一種近場(chǎng)無(wú)線(xiàn)激光攜能通信系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)

［裘曉磊 曾亮 何曉壘］

1 引言

在航天系統(tǒng)、船舶、航空的一些特定分離界面上，廣泛采用分離脫落連接器起到穩(wěn)定供電、指令傳輸?shù)茸饔?。分離脫落連接器面臨可靠解鎖、正常脫落的巨大挑戰(zhàn)[1]，連接器的選型、插拔技巧工藝對(duì)設(shè)計(jì)師都要很高的要求，是系統(tǒng)總體裝配的一項(xiàng)重要工作[2]，且航天連接器受限于本身機(jī)械壽命影響，插拔次數(shù)受到一定限制。本文設(shè)計(jì)的無(wú)線(xiàn)激光攜能通信系統(tǒng)，采用無(wú)線(xiàn)激光通信、傳能一體化設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)雙向通信，并解決供電問(wèn)題，利用激光在大氣中傳輸?shù)乃邆涞臒o(wú)連接、非接觸的優(yōu)勢(shì)，解決現(xiàn)有連接器的固有機(jī)械壽命問(wèn)題，可有效解決分離脫落連接器選用中的難題。

2 系統(tǒng)組成及原理

本文設(shè)計(jì)了一種通信、傳能共用無(wú)線(xiàn)激光發(fā)射端的一體化攜能通信系統(tǒng)。系統(tǒng)分為全雙工無(wú)線(xiàn)激光通信模塊和無(wú)線(xiàn)激光傳能模塊組成。全雙工無(wú)線(xiàn)通信模塊采用近場(chǎng)無(wú)線(xiàn)激光數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)，近場(chǎng)無(wú)線(xiàn)激光數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)以紅外波段激光為信息載體、以大氣為傳輸介質(zhì)，通信模塊發(fā)射端將攜帶通信數(shù)據(jù)的紅外激光發(fā)射至耦合透鏡，耦合透鏡將激光進(jìn)行整形，以無(wú)線(xiàn)光的形式發(fā)射到大氣中，最終經(jīng)在大氣傳輸后再通過(guò)接收透鏡耦合至通信模塊接收端，并恢復(fù)為業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)[3]。無(wú)線(xiàn)激光傳能模塊主要在激光發(fā)射端將電網(wǎng)或蓄電池中的電能轉(zhuǎn)換為激光發(fā)射到大氣，激光接收端在發(fā)射端激光照射下經(jīng)光電池轉(zhuǎn)換為電能[4,5]。系統(tǒng)組成如圖1所示。

圖1 無(wú)線(xiàn)激光攜能通信系統(tǒng)組成框圖

2.1 無(wú)線(xiàn)激光通信模塊

無(wú)線(xiàn)激光通信模塊由無(wú)線(xiàn)激光信號(hào)發(fā)射電路、無(wú)線(xiàn)激光信號(hào)探測(cè)電路、發(fā)射光路、接收光路等組成。其功能組成如圖2所示。

圖2 無(wú)線(xiàn)激光通信功能模塊組成示意圖

無(wú)線(xiàn)激光信號(hào)發(fā)射電路將業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)調(diào)制到激光信號(hào)上，發(fā)射光路將光信號(hào)進(jìn)行整形、縮束，保證光信號(hào)以一定的發(fā)散角發(fā)射到大氣中，保證在接收端光信號(hào)即有一定的范圍覆蓋，又有能量密度保證通信需要。

2.1.1 激光波長(zhǎng)選擇

本系統(tǒng)無(wú)線(xiàn)激光發(fā)射端完成傳輸光能量和光信號(hào)的任務(wù)，因此在發(fā)射波長(zhǎng)的選擇上需要考慮傳輸能量的效率、激光波長(zhǎng)響應(yīng)度、光學(xué)系統(tǒng)體積等因素的影響。

在無(wú)限極光通信中常用 1 550 nm、1 310 nm、850 nm波段激光，因此本設(shè)計(jì)主要選取截止波長(zhǎng)在1 550 nm、1 310 nm、850 nm波段附近的材料，不同材料的光電池的光電轉(zhuǎn)換效率也存在著區(qū)別，如表1所示。

表1 材料及截止波長(zhǎng)與轉(zhuǎn)換效率的關(guān)系

在800 nm波段，硅（Si）PIN探測(cè)器的響應(yīng)度通常在0.5A/W～0.6A/W之間，而硅（Si）APD（雪崩光電二極管）探測(cè)器的響應(yīng)度處在0.5A/W～0.6A/W之間，但因?yàn)锳PD探測(cè)器其本身信號(hào)增益特性，具有幾十至幾百倍的內(nèi)部增益，通?？梢垣@得較高的通信靈敏度。APD（雪崩光電二極管）的內(nèi)部增益通常表示為電流倍增因子M，通過(guò)改變雪崩光電二極管的VAPD引腳的偏壓Ubias可以改變電流倍增因子M的值，電流倍增因子M表示為

