徐佳

[摘要]信號(hào)的無(wú)線傳輸有多種方式，空間無(wú)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(hào)能力強(qiáng)。但激光傳輸系統(tǒng)也有其缺點(diǎn)，信號(hào)調(diào)制解調(diào)、信號(hào)光耦合發(fā)射及接受系統(tǒng)復(fù)雜，且信號(hào)光能力利用率較低。本文研究的光傳輸系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)光信號(hào)的發(fā)射和接收，從發(fā)射及接收光學(xué)系統(tǒng)的光學(xué)設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)出發(fā)，運(yùn)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(wèn)題。

[關(guān)鍵詞]無(wú)線傳輸 收發(fā)系統(tǒng) 傳輸效率

[中圖分類號(hào)]TP311 [文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼]A [文章編號(hào)]1009-5349（2016）24-0124-02

無(wú)線傳輸光纖收發(fā)系統(tǒng)包括發(fā)射子系統(tǒng)和接收子系統(tǒng)兩部分，系統(tǒng)為單向傳輸系統(tǒng)，光信號(hào)從發(fā)射子系統(tǒng)到接收子系統(tǒng)的高效空間傳輸。[1]

發(fā)射子系統(tǒng)將光纖送入的光信號(hào)由光學(xué)天線發(fā)射出去。發(fā)射子系統(tǒng)可以與固定支架和光學(xué)平臺(tái)連接。接收子系統(tǒng)負(fù)責(zé)將天線接收到的空間光耦合入單模光纖，同時(shí)保證接收子系統(tǒng)的空間光到光纖的耦合效率。為了保證將入射光耦合進(jìn)單模光纖，采用閉環(huán)跟蹤控制方式。接收子系統(tǒng)可以與固定調(diào)整轉(zhuǎn)臺(tái)和光學(xué)平臺(tái)連接?？焖僬耒R、跟蹤傳感器、控制器和分束器組成的閉環(huán)控制系統(tǒng)動(dòng)態(tài)控制入射到達(dá)角的漂移，保證耦合效率的穩(wěn)定性和有效性?？臻g光傳輸系統(tǒng)采用小型化、輕量化設(shè)計(jì)。

一、光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

（一）發(fā)射子系統(tǒng)設(shè)計(jì)

光纖激光器的激光發(fā)散角NA大小為0.14，光束口徑50mm。發(fā)射系統(tǒng)主要考慮出射光束的平行性，及在此前提下的系統(tǒng)小型化問(wèn)題。綜合以上考慮，設(shè)計(jì)中前部采用負(fù)光焦度以此來(lái)壓縮系統(tǒng)長(zhǎng)度，后面的鏡片光焦度為正。同時(shí)考慮到系統(tǒng)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(jìn)行采用多鏡片進(jìn)行設(shè)計(jì)[2]，表1為設(shè)計(jì)參數(shù)。

在1550nm波段，熔石英材料穩(wěn)定性最強(qiáng)，雖然折射率相對(duì)不高，設(shè)計(jì)中對(duì)光線的把握能力相對(duì)脆弱一些，但是確是最好的選擇。

（二）縮束支路設(shè)計(jì)

縮束系統(tǒng)要求對(duì)光線口徑進(jìn)行縮小，同時(shí)保證出射光束平行度。前面設(shè)計(jì)（發(fā)射系統(tǒng)）中，光線已近乎平直，所以在后續(xù)設(shè)計(jì)中無(wú)需考慮前面系統(tǒng)所帶來(lái)的亢余波前差問(wèn)題。

這里考慮到視場(chǎng)問(wèn)題，由于前面光線是平行射入，所以對(duì)于后續(xù)系統(tǒng)而言，入瞳距位于前置無(wú)窮遠(yuǎn)，固然上下光線的平行距離相距不遠(yuǎn)，但這里為了平衡入瞳位置所帶來(lái)的問(wèn)題，決定在折轉(zhuǎn)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(lái)平衡這種不平衡因素。[3]

