅读本发明实施方式的详细描述后，本发明的其他特点和优点将变得更加清楚。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明所提出的同轴空间光收发通信器件的一种实施例结构示意图；

图2是图1的光路图；

图3是图1的封装结构示意图；

图4是本发明所提出的同轴空间光收发通信器件的再一种实施例结构示意图；

图5是图4的剖面视图；

图6是本发明所提出的同轴空间光收发通信器件的一种实施例中角度容差示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例一，本实施例提出了一种同轴空间光收发通信器件，其光路如图1-图3所示，包括：

激光器1，用于产生发射激光信号并发出；

准直透镜2，用于将发射激光信号的出射角度进行转换，并依次经过第一分光片3、光窗4射出；

第一分光片3，用于将发射激光信号透射和将接收激光信号反射；

光窗4，用于将发射激光信号透射出和接收激光信号透射入；

汇聚透镜5，位于接收激光信号经第一分光片3反射后的反射光路上，用于将接收激光信号汇聚至光探测器6，光探测器6位于汇聚透镜5的离焦位置处，激光器位于准直透镜的焦点或离焦位置处。本同轴空间光收发通信器件的工作原理是：当发射激光信号时，激光器产生发射激光信号，并照射到准直透镜上，由准直透镜将发射激光信号的出射角度进行转换，并依次经第一分光片、光窗射出，第一分光片能够透射从发射激光信号。当接收激光信号时，来自于外部的接收激光信号透过光窗，入射到第一分光片上，第一分光片将接收激光信号进行反射，反射光由汇聚透镜进行汇聚、由光探测器进行接收，其中，第一分光片能够允许本光收发通信器件中的激光器所发射激光通过，其他波长的光反射，实现了发射激光信号和接收激光信号收发同轴，对于通信双方而言，两者的激光器发射激光的波长不能相同，以实现两者同轴传递，典型的激光器波长可选择1270/1330nm、1310/1550nm等

对于空间光通信而言，激光信号从发射端的激光器产生、经准直透镜准直后依次经第一分光片、光窗透射出，激光信号在空间中传输到达接收端，经接收端的光窗透射到达接收端的第一分光片，接收端的第一分光片对该激光信号反射，再依次经接收端的汇聚透镜汇聚至接收端的光探测器上，出射和入射光束均为准直光或带有一定角度的发散光，本方案中光收发集成于一体，每一端的光通信器件都包括光发射组件和光接收组件，能够同时实现光信号的收发，且发射与接收光路同轴，有利于节约通信器件的占用体积，使用分光片方案为有效的收发同轴方案，通过同轴耦合工艺，可以实现发射与接收光路同轴，通过将汇聚透镜采取离焦的方式布设，增加了在光探测器上所形成的光斑面积，提高了对准容差能力，减小对准的要求，且对于发射和接收光信号只需对准一个光轴，即可实现双向通信。

对准容差包括角度容差和位置容差两种。角度容差指：入射光束偏轴入射时，像点发生偏移，在光探测器接收灵敏度的限制条件下，满足零误码传输的最大偏轴角，如图6所示的α角。影响角度容差的因素包括：透镜相对孔径、焦距（或光学系统等效焦距）、光探测器接收光敏面直径、光探测器接收灵敏度等，示意图如下所示：

角度容差与光探测器光敏面直径和透镜焦距的关系是：

其中，f是透镜的焦距，a是偏轴角度，d是PD光敏面直径，参照现有的常规高速光探测器芯片规格，速率达到4Gbps，光敏面直径在50um左右。按照上述公式，要达到1°的角度容差，透镜的焦距不能超过1.4mm，对应的有效孔径也不能超过1.4mm，这导致透镜和对应的光束直径过小，无法实现工程应用。

受上述关系的限制，现有的空间光通信系统，视场角普遍小于1°，这导致必须使用辅助光学和机械调整系统对准，无法依靠目视来建立空间光通信。

要实现空间光通信目视对准方案的工程化应用，光束直径和接收孔径不能过小，以目视手动对准为例，可接受的光斑直径应在3～10mm左右，视场角应不小于1°，因此，现有技术对准调节特别繁琐。

本方案采用将激光器1和/或光探测器6设置在透镜的焦点或离焦位置处，其中离焦是指偏离透镜的焦点位置，可以将激光器1相对于准直透镜2离焦，或者将光探测器6相对于汇聚透镜5离焦，离焦情况下，以光探测器离焦为例，对于0cm～100cm范围内的短距离双向空间光通信而言，光信号在空间传递能量损失较小，将光探测器向汇聚透镜方向离焦后，接收到的光功率衰减17dB，但离焦后的光探测器位置处的光斑为400um左右，在整个光斑范围内，都可以有效接收发射信号，偏轴角为2°的情况下，接收光功率仍然优于-25dBm，可以零误码通信（常规50um的APD-ROSA，4Gbps速率的接收灵敏度可以达到-27dBm）。光探测器与汇聚透镜离焦尤其对于解决角度容差小的问题效果显著。

