專利名稱：一種自由空間光通信裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及一種自由空間光通信裝置，具體的說是涉及用于自由空間光通信裝置的光學天線，屬于通信領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
自由空間光通信是以激光作為信息載體，在地面上不需要任何有線信道為傳輸媒介的通信方式，其特點是光束在大氣中直線傳播。與微波通信相比，自由空間光通信所使用的激光頻率高，方向性強，可用的頻譜寬，不需要申請頻率使用許可；與光纖通信相比，由于自由空間光通信在發(fā)射機和接收機之間不要求物理連接，所以造價低、施工簡便、迅速，機動靈活。自由空間光通信系統(tǒng)包括在兩個和多個通信端之間的至少一個用于發(fā)送光信號的發(fā)射天線和至少一個用于接收光信號的接收天線。
在許多自由空間光通信設(shè)備中，發(fā)射和接收天線采用常規(guī)的望遠鏡系統(tǒng)，如圖1所示，包括發(fā)射望遠鏡11，用于形成對準接收望遠鏡13的發(fā)射光束12。待發(fā)射的光信號通常由一半導(dǎo)體激光器發(fā)出，激光器的發(fā)射面位于發(fā)射望遠鏡11的前焦面，用位于接收望遠鏡13焦平面的光檢測器接收信號。
影響自由空間光通信裝置性能(包括帶寬和通信距離)的因素有激光發(fā)射功率、發(fā)射端光束發(fā)散角、大氣衰減系數(shù)、探測器靈敏度以及發(fā)射天線和接收天線的對準誤差等。很多因素都會導(dǎo)致對準誤差，如系統(tǒng)安裝時發(fā)射天線和接收天線的對準有誤差；大氣中的渦流和溫度梯度會輕微改變激光束的方向，引起接收機平面上的光束漂移；刮風或溫度變化造成的發(fā)射天線、接收天線的晃動，甚至建筑物的輕微擺動，都會引起對準誤差。由于這些原因，如果到達接收望遠鏡的光束直徑小于或接近接收望遠鏡透鏡的直徑，會造成對準困難，而且容易產(chǎn)生很大的對準誤差。
常規(guī)望遠鏡系統(tǒng)的缺點是為了保證發(fā)射望遠鏡和接收望遠鏡對準的穩(wěn)定性，同時兼顧接收望遠鏡的體積和重量，不得不采用大光束發(fā)散角、小接收面的方式，這樣就只能接收到一小部分信號光能量，造成大部分光能量的浪費，限制了通信系統(tǒng)的帶寬和通信距離。上海光機所的自由空間光通信樣機發(fā)射光束發(fā)散角設(shè)計為1mrad，帶寬155Mbit/s，通信距離2km；德國Goc公司的AIR系列產(chǎn)品光束發(fā)散角為3mrad，帶寬40Mbit/s，通信距離500m；日本Canon公司生產(chǎn)的DT-30系列產(chǎn)品光束發(fā)散角為7mrad，帶寬156Mbit/s，通信距離500m。以上數(shù)據(jù)都是在未采用波分復(fù)用技術(shù)、光放大器、自動跟蹤系統(tǒng)、多孔徑發(fā)射等條件下得到的。
常規(guī)望遠鏡系統(tǒng)的另一個缺點是大尺寸透鏡的體積、重量大，制作成本高。
因此，希望改進自由空間光通信裝置的光學天線，以提高系統(tǒng)的帶寬、通信距離和對準的穩(wěn)定性。不僅如此，還希望新型的光學天線保持輕便，能夠以低成本制造。
實用新型內(nèi)容為解決上述問題，本實用新型提供一種滿足改善通信系統(tǒng)帶寬、通信距離和對準的穩(wěn)定性等目標的低成本的自由空間光通信裝置光學接收天線。