設(shè)計(jì)中，前置正光焦度透鏡必須對(duì)光線進(jìn)行準(zhǔn)確的匯聚，否則后續(xù)系統(tǒng)難以承受，所以在這里鏡片數(shù)大于一片，中間透鏡是用來(lái)調(diào)節(jié)如同無(wú)窮遠(yuǎn)帶來(lái)的像差問(wèn)題，后續(xù)透鏡主要是將匯聚的光線進(jìn)行準(zhǔn)直，結(jié)合情況，采用雙彎鏡組。

設(shè)計(jì)是在與前置系統(tǒng)拼接后一體化設(shè)計(jì)得出的。表2為設(shè)接收子系統(tǒng)縮束系統(tǒng)設(shè)計(jì)參數(shù)。

基于以上思想，這里給出設(shè)計(jì)結(jié)果，設(shè)計(jì)的結(jié)果顯示總長(zhǎng)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(tǒng)波中心視場(chǎng)和邊緣視場(chǎng)波像差都很小，且中心與邊緣變化很小，這說(shuō)明設(shè)計(jì)中邊緣光線相較于中心光線，光路并沒(méi)有劇烈的變化，走向平緩，實(shí)際加工裝調(diào)都有益處，中心與邊緣的RMS值分別為0.0518波長(zhǎng)與0.0536波長(zhǎng)。

（三）QD跟蹤傳感器物鏡系統(tǒng)

以前置縮束系統(tǒng)輸出光束作為后置跟蹤傳感器物鏡系統(tǒng)綜合像差的輸入條件，對(duì)跟蹤傳感器物鏡系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)整。

設(shè)計(jì)結(jié)果顯示成像質(zhì)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(cè)器溝道寬度，光斑能量集中。

（四）耦合透鏡系統(tǒng)

以前置縮束系統(tǒng)輸出光束作為后置耦合系統(tǒng)綜合像差的輸入條件，對(duì)耦合系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)整。

這里給出設(shè)計(jì)結(jié)果，設(shè)計(jì)的結(jié)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(zhì)量非常之好，全部包含在1/20waves范圍之內(nèi)，如下表所示。

二、機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

功能組件部分包含了縮束光學(xué)系統(tǒng)、PZT振鏡、光纖耦合組件、能量探測(cè)器、4QD接收支路、近紅外探測(cè)支路、粗對(duì)準(zhǔn)支路等部分，這些組件高度集成在一個(gè)箱體內(nèi)，共同完成對(duì)1550nm激光通信光束的實(shí)時(shí)接收和耦合，保證在振動(dòng)和大氣湍流環(huán)境下通信激光束具有較高的動(dòng)態(tài)耦合效率。

三、主要參數(shù)復(fù)合

（一）發(fā)射子系統(tǒng)光學(xué)效率

發(fā)射子系統(tǒng)光學(xué)效率測(cè)試采用實(shí)際測(cè)量與公式計(jì)算結(jié)合的進(jìn)行復(fù)算測(cè)試，發(fā)射子系統(tǒng)光學(xué)元件單面透過(guò)率實(shí)測(cè)為99%，所選取光學(xué)材料在1550nm的吸收損耗每10mm皆優(yōu)于0.992，系統(tǒng)中光學(xué)玻璃總長(zhǎng)為39.5mm。發(fā)射子系統(tǒng)的光能量損失：

