全光广角光锥接收器和全光广角接收传导装置

摘要

本发明公开了一种全光广角光锥接收器和全光广角接收传导装置，在传统光锥接收器的基础上，对接收端进行了改进，接收端为球体的一部分，接收端面采用球面‑平面结合，球体底面与锥体大头端面重合。采用这种方式，可以有效提高全光广角接收能力。此外，本发明还对锥体进行了改进，优选了5种方案，可以进一步提高光广角接收性能。

权利要求

1.一种全光广角光锥接收器，为旋转体结构，其特征在于，包括接收端和锥体，其中接收端为球体的一部分，接收端面采用球面-平面结合，球形接收端的曲率半径记为A，球体沿接收器中轴线方向的投影半径为R，在球体顶部取平面，其半径记为RC，其中A的取值范围为[R,1.7R]，RC的取值范围为[0.3R,0.4R]；球体底面与锥体大头端面重合。

2.根据权利要求1所述的全光广角光锥接收器，其特征在于，所述锥体的母线采用凸曲线，以大头端面圆心为原点，半径为x轴，中轴线为y轴，锥体母线的公式为：其中，L表示锥体的中轴线长度，r表示锥体小头端面的半径。

3.根据权利要求1所述的全光广角光锥接收器，其特征在于，所述锥体的母线采用凹曲线，以大头端面中心为原点，半径为x轴，中轴线为y轴，锥体母线的公式为：其中，L表示锥体的中轴线长度，r表示锥体小头端面的半径。

4.根据权利要求1所述的全光广角光锥接收器，其特征在于，所述锥体的母线采用凹-凸曲线，以大头端面中心为原点，半径为x轴，中轴线为y轴，锥体母线的公式为：其中，L表示锥体的中轴线长度，r表示锥体小头端面的半径。

5.根据权利要求1所述的全光广角光锥接收器，其特征在于，所述锥体的母线采用凸-凹曲线，以大头端面中心为原点，半径为x轴，中轴线为y轴，锥体母线的公式为：其中，L表示锥体的中轴线长度，r表示锥体小头端面的半径。

6.根据权利要求1所述的全光广角光锥接收器，其特征在于，所述锥体的母线采用凸-凹曲线，以大头端面中心为原点，半径为x轴，中轴线为y轴，锥体母线的公式为：其中，L表示锥体的中轴线长度，r表示锥体小头端面的半径。

7.根据权利要求6所述的全光广角光锥接收器，其特征在于，所述球形接收端的曲率半径A的取值范围为[1.3R,1.5R]。

8.根据权利要求2至7任一所述的全光广角光锥接收器，其特征在于，所述锥体的中轴线长度L的取值范围为L＞16R。

9.一种全光广角接收传导装置，其特征在于，包括权利要求1所述的全光广角光锥接收器、光纤耦合器和光纤，其中全光广角光锥接收器的小头通过光纤耦合器与光纤耦合，全光广角光锥接收器用于对光进行接收，传导至光纤，再由光纤传导至后续设备。

说明书

全光广角光锥接收器和全光广角接收传导装置

技术领域

[0001] 本发明属于自由空间光的全光接收与传导技术领域，更为具体地讲，涉及一种全光广角光锥接收器和全光广角接收传导装置。

背景技术

[0002] 自由空间光通信是以光作为载波的无线通信方式，其融合了传统无线通信与光纤通信的优点，容量大、频带资源丰富，是解决通信最后一公里问题的有效手段之一。但是由于其是视距通信，因此对信号接收系统的直线对准要求非常高，这就需要有合适的光接收器。实际上，对准角误差对自由空间光通信造成的损耗是很严重的，目前这方面研究仍在持续。