式中，UBR為探測(cè)器的雪崩擊穿電壓；n則與PN結(jié)的材料和結(jié)構(gòu)有關(guān)的常數(shù)，對(duì)于硅（Si）器件，n=1.8～4，對(duì)于鍺（Ge）器件n=2.8～8。某型APD探測(cè)器的偏置電壓和增益關(guān)系圖如圖3所示，隨著反向偏壓的增加，APD的內(nèi)部增益將增加，每個(gè)APD探測(cè)器的反向偏壓都有一個(gè)最大閾值電壓，如果工作偏壓再增加，增益陡然增大將導(dǎo)致光電流驟然增加，容易造成探測(cè)器的損壞。從圖中可以看出，為獲得標(biāo)稱(chēng)的M=100增益，電路上的偏壓電壓應(yīng)設(shè)置為 152～153 V 附近。

圖3 APD增益與偏置電壓關(guān)系圖

在本系統(tǒng)設(shè)計(jì)中通過(guò)后級(jí)發(fā)射光路壓縮束散角提高光學(xué)增益，進(jìn)而提高探測(cè)電路接收的光功率，若以衍射極限角θ（全角）發(fā)射，通信光束的束散角表示為

式中，λ為信號(hào)發(fā)射電路發(fā)射激光的波長(zhǎng)；D為發(fā)射光路的口徑。從式1看出，1 550 nm波段激光相對(duì)800 nm波段激光光學(xué)增益更小，達(dá)到相同的束散角發(fā)射，800 nm所需要的發(fā)射口徑是1 550 nm波段激光的1/2倍。使用800 nm波段激光可以在設(shè)計(jì)發(fā)射光學(xué)系統(tǒng)時(shí)采用更小的空間體積。

為兼顧光信號(hào)在大氣傳輸和光電池的光電轉(zhuǎn)換效率，系統(tǒng)中無(wú)線(xiàn)光發(fā)射端采用808 nm波段法布里-珀羅式半導(dǎo)體激光器。

2.1.2 發(fā)射電路設(shè)計(jì)

無(wú)線(xiàn)激光信號(hào)發(fā)射電路通過(guò)光強(qiáng)度直接調(diào)制的方式，驅(qū)動(dòng)法布里-珀羅式半導(dǎo)體激光器發(fā)光。激光器調(diào)制驅(qū)動(dòng)主要將業(yè)務(wù)信號(hào)加載到激光載波上，通過(guò)改變激光驅(qū)動(dòng)器輸出的偏置電流和調(diào)制電流調(diào)整激光信號(hào)波形質(zhì)量，同時(shí)，增加消光比提升激光在大氣信道下傳輸?shù)耐ㄐ刨|(zhì)量。

消光比μ定義為“1”碼的功率P1與“0”碼的功率P0之比，通過(guò)dB表示：

式中，IB表示偏置電流；S0與S1分別為激光器的閾值電流Ith前與后的PI曲線(xiàn)的斜率效率；ID為驅(qū)動(dòng)電流。如果偏置電流與閾值電流比較接近IB≈ Ith，可得到消光比為

由于激光器在確定后其在閾值電流以上的斜率確定，因此在保證通信距離所需的光功率強(qiáng)度下減小偏置電流，在保證信號(hào)波形的范圍內(nèi)盡量增加調(diào)制電流。

2.1.3 探測(cè)電路設(shè)計(jì)

無(wú)線(xiàn)激光信號(hào)探測(cè)電路是以上工作的逆過(guò)程：接收光路是發(fā)射光路光信號(hào)的耦合接收，將一定接收視場(chǎng)角內(nèi)的光信號(hào)耦合到光探測(cè)器處，保證對(duì)大氣中傳輸?shù)墓庑盘?hào)的接收、匯聚。無(wú)線(xiàn)激光信號(hào)探測(cè)電路將光信號(hào)探測(cè)、轉(zhuǎn)換為業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)。激光探測(cè)電路設(shè)計(jì)如圖4所示。

圖4 激光探測(cè)電路設(shè)計(jì)示意圖

光電探測(cè)器是構(gòu)成高速探測(cè)電路接收部分的核心器件，它為光模塊通信提供光檢測(cè)。光電探測(cè)器的主要作用是在接收激光器發(fā)出光信號(hào)，并將其轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)，供后級(jí)電路處理。

