光电耦合技术篇1

关键词继电器;光耦;三极管;电机驱动

中图分类号TM5文献标识码A文章编号1674-6708(2010)18-0041-02

0引言

电机一直以来都作为控制方面不可缺少的部分,对驱动电机的方法也是不断研究的重要课题。本文针对电机运转初期、运转过程以及运转结束时的瞬间冲击电流来分析问题。目前,市场上有不少的大电流电机驱动芯片,如L298、BTS7960、VNH3SP30、SLA7078M等,对于驱动继电器也有光耦、三极管、达林顿ULN2803等许多方案。在此,本文仅针对光耦加三极管来驱动继电器的设计进行分析。并对实践中遇到的问题提出了部分个人的见解。

1系统设计

总体的设计思路为由高低电平驱动光耦,由光耦驱动继电器,继电器控制电机供电的通与断。第一级、第二级均为小电流,第三级为大电流,通过光耦与继电器实现对三部分的有效隔离,这样各级的电流在各级的内部流动不会影响其他级的工作。在电机正常工作与滞转时第三级能承受很大的工作电路与冲击电流,实现了以小电流控制大电流并进行电气隔离的效果。系统设计框图如图1。

2硬件设计

方案设计:

三极管的接法有射随接法和集电极接法,由于射随接法发射极上电压会被继电器吸走,射随接法只能接低阻抗负载,故采用集电极驱动方式,如图2。该方案在运用中必须注意导线的线宽,通过实践证明该方案在大电流环境下工作稳定。

方案优化:

为了提高电路的反应速度,可在继电器一端串联RC电路,如图3。在电路闭合时,继电器的线圈由于自感会产生反向电动势阻碍线圈中电流的增大,从而延长了继电器吸合的时间,串联上RC电路后在电路闭合的瞬间,电容C两端电压不能突变即可视为短路,这样就将比继电器线圈额定工作电压高的电压加到了线圈上,从而加快了线圈中电流增大的速度,使继电器迅速吸合。电源稳定之后电容C不起作用,电阻R起限流作用,即缩短了继电器的吸合时间,提高了电路的反应速度。

3器件作用分析

二极管D1_5、D1_6:反向续流,抑制浪涌。当继电器断开后具有反向的感应电动势,

反向二极管在此与继电器线圈构成回路,吸收释放反向电动势形成的高电压脉冲。

发光二极管D1_1～D1_4:显示光耦TPL521与继电器的是否工作,起方便调试与正常工

作显示的作用。

电阻R1_1、R1_2:限流电阻。

电阻R1_3、R1_4:防止P1_+、P1_-初始化完成之前的高阻状态使继电器误闭合。

电阻R1_5、R1_6:为三极管提供偏置。

电阻R1_7、R1_8:一是保护三极管PNP8550,二是与R1_5、R1_6构成三极管的偏置。

电阻R1_9、R1_10:发光二极管限流电阻。

光耦U1_1、U1_2:为TPL521,起电气隔离与驱动三极管作用。

三极管PNP8550:驱动继电器。

继电器:驱动电机,并隔离电机启动与滞转时的大电流及回流。

4结论

本文介绍了基于继电器的大电流电机驱动的设计,在电子设备以及电力系统中继电器的电气隔离作用应用十分广泛。小电流通过线圈,产生磁场,这个磁场使得控制大电流的开关吸合,实际上就是一种用小电流来控制大电流的开关,在电路中起着自动调节、安全保护、转换电路等作用,从而使得人们能够安全的超控大电流大电压设备。而在此正是运用了继电器的这种隔离特性,使得电机在突况下产生的大电流不会影响前级的控制电路,并用光耦增加了输入驱动信号的驱动能力。这种采用电气隔离设计的电机驱动在大电流的承受能力与稳定性上都占有很大的优势。

参考文献

[1]北京三恒星科技公司编著.AltiumDesigner6设计教程[M].电子工业出版社,2007.

[2]谢文和.传感技术及其应用[M].高等教育出版社,2002.

光电耦合技术篇2

【关键词】无线供电；磁耦合共振；实验

随着科学技术的发展，人们日常生活中有了许许多多的电子电器设备，它们都附带有电源线、充电器，而且各种充电器规格不一不能通用，这些电源线和充电器充斥了我们的生活，成了我们生活中无法抛弃的羁绊，我们有没有可能彻底甩掉这些小尾巴？答案是肯定的，我们可以应用无线供电技术。海尔已经推出了“无尾电视”概念机，不需要电源线、信号线和网线。

无线电力传输是一种区别于有线传输的特殊供电方式。无线供电技术其实在很多年前就有概念，特拉斯在发明了交流电并构建交流供电体系后开始构想无线输电方案，同时进行了实践。