[0003] 为了解决这个问题，学术界设计了很多复杂的信号追踪系统，其思路通常是：用粗追踪与精追踪系统来捕获光信号，用透镜采集光信号，透镜后内置感光元件，将光信号转为电信号传输，这种设计典型代表是ATP(Acquisition、Tracking、Pointing,捕获、跟踪和瞄准)系统。整套设备是体积较大的机电设备、成本高、结构复杂、无法大规模和灵活快速部署。

[0004] 针对上述三个问题，也有很多低成本光接收器的设计，例如使用圆锥形光接收器、直接使用光纤捆扎成束接收等。图1是现有圆锥形光接收器示意图。如图1所示，圆锥形光接收器采集光信号，然后由感光元件完成信号的光电变换。这种设计存在光耦合效率低、难以广角接收问题，在性能上难以达到实用需求，而且也需要在接收器配置光电转换系统，灵活性差。

发明内容

[0005] 本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种全光广角光锥接收器和全光广角接收传导装置，具有良好的全光广角接收能力，光能量耦合效率也能达到实用标准。

[0006] 为实现上述发明目的，本发明全光广角光锥接收器包括接收端和锥体，其中接收端为球体的一部分，接收端面采用球面-平面结合，球形接收端的曲率半径记为A，球体沿接收器中轴线方向的投影半径为R，在球体顶部取平面，其半径记为RC，其中A的取值范围为[R,1.7R]，RC的取值范围为[0.3R,0.4R]；球体底面与锥体大头端面重合。

[0007] 本发明还提供了一种全光广角接收传导装置，包括如前所述的全光广角光锥接收器、光纤耦合器和光纤，其中全光广角光锥接收器的小头通过光纤耦合器与光纤耦合，全光广角光锥接收器用于对光进行接收，传导至光纤，再由光纤传导至后续设备。

[0008] 本发明全光广角光锥接收器和全光广角接收传导装置，在传统光锥接收器的基础上，对接收端进行了改进，接收端为球体的一部分，接收端面采用球面-平面结合，球体底面与锥体大头端面重合。采用这种方式，可以有效提高全光广角接收能力。此外，本发明还对锥体进行了改进，优选了5种方案，可以进一步提高光广角接收性能。

附图说明

[0009] 图1是现有圆锥形光接收器示意图；

[0010] 图2是本发明全光广角光锥接收器接收端的一种具体实施方式结构图；

[0011] 图3是本发明全光广角光锥接收器锥体母线采用凸曲线的具体实施方式结构图；

[0012] 图4是本发明全光广角光锥接收器锥体母线采用凹曲线的具体实施方式结构图；

[0013] 图5是本发明全光广角光锥接收器锥体母线采用凹-凸曲线的具体实施方式结构图；

[0014] 图6是本发明全光广角光锥接收器锥体母线采用凸-凹曲线的具体实施方式结构图；

[0015] 图7是本发明全光广角光锥接收器锥体母线采用直线的具体实施方式结构图；

[0016] 图8是锥体母线采用凸曲线时本发明与对比技术方案的光广角接收性能对比图；

[0017] 图9是锥体母线采用凹曲线时本发明与对比技术方案的光广角接收性能对比图；

[0018] 图10是锥体母线采用凹-凸曲线时本发明与对比技术方案的光广角接收性能对比图；

[0019] 图11是锥体母线采用凸-凹曲线时本发明与对比技术方案的光广角接收性能对比图；

[0020] 图12是锥体母线采用直线时本发明与对比技术方案的光广角接收性能对比图；

[0021] 图13是本发明全光广角接收传导装置的一种具体实施方式结构图；

[0022] 图14是本发明全光广角接收传导装置在自由空间光通信系统的应用示例图；

[0023] 图15是本发明全光广角接收传导装置在自然光照明系统的应用示例图。

具体实施方式

[0024] 下面结合附图对本发明的具体实施方式进行描述，以便本领域的技术人员更好地理解本发明。需要特别提醒注意的是，在以下的描述中，当已知功能和设计的详细描述也许会淡化本发明的主要内容时，这些描述在这里将被忽略。

