（光学专业论文）红外无线激光通信系统研究.pdf

长春理工大学硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的硕士学位论文，红外无线激光通信系统研究是 本人在指导教师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引 用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体己经发表或撰写过的作品成果。 对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完 全意识到本声明的法律结果由本人承担。 作者签名：差盏! 章銎坐年二月鲨同 长春理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“长春理工大学硕士学位论文版权使用 规定”，同意长春理工大学保留并向中国科学信息研究所、中国优秀博硕士学位 论文全文数据库和c n k i 系列数据库及其它国家有关部门或机构送交学位论文 的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权长春理工大学可以将本学 位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫描 等复制手段保存和汇编学位论文。 作者签名：杰盐 导师签名：坳 望塑年立月丝同 之盟年三月垒同 摘要 本文全面研究了红外无线激光通信系统，并完成了光发射机和接收机的设计。 光发射机方面，我们采用c o ，激光器作光源，介绍了c o ，激光器用在无线光通信 时的优势，选择了适合的激光器型号；调制我们采用卢光调制，利用所选声光调制器 的参数进行了衍射效率、衍射角、通信速率的计算，得到传输带宽为2 m h z ；介绍了 光学天线系统的原理和结构，并完成了光发射天线的设计。 光接收机方面，采用非相干探测接收方式，光电探测器选择光电导型碲镉汞 ( h g c d t e ) 红外探测器，并对其优点做了简单说明；同样，我们设计了光接收天线，并 对其主要参数做了计算。另外我们对整个系统的功率进行了估算，并分析了光学损耗。 关键词：无线激光通信光发射机c 0 2 激光器光调制光接收机光电探测器 光学天线 a b s t r a c t t h i sp a p e rh a sr e a s e r c h e do nt h ei n f r a r e dw i r e l e s sl a s e rc o m m u n i c a t i o ns y s t e m s c o m p r e h e n s i v l y , a n dc o m p l e t e dt h ed e s i g no fo p t i c a lt r a n s m i t t e ra n dr e c e i v e r o nt h eo p t i c a lt r a n s m i t t e r , w eu s e dc 0 2l a s e ra st h el i g h ts o u r c e ，a n di n t r o d u c e dt h e a d v a n t a g e so fc 0 2l a s e ri nw i r e l e s so p t i c a lc o m m u n i c a t i o n s e l e c t e dt h es u i t a b l em o d e l ；w e u s e da c o u s t o - o p t i cm o d u l a t o rt om o d u l a t ec 0 2l a s e r , u s i n gt h ep a r a m e t e r so fa c o u s t o o p t i c m o d u l a t o rw ec h o s e n ，c a l c u l a t e dt h ed i f f r a c t i o ne f f i c i e n c y , d i f f r a c t i o na n g l e ，c o m m u n i c a t i o n r a t ec a l c u l a t i o n o b t a i n e d2 m h zt r a n s m i s s i o nb a n d w i d t h ；i n t r o d u c e dt h ep r i n c i p l eo fo p t i c a l a n t e n n as y s t e ma n ds t r u c t u r e ，d e s i g n e dt h el i g h tt r a n s m i t t i n ga n t e n n a o nt h eo p t i c a