RU2782236C1 - Photoelectric receiving device of optical communication line - Google Patents
Photoelectric receiving device of optical communication line Download PDFInfo
- Publication number
- RU2782236C1 RU2782236C1 RU2021137224A RU2021137224A RU2782236C1 RU 2782236 C1 RU2782236 C1 RU 2782236C1 RU 2021137224 A RU2021137224 A RU 2021137224A RU 2021137224 A RU2021137224 A RU 2021137224A RU 2782236 C1 RU2782236 C1 RU 2782236C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- receiving device
- radiation
- photoelectric
- photodiode
- information
- Prior art date
Links
- 230000003287 optical Effects 0.000 title claims abstract description 45
- 238000004891 communication Methods 0.000 title claims abstract description 41
- 230000005611 electricity Effects 0.000 claims abstract description 10
- 238000004146 energy storage Methods 0.000 claims abstract description 6
- 239000003381 stabilizer Substances 0.000 claims abstract description 4
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N silicon Chemical compound [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 7
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 claims description 7
- 239000010703 silicon Substances 0.000 claims description 7
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 claims description 6
- 230000003595 spectral Effects 0.000 claims description 6
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 claims description 4
- 238000010521 absorption reaction Methods 0.000 claims description 3
- 229910000530 Gallium indium arsenide Inorganic materials 0.000 claims description 2
- 241000272194 Ciconiiformes Species 0.000 claims 2
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 abstract 2
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract 1
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 description 11
- 210000004544 DC2 Anatomy 0.000 description 9
- 239000011521 glass Substances 0.000 description 9
- 230000002530 ischemic preconditioning Effects 0.000 description 9
- 239000003365 glass fiber Substances 0.000 description 7
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 description 7
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 4
- 238000009826 distribution Methods 0.000 description 4
- 238000005286 illumination Methods 0.000 description 4
- 239000000463 material Substances 0.000 description 4
- 230000003071 parasitic Effects 0.000 description 4
- 229920000642 polymer Polymers 0.000 description 4
- 229920001296 polysiloxane Polymers 0.000 description 4
- 238000003860 storage Methods 0.000 description 4
- 210000000887 Face Anatomy 0.000 description 3
- 238000000137 annealing Methods 0.000 description 3
- 238000010030 laminating Methods 0.000 description 3
- 230000001681 protective Effects 0.000 description 3
- 239000003990 capacitor Substances 0.000 description 2
- 239000012141 concentrate Substances 0.000 description 2
- 239000000835 fiber Substances 0.000 description 2
- 230000036039 immunity Effects 0.000 description 2
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 2
- 239000007787 solid Substances 0.000 description 2
- 239000004544 spot-on Substances 0.000 description 2
- 239000000758 substrate Substances 0.000 description 2
- 238000002834 transmittance Methods 0.000 description 2
- 238000005452 bending Methods 0.000 description 1
- 230000002146 bilateral Effects 0.000 description 1
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 1
- 239000000969 carrier Substances 0.000 description 1
- 210000004027 cells Anatomy 0.000 description 1
- 238000001816 cooling Methods 0.000 description 1
- 230000003247 decreasing Effects 0.000 description 1
- 230000018109 developmental process Effects 0.000 description 1
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 1
- 235000019800 disodium phosphate Nutrition 0.000 description 1
- 238000006073 displacement reaction Methods 0.000 description 1
- 238000005265 energy consumption Methods 0.000 description 1
- 238000005755 formation reaction Methods 0.000 description 1
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 1
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 1
- 238000000034 method Methods 0.000 description 1
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 1
- 230000000051 modifying Effects 0.000 description 1
- 230000005693 optoelectronics Effects 0.000 description 1
- 238000006862 quantum yield reaction Methods 0.000 description 1
- 230000000087 stabilizing Effects 0.000 description 1
- 230000001702 transmitter Effects 0.000 description 1
- 230000003313 weakening Effects 0.000 description 1
Images
Abstract
Description
Изобретение относится к областям оптической связи и беспроводной передачи энергии, в частности к лазерным системам передачи информации, и может быть использовано для организации приема и передачи данных в пределах прямой видимости по атмосферному или космическому оптическому каналу на автономном узле связи, лишенном источника электропитания аппаратуры связи.The invention relates to the fields of optical communication and wireless power transmission, in particular to laser information transmission systems, and can be used to organize the reception and transmission of data within line of sight via an atmospheric or space optical channel at an autonomous communication node, devoid of a power supply for communication equipment.
В области передачи данных все большую нишу занимают оптоволоконные системы, характеризуемые высокой скоростью передачи данных, большой дальностью, помехозащищенностью. В настоящее время появились разработки в области передачи световой энергии по оптическому волокну с целью фотоэлектрического преобразования на оконечном устройстве для слаботочного электропитания аппаратуры оконечного устройства, исключая необходимость подведения электроэнергии по металлическим проводам, понижающего помехозащищенность и увеличивающего стоимость прокладывания коммуникационных сетей. В случаях, когда невозможно или нецелесообразно прокладывать оптоволоконную линию, устанавливают атмосферную оптическую линию связи (АОЛС). Применение АОЛС перспективно, когда узлы связи находятся в пределах прямой видимости, особенно, если хотя бы один из них размещен на подвижном объекте, или когда требуется организация временной линии связи.In the field of data transmission, an increasing niche is occupied by fiber optic systems, characterized by high data transmission speed, long range, and noise immunity. At present, developments have appeared in the field of light energy transmission through optical fiber for the purpose of photoelectric conversion at the terminal device for low-current power supply of the terminal device equipment, eliminating the need to supply electricity through metal wires, which reduces noise immunity and increases the cost of laying communication networks. In cases where it is impossible or impractical to lay a fiber optic line, an atmospheric optical communication line (AOLS) is installed. The use of AOLS is promising when communication nodes are within line of sight, especially if at least one of them is located on a moving object, or when a temporary communication line is required.
