光接收模块、设备和方法与流程

1.本技术涉及光通信领域，尤其涉及光接收模块、设备和方法。


背景技术：

2.自由空间光通信(free space optical communication，fsoc)因其保密性高、抗干扰能力强、带宽大等优点被广泛研究，是未来广域自由空间网络的重要组成部分。
3.当前常用的技术方式是将空间信号通过光学缩束装置缩小后，耦合进入到单模或者多模光纤中，然后进入到光电探测器中，将光信号转换成电信号。如图1所示，光接收模块100包括缩束模块101、单芯单模或者单芯多模光纤102、探测器103。缩束模块101用于接收第一光信号，并缩小第一光信号的模斑，得到第二光信号。单芯单模或者单芯多模光纤102包括纤芯1021和包层1022。单芯单模或者单芯多模光纤102用于接收第二光信号。第二光信号照射到单芯单模或者单芯多模光纤102端面并进入到纤芯1021内部。单芯单模或者单芯多模光纤102用于输出第三光信号。探测器103用于将第三光信号转换为电信号。
4.但是对于大气内的自由空间光通信，由于大气信道中湍流的影响，第二光信号的光斑中心位置和指向角度随时间发生不同程度的偏移，光斑会扩展，从而降低了光接收模块的光接收和探测效率，并带来功率抖动。


技术实现要素：

5.本技术提供了一种光接收模块，通过使用多芯多模波导，可以增大第二光信号的接收面积，从而降低光斑中心位置和指向角度的偏移对光接收和探测效率的影响，降低功率抖动。
6.本技术第一方面提供了一种光接收模块。光接收模块包括缩束模块、多芯多模波导和探测器。缩束模块用于接收第一光信号，缩小第一光信号的模斑，得到第二光信号。多芯多模波导包括包层和n个波导。n为大于1的整数。多芯多模波导用于接收第二光信号，将第二光信号的能量集中在n个波导的多个波导中，得到多个第三光信号。探测器为n个子探测器组成的阵列。n个子探测器与n个波导一一对应。n个子探测器中的多个子探测器和多个第三光信号一一对应。多个子探测器用于接收多个第三光信号，根据多个第三光信号得到多个电信号。
7.在第一方面的一种可选方式中，多芯多模波导为多芯多模光纤。多芯多模光纤满足多模条件。多模条件包括以下内容：其中，a为多芯多模光纤的纤芯的半径。λ为第二光信号的波长。n
core
为纤芯的折射率。n
clad
为包层的折射率。通过使用多芯多模光纤，可以将照射到包层上的光信号能量更好的耦合至纤芯。因此，本技术可以提高耦合效率。
8.在第一方面的一种可选方式中，多芯多模光纤还满足以下条件：
9.在第一方面的一种可选方式中，n个波导为ge
x1
sb
y1
se
z1
材料。0≤x1≤30，0≤y1≤
45。z1＝100-x
1-y1。包层为ge
x2
sb
y2sz2
材料。0≤x2≤30。0≤y2≤40。z2＝100-x
2-y2。ge为锗元素。sb为锑元素。s为硫元素。se为硒元素。
10.在第一方面的一种可选方式中，n个波导为as
x3
se
y3
材料。35≤x3≤45。y3＝100-x3。包层为ge
x4
as
y4
se
z4
材料。0≤x4≤45。0≤y4≤45。z4＝100-x
4-y4。ga为镓元素。as为砷元素。
11.在第一方面的一种可选方式中，多芯多模波导的长度在m
×
1520微米至m
×
2005微米之间，m为大于0的整数。
12.在第一方面的一种可选方式中，多芯多模波导的截面为圆形。圆形的直径在100微米至300微米之间。
13.在第一方面的一种可选方式中，n个波导中任意两个波导的中心距离大于或等于15微米。
14.在第一方面的一种可选方式中，n个波导和包层的材料为氮化硅材料。
15.在第一方面的一种可选方式中，第二光信号照射到多芯多模波导上的光斑面积s1和多芯多模波导的截面面积s2的比值小于1.5。其中，由于湍流的影响，第二光信号的光斑的位置可能会发生偏移。限定光斑面积小于多芯多模波导的截面面积的1.5倍，可以减少湍流的影响，从而提高耦合效率。
16.在第一方面的一种可选方式中，多芯多模波导为多芯多模氮化硅波导阵列。
17.本技术第二方面提供了一种光接收设备。光接收设备包括信号处理器和光接收模块。光接收模块用于接收第一光信号，根据第一光信号得到多个电信号。信号处理器用于对多个电信号相加，得到目标电信号。
