一种基于多功能光伏探测器的直调单纤光信能同传系统及方法

技术领域

本发明涉及光纤通信的技术领域，更具体地，涉及一种基于多功能光伏探测器的直调单纤光信能同传系统及方法。

背景技术

基于光信能同传系统的微型传感器互联一直是光纤传感领域的研究热点，对光纤互联中传感器设备的稳定性有非常高的需求，特别是在一些化学实验室场景中，对有毒气体浓度、温度湿度的监测需要大量传感器件，传统电线供能有铜线裸露并产生电火花的风险，相比之下光纤的物理和化学性质稳定，且光纤中不传输电信号，一种光信能同传(POF，power over fiber)的技术可解决传感器同时供能和通信问题。利用在光接收端的光伏电池组可以将光纤中的光能转换成电能，同时光纤是基本的波导介质，在提供高功率激光的同时传导光信号，以满足传感器的基本通信需求。

光信息能量共传可分为单纤信能同传和双纤信能同传，其中双纤方案光能量和信息分开传输，对此国内外研究者们提出了不少解决方案。其中，双纤方案基于两根光纤，多模光纤用于导入高能830～970nm激光，收端接入光电转换器进行光能传输；另一根单模光纤用于传输信号1550nm激光，双纤系统可实现大带宽和高能量的信能同传，但此双纤系统结构稍显冗余，因此，有科学家提出了更简洁的单纤传输方案。基于单纤信能共传方案主要有两种，一是MATSUURA提出的利用双包层结构特种光纤在光纤芯层传输1550nm信号光及内包层传输850nm能量光以实现单纤共传，该方案系统结构简洁，可实现大带宽和高能量的信能同传，难点在于特种光纤及其对应的耦合器和信号光剥离器难以制备且引入损耗，难以获得较大效率；二是采用单模光纤，能量激光波段为1480nm，信号光波段1550nm，在收端做分路及解调，但是相应的功能器件需要承受大光功率，成本较高。

电流注入调制，即激光器内调制，对激光器的小信号电流注入调制早在40多年前已有人研究，是一种成熟且简单的调制方式。其中，Xiang Zhu使用内调制的单频1MHz激光验证电流注入调制是对光强信号做直接调制，并给出了理论及实验验证，国内也有利用内调制VCSEL激光器的实例，如2019年，胡旭文等人在激光与红外的期刊上发表“垂直腔面发射激光器的内调制特性”的文章，给出了利用内调制单路光做光信息能量同传的启示，该具体方案尚未有人涉及，主要原因在于可调带宽的限制及光电能量转化材料效率不高，但在带宽需求和能量需求不严苛的条件下，是一种极其高效的解决方案。

光伏电池(PV)用于把光能直接转化为电能，以光电效应工作的光伏电池为主流，光照在半导体p-n结上，形成新的空穴--电子对，在p-n结电场的作用下，空穴由n区流向p区，电子由p区流向n区，接通电路后形成电流。GaAs材料在790～850nm光波段的光电转化效率可达52％，InGaAs材料在915～980nm光波段的光电转化效率可达34％，InP材料在1400～1550nm光波段的光电转化效率可达26％。系统总光电转化效率是衡量光信能同传能量传输效率的主要参考指标，影响因素包括光传输损耗、光器件插入损耗、光伏电池转化效率，但目前光接收端光电转化效率较低亟待提高。

发明内容

为解决传统方案难以制备特种光纤及其耦合器的问题，以及系统结构复杂，光电转换效率低的问题，本发明提出一种基于多功能光伏探测器的直调单纤光信能同传系统及方法，降低系统结构复杂性，提高了光电转化率。