Известно устройство оптического приемника лазерной линии связи (см. патент RU 2126592, МПК Н04В 10/06, опубл. 20.02.1999), содержащее последовательно расположенные на оптической оси оптическую приемную систему (ОПС), голографический отражающий фильтр, светофильтр, первый и второй фотодетекторы, выходы которых электрически соединены с устройством обработки. Голографический отражающий фильтр расположен на оптической оси под углом а к оси между ОПС и светофильтром.A device for an optical receiver of a laser communication line is known (see patent RU 2126592, IPC
Устройство учитывает изменение фоновой обстановки в процессе приема сообщения, однако требует для своего функционирования наличия в устройстве источника электропитания.The device takes into account the change in the background environment in the process of receiving a message, however, it requires the presence of a power source in the device for its operation.
Известен приемник излучения лазерно-лучевого канала управления (см. патент RU 196583, МПК G01J 1/02, опубл. 05.03.2020), содержащий однолинзовый объектив и кремниевый фотодиод, установленные в корпусе. Линза объектива выполнена из цветного оптического инфракрасного (ИК) стекла с нижней границей полосы пропускания, близкой длине волны лазерного излучателя 1,06 мкм, например из цветного оптического ИК-стекла марки ИКС970. Выполнение линзы объектива из цветного оптического ИК-стекла позволяет упростить конструкцию приемника излучения и повысить коэффициент пропускания объектива.A radiation receiver of a laser-beam control channel is known (see patent RU 196583, IPC G01J 1/02, publ. 03/05/2020), containing a single-lens lens and a silicon photodiode installed in the housing. The lens of the objective is made of colored optical infrared (IR) glass with a lower passband limit close to the wavelength of the laser emitter of 1.06 μm, for example, colored optical IR glass of the IKS970 brand. The implementation of the lens of the objective of colored optical IR glass allows you to simplify the design of the radiation receiver and increase the transmittance of the lens.
Известный приемник лазерного канала управления предназначен для создания лазерных систем телеориентации движущихся объектов и, вследствие очень малой мощности принимаемого излучения, не может быть использован для создания полноценных оптических линий связи с беспроводным энергоснабжением.The known receiver of the laser control channel is designed to create laser teleorientation systems for moving objects and, due to the very low power of the received radiation, cannot be used to create full-fledged optical communication lines with wireless power supply.
Известен фотоэлектрический приемник системы оптической связи (см. патент RU 2154909, МПК Н04В 10/12, опубл. 20.08.2000), содержащий сверхпроводящий фотодетектор с восстанавливающимися после отжига свойствами, изменяемыми при радиационном и электромагнитном облучении, криогенную систему, блок установки и стабилизации рабочей точки и отжига, и демодулятор.A photoelectric receiver of an optical communication system is known (see patent RU 2154909, IPC
В известном фотоэлектрическом приемнике обеспечивается увеличение чувствительности к оптическому излучению в широком спектральном диапазоне за счет большой крутизны сверхпроводящего перехода. Недостатком известного фотоэлектрического приемника является сложность его конструкции и значительное ресурсо- или энергопотребление криогенной системы и установки отжига, что препятствует его использованию на автономном узле связи.The well-known photoelectric receiver provides an increase in sensitivity to optical radiation in a wide spectral range due to the high steepness of the superconducting transition. A disadvantage of the known photoelectric receiver is the complexity of its design and significant resource or energy consumption of the cryogenic system and annealing unit, which prevents its use on an autonomous communication node.
Известно фотоэлектрическое приемное устройство оптической линии связи (см. патент RU 2170491, МПК Н04В 10/12, опубл. 10.07.20001), включающее матрицу оптических датчиков, плоскость которой расположена перпендикулярно оптической оси линии связи, приемник излучения, расположенный в центре матрицы и связанный механически с матрицей, блок перемещения, блок управления, производящий вычисление координат энергетического центра пятна оптического излучения на указанной матрице и формирующий сигнал рассогласования между координатами энергетического центра пятна оптического излучения на матрице и центром приемной апертуры приемника.A photoelectric receiver of an optical communication line is known (see patent RU 2170491, IPC
Преимуществом известного фотоэлектрического приемного устройства является применение в его составе матрицы оптических датчиков, позволяющей осуществлять точную и динамически подстраиваемую юстировку положения приемника излучения и, при уменьшенной расходимости оптического излучения обеспечивать снижение требований к мощности передатчика, или увеличить дальность связи, или увеличить скорость и качество передачи информации. Недостатком известного фотоэлектрического приемного устройства являются большое количество оптоэлектронных компонент, что снижает его надежность, а также значительное энергопотребление на нужды блока перемещения, что препятствует его использованию при отсутствии канала беспроводного приема энергии.The advantage of the known photoelectric receiver is the use of a matrix of optical sensors in its composition, which allows for precise and dynamically adjustable adjustment of the position of the radiation receiver and, with a reduced divergence of optical radiation, to reduce the requirements for transmitter power, or increase the communication range, or increase the speed and quality of information transmission. . A disadvantage of the known photoelectric receiving device is a large number of optoelectronic components, which reduces its reliability, as well as significant power consumption for the needs of the movement unit, which prevents its use in the absence of a wireless power reception channel.
