專利名稱：光學通訊系統接收天線的制作方法
技術領域：
本發明涉及光學通訊系統，特別是一種采用輔助光學系統提高光信號接收性能的接收天線，可適合于但不限于自由空間光通信系統(FSO)。
背景技術：
光纖通信與無線通信是當前的熱門技術，而自由空間光通信系統是二者結合的產物，它既具有光纖通信的一些優點，也兼有無線通信的一些長處。與這兩種技術相比，其獨特之處如下與無線電通信(如微波)相比不占用寶貴的無線電頻率資源；電磁兼容性好、抗電磁干擾能力強、保密性好；信息容量大；體積小、重量輕、功耗低；具有比特率透明性，對傳輸信息的比特率、信號格式和編碼都是透明的。
與光纖通信相比建網和維護價格低廉；實際應用中線路建立快速，特別適合快速搶通；無線路租用費用；可移動的資產。
FSO技術既能提供類似光纖的速率，又不需在頻譜這樣的稀有資源方面有很大的初始投資，這是FSO技術最吸引人之處。FSO是一種視距技術，其最大用武之地在于接入層面。FSO優勢是帶寬可擴展，建設速度快，并且十分經濟，是解決“最后一公里”瓶頸問題的最具可行性的方案之一。
典型的FSO系統主要由光學收、發天線和終端設備組成，長距離傳送時增加相應的中繼設備。(原先的圖1是否還需要)光學天線根據光的反射、折射等原理設計，發射點和接收點通常通過望遠鏡對準。各種天線設計的目的是提高接收處所能獲得的光信號能量，增加傳輸距離和改善系統信噪比。目前FSO系統主要集中在發送光學天線和接收光學天線外部接收光學系統的設計，如減少發射光束的發散角和增加接收天線面積；為避免大氣信道中湍流、灰塵等對光束的阻礙，在發射端讓激光在發出時偏離一定的角度(3-6微弧度)，在到達接收器時就會形成一個很大的光錐；發射端采用陣列光學天線發射，相應地在接收端也可采用陣列接收天線；在光學天線內光學系統的設計上，采用自適應變焦技術以解決大氣信息道傳輸特性隨機變化時對通信造成的不利影響。
FSO以激光(～THz)為載波、大氣為傳輸介質實現大容量信息(10M～2.5G)的傳遞。通常以高斯光束模擬其傳播特性，在發送端經電信號調制的激光通過發送光學系統的準直擴束后以毫弧度量級的發散角θ發出，又接收端光學系統的焦距為f，顯然束腰處光斑為D0(＝fθ)，其大小約是數百微米。為將外部接收光學系統獲得的光信號盡量耦合入探測器，探測器須置于光束束腰位置。
自由空間光通信所采用的通信波長有兩個波段780-850nm和1550nm，一般選用光電二極管半導體探測器，對應不同的波長和其它性能指標選擇相應的器件。Si材料制成的光電二極管典型峰值響應波長為0.94um，其中P-I-N型和雪崩光電二極管(APD)的響應時間短，適合于高速場合應用。Ge材料的帶隙寬度比Si小，在長波長領域有更高的靈敏度，但暗電流大，噪聲較高。InGaAs光電二極管的工作波長與Ge相同，都在1-1.7um波長范圍內，暗電流比Ge光電二極管低1-2個數量級。隨著通信速率的提高，探測器的靈敏度受到了限制，且為保證系統的性能如信噪比等，探測器的尺寸也須減小，下表為1550nm波長時商用探測器靈敏度和尺寸與通信速率的關系。
不同速率下商用探測器的靈敏度和尺寸(1550nm)
從以上的分析和數據可以得知，在接收光學系統的焦平面處(束腰位置)獲得的光束尺寸通常大于探測器的接收窗口，并且隨著通信速率的提高，兩者比值顯著拉大。另外為減少系統的體積和減輕重量，光學系統的焦距較小，因而也使得焦深很小，一旦偏離束腰位置，光斑顯著增大，這對探測器放置位置提出了及其嚴格的要求。總之，用光信號探測器直接接收存在的問題是1、探測器接收面積小于光斑時，會損失大量光能量，造成系統傳輸距離變短，信噪比下降，嚴重影響系統性能；隨著通信速率提高，影響更明顯。2、探測器與接收光學系統的配合調節極其困難，即使調整安裝好以后，在受到諸如震動等影響時也會使探測器偏離束腰位置，從而嚴重損害系統性能。3、探測器端接收效果的影響遠大于發送端光學天線、接收端光學系統和激光器等，極端嚴重的情況下會使目前FSO廠商在后述工作中的努力付諸東流。