为了达到上述技术效果，本发明的技术方案如下：

一种基于多功能光伏探测器的直调单纤光信能同传系统，包括：信号发生器、直流电源、DC偏置器、连续半导体激光器、波导介质、用于初步光接收与信能量分离的多功能光伏探测器、光能量接收模块及光信号接收模块，所述信号发生器生成的调制电信号与直流电源产生的直流信号均输入DC偏置器，通过DC偏置器偏置混合后作为连续半导体激光器的混合驱动源，半导体激光器的光输出端连接波导介质，波导介质的输出端连接多功能光伏探测器，多功能光伏探测器设有电能输出端及信号输出端，多功能光伏探测器的电能输出端连接光能量接收模块，多功能光伏探测器内设有光伏电池组，光伏电池组将连续半导体激光器的输入激光转化为电能输出，光能量接收模块使光伏电池组保持最大输出电功率及光电转化效率，并监测输出电功率；多功能光伏探测器的信号输出端连接光信号接收模块，光信号接收模块提取光信号进行光电转换，并对多功能光伏探测器的信号输出端输出的电信号做衰减，滤除光电转化的电信号中的直流信号。

在本技术方案中，信号发射器生成调制电信号与直流电源的直流信号通过DC偏置器偏置混合，直接加载到半导体激光器产生的激光载波上，光信号与半导体激光器产生的高功率激光通过波导介质同时传输，多功能光伏探测器、光信号接收模块和光能量接收模块共同组成光接收端，其中，信能分离在多功能多功能光伏探测器中实现，无需额外器件,进一步光能量接收模块使光伏电池组保持最大输出电功率及光电转化效率，并监测输出电功率；光信号接收模块提取光信号进行光电转换，并对多功能光伏探测器的信号输出端输出的电信号做衰减，滤除光电转化的电信号中的直流信号，一段波导介质实现光信号和能量的同时传输，系统结构简洁易行，性能良好，实用性强，光电转化率高，尤其适用于短距离光信息和光能量同传系统。

优选地，信号发生器为可调射频信号源，产生射频输入信号，经强度调制映射后，生成调制电信号。

优选地，所述DC偏置器包括接地端、第一电容C1、第二电容C2、直流信号输入端、电感L、射频信号输入端及直流射频信号混合输出端，直流信号输入端分别连接第二电容C2的一端及电感L的一端，第二电容C2的另一端连接接地端，电感L的另一端分别连接第一电容C1的一端及直流射频混合信号输出端，第一电容C1的另一端连接射频信号输入端，信号发生器产生的射频输入信号从射频信号输入端输入，经第一电容C1进行高通滤波，直流电源产生的直流信号经过电感L滤除高频信号后作为直流偏置信号，在直流射频信号混合输出端输出带有直流电源提供直流偏置的射频混合信号，直流偏置的射频混合信号使半导体激光器受激辐射，其中，直流偏置信号使半导体激光器位于可调谐区，射频信号作为直接调制的信号源。

优选地，所述多功能光伏探测器包括扩束透镜、若干个光伏前电极、抗反射层、探测器、N型区、P型区、基电极、电阻及路端用电器，若干个光伏前电极及探测器均设置在抗反射层上，所述基电极的一侧通过路端用电器连接若干个光伏前电极中的一部分，所述基电极的另一侧通过电阻连接探测器，探测器连接光伏前电极中的一个，扩束透镜将连续半导体激光器的输入激光扩束到若干个光伏前电极及探测器的表面，N型区与P型区形成PN结，利用PN结的光生伏特效应，PN结内部未复合的载流子到达空间电荷区，其中，空穴流向P型区，在基电极形成光伏电池正电极，而电子流向N型区，在抗反射层一侧形成光伏电池负电极，组成级联光伏电池组的微结构，利用光伏电池组的工作模式特性，处于零偏置光伏工作模式的光伏电池组PN结进行高效率光电能转化，为路端用电器输出电能同时输出电压于部分PN结，使之处于反向偏置的光电导工作模式，探测器对接收的光信号进行光电探测，路端用电器消耗的电功率等效为系统的输出电功率，满足：