目前，无线供电技术有以下三种方法：

第一，电磁耦合。最早应用的无线供电技术是1885年研制成功至今仍在广泛应用的变压器，它是典型的电磁耦合无线供电例子，其基本原理是法拉第的电磁感应理论，两组导线绕在铁制框架上，两者没有直接连接，完全靠电磁感应传递能量。在现代社会生活中，这种电磁感应式的无线供电系统已得到了较为广泛地应用，其中一个例子是电动牙刷。电动牙刷经常接触水，无法采用直接充电方式，研究者采用电磁耦合无线充电技术，在充电座和牙刷中各有一个线圈，当牙刷放在充电座上时就有磁耦合作用，类似一个变压器，感应电压整流后就可对镍镉电池充电；另一个应用更加广泛的例子是我们使用的各种智能卡片，如公交卡，第二代身份证和很多可以记录信息的卡片，他们都采用了无线供电技术，这些卡片的内部结构相似，由一小块芯片和一个线圈组成。在卡片中的电路中没有供电模块，当卡片在读卡机边晃动时，读卡机周围形成一个快速变化的磁场，卡片中的线圈产生感应电流，感应电流给内部的芯片供电，芯片对外发射信号，将自身的信息发送给读卡器，接下来读卡器就可以判断出目前卡中有多少余额，并完成扣款操作。这就是非接触IC卡的原理，实质已应用了无线供电技术。虽然电磁感应无线供电技术比较成熟，但这种供电技术会受到很多限制，其中最大的问题就是低频磁场会随着距离的增加而快速衰减，如果实际应用要增加供电距离，只能根据需要加大磁场强度，但磁场强度加大不仅增加电能的消耗，还会造成近距离的磁信号记录设备失效，例如银行卡上的磁条在强磁场下会去磁损坏。另外，电磁感应无线供电技术是直接以电磁波形式进行1cm以下的较近距离的发射和接收，电磁波向四面辐射，能量大量浪费，效率较低，通常它只适合相互“贴着”的小功率电子产品。

第二，光电耦合。光电耦合无线供电技术就是把电能转化为光能，比如激光，通过光将能量传递到目的地再转化为电能。光电耦合无线供电技术比较直观，而且光电转换技术也较成熟且应用广泛。但我们知道光的传递路径中不能有障碍物。所以光电耦合无线供电技术有很大的应用障碍。

第三，电磁共振。电磁共振其原理类似声波共振的原理，两种介质具有相同的共振频率，就可以用来传递能量，称之为非辐射性电磁共振。美国麻省理工学院的科学家正在开发一种使用非辐射性的无线能量传输方式来驱动电器，无论是手机，笔记本电脑还是数码相机，如果这项研究获得成功，它们的充电器都可以退休了。特定频率的电磁波能引起物体的振动，如果两个物体固有频率相同，就可以传递这种振动，也就是传递能，研究人员让一个天线发射电磁波，让接收器来接收，转化为能量，这是电磁共振无线供电技术的基本原理。按照这一原理所有使用电池的电器都可以换用电磁共振无线供电技术供电。将来电磁共振无线供电技术将会有很大的应用空间，比如在地下铺设线路后，我们随时可以为手机，甚至开行中的汽车充电。

根据以上分析，我们认为磁耦合共振无线供电技术是最有可能广泛应用的技术。无线供电技术（无线充电）可以让电能隔着空气、塑料外壳实现传输，大大方便了应用。

无线电能传输方案如图1。

图1无线电能传输方案原理框图

采用磁耦合共振所消耗的电能只有传统电磁感应供电技术的百万分之一，当发射端通电时，它并不向外界发射电磁波，而只是在周围形成一个非辐射磁场，这个磁场用了和接收端联络，激发接收端共振，从而已很小的消耗代价来传输能量。这项技术中，磁场的强度和地球的强度相似，人们不用担心对自己身体和其它设备产生不良影响。

采用芯可泰XKT801芯片，我们进行了以下无线供电实验。

无线供电模块有振荡电路、整形电路、检测电路、频率干扰抑制电路、电流自动控制、无线功率发射电路等组成。

图2无线供电模块电路组成

光电耦合技术篇3

关键词：单窗光纤耦合器；熔融拉锥；特性参数；损耗分析

中图分类号：TN929.11文献标识码：A文章编号：1007-9599(2011)10-0000-02

Single-windowFiberCouplerLossAnalysisandTestingExperimentalStudy

GuoBanghong,HuangYoulin

(SouthChinaNormalUniversityInstituteofInformationandOptoelectronicScienceandTechnology,Guangzhou510631,China)

Abstract:Inthispaper,couplingratioisapproximatelylinearwiththewavelengthcharacteristicsofthedesignofsingle-windowcouplerinsertionlossandadditionallossoftheexperimentaltestprogram,usingasimpleopticaltestdevicetofacilitateeasydetectionofprocessesinmassproductionapplication.