[0025] 本发明全光广角光锥接收器可以划分为接收端和锥体，下面分别对这两个部分进行详细说明。

[0026] 图2是本发明全光广角光锥接收器接收端的一种具体实施方式结构图。其中，图2(a)是全光广角光锥接收器的接收端剖面图，图2(b)是接收端投影图。如图2所示，本发明全光广角光锥接收器的接收端为球体的一部分，接收端面采用球面-平面结合的设计。球形接收端的曲率半径记为A，球面沿接收器中轴线方向的投影半径为R，在球体顶部取平面，其半径记为RC，其中A的取值范围为[R,1.7R]，RC的取值范围为[0.3R,0.4R]。由该平面和部分球面进行光的接收。球体底面与锥体大头端面重合，即锥体大头端面的半径也为R。

[0027] 对于锥体部分，本发明采用不同设计方式，得到了5种优选的技术方案，使全光广角光锥接收器具有较强的广角接收能力，且能在光能量耦合效率方面达到应用要求。本发明中的锥体为旋转体结构，为便于对锥体部分进行描述，以大头端面圆心为原点，半径为x轴，中轴线为y轴，建立坐标系。下面分别对5种锥体部分的技术方案进行说明：

[0028] (1)凸曲线方案

[0029] 图3是本发明全光广角光锥接收器锥体母线采用凸曲线的具体实施方式结构图。如图3所示，锥体母线采用凸曲线时，母线的公式可以表示为：

[0030]

[0031] 其中，L表示锥体的中轴线长度，r表示锥体小头端面的半径。

[0032] (2)凹曲线方案

[0033] 图4是本发明全光广角光锥接收器锥体母线采用凹曲线的具体实施方式结构图。如图4所示，锥体母线采用凹曲线时，母线的公式可以表示为：

[0034]

[0035] (3)凹-凸曲线方案

[0036] 图5是本发明全光广角光锥接收器锥体母线采用凹-凸曲线的具体实施方式结构图。如图5所示，锥体母线采用凹-凸曲线时，母线的公式可以表示为：

[0037]

[0038] (4)凸-凹曲线方案

[0039] 图6是本发明全光广角光锥接收器锥体母线采用凸-凹曲线的具体实施方式结构图。如图6所示，锥体母线采用凸-凹曲线时，母线的公式可以表示为：

[0040]

[0041] (5)直线方案

[0042] 图7是本发明全光广角光锥接收器锥体母线采用直线的具体实施方式结构图。如图7所示，母线采用直线时，母线的公式可以表示为：

[0043]

[0044] 经实验发现，当锥体的中轴线长度小于16R时，接收端采集到的光信号不容易发生全反射，光锥接收性能比较差，因此为了提高光锥接收性能，优选锥体长度L＞16R。为了说明本发明全光广角光锥接收器的技术效果，对本发明的技术方案进行仿真验证。

[0045] 对于一款自由空间光通信中使用的接收器，要能够最大限度的降低对准角误差带来的通信衰减，评价其性能的两个指标为广角接收与耦合能量效率。尤其在高灵敏度光电探测器的大范围应用的今天，接收器的广角接收性能的提升需求更大，广角接收性能越好，对准角误差造成的影响越小。

[0046] 本发明设计的全光广角光锥接收器为旋转体结构，是沿中轴对称的，因此只需要讨论一个其中一个剖面即可量化评价其性能。

[0047] 定义有效接收张角Θ(n)，指从接收端剖面图上点(0,n)入射能量耦合效率不为零的光线入射角的范围大小，Θ(n)反映了光锥接收器该点的广角接收能力。在此基础上，为了更加精确描述不同设计方案的光锥接收器的性能，定义端面总有效接收张角Θ：

[0048]

[0049] 其中(a)、(b)分别为平面接收与球面接收时的Θ表达式。

[0050] 进一步可以推出端面平均有效接收张角 其中S的表达式为：

[0051]