lr e c e i v e r , w eu s e dt h en o n c o h e r e n td e t e c t i o nr e c e i v e rm o d e s e l e c t e d h g c d l 、ep h o t o c o n d u c t i v ei n f r a r e dd e t e c t o r s ，a n dh a v ed o n eab r i e fd e s c r i p t i o na b o u ti t s a d v a n t a g e s ；s i m i l a r l y , w ed e s i g n e d t h eo p t i c a lr e c e i v e ra n t e n n a ，a n du s i n gi t sm a i n p a r a m e t e r st od os o m ec a l c u l a t i n g i na d d i t i o n ，w ee s t i m a t e dt h ep o w e ro fw h o l es y s t e m w e r ea n da n a l y z e dt h eo p t i c a ll o s s k e yw o r d s ：w i r e l e s sl a s e rc o m m u n i c a t i o n c 0 2l a s e r o p t i c a lr e c e i v e r o p t i c a lm o d u l a t i o no p t i c a lt r a n s m i t t e r p h o t o d e t e c t o r o p t i c a la n t e n n a 目录 摘要i a b s t r a c t i i 第一章绪论1 1 1 弓i 舌1 1 2 无线激光通信的特点2 1 3 无线激光通信的应用3 1 4 无线激光通信的发展及国内外研究现状3 1 5 论文的设计思路和主要工作内容6 第二章光发射机的设计7 2 1 光发射机的原理与结构7 2 2 光源的选择8 2 3 信号的调制1 0 2 4 光发射天线的设计1 6 第三章光接收机的设计2 3 3 1 光接收机的基本原理和结构2 3 3 2 光电探测器的选择2 5 3 3 光学接收天线的设计3 0 3 4 光学损耗3 2 3 5 系统功率计算3 3 3 6 接收机电路简介3 3 第四章系统噪声分析一3 6 4 1 大气噪声_ 3 6 4 2 光电探测器噪声3 7 4 3 放大电路噪声3 8 4 4 背景光噪声3 8 结 仑4 0 致谢4 2 参考文献4 3 1 1 引言 第一章绪论 无线激光通信又称自由空间光( f r e es p a c eo p t i c s ， 为信息载体在大气介质中进行传输的光通信技术。 无线激光通信兼备了光纤通信和无线通信的优点， 速率，又能提供像无线通信一样的个人通信。 简称f s o ) 通信，是以光波作 既能提供类似光纤通信的传输 在上个世纪末，光纤通信得到了重要的应用。目前，我国许多城市已经实现光纤 剑路边( f t t c ) 、光纤到小区( f t t z ) ，但是路边、小区到用户的所谓“最后一公罩” 仍然是用户享受宽带业务的瓶颈。无线通信一度成为个人移动通信的主要手段，随着 用户的增多和无线频谱的减少，用户高速稳定可靠通信的需求与可利用的无线频谱减 少的矛盾越来越突出，无线光通信就是在这种背景下产生的i 。 无线激光通信与光纤通信和其他有线通信相比，它具有机动灵活、对市政建设影 口向较小、运行成本低、易于推广等优点：又比微波通信技术具有更高的调制速率、频 带更宽，而且不占用频谱资源。因此，无线激光通信已成为通信家族中的一个新的主 力军，它可应用于最后一公旱光网络接入、移动通信的基站互连、数据通信专线、电 视电话会议专线、灾害应急通信、临时扩容、光纤线路维修、i p 网络接入、企事业单 位的内部网、需特殊保密的军事安全部门和其他不宜使用光纤及微波的通信，具有广 阔的市场前景。 无线激光通信系统主要是由两部分构成，即发射端机和接收端机。其基本原理如 图1 1 所示 大 气 信 道 制 纠接 收 1 探测器一放人器 天 叫线 h 信号解调 一童一 l 信号输出 图1 1 无线光通信原理图 发射端机主要是由激光器，调制器，调制驱动器，信号源和光发射天线组成；接 收端机主要由光接收天线，光电探测器和电信号处理单元组成。信号源发出的信号经 调制器加载到激光器发出的光束上，调制器控制光载波的某个参数，使其按电信号的 规律变化，已调制的激光经准直、扩束后，通过光发射天线发射出去；接收是发射的 逆过程，接收天线接收到来自发射端的微弱已调光信号，并将此光信号会聚到光电探 测器上，光电探测器将微弱的光信号转换成微弱的电信号，电信号再经过高频放大电 路放大，经解调后还原初始信息，最后完成信号的输出。