Keywords:Single-windowfibercoupler;Fusedbiconicaltaper;Parameters;LossAnalysis

光纤耦合器广泛应用于光纤通信、光检测、光纤传感以及光纤测量等领域中[1-3]。光纤耦合器的稳定性及损耗对光通信系统性能具有重要的影响，测试和分析耦合器中影响耦合损耗的参数，对制备实用稳定的新型耦合器具有重要意义。帅词俊等[4]、Ngadino等[5]在对于熔融拉锥耦合器损耗的影响因素作了实验研究。本文通过分析熔融拉锥单窗型光纤耦合器耦合模理论与制作工艺特征，实验研究了耦合比的波长相关性，设计了单窗耦合器插入损耗和附加损耗测试的实验方案，为制作实用化稳定性增强的单窗耦合器工艺提供参考。

一、熔融拉锥光纤耦合器原理

两根（或两根以上）被剥去涂覆层的光纤以一定的方式靠拢，采用熔融拉锥（FBT：FusedBiconicalTaper）法在高温加热下熔融，同时向两侧拉伸，最终在加热区形成双锥体形式的特殊波导结构，实现传输光功率耦合的方法[3，6-10]。根据耦合模理论，2×2熔融拉锥光纤耦合器输出端光纤中的功率为：

其中，为直通功率，为耦合功率。假定光功率由一根光纤注入，初始条件为，，代表着光纤之间耦合的最大功率，显然，当两根光纤相同时，有，，则式1.1就变为标准熔融拉锥型单模光纤耦合器的功率变换关系式

实际应用中，取，（），其中为耦合区半径，为两光纤半径的差值，另外取参数值为，光纤归一化截止频率，纤芯折射率，取，两光纤半径相等[3]，则可得到两端口相对功率与拉伸长度的关系曲线[9-10]，如图1.1所示。从图中我们可以得到这样的结论：通过控制光纤拉伸长度可以得到不同耦合比的耦合器，理论耦合比最大可达100%，即全耦合。

图1.耦合比与拉伸长度之间关系

（一）单窗光纤耦合器的拉制

如图1所示，在拉制过程中，如果当拉伸至A点时，停止拉伸与加热，则得到一个1550nm波长的3dB耦合器，在B点停止拉伸时，则得到一个1310nm波长的3dB耦合器。其耦合比与波长近似成线性关系，满足耦合比50%±3%的带宽仅为1310±20nm，可拉制成单窗窄带耦合器。

若在C处停止拉伸与加热，则得到一个波长为1550nm、耦合比为100%的耦合器，耦合比为100%的耦合器没有实际用途，但是C点处于曲线转折点，其波长相关性较好，如果采两根不同的光纤进行耦合，使最大耦合比降至50%附近，如图1.2所示，其中两根光纤半径差值为。

图2.采用两根不同的光纤进行耦合，使最大耦合比降至50%附近

若选择图2中的P点（对应拉伸长度4.404mm）停止拉伸，则得到一个1310nm波长的宽带3dB耦合器，满足耦合比50%±3%的带宽达到1310±40nm，可拉制成单窗口宽带耦合器。

二、光纤耦合器特性参数

光纤耦合器的光学参数主要有插入损耗、附加损耗、分光比、方向性、偏振相关损耗、均匀性、温度相关损耗、隔离度、回波损耗等[4，11]。下面重点分析插入损耗、附加损耗测试方法。

（一）插入损耗（InsertionLoss）

光纤耦合器插入损耗定义为指定输出端口的光功率相对全部输入光功率的减少值。耦合器插入损耗与其他光器件意义略有不同，其插入损耗不是越小越好，既与分光比有关，不同分光比耦合器有不同插入损耗，同时又受附加损耗的影响。如果没有附加损耗，在平均分配的情况下，1×2或2×2耦合器的插入损耗为IL=3dB。数学表达式为：

式中，是第i个输出端口的插入损耗，是第i个输出端口输出的光功率值，是输入端的光功率值。

对于1×2耦合器，其插入损耗的测试光路如图3，其中激光器采用采用安捷伦可调激光器（Agilent81680ATLS），光功率计采用Agilent81623APM（PowerMeter）。

图3.插入损耗的测试光路图

单点测试方法是先将光源直接接到光功率计，并将光源功率保存至计算机，即为；然后通过光纤熔接机将光源接耦合器输入端（端口1），需要测量插损的输出端接光功率计，此时功率即为，如果两功率都以dbm表示，则插损IL就为两功率之差。如果想要得到在一定波段范围内的IL，则可以使用光谱分析仪（OSA）代替光功率计，使用OSA对波长进行扫描。