[0052] 采用以上方法，可以完整的描述光锥接收器的广角接收能力。

[0053] 在仿真验证时，采用平面接收端面和全球面接收端面作为对比技术方案与本发明进行对比，锥体母线采用本发明中提出的5种技术方案，分别仿真其光接收性能。在仿真中，锥体长度均采用16R，R＝55mm。图8是锥体母线采用凸曲线时本发明与对比技术方案的光广角接收性能对比图。图9是锥体母线采用凹曲线时本发明与对比技术方案的光广角接收性能对比图。图10是锥体母线采用凹-凸曲线时本发明与对比技术方案的光广角接收性能对比图。图11是锥体母线采用凸-凹曲线时本发明与对比技术方案的光广角接收性能对比图。图12是锥体母线采用直线时本发明与对比技术方案的光广角接收性能对比图。

[0054] 根据图8至图12可以看出，不管锥体母线采用哪种方案，当接收端面采用本发明提出的接收端面，其总有效接收张角Θ均为最优。本发明中，当接收端球体的曲率半径A与球面沿接收器中轴线方向的投影半径R越接近，接收端面越接近于全球面接收端面，因此前面部分本发明与全球面接收端面的光接收性能较为接近，而当A与R的比值增大时，本发明的光接收性能的增幅会逐渐超越全球面接收端面。

[0055] 根据图8至图12，还可以对不同锥体母线的光接收性能进行比较。可以看出，本发明中的锥体母线采用凸-凹曲线时，其光接收性能在A∈[1.3R,1.5R]时是所有技术方案中最佳的，因此在实际应用时，锥体母线可以优选凸-凹曲线。

[0056] 本发明以全光广角光锥接收器为基础，还提出了一种全光广角接收传导装置，图13是本发明全光广角接收传导装置的一种具体实施方式结构图。如图13所示，本发明全光广角接收传导装置包括全光广角光锥接收器1、光纤耦合器2和光纤3，其中全光广角光锥接收器1的小头通过光纤耦合器2与光纤耦合，全光广角光锥接收器用于对光进行接收，传导至光纤，再由光纤传导至后续设备。

[0057] 本发明全光广角接收装置可以良好适应自由空间光通信系统。图14是本发明全光广角接收传导装置在自由空间光通信系统的应用示例图。如图14所示，经过调制的信号从激光器发射，经过扩束之后进入大气信道；光信号在大气信道中因为大气湍流的影响会产生光束漂移与光束抖动，到达光锥接收器时不可避免的会产生对准角误差。而本发明全光广角接收传导装置，由于采用了本发明设计的具有良好光接收性能的全光广角光锥接收器，能够适应这种情形，极大降低了对准角误差造成的通信损伤。光信号由全光广角光锥接收器采集后，由光纤耦合器汇集到光纤耦合端面耦合到光纤传至远端接收站点。在用于自由空间光通信系统时，本发明全光广角接收传导装置可以将光信号传输到电力条件较好的接收站点或机房，再实施光电变换接收处理，从而使相关设备安装位置的选择更为灵活[0058] 本发明全光广角接收传导装置还可以应用于自然光照明系统。图15是本发明全光广角接收传导装置在自然光照明系统的应用示例图。如图15所示，安装在室外的广角光锥接收传导装置，由全光广角光锥接收器接收端采集到自然光之后，光束在全光广角光锥接收器中经过全反射汇聚到光纤耦合端，继而进入光缆，通过光缆传输到需要照明的地方，例如地下室。这种照明方式利用了光的全反射现象，自然光照明不需要电力，节省能源，成本低。在供电紧张、电网覆盖不到的地区。图15所示的自然光照明系统，凭借其简单的结构、低廉的成本，可以批量架设，全光广角光锥接收器能够采集更多的自然光，照明效果更好。除在地下室以外，这套系统还可以架设在矿道、井下、日照采光不足的建筑物内，节约生产生活成本。

[0059] 尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。