光学天线是由透镜或透镜组 构成的，发射天线的作用是将截面很小的激光束进行扩束、准直，使激光束以一定发 散角朝特定方向发射；接收天线将截面很大的激光束聚成较小的光斑，以适应光电探 测器的尺寸1 川。 1 2 无线激光通信的特点 1 2 1 无线激光通信的优势 相比于其他接入方式，无线激光通信主要优势包括： 1 无需频谱许可证。无线激光通信不占用无线电频谱资源，其工作波段在 2 0 0 n m 1 0 u m ，因此既不会与其他传输发生干扰，也无需申请频率许可证。 2 安全保密性强。激光的发射光束窄、方向性好、发散角小( 一般在毫弧度) ，一 般数据不会j i - n ，除非通信链路被截断，所以安全保密性强。 3 实施成本低。无需进行昂贵的管道铺设和维护，成本是光纤到楼的1 1 0 1 3 。 4 建网快速。由于不需要埋设光纤和等待各种手续上的问题，因此无线激光通信 征建。l l 通信网时速度比其他通信方式快很多。它只须在各通信端安装通信设备，建网 只须在几小时或几天内完成，因此无线激光通信适合在特殊地形和地貌或光纤通信等 宵线方式不易实现的场所使用。 5 协议透明。无线激光通信是以光波作为传输介质，几乎所有的传输协议都可以 很容易的迭加到光波上去，对于图像、数据、语音等均可以实现透明传输。 6 通信设备便携。由于光波的波长小，因此在同等的条件下，无线激光通信收发 天线要比微波、毫米波通信的天线尺寸d , j l l 多。所以无线激光通信系统具有体积小、 苇量轻、功耗小等优点。 7 传输信息容量大。激光的带宽高，如果采用点对点或点对多点的组网方式，无 线激光通信都能传输1 5 5 m b s 1 0 g b s 的数据码率，但传输距离点对点为2 - 4 k m ，点对 多点为1 2 k m ；如果采用个性的组网方式，能传输6 2 2 m b s 的数据码率，传输距离为 2 0 0 4 0 0 mp l 。 1 2 2 无线激光通信的不足 无线激光通信也存在自身的不足，需要考虑的主要有以下几个方面。 1 通信距离受限。无线激光通信是一种视距宽带通信技术，传输距离与信号质量 的矛盾非常突出。传输距离过长波束就会变宽，导致接收点不能正确接收。 2 天气影响传输可靠性。无线激光通信系统对天气因素十分敏感，雾、雪、雨对 传输质量有很大影响。经过测试，系统受各种天气影响的衰减值为：雾5 0 3 0 0 d b k m ， 雪5 0 15 0 d b k m ，雨2 0 5 0 d b k m ，晴天5 15d b k m 。 3 物理阻隔。两个通信端之间视线范围内必须无障碍物。对于中| 日j 存在遮挡而不 能直视的两点的通信，可以建立中继站来实现传输。 4 建筑物( 安装点) 的晃动影响光路对准。当建筑物受同光、风力等外界因素的 作用会产牛晃动，影响发射端和接收端的对准，使传输链路质量下降。 5 激光安全问题。激光超过一定功率会对人眼产生影响，人体也可能被激光系统 释放的能量伤害。所以在无线激光通信中，必须遵循国际一级眼安全标准1 4 j 。 1 3 无线激光通信的应用 无线激光通信具备光纤通信和微波通信的优点，基站建设方便快捷，应用非常广 泛，可归结如下： 1 在原带宽不足或不具备有线接入的情况下提供高速、稳定的接入方案。当通信 链路跨桥、山、河流，或者在拥挤的城市内，埋设光纤受地理条件限制时，无线激光 通信可以完成高效的、宽带的数据传输。 2 有效解决了综合业务网接入的“最后一公罩”问题。提高用户接入端的传输速 度和容量，能够较好的满足三网( 电信网、有线电视网、i p 网) 合一对带宽的要求， 可提供2 - 6 2 2 m h z 的带宽p j 。 3 力助局域网互联。无线激光通信为临近局域网的互联互通提供了选择方案，既 可以方便地组织用户接入的高速传输，也可以方便地实现局域网之问的连接。 4 应急通信。在突发的自然或人为的意外状况中，原有通信链路被破坏，难以快 速恢复时，无线激光通信可以快速部署，作为其他通信的备份通信，也可作为临时大 型活动的应急通信。 5 快速组建电信网络。无线激光通信网络可以帮助新兴的电信网络运营商快速组 建本地网，完成城域网建设只需较少的资会、人力和时间；对电信运营商来说，无线 激光通信网络可以作为光纤通信系统的补充，用于不便铺设光纤的区域1 6 j 。 1 4 无线激光通信的发展及国内外研究现状 1 4 1 无线激光通信的起源和发展 无线光通信的出现要比无线电通信早得多，早在两千七百年日，j 就有了最原始的无 线光通信方式，那就是周幽王时代的烽火通信。 从古代的烽火台，到后来的红黄绿交通信号灯、旗语等，都是最有效，最简单的 依靠大气作为传输媒介，靠人眼来接收信息的无线光通信系统。 1 8 7 6 年贝尔发明了电话以后就想用光进行通话。1 8 8 0 年他成功进行了光电话实验， 通话距离2 1 3 m ，利用太阳光作为光源，大气作为传输介质，硒晶体作为光探测器。这 也被认为是近代无线光通信的丌始。 