無線傳輸光纖收發系統研究

徐佳

[摘要]信號的無線傳輸有多種方式，空間無線激光傳輸是一種比較安全的傳輸方式，其保密性能好，搭載信號能力強。但激光傳輸系統也有其缺點，信號調制解調、信號光耦合發射及接受系統復雜，且信號光能力利用率較低。本文研究的光傳輸系統主要實現光信號的發射和接收，從發射及接收光學系統的光學設計、結構設計出發，運用電磁振鏡作為耦合控制元件，主要解決提高光傳輸效率問題。

[關鍵詞]無線傳輸 收發系統 傳輸效率

[中圖分類號]TP311 [文獻標識碼]A [文章編號]1009-5349（2016）24-0124-02

無線傳輸光纖收發系統包括發射子系統和接收子系統兩部分，系統為單向傳輸系統，光信號從發射子系統到接收子系統的高效空間傳輸。[1]

發射子系統將光纖送入的光信號由光學天線發射出去。發射子系統可以與固定支架和光學平臺連接。接收子系統負責將天線接收到的空間光耦合入單模光纖，同時保證接收子系統的空間光到光纖的耦合效率。為了保證將入射光耦合進單模光纖，采用閉環跟蹤控制方式。接收子系統可以與固定調整轉臺和光學平臺連接。快速振鏡、跟蹤傳感器、控制器和分束器組成的閉環控制系統動態控制入射到達角的漂移，保證耦合效率的穩定性和有效性。空間光傳輸系統采用小型化、輕量化設計。

一、光學系統設計

（一）發射子系統設計

光纖激光器的激光發散角NA大小為0.14，光束口徑50mm。發射系統主要考慮出射光束的平行性，及在此前提下的系統小型化問題。綜合以上考慮，設計中前部采用負光焦度以此來壓縮系統長度，后面的鏡片光焦度為正。同時考慮到系統的模塊化，將光欄置于鏡組最后。后面的光線口徑比較大，所以后面決定進行采用多鏡片進行設計[2]，表1為設計參數。

在1550nm波段，熔石英材料穩定性最強，雖然折射率相對不高，設計中對光線的把握能力相對脆弱一些，但是確是最好的選擇。

（二）縮束支路設計

縮束系統要求對光線口徑進行縮小，同時保證出射光束平行度。前面設計（發射系統）中，光線已近乎平直，所以在后續設計中無需考慮前面系統所帶來的亢余波前差問題。

這里考慮到視場問題，由于前面光線是平行射入，所以對于后續系統而言，入瞳距位于前置無窮遠，固然上下光線的平行距離相距不遠，但這里為了平衡入瞳位置所帶來的問題，決定在折轉光線起到主要作用的透鏡之間加一片光焦度很小的透鏡用來平衡這種不平衡因素。[3]

設計中，前置正光焦度透鏡必須對光線進行準確的匯聚，否則后續系統難以承受，所以在這里鏡片數大于一片，中間透鏡是用來調節如同無窮遠帶來的像差問題，后續透鏡主要是將匯聚的光線進行準直，結合情況，采用雙彎鏡組。

設計是在與前置系統拼接后一體化設計得出的。表2為設接收子系統縮束系統設計參數。

基于以上思想，這里給出設計結果，設計的結果顯示總長小于260mm，出射的光線平行度很好。材料依舊選擇熔石英。

組合以后的縮束系統波中心視場和邊緣視場波像差都很小，且中心與邊緣變化很小，這說明設計中邊緣光線相較于中心光線，光路并沒有劇烈的變化，走向平緩，實際加工裝調都有益處，中心與邊緣的RMS值分別為0.0518波長與0.0536波長。