汇聚透镜的相对孔径也是影响角度容差的一个重要因素，在选择汇聚透镜的相对孔径一定时，焦距越短，则角度容差越大，因此选择相对孔径大的接收透镜，有利于增加角度容差。

位置容差是指在垂直光轴的方向上，两个发射光束错开一定的距离c，仍然能够零误码通信，此距离的最大值称为位置容差。激光器与准直透镜离焦的方式对于解决位置容差小的问题效果显著

优选在本实施例中若采用光探测器与汇聚透镜离焦的方式时，光探测器与汇聚透镜之间的距离小于汇聚透镜的焦距，离焦可以有效增加接收视场角，增加了建立通信所需的对准角度容差，同时通过减小光探测器与汇聚透镜之间的距离的方式可以进一步减小光通信器件的体积。光探测器离焦后，光敏面位置处的光斑增大一个数量级以上，由于对准误差引起的入射光束倾斜，使像点偏移带来的影响明显降低，接收视场角增加一个数量级，减小了对辅助对准设备的要求。

若采用激光器与准直透镜离焦的方式时，激光器与准直透镜之间的距离小于准直透镜的焦距。其同样可以起到减小光通信器件体积的作用。需要说明的是，采用激光器与准直透镜离焦的方式，激光器发出的光经过隔离器后，由准直透镜形成带一定角度的发散光束，经第一分光片透射，作为发射光束；入射光束，经过第一分光片反射，由聚光镜会聚到光探测器中。激光器与准直透镜之间的距离小于准直透镜的焦距，可以在一定程度上改变发射光斑的大小，增加建立通信所需的位置容差。

由于本光器件的光信号在空间中传播，防止光传输过程中引入空间光对信号造成干扰，优选在光探测器6与汇聚透镜5之间还设置有滤光片7，滤光片7只可以允许接收激光信号波长的光通过，其他波长的光过滤掉，可以降低干扰。

从封装结构上，本实施例中的第一分光片3封装在第一方管体8内，第一方管体8具有相对的两侧面，其中一侧面开设有准直透镜孔，用于装配准直透镜2，另外一侧面上开有光窗口10，用于装配光窗4，第一分光片3与水平面呈45°角倾斜设置在第一方管体8中，第一分光片3的第一面朝向光窗4，用于将接收激光信号反射，第二面朝向准直透镜2，用于将准直的发射激光信号透射。

第一方管体8位于第一分光片3反射光路的一侧面上开设有光探测器装配口11，光探测器装配口11处由内至外依次设置有汇聚透镜5和光探测器6，光探测器6封装在APD管体12内，APD管体12与光探测器装配口11相配合密封连接，且光探测器的感光面朝向汇聚透镜。本方案通过将第一方管体8与APD管体12设计成分体式结构，方便汇聚透镜5贴片固定，然后可采用激光焊工艺将APD管体12与第一方管体8焊接到一起，最后耦合固定光探测器6，由于光探测器尺寸较小，汇聚透镜尺寸较大，安装汇聚透镜需要在第一方管体上开一个较大的孔，大尺寸的孔不适合后续安装光探测器，本方案通过增设一个APD管体过度一下，将尺寸减小到适合安装光探测器。

滤光片7可固定在APD管体12上，也可以固定在第一方管体8上。

为了防止激光器1发射的激光被准直透镜2反射，对激光器造成影响，优选在激光器1与准直透镜2之间还设置有隔离器13。

隔离器13设置在隔离器套筒14内，隔离器套筒14与准直透镜孔2密封固定连接。本实施例中隔离器套筒14与第一方管体8分体式结构设计，首先将准直透镜2固定在准直透镜孔中，然后使用激光焊工艺将隔离器套筒14焊接到第一方管体8上，本方案中使用TO封装的激光器LD-TO作为光源，通过调节隔离器套筒的长度，可以改变发射光束的发散角，能够更有效的增加位置容差，且可以提高集成度，减小系统的体积。从功能上，本方案利用准直透镜、汇聚透镜、光窗以及分光片，实现了光学天线的功能，无需另外装配光学天线。由于会聚透镜比光探测器尺寸大2倍，不利于光探测器的耦合固定。会聚透镜固定完成后，再固定APD管体12，使用激光焊接固定，作为转接结构件，然后耦合固定光探测器，结构设计紧凑，有效减小了系统的体积。

为了方便手动校正光轴，使得通信双方的光器件同轴，以便于实现双向通信，如图4、图5所示，激光器1与第一方管体8之间还连接有第二方管体15，第二方管体15内设置有信标光激光器16、第二分光片17及隔离器13，第二分光片17设置于隔离器13与准直透镜2之间，隔离器13位于第二分光片17与激光器之间，第二分光片17的光学特性能够将信标光激光器16所发射波长的激光进行反射到准直透镜2上，然后经准直透镜2准直后发射。信标光激光器16发射的信标光为可见光，信标光与通信光路同轴，作为参考光斑，用于目视对准，便于人工手动调节光通信器件进行同轴校准。需要说明的是，由于发射激光信号需要经过第二分光片17，因此，第二分光片17的特性能够将激光器所发射波长的激光信号进行透射。

