一种近场无线激光携能通信系统的研究与设计

［裘晓磊 曾亮 何晓垒］

1 引言

在航天系统、船舶、航空的一些特定分离界面上，广泛采用分离脱落连接器起到稳定供电、指令传输等作用。分离脱落连接器面临可靠解锁、正常脱落的巨大挑战[1]，连接器的选型、插拔技巧工艺对设计师都要很高的要求，是系统总体装配的一项重要工作[2]，且航天连接器受限于本身机械寿命影响，插拔次数受到一定限制。本文设计的无线激光携能通信系统，采用无线激光通信、传能一体化设计实现双向通信，并解决供电问题，利用激光在大气中传输的所具备的无连接、非接触的优势，解决现有连接器的固有机械寿命问题，可有效解决分离脱落连接器选用中的难题。

2 系统组成及原理

本文设计了一种通信、传能共用无线激光发射端的一体化携能通信系统。系统分为全双工无线激光通信模块和无线激光传能模块组成。全双工无线通信模块采用近场无线激光数据传输技术，近场无线激光数据传输技术以红外波段激光为信息载体、以大气为传输介质，通信模块发射端将携带通信数据的红外激光发射至耦合透镜，耦合透镜将激光进行整形，以无线光的形式发射到大气中，最终经在大气传输后再通过接收透镜耦合至通信模块接收端，并恢复为业务数据[3]。无线激光传能模块主要在激光发射端将电网或蓄电池中的电能转换为激光发射到大气，激光接收端在发射端激光照射下经光电池转换为电能[4,5]。系统组成如图1所示。

图1 无线激光携能通信系统组成框图

2.1 无线激光通信模块

无线激光通信模块由无线激光信号发射电路、无线激光信号探测电路、发射光路、接收光路等组成。其功能组成如图2所示。

图2 无线激光通信功能模块组成示意图

无线激光信号发射电路将业务数据调制到激光信号上，发射光路将光信号进行整形、缩束，保证光信号以一定的发散角发射到大气中，保证在接收端光信号即有一定的范围覆盖，又有能量密度保证通信需要。

2.1.1 激光波长选择

本系统无线激光发射端完成传输光能量和光信号的任务，因此在发射波长的选择上需要考虑传输能量的效率、激光波长响应度、光学系统体积等因素的影响。

在无限极光通信中常用 1 550 nm、1 310 nm、850 nm波段激光，因此本设计主要选取截止波长在1 550 nm、1 310 nm、850 nm波段附近的材料，不同材料的光电池的光电转换效率也存在着区别，如表1所示。

表1 材料及截止波长与转换效率的关系

在800 nm波段，硅（Si）PIN探测器的响应度通常在0.5A/W～0.6A/W之间，而硅（Si）APD（雪崩光电二极管）探测器的响应度处在0.5A/W～0.6A/W之间，但因为APD探测器其本身信号增益特性，具有几十至几百倍的内部增益，通常可以获得较高的通信灵敏度。APD（雪崩光电二极管）的内部增益通常表示为电流倍增因子M，通过改变雪崩光电二极管的VAPD引脚的偏压Ubias可以改变电流倍增因子M的值，电流倍增因子M表示为

式中，UBR为探测器的雪崩击穿电压；n则与PN结的材料和结构有关的常数，对于硅（Si）器件，n=1.8～4，对于锗（Ge）器件n=2.8～8。某型APD探测器的偏置电压和增益关系图如图3所示，随着反向偏压的增加，APD的内部增益将增加，每个APD探测器的反向偏压都有一个最大阈值电压，如果工作偏压再增加，增益陡然增大将导致光电流骤然增加，容易造成探测器的损坏。从图中可以看出，为获得标称的M=100增益，电路上的偏压电压应设置为 152～153 V 附近。