信號(hào)放大電路是探測(cè)電路接收部分的核心電路。主要功能是將光電探測(cè)器光-電轉(zhuǎn)換生成的弱電流信號(hào)進(jìn)行適當(dāng)增益的放大。在接收部分由于光電探測(cè)器生成的光電流很微弱，所以必須進(jìn)行信號(hào)放大才能還原出用戶(hù)信號(hào)。放大電路要求能夠無(wú)失真檢測(cè)小信號(hào)并可以對(duì)弱小信號(hào)進(jìn)行適當(dāng)增益的放大，同時(shí)還要有效的抑制噪聲和干擾。

針對(duì)放大電路的要求，將放大電路設(shè)計(jì)為多級(jí)放大形式，即前級(jí)放大電路用于檢測(cè)弱小信號(hào)并進(jìn)行低增益放大，后級(jí)電路對(duì)前級(jí)電路放大后的信號(hào)進(jìn)行較大增益的放大。這樣，各級(jí)側(cè)重點(diǎn)不同，可以一起組成一個(gè)高效的放大電路。

供電電路是為接收部分各器件工作提供穩(wěn)定電源的電路，主要包括電源轉(zhuǎn)換、濾波、整形等。

匹配均衡電路是信號(hào)放大電路的輔助電路，用于匹配光電探測(cè)器與各級(jí)放大電路以及與電信號(hào)接口之間的信號(hào)傳輸，以達(dá)到減少信號(hào)干擾，降低信號(hào)噪聲，控制可能出現(xiàn)的碼間干擾等，從而控制信號(hào)通路上過(guò)沖、欠沖、振鈴、波形畸變、抖動(dòng)等影響通行質(zhì)量的現(xiàn)象的出現(xiàn)，保證探測(cè)電路正常工作。

保護(hù)電路是接收部分信號(hào)接收放大電路的外圍電路，主要是為了在探測(cè)電路接收光功率異常情況下控制接收部分的工作狀態(tài)，防止器件損壞，同時(shí)探測(cè)電路提供無(wú)光告警信號(hào)等。

2.1.4 光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

為實(shí)現(xiàn)通信終端小型化、輕量化以及低功耗的光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求，綜合考慮各種光路形式的優(yōu)缺點(diǎn)及本次應(yīng)用的實(shí)際需求，本系統(tǒng)采用接收同軸的光路設(shè)計(jì)。由于自然界的太陽(yáng)光等其他雜散光也會(huì)通過(guò)大氣傳輸進(jìn)入接收光路，因此在本系統(tǒng)中增加濾光片，限制雜散光輸入的方式提高系統(tǒng)通信穩(wěn)定性。

經(jīng)過(guò)濾光片后通過(guò)在耦合光路分光片將光信號(hào)分為通信光束和能量光束，通信光束經(jīng)探測(cè)器轉(zhuǎn)換為通信數(shù)據(jù)，能量光束經(jīng)光電池轉(zhuǎn)換為電能。經(jīng)分光片對(duì)光信號(hào)進(jìn)行通信、傳能兩種光能量的分離，通信、傳能同時(shí)進(jìn)行。系統(tǒng)能量傳輸流程如圖5所示。

圖5 系統(tǒng)光路示意圖

本系統(tǒng)適應(yīng)大范圍偏差的激光通信環(huán)境，光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)了較大的光源發(fā)散角和接收端視場(chǎng)角，發(fā)散角θ1=174 mrad（全角），接收視場(chǎng)角 θ2=78.6 mrad（全角），根據(jù)仿真結(jié)果，在500 mm處光斑分布在直徑2R=87 mm的范圍內(nèi)，如圖6所示。

圖6 發(fā)射光斑分布圖

某型號(hào)探測(cè)器接收靈敏度-32 dBm，假設(shè)發(fā)射光經(jīng)過(guò)接收分光片剩余Po=+10 dBm進(jìn)入信號(hào)接收透鏡，根據(jù)公式計(jì)算幾何損耗P幾何。

式中，R為發(fā)射光斑在500 mm處半徑； d為接收透鏡孔徑半徑大小。當(dāng)接收2d=10 mm時(shí)，幾何損耗-18.8 dB，考慮光學(xué)系統(tǒng)中鏡片的衰減Pm=3 dB，即探測(cè)器接收功率Pi=Po-P 幾何 -Pm=10-18.8-3 dBm=-11.8 dBm，相對(duì)靈敏度有近20 dB的功率余量，可以滿(mǎn)足當(dāng)前距離的激光通信。

2.2 無(wú)線(xiàn)激光傳能模塊

無(wú)線(xiàn)激光傳能模塊由無(wú)線(xiàn)激光傳能激光器、光電池、發(fā)射光路、接收光路等組成。其功能組成如圖7所示。

圖7 無(wú)線(xiàn)激光通信模塊組成框圖

無(wú)線(xiàn)激光傳能激光器將電能轉(zhuǎn)換為光信號(hào)，光電池將光束能量轉(zhuǎn)換為電能；發(fā)射光路、接收光路完成光信號(hào)的傳輸。