信标光激光器16的前端还设置有第二汇聚透镜18，用于将信标激光器16发出的可见光汇聚并经第二分光片17反射出。

使用同轴可见信标光作为辅助对准方法，可以实现快速建立通信。通过结构设计和工艺控制，实现信标光轴与发射、接收光轴同轴。可见信标光斑对准后，通信链路即可建立，实现零误码通信。

其中，第一方管体8与第二方管体15可以设计为独立的两个结构，采用焊工艺连接到一起，也可以做成一个长方管体，将第二分光片和可见光激光器集成到该长方管体中。

准直透镜2与汇聚透镜5均为非球面正透镜。通过非球面准直透镜，可以把激光器的出射光整形成所需要的准直光束或带有一定发散角的光束。通过会聚透镜可以把入射光束汇聚到光探测器上，实现光信号的接收。

本方案为了解决现有的空间光通信系统对准操作复杂，建立通信时间长的问题，采用了光探测器离焦、激光器离焦、采用可见同轴参考光等方案，增加了角度容差和位置容差，同时通过结构设计、耦合工艺控制，实现光轴与结构件垂直，这样可通过目视对准结构件外壳，无参考光或借助同轴可见信标光斑对准，目视即可建立通信，所需时间缩短到数秒至十几秒，显著提高了对准操作效率。

此外，为了实现小体积的双向空间光通信，采用了发射和接收光束同轴方案，使用LD，APD、隔离器、准直透镜、会聚透镜、滤光片、分光片、光窗，与现有技术300mm*300mm*600mm的外观尺寸相比，本方案的尺寸缩短到16mm*20mm*40mm，且速率可以达到4Gbps，全双工通信。

当然，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的普通技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种同轴空间光收发通信器件，其特征在于，包括：

激光器，用于产生发射激光信号并发出；

准直透镜，用于将发射激光信号的出射角度进行转换，并依次经过第一分光片、光窗射出；

第一分光片，用于将发射激光信号透射和将接收激光信号反射；

光窗，用于将发射激光信号透射出和接收激光信号透射入；

汇聚透镜，位于接收激光信号经所述第一分光片反射后的反射光路上，用于将接收激光信号汇聚至光探测器，所述光探测器位于所述汇聚透镜的离焦位置处，和/或，所述激光器位于所述准直透镜的焦点或离焦位置处。

2.根据权利要求1所述的同轴空间光收发通信器件，其特征在于，所述光探测器与所述汇聚透镜之间的距离小于所述汇聚透镜的焦距。

3.根据权利要求1所述的同轴空间光收发通信器件，其特征在于，所述激光器与所述准直透镜之间的距离等于或小于所述准直透镜的焦距。

4.根据权利要求1所述的同轴空间光收发通信器件，其特征在于，所述光探测器与所述汇聚透镜之间还设置有滤光片。

5.根据权利要求1所述的同轴空间光收发通信器件，其特征在于，所述第一分光片封装在第一方管体内，所述第一方管体具有相对的两侧面，其中一侧面开设有准直透镜孔，用于装配所述准直透镜，另外一侧面上开有光窗口，用于装配所述光窗，所述第一分光片与水平面呈45°角倾斜设置在所述第一方管体中，所述第一分光片的第一面朝向所述光窗，第二面朝向所述准直透镜。

6.根据权利要求5所述的同轴空间光收发通信器件，其特征在于，所述第一方管体位于所述第一分光片反射光路的一侧面上开设有光探测器装配口，所述光探测器装配口处由内至外依次设置有汇聚透镜和光探测器，所述光探测器封装在APD管体内，所述APD管体与所述光探测器装配口相配合密封连接，且所述光探测器的感光面朝向所述汇聚透镜。

7.根据权利要求5所述的同轴空间光收发通信器件，其特征在于，所述激光器与所述准直透镜之间还设置有隔离器。

8.根据权利要求7所述的同轴空间光收发通信器件，其特征在于，所述隔离器设置在隔离器套筒内，所述隔离器套筒与所述准直透镜孔密封固定连接。

9.根据权利要求1-8任一项所述的同轴空间光收发通信器件，其特征在于，所述激光器与所述第一方管体之间还连接有第二方管体，所述第二方管体内设置有信标光激光器、第二分光片及隔离器，所述第二分光片设置于所述隔离器与所述准直透镜之间，所述隔离器位于所述第二分光片与激光器之间，所述第二分光片用于将所述信标光激光器的发射光进行反射到所述准直透镜上。

10.根据权利要求1-8任一项所述的同轴空间光收发通信器件，其特征在于，所述准直透镜与所述汇聚透镜均为非球面正透镜。