Известно фотоэлектрическое приемное устройство для атмосферной оптической связи (патент RU 2174741, МПК Н04В 10/10, опубл. 10.10.2001), включающее многоапертурную приемную антенну, состоящую из N (где N ≥ 2) приемных объективов, связанных с помощью волоконно-приемной шины, выполненной в виде N световолокон, с приемником, при этом входные торцы световолокон установлены в фокусе соответственно N приемных объективов, а выходные торцы N световолокон установлены в фокальной плоскости коллимирующего объектива приемного устройства. Приемное устройство также содержит последовательно установленные за коллимирующим объективом оптически и механически связанные диск автоматической регулировки усиления оптического сигнала, интерференционный фильтр, фокусирующий объектив, фотоприемник, нормирующий усилитель, блок формирования информационного потока, усилитель, пороговый блок, исполнительное устройство, блок управления приводом, на котором установлен диск автоматической регулировки усиления оптического сигнала.A photoelectric receiving device for atmospheric optical communication is known (patent RU 2174741, IPC
Достоинством известного приемного устройства является его способность за счет определенным образом расположенных приемных субапертур обеспечивать эффективную компенсацию флуктуаций сигнала, вызванных турбулентностью атмосферы, повышая надежность работы при любых атмосферных условиях. К недостаткам известного устройства можно отнести потери части принимаемого излучения из-за разнесенного характера приемных субапертур - приемных объективов, при котором излучение, попадающее между поверхностями объективов, не участвует в выработке информационного сигнала, что обуславливает необходимость использования более мощных источников излучения и приводит к снижению энергетической эффективности устройства.The advantage of the known receiving device is its ability to provide effective compensation for signal fluctuations caused by atmospheric turbulence due to a certain way arranged receiving sub-apertures, increasing the reliability of operation under any atmospheric conditions. The disadvantages of the known device include the loss of part of the received radiation due to the spaced nature of the receiving subapertures - receiving lenses, in which the radiation falling between the surfaces of the lenses does not participate in the generation of the information signal, which necessitates the use of more powerful radiation sources and leads to a decrease in energy device efficiency.
Известно фотоэлектрическое приемное устройство оптической линии связи (см. патент RU 56097, МПК Н04В 11/00, Н04В 10/10, опубл. 27.08.2006), включающее инфракрасный приемник, блок преобразования, содержащий усилитель, устройство сравнения сигналов (компаратор), электронный ключ. Инфракрасный приемник дополнительно оборудован индивидуальным параболическим отражателем с линзой, причем инфракрасный приемник установлен стационарно в пределах прямой видимости.A photoelectric receiver of an optical communication line is known (see patent RU 56097, IPC
Достоинством известного приемного устройства является простота его конструкции. В качестве недостатка можно указать на неоптимальное расположение друг относительно друга концентрирующих элементов - линзы и параболического зеркала, обладающих дублирующими функциями.The advantage of the known receiving device is the simplicity of its design. As a disadvantage, one can point to the non-optimal location relative to each other of the concentrating elements - the lens and the parabolic mirror, which have duplicate functions.
Известно фотоэлектрическое приемное устройство беспроводной оптической линии связи (см. патент RU 2451397, МПК Н04В 10/10, опубл. 02.05.2012), включающее расположенные один за другим фокусирующий объектив, узкополосный светофильтр и фотоприемник, при этом в фотоприемнике установлен матричный концентратор оптического излучения, состоящий из матрицы короткофокусных фокусирующих линзовых элементов и матрицы призменных отклоняющих элементов.A photoelectric receiver of a wireless optical communication line is known (see patent RU 2451397, IPC
Известное фотоэлектрическое приемное устройство позволяет концентрировать приходящее информационное оптическое излучение на фоточувствительной поверхности фотоприемника малой площади даже в случае отклонения направления падения излучения от оптической оси концентратора. Недостатками известного устройства являются большое количество поверхностей оптической концентрирующей системы на пути излучения, что приводит к паразитным отражениям на этих поверхностях и ослаблению оптического информационного сигнала, а также необходимость наличия в устройстве источника электропитания.Known photoelectric receiver allows you to concentrate the incoming information optical radiation on the photosensitive surface of the photodetector of a small area, even if the direction of incidence of radiation from the optical axis of the concentrator. The disadvantages of the known device are a large number of surfaces of the optical concentrating system in the path of radiation, which leads to spurious reflections on these surfaces and the weakening of the optical information signal, as well as the need for a power source in the device.
Известен приемник излучения лазерно-лучевого канала управления (см. патент RU 157846, МПК G01J 1/02, опубл. 20.12.2015), включающий однолинзовый объектив и кремниевый фотодиод, установленные в корпусе, причем линза объектива выполнена из цветного оптического ИК-стекла с нижней границей полосы пропускания, близкой длине волны лазерного излучателя 1,06 мкм, имеющего полосу пропускания от 0,96 мкм до 2,4 мкм.Known radiation receiver laser-beam control channel (see patent RU 157846, IPC
Достоинством известного приемника является упрощение конструкции, в результате чего повысился коэффициент пропускания объектива и снизилась трудоемкость изготовления и себестоимость приемника за счет уменьшения количества и упрощения его конструктивных элементов. К недостаткам следует отнести неспособность однолинзовой конструкции объектива эффективно концентрировать на фотодиоде излучение, направление распространения которого отклоняется от оптической оси объектива.The advantage of the known receiver is the simplification of the design, as a result of which the transmittance of the lens has increased and the labor intensity of manufacturing and the cost of the receiver have decreased by reducing the number and simplifying its structural elements. The disadvantages include the inability of the single-lens design of the lens to effectively concentrate radiation on the photodiode, the direction of propagation of which deviates from the optical axis of the lens.
