CN114337830A - 基于光模块架构的移动光通信收发器及收发系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于光模块架构的移动光通信收发器及收发系统，包括电信号处理模块、光信号处理模块、光信号传输模块和天线模块；电信号处理模块用于实现移动光通信收发器与外界的电信号交互处理，光信号处理模块与电信号处理模块连接，用于实现移动光通信收发器内的光电信号转换，光信号处理模块通过光信号传输模块与天线模块连接，天线模块用于移动光通信收发器内与外界的光信号交互处理，电信号处理模块、光信号处理模块构成光模块架构。本发明设计一体化的电信号处理模块、光信号处理模块、光信号传输模块和天线模块，满足光模块的标准封装规范，实现统一标准的信号发送和信号接收，增强了本发明光通信的应用便利性。

Description

基于光模块架构的移动光通信收发器及收发系统

技术领域

本发明涉及自由空间光通信技术领域，尤其涉及一种基于光模块架构的移动光通信收发器及收发系统。

背景技术

光移动通信是5G移动通信的一种强有利的补充，也将是面向未来的全频谱通信中重要组成部分。光移动通信系统一般分为：信号发射子系统、信号接收子系统、捕获跟踪子系统。信号发射子系统负责将信息转化为光信号进行发送，一般的处理方式为：数字域的信息转化为模拟电信号，并将模拟电信号加偏置电压后，满足激光器元件的特性，最终转为光信号，将光束准直发送。信号接收子系统负责从接收到的光信号中提取信息，一般的处理方式为：使用APD(光电二极管)/PIN(雪崩光电二极管)接收光信号转为电信号，通过ADC(模数转换器)将电信号转为数字域信号，处理数字域信号提取信息。

光模块主要实现光电信号转换功能，光模块技术成熟，除了在有线网络中广泛应用，还大量使用在Fibre Channel(网状通道)、PCIe(PCIExpress，新一代总线接口)、CPRI(通用公共无线接口)等接口场景。光模块的封装固定，传输速率、传输距离均有相应的标准；且各种应用场景中的物理层协议均开放可用。光模块一般包含光发射次模块、光接收次模块和收发器集成电路三部分；根据市场上的元器件情况，光接收次模块可以作为一个整体，也可以再划分为PIN和TIA两个部分。光模块根据光纤类型可以分为单模光模块和多模光模块。根据业界对光纤通信系统所用的光载波划分的窗口，以及市场上光发射次模块和光接收次模块的成熟情况，非波分复用的光模块的波段为850nm、1310nm、1550nm。且850nm波段的光模块只有多模，1550nm波段的光模块只有单模。模式和波段都相同的光模块才能够对接，且对接使用的光纤类型需要与光模块类型相匹配。

一般的光电信号转换的处理方案：(1)发送时，发送信息通过DAC转为模拟电信号，并将该模拟电信号根据不同的光调制方式处理后，通过激光器将信息转为光信号进行发送；(2)接收时，光信号根据不同的调制方式转为模拟电信号，例如光强度调制时需要通过PIN/APD转为模拟电信号，模拟电信号通过整形、滤波、放大等电路后，适用ADC将模拟电信号转为数字信号，再由数字信号中提取信息。

这些方案在实现过程中，(a)根据不同的应用场景需要设计不同的模拟信号的处理电路；(b)激光器和PIN/APD的型号不同，则相应的匹配电路不同；(c)整个通信系统的带宽受限于ADC/DAC，带宽越高，则ADC/DAC的成本越高，ADC/DAC的型号不同，也决定了系统硬件设计的不同。通过以上几点，一般的信号收发系统无法做到“通用”，且没有一个标准支持光移动通信中的信号发射和信号接收的设计、推广和商用化，例如对收发器的封装、应用场景、传输带宽、出射光束、接收光束等参数指标做统一的说明。

发明内容

技术目的：针对现有技术中光移动通信无法实现统一标准的信号发送和信号接收，本发明公开了一种基于光模块架构的移动光通信收发器及收发系统，设计一体化的电信号处理模块、光信号处理模块、光信号传输模块和天线模块，满足光模块的标准封装规范，实现统一标准的信号发送和信号接收。