图3 APD增益与偏置电压关系图

在本系统设计中通过后级发射光路压缩束散角提高光学增益，进而提高探测电路接收的光功率，若以衍射极限角θ（全角）发射，通信光束的束散角表示为

式中，λ为信号发射电路发射激光的波长；D为发射光路的口径。从式1看出，1 550 nm波段激光相对800 nm波段激光光学增益更小，达到相同的束散角发射，800 nm所需要的发射口径是1 550 nm波段激光的1/2倍。使用800 nm波段激光可以在设计发射光学系统时采用更小的空间体积。

为兼顾光信号在大气传输和光电池的光电转换效率，系统中无线光发射端采用808 nm波段法布里-珀罗式半导体激光器。

2.1.2 发射电路设计

无线激光信号发射电路通过光强度直接调制的方式，驱动法布里-珀罗式半导体激光器发光。激光器调制驱动主要将业务信号加载到激光载波上，通过改变激光驱动器输出的偏置电流和调制电流调整激光信号波形质量，同时，增加消光比提升激光在大气信道下传输的通信质量。

消光比μ定义为“1”码的功率P1与“0”码的功率P0之比，通过dB表示：

式中，IB表示偏置电流；S0与S1分别为激光器的阈值电流Ith前与后的PI曲线的斜率效率；ID为驱动电流。如果偏置电流与阈值电流比较接近IB≈ Ith，可得到消光比为

由于激光器在确定后其在阈值电流以上的斜率确定，因此在保证通信距离所需的光功率强度下减小偏置电流，在保证信号波形的范围内尽量增加调制电流。

2.1.3 探测电路设计

无线激光信号探测电路是以上工作的逆过程：接收光路是发射光路光信号的耦合接收，将一定接收视场角内的光信号耦合到光探测器处，保证对大气中传输的光信号的接收、汇聚。无线激光信号探测电路将光信号探测、转换为业务数据。激光探测电路设计如图4所示。

图4 激光探测电路设计示意图

光电探测器是构成高速探测电路接收部分的核心器件，它为光模块通信提供光检测。光电探测器的主要作用是在接收激光器发出光信号，并将其转变为电信号，供后级电路处理。

信号放大电路是探测电路接收部分的核心电路。主要功能是将光电探测器光-电转换生成的弱电流信号进行适当增益的放大。在接收部分由于光电探测器生成的光电流很微弱，所以必须进行信号放大才能还原出用户信号。放大电路要求能够无失真检测小信号并可以对弱小信号进行适当增益的放大，同时还要有效的抑制噪声和干扰。

针对放大电路的要求，将放大电路设计为多级放大形式，即前级放大电路用于检测弱小信号并进行低增益放大，后级电路对前级电路放大后的信号进行较大增益的放大。这样，各级侧重点不同，可以一起组成一个高效的放大电路。

供电电路是为接收部分各器件工作提供稳定电源的电路，主要包括电源转换、滤波、整形等。

匹配均衡电路是信号放大电路的辅助电路，用于匹配光电探测器与各级放大电路以及与电信号接口之间的信号传输，以达到减少信号干扰，降低信号噪声，控制可能出现的码间干扰等，从而控制信号通路上过冲、欠冲、振铃、波形畸变、抖动等影响通行质量的现象的出现，保证探测电路正常工作。

保护电路是接收部分信号接收放大电路的外围电路，主要是为了在探测电路接收光功率异常情况下控制接收部分的工作状态，防止器件损坏，同时探测电路提供无光告警信号等。

2.1.4 光学系统设计

为实现通信终端小型化、轻量化以及低功耗的光学系统设计要求，综合考虑各种光路形式的优缺点及本次应用的实际需求，本系统采用接收同轴的光路设计。由于自然界的太阳光等其他杂散光也会通过大气传输进入接收光路，因此在本系统中增加滤光片，限制杂散光输入的方式提高系统通信稳定性。

经过滤光片后通过在耦合光路分光片将光信号分为通信光束和能量光束，通信光束经探测器转换为通信数据，能量光束经光电池转换为电能。经分光片对光信号进行通信、传能两种光能量的分离，通信、传能同时进行。系统能量传输流程如图5所示。