Известно фотоэлектрическое приемное устройство оптической линии связи (см. заявка JP 2009027215, МПК Н04В 10/04, H01L 31/0232, H01L 31/10, Н04В 10/02, Н04В 10/06, Н04В 10/14, опубл. 05.02.2009), совпадающее с настоящим техническим решением по наибольшему числу существенных признаков и принятое за прототип. Фотоэлектрическое приемное устройство-прототип включает концентратор информационного излучения, состоящий из фокусирующий линзы, в фокусе которого установлен фотодиод для приема информационного света, подключенный к электронному блоку обработки информационных сигналов, выход которого предназначен для подключения к входу активного оборудования автономного узла связи, фотоэлектрический преобразователь для приема энергии света, снабженный электродом для отвода электроэнергии и смещения фотодиода, и подключенный электродом к устройству накопления электроэнергии в виде конденсатора, подключенного к фотодиоду и фотоэлектрическому преобразователю в точке их последовательного соединения анодом одного к катоду другого, при этом другой конец конденсатора соединен электрически с землей. Ток насыщения фотоэлектрического преобразователя должен быть больше тока насыщения фотодиода. Излучение на фотодиод и фотоэлектрический преобразователь подается с помощью оптического волокна и фокусируется линзой. Фоточувствительные поверхности фотодиода и фотоэлектрического преобразователя могут быть смещены друг относительно друга в плоскости подложки, при этом используется осветительный жгут из двух оптических волокон, или полупроводниковые слои фотодиода могут быть сформированы на поверхности фотоэлектрического преобразователя, выращенного на несущей подложке, в этом случае применяется одно оптическое волокно, по которому одновременно распространяются сигнальное и питающее излучения, а длины их волн различаются.A photoelectric receiver of an optical communication line is known (see application JP 2009027215, IPC
Задачей настоящего технического решения является разработка фотоэлектрического приемного устройства оптической линии связи, которое бы не требовало как подводки проводной линии электропитания, так и использования энергонакопителя с большими значениями массогабаритных характеристик для долговременного электропитания автономного узла связи.The objective of this technical solution is to develop a photoelectric receiver of an optical communication line that would not require both a wired power supply line and the use of an energy storage device with large weight and size characteristics for long-term power supply of an autonomous communication node.
Поставленная задача решается тем, что фотоэлектрическое приемное устройство оптической линии связи включает по меньшей мере один концентратор информационного излучения, в фокусе которого установлен фотодиод, подключенный к электронному блоку обработки информационных сигналов, выход которого предназначен для подключения к входу активного оборудования автономного узла связи, по меньшей мере один фотоэлектрический преобразователь для приема энергии излучения, снабженный электродами для отвода электроэнергии и подключенный электродами к накопителю электроэнергии. Новым в фотоэлектрическом приемном устройстве является то, что фотоэлектрический преобразователь, предназначенный для приема мощного лазерного излучения, установлен перед концентратором информационного излучения, фотодиод выполнен в виде быстродействующего инфракрасного фотодиода, электронный блок обработки информационных сигналов включает последовательно соединенные усилитель, компаратор, триггер Шмидта и декодер, а перед накопителем электроэнергии установлены последовательно соединенные DC-преобразователь-стабилизатор напряжения постоянного тока и регулятор заряда для накопителя электроэнергии.The problem is solved by the fact that the photoelectric receiver of the optical communication line includes at least one information radiation concentrator, in the focus of which there is a photodiode connected to an electronic information signal processing unit, the output of which is intended for connection to the input of the active equipment of an autonomous communication node, at least at least one photoelectric converter for receiving radiation energy, equipped with electrodes for removing electricity and connected by electrodes to an electricity storage device. What is new in the photoelectric receiver is that a photoelectric converter designed to receive high-power laser radiation is installed in front of the information radiation concentrator, the photodiode is made in the form of a high-speed infrared photodiode, the electronic information signal processing unit includes an amplifier, a comparator, a Schmidt trigger and a decoder connected in series, and a series-connected DC-converter-DC voltage stabilizer and a charge regulator for the electric power storage device are installed in front of the electric power storage device.
Концентратор может быть выполнен в виде фокусирующего параболоторического зеркала.The concentrator can be made in the form of a focusing parabolic mirror.
Концентратор может быть выполнен в виде конического фокона, в частности, пирамидального, с фокусирующей линзой, размещенной в плоскости широкого края фокона и вписанной в его апертуру.The concentrator can be made in the form of a conical focon, in particular, pyramidal, with a focusing lens placed in the plane of the wide edge of the focon and inscribed in its aperture.
Фокусирующая линза может быть выполнена в виде линзы Френеля.The focusing lens can be made in the form of a Fresnel lens.
Фокусирующая линза может быть выполнена в виде плоско-выпуклой линзы.The focusing lens can be made in the form of a plano-convex lens.
Фокон может быть выполнен с зеркальной внутренней поверхностью. Фокон может быть выполнен с зачерненной матовой внутренней поверхностью.The focon can be made with a mirrored inner surface. The focon can be made with a blackened matte inner surface.
Перед быстродействующим инфракрасным фотодиодом может быть установлен светофильтр.A light filter can be installed in front of the fast infrared photodiode.
Быстродействующий фотодиод может быть выполнен на основе лавинной или pin-структуры на основе Ge или на основе InGaAs полупроводниковых структур со спектральной полосой поглощения в инфракрасной области.The high-speed photodiode can be made on the basis of an avalanche or pin structure based on Ge or on the basis of InGaAs semiconductor structures with a spectral absorption band in the infrared region.
Оба электрода на противоположных поверхностях фотоэлектрического преобразователя для приема энергии лазерного излучения могут быть выполнены в виде сетки.Both electrodes on opposite surfaces of the photoelectric converter for receiving laser radiation energy can be made in the form of a grid.
Фотоэлектрический преобразователь может быть выполнен на основе кремниевой HJT-структуры с двусторонней чувствительностью.The photoelectric converter can be made on the basis of a silicon HJT structure with two-sided sensitivity.