技术方案：为实现上述技术目的，本发明采用以下技术方案。

一种基于光模块架构的移动光通信收发器，包括：电信号处理模块、光信号处理模块、光信号传输模块和天线模块；所述电信号处理模块用于实现移动光通信收发器与外界的电信号交互处理，所述光信号处理模块与电信号处理模块连接，用于实现移动光通信收发器内的光电信号转换，所述光信号处理模块通过光信号传输模块与天线模块连接，光信号传输模块用作光信号处理模块、天线模块之间的光信号传输媒介，所述天线模块用于移动光通信收发器内与外界的光信号交互处理，所述电信号处理模块、光信号处理模块构成光模块架构。

优选地，所述光信号处理模块包括TOSA和ROSA，TOSA用于将电信号处理模块输出的电信号转为光信号，输出光信号至光信号传输模块；ROSA用于将光信号传输模块输出的光信号转为电信号，输出电信号至电信号处理模块。

优选地，所述TOSA包括激光器，所述激光器用于根据电信号发射光信号，ROSA包括光电探测器PIN，光电探测器PIN用于将光信号转为电信号。

优选地，所述激光器发射光信号时，光信号以光束进行无线光通信，光束波长根据移动光通信收发器的发射光信号的波长确定；激光器发射功率根据移动光通信收发器出射光功率确定。

优选地，所述光电探测器PIN的接收灵敏度根据接收光束的光功率确定。

优选地，所述光信号传输模块包括发送光纤和接收光纤，所述发送光纤为单模光纤，所述接收光纤为多模光纤；天线模块包括发送天线和接收天线，发送天线用于发散出射光束，出射光束为TOSA生成的光信号，接收天线用于汇聚接收光束，接收光束为传送至ROSA的光信号；发送天线为发送准直透镜，接收天线为接收准直透镜。

优选地，所述发送光纤的模场直径、发送准直透镜的焦距根据光发射初始光斑直径、出射光束发散角、发射光信号的最大束腰距离、收发器发射光信号波长确定，发射光信号的最大束腰距离根据移动光通信的通信距离确定。

优选地，所述接收光纤的数值孔径、接收光纤的芯径、接收准直透镜的焦距根据接收光束与接收准直透镜中心位置最大偏差、接收光束与接收准直透镜的最大夹角、光接收聚焦光斑直径、接收光束的初始光斑直径、ROSA的型号确定。

优选地，所述接收光纤为级联的若干个多模光纤，若干个多模光纤级联的第一级直接与接收准直透镜连接，若干个多模光纤级联的最后一级直接与ROSA连接。

优选地，所述级联的第一级多模光纤芯径根据接收光束与接收准直透镜的最大夹角、光接收聚焦光斑直径、接收准直透镜的焦距确定，级联的最后一级多模光纤芯径根据ROSA的型号确定。

优选地，所述光信号传输模块和天线模块通过通用光纤接口匹配连接。

一种基于光模块架构的移动光通信收发系统，所述系统包括至少两个移动光通信收发器，所述移动光通信收发器为以上任一所述的一种基于光模块架构的移动光通信收发器，至少两个移动光通信收发器实现移动光通信。

有益效果：本发明构建基于光模块架构的移动光通信收发器，设计一体化的电信号处理模块、光信号处理模块、光信号传输模块和天线模块，相对于其他移动光通信系统，本发明满足光模块的标准封装规范，实现统一标准的信号发送和信号接收，增强了本发明光通信的应用便利性。

附图说明

图1为本发明实施例的总结构示意图；

图2为本发明实施例的具体结构示意图；

图3为本发明实施例的收发系统通信示意图；

图4为本发明实施例中收发系统产生相对位移示意图。

具体实施方式

以下结合附图和实施例对本发明的一种基于光模块架构的移动光通信收发器及收发系统做进一步的说明和解释。

实施例1：

如附图1所示，一种基于光模块架构的移动光通信收发器，包括：

电信号处理模块、光信号处理模块、光信号传输模块和天线模块；所述电信号处理模块用于电信号的收发处理，所述光信号处理模块与电信号处理模块连接，用于实现移动光通信收发器内的光信号至电信号转换以及电信号至光信号转换，所述光信号处理模块通过光信号传输模块与天线模块连接，光信号传输模块用于将光信号以光束的形式传输，所述天线模块用于移动光通信收发器内与外界的光束交互处理，所述电信号处理模块、光信号处理模块构成光模块架构。

