［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)茸饔谩７蛛x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、插拔技巧工藝對設(shè)計師都要很高的要求，是系統(tǒng)總體裝配的一項重要工作[2]，且航天連接器受限于本身機械壽命影響，插拔次數(shù)受到一定限制。本文設(shè)計的無線激光攜能通信系統(tǒng)，采用無線激光通信、傳能一體化設(shè)計實現(xiàn)雙向通信，并解決供電問題，利用激光在大氣中傳輸?shù)乃邆涞臒o連接、非接觸的優(yōu)勢，解決現(xiàn)有連接器的固有機械壽命問題，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)計了一種通信、傳能共用無線激光發(fā)射端的一體化攜能通信系統(tǒng)。系統(tǒng)分為全雙工無線激光通信模塊和無線激光傳能模塊組成。全雙工無線通信模塊采用近場無線激光數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)，近場無線激光數(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，耦合透鏡將激光進行整形，以無線光的形式發(fā)射到大氣中，最終經(jīng)在大氣傳輸后再通過接收透鏡耦合至通信模塊接收端，并恢復為業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)[3]。無線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 無線激光攜能通信系統(tǒng)組成框圖

2.1 無線激光通信模塊

無線激光通信模塊由無線激光信號發(fā)射電路、無線激光信號探測電路、發(fā)射光路、接收光路等組成。其功能組成如圖2所示。

圖2 無線激光通信功能模塊組成示意圖

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

2.1.1 激光波長選擇

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

在無限極光通信中常用 1 550 nm、1 310 nm、850 nm波段激光，因此本設(shè)計主要選取截止波長在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 材料及截止波長與轉(zhuǎn)換效率的關(guān)系

在800 nm波段，硅（Si）PIN探測器的響應(yīng)度通常在0.5A/W～0.6A/W之間，而硅（Si）APD（雪崩光電二極管）探測器的響應(yīng)度處在0.5A/W～0.6A/W之間，但因為APD探測器其本身信號增益特性，具有幾十至幾百倍的內(nèi)部增益，通常可以獲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)，對于硅（Si）器件，n=1.8～4，對于鍺（Ge）器件n=2.8～8。某型APD探測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APD探測器的反向偏壓都有一個最大閾值電壓，如果工作偏壓再增加，增益陡然增大將導致光電流驟然增加，容易造成探測器的損壞。從圖中可以看出，為獲得標稱的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)計中通過后級發(fā)射光路壓縮束散角提高光學增益，進而提高探測電路接收的光功率，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為信號發(fā)射電路發(fā)射激光的波長；D為發(fā)射光路的口徑。從式1看出，1 550 nm波段激光相對800 nm波段激光光學增益更小，達到相同的束散角發(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)計發(fā)射光學系統(tǒng)時采用更小的空間體積。

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

2.1.2 發(fā)射電路設(shè)計

無線激光信號發(fā)射電路通過光強度直接調(diào)制的方式，驅(qū)動法布里-珀羅式半導體激光器發(fā)光。激光器調(diào)制驅(qū)動主要將業(yè)務(wù)信號加載到激光載波上，通過改變激光驅(qū)動器輸出的偏置電流和調(diào)制電流調(diào)整激光信號波形質(zhì)量，同時，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曲線的斜率效率；ID為驅(qū)動電流。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度下減小偏置電流，在保證信號波形的范圍內(nèi)盡量增加調(diào)制電流。

2.1.3 探測電路設(shè)計

無線激光信號探測電路是以上工作的逆過程：接收光路是發(fā)射光路光信號的耦合接收，將一定接收視場角內(nèi)的光信號耦合到光探測器處，保證對大氣中傳輸?shù)墓庑盘柕慕邮?、匯聚。無線激光信號探測電路將光信號探測、轉(zhuǎn)換為業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)。激光探測電路設(shè)計如圖4所示。

圖4 激光探測電路設(shè)計示意圖

光電探測器是構(gòu)成高速探測電路接收部分的核心器件，它為光模塊通信提供光檢測。光電探測器的主要作用是在接收激光器發(fā)出光信號，并將其轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘枺┖蠹夒娐诽幚怼?/p>