由于熔接损耗的存在，使光源和耦合器熔接处会存在损耗，该熔接损耗一般在0.1dB左右，而用上述方法测插损时，熔接损耗则加在器件损耗中，使测量结果不是很准确，测量结果比实际值稍大。如果想要获得更加准确的结果，可以采用截线法测IL：先将耦合器与光源熔接，记录光功率计读数IL1；再截断熔接好的光纤，其熔接位置如图4所示，截断后再测量光源功率IL2；则。这种方法就可以避免熔接损耗带来的测量误差。

图4.截线法测插入损耗

（二）附加损耗（ExcessLoss）

光纤耦合器附加损耗定义为光纤耦合器所有输出端口的光功率总和相对于全部输入光功率的减小值，附加损耗是光纤耦合器重要的性能指标，数学表达式为

式中，为附加损耗，为输出光功率总和，为输入光功率。附加损耗的测试光路同插入损耗一样，在图2.13中。

三、实验结果

表1是在C波段或L波段下，单窗口宽带1×2耦合器不同分光比下的插入损耗IL、温度相关损耗WDL和偏振相关损耗PDL。其中信号端口是指分光比大的端口，TAP端口是指分光比较小的端口。

分光比插入损耗IL（dB）温度相关损耗WDL（dB）偏振相关损耗PDL（dB）

信号端口TAP端口信号端口TAP端口信号端口TAP端口

99：1≤0.2019.0~21.0≤0.08≤0.50≤0.04≤0.12

97：3≤0.3014.6~16.2≤0.10≤0.30≤0.04≤0.12

95：5≤0.3512.4~13.8≤0.12≤0.25≤0.04≤0.10

90：10≤0.609.6~10.8≤0.12≤0.22≤0.05≤0.10

80：20≤1.156.60~7.60≤0.15≤0.20≤0.05≤0.10

70：30≤1.755.00~5.50≤0.15≤0.20≤0.06≤0.10

60：40≤2.503.95~4.30≤0.15≤0.20≤0.07≤0.09

50：502.80~3.30≤0.20≤0.08

表1.单窗口宽带1×2耦合器不同分光比下的IL、WDL和PDL

参考文献：

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光电耦合技术篇4

1实验装置全固态皮秒THz波参量振荡器结构示意图,如图1所示.以全固态Nd:YAG皮秒锁模激光器输出波长1064nm、脉宽10ps、重复频率80MHz、平均功率最大值8W的激光脉冲作为泵浦源.由平平镜M1(HT@1064nm,HR@1065~1078nm)、M2(HR@1064~1078nm)和平凹镜M3(HR@1064~1078nm,R=500mm)、M4(HR@1064~1078nm,R=500mm)构成蝴蝶型腔,其中M3、M4用来改变泵浦光在晶体内的聚焦光斑大小,从而提高THz波的转化效率.腔长为1•87m,使泵浦光在腔内往返一次的时间等于泵浦光脉冲间隔.产生的THz波大约在与腔轴成65°方向耦合输出,后面放置THz波聚焦镜,提高THz波功率密度,更好地响应探测系统的灵敏度.