如附图2所示，所述电信号处理模块、光信号处理模块构成光模块架构；所述电信号处理模块用于电信号的收发处理，电信号处理模块还能实现移动光通信收发器内与外界的电信号交互处理，能直接与外部控制器(如CPU、FPGA)连接，最高支持单路25Gbps的NRZ(Non-Returnto Zero，不归零码)传输速率。电信号处理模块包括IC(Integrated circuit，集成电路)和DDM(数字诊断监控)，IC和DDM排布在PCB板上，IC用于发送电信号和接收电信号，发送电信号过程中包含对电信号的预加重，接收电信号过程中包括电信号的放大和均衡；IC满足与不同速率、不同CPU/FP6A型号的对接。DDM用于监控移动光通信收发器中的实时参数，包括温度、激光器的激光偏置电流和移动光通信收发器电源电压。IC部分负责电信号的处理，使得移动光通信收发器的电信号接口满足高速SERDES(串并转换器)的电平标准。NRZ(不归零编码)的SERDES的速率能够达到28G，PMA-4(4PulseAmplitude Modulation第四代脉冲幅度调制)的SERDES的速率能够达到56G。满足SERDES电平标准后，移动光通信收发器的传输带宽不依赖于DAC/DAC的采样速率和采样精度。一般的移动光通信系统使用DAC/DAC实现数字/模拟信号的转换，整体速率依赖DAC/DAC的采样速率和采样精度，例如采用2Gsymbol采样率，14bit精度的DAC/ADC才能实现28G的传输带宽，使用类似型号的DAC/ADC不仅需要更复杂的IC设计，也对移动光通信收发系统提出更苛刻的限制条件。因此本发明的电信号特性满足直接与高速SERDES对接，增强了无线移动光通信的速率和带宽。

所述光信号处理模块与电信号处理模块连接，用于实现移动光通信收发器内的光电信号转换，光信号处理模块包括TOSA(Transmitting Optical Sub-Assembley，光发射次模块)和ROSA(Resceiving Optical Sub-Assembley，光接收次模块)，TOSA、ROSA与PCB板通过标准的软排线连接，PCB板上排布IC和DDM，TOSA用于实现电信号转光信号，TOSA从电信号处理模块的IC中获取电信号，并将电信号转为光信号输出至光信号传输模块；ROSA用于实现光信号转电信号，ROSA从光信号传输模块获取光信号，并将光信号转为电信号输出至电信号处理模块的IC中。

所述TOSA包括激光器，激光器用于根据电信号发射光信号，ROSA包括光电探测器PIN，光电探测器PIN用于将光信号转为电信号。所述激光器用于根据电信号发射激光光源，并支持高速率传输，所述激光器发射的信号传输速率、波段和发射功率根据移动光通信的场景需求进行设定，具体地，激光器发射光信号时，光信号以光束进行无线光通信，光束波长根据移动光通信收发器的发射光信号的波长确定；激光器发射功率根据移动光通信收发器出射光功率确定。TOSA采用标准的TO46封装，通过软排线与PCB板连接，根据应用场景可更换TOSA。

所述ROSA包括光电探测器PIN和前置放大器TIA，光电探测器PIN用于将光信号转为电信号，前置放大器TIA用于将电信号低噪声放大，支持高速率传输，ROSA中信号传输速率与TOSA中信号传输速率匹配，ROSA的性能参数需要满足移动光通信收发系统要求，性能参数包括接收灵敏度。光电探测器PIN的接收灵敏度根据接收光束的光功率确定。

所述光信号传输模块与光信号处理模块、天线模块连接，用作光信号处理模块、天线模块之间的光信号传输媒介，所述天线模块用于移动光通信收发器内与外界的光束交互处理，所述光信号传输模块和天线模块通过通用光纤接口匹配连接，便于模块替换，在使用过程中，若出现某一模块故障需要替换时，可直接通过通用光纤接口进行替换连接。

光信号传输模块包括发送光纤和接收光纤，所述发送光纤为单模光纤，所述接收光纤为单个多模光纤，或采用级联的若干多模光纤，级联的方式包括采用球透镜连接相邻多模光纤，也可以采用其他级联方式，在此不做赘述。因为接收光纤的芯径需要同时满足ROSA的连接要求和移动光通信接收器性能要求，在实际使用过程中，二者的要求存在冲突，便需要采用级联的方式满足要求。