18.本技术第三方面提供了一种光通信系统。光通信系统包括光发送设备和前述第二方面所述的光接收设备。光发送设备用于向光接收设备发送第一光信号。光接收设备用于接收第一光信号，根据第一光信号得到多个第三光信号。光接收设备还用于将多个第三光信号转换为多个电信号。
19.本技术第四方面提供了一种光接收方法。光接收方法包括以下步骤：光接收设备接收第一光信号光。光接收设备缩小第一光信号的模斑，得到第二光信号。光接收设备将第二光信号的能量集中在多个区域内，得到多个第三光信号。多个第三光信号和多个区域一一对应。光接收设备将多个第三光信号转换为多个电信号。将多个电信号相加，得到目标电信号。
附图说明
20.图1为光接收模块的结构示意图；
21.图2为本技术实施例中提供的光接收模块的结构示意图；
22.图3为本技术实施例中提供的多芯多模波导的结构示意图；
23.图4为本技术实施例中提供的光接收设备的结构示意图；
24.图5为本技术实施例中提供的光通信系统的结构示意图；
25.图6为本技术实施例中提供的多芯多模波导的截面示意图；
26.图7为本技术实施例中提供的多芯多模波导的耦合效率的第一个示意图；
27.图8为本技术实施例中提供的多芯多模波导的耦合效率的第二个示意图；
28.图9为本技术实施例中提供的多芯多模波导的耦合效率的第三个示意图；
29.图10为本技术实施例中提供的光接收方法的流程示意图。
具体实施方式
30.本技术提供了一种光接收模块、设备和方法，通过使用多芯多模波导，可以增大第二光信号的接收面积，从而降低光斑中心位置和指向角度的偏移对光接收和探测效率的影响，降低功率抖动。应理解，本技术中使用的“第一”、“第二”、“目标”等仅用于区分描述的目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性，也不能理解为指示或暗示顺序。另外，为了简明和清楚，本技术多个附图中重复参考编号和/或字母。重复并不表明各种实施例和/或配置之间存在严格的限定关系。
31.本技术中的光接收模块应用于光通信领域。在光通信领域中，可以通过fsoc技术实现光发送设备和光接收设备的隔空通信。在实际应用中，由于湍流的影响，光信号的光斑中心位置可能发生偏移，从而降低了耦合效率。
32.为此，本技术提供了一种光接收模块。图2为本技术实施例中提供的光接收模块的结构示意图。如图2所示，光接收模块200包括缩束模块201、多芯多模波导202和探测器203。
33.缩束模块201也称为光学接收天线。缩束模块201可以由一个透镜组或者反射镜组组成。缩束模块201用于接收第一光信号，缩小第一光信号的模斑，得到第二光信号。第二光信号照射至多芯多模波导202的输入端面。多芯多模波导202包括包层2022和n个波导2021。n为大于1的整数。在图2中，n为6。波导2021和包层2022的材料可以是硫系玻璃材料或其他玻璃材料等组成。例如，硫系玻璃材料可以是ge
x
sbysz、ge
x
sbysez、ga
x
sbysz或ga
x
sbysez、ge
x
asysz或ge
x
asysez。又例如，波导2021和包层2022的材料可以是as
x
sey或as
x
sy。其中，ge为锗元素。sb为锑元素。s为硫元素。se为硒元素。ga为镓元素。as为砷元素。波导2021和包层2022因每个元素的配比不同而不同。x，y，z均为实数。波导2021和包层2022还可以由氮化硅材料组成。氮化硅材料的波导2021和包层2022的折射率由氮元素和硅元素的配比决定。
34.多芯多模波导202可以为多芯多模光纤。多芯多模光纤满足以下条件：其中，当多芯多模波导202满足以上多模条件时，多芯多模波导202中的每个波导2021对应一个多模光纤。a为波导2021的半径。λ为第二光信号的波长。n
core
为波导2021的折射率。n
clad
为包层2022的折射率。多芯多模波导202用于接收第二光信号，将第二光信号的能量集中在n个波导2021的多个波导2021中，得到多个第三光信号。在图2中，第三光信号的数量为6。应理解，在实际应用中，第三光信号的数量可以为大于1，小于或等于n的任意整数。多个第三光信号和多个波导2021一一对应。探测器203为n个子探测器组成的阵列。n个子探测器与n个波导一一对应，n个子探测器中的多个子探测器和多个第三光信号一一对应。多个子探测器用于接收多个第三光信号，得到多个电信号。