1 9 3 0 1 9 3 2 年| 日j ，同本东京的日本电报公司和每同新闻社之间实现了传输距离为 3 6 k m 的无线光通信；第二次大战期间，无线光电话被改良成红外线电话，因为红外 线方向性好，且人眼看不到，能更好的保密信息。 此后的几十年，由于没有找到高强度的、可靠的光源，无线光通信技术一直裹足 不前。1 9 6 0 年7 月8 同，美国科学家梅曼发明了红宝石激光器，激光是类似电磁波的频 率稳定的光源。激光器的发明对无线光通信的发展起到了重要作用，现代无线光通信 ( 无线激光通信) 的时代也随即开始。 从1 9 6 0 年丌始，无线光通信得到了突飞猛进的发展，有的实验室用h e n e 气体激 光器做了传输2 0 路电话和电视信号试验；还有的公司制作了无线语音光通信系统，传 输距离最远可达6 0 0 m ，1 9 7 0 年以后，无线光通信走上了应用发展的道路。 1 9 7 0 年以后，人们突破了半导体激光器和低损耗光纤两大关键技术，使光纤通信 从理想变为可能。1 9 7 7 年，美国的芝加哥市投入商用世界上第一条光纤通信系统，速 率达4 5 m b p s 。与此同时，光纤通信取代无线激光通信成为激光通信的研究和发展的重 点。1 9 9 8 年后，为了解决宽带网“最后一公里”问题，无线激光通信依靠其优越性能、 高的性价比，重新进入竞争激烈的通信领域，成为最具竞争力的宽带通信手段i 7 1 - i m j 。 1 4 2 无线激光通信国外研究现状 尢线激光通信曾作为2 0 0 1 年的十大电信热点技术之一，已经引起了人们的广泛重 视。目6 ，j ，在研究和应用上，美国仍然处于领先水平。2 0 0 0 年，美国的t e r a b e a m 公司 与l u c e n t t e c h n o l o gy 公司一起，在悉尼奥运会水上中心和演播中心之i 日j 实现了8 波道 的无线数据通信链路，运行期间传输数据畅通，效果良好。同样是在2 0 0 0 年，t e r a b e a m 公司在美国西雅图四季饭店利用无线激光通信设备成功向客户提供了1 0 0 m b i t s 的数 据传输。还是在2 0 0 0 年，美国朗讯公司推出了一套商用无线激光通信系统，该系统采 用4 波长波分复用，每路波长通信速率可达2 5 g b p s ，总容量达1 0 g b p s ，通信距离最 远可达5 k m 。2 0 0 1 年8 月，t e r a b e a m 公司在m i c r o s o f t c o r p o r a t i o n 年度员工大会上， 成功为大会提供了无线数据传输服务。2 0 0 1 年9 月l l 同，纽约世贸中心遭到恐怖袭击 后的第一时间，纽约州联合法院利用3 个f s o 系统，在不到一周的时问罩迅速恢复了 通向曼哈顿法院的业务。2 0 0 2 年，a i r f i b i e r 公司在美国的波士顿将光纤通信网与无线 通信网通过光节点连在一起，该地区全光网络得到实现。f s o 领先供应商l i g h t p o i n t e 公 司在全球3 0 多个国家部署了上千套的无线激光通信设备，并在2 0 0 6 年2 月推出 4 f l i g h t l i t e 1 0 0 e 设备，它可以支持10 0 m 以太网1 5 k m 距离的传输，同年5 月l i g h t p o i n t e 公司又推出f l i g h t s t r a t a 1 0 0 x a ，这是第一款集成快速以太网无线链路和5 8 g h zr f 技 术的f s o 产品1 。【1 4 j 。 1 4 3 无线激光通信国内研究现状 在我国，无线激光通信的研究和发展4 。刚刚起步，f s o 的应用在2 0 0 0 年以前还没 有先例。那时，主要是一些具有军方项目的研究所在研究无线激光通信，近年来，随 着民用无线激光通信市场的需求，我国加紧对这项技术的研发并取得很快的发展。 2 0 0 0 年，上海光机所和上海市长途电信局合作，研制完成了4 2 m b i t s 大气传输 激光通信实验样机和1 5 5m b i t s 的大气光通信实验样机，工作距离2 k m ；2 0 0 1 年初又 研制完成自动跟踪型6 2 2 m b p s 无线激光通信样机，达到国际最新产品的性能指标。 2 0 0 1 年1 月，陈长缨教授领导的科研小组所研制的无线激光通信系统在第二届国际光 电子博览会上展示，并演示了传输速率4 m b i t s 动态数字视频图像信号。2 0 0 2 年8 月， 清华同方研究发展中心“f s o 技术跟踪研究小组”自主研发的无线激光通信产品 t f o w 1 0 0 1 ，完成了l k m 点对点通信样机检测，此产品带宽达1 0 0 m b i t s 2 5 g b i t s ， 可解决宽带网接入的“最后一公里”问题。2 0 0 3 年1 月1 3r ，上海光机所信息光学实 验室完成了所承担的无线激光通信系统项目，该系统传输速率为1 5 5 6 2 2 m b i t s ，工作 足h 离2 k m ，具有双向高速传输和自动跟踪功能，自动跟踪精度0 1 m r a d ，响应时f b j0 2 s 。 