用于级联的多模光纤的型号可以不同，多模光纤的型号参数包括芯径和数值孔径。多模光纤的芯径和数值孔径NA越大，则越有利于光的耦合入光纤，为了提高接收器性能。接收光纤采用内芯芯径为50um、62.5um、100um、200um或400um的多模光纤。

所述天线模块包括发送天线和接收天线，发送天线用于发散出射光束，出射光束指的是TOSA生成的光信号，接收天线用于汇聚接收光束，接收光束指的是传送至ROSA的光信号。发送天线和接收天线均为准直透镜，发送天线为发送准直透镜，接收天线为接收准直透镜。发送准直透镜和接收准直透镜的焦距固定，并需要满足移动光通信收发系统要求，发送准直透镜的型号与发送光纤匹配，接收准直透镜的型号与接收光纤匹配。发送准直透镜和接收准直透镜均采用通用光纤接口分别与发送光纤、接收光纤连接，使得发送准直透镜和接收准直透镜在整个移动光通信收发系统中便于更换，从而满足不同的光移动通信场景，通用光纤接口包括FC(ferrule contactor圆形带螺纹)接口。本发明中利用各个功能结构的独立性，可快速更换某个结构，使整个移动光通信收发器满足特定移动光通信场景的设计需要。

本发明构建基于光模块架构的移动光通信收发器，应用在无线光通信领域中，一体化的电信号处理模块、光信号处理模块、光信号传输模块和天线模块，相对于其他移动光通信系统，本发明满足光模块的标准封装规范，实现统一标准的信号发送和信号接收；不仅轻便，且本发明还能够直接应用在现有的有线光通信领域，直接用本发明的移动光通信收发器替换有线光通信系统中的光模块，增强了本发明光通信的应用便利性，有线光模块的使用场景包括Fibre Channel、PCIe、CPRI等接口应用场景，应用本发明移动光通信收发器后，将有线光模块的应用场景改为了无线光通信。

发送光纤的模场直径、发送准直透镜的焦距根据光发射初始光斑直径、出射光束发散角、发射光信号的最大束腰距离、收发器发射光信号波长确定，发射光信号的最大束腰距离根据移动光通信的通信距离确定。

所述最大束腰距离由发送准直透镜的焦距、发送光纤的模场直径、激光器发射光信号波长确定，且最大束腰距离大于等于移动光通信的通信距离，其计算公式为：

z_max≥z_t (2)

其中，z_max为发射光信号的最大束腰距离，f_T为发送准直透镜的焦距，λ为发射光信号的波长，实际使用时为预设的已知量，本发明中，发射光信号包括近红外、可见光，MFD为发送光纤的模场直径，z_t为移动光通信的通信距离，实际使用时为预设的已知量。在实际使用时，设计发送准直透镜的焦距f_T、发送光纤的模场直径MFD，代入到公式(1)中求出发射光信号的最大束腰距离z_max，进而通过公式(2)验证发射光信号的最大束腰距离z_max是否满足移动光通信的通信距离z_t的要求。

所述光发射初始光斑直径与发送准直透镜的焦距、发送光纤的模场直径、发射光信号波长相关，其计算公式为：

其中，D为光发射初始光斑直径，实际使用时为预设的已知量。在实际使用时，设计发送准直透镜的焦距f_T、发送光纤的模场直径MFD，代入到公式(3)中求出光发射初始光斑直径的实际值，验证光发射初始光斑直径是否满足预设要求。

所述出射光束发散角与发送准直透镜的焦距、发送光纤的模场直径相关，其计算公式为：

其中，θ为出射光束发散角，实际使用时为预设的已知量。在实际使用时，设计发送准直透镜的焦距f_T、发送光纤的模场直径MFD，代入到公式(4)中求出出射光束发散角的实际值，验证出射光束发散角是否满足预设要求。

所述移动光通信收发器出射光功率与激光器发射功率、耦合入发送光纤的损耗相关，其计算公式为：

W_t＝W_o·(1-η₁) (5)

其中，W_t为移动光通信收发器出射光功率，W_o为激光器发射功率，η₁为激光器出射光耦合入发送光纤的损耗，通过实际测量获取，在激光器和发送光纤结构参数固定的情况下进行测量，得到具体数值。