其中，η表示为系统光电转化效率，P

P

其中，η

其中，FF表示为填充因子，V

在此，使用级联的光伏电池组，增加受光面积提升接收端光电转化效率，提升系统总体的光电能转化比，另外由于扩束透镜对光的发散效果，J′相比J有所减小，目的是调节接收光强使之不超过光伏电池接收阈值，同时增大受光面积，总体接收光能增加，因此在输入光功率一定条件下，整体的输出电功率P

优选地，半导体激光器受激辐射直接调制的光信号和半导体激光器未经调制的激光均经过波导介质进行传输。

优选地，所述多功能光伏探测器在传统的光伏探测器中进行修改，增加信号探测功能，通常光伏探测器中包含一个激光扩束装置将激光能量发散，然后照射多个阵列的小功率的光伏电池单元完成激光到电能的转换，多功能光伏探测器将信号探测单元放置到激光扩束装置以后，照射到信号探测单元上的激光能量大幅减小，无需使用额外衰减器件来确保安全接收。

优选地，所述光能量接收模块包括电阻匹配模块及电功率计，电阻匹配模块一端连接光能量接收模块的电能输出端，电阻匹配模块用于匹配总的路端电阻，以达到最高的输出电功率和最大的光电转化效率，电阻匹配模块的另一端连接电功率计，所述电功率计对输出电功率进行监测。

优选地，所述光信号接收模块包括光衰减器、隔直器及示波器，光衰减器连接光信号接收模块的信号输出端，隔离器连接光衰减器，滤除电信号中的直流信号，滤除直流信号后的电信号接入示波器进行采样分析。在此，采样分析包括眼图测量、误码率(BER)测量等。

本发明还提出一种基于多功能多功能光伏探测器的直调单纤光信能同传方法，所述方法基于上述基于多功能多功能光伏探测器的直调单纤光信能同传系统实现，至少包括：

S1.基于直接调制数学模型，得到信号发生器生成的调制电信号，将调制电信号与直流电源的直流信号通过DC偏置器混合，得到含调制电信号的混合信号，注入半导体激光器；

S2.混合信号使半导体激光器受激辐射，受激辐射受直接调制的光信号和半导体激光器未经调制的激光均经过波导介质进行传输至多功能光伏探测器；

S3.多功能光伏探测器的光伏电池组吸收波导介质传输的激光光子能量转化成电流通过光能量接收模块输出；

S4.光信号接收模块提取光信号进行光电转换，并对多功能光伏探测器(6)的信号输出端输出的电信号做衰减，滤除光电转化的电信号中的直流信号。

优选地，步骤S1所述的直接调制数学模型包括：

A.内调制信号的光场；表示为：

B.内调直信号的光强；表示为：

I

其中，E

系统的光电转换效率理论模型公式包括：

系统输出光功率表示为：

P

光伏电池接收光功率表示为：

P

光伏电池输出电功率表示为：

其中，P

与现有技术相比，本发明技术方案的有益效果是：

本发明提出一种基于多功能多功能光伏探测器的直调单纤光信能同传系统，信号发射器生成的调制电信号与直流电源的直流信号通过DC偏置器偏置混合，直接加载到半导体激光器产生的激光载波上，光信号与半导体激光器产生的激光通过波导介质同时传输，信能分离在多功能多功能光伏探测器中实现，无需额外器件，进一步光能量接收模块使光伏电池组保持最大输出电功率及光电转化效率，并监测输出电功率；光信号接收模块提取光信号进行光电转换，并对多功能光伏探测器的信号输出端输出的电信号做衰减，滤除光电转化的电信号中的直流信号，仅通过一段波导介质实现光信号和能量的同时传输，系统结构简洁易行，实用性强，光电转化率高，尤其适用于短距离光信息和光能量同传系统。