同年，南京大学光通信工程研究中心研制成功的快速以太网光无线通信系统实现了 l5 5 m 高带宽的稳定传输。2 0 0 6 年，邓天平等采用垂直腔面发射半导体激光管 ( v c s e l ) 作为光源，设计了一套无线激光视频通信系统，该系统发射功率为3 - 5 m w ， 传输带宽为15 5 m h z ，通信距离为l k m ，通信误码率小于1 0 一。2 0 0 7 年1 0 月2 0 同，武 汉大学在北京郊区实验场成功完成传输速率1 2 5 g b p s ，通信距离1 6 k m 的无线激光通信 实验，陔系统可同时进行声音和画面的实时传播。同样是在2 0 0 7 年，北京理工大学的 许廷发等设计了一套低功耗红外无线视频通信系统，该系统传输速率高达1 6 m b i t s ， 发射端的功耗低于5 0 0 m w ，很适合作为大型视频信息处理系统中的视频信息采集设备 与处理没备问的无线接口。最近，我国电子科技大学采用10 6 9 m 波长内腔式二氧化碳 激光器，实现定点双工四线制三路电话的大气通信。 我国在无线激光通信技术上的研究还是存在着巨大挑战，据统计，我国一年只推 出了几种实用型大气通信机，其实用化进程远远落后于国外发达国家。因此，研究无 线激光通信技术，使其尽快推广应用是很有意义的【”】- 【1 8 j 。 1 5 论文的设计思路和主要工作内容 本论文设计了一套针对点到点的无线激光通信系统， 部分。 本论文研究的无线激光通信系统所要达到的指标为： 宽2 m h z 。 并设计系统结构和各个组成 通信距离至少2 k m ，传输带 系统基本构成包括c o ，激光器，声光调制器，调制驱动器，红外光电探测器，高 频放大器，自动增益控制单元，光学天线，准直扩束装置等。 论文中主要工作内容包括： 1 对国内外无线激光通信新技术、器件进行全面调研，分析无线激光通信系统各 组成部分的参数和匹配关系，构建合理的、满足要求的无线激光通信系统； 2 分析光学损耗、对系统各环节的光功率进行估算； 3 确定c o ，激光调制方法、调制器件及光信号接收器件； 4 确定光学天线结构、参数和滤光系统，完成系统的设计； 5 分析系统的噪声。 6 第二章光发射机的设计 2 1 光发射机的原理与结构 2 1 1 光发射机的原理 光发射机主要要完成的功能就是将电信号转换成光信号，并发射出去。前面已经 捉到，无线激光通信是光纤通信和无线通信二者的结合，所以，无线激光通信系统光 发射机可以借鉴光纤通信和无线通信发射机技术中相对成熟的部分【1 引。 2 1 2 光发射机的结构 光发射机有两种，内调制光发射机和外调制光发射机。 内调制光发射机主要是由信号源、驱动电路、激光器、光束准直系统及光发射天 线构成。原理如图2 1 ( a ) 所示。外调制光发射机主要是由激光器、调制器、调制驱 动器、信号源、光束准直及光发射天线组成。其原理如图2 1 ( b ) 所示。 ( a ) ( b ) 图2 1 光发射机原理图 2 2 光源的选择 2 2 1 波长的选择 在无线激光通信系统中，光源是光发射端机的关键器件，系统对光源的要求可概 括为： 1 光源的峰值波长应该在大气信道的低损耗窗口内； 2 光源输出光功率稳定且足够高，以便传输一段特定距离； 3 光源的单色性和方向性好： 4 光源的温度特性好，线宽窄，模式特性好； 5 光源易于调制，且调制速率高，寿命长； 6 光源的性价比高。 大气窗i s l 就是电磁辐射在大气中传输损耗很小，透过率很高的电磁波段。图2 2 为大气窗口示意图。 蓼 厂飞秽 獬一算 l - l - 米鼍幕愿震 图2 2 人气窗口示意图 从图中可以看出，大气窗口主要有：0 3 1 3 1 t m ，即紫外、可见光、近红外波段： 1 5 - 1 8 “m ，2 0 3 5 9 m ，即近、中红外波段；3 5 5 5 9 m ，即中红外波段；8 1 4 9 m ，即中、 远红外波段：o 8 2 5 c m ，即微波波副2 0 】。 适合无线激光通信系统的激光器主要有三种，用到最多的是半导体激光器，常用 工作波长有7 8 0 n m ，8 5 0 n m 和1 5 5 0 n m ；还有半导体泵浦n d ：y a g 激光器，工作波长为 1 0 6 4 n m ；再有就是气体激光器中的c o ，激光器，其工作波长为1 0 6 9 m 。 下面对半导体激光器和固体激光器进行性能分析： 7 8 0 n m 的半导体激光器体积小，空间相干性好，光强和波长较为稳定，但通常不 能在最大输出功率上长期工作：8 5 0 n m 半导体激光器，这一波段的器件便宜，但功率 稍低，般应用于短距离通信；1 0 6 4 n m 半导体泵浦n d ：y a g 激光器，该激光器可以倍 频，且输出光束质量较高，时间和空间相干性好，光谱线宽和光束发散角都比半导体 激光器小几个数量级，其缺点是输出连续波，通过外调制4 能负载信息，实现成本高； 1 5 5 0 n m 波段的半导体激光器相当成熟，可以采用w d m 技术提高f s o 的通信容量，利 用e d f a 或s o a 来增大输出功率，但器件相对昂贵，且探测器灵敏度较低。 