接收光纤的数值孔径、接收光纤的芯径、接收准直透镜的焦距根据接收光束与接收准直透镜中心位置最大偏差、接收光束与接收准直透镜的最大夹角、光接收聚焦光斑直径、接收光束的初始光斑直径、ROSA的型号确定。接收光纤为级联的若干个多模光纤，若干个多模光纤级联的第一级直接与接收准直透镜连接，若干个多模光纤级联的最后一级直接与ROSA连接。级联的第一级多模光纤芯径根据接收光束与接收准直透镜的最大夹角、光接收聚焦光斑直径、接收准直透镜的焦距确定，级联的最后一级多模光纤芯径根据ROSA的型号确定。

所述接收光信号性能参数包括接收光束的初始光斑直径、接收光束的光功率、接收光束中心与透镜中心位置最大偏差、接收光束与接收准直透镜的最大夹角。接收结构参数包括光信号传输模块中接收光纤的芯径和数值孔径、天线模块中接收准直透镜的焦距、光处理模块的接收灵敏度、接收光束与透镜中心位置偏差、接收光束与透镜的夹角。

在公式(2)的限定下，即最大束腰距离大于等于移动光通信的通信距离时，所述接收光束的初始光斑直径与光发射初始光斑直径有关，公式为：

D_r≈D (6)

其中，D_r为接收光束的初始光斑直径，D为光发射初始光斑直径，实际使用时为预设的已知量，在移动光通信的通信距离已知且满足公式(2)的前提下，接收光束的初始光斑直径D_r也是已知量。

如附图4所示，所述移动光通信收发器中接收光束中心与接收准直透镜中心位置最大偏差与接收准直透镜的焦距和接收光纤的数值孔径有关，公式为：

其中，NA_r为接收光纤的数值孔径，其中，若接收光纤采用若干多模光纤级联，则所述接收光纤的数值孔径NA_r指代级联的第一级(直接与接收准直透镜连接)的多模光纤的数值孔径，f_r为接收准直透镜的焦距，d_max为接收光束中心与接收准直透镜中心位置最大偏差，实际使用时为预设的已知量。在实际使用时，设计接收光纤的数值孔径NA_r、接收准直透镜的焦距f_r，代入到公式(7)中计算接收光束中心与接收准直透镜中心位置最大偏差实际范围，验证接收光束中心与接收准直透镜中心位置最大偏差是否满足预设要求。

所述接收光束中心与接收准直透镜中心位置偏差需要小于移动光通信收发器接收光束中心与透镜中心位置最大偏差，公式为：

d≤d_max (8)

其中，d为接收光束中心与接收准直透镜中心位置偏差。

光接收聚焦光斑直径与接收准直透镜焦距和接收光束的初始光斑直径有关，其计算公式为：

其中，φ为光接收聚焦光斑直径，M²为光束衍射倍率因子，用于表征激光模式，如基模激光、高阶模激光，本实施例中取值为1，对应的是基模激光，本发明中默认采用基模激光发射，为已知量。在实际使用时，设计接收准直透镜的焦距f_r，代入到公式(9)中计算得出光接收聚焦光斑直径φ。

接收光束与接收准直透镜的最大夹角与接收光纤的芯径、接收透镜焦距和光接收聚焦光斑直径有关，其计算公式为：

其中，β_max为接收光束与接收准直透镜的最大夹角，Ψ为接收光纤的芯径，其中，若接收光纤采用若干多模光纤级联，则所述接收光纤的芯径ψ指代级联的第一级(直接与接收准直透镜连接)的多模光纤的芯径。在实际使用时，设计接收光纤的芯径ψ和接收准直透镜的焦距f_r，先将接收准直透镜的焦距f_r代入到公式(9)中计算得出光接收聚焦光斑直径φ，再将光接收聚焦光斑直径φ和接收光纤的芯径Ψ代入到公式(10)中计算接收光束与接收准直透镜的最大夹角实际范围，验证接收光束与接收准直透镜的最大夹角是否满足预设要求。

接收光束与接收准直透镜的夹角需要小于移动光通信收发器接收光束与接收准直透镜的最大夹角，即：

β≤β_max (11)