該光學天線采用非成像光學系統(tǒng)的設(shè)計，包括一個凹的球面支撐體、該球面支撐體內(nèi)側(cè)的鍍膜反射層、和一個光檢測器，其中所述光檢測器位于鍍膜反射層的焦平面。球面反射鏡能提供很大的接收面，能提高接收機接收到的信號光能量，使發(fā)射機和接收機的對準更容易，而且保證對準的穩(wěn)定性；在這樣的條件下，可以把發(fā)射望遠鏡的光束發(fā)散角設(shè)計得很小，如接近衍射極限，使到達接收機的光束直徑小于或接近光學接收天線的直徑，從而盡量接收到全部的光能量，這對于提高自由空間光通信系統(tǒng)的帶寬、鏈路距離和對準的穩(wěn)定性非常有意義。
光束發(fā)散角小的另一個好處是可以使光信號受到的大氣湍流的影響更少。大氣湍流是一種體積非常小的粘性流體，密度不斷變化，就像一個具有時變屬性的棱鏡或透鏡。光波在湍流大氣中傳播時湍流不損耗光波的能量，只引起光波的強度、相位和傳播方向等參數(shù)的起伏，影響的程度與形式同光束的直徑與湍流尺度的相對大小有關(guān)。當光束直徑小于湍流尺度時，湍流的主要作用是使光束產(chǎn)生隨機偏折，從而使光束在接收面上的投影位置隨機飄蕩，即光束漂移；當光束直徑大于湍流尺度時，光束截面內(nèi)包含許多湍流，各自對照射的那一小部分光束起衍射作用，從而使光束的強度和相位在空間和時間上出現(xiàn)隨機分布，導(dǎo)致光束破裂，光束面積也擴大，需要采用自適應(yīng)光學的方法矯正波前。所以，光束直徑小于湍流尺度時，大氣湍流的影響較為簡單，處理起來更容易。
此外，本實用新型的光學接收天線還有如下優(yōu)點球面反射鏡可以做得輕又薄，能實現(xiàn)光學天線的輕便化；而且球面反射鏡的加工工藝簡單，制作成本很低，便于實現(xiàn)大批量生產(chǎn)。


圖1是常規(guī)自由空間光通信裝置的示意圖；圖2是本實用新型光學接收天線的示意圖；圖3是使用本實用新型的自由空間光通信裝置的示意圖。
圖中11-發(fā)射望遠鏡，12-發(fā)射光束，13-接收望遠鏡，21-球面支撐體，22-鍍膜發(fā)射層，23-光檢測器，24-球面反射鏡的中軸，25-1-入射光束，25-2-反射光束，26一鍍膜反射層的焦平面，31-發(fā)射望遠鏡，32-發(fā)射光束，33-接收天線，。
具體實施方式
本實用新型的特征之一是采用非成像光學系統(tǒng)的設(shè)計，相對于常規(guī)望遠鏡的折射系統(tǒng)、反射系統(tǒng)及折反射系統(tǒng)等成像光學系統(tǒng)，非成像光學系統(tǒng)不含透鏡，結(jié)構(gòu)簡單、緊湊，聚光效率高，最適合應(yīng)用在成像質(zhì)量要求不高的聚光技術(shù)領(lǐng)域。
按照本實用新型，畫出一種非成像光學系統(tǒng)的光學接收天線。如圖2所示，光學天線包括一個凹的球面支撐體21、該球面支撐體內(nèi)側(cè)的鍍膜反射層22、和一個光檢測器23，其中光檢測器23位于鍍膜反射層22的焦平面。從遠處發(fā)射到球面反射鏡的光線可以近似認為平行于球面反射鏡的中軸24，這樣，入射光束25-1被鍍膜反射層22反射成光束25-2，到達位于鍍膜反射層22焦平面26的光檢測器23。雖然圖上畫出的是單根同軸光線，實際上接收到的光信號25-1是近似平行光束，25-2是射向光檢測器23的錐形會聚光束。