（三）QD跟蹤傳感器物鏡系統

以前置縮束系統輸出光束作為后置跟蹤傳感器物鏡系統綜合像差的輸入條件，對跟蹤傳感器物鏡系統進行調整。

設計結果顯示成像質量很好，光斑很小，其集合光斑半徑小于60um，并且大于20um的探測器溝道寬度，光斑能量集中。

（四）耦合透鏡系統

以前置縮束系統輸出光束作為后置耦合系統綜合像差的輸入條件，對耦合系統進行調整。

這里給出設計結果，設計的結果顯示光斑很小很好。材料依舊選擇熔石英，耦合支路組合后的成像質量非常之好，全部包含在1/20waves范圍之內，如下表所示。

二、機械結構設計

功能組件部分包含了縮束光學系統、PZT振鏡、光纖耦合組件、能量探測器、4QD接收支路、近紅外探測支路、粗對準支路等部分，這些組件高度集成在一個箱體內，共同完成對1550nm激光通信光束的實時接收和耦合，保證在振動和大氣湍流環境下通信激光束具有較高的動態耦合效率。

三、主要參數復合

（一）發射子系統光學效率

發射子系統光學效率測試采用實際測量與公式計算結合的進行復算測試，發射子系統光學元件單面透過率實測為99%，所選取光學材料在1550nm的吸收損耗每10mm皆優于0.992，系統中光學玻璃總長為39.5mm。發射子系統的光能量損失：

累加高斯光束邊緣截取損失3.5%，發射系統的透過率為87.8%。

（二）發射子系統波像差

利用哈特曼波前傳感器配合1550nm準直光源來測量空間光耦合測試系統發射端的波像差。首先將哈特曼波前傳感器與輔助裝調組件及發射鏡組對準，使從發射鏡組出射的光束波前傾斜量很小，測量由于輔助裝調組件和平面發射鏡引起的波像差，保存測量結果作為參考波前；然后將望遠鏡機構放置在平面反射鏡與輔助裝調組件之間，調整望遠鏡的姿態，使自準直回去的波前傾斜量很小，然后由哈特曼波前傳感器來檢測望遠鏡機構的波像差。由于標準平面波兩次經過望遠鏡機構，所以系統的波像差是所測結果的值的一半。

（三）接收子系統波像差

利用哈特曼波前傳感器配合1550nm準直光源來測量空間光耦合測試系統接收端的波像差。首先將哈特曼波前傳感器以及輔助裝調組件與平面反射鏡對準，使從平面反射鏡自準直回來的光束波前傾斜量很小，測量由于輔助裝調組件和平面發射鏡引起的波像差，保存測量結果作為參考波前；然后將望遠鏡機構放置在平面反射鏡與輔助裝調組件之間，調整望遠鏡的姿態，使自準直回去的波前傾斜量很小，然后由哈特曼波前傳感器來檢測望遠鏡機構的波像差。由于標準平面波兩次經過望遠鏡機構，所以系統的波像差是所測結果的值的一半。實際測量結果為1/10.9波長。

（四）接收子系統光學效率測試

接收子系統光學效率按照實測透過率計算，到達耦合支路前端透鏡數目為5片，共計10個表面，透過率為99%。光學長度為42.6mm。因此，接收子系統光學效率為：

（五）光纖耦合效率測試

空間光耦合測試設備具備光纖耦合效率的測試功能，在該設備的空間光能量探測支路裝備有空間光能量探測器，可以實時地對輸入耦合支路的能量進行等比探測。實測接收子系統光纖耦合效率為：48.43%、48.511%、49.765%。

四、結論

本文所研究的無線傳輸光纖收發系統，從光學設計、結構設計的結論來看，發射系統的光傳輸效率達到87.8%，接收系統的87.4%，光纖耦合效率優于48%，結構設計緊湊、合理。

【參考文獻】

[1]王之江.光學設計理論基礎（第二版）[M].北京：科學出版社，1985.344-362.

[2]蔡燕民，周暢，劉國淦.上海微電子裝備有限公司.一種對稱式雙遠心投影光學系統：中國，200710038508.0[P].

2009-01-28.

[3]呂博，劉偉奇，康玉思，等.全球面變焦距光刻系統設計[J].光學學報，2013，33（06）.

責任編輯：楊柳