2振荡器的优化设计

2•1MgO:LN晶体参数的选择及设计晶体的优化设计主要包括以下几个方面开展:①掺杂浓度;②耦合方式;③晶体最佳长度.1)掺杂MgO的LN晶体较未掺杂LN晶体,具有高的光损伤阈值和高的非线性转换效率,而且掺杂可以使拉曼散射截面增加和声子模损耗减小,所以用MgO:LN晶体代替LN晶体构成的TPO,其输出功率比未掺杂的LN晶体构成的TPO高出5倍[9].MgO:LN的与LN的色散曲线基本相同,因此由它们构成TPO的调谐特性和THz波的输出范围基本相同.已有相关文献报道[9-10],通过试用多种浓度掺杂的MgO:LN,发现由掺杂浓度为5%molMgO:LN晶体构成的TPO具有最大的THz波输出功率和调谐范围.2)在MgO:LN晶体中,三波相互作用的效率比较高,但是晶体在THz波段具有较大的吸收系数和较大的折射率,所产生的THz波大部分是被晶体吸收或全部被反射回晶体内部.为了提高THz波输出耦合效率和方向性,我们主要采用以下3种耦合方法:①切角耦合(AngledSurfaceCoupler)[10],即在晶体输出端切下一角,使产生的THz波以基本平行于该切角平面法线的方向输出,其辐射发散角随辐射波长的变化率为Δθ/Δλ≈-0•017(deg/μm).②光栅耦合(GratingCoupler)[11],即在晶体侧面刻光栅的方法,来增加THz波耦合效率.但由于光栅耦合的色散特性及非共线相位匹配自身的特点,THz波输出辐射角在40余度到80余度之间变化,方向性较差[12],其辐射发散角随辐射波长的变化率为Δθ/Δλ≈0•65(deg/μm),且该耦合方法要求很高的光栅刻画技术,受国内加工条件的限制,晶体加工很难实现.③棱镜耦合(PrismCoupler)[5],即晶体输出端压接高电导率硅棱镜作为THz波的输出耦合器,高电导率硅棱镜在THz波段具有较大折射率、低色散、吸收系数小等特性,从而有效消除THz波光束在全部波长调谐范围内的方向偏移,其辐射发散角随辐射波长的变化率为Δθ/Δλ≈-0•00018(deg/μm).但该技术要求很高的压接技术,而且高电导率硅棱镜会导致THz波的损耗增大,使探测的难度加大.考虑辐射发散角、晶体加工及实验探测条件,我们最终选择晶体输出端切角耦合法.3)由于晶体自身的吸收和色散特性,设计晶体长度是实验成败的关键要素.我们采用龙格-库塔法求解三波耦合方程[13],数值计算THz波的输出功率密度与晶体长度的关系见图2.在晶体长度35mm以下,THz波输出功率随晶体长度的增加而线性增加,但当晶体长度超过38mm,THz波输出功率出现饱和效应,故晶体的最佳长度是35mm.以下是数值模拟所采用的参数:THz波频率ωT=1THz,有效非线性系数deff=5•3pm/V[14],泵浦光功率密度IP(max)=20MW/cm2,Stokes光功率密度IS(max)=1MW/cm2,泵浦光波长λP=1064nm,Stoke光波长λS=1067nm,泵浦光折射率ne(λP)=2•1474,Stokes光折射率ne(λS)=2•1472,THz波折射率ne(ωT)=5•1,晶体在THz波段的吸收系数αT=0•61cm-1,THz波波长λT=200μm[9,15],ε0为真空介电常数,c为真空中的光速.

2•2MgO:LN晶体内的聚焦光斑在泵浦光平均功率一定的条件下,MgO:LN晶体内的聚焦光斑直接影响到泵浦光峰值功率密度,改变THz波转化效率,是设计蝴蝶型腔的重要参数,也是筛选市售晶体关于损伤阈值的重要指标.1)最佳聚焦光斑的设计是依据Boyd-Klein-man[16]第5节差频条件下的聚焦函数关系:ωoptimal=λTHzL/2πξne(ωT),THz波波长λT=200μm,其中聚焦参数ξ=L/bcp=2,对应bcp最佳聚焦因子、晶体长度L=35mm(由2•1节计算给出).MgO:LN晶体内的聚焦光斑直径大约是ωoptimal=Δ360μm.对应最佳聚焦光斑半径,利用ABCD矩阵,得到蝴蝶型腔中光学元器件及腔内光斑半径的分布,如图3所示.2)当泵浦光脉冲宽度为10ps和10ns量级时,MgO:LN晶体的损伤阈值分别为0•8GW/cm2[17]和25MW/cm2[17],前面计算得到的最佳光斑直径ωoptimal=370μm,结合泵浦源输出脉冲激光的参数,计算可得损伤阈值的极大值为27MW/cm2,低于市售MgO:LN的标定损伤阈值.

2•3THz波转化效率在实验过程中,是通过旋转晶体放置的高精度平移台实现角度相位匹配,但在非理想匹配条件下,ps-TPOs中的THz波增益依然存在,其中失配函数的形式sin2(ΔkL/2),对应相位失配量Δκ=κP-κS-κT.由于泵浦光和Stokes光波长相近,泵浦光和Stokes光的吸收系数相抵消,故吸收系数变化量Δα=|αP-αS-αT|=|αT|,中远红外参量振荡器差频产生THz波峰值功率公式修正为[18]式中:PP和PS分别是泵浦光、Stokes光的峰值功率;r是晶体内的聚焦光斑半径;T1,T2和T3是菲涅尔透射系数T1,2,3=4nP,S,T/(nP,S,T+1)2.考虑产生Stokes光的峰值功率(蝴蝶型腔内振荡),THz波转化效率定义为η=PTHz/PPPS,由式(1)可得到由式(1)和式(2)可知,MgO:LN晶体内的聚焦光斑与THz转化关系如图4所示.为优化THz波的转化效率,首先可通过调节平凹镜M3、M4的位置,从而改变晶体能的聚焦光斑尺寸,但是要考虑到晶体损伤阈值的限制;其次,提高泵浦光的平均功率,在光斑半径一定的条件下,相当于同时提高泵浦光和Stokes光的峰值功率密度,由式(2)可以得到,THz波的转化效率与泵浦光和Stokes光的峰值功率密度成正比.