c o ，激光器以气体作为工作物质，其波长处在1 0 6 9 m 附近的中红外波段，具有良 8 好的雾穿透性，是一种比较重要的气体激光器。它具有大的功率和比较高的能量转换 效率，谱线丰富，光束的光学质量高，相干性好，线宽窄，工作稳定等优点，因此它 在国民经济和军事上都有许多应用。由于其激光波长为l o 6 9 m ，证好处在大气低损耗 窗口，同时小型c o ，激光器技术成熟、寿命长，故作地面或宇宙宅| 日j 光通信的6 i 景相 当诱人。早在6 0 年代中期，无线激光通信系统发展正处于高峰期，c o ，激光器的发明 使无线激光通信的研究获得了很大的进展，成为候选光源f 2 l 】。 随着科学技术的进步，用于制造激光器的材料、电子元器件和制造工艺具有了更 大的选择范围，这为激光技术进一步发展创造了客观条件。中小功率射频c o ，激光器， 具有装置紧凑、封离运转、免维护、成本低、调制特性优良、输出光束质量高、功率 稳定性优异、运行可靠性高和使用寿命长等优秀性能。另外，各类商用激光器中，c o ， 激光器每壬l = 输出成本始终最低，插头效率在1 0 1 2 之l 日j 【2 引。 本课题选用射频激励c o ，激光器作光源，因为采用c o ，激光器作为光源的无线激 光通信系统除了具有采用较短波长无线激光通信系统所具有的优点外，它还具有抗拒 恶劣天气环境影响的能力，接通率高，比采用微波备份的无线光通信系统要简单的多， 凶此能够很好地满足通信生存性、保密性、灵活性、快反性的特殊需要。 2 2 2 功率的选择 无线激光通信系统中，当激光信号在大气信道中传输时，受到各种外界因素的影 响，存存着较大的功率损耗，损耗过大则导致接收的光信号较弱，信噪比过小，甚至 使接收端不能有效地识别信号。另一方面，如果激光器的发射功率过大，接收端接收 到的光信号过强，则会导致光电探测器饱和，消光比下降。为了得到理想的接收效果， 对激光器的发射功率要求有一定的范围。 c o ，激光器是由激光管、谐振腔、电源及泵浦构成。由于传统的c o ，激光器需要高 速风机或者体积庞大且笨重的热交换机，操作不方便且机动性差，不适合使用在无线 光通信中。 本论文的方案采用射频激励c o ，激光器，它体积小、重量轻、操作方便、稳定性 好、使用寿命长( 一般采用封闭式) 。我们调研了国内外射频c o ，激光器的产品，其中 町采用的型号和主要参数如下。 1 美国u n i v e r s a ll a s e rs y s t e m si n c 公司制造的u l 系列射频激励c o ，激光器，型 号为u l r 1 0 6 ，光功率为1 0 w ，激光波长1 0 6 9 m ，光束直径4 l m m ，发散角为 5 l m r a d ，供电电压4 8 v ，供电电流5 a ，有风冷和水冷两种方式。 2 美国s y n r a d 公司制造的4 8 系列密封式射频c o ，激光器，型号为4 8 1 ( s ) ， 光功率为1 0 w ，激光波长1 0 5 7 1 0 6 3 9 m ，光束直径3 5 m m ，发散角4 r n r a d ，供电电压 9 3 0 v ，电流7 a ，有风冷和水冷两种方式。 3 美国大通公司( a c e e s s l a s e rc o m p a n y ) 制造的l a s y 系列射频c o ，激光 器，型号为l a s y 3 s ，光功率为4 0 0 r o w ，波长1 0 3 1 0 8 岫，发散角为5 5 m r a d ，光束 直径2 4 r a m ，供电电压1 2 v ，供电电流4 a ，采用强迫风冷。 4 美国c o h e r e n t 公司制造的d i a m o n d 系列风冷射频c o ，激光器，型号为 d i a m o n dc 2 0 a ，光功率为2 0 w ，输出波长1 0 5 5 1 0 6 3 i ，t m ，光束直径1 8 0 2 m m ， 发散角为7 5 0 5 m m ，供电电压4 8 v ，电流1 2 a ，风冷型。 5 南京三乐光电子有限公司的c r 系列射频c o ，激光器，型号为c r l 2 ，波长 l o 5 7 1 0 6 3 t m ，光功率1 0 w ，光束直径3 5 m m ，发散角4 5 m r a d ，供电电压3 0 v ，冷 上f 】为风冷。 考虑价格和性能等方面，我们选择了美国大通公司( a c e e s s l a s e rc o m p a n y ) 的l a s y 3 s 高功率稳定度c o ，激光器，它满足了我们对波长和功率的要求。此c o ，激 光器的输出功率为4 0 0 m w ，对于我们通信距离2 k m 的设计目标，在功率上面有较高 的冗余度。 