其中，β为接收光束与接收准直透镜的夹角。

接收光束在满足公式(8)和公式(11)时，接收光束能够耦合入接收光纤(接收光纤采用多模光纤)。与ROSA对接的多模光纤的芯径为50um，而公式(10)中为ψ的取值需要大于50um，此时需要若干多模光纤级联，级联的第一级(即直接与接收准直透镜连接)多模光纤的芯径满足公式(10)中为ψ的要求，级联的最后一级(即直接与ROSA连接)为芯径50um的多模光纤。

ROSA处理的光功率与接收光束的光功率、耦合入接收多模光纤的损耗、接收光纤级联的损耗有关，公式为：

W_R＝W_r·(1-η₂)·(1-η₃) (12)

W_r＝W_t·(1-η₄)＝W_o·(1-η₁)·(1-η₄) (13)

其中，W_R为ROSA处理的光功率，W_r为接收光束的光功率，η₂为接收光束耦合入接收光纤的损耗，通过实际测量获取，在接收光纤结构参数固定的情况下进行测量，得到具体数值，η₃为接收光纤级联的损耗(接收光纤中若不存在多模光纤级联，则η₃为0)，通过实际测量获取，在接收光纤结构参数固定的情况下进行测量，得到具体数值，η₄为无线光通信的传输损耗(也就是在移动光通信中，从发送端的移动光通信收发器开始光束发送至接收端的移动光通信收发器完成光束接收的损耗)。

ROSA处理的光功率需要大于ROSA的接收灵敏度(本发明中，光处理模块的接收灵敏度等同ROSA的接收灵敏度，等同PIN的接收灵敏度)，其表达公式为：

S≤W_R (14)

其中，S为ROSA的接收灵敏度，ROSA的接收灵敏度与接收光纤的芯径相关，若接收光纤采用若干多模光纤级联，则ROSA的接收灵敏度与级联的最后一级(直接与ROSA连接)的多模光纤的芯径相关。接收灵敏度是指在满足规定BER(Bit Error Ratio，误码率，例如e^-12)指标要求的条件下，接收光纤(若接收光纤采用若干多模光纤级联，则指的是级联的最后一级，即直接与ROSA连接的多模光纤能够接收到的最小接收功率。ROSA的型号限定了与其直连的多模光纤(最后一级多模光纤)的型号。

实施例2：

如附图3所示，一种基于光模块架构的移动光通信收发系统，所述系统包括至少两个移动光通信收发器，所述移动光通信收发器为以上任一所述的一种基于光模块架构的移动光通信收发器，至少两个移动光通信收发器实现移动光通信。在一些实施例中，移动光通信收发系统只包括两个移动光通信收发器，实现单对单的移动光通信；在一些实施例中，移动光通信收发系统包括至少三个移动光通信收发器，实现单对多、多对单或多对多的移动光通信。

实施例3：

本实施例中给出一种基于光模块架构的移动光通信收发系统的设计实例，应用于移动光通信场景中。如图3所示，移动光通信场景要求移动光通信收发器的出射光束满足：光发射初始光斑直径D小于5mm，出射光束发散角θ小于5mrad，发射光信号的波长λ为1550nm，W_t不小于2mW，移动光通信的通信距离z_t为5米；无线光通信的传输损耗(也就是在移动光通信中，从发送端的移动光通信收发器开始光束发送至接收端的移动光通信收发器完成光束接收的损耗)η₄为50％；如图4所示，移动光通信收发器接收到的光束的d_max不小于5mm，β_max不小于5mrad。

本实施例的移动光通信收发系统中，接收端和发送端采用完全相同的移动光通信收发器，因此本实施例中针对任一移动光通信收发器进行描述。移动光通信收发器采用以下设计：(1)TOSA中，发射光信号的波长λ＝1550nm，激光器发射功率W_o＝5mW；(2)发送光纤的型号为9um/125um(发送光纤的纤芯直径：9um，发送光纤的包层直径：125um)，发送光纤的模场直径为MFD＝10.5um@1550nm，其中1550nm表示光信号的波段；(3)激光器出射光耦合入发送光纤的损耗为η₁＝5％，通过测量获取；(4)发送准直透镜的f_T为25mm；(5)接收光纤采用两个多模光纤级联，级联的第一级的多模光纤数值孔径NA_r＝0.2，芯径ψ＝400um，级联的最后一级，即第二级的多模光纤芯径ψ＝50um(由ROSA中PIN接收灵敏度要求设计)，接收光纤级联的损耗，即两级级联的多模光纤的损耗η₃＝20％，通过测量获取；(6)接收准直透镜f_r＝50mm；(7)接收光束耦合入接收光纤的损耗为η₂＝75％，通过测量获取；(8)ROSA中PIN的接收灵敏度S＝-15dBm。