图5 系统光路示意图

本系统适应大范围偏差的激光通信环境，光学系统设计了较大的光源发散角和接收端视场角，发散角θ1=174 mrad（全角），接收视场角 θ2=78.6 mrad（全角），根据仿真结果，在500 mm处光斑分布在直径2R=87 mm的范围内，如图6所示。

图6 发射光斑分布图

某型号探测器接收灵敏度-32 dBm，假设发射光经过接收分光片剩余Po=+10 dBm进入信号接收透镜，根据公式计算几何损耗P几何。

式中，R为发射光斑在500 mm处半径； d为接收透镜孔径半径大小。当接收2d=10 mm时，几何损耗-18.8 dB，考虑光学系统中镜片的衰减Pm=3 dB，即探测器接收功率Pi=Po-P 几何 -Pm=10-18.8-3 dBm=-11.8 dBm，相对灵敏度有近20 dB的功率余量，可以满足当前距离的激光通信。

2.2 无线激光传能模块

无线激光传能模块由无线激光传能激光器、光电池、发射光路、接收光路等组成。其功能组成如图7所示。

图7 无线激光通信模块组成框图

无线激光传能激光器将电能转换为光信号，光电池将光束能量转换为电能；发射光路、接收光路完成光信号的传输。

根据光电池响应率曲线，结合激光器性能，选择808 nm作为工作波长，即保证光电池具有较高响应度，同时激光器、通信探测器也有成熟的器件可选。光电池波长响应度曲线如图8所示。

图8 光电池的波长响应度曲线

转换效率（含电转光、光转电两个过程）、可靠性和成本是衡量光电池性能的主要参数[6]。随着光电池接收光敏面处的光信号功率密度在一定范围内不断提高，光电池的开路电压、电流密度和转换效率逐渐增大并达到饱和。同时，随着光功率密度的增加，光电池会随着发热量增大出现温度升高，从而造成光电转换效率降低[7]。经测试，光电池转换效率和电池温度的关系如图9所示。

图9 光电池转换效率和电池温度的关系

调制输出光能量2 W，电光转换效率约ηeo=40%。光电池材料为Si和GaAs，转换输出电压Vo=6.26 V，最大功率输出Po=0.81 W，光电转换效率约ηoe=40.5%（此效率在发射、接收端间距10 mm，接收端光斑与光电池光敏面相同，去除分光片情况下开展测试）。

整个系统电能传输效率约为16.2%。

3 面临的问题和挑战

通过对通信性能，特别是传能过程中电光/光电转换效率的测试，结合应用需求分析，系统工程应用仍然面临着三大挑战。

首先，能量转换效率待提升：试验结果表明，电光、光电转换效率均较低，传输全系统转换效率只有约16%，大量能量损耗而转换为热量。系统虽然可用于特定场景，但是还应不断探索效率的提升方式，特别是将系统扩展应用到更远发射、接收距离的场景，更是成为限制应用的关键因素。

其次，需要开展低功耗设计：受光电池转换效率、特别是电流密度影响，光电池输出功耗存在上限，这就要求必须开展低功耗设计，否则通信模块的功能、性能将受到极大限制。

再者，需要优化一体化设计：在一体化设计中，要充分考虑光学镜片损伤阈值，不能因光能量密度大而造成镜片损毁进而降低系统可靠性和寿命。系统热耗很大，需要考虑散热设计，在系统小型化的同时解决好散热问题。

4 结论

通过系统样机测试，可替代现有分离脱落连接器实现通信、供电功能，且安装简易、操作难度降低，分离界面无物理连接，无需开展分离脱落专项试验，具备一定的工程应用价值。

无线激光携能通信系统以近距离应用开展关键技术研究、测试，通过创新设计，可满足特定场景应用需求，在国防军事应用中有显著的实用价值。后续需关注光电池在提升转换效率、提高使用寿命、绿色环保制备工艺、成本控制等方面取得的技术突破，同时探索在更远距离、高通信带宽等方面的技术突破。