光电耦合技术篇5

摘要：自由空间光通信（Free-SpaceOpticalColumniation，简称FSO）是一种通过激光在大气信道中实现点对点、点对多点或多点对多点间语音、数据、图像信息的双向通信技术，介绍了自由空间光通信的国内外研究现状，分析了应用现状和未来发展趋势。

关键词：自由空间；光通信技术；现状；趋势

1自由空间光通信的研究现状

1.1基于光电探测器直接耦合的FSO系统

早在30多年前，自由空间光通信曾掀起了研究的热潮，但当时的器件技术、系统技术和大气信道光传输特性本身的不稳定性等诸多客观因素却阻碍了它的进一步发展。与此同时，随着光纤制作技术、半导体器件技术、光通信系统技术的不断完善和成熟，光纤通信在20世纪80年代掀起了热潮，自由空间光通信一度陷入低谷。然而，随着骨干网的基本建成以及最后一公里问题的出现，以及近年来大功率半导体激光器技术、自适应变焦技术、光学天线的设计制作及安装校准技术的发展和成熟，自由空间光通信的研究重新得到重视。

在国外，FSO系统主要在美英等经济和技术发达的国家生产和使用。到目前为止，FSO己被多家电信运营商应用于商业服务网络，比较典型的有Terabeam和Airfiber公司。在悉尼奥运会上，Terabeam公司成功地使用FSO设备进行图像传送，并在西雅图的四季饭店成功地实现了利用FSO设备向客户提供10OMb/s的数据连接。该公司还计划4年内在全美建设100个FSO城市网络。而Airfiber公司则在美国波士顿地区将FSO通信网与光纤网（SONET）通过光节点连接在一起，完成了该地区整个光网络的建设。

目前商用的FSO系统（见图1）通常采用光源直接输出、光电探测器直接耦合的方式，这种系统有以下几点缺点：

（l）半导体激光器出射光束在水平方向和垂直方向的发散角不同，且出射光斑较粗，因此我们需要先将出射光束整形为圆高斯光束再准直扩束后发射，这样发射端的光学系统就较为复杂，体积也会相应增大。

（2）在接收端，光斑经光学天线会聚之后直接送入PD转化为电信号。通常，我们需要提供点到点的，双向的通信系统，这样，FSO系统的每个终端都包括了激光器，探测器，光学系统，电子元器件和其中有源器件所需要的电源。这种系统的体积通常比较大，重量大，成本也比较高。从FSO系统终端的内部结构图中可以看出，完成一个简单的点到点的链路需要6个OE转换单元。随着人们对带宽的需求越来越高，PD的成本也越来越高，6个OE转换单元大大增加了成本闭。

（3）FSO终端设备一般安装于楼顶，如果终端中含有大量的有源设备，会给我们的安装带来了很多不方便。

（4）系统的可扩展性很小。如果用户所需要的带宽增加，那么封装在一起的整个FSO系统终端都需要被新的终端取代，安装新设备的过程需要再次对准，整个升级过程所需要的时间很长，给人们带来巨大的损失。

1.2基于光纤耦合技术的FSO系统

光纤输出、光纤输入的自由空间光通信系统（见图2），激光器输出的高斯光束耦合至光纤再经准直出射，传输一定距离后，光束通过合适的聚焦光学系统聚焦在光纤纤芯上，沿着光纤传输后经PD接收还原信号。这样我们通过在发射和接收端都采用光纤连接的方式，只需要在楼顶放置光学天线系统，而将其他的控制系统通过光纤放置于室内就可以实现点到点的连接，整个系统结构简单，易于安装。

这种新型的FSO系统具有以下优点：①减少了不必要的E一O转换，一条链路现在只需要2个OE接口即可，大大降低了成本。②光学系统较为简单，光纤出射的光束一般为圆高斯光，不需要整形，简化了光学系统，减小了体积，易于安装。③易于升级及维护，当用户的带宽增加时，我们只需要对放置在室内的系统进行升级即可，免去了复杂繁琐的对准过程。④基于光纤耦合的空间光通信系统能够很好的与现有的光纤通信网络结合，利用现有的比较成熟的光纤通信系统中的器件如发射接收模块，EDFA和WDM中所用到的复用器和解复用器。⑤可以与光码分多址复用技术（OCDMA）相结合，构成自由空间OCDMA系统，进一步扩大系统的带宽。

对于一个基于光纤耦合技术的FSO系统而言，以下2个因素必不可少：①体积小，重量轻的光学天线系统一个最佳的光学天线的设计首先必须使尽可能多的光耦合进单模光纤，获得最大的耦合效率；其次要能通过粗跟踪系统测出入射光的角度；另外，必须满足尽可能高的通信速率和稳定性。②性能良好的跟踪系统要使光学接收天线接收到的光能够有效的耦合进纤芯和数值孔径都极小的单模光纤，我们必须为系统加上双向的跟踪系统。