35.在本技术中，通过使用多个探测器接收多个第三光信号，可以增大第二光信号的接收面积，从而降低光斑中心位置和指向角度的偏移对光接收和探测效率的影响，降低功率抖动。为了降低湍流的影响，本技术实施例可以限定第二光信号照射到多芯多模波导202上的光斑面积s1和多芯多模波导202的截面面积s2的比值小于1.5。多芯多模波导202的截面垂直于x轴。
36.在本技术实施例中，多芯多模波导202的耦合效率和波导2021、包层2022的尺寸相
关。当包层2022和波导2021为圆柱形时，包层2022的直径可以在100微米至300微米之间。波导2021的直径可以在0.05微米到99微米之间。包层2022的直径包括100微米或300微米。波导2021的直径包括0.05微米或99微米。
37.在本技术实施例中，多芯多模波导202的耦合效率和波导2021、包层2022的折射率相关。波导2021和包层2022的折射率可以在2至3之间。波导2021和包层2022的折射率对比度可以满足以下条件：
38.例如，波导2021的材料为ge
x1
sb
y1
se
z1
。x1处于0至30之间。y1处于0至45之间。z1＝100-x
1-y1。波导2021的折射率因元素配比不同而变化。此时，波导2021的折射率在2.4至2.7之间。包层2022的材料为ge
x2
sb
y2sz2
。x2处于0至30之间。y2处于0至45之间。z2＝100-x2-y2。包层2022的折射率在2.1至2.2之间。
39.又例如，波导2021的材料为as
x3
se
y3
。x3处于35至45之间。y3＝100-x3。波导2021的折射率在2.8至2.9之间。包层2022的材料为ge
x4
as
y4
se
z4
。x4处于0至45之间。y4处于0至45之间。z4＝100-x
4-y4。包层2022的折射率在2.5至2.6之间。
40.在本技术实施例中，第二光信号可能在多芯多模波导202的包层和波导中来回震荡。因此，多芯多模波导202的耦合效率和多芯多模波导202的长度相关。多芯多模波导202的长度方向为图2中的x轴方向。为了提高耦合效率，多芯多模波导202的长度可以在m
×
1520微米至m
×
2005微米之间。长度包括m
×
1520微米或m
×
2005微米。m为大于0的整数。
41.应理解，前述图2中的光接收模块只是本技术实施例中提供的示例。在实际应用中，本领域技术人员可以根据需求对光接收模块进行适应性的修改。适应性的修改可以包括以下一项或多项内容。
42.在图2中，波导2021的形状为圆形。在实际应用中，波导2021的形状还可以为椭圆形、或多边形等。多边形可以为六芒星形状、六边形、或八边形等。类似的，多芯多模波导202的形状也可以为多边形。
43.在图2中，光接收模块200还可以包括合波器。合波器用于从多个探测器203接收多个电信号。合波器用于将多个电信号相加，得到目标电信号。
44.在图2中，多芯多模波导202中不存在间隙。在实际应用中，多芯多模波导202中可以存在间隙。例如，图3为本技术实施例中提供的多芯多模波导的结构示意图。如图3所示，多芯多模波导202包括9个多模光纤302和夹具301。夹具301用于将9个多模光纤302固定。相比于图2中的多芯多模波导，图3中的多芯多模波导的加工成本较低。因此，本技术实施例可以降低光接收模块200的成本。多模光纤302包括纤芯和包层。一个示例中，包层折射率为2.2。纤芯折射率为2.6。纤芯直径为9微米。包层直径为80微米。任意两个纤芯的中心间距在80微米至200微米之间。中心间距包括80微米和200微米。
45.前面对本技术中提供的光接收模块进行描述，下面对本技术中提供的光接收设备进行描述。图4为本技术实施例中提供的光接收设备的结构示意图。如图4所示，光接收设备400包括信号处理器401和光接收模块402。光接收模块402用于接收第一光信号，根据第一光信号得到多个电信号。信号处理器401用于对多个电信号相加，得到目标电信号。关于光接收模块402的描述，可以参考前述图2或图3中对光接收模块的描述。
46.下面对本技术中提供的光通信系统进行描述。图5为本技术实施例中提供的光通
