CN1203580C - 光学通讯系统接收天线 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种光学通讯系统接收天线，它包括探测器，其特征在于它还包括光锥和浸没透镜，浸没透镜置于光锥的小端，探测器置于浸没透镜的后表面。本发明将光锥的大端放在光学系统焦平面的附近，扩大了接收口径，增加了进入探测系统的光能量，另外较大的接收口径使探测器对接收光学系统的焦点不再那么敏感，从而使系统的光路调整简单易行，系统抗摇摆、震动等外界的干扰能力增强。而浸没透镜用以提高探测器的接收视角，使较小尺寸的探测器接收更大视场范围内的光信号，探测器尺寸越小，系统所能获得信噪比越高。浸没透镜还使接收光学系统到探测器的光程缩短，减少FSO系统的长度，使结构更加紧凑。
Description
一、技术领域
本发明涉及光学通讯系统，特别是一种采用辅助光学系统提高光信号接收性能的接收天线，可适合于但不限于自由空间光通信系统(FSO)。
二、背景技术
光纤通信与无线通信是当前的热门技术，而自由空间光通信系统是二者结合的产物，它既具有光纤通信的一些优点，也兼有无线通信的一些长处。与这两种技术相比，其独特之处如下：
与无线电通信(如微波)相比：不占用宝贵的无线电频率资源；电磁兼容性好、抗电磁干扰能力强、保密性好；信息容量大；体积小、重量轻、功耗低；具有比特率透明性，对传输信息的比特率、信号格式和编码都是透明的。
与光纤通信相比：建网和维护价格低廉；实际应用中线路建立快速，特别适合快速抢通；无线路租用费用；可移动的资产。
FSO技术既能提供类似光纤的速率，又不需在频谱这样的稀有资源方面有很大的初始投资，这是FSO技术最吸引人之处。FSO是一种视距技术，其最大用武之地在于接入层面。FSO优势是带宽可扩展，建设速度快，并且十分经济，是解决“最后一公里”瓶颈问题的最具可行性的方案之一。
典型的FSO系统主要由光学收、发天线和终端设备组成，长距离传送时增加相应的中继设备。(原先的图1是否还需要)
光学天线根据光的反射、折射等原理设计，发射点和接收点通常通过望远镜对准。各种天线设计的目的是提高接收处所能获得的光信号能量，增加传输距离和改善系统信噪比。目前FSO系统主要集中在发送光学天线和接收光学天线外部接收光学系统的设计，如：减少发射光束的发散角和增加接收天线面积；为避免大气信道中湍流、灰尘等对光束的阻碍，在发射端让激光在发出时偏离一定的角度(3-6微弧度)，在到达接收器时就会形成一个很大的光锥；发射端采用阵列光学天线发射，相应地在接收端也可采用阵列接收天线；在光学天线内光学系统的设计上，采用自适应变焦技术以解决大气信息道传输特性随机变化时对通信造成的不利影响。
FSO以激光(～THz)为载波、大气为传输介质实现大容量信息(10M～2.5G)的传递。通常以高斯光束模拟其传播特性，在发送端经电信号调制的激光通过发送光学系统的准直扩束后以毫弧度量级的发散角θ发出，又接收端光学系统的焦距为f，显然束腰处光斑为D0(＝fθ)，其大小约是数百微米。为将外部接收光学系统获得的光信号尽量耦合入探测器，探测器须置于光束束腰位置。
自由空间光通信所采用的通信波长有两个波段：780-850nm和1550nm，一般选用光电二极管半导体探测器，对应不同的波长和其它性能指标选择相应的器件。Si材料制成的光电二极管典型峰值响应波长为0.94um，其中P-I-N型和雪崩光电二极管(APD)的响应时间短，适合于高速场合应用。Ge材料的带隙宽度比Si小，在长波长领域有更高的灵敏度，但暗电流大，噪声较高。InGaAs光电二极管的工作波长与Ge相同，都在1-1.7um波长范围内，暗电流比Ge光电二极管低1-2个数量级。随着通信速率的提高，探测器的灵敏度受到了限制，且为保证系统的性能如信噪比等，探测器的尺寸也须减小，下表为1550nm波长时商用探测器灵敏度和尺寸与通信速率的关系。
不同速率下商用探测器的灵敏度和尺寸(1550nm)
| 传输速率 | 灵敏度(dBm) | 探测器尺寸(um) | |
| PD | APD | ||
| 155Mb/s | -36 | -43 | 300 |
| 1.25Gb/s | -26 | -33 | 75 |
| 2.5Gb/s | -23 | -29 | 50 |