按照本實用新型的另一個特征，由于球面反射鏡能提供很大的接收面，所以發(fā)射機和接收機的對準更容易，而且允許到達接收機的光束直徑小于接收端天線的直徑，如圖3所示。在設(shè)計發(fā)射望遠鏡31時，可以把光束發(fā)散角設(shè)計的很小，例如以接近衍射極限角發(fā)射。當發(fā)射光束32在空氣中傳播的時候，因為光束直徑較小，所以受到的大氣湍流的影響也更少。在接收端，大面積的接收光學天線33能盡量接收到全部的光能量，消除各種因素引起的對準誤差的能力也大大提高。
由于光檢測器位于球面反射鏡接收面的前方，要求光檢測器的體積較小，以確保其可能遮擋的光束面積較小。
應(yīng)當指出，不一定把光束聚焦在光檢測器上，可以在球面反射鏡的焦平面采用場透鏡式的附加部件，把光束準直，然后再用一個會聚透鏡把光束聚焦在光檢測器上，或聚焦進光纖中。
在一個特殊的實施例中，球面反射鏡的直徑是0.6m，曲率半徑為0.8m，在其內(nèi)側(cè)鍍膜，以便在0.85微米的波長上提供高的反射率。光檢測器位于距球面反射鏡頂點0.4m的位置上。發(fā)射望遠鏡的光束發(fā)散角設(shè)計成0.1mrad(毫弧度)，在大氣中傳播2km后到達接收機的光束直徑為0.2m，對準誤差在0.2m之內(nèi)，球面反射鏡能接收到全部的信號光能量，此時通信系統(tǒng)帶寬最高達到1Gbit/s(吉比特/秒)；當通信距離達到10km時，到達接收天線的光束直徑為1m，對準誤差在0.2m之內(nèi)，球面反射鏡能接收到部分的信號光能量，此時通信系統(tǒng)帶寬最高達到155Mbit/s(兆比特/秒)。
如果希望在更長的距離上得到好的通信性能，需要相應(yīng)的減小發(fā)射望遠鏡的光束發(fā)散角，增大球面反射鏡的直徑。
權(quán)利要求1.一種自由空間光通信裝置，采用非成像光學系統(tǒng)的天線設(shè)計，包括發(fā)射裝置、發(fā)射光束以及接收裝置，其特征在于接收天線由一個凹的球面支撐體和光檢測器構(gòu)成，球面支撐體內(nèi)側(cè)加工有鍍膜反射層，光檢測器位于鍍膜反射層的焦平面；
2.如權(quán)利要求1所述的自由空間光通信裝置，其特征在于發(fā)射望遠鏡的光束發(fā)散角到達接收機的光束直徑小于或接近光學接收天線的直徑；
3.如權(quán)利要求1所述的自由空間光通信裝置，其特征在于所述的球面支撐體采用金屬或非金屬材料制成。
專利摘要本實用新型涉及一種自由空間光通信裝置，該裝置采用非成像光學系統(tǒng)的天線設(shè)計，包括球面支撐體、該球面支撐體內(nèi)側(cè)的鍍膜反射層和光檢測器，其中所述光檢測器位于鍍膜反射層的焦平面。球面反射鏡能提供很大的接收面，使發(fā)射機和接收機的對準更容易?？梢园寻l(fā)射望遠鏡的光束發(fā)散角設(shè)計得很小，使到達接收機的光束直徑小于或接近光學接收天線的直徑，有利于提高自由空間光通信系統(tǒng)的帶寬、鏈路距離和可靠性。本實用新型的光學接收天線可以做得輕又薄，能實現(xiàn)光學天線的輕便化，而且加工工藝簡單，制作成本很低，便于大批量生產(chǎn)。
文檔編號H04B10/10GK2810046SQ200520010979
公開日2006年8月23日 申請日期2005年3月29日 優(yōu)先權(quán)日2005年3月29日
發(fā)明者俞信, 王佳 申請人:北京理工大學