附图说明

图1表示本发明实施例中提出的基于多功能光伏探测器的直调单纤光信能同传系统的结构框图；

图2表示本发明实施例中提出的DC偏置器的电路结构图；

图3表示本发明实施例中提出的多功能光伏探测器的结构原理图；

图4表示本发明实施例中提出的多功能光伏探测器的电路工作原理图；

图5表示为本发明实施中提出的830nm半导体激光器在2W输入光功率下同传30MHz单频信号的示波器采样频谱效果图；

图6表示本发明实施例中提出的0～20W输入光功率1km传输976nm激光的系统光电转化效率图。

具体实施方式

附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；

为了更好地说明本实施例，附图某些部位会有省略、放大或缩小，并不代表实际尺寸；

对于本领域技术人员来说，附图中某些公知内容说明可能省略是可以理解的。

下面结合附图和实施例对本发明的技术方案做进一步的说明。

实施例1

如图1所示的基于多功能光伏探测器的直调单纤光信能同传系统结构图，包括：信号发生器1、直流电源2、DC偏置器3、连续半导体激光器4、波导介质5、用于初步光接收与信能量分离的多功能光伏探测器6、光能量接收模块61及光信号接收模块62，信号发生器1为可调射频信号源，产生射频输入信号，经强度调制映射后，生成调制电信号，信号发生器1生成的调制电信号与直流电源2产生的直流信号均输入DC偏置器3，通过DC偏置器3偏置混合后作为连续半导体激光器4的混合驱动源，半导体激光器4的光输出端连接波导介质5，波导介质5的输出端连接多功能光伏探测器6，多功能光伏探测器6设有电能输出端及信号输出端，多功能光伏探测器6的电能输出端连接光能量接收模块61，多功能光伏探测器6内设有光伏电池组，光伏电池组将连续半导体激光器4的输入激光转化为电能输出，光能量接收模块61使光伏电池组保持最大输出电功率及光电转化效率，并监测输出电功率；多功能光伏探测器6的信号输出端连接光信号接收模块62，光信号接收模块62提取光信号进行光电转换，并对多功能光伏探测器6的信号输出端输出的电信号做衰减，滤除光电转化的电信号中的直流信号，在本实施例中，半导体激光器4作为830nm激光发射模块，波导介质5为多模光纤。

参见图2，所述DC偏置器3包括接地端31、第一电容C1、第二电容C2、直流信号输入端32、电感L、射频信号输入端33及直流射频信号混合输出端34，直流信号输入端32分别连接第二电容C2的一端及电感L的一端，第二电容C2的另一端连接接地端31，电感L的另一端分别连接第一电容C1的一端及直流射频混合信号输出端34，第一电容C1的另一端连接射频信号输入端32，信号发生器1产生的射频输入信号从射频信号输入端33输入，经第一电容C1进行高通滤波，直流电源2产生的直流信号经过电感L滤除高频信号后作为直流偏置信号，在直流射频信号混合输出端34输出带有直流电源2提供直流偏置的射频混合信号，直流偏置的射频混合信号使半导体激光器4受激辐射，其中，直流偏置信号使半导体激光器4位于可调谐区，射频信号作为直接调制的信号源。

图3表示本发明实施例中提出的多功能光伏探测器的结构原理图，如图3所示，多功能光伏探测器6包括扩束透镜63、若干个光伏前电极64、抗反射层65、探测器66、N型区67、P型区68、基电极69、电阻70及路端用电器71，若干个光伏前电极64及探测器66均设置在抗反射层65上，参见图3，在本实施例中，光伏前电极64共5个，所述基电极69的一侧通过路端用电器71连接若干个光伏前电极64中的4个，实际实施时，可能有上百、上千个，所述基电极69的另一侧通过电阻70连接探测器66，探测器66连接光伏前电极64中的另一个，扩束透镜63将连续半导体激光器4的输入激光扩束到若干个光伏前电极64及探测器66的表面，N型区67与P型区68形成PN结，利用PN结的光生伏特效应，PN结内部未复合的载流子到达空间电荷区，其中，空穴流向P型区68，在基电极69形成光伏电池正电极，而电子流向N型区67，在抗反射层65一侧形成光伏电池负电极，组成级联光伏电池组的微结构，利用光伏电池组的工作模式特性，处于零偏置光伏工作模式的光伏电池组PN结进行高效率光电能转化，为路端用电器71输出电能同时输出电压于部分PN结，使之处于反向偏置的光电导工作模式，探测器66对接收的光信号进行光电探测，路端用电器71消耗的电功率等效为系统的输出电功率，满足：