信系统的结构示意图。如图5所示，光通信系统500包括光发送设备501和光接收设备502。光发送设备501用于向光接收设备502隔空发送第一光信号。光接收设备502用于接收第一光信号，根据第一光信号得到多个第三光信号。光接收设备502还用于将多个第三光信号转换为多个电信号。关于光接收设备502的描述，可以参考前述图4中对光接收设备的描述。
47.通过使用本技术中提供的光通信系统500，可以提高光接收设备502的耦合效率。下面以一个具体的仿真示例进行描述。在图5中，光发送设备501在发送第一光信号前，需要对第一光信号进行准直。准直后的第一光信号的直径为10厘米。第一光信号的波长为1550纳米。第一光信号经过了长度为4千米的大气湍流信道。光接收设备502的结构请参考图4和图2。在图2中，多芯多模波导202的中轴线和缩束模块201的轴线重合。缩束模块201的焦点和多芯多模波导202的输入端面重合。
48.缩束模块201用于将入射的第一光信号的模斑缩小到尺寸d(直径)。多芯多模波导202包含n个光纤和包层。为了降低波导的尺寸，并增大单根多模光纤或波导的数值孔径，纤芯的折射率n
core
》包层的折射率n
clad
，n
core-n
clad
》0.05。n个纤芯可以按照一定的规则排布，组成多模多芯光纤。例如，制造纤芯和包层的材料为硫系玻璃材料。n个纤芯的折射率n
core
均为2.6。包层的折射率n
clad
为2.2。纤芯的直径》纤芯间距。图6为本技术实施例中提供的多芯多模波导的截面示意图。纤芯排布方式及编号如图6所示。多芯多模波导202的直径为125微米。纤芯直径为9微米。最远的纤芯中心间距为80微米。最小的纤芯中心间距为15微米。纤芯数量为19。多芯多模波导202的输入端面的直径d1约等于d。多个探测器203包含n个光电探测器。单个探测器的感光面直径d2大于多芯多模波导202的纤芯直径。n个光电探测器的排布方式与n个纤芯的排布方式相同。每个探测器之间的间距与每个纤芯之间的间距相同。多个探测器203紧贴着多芯多模波导202放置。多个探测器203与多芯多模波导202对齐。每个探测器中心正对着前方的纤芯中心。
49.在缩束模块201对第一光信号进行缩束后，第一光信号照射到多芯多模波导202的输入端面上的光斑面积与多芯多模波导202的截面面积基本一致。或第一光信号照射到多芯多模波导202的输入端面上的光斑面积略小于多芯多模波导202的截面面积。应理解，多芯多模波导202的截面面积只包括纤芯和包层的截面面积。多芯多模波导202的截面面积不包括涂覆层或套层的截面面积。理论上所有照射到多芯多模波导202的输入端面的光信号都将在传播一段距离后进入到纤芯中，并在纤芯和包层中来回震荡。因此，多芯多模波导202的耦合效率和多芯多模波导202的长度相关。通过截取合适的多芯多模波导202的长度，可以使得大部分的光信号能量在多芯多模波导202的输出端面处收缩到纤芯中。在多芯多模波导202的后端是多个探测器203。从多芯多模波导202的输出端面输出多个光信号直接进入到光电探测器。为了使得接收到的光信号尽可能多的被探测器接收到。光电探测器的感光面的尺寸与纤芯尺寸相当，或光电探测器的感光面的尺寸略大于纤芯尺寸。
50.在实际应用中，经过大气之后的光斑会出现光斑扩散和破裂等现象。例如，在弱湍流干扰下，高斯光束的光斑形状无明显变化，光斑中心位置未发生明显偏移。在中湍流的干扰下，光斑开始发生分裂，光斑中心位置发生明显偏移。在强湍流的干扰下，光斑破碎严重。
51.图7为本技术实施例中提供的多芯多模波导的耦合效率的第一个示意图。在图7中，横坐标为多芯多模波导的长度。长度的单位为微米。纵坐标为多芯多模波导的耦合效率。如图7所示，在弱湍流条件下，多芯多模波导的耦合效率约为0.85。图8为本技术实施例
中提供的多芯多模波导的耦合效率的第二个示意图。如图8所示，在中湍流条件下，多芯多模波导的耦合效率随多芯多模波导的长度变化而变化。耦合效率范围为0.7～0.77。且耦合效率较高时，多芯多模波导的长度在1520微米至2005微米之间。此时，耦合效率可在0.76以上。在实际应用中，多芯多模波导的耦合效率随多芯多模波导的长度发生周期性变化。周期长度约为3600微米。图9为本技术实施例中提供的多芯多模波导的耦合效率的第三个示意图。如图9所示，在强湍流条件下，多芯多模波导的耦合效率随多芯多模波导的长度变化而变化。耦合效率范围为0.36～0.53。多芯多模波导的长度在微米至2107微米之间时，耦合效率达0.52以上。在实际应用中，多芯多模波导的耦合效率随多芯多模波导的长度发生周期性变化。因此，为了提高耦合效率，在加工多芯多模波导时，可以控制多芯多模波导的长度在m