| 10Gb/s | -14 | -- | 30 |
从以上的分析和数据可以得知，在接收光学系统的焦平面处(束腰位置)获得的光束尺寸通常大于探测器的接收窗口，并且随着通信速率的提高，两者比值显著拉大。另外为减少系统的体积和减轻重量，光学系统的焦距较小，因而也使得焦深很小，一旦偏离束腰位置，光斑显著增大，这对探测器放置位置提出了及其严格的要求。总之，用光信号探测器直接接收存在的问题是：1、探测器接收面积小于光斑时，会损失大量光能量，造成系统传输距离变短，信噪比下降，严重影响系统性能；随着通信速率提高，影响更明显。2、探测器与接收光学系统的配合调节极其困难，即使调整安装好以后，在受到诸如震动等影响时也会使探测器偏离束腰位置，从而严重损害系统性能。3、探测器端接收效果的影响远大于发送端光学天线、接收端光学系统和激光器等，极端严重的情况下会使目前FSO厂商在后述工作中的努力付诸东流。
如何让更多光能量耦合入其中，并且使系统更加稳定可靠，是目前FSO厂商和FSO技术研究人员的重点关注所在。除了在激光器、发送与接收光学系统上作研究外，改进探测器接收结构将是较好的技术方案。
三、发明内容
1、发明目的：本发明的目的是提供一种采用空心光锥和浸没透镜提高探测器接收能力且能改进系统稳定可靠性的光学通讯系统接收天线。
2、技术方案：为实现上述目的，本发明所述的光学通讯系统接收天线，包括探测器接收部分，其特征在于它还包括光锥和浸没透镜，浸没透镜置于光锥的小端，探测器置于浸没透镜的后表面。
光锥、浸没透镜和探测器组合成具有大范围接收光信号能力且稳定可靠、易于调节安装的探测器接收系统。
光锥为一种空心圆锥，在其内壁针对相应的波长(如780nm、850nm或1550nm)镀上一层高反射率膜。光锥的大端放在光学系统焦平面附近，收集光线并依靠光锥内壁多次反射传递到小端，其功能是增加接收口径，以收集更多的光能量。光锥也可以由有一定折射率的材料制成的实心圆锥。
浸没透镜是高折射率球冠状透镜，后表面为平面，探测器安装在浸没透镜的后平面。为固定起见，探测器可以用高折射率胶与浸没透镜的后平面粘接。浸没透镜用以提高探测器的接收视角，有效地缩小探测器尺寸和提高信噪比。
3、有益效果：本发明与现有技术相比，其显著优点是：将光锥的大端放在光学系统焦平面的附近，扩大了接收口径，增加了进入探测系统的光能量，另外较大的接收口径使探测器对接收光学系统的焦点不再那么敏感，从而使系统的光路调整简单易行，系统抗摇摆、震动等外界的干扰能力增强。而浸没透镜用以提高探测器的接收视角，使较小尺寸的探测器接收更大视场范围内的光信号，探测器尺寸越小，系统所能获得信噪比越高。浸没透镜还使接收光学系统到探测器的光程缩短，减少FSO系统的长度，使结构更加紧凑。
四、附图说明
图1为FSO系统结构示意图。
图2为FSO系统光束传播示意图。
图3为本发明结构示意图
五、具体实施方式
本发明所设计的光学通讯系统接收天线，其中探测器接收部分包括探测器1、空心光锥2和浸没透镜3。制作步骤是：根据系统整体设计要求确定D0、f、θ等参数。按D0、f、θ*(接收光学系统聚焦后的光束发散角)和探测器1的尺寸设计制造空心光锥2、浸没透镜3。将空心光锥2和浸没透镜3组合，用标准光源校准后机械固定。将探测器1的表面紧贴浸没透镜3的后表面并置于组合后的空心光锥2和浸没透镜3的光轴线上，用标准光源校准后采用高折射率胶粘接并固化。
Claims (5)
1、一种光学通讯系统接收天线，包括探测器(1)，其特征是：它还包括光锥(2)和浸没透镜(3)，浸没透镜(3)置于光锥(2)的小端，探测器(1)置于浸没透镜(3)的后表面。
2、根据权利要求1所述的光学通讯系统接收天线，其特征是：光锥(2)是一空心圆锥，在其内壁镀上一层高反射率膜。
3、根据权利要求1所述的光学通讯系统接收天线，其特征是：光锥(2)是一由折射率材料制成的实心圆锥。
4、根据权利要求1所述的光学通讯系统接收天线，其特征是：浸没透镜(3)是高折射率球冠状透镜，后表面为平面。
5、根据权利要求1或4所述的光学通讯系统接收天线，其特征是：探测器(1)通过高折射率胶粘接在浸没透镜(3)的后表面。
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