其中，η表示为系统光电转化效率，P

P

其中，η

其中，FF表示为填充因子，V

图4表示光电探测器的工作原理图，其中，部分PN结产生的光生电流i

在本实施例中，半导体激光器4受激辐射直接调制的光信号和半导体激光器4未经调制的激光均经过波导介质5进行传输。波导介质5采用多模光纤，相较于传统双包层光纤方案，多模光纤结构简单，光信号能量的更易分离。

所述多功能光伏探测器6在传统的光伏探测器中进行修改，增加信号探测功能，通常光伏探测器中包含一个激光扩束装置将激光能量发散，然后照射多个阵列的小功率的光伏电池单元完成激光到电能的转换，多功能光伏探测器6将信号探测单元放置到激光扩束装置以后，照射到信号探测单元上的激光能量大幅减小，无需使用额外衰减器件来确保安全接收。

参见图1，所述光能量接收模块61包括电阻匹配模块7及电功率计8，电阻匹配模块7一端连接光能量接收模块61的电能输出端，电阻匹配模块7用于匹配总的路端电阻，以达到最高的输出电功率和最大的光电转化效率，电阻匹配模块7的另一端连接电功率计8，所述电功率计8对输出电功率进行监测。所述光信号接收模块62包括光衰减器9、隔直器10及示波器11，光衰减器9连接光信号接收模块62的信号输出端，隔离器10连接光衰减器9，滤除电信号中的直流信号，滤除直流信号后的电信号接入示波器11进行采样分析。在此，采样分析包括眼图测量、误码率(BER)测量等。

本发明还提出一种基于多功能多功能光伏探测器的直调单纤光信能同传方法，所述方法基于上述基于多功能多功能光伏探测器的直调单纤光信能同传系统实现，至少包括：

S1.基于直接调制数学模型，得到信号发生器1生成的调制电信号，将调制电信号与直流电源2的直流信号通过DC偏置器3混合，得到含调制电信号的混合信号，注入半导体激光器4；

S2.混合信号使半导体激光器4受激辐射，受激辐射受直接调制的光信号和半导体激光器4未经调制的激光均经过波导介质5进行传输至多功能光伏探测器6；

S3.多功能光伏探测器6的光伏电池组吸收波导介质5传输的激光光子能量转化成电流通过光能量接收模块61输出；

S4.光信号接收模块62提取光信号进行光电转换，并对多功能光伏探测器6的信号输出端输出的电信号做衰减，滤除光电转化的电信号中的直流信号。

步骤S1所述的直接调制数学模型包括：

A.内调制信号的光场；表示为：

B.内调直信号的光强；表示为：

I

其中，E

系统的光电转换效率理论模型公式包括：

系统输出光功率表示为：

P

光伏电池接收光功率表示为：

P

光伏电池输出电功率表示为：

其中，P

图5表示830nm半导体激光器在2W输入光功率下同传30MHz单频信号的示波器采样频谱效果图，如图5所示，使用波段830nm、额定功率2W的半导体激光器，调节其输出光功率2W时，此时的直接调制频率可达30MHz。图6表示0～20W输入光功率1km传输976nm激光的系统光电转化效率图，横坐标表示0～20W的输入光功率，纵坐标同时表示输出电功率及光电转换效率，如图6所示，在1km传输实验中，由于本实验采用的多模光纤对976nm波段激光的传输损耗约为4.4dB，在20W的输入光功率下有1.43W的电功率输出，系统最大光电转化效率约8％，均体现了本发明所提出的系统和方法的有效性和实用性。

附图中描述位置关系的用于仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；显然，本发明的上述实施例仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。