Фотоэлектрический преобразователь должен обладать значительным внешним квантовым выходом на длине волны лазерного излучения, передающего энергию, и иметь относительно большую площадь для сбора максимального количества лазерного излучения, имеющего особенность расходиться на значительном расстоянии от источника, а также для обеспечения эффективного конвективного охлаждения и сброса излишков тепла, выделяющегося в фотоэлектрическом преобразователе при поглощении излучения, которое не было преобразовано в электричество, что должно предотвратить уменьшение эффективности фотоэлектрического преобразования из-за паразитного нагрева. Плоскость фотоэлектрического преобразователя может образовывать небольшой угол с плоскостью, перпендикулярной оси информационного луча, величина которого зависит от расходимости информационного излучения и расстояния между узлами связи, обеспечивающий отсутствие зеркального отражения информационного луча в направлении его излучателя. Фотоэлектрический преобразователь может быть изготовлен, например, на основе кремниевой HJT-структуры, используемой для серийного производства солнечных элементов, с двусторонней чувствительностью. Для обеспечения работоспособности фотоэлектрического приемного устройства фотоэлектрический преобразователь должен иметь конструкцию, обеспечивающую пропускание существенной доли информационного излучения, например, иметь тыльный электрод в виде светопропускающей контактной сетки, а его материалы не должны обладать значительным поглощением в спектральном диапазоне информационного излучения. Длины волн энергетического и информационного излучений должны соответствовать спектральным «окнам» прозрачности атмосферы в случае организации атмосферной линии связи и могут удовлетворять требованию невидимости для человеческого глаза. При этом излучение лазера, передающего энергию, должно лежать в спектральном диапазоне, в котором излучение будет практически полностью поглощаться в фотоэлектрическом преобразователе и не влиять на работоспособность быстродействующего фотодиода. В практическом плане это означает, что длина волны излучения энергетического лазера должна быть короче, чем длина волны информационного излучения, например, энергетический лазер излучает на длине волны (0,78-1,0) мкм, а быстродействующий инфракрасный фотодиод принимает излучение на длине волны (1,2-1,55) мкм. Расположенный перед быстродействующим фотодиодом фотоэлектрический преобразователь будет защищать фотодиод от части внешней паразитной засветки, выполняя роль дополнительного светофильтра. Непосредственно над фоточувствительной поверхностью быстродействующего фотодиода может быть размещен светофильтр, защищающий фотодиод от внешнего паразитного излучения в диапазоне оптической прозрачности фотоэлектрического преобразователя. Информационный фотодиод должен иметь малую площадь фоточувствительной поверхности для уменьшения его электрической емкости и повышения быстродействия, а для повышения уровня регистрируемого информационного сигнала должен использоваться концентратор, собирающий на фотодиод информационное излучение с относительно большой площади. В случае применения в качестве концентратора фокусирующей линзы и конического фокона с зеркальной внутренней поверхностью, последний обеспечивает отражение части рассеянного или отклоненного от оптической оси концентратора информационного излучения на фоточувствительную поверхность быстродействующего фотодиода, располагаемого в вершине фокона. Фокон может иметь внутреннюю поверхность, выполненную из черного матового материала, для предотвращения переотражения на фоточувствительную поверхность быстродействующего фотодиода излучения, поступающего по направлению, не параллельному оптической оси концентратора, с целью геометрического выделения в пространстве узкого телесного угла, на оси которого находится источник оптического информационного излучения и уменьшения, таким образом, паразитной засветки быстродействующего фотодиода излучением, приходящим из остального пространства вне указанного телесного угла, что применимо в случае, если уровень прямого информационного излучения достаточен для его уверенного приема, а направление на источник информационного излучения может выдерживаться с достаточной высокой точностью. В случае, если апертура лазерного луча, передающего энергию, вблизи фотоэлектрического приемного устройства занимает большую площадь, и требуется вырабатывать большую электрическую энергию для питания более мощной нагрузки, то может использоваться несколько фотоэлектрических преобразователей, возможно, различных форм и размеров, размещаемых в одной плоскости, образующих фотоприемную панель с большой суммарной площадью фоточувствительных поверхностей и максимально плотной упаковкой фотоэлектрических преобразователей, технологические зазоры между которыми заполняются непрозрачным для излучения энергетического лазера материалом, при этом фотоприемная панель должна обладать центром симметрии и позволять формировать из фотоэлектрических преобразователей группы, в каждой из которых фотоэлектрические преобразователи будут электрически соединяться параллельно, каждая группа будет генерировать примерно одинаковый фототок при условии центросимметричного распределения интенсивности энергетического луча в плоскости фотоприемной панели и совпадении их центров симметрии, а группы между собой должны электрически соединяться последовательно. Для экономии полупроводниковых материалов и уменьшения себестоимости фотоприемной панели может применяться не плотная упаковка фотоэлектрических преобразователей в общей плоскости, а их размещение с промежутками, которые заполняются отражателями в виде пирамид (или их отдельных граней) с зеркальными внешними поверхностями граней, отражающими падающее на них лазерное излучение на поверхности фотоэлектрических преобразователей, что позволяет выбирать такое расположение фотоэлектрических преобразователей стандартной формы и размера, при котором фотогенерируемые в каждом из них токи будут близки по своим значениям, что упростит коммутацию между ними и повысит общую эффективность фотоприемной панели. Если при этом апертура информационного луча также имеет большую площадь вблизи фотоэлектрического приемного устройства, и необходимо увеличивать чувствительность фотоэлектрического приемного устройства к информационным сигналам, то позади фотоприемной панели вплотную к ней может быть размещен массив концентраторов с быстродействующими фотодиодами, образующий осесимметричную фигуру, ось которой перпендикулярна плоскости фотоприемной панели и проходит через ее центр симметрии. При этом светособирающая поверхность массива концентраторов не выступает за края фоточувствительной поверхности фотоприемной панели. Быстродействующие фотодиоды рекомендуется подключать с внешним смещением и электрически соединить параллельно, при этом электронный блок должен быть оптимизирован для обработки импульсов тока.The photovoltaic converter must have a significant external quantum yield at the wavelength of the laser radiation that transmits energy, and have a relatively large area to collect the maximum amount of laser radiation, which has the peculiarity to diverge at a considerable distance from the source, as well as to ensure efficient convective cooling and discharge of excess heat, released in the photovoltaic converter when absorbing radiation that has not been converted into electricity, which should prevent a decrease in the efficiency of photovoltaic conversion due to parasitic heating. The plane of the photoelectric converter can form a small angle with a plane perpendicular to the axis of the information beam, the value of which depends on the divergence of the information radiation and the distance between the communication nodes, ensuring that there is no specular reflection of the information beam in the direction of its emitter. The photovoltaic converter can be made, for example, based on a silicon HJT structure used for mass production of solar cells, with two-sided sensitivity. To ensure the operability of the photoelectric receiving device, the photoelectric converter must have a design that provides transmission of a significant fraction of information radiation, for example, have a rear electrode in the form of a light-transmitting contact grid, and its materials must not have significant absorption in the spectral range of information radiation. The wavelengths of energy and information radiation must correspond to the spectral "windows" of atmospheric