2国内空间光通信系统研究现状和进展

我国卫星间光通信研究与欧、美、日相比起步较晚。国内开展卫星光通信的单位主要有哈尔滨工业大学（系统模拟和关键技术研究）、清华大学（精密结构终端和小卫星研究）、北京大学（重点研究超窄带滤波技术）和电子科技大学（侧重于APT技术研究）。目前已完成了对国外研究情况的调研分析，进行了星间光通信系统的计算机模拟分析及初步的实验室模拟实验研究，大量的关键技术研究正在进行，与国外相比虽有一定的差距，但近些年来在光通信领域也取得了一些显著的成就。

2002年哈尔滨工业大学成功地研制了国内首套综合功能完善的激光星间链路模拟实验系统，该系统可模拟卫星间激光链路瞄准、捕获、跟踪、通信及其性能指标的测试。所研制的激光星间链路模拟实验系统的综合功能、卫星平台振动对光通信系统性能的影响及对光通信关键单元技术的攻关研究有创新性，其技术水平为国内领先，达到国际先进水平，目前该项研究已进入工程化研究阶段。上海光机所研制出了点对点155M大气激光通信机样机，该所承担的“无线激光通信系统”项目也在2003年1月份通过了验收，该系统具有双向高速传输和自动跟踪功能，其传输速率可达622Mb/s，通信距离可以达到2km，自动跟踪系统的跟踪精度为0.1mrad，响应时间为0.2s。中科院成都光电所于2004年在国内率先推出了10M码率、通信距离300m的点对点国产激光无线通信机商品。桂林激光通信研究所也在2003年正式推出FSO商品，最远通信距离可达8km，速率为10~155M。武汉大学于2006年在国内首先完成42M多业务大气激光通信试验，2007年3月又在国内率先完成全空域FSO自动跟踪伺服系统试验，这为开发机载、星载激光通信系统和地面带自动目标捕获功能的FSO系统创造了条件。另外在光无线通信系统设计、以太网光无线通信、USB接口光无线通信、大气激光传输、大气光通信收发模块和信号复接/分接技术等方面都取得了多项成果。

3自由空间光通信技术的应用与未来发展趋势

自由空间光通信和其他无线通信相比，具有不需要频率许可证、频率宽、成本低廉、保密性好，低误码率、安装快速、抗电磁干扰，组网方便灵活等优点。正是由于这些特点，FSO系统正受到电信运营商越来越多的关注与青睐。对于有线运营商，FSO可以在城域光网之外提供高带宽连接，而其成本只有地下埋设光缆的五分之一，而且不需要等6个月才能拿到施工许可证。对于无线运营商，在昂贵的E1/T1租用线路和带宽较低的微波解决方案之外，FSO在流量回输方面提供了一个经济的替代选择。在目前这个竞争激烈的环境中，FSO无疑为电信运营商以较低的成本加速网络部署，提高“服务速度”并降低网络操作费用提供了可能。而且FSO技术结合了光纤技术的高带宽和无线技术的灵活、快速部署的特性，可以在接入层等近距离高速网的建设中大有用武之地，在目前许多企业和机构都不具备光纤线路，但又需要较高速率（如STM-1或更高）的情况下，FSO不失为一种解决“最后一公里”瓶颈问题的有效途径。

FSO产品目前最高速率可达2.5G，最远可传送4km，在本地网和边缘网等近距离高速网的建设中大有用武之地，主要应用于一些不宜布线或是布线成本高、施工难度大、经市政部门审批困难的地方，如市区高层建筑物之间、公路（铁路）两侧的建筑物之间、不易架桥的河流两岸之间、古建筑、高山、岛屿以及沙漠地带等。另外，FSO设备也可用于移动基站的环路建设、场所比较分散的企业局域网子网之间的连接和应急通信。对于银行、证券、政府机关等需要稳定服务的商业应用来说，FSO产品可以作为预防服务中断的光纤备份设备。

当然，FSO在应用过程中也存在一定的瓶颈，主要是会受到大气状况或物理障碍的影响，比如其光束在传输中极易受大雾等恶劣天气，物理阻隔或建筑物的晃动/地震的影响。在恶劣的天气下，光束传输的距离会下降，从而降低通信的可靠性，严重的甚至会造成通信中断。

尽管存在不少问题，但自由空间光通信的技术优势更为明显，其自身的特点决定了在一定的环境下，它可以最大发挥自身优势，比如可以用于不便铺设光纤的地方和不适宜使用微波的地方；又由于光纤成本过高，用户无法在短期内实现光纤接入，而他们却渴望享受宽带接入带来的便利，结合我国现阶段宽带网络的实际情况许多企业和机构都不具备光纤线路，但又需要较高速率（如STM-1或更高），FSO不失为一种解决“最后一公里”瓶颈问题的有效途径。FSO系统解决了宽带网络的“最后一公里”的接入，实现了光纤到桌面，完成语音、数据、图像的高速传输，拉动了声讯服务业和互动影视传播，实现了“三网融合”，有利于电子政务、电子商务、远程教育及远程医疗的发展，并产生了巨大的效益，具有广阔的应用领域和市场前景。新晨

参考文献：

［1］ZHUX，KAHNJM.Freespaceopticalcommunicationthroughatmo-sphericturbulencechannels［J］.IEEETransactionsonCommunications，2002，50（8）：1293-1300.

