无线传输光纤收发系统研究

徐佳

[摘要]信号的无线传输有多种方式，空间无线激光传输是一种比较安全的传输方式，其保密性能好，搭载信号能力强。但激光传输系统也有其缺点，信号调制解调、信号光耦合发射及接受系统复杂，且信号光能力利用率较低。本文研究的光传输系统主要实现光信号的发射和接收，从发射及接收光学系统的光学设计、结构设计出发，运用电磁振镜作为耦合控制元件，主要解决提高光传输效率问题。

[关键词]无线传输 收发系统 传输效率

[中图分类号]TP311 [文献标识码]A [文章编号]1009-5349（2016）24-0124-02

无线传输光纤收发系统包括发射子系统和接收子系统两部分，系统为单向传输系统，光信号从发射子系统到接收子系统的高效空间传输。[1]

发射子系统将光纤送入的光信号由光学天线发射出去。发射子系统可以与固定支架和光学平台连接。接收子系统负责将天线接收到的空间光耦合入单模光纤，同时保证接收子系统的空间光到光纤的耦合效率。为了保证将入射光耦合进单模光纤，采用闭环跟踪控制方式。接收子系统可以与固定调整转台和光学平台连接。快速振镜、跟踪传感器、控制器和分束器组成的闭环控制系统动态控制入射到达角的漂移，保证耦合效率的稳定性和有效性。空间光传输系统采用小型化、轻量化设计。

一、光学系统设计

（一）发射子系统设计

光纤激光器的激光发散角NA大小为0.14，光束口径50mm。发射系统主要考虑出射光束的平行性，及在此前提下的系统小型化问题。综合以上考虑，设计中前部采用负光焦度以此来压缩系统长度，后面的镜片光焦度为正。同时考虑到系统的模块化，将光栏置于镜组最后。后面的光线口径比较大，所以后面决定进行采用多镜片进行设计[2]，表1为设计参数。

在1550nm波段，熔石英材料稳定性最强，虽然折射率相对不高，设计中对光线的把握能力相对脆弱一些，但是确是最好的选择。

（二）缩束支路设计

缩束系统要求对光线口径进行缩小，同时保证出射光束平行度。前面设计（发射系统）中，光线已近乎平直，所以在后续设计中无需考虑前面系统所带来的亢余波前差问题。

这里考虑到视场问题，由于前面光线是平行射入，所以对于后续系统而言，入瞳距位于前置无穷远，固然上下光线的平行距离相距不远，但这里为了平衡入瞳位置所带来的问题，决定在折转光线起到主要作用的透镜之间加一片光焦度很小的透镜用来平衡这种不平衡因素。[3]

设计中，前置正光焦度透镜必须对光线进行准确的汇聚，否则后续系统难以承受，所以在这里镜片数大于一片，中间透镜是用来调节如同无穷远带来的像差问题，后续透镜主要是将汇聚的光线进行准直，结合情况，采用双弯镜组。

设计是在与前置系统拼接后一体化设計得出的。表2为设接收子系统缩束系统设计参数。

基于以上思想，这里给出设计结果，设计的结果显示总长小于260mm，出射的光线平行度很好。材料依旧选择熔石英。

组合以后的缩束系统波中心视场和边缘视场波像差都很小，且中心与边缘变化很小，这说明设计中边缘光线相较于中心光线，光路并没有剧烈的变化，走向平缓，实际加工装调都有益处，中心与边缘的RMS值分别为0.0518波长与0.0536波长。

（三）QD跟踪传感器物镜系统

以前置缩束系统输出光束作为后置跟踪传感器物镜系统综合像差的输入条件，对跟踪传感器物镜系统进行调整。

设计结果显示成像质量很好，光斑很小，其集合光斑半径小于60um，并且大于20um的探测器沟道宽度，光斑能量集中。

（四）耦合透镜系统

以前置缩束系统输出光束作为后置耦合系统综合像差的输入条件，对耦合系统进行调整。

这里给出设计结果，设计的结果显示光斑很小很好。材料依旧选择熔石英，耦合支路组合后的成像质量非常之好，全部包含在1/20waves范围之内，如下表所示。

二、机械结构设计

功能组件部分包含了缩束光学系统、PZT振镜、光纤耦合组件、能量探测器、4QD接收支路、近红外探测支路、粗对准支路等部分，这些组件高度集成在一个箱体内，共同完成对1550nm激光通信光束的实时接收和耦合，保证在振动和大气湍流环境下通信激光束具有较高的动态耦合效率。

三、主要参数复合

（一）发射子系统光学效率

发射子系统光学效率测试采用实际测量与公式计算结合的进行复算测试，发射子系统光学元件单面透过率实测为99%，所选取光学材料在1550nm的吸收损耗每10mm皆优于0.992，系统中光学玻璃总长为39.5mm。发射子系统的光能量损失：

累加高斯光束边缘截取损失3.5%，发射系统的透过率为87.8%。

（二）发射子系统波像差

利用哈特曼波前传感器配合1550nm准直光源来测量空间光耦合测试系统发射端的波像差。首先将哈特曼波前传感器与辅助装调组件及发射镜组对准，使从发射镜组出射的光束波前倾斜量很小，测量由于辅助装调组件和平面发射镜引起的波像差，保存测量结果作为参考波前；然后将望远镜机构放置在平面反射镜与辅助装调组件之间，调整望远镜的姿态，使自准直回去的波前倾斜量很小，然后由哈特曼波前传感器来检测望远镜机构的波像差。由于标准平面波两次经过望远镜机构，所以系统的波像差是所测结果的值的一半。

（三）接收子系统波像差

利用哈特曼波前传感器配合1550nm准直光源来测量空间光耦合测试系统接收端的波像差。首先将哈特曼波前传感器以及辅助装调组件与平面反射镜对准，使从平面反射镜自准直回来的光束波前倾斜量很小，测量由于辅助装调组件和平面发射镜引起的波像差，保存测量结果作为参考波前；然后将望远镜机构放置在平面反射镜与辅助装调组件之间，调整望远镜的姿态，使自准直回去的波前倾斜量很小，然后由哈特曼波前传感器来检测望远镜机构的波像差。由于标准平面波两次经过望远镜机构，所以系统的波像差是所测结果的值的一半。实际测量结果为1/10.9波长。

（四）接收子系统光学效率测试

接收子系统光学效率按照实测透过率计算，到达耦合支路前端透镜数目为5片，共计10个表面，透过率为99%。光学长度为42.6mm。因此，接收子系统光学效率为：

（五）光纤耦合效率测试

空间光耦合测试设备具备光纤耦合效率的测试功能，在该设备的空间光能量探测支路装备有空间光能量探测器，可以实时地对输入耦合支路的能量进行等比探测。实测接收子系统光纤耦合效率为：48.43%、48.511%、49.765%。

四、结论

本文所研究的无线传输光纤收发系统，从光学设计、结构设计的结论来看，发射系统的光传输效率达到87.8%，接收系统的87.4%，光纤耦合效率优于48%，结构设计紧凑、合理。

【参考文献】

[1]王之江.光学设计理论基础（第二版）[M].北京：科学出版社，1985.344-362.

[2]蔡燕民，周畅，刘国淦.上海微电子装备有限公司.一种对称式双远心投影光学系统：中国，200710038508.0[P].

2009-01-28.

[3]吕博，刘伟奇，康玉思，等.全球面变焦距光刻系统设计[J].光学学报，2013，33（06）.

责任编辑：杨柳