transparency in the case of organizing an atmospheric communication line and can satisfy the requirement of invisibility for the human eye. In this case, the radiation of the laser transmitting energy must lie in the spectral range in which the radiation will be almost completely absorbed in the photoelectric converter and not affect the performance of the high-speed photodiode. In practical terms, this means that the energy laser radiation wavelength must be shorter than the information radiation wavelength, for example, an energy laser emits at a wavelength of (0.78-1.0) μm, and a high-speed infrared photodiode receives radiation at a wavelength of (1.2-1.55) µm. The photoelectric converter located in front of the high-speed photodiode will protect the photodiode from part of the external parasitic illumination, acting as an additional light filter. Directly above the photosensitive surface of the high-speed photodiode, a light filter can be placed that protects the photodiode from external spurious radiation in the range of optical transparency of the photoelectric converter. An information photodiode should have a small area of the photosensitive surface to reduce its electrical capacitance and increase its speed, and to increase the level of the recorded information signal, a concentrator should be used that collects information radiation from a relatively large area on the photodiode. If a focusing lens and a conical focon with a mirror inner surface are used as a concentrator, the latter provides reflection of a part of the information radiation concentrator scattered or deviated from the optical axis onto the photosensitive surface of a high-speed photodiode located at the top of the focon. Focon can have an inner surface made of black matte material to prevent re-reflecting onto the photosensitive surface of a high-speed photodiode of radiation coming in a direction not parallel to the optical axis of the concentrator, in order to geometrically highlight a narrow solid angle in space, on the axis of which there is a source of optical information radiation and thus reducing the parasitic illumination of the high-speed photodiode by radiation coming from the rest of the space outside the specified solid angle, which is applicable if the level of direct information radiation is sufficient for its reliable reception, and the direction to the source of information radiation can be maintained with sufficient high accuracy. In the event that the aperture of the laser beam transmitting energy near the photoelectric receiving device occupies a large area, and it is required to generate more electrical energy to power a more powerful load, then several photoelectric converters can be used, possibly of different shapes and sizes, placed in the same plane, forming a photodetector panel with a large total area of photosensitive surfaces and the most dense packing of photoelectric converters, the technological gaps between which are filled with a material opaque for energy laser radiation, while the photodetector panel must have a center of symmetry and allow forming groups of photoelectric converters, each of which contains photoelectric converters will be electrically connected in parallel, each group will generate approximately the same photocurrent under the condition of a centrosymmetric distribution of the intensity of the energy about the beam in the plane of the photodetector panel and the coincidence of their centers of symmetry, and the groups must be electrically connected to each other in series. To save semiconductor materials and reduce the cost of a photodetector panel, it is possible to use not dense packing of photoelectric converters in a common plane, but their placement with gaps that are filled with reflectors in the form of pyramids (or their individual faces) with mirror outer surfaces of the faces that reflect the laser radiation incident on them. on the surface of photovoltaic converters, which makes it possible to choose such an arrangement of photovoltaic converters of a standard shape and size, in which the currents photogenerated in each of them will be close in their values, which will simplify switching between them and increase the overall efficiency of the photodetector panel. If in this case the aperture of the information beam also has a large area near the photoelectric receiving device, and it is necessary to increase the sensitivity of the photoelectric receiving device to information signals, then behind the photodetector panel, close to it, an array of concentrators with fast photodiodes can be placed, forming an axisymmetric figure, the axis of which is perpendicular to the plane photodetector panel and passes through its center of symmetry. In this case, the light-collecting surface of the array of concentrators does not protrude beyond the edges of the photosensitive surface of the photodetector panel. High-speed photodiodes are recommended to be connected with external bias and electrically connected in parallel, while the electronic unit must be optimized for processing current pulses.
Настоящее техническое решение поясняется чертежами, где:This technical solution is illustrated by drawings, where:
на фиг.1 представлена структура фотоэлектрического приемного устройства оптической линии связи в форме блок-схемы;figure 1 shows the structure of the photoelectric receiving device of the optical communication line in the form of a block diagram;
на фиг.2 показана в увеличенном масштабе область А фокусирующей линзы и фотоэлектрического преобразователя, указанная на фиг.1.FIG. 2 is an enlarged view of the area A of the focusing lens and photoelectric converter shown in FIG. 1. FIG.
Настоящее фотоэлектрическое приемное устройство оптической линии связи (см. фиг.1) включает, например, три плоских с относительно большой площадью фотоэлектрических преобразователя 1 мощного лазерного излучения с двусторонней чувствительностью, каждый из которых заключен (см. фиг.2) между защитной прозрачной полимерной ламинирующей пленкой 2 и осветленным стеклом 3, предохраняющим фотоэлектрический преобразователь 1 от изгибов. На поверхности осветленного стекла 3, противоположной от фотоэлектрического преобразователя 1, сформирована фокусирующая линза 4, например, линза Френеля или плоско-выпуклая линза. Фокусирующая линза 4 выполнена, например, из прозрачного силикона, и фокусирует прошедшее через фотоэлектрический преобразователь 1 информационное излучение на быстродействующем фотодиоде 5, защищенном от паразитной засветки светофильтром б. Жесткая рамка 7 соединяет в единую конструкцию осветленное стекло 3 с расположенными на нем фотоэлектрическим преобразователем 1, защитной прозрачной полимерной ламинирующей пленкой 2 и фокусирующей линзой 4 с быстродействующим фотодиодом Бис коническим фоконом 7, например, с зеркальной внутренней поверхностью. Фокон 7 (см. фиг.1) занимает промежуток между фокусирующей линзой 4 и быстродействующим фотодиодом 5, образуя вместе с фокусирующей линзой 4 концентратор 8 информационного излучения. Быстродействующие фотодиоды 5 подключены параллельно к первой коммутационной плате (КП1) 9, выход которой подключен к входу электронного блока 10 для обработки информационных сигналов, содержащего последовательно соединенные усилитель (У) 11, ВЧ-преобразователь (ВЧП) 12 с компаратором и триггером Шмидта (на чертеже не показаны) и декодер (Д) 13, выход которого предназначен для подключения к входу активного оборудования (ОУС) 14 автономного узла связи. Фотоэлектрические преобразователи 1 для приема энергии лазерного излучения снабжены электродами 15 для отвода электроэнергии, установлены перед концентраторами 8 информационного излучения и подключены электродами 15 к второй коммутационной плате (КП2) 16, выход которой соединен с входом устройства 17 преобразования и накопления электроэнергии, включающего последовательно соединенные DC-преобразователь-стабилизатор (ДСП) 18 напряжения постоянного тока, регулятор заряда (РЗ) 19 и накопитель электроэнергии (НЭ) 20 (например, в виде аккумулятора или ионистора), подключаемый к цепи электропитания электронного блока 10 и к цепи электропитания ОУС 14.This photoelectric receiver of the optical communication line (see figure 1) includes, for example, three flat with a relatively large area
Настоящее фотоэлектрическое приемное устройство оптической линии связи работает следующим образом.The present photoelectric optical link receiver operates as follows.