根据上述设计，本实施例中的两个移动光通信收发器实现了移动光通信，此时，默认在接收端的移动光通信收发器中，满足公式(8)和公式(11)的要求，即接收光束中心与接收准直透镜中心位置偏差不大于接收光束中心与接收准直透镜中心位置最大偏差，接收光束与接收准直透镜的夹角不大于接收光束与接收准直透镜的最大夹角。

以下从任一移动光通信收发器进行参数验证，分别从发射和接收两个角度分别验证。

移动光通信收发器发送光信号参数验证：根据上述设计的结构参数为：(1)TOSA中，发射光信号的波长λ＝1550nm，激光器发射功率W_o＝5mW；(2)发送光纤的型号为9um/125um(发送光纤的纤芯直径：9um，发送光纤的包层直径：125um)，发送光纤的模场直径为MFD＝10.5um@1550nm，其中1550nm表示光信号的波段；(3)激光器出射光耦合入发送光纤的损耗为η₁＝5％，通过测量获取；(4)发送准直透镜的f_T为25mm。

以下验证上述设计的移动光通信收发器结构参数是否满足设计要求：

(1)发射光信号的最大束腰距离代入公式(1)计算得：

即发射光信号的最大束腰距离z_max＝5.62m＞z_t＝5m，满足公式(2)的要求；

(2)光发射初始光斑直径D代入公式(3)计算得：

即光发射初始光斑直径D≈4.7mm＜5mm，满足要求；

(3)出射光束发散角θ代入公式(4)计算得：

即出射光束发散角θ≈0.42mrad＜5mrad，满足要求；

(4)移动光通信收发器出射光功率W_t代入公式(5)计算得：

W_t＝W_o·(1-η₁)＝5mW·(1-5％)＝4.75mW

即移动光通信收发器出射光功率W_t＝4.75mW＞2mW，满足要求。

在本实施例中接收端和发送端采用完全相同的移动光通信收发器，因此在满足上述发射结构参数的同时，以下对接收光信号时的移动光通信收发器结构参数进行设计。根据公式(6)，最大束腰距离大于等于移动光通信的通信距离时，D_r≈D≈4.7mm。

接收端移动光通信收发器接收到的光束来源于发送端移动光通信收发器的出射光束。根据接收性能参数设计的移动光通信收发器的接收结构参数为：(1)接收光纤采用两个多模光纤级联，级联的第一级的多模光纤数值孔径NA_r＝0.2，芯径ψ＝400um，级联的最后一级，即第二级的多模光纤芯径ψ＝50um(由ROSA中PIN的解释灵敏度要求设计)，接收光纤级联的损耗，即两级级联的多模光纤的损耗η₃＝20％，通过测量获取；(2)接收准直透镜f_r＝50mm；(3)接收光束耦合入接收光纤的损耗为η₂＝75％，通过测量获取；(4)ROSA中PIN的接收灵敏度S＝-15dBm。

以下验证上述设计的移动光通信收发器结构参数是否设定要求：

(1)接收光束中心与接收准直透镜中心位置最大偏差d_max代入公式(7)计算得：

d_max≤7.8mm

因此本实施例中设计得出的d_max区间包含满足设定的d_max不小于5mm，因此满足要求；

(2)接收光束与接收准直透镜的最大夹角β_max代入公式(9)和公式(10)计算得：

将β_max的单位角度换算为弧度为β_max＝7.99mrad，满足β_max不小于5mrad；

(3)ROSA处理的光功率W_R代入公式(12)和公式(13)计算得：

W_r＝W_t·(1-η₄)＝W_o·(1-η₁)·(1-η₄)＝5mW·(1-5％)·(1-50％)＝2.375mW

W_R＝W_r·(1-η₂)·(1-η₃)＝2.375mW·(1-75％)·(1-20％)＝0.475mW

即ROSA处理的光功率W_R＝0.475mW＝-13.23dBm，代入公式(14)得：

S＝-15dBm≤W_R＝-13.23dBm

即ROSA的接收灵敏度S满足要求。

整个移动光通信收发器的参数与移动光通信场景的需求有关，各个功能模块的参数均可以通过计算获得，所以本发明能够有效的覆盖解决各种移动光通信的场景。

在本发明中，可以对更换芯径更大的多模光纤，以及与多模光纤匹配的ROSA，在相同的光功率耦合效率的情况下，改善移动光通信收发器允许接收到的光束的d_max和β_max，即增加系统的“移动性”。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (12)