×
1520微米至m
×
2005微米之间。
52.前面对本技术中提供的光通信系统进行描述，下面对本技术中提供的光接收方法进行描述。图10为本技术实施例中提供的光接收方法的流程示意图。如图10所示，光接收方法包括以下步骤。
53.在步骤1001中，光接收设备接收第一光信号。关于光接收设备的描述，可以参考前述光接收模块、光接收设备或光通信系统的描述。光接收设备可以通过缩束模块接收第一光信号。
54.在步骤1002中，光接收设备缩小第一光信号的模斑，得到第二光信号。光接收设备通过缩束模块缩小第一光信号的模斑，得到第二光信号。第二光信号照射到多芯多模波导输入端口上的模斑面积可以等于多芯多模波导的截面面积。
55.在步骤1003中，光接收设备将第二光信号的能量集中在多个区域内，得到多个第三光信号。多个第三光信号和多个区域一一对应。通过多芯多模波导，光接收设备可以将第二光信号的能量集中在多个区域中。每个区域对应一个第三光信号。因此，光接收设备可以根据第二光信号得到多个第三光信号。
56.在步骤1004中，光接收设备将多个第三光信号转换为多个电信号。光接收设备包括多个探测器。多个探测器用于接收多个第三光信号，根据多个第三光信号得到多个电信号。
57.在步骤1005中，光接收设备将多个第三光信号相加，得到目标电信号。
58.以上，仅为本技术的具体实施方式，但本技术的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本技术揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本技术的保护范围之内。

技术特征：
1.一种光接收模块，其特征在于，包括缩束模块、多芯多模波导和探测器，其中：所述缩束模块用于接收第一光信号，缩小所述第一光信号的模斑，得到第二光信号；所述多芯多模波导包括包层和n个波导，所述n为大于1的整数，所述多芯多模波导用于接收所述第二光信号，将所述第二光信号的能量集中在所述n个波导的多个波导中，得到多个第三光信号；所述探测器为n个子探测器组成的阵列，所述n个子探测器与所述n个波导一一对应，所述n个子探测器中的多个子探测器和所述多个第三光信号一一对应，所述多个子探测器用于接收所述多个第三光信号，根据所述多个第三光信号得到多个电信号。2.根据权利要求1中所述的光接收模块，其特征在于，所述多芯多模波导为多芯多模光纤，所述多芯多模光纤满足以下条件：其中，所述a为所述多芯多模光纤的纤芯的半径，所述λ为所述第二光信号的波长，所述n
core
为所述纤芯的折射率，所述n
clad
为所述包层的折射率。3.根据权利要求2所述的光接收模块，其特征在于，所述多芯多模光纤还满足以下条件：4.根据权利要求1至3中任意一项所述的光接收模块，其特征在于，所述n个波导为ge
x1
sb
y1
se
z1
材料，其中，0≤x1≤30，0≤y1≤45，z1＝100-x
1-y1，所述包层为ge
x2
sb
y2
s
z2
材料，0≤x2≤30，0≤y2≤40，z2＝100-x
2-y2，ge为锗元素，sb为锑元素，s为硫元素，se为硒元素。5.根据权利要求1至3中任意一项所述的光接收模块，其特征在于，所述n个波导为as
x3
se
y3
材料，35≤x3≤45，y3＝100-x3，所述包层为ge
x4
as
y4
se
z4
材料，0≤x4≤45，0≤y4≤45，z4＝100-x
4-y4，ga为镓元素，as为砷元素。6.根据权利要求1至5中任意一项所述的光接收模块，其特征在于，所述多芯多模波导的长度在m
×
1520微米至m
×
2005微米之间，m为大于0的整数。7.根据权利要求1至6中任意一项所述的光接收模块，其特征在于，所述多芯多模波导的截面为圆形，所述圆形的直径在100微米至300微米之间。8.根据权利