На одном из узлов связи по открытому оптическому каналу, например, лазерной связи, выступающем в качестве станции абонентского доступа, формируют два оптических луча, один из которых - мощный лазерный с непрерывным ли квазинепрерывным, например, невидимым для человеческого глаза, излучением с длиной волны, например, (0,78-1,0) мкм, предназначенный для передачи энергии, другой - высокочастотно модулированный, например, лазерный, с длиной волны, например, (1,2-1,55) мкм, предназначенный для передачи данных. Диаграмма направленности каждого из лучей формируется своим коллиматором, обеспечивающим заданную, как правило, минимальную, расходимость и распределение интенсивности в апертуре луча, близкое к равномерному (с «плоской» вершиной). Выходные коллиматоры располагают рядом друг с другом, а выходящие лучи направляют в одну точку на удаленном автономном узле связи. С учетом значительных расстояний передачи по лазерным линиям связи два луча можно считать параллельными, их апертуры на удаленном автономном узле связи - совпадающими. На автономном узле связи размещают настоящее фотоэлектрическое приемное устройство. Центр фотоприемной панели совмещают с центром апертуры лучей. Более коротковолновое мощное лазерное излучение, прошедшее через защитную полимерную ламинирующую пленку 2 и попавшее в кремниевую HJT-структуру фотоэлектрических преобразователей 1 фотоприемной панели, полностью поглощается в указанной структуре, участвуя в фотоэлектрическом преобразовании. Более длинноволновое информационное излучение, частично рассеиваясь и отражаясь на границах раздела между полимерной пленкой 3 и кремниевой HJT-структурой фотоэлектрического преобразователя 1, кремниевой HJT-структурой и осветленным стеклом 3, осветленным стеклом 3 и силиконом фокусирующей линзы 4 (например, линзы Френеля), силиконом фокусирующей линзы 4 и воздухом, проходит через полимерную пленку 2, фотоэлектрический преобразователь 1 (практически не поглощаясь в нем), осветленное стекло 3 и силикон фокусирующей линзы 4 и далее фокусируется фокусирующими линзами 4 на фоточувствительных поверхностях массива быстродействующих фотодиодов 5. Часть информационного излучения, прошедшего через фокусирующую линзу Френеля 4, но рассеявшегося на ее гранях, или при падении на фокусирующую линзу 4 имевшего направление, отличающееся от нормального к плоскости фокусирующей линзы 4 так, что оно фокусируется вне фоточувствительной поверхности быстродействующего фотодиода 5, попадает на зеркальную внутреннюю поверхность фокона 7 и в значительной доле переотражается на поверхность фотодиода 5. Также фокон 7 защищает быстродействующий фотодиод 5 от паразитной внешней боковой засветки. Часть информационного излучения, дошедшего до фоточувствительной поверхности быстродействующего фотодиода 5, преобразуется в нем в фототок. Быстродействующие фотодиоды 5 предпочтительно включать с внешним смещением для увеличения быстродействия. Быстродействующие фотодиоды 5 массива фотодиодов подключены к КП1 9, в которой они электрически соединены параллельно для сложения их фототоков. Суммарный фототок поступает на У 11 электронного блока 10 для обработки информационных сигналов, затем усиленный сигнал поступает на ВЧП 12, в котором компаратором отсекаются импульсы с амплитудой, меньшей заданного значения, что существенно улучшает соотношение сигнал/шум, а пропущенные импульсы с достаточной амплитудой подаются на триггер Шмидта, на выходе которого формируются импульсы заданной формы, амплитуды и длительности. Далее сформированные «стандартизованные» импульсы поступают в Д 13, который формирует поток информационных данных в соответствии с протоколом, принимаемым активным оборудованием ОУС 14. Электрическое питание активного оборудования ОУС 14, а также электронных компонент электронного блока 10 осуществляется за счет энергии лазерного излучения, поглощенной и преобразованной фотоэлектрическими преобразователями 1 фотоприемной панели. Фотоэлектрические преобразователи 1 одной группы внутри фотоприемной панели с применением байпасных диодов электрически соединены параллельно. Группы формируются исходя из центрально-симметричного расположения фотоэлектрических преобразователей 1 таким образом, чтобы каждая группа генерировала примерно одинаковый фототок. Этот подход особенно актуален в случае центро-симметричного, но не равномерного распределения интенсивности в апертуре энергетического луча, например, Гауссового распределения. Выходы каждой группы фотоэлектрических преобразователей 1, подсоединены к КП2 16, в которой группы между собой электрически соединяют последовательно. КП2 16 подключена к ДСП 18, который подает «стандартизованное» питание на РЗ 19, обеспечивающий подзарядку НЭ 20, который, в свою очередь, обеспечивает непрерывное помехозащищенное электропитание активного оборудования ОУС 14, а также электронных компонент и устройств электронного блока 10.On one of the communication nodes via an open optical channel, for example, a laser communication, acting as a subscriber access station, two optical beams are formed, one of which is a powerful laser with continuous or quasi-continuous, for example, invisible to the human eye, radiation with a wavelength for example, (0.78-1.0) µm, intended for power transmission, another - high-frequency modulated, for example, laser, with a wavelength, for example, (1.2-1.55) µm, intended for data transmission. The radiation pattern of each of the beams is formed by its own collimator, which provides a given, as a rule, minimum divergence and an intensity distribution in the beam aperture that is close to uniform (with a "flat" top). The output collimators are located next to each other, and the output beams are directed to one point at a remote autonomous communication node. Taking into account the significant distances of transmission along laser communication lines, two beams can be considered parallel, their apertures at a remote autonomous communication node - coinciding. A real photoelectric receiving device is placed on an autonomous communication node. The center of the photodetector panel is aligned with the center of the beam aperture. The shorter-wavelength high-power laser radiation that has passed through the protective