如何讓更多光能量耦合入其中，并且使系統更加穩定可靠，是目前FSO廠商和FSO技術研究人員的重點關注所在。除了在激光器、發送與接收光學系統上作研究外，改進探測器接收結構將是較好的技術方案。
發明內容
1、發明目的本發明的目的是提供一種采用空心光錐和浸沒透鏡提高探測器接收能力且能改進系統穩定可靠性的光學通訊系統接收天線。
2、技術方案為實現上述目的，本發明所述的光學通訊系統接收天線，包括探測器接收部分，其特征在于它還包括光錐和浸沒透鏡，浸沒透鏡置于光錐的小端，探測器置于浸沒透鏡的后表面。
光錐、浸沒透鏡和探測器組合成具有大范圍接收光信號能力且穩定可靠、易于調節安裝的探測器接收系統。
光錐為一種空心圓錐，在其內壁針對相應的波長(如780nm、850nm或1550nm)鍍上一層高反射率膜。光錐的大端放在光學系統焦平面附近，收集光線并依靠光錐內壁多次反射傳遞到小端，其功能是增加接收口徑，以收集更多的光能量。光錐也可以由有一定折射率的材料制成的實心圓錐。
浸沒透鏡是高折射率球冠狀透鏡，后表面為平面，探測器安裝在浸沒透鏡的后平面。為固定起見，探測器可以用高折射率膠與浸沒透鏡的后平面粘接。浸沒透鏡用以提高探測器的接收視角，有效地縮小探測器尺寸和提高信噪比。
3、有益效果本發明與現有技術相比，其顯著優點是將光錐的大端放在光學系統焦平面的附近，擴大了接收口徑，增加了進入探測系統的光能量，另外較大的接收口徑使探測器對接收光學系統的焦點不再那么敏感，從而使系統的光路調整簡單易行，系統抗搖擺、震動等外界的干擾能力增強。而浸沒透鏡用以提高探測器的接收視角，使較小尺寸的探測器接收更大視場范圍內的光信號，探測器尺寸越小，系統所能獲得信噪比越高。浸沒透鏡還使接收光學系統到探測器的光程縮短，減少FSO系統的長度，使結構更加緊湊。
四
圖1為FSO系統結構示意圖。
圖2為FSO系統光束傳播示意圖。
圖3為本發明結構示意圖五具體實施方式
本發明所設計的光學通訊系統接收天線，其中探測器接收部分包括探測器1、空心光錐2和浸沒透鏡3。制作步驟是根據系統整體設計要求確定D0、f、θ等參數。按D0、f、θ*(接收光學系統聚焦后的光束發散角)和探測器1的尺寸設計制造空心光錐2、浸沒透鏡3。將空心光錐2和浸沒透鏡3組合，用標準光源校準后機械固定。將探測器1的表面緊貼浸沒透鏡3的后表面并置于組合后的空心光錐2和浸沒透鏡3的光軸線上，用標準光源校準后采用高折射率膠粘接并固化。
權利要求
1.一種光學通訊系統接收天線，包括探測器(1)，其特征是它還包括光錐(2)和浸沒透鏡(3)，浸沒透鏡(3)置于光錐(2)的小端，探測器(1)置于浸沒透鏡(3)的后表面。
2.根據權利要求1所述的光學通訊系統接收天線，其特征是光錐(2)是一空心圓錐，在其內壁鍍上一層高反射率膜。
3.根據權利要求1所述的光學通訊系統接收天線，其特征是光錐(2)是一由折射率材料制成的實心圓錐。
4.根據權利要求1所述的光學通訊系統接收天線，其特征是浸沒透鏡(3)是高折射率球冠狀透鏡，后表面為平面。
5.根據權利要求1或4所述的光學通訊系統接收天線，其特征是探測器(1)通過高折射率膠粘接在浸沒透鏡(3)的后平面。
全文摘要
本發明公開了一種光學通訊系統接收天線，它包括探測器，其特征在于它還包括光錐和浸沒透鏡，浸沒透鏡置于光錐的小端，探測器置于浸沒透鏡的后表面。本發明將光錐的大端放在光學系統焦平面的附近，擴大了接收口徑，增加了進入探測系統的光能量，另外較大的接收口徑使探測器對接收光學系統的焦點不再那么敏感，從而使系統的光路調整簡單易行，系統抗搖擺、震動等外界的干擾能力增強。而浸沒透鏡用以提高探測器的接收視角，使較小尺寸的探測器接收更大視場范圍內的光信號，探測器尺寸越小，系統所能獲得信噪比越高。浸沒透鏡還使接收光學系統到探測器的光程縮短，減少FSO系統的長度，使結構更加緊湊。
文檔編號H01Q15/02GK1463088SQ0313192
公開日2003年12月24日 申請日期2003年6月18日 優先權日2003年6月18日
發明者許國良, 張旭蘋, 黃金源 申請人:南京大學