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

針對放大電路的要求，將放大電路設(shè)計為多級放大形式，即前級放大電路用于檢測弱小信號并進行低增益放大，后級電路對前級電路放大后的信號進行較大增益的放大。這樣，各級側(cè)重點不同，可以一起組成一個高效的放大電路。

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放大電路的輔助電路，用于匹配光電探測器與各級放大電路以及與電信號接口之間的信號傳輸，以達到減少信號干擾，降低信號噪聲，控制可能出現(xiàn)的碼間干擾等，從而控制信號通路上過沖、欠沖、振鈴、波形畸變、抖動等影響通行質(zhì)量的現(xiàn)象的出現(xiàn)，保證探測電路正常工作。

保護電路是接收部分信號接收放大電路的外圍電路，主要是為了在探測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，同時探測電路提供無光告警信號等。

2.1.4 光學系統(tǒng)設(shè)計

為實現(xiàn)通信終端小型化、輕量化以及低功耗的光學系統(tǒng)設(shè)計要求，綜合考慮各種光路形式的優(yōu)缺點及本次應(yīng)用的實際需求，本系統(tǒng)采用接收同軸的光路設(shè)計。由于自然界的太陽光等其他雜散光也會通過大氣傳輸進入接收光路，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)過濾光片后通過在耦合光路分光片將光信號分為通信光束和能量光束，通信光束經(jīng)探測器轉(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)分光片對光信號進行通信、傳能兩種光能量的分離，通信、傳能同時進行。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，光學系統(tǒng)設(shè)計了較大的光源發(fā)散角和接收端視場角，發(fā)散角θ1=174 mrad（全角），接收視場角 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

某型號探測器接收靈敏度-32 dBm，假設(shè)發(fā)射光經(jīng)過接收分光片剩余Po=+10 dBm進入信號接收透鏡，根據(jù)公式計算幾何損耗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。當接收2d=10 mm時，幾何損耗-18.8 dB，考慮光學系統(tǒng)中鏡片的衰減Pm=3 dB，即探測器接收功率Pi=Po-P 幾何 -Pm=10-18.8-3 dBm=-11.8 dBm，相對靈敏度有近20 dB的功率余量，可以滿足當前距離的激光通信。

2.2 無線激光傳能模塊

無線激光傳能模塊由無線激光傳能激光器、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 無線激光通信模塊組成框圖

無線激光傳能激光器將電能轉(zhuǎn)換為光信號，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的傳輸。

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

圖8 光電池的波長響應(yīng)度曲線

轉(zhuǎn)換效率（含電轉(zhuǎn)光、光轉(zhuǎn)電兩個過程）、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功率密度在一定范圍內(nèi)不斷提高，光電池的開路電壓、電流密度和轉(zhuǎn)換效率逐漸增大并達到飽和。同時，隨著光功率密度的增加，光電池會隨著發(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展測試）。

整個系統(tǒng)電能傳輸效率約為16.2%。

3 面臨的問題和挑戰(zhàn)

通過對通信性能，特別是傳能過程中電光/光電轉(zhuǎn)換效率的測試，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)擴展應(yīng)用到更遠發(fā)射、接收距離的場景，更是成為限制應(yīng)用的關(guān)鍵因素。

其次，需要開展低功耗設(shè)計：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，這就要求必須開展低功耗設(shè)計，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：在一體化設(shè)計中，要充分考慮光學鏡片損傷閾值，不能因光能量密度大而造成鏡片損毀進而降低系統(tǒng)可靠性和壽命。系統(tǒng)熱耗很大，需要考慮散熱設(shè)計，在系統(tǒng)小型化的同時解決好散熱問題。

4 結(jié)論

通過系統(tǒng)樣機測試，可替代現(xiàn)有分離脫落連接器實現(xiàn)通信、供電功能，且安裝簡易、操作難度降低，分離界面無物理連接，無需開展分離脫落專項試驗，具備一定的工程應(yīng)用價值。

無線激光攜能通信系統(tǒng)以近距離應(yīng)用開展關(guān)鍵技術(shù)研究、測試，通過創(chuàng)新設(shè)計，可滿足特定場景應(yīng)用需求，在國防軍事應(yīng)用中有顯著的實用價值。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，同時探索在更遠距離、高通信帶寬等方面的技術(shù)突破。