Claims (10)
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2782236C1 true RU2782236C1 (en) | 2022-10-25 |
Family
ID=
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU220812U1 (en) * | 2023-06-19 | 2023-10-04 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Благовещенский государственный педагогический университет" | Infrared radiation receiver for conducting a physical demonstration experiment |
Citations (7)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2126592C1 (en) * | 1997-12-29 | 1999-02-20 | Военная академия Ракетных войск стратегического назначения им. Петра Великого | Optical receiving device of laser communication line |
US6025946A (en) * | 1996-08-30 | 2000-02-15 | Sony Corporation | Transmission device and transmission method |
WO2000048338A1 (en) * | 1999-02-11 | 2000-08-17 | Quantumbeam Limited | Optical free space signalling system |
RU2174741C1 (en) * | 2000-12-19 | 2001-10-10 | Прохоров Дмитрий Владимирович | Optical air communication device |
JP2009027215A (en) * | 2007-07-17 | 2009-02-05 | Ntt Electornics Corp | Optical receiver |
RU2451397C2 (en) * | 2009-10-14 | 2012-05-20 | Корпорация "САМСУНГ ЭЛЕКТРОНИКС Ко., Лтд." | Optical communication system device with automatic aiming of light beam onto information receiver |
RU196583U1 (en) * | 2015-04-28 | 2020-03-05 | Российская Федерация, от имени которой выступает Министерство обороны Российской Федерации | Laser radiation channel control receiver |
Patent Citations (7)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US6025946A (en) * | 1996-08-30 | 2000-02-15 | Sony Corporation | Transmission device and transmission method |
RU2126592C1 (en) * | 1997-12-29 | 1999-02-20 | Военная академия Ракетных войск стратегического назначения им. Петра Великого | Optical receiving device of laser communication line |
WO2000048338A1 (en) * | 1999-02-11 | 2000-08-17 | Quantumbeam Limited | Optical free space signalling system |
RU2174741C1 (en) * | 2000-12-19 | 2001-10-10 | Прохоров Дмитрий Владимирович | Optical air communication device |
JP2009027215A (en) * | 2007-07-17 | 2009-02-05 | Ntt Electornics Corp | Optical receiver |
RU2451397C2 (en) * | 2009-10-14 | 2012-05-20 | Корпорация "САМСУНГ ЭЛЕКТРОНИКС Ко., Лтд." | Optical communication system device with automatic aiming of light beam onto information receiver |
RU196583U1 (en) * | 2015-04-28 | 2020-03-05 | Российская Федерация, от имени которой выступает Министерство обороны Российской Федерации | Laser radiation channel control receiver |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU220812U1 (en) * | 2023-06-19 | 2023-10-04 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Благовещенский государственный педагогический университет" | Infrared radiation receiver for conducting a physical demonstration experiment |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US7619159B1 (en) | Integrating sphere photovoltaic receiver (powersphere) for laser light to electric power conversion | |
CN108594206B (en) | Light transmission module, laser emission module, laser radar system and vehicle | |
CN103513348B (en) | Chip of light waveguide and PD array lens coupling device | |
AU2006227140B2 (en) | Multi-junction solar cells with an aplanatic imaging system | |
US9123849B2 (en) | Photovoltaic device | |
US20080314436A1 (en) | Solar augmentation system | |
US20110273020A1 (en) | Integrated Photovoltaic Module | |
US20070227582A1 (en) | Low aspect ratio concentrator photovoltaic module with improved light transmission and reflective properties | |
WO2009125722A1 (en) | Optical member for light concentration and concentrator photovoltaic module | |
KR101791130B1 (en) | Solar cell module | |
US6829442B2 (en) | High speed optical receiver | |
CN110108309B (en) | High-sensitivity photoelectric sensing device | |
CN202737785U (en) | High-efficiency wavelength beam splitting type solar energy integrated utilization system | |
US9136416B2 (en) | Solar light concentration photovoltaic conversion system using a wavelength splitter and lambda-specific photovoltaic cells optically coupled to lambda-dedicated fibers illuminated by respective split beams | |
RU2782236C1 (en) | Photoelectric receiving device of optical communication line | |
WO2022021747A1 (en) | Optical signal detection system | |
JP2022525631A (en) | Photoelectric cell for laser beam power detection | |
WO2006039156A2 (en) | Method and apparatus for illuminating a solar cell with indirect sunrays | |
Sarbazi et al. | Imaging Angle Diversity Receiver Design for 6G Optical Wireless Communications: Performance Tradeoffs and Optimisation | |
US20120180847A1 (en) | Method for improving solar energy condensation efficiency in solar energy condensation electric power facility | |
KR101217247B1 (en) | condensing type solar cell | |
Ramirez-Iniguez et al. | DTIRC based optical collimators | |
US20110048500A1 (en) | Photovoltaic concentration module and device | |
CN213213412U (en) | Wide-angle light guide light-gathering solar module | |
Arroyo et al. | Ultracompact nonimaging devices for optical wireless communications |