另外，l a s y 3 s 激光器体积小( 1 9 0 5 6 3 5 3 8 l c m 3 ) ，重量轻，操作方便，适合 实验室使用；性能方面，此激光器采用特殊材料制成，并且在散热和谐振腔等方面做 了特殊设计，使得激光器输出的激光波长非常稳定，通过控制气体温度可以让激光器 稳定输出所需要的谱线。 2 3 信号的调制 2 3 1 激光调制分类 任何通信系统的目的都是要将信息从一点传输到另一点，要实现信号的传送，首 先要把信息附加在一个电磁波上，然后要把载有信息的载波发送到目的地，在目的地 接收到载波后，再把原有信息还原。在无线激光通信系统中，信息在大气中传输，载 波是光波，把信息加载到光波上的过程就是光调制。 按照光载波被调制的参数可分为强度调制，相位调制，偏振调制等 2 3 j 。在无线激 光通信系统中应用最多的是基带直接强度调制、副载波强度调制。 按照激光器与调制方式的关系可分为直接调制和i 日j 接调制。直接调制又称内调制， 是指直接用凋制电信号控制激光器的振荡参数，如光强、频率等，得到光频的调幅波 或调频波，如图2 3 为直接调制原理图。直接调制的一种方式是将调制电路的电流作为 激光器的工作电流，从而直接改变激光器的输出特性，即输出光强的随调制信号的变 化而变化，这是一种光强度调制( i m ) 的方法；另一种方式是直接在激光器谐振腔内 放置调制元件，利用调制信号来改变元件某些物理性质变化，从而改变谐振腔某些参 1 0 数，进而改变激光的输出特性。 图2 3 直接调制 直接调制主要应用在半导体激光器作光源的无线激光通信系统中，调制速率达数 百m h z 到g h z 以上。 直接调制的优点是简单，但调制速率受到载流子寿命及高速率下的性能退化的限 制( 如频率惆啾等) 。 l 日j 接调制又称外调制【2 4 1 ，就是让激光器输出激光的幅度与频率恒定，当激光通过 外调制器，信号通过调制器实现对光载波幅度、频率及相位的调制，如图2 4 为i 日j 接调 制示意图。这种调制方式对激光器本身的参数没有任何影响，改变的只是已输出激光 光波的参数( 强度、频率和相位等) 。光源的问接调制方式可以利用全部的光源功率输 出，通过调制器来实现对传输光波的调制。 图2 4 间接调制 问接调制需要有专门的调制器，而外部调制器将引起很大的耦合损耗，调制深度 也有所限制，并且对于调制驱动相对要求较高，因此，l 日j 接调制一般适用于连续激光 器的渊制。问接调制结构复杂，但调整方便，对激光器没有影响，不受半导体器件自 身工作速率的限制，所以在高速率、大容量的光通信及光信息处理应用中更受到人们 的重视。由于间接调制更好的调制特性，因此获得了普遍的应用1 2 5 1 。 2 3 2c 0 2 激光器的调制 a c 0 2 激光器的调制方式 f p 调制 是基于多光束干涉原理，利用高反射镜i 日j 的多次反射原理制造的。f - p 干涉调制有 两利- 形式：一种是由相互平行的、内表面具有高反射率的两个平面玻璃板组成，它们 之| 日j 的距离可以通过调谐装置改变，如图2 5 ( a ) 所示，因此其透射光强可以改变【2 6 】： 另一种形式是一块外表面都是高反射的平行平面玻璃板，这种形式称为标准具，因为 它的两个反射面之f 日j 的距离是固定的，如图2 5 ( b ) 所示，可以改变板间气体的折射率 ( 如改变板问气压) ，使其透射光强度发生变化。该调制原理如工作在1 0 6 9 m 时，两平 板需要镀膜，加工红外材料困难，且损耗较大，我们没有采用。 - 玲 干 光波 涉 , g f 一 一 膜 ( a )( b ) 图2 5f p 干涉仪原理结构幽 基于m o e m s 原理的c 0 2 激光调制 由微光学、微电子和微机械相结合而产生的一种新型微光学结构系统，该系统中 的微光学元件在微机械和微电子装置的作用下，通过m e m s 器件中可调节微结构的形 变、旋转、位移等微小变化，并结合响应的光学系统，实现光信号的调制，如相位、 光强调制，光束控制以及光束成形，完成光的开关、衰减等功能1 2 7 1 。 硅基微f - p 调制【2 8 】 利用m o e m s 技术和f p 干涉仪可以制作出硅基微f p 腔调制器，结构如图2 6 所 乐。 布挣 入射兜 图2 6 石丰基微f - p 腔 硅基微f - p 腔是在硅衬底( 固定镜面) 上，安装一个可动镜面构成的。通过静电或 电磁驱动，使上层微反射镜角度变化，从而实现光的调制。采用此原理的调制器件还 没有商品化，我们不拟采用。 电光调制 某些晶体( 固体或液体) 在； l - ) j n 电场中，随着电场强度的改变，晶体的折射率会 发生改变，这种现象称为电光效应，电光调制就是利用电光效应而进行工作的。电光 效应根掘施加的电场方向与通光方向的相对关系，可分为纵向电光效应和横向电光效 应。把加在晶体上的电场方向与光在晶体中的传播方向平行时产生的电光效应，称为 纵向电光效应，通常以k d p 类型晶体为代表。加在晶体上的电场方向与光在晶体罩传 播方向垂直时产生的电光效应，称为横向电光效应，以l i n b o ，晶体为代表。