累加高斯光束邊緣截取損失3.5%，發(fā)射系統(tǒng)的透過(guò)率為87.8%。

（二）發(fā)射子系統(tǒng)波像差

利用哈特曼波前傳感器配合1550nm準(zhǔn)直光源來(lái)測(cè)量空間光耦合測(cè)試系統(tǒng)發(fā)射端的波像差。首先將哈特曼波前傳感器與輔助裝調(diào)組件及發(fā)射鏡組對(duì)準(zhǔn)，使從發(fā)射鏡組出射的光束波前傾斜量很小，測(cè)量由于輔助裝調(diào)組件和平面發(fā)射鏡引起的波像差，保存測(cè)量結(jié)果作為參考波前；然后將望遠(yuǎn)鏡機(jī)構(gòu)放置在平面反射鏡與輔助裝調(diào)組件之間，調(diào)整望遠(yuǎn)鏡的姿態(tài)，使自準(zhǔn)直回去的波前傾斜量很小，然后由哈特曼波前傳感器來(lái)檢測(cè)望遠(yuǎn)鏡機(jī)構(gòu)的波像差。由于標(biāo)準(zhǔn)平面波兩次經(jīng)過(guò)望遠(yuǎn)鏡機(jī)構(gòu)，所以系統(tǒng)的波像差是所測(cè)結(jié)果的值的一半。

（三）接收子系統(tǒng)波像差

利用哈特曼波前傳感器配合1550nm準(zhǔn)直光源來(lái)測(cè)量空間光耦合測(cè)試系統(tǒng)接收端的波像差。首先將哈特曼波前傳感器以及輔助裝調(diào)組件與平面反射鏡對(duì)準(zhǔn)，使從平面反射鏡自準(zhǔn)直回來(lái)的光束波前傾斜量很小，測(cè)量由于輔助裝調(diào)組件和平面發(fā)射鏡引起的波像差，保存測(cè)量結(jié)果作為參考波前；然后將望遠(yuǎn)鏡機(jī)構(gòu)放置在平面反射鏡與輔助裝調(diào)組件之間，調(diào)整望遠(yuǎn)鏡的姿態(tài)，使自準(zhǔn)直回去的波前傾斜量很小，然后由哈特曼波前傳感器來(lái)檢測(cè)望遠(yuǎn)鏡機(jī)構(gòu)的波像差。由于標(biāo)準(zhǔn)平面波兩次經(jīng)過(guò)望遠(yuǎn)鏡機(jī)構(gòu)，所以系統(tǒng)的波像差是所測(cè)結(jié)果的值的一半。實(shí)際測(cè)量結(jié)果為1/10.9波長(zhǎng)。

（四）接收子系統(tǒng)光學(xué)效率測(cè)試

接收子系統(tǒng)光學(xué)效率按照實(shí)測(cè)透過(guò)率計(jì)算，到達(dá)耦合支路前端透鏡數(shù)目為5片，共計(jì)10個(gè)表面，透過(guò)率為99%。光學(xué)長(zhǎng)度為42.6mm。因此，接收子系統(tǒng)光學(xué)效率為：

（五）光纖耦合效率測(cè)試

空間光耦合測(cè)試設(shè)備具備光纖耦合效率的測(cè)試功能，在該設(shè)備的空間光能量探測(cè)支路裝備有空間光能量探測(cè)器，可以實(shí)時(shí)地對(duì)輸入耦合支路的能量進(jìn)行等比探測(cè)。實(shí)測(cè)接收子系統(tǒng)光纖耦合效率為：48.43%、48.511%、49.765%。

四、結(jié)論

本文所研究的無(wú)線傳輸光纖收發(fā)系統(tǒng)，從光學(xué)設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的結(jié)論來(lái)看，發(fā)射系統(tǒng)的光傳輸效率達(dá)到87.8%，接收系統(tǒng)的87.4%，光纖耦合效率優(yōu)于48%，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)緊湊、合理。

【參考文獻(xiàn)】

[1]王之江.光學(xué)設(shè)計(jì)理論基礎(chǔ)（第二版）[M].北京：科學(xué)出版社，1985.344-362.

[2]蔡燕民，周暢，劉國(guó)淦.上海微電子裝備有限公司.一種對(duì)稱式雙遠(yuǎn)心投影光學(xué)系統(tǒng)：中國(guó)，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(tǒng)設(shè)計(jì)[J].光學(xué)學(xué)報(bào)，2013，33（06）.

責(zé)任編輯：楊柳