［2］蒋丽娟.无线光通信技术及其应用［C］.全国第十二次光纤通信学术会议论文集.2004，10.

［3］张英海，霍泽人，王宏锋等.自由空间光通信的现状与发展趋势［J］.中国数据通信，2004，6，（12）.

光电耦合技术篇6

关键词调频广播；光纤耦合；电平；共缆传输

中图分类号TN94文献标识码A文章编号1674-6708（2012）58-0013-01

张浦镇广播系统工程被列入2009年度政府实事工程，受委托张浦镇文体站负责此项工程的建设。经市文广局事业科、张浦文体站有关技术人员对现状分析讨论，组织到周边县市学习取经，联系设备生产厂家索取资料，定购少量器材，在金华村与镇机房间作双向传输试验。各项技术指标符合预想的要求，综合经济、技术、质量指标有较大优势，故作出以下技术方案。

1张浦镇广播系统覆盖范围与基本方式

1.1覆盖范围

张浦镇目前有4个有线电视光发机房，拟建24只广播室或虚拟广播室，其中政府广播控制中心1个，行政村广播室23个，农村自然村用户13141户，调频音柱650只。

1.2基本方式

张浦镇机房接收市局CATV共缆传输92.7M调频广播信号或数字广播信号，将该信号解调成音频作为第一音源，张浦镇本地广播信号作为第二音源，分别调制成98M调频信号，通过机房CATV光发下行传输系统送到各光接收机，各村广播室的广播信号作为第三音源，经98M1550nm调频光发经光纤传输到镇机房，通过光分复用器耦合至所辖行政村的每个光接收机，实行98M调频广播多信源全覆盖作为基本方式。

2辖区覆盖的广播反向传输和机房光纤耦合系统

1）由于行政村合并现象普遍，行政村地域范围较大，光接收机总量多。因无横向拓扑结构传输网，考虑将各行政村每个广播室信号反向传输到镇广电机房；2）调频98M光发反传方式：将各广播室话筒、CD的音源通过98M调频光发，占用一根光纤传输到镇机房，采用光纤耦合器与对应送达该村的光发输出的CATV光信号混合传送到对应村的所有光接收机；3）部分行政村比较大，在机房端有2台或以上光发射机输出电视信号，在村广播室将音源通过98M调频光发，占用一根光纤传输到镇机房，用光接收机接收下来，转成电信号再次和电视信号一起混入控制该村的多台光发射机中，传送到该村的所有光接收机。

3正向传送优先级设计构想

1）镇广播信号需调制成98M射频信号送全镇。由于所有音箱均采用98M调频音箱，故在村广播向该村播出时要求抑制镇广播信号，这样要求镇广播98M调制电平比CATV模似电平低4DB，村广播98M调制电平比CATV模似电平高4DB，即有±4DB的控制量(估计值)，以达到自动切换目的。具体实施时可测定差拍分量和音频干扰分量的数值，达到较为满意的抑制效果为准，该方式从技术角度上讲虽然没有采用的必然性，但经济实用，试验下来使用效果良好；2）将市电台、镇自办节目及各广播室送达的信号经过调制处理，直接分配到各对应光发射机，还要通过98M调频光发射送到南港机房、大市机房、江南春堤机房。原南港、大市、江南春堤机房覆盖的行政村广播在这3个机房实行光纤耦合，不涉及反传到张浦机房；3）市、镇、村三级分时广播。可以根据昆山人民广播电台节目时段、内容作适当选择，规定时段插入镇广播节目。村广播节目除特发事件外，也必须规定播出时段。市广播采用电力定时开关控制，村广播采用调频抑制自动切换方式。

4其他模式参考

采用CATV共缆传输智能数字遥控调频音箱系统，可对分区进行自动寻址对点广播，远程控制目标音柱或调频音箱群，调频音箱群需要配备片区地址管理器和调制器。由于造价大，处理复杂等因素暂不考虑。电话反传方式，由于安全原因暂不考虑。

5共缆传输调频广播系统原理框图

参考文献

[1]王季平.调频同步广播技术的最新发展及应用[J].广播与电视技术，2005(9).

[2]何连成.调频同步广播网的理论、工程实现与策划[J].广播与电视技术，2007(1).

[3]陈敬东.数字调频同步网技术及其工程建设[J].中国有线电视，2008(6).