利用纵向 电光效应的调制，叫做纵向电光调制，利用横向电光效应的调制，叫做横向电光调制【2 9 l 。 如图2 7 为横向电光调制原理图。利用电光调制原理调制1 0 6 9 m 激光时，需要很好的电 光晶体；另外该波长较长，所需的调制电压很高，需要的驱动功率很高；温度稳定性 差，且消光比低，我们也不予采用。 输入光束 r 一 j 1 光偏振方向 电光晶体 起偏器 垂直于入射 偏振光 四分之一波片检偏器 输出光束 广八 v 图2 7 横向电光调制 声光调制 声光调制是另一种外调制技术，通常把控制激光束强度变化的声光器件称作声光 调制器。声光调制器由声光介质和压电换能器构成。当驱动源的某种特定载波频率驱 动换能器时，换能器即产生同频率的超声波并传入声光介质，在介质内形成折射率 变化1 3 0 1 ，光束通过介质时即发生相互作用而改变光的传播方向即产生衍射。 衍射模式有布拉格衍射和拉曼奈斯型衍射，激光腔外使用的声光调制器一般采用 布拉格型1 3 。 当声波频率较高，声光作用长度较大，而且光束与声波波面问以一定的角度斜入 射时，光波在介质中要穿过多个声波面，故介质具有“体光栅”的性质。当入射光与 声波而f h j 央角满足一定条件时，介质内各级衍射光会相互干涉，各高级次衍射光将互 相抵消，只出现0 级和+ l 级( 或1 级，视入射光的方向而定) 衍射光，即产生布拉 格衍射，如图2 8 所示。因此，若能合理选择参数，超声场足够强，可使入射光能量 几乎全部转移到+ l 级( 或一l 级) 衍射极值上。因而光束能量可以得到充分利用，因此， 利用布拉格衍射效应制成的声光器件可以获得较高的效率3 2 1 。 佰拉格衍射角以为： s i n 吼吼= ( 2 0 ，2 v 。) ( 2 1 ) 一缴光衍射效率7 为： r i = “= s i n 2 ( z x , 2 ) 沙= ( z & ) x 2 l m 2 p s h 入射光 衍射光 非衍射光 图2 8 布拉格卢光衍射 ( 2 2 ) ( 2 3 ) 式中九为激光波长；u , - 为声光介质中的声速；为一级光衍射强度；，为入射光 强：上为声光互作用长度：h 为声光互作用宽( 高) 度；m ，为声光品质因数：尸为声 功率。 当夕l - j j n 信号通过驱动电源作用到声光器件时，超声强度随此信号变化，衍射效率 也随之变化，从而实现了对激光的振幅或强度调制。 声光调制方式适合于c o ，激光的调制，但考虑光调制的上升沿和下降沿的时间， 对于射频激励c o ，激光器来说，如果上升下降沿需要在l o p s 以下，只能使用声光调制 器。另外，声光调制比光源的直接调制技术有高得多的调制带宽；与电光调制技术相 比，它有更高的消光比( 一般大于1 0 0 0 ：1 ) ，更低的驱动功率，更优良的温度稳定性和更 好的光点质量以及低的价格；与机械调制方式相比，它有更小的体积、重量和更好的 输出波形。 本课题采用声光调制( 布拉格衍射，且利用一级衍射光) 来调制c o ，激光器。 b 调制器的选择 本课题选用法国a a 公司生产的m g 4 0 a 6 1 0 6 0 0 声光调制器，主要参数指标见表 2 1 。调制驱动器型号为m o d a 4 0 b 5 0 w ，载波频率为4 0 m h z ，电力供应为2 4 v d c - - 6 a ，上升下降时间为 9 0 6 x l o m m 1 0 6 1 a m 7 7 m r a d 4 0 m h z l2 0 n s m m 2 w m m 5 0 q 1 5 l 5 0 7 0 w 1 0 4 0 水冷：2 5 0 m l m i n ( 2 5 ) ( 2 6 ) ( 2 7 ) ( 2 8 ) ( 2 9 ) ( 2 1 0 ) 在使用中，调整声光调制器的位置，使其获得最大的衍射效率，调整步骤如下： 1 固定激光器后，通过旋转调制器，使入射角接近布拉格角，即在3 7 4 5 3 9 2 5 m r a d 之1 8 j ： 2 调整调制器的高度，使激光束射入调制器的入射口径中心处，并和口径中心平 行； 3 使激光器的光束偏振方向和调制器的基面垂直： 4 激光束的会聚点保持在调制器的晶体中心处。 按照上面的步骤进行调试，用光功率计探测从声光调制器射出的调制光束。为获得 满意的调制信号波形，慢慢调整r f 驱动器的射频功率，将射频功率保持在衍射光强最 大的地方。 下面我们进行通信速率的估算 图2 9 为调制光波波形图 通信速率主要有声光调制器的调制速率决定，从表2 1 可知，声光调制器的上升 时间和下降时间为 t “= f ，= 1 2 0 n s ( 2 1 1 ) 所以通信的最小带宽为 2 去2 蕊1 纠2 舭 c 2 舵， 为了在通信中有足够的带宽冗余量，我们假设 乙= ，= 2 5 0 n s ( 2 1 3 ) 此时的带宽为 b = 二一= 二一= 2 m h z ( 2 1 4 ) ，+ ， 5 0 0 n s 。 2 4 光发射天线的设计 i 1 - - 一、 弋 t 、， 、 、 、， 、 l 1