1.一种基于光模块架构的移动光通信收发器，其特征在于，包括：

电信号处理模块、光信号处理模块、光信号传输模块和天线模块；所述电信号处理模块用于实现移动光通信收发器与外界的电信号交互处理，所述光信号处理模块与电信号处理模块连接，用于实现移动光通信收发器内的光电信号转换，所述光信号处理模块通过光信号传输模块与天线模块连接，光信号传输模块用作光信号处理模块、天线模块之间的光信号传输媒介，所述天线模块用于移动光通信收发器内与外界的光信号交互处理，所述电信号处理模块、光信号处理模块构成光模块架构。

2.根据权利要求1所述的一种基于光模块架构的移动光通信收发器，其特征在于：所述光信号处理模块包括TOSA和ROSA，TOSA用于将电信号处理模块输出的电信号转为光信号，输出光信号至光信号传输模块；ROSA用于将光信号传输模块输出的光信号转为电信号，输出电信号至电信号处理模块。

3.根据权利要求2所述的一种基于光模块架构的移动光通信收发器，其特征在于：所述TOSA包括激光器，所述激光器用于根据电信号发射光信号，ROSA包括光电探测器PIN，光电探测器PIN用于将光信号转为电信号。

4.根据权利要求3所述的一种基于光模块架构的移动光通信收发器，其特征在于：所述激光器发射光信号时，光信号以光束进行无线光通信，光束波长根据移动光通信收发器的发射光信号的波长确定；激光器发射功率根据移动光通信收发器出射光功率确定。

5.根据权利要求3所述的一种基于光模块架构的移动光通信收发器，其特征在于：所述光电探测器PIN的接收灵敏度根据接收光束的光功率确定。

6.根据权利要求3所述的一种基于光模块架构的移动光通信收发器，其特征在于：所述光信号传输模块包括发送光纤和接收光纤，所述发送光纤为单模光纤，所述接收光纤为多模光纤；天线模块包括发送天线和接收天线，发送天线用于发散出射光束，接收天线用于汇聚接收光束；发送天线为发送准直透镜，接收天线为接收准直透镜。

7.根据权利要求6所述的一种基于光模块架构的移动光通信收发器，其特征在于：所述发送光纤的模场直径、发送准直透镜的焦距根据光发射初始光斑直径、出射光束发散角、发射光信号的最大束腰距离、收发器发射光信号波长确定，发射光信号的最大束腰距离根据移动光通信的通信距离确定。

8.根据权利要求6所述的一种基于光模块架构的移动光通信收发器，其特征在于：所述接收光纤的数值孔径、接收光纤的芯径、接收准直透镜的焦距根据接收光束与接收准直透镜中心位置最大偏差、接收光束与接收准直透镜的最大夹角、光接收聚焦光斑直径、接收光束的初始光斑直径、ROSA的型号确定。

9.根据权利要求8所述的一种基于光模块架构的移动光通信收发器，其特征在于：所述接收光纤为级联的若干个多模光纤，若干个多模光纤级联的第一级直接与接收准直透镜连接，若干个多模光纤级联的最后一级直接与ROSA连接。

10.根据权利要求9所述的一种基于光模块架构的移动光通信收发器，其特征在于：所述级联的第一级多模光纤芯径根据接收光束与接收准直透镜的最大夹角、光接收聚焦光斑直径、接收准直透镜的焦距确定，级联的最后一级多模光纤芯径根据ROSA的型号确定。

11.根据权利要求1所述的一种基于光模块架构的移动光通信收发器，其特征在于：所述光信号传输模块和天线模块通过通用光纤接口匹配连接。

12.一种基于光模块架构的移动光通信收发系统，所述系统包括至少两个移动光通信收发器，所述移动光通信收发器为权利要求广11任一所述的一种基于光模块架构的移动光通信收发器，所述至少两个移动光通信收发器实现移动光通信。

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