根據(jù)光電池響應(yīng)率曲線(xiàn)，結(jié)合激光器性能，選擇808 nm作為工作波長(zhǎng)，即保證光電池具有較高響應(yīng)度，同時(shí)激光器、通信探測(cè)器也有成熟的器件可選。光電池波長(zhǎng)響應(yīng)度曲線(xiàn)如圖8所示。

圖8 光電池的波長(zhǎng)響應(yīng)度曲線(xiàn)

轉(zhuǎn)換效率（含電轉(zhuǎn)光、光轉(zhuǎn)電兩個(gè)過(guò)程）、可靠性和成本是衡量光電池性能的主要參數(shù)[6]。隨著光電池接收光敏面處的光信號(hào)功率密度在一定范圍內(nèi)不斷提高，光電池的開(kāi)路電壓、電流密度和轉(zhuǎn)換效率逐漸增大并達(dá)到飽和。同時(shí)，隨著光功率密度的增加，光電池會(huì)隨著發(fā)熱量增大出現(xiàn)溫度升高，從而造成光電轉(zhuǎn)換效率降低[7]。經(jīng)測(cè)試，光電池轉(zhuǎn)換效率和電池溫度的關(guān)系如圖9所示。

圖9 光電池轉(zhuǎn)換效率和電池溫度的關(guān)系

調(diào)制輸出光能量2 W，電光轉(zhuǎn)換效率約ηeo=40%。光電池材料為Si和GaAs，轉(zhuǎn)換輸出電壓Vo=6.26 V，最大功率輸出Po=0.81 W，光電轉(zhuǎn)換效率約ηoe=40.5%（此效率在發(fā)射、接收端間距10 mm，接收端光斑與光電池光敏面相同，去除分光片情況下開(kāi)展測(cè)試）。

整個(gè)系統(tǒng)電能傳輸效率約為16.2%。

3 面臨的問(wèn)題和挑戰(zhàn)

通過(guò)對(duì)通信性能，特別是傳能過(guò)程中電光/光電轉(zhuǎn)換效率的測(cè)試，結(jié)合應(yīng)用需求分析，系統(tǒng)工程應(yīng)用仍然面臨著三大挑戰(zhàn)。

首先，能量轉(zhuǎn)換效率待提升：試驗(yàn)結(jié)果表明，電光、光電轉(zhuǎn)換效率均較低，傳輸全系統(tǒng)轉(zhuǎn)換效率只有約16%，大量能量損耗而轉(zhuǎn)換為熱量。系統(tǒng)雖然可用于特定場(chǎng)景，但是還應(yīng)不斷探索效率的提升方式，特別是將系統(tǒng)擴(kuò)展應(yīng)用到更遠(yuǎn)發(fā)射、接收距離的場(chǎng)景，更是成為限制應(yīng)用的關(guān)鍵因素。

其次，需要開(kāi)展低功耗設(shè)計(jì)：受光電池轉(zhuǎn)換效率、特別是電流密度影響，光電池輸出功耗存在上限，這就要求必須開(kāi)展低功耗設(shè)計(jì)，否則通信模塊的功能、性能將受到極大限制。

再者，需要優(yōu)化一體化設(shè)計(jì)：在一體化設(shè)計(jì)中，要充分考慮光學(xué)鏡片損傷閾值，不能因光能量密度大而造成鏡片損毀進(jìn)而降低系統(tǒng)可靠性和壽命。系統(tǒng)熱耗很大，需要考慮散熱設(shè)計(jì)，在系統(tǒng)小型化的同時(shí)解決好散熱問(wèn)題。

4 結(jié)論

通過(guò)系統(tǒng)樣機(jī)測(cè)試，可替代現(xiàn)有分離脫落連接器實(shí)現(xiàn)通信、供電功能，且安裝簡(jiǎn)易、操作難度降低，分離界面無(wú)物理連接，無(wú)需開(kāi)展分離脫落專(zhuān)項(xiàng)試驗(yàn)，具備一定的工程應(yīng)用價(jià)值。

無(wú)線(xiàn)激光攜能通信系統(tǒng)以近距離應(yīng)用開(kāi)展關(guān)鍵技術(shù)研究、測(cè)試，通過(guò)創(chuàng)新設(shè)計(jì)，可滿(mǎn)足特定場(chǎng)景應(yīng)用需求，在國(guó)防軍事應(yīng)用中有顯著的實(shí)用價(jià)值。后續(xù)需關(guān)注光電池在提升轉(zhuǎn)換效率、提高使用壽命、綠色環(huán)保制備工藝、成本控制等方面取得的技術(shù)突破，同時(shí)探索在更遠(yuǎn)距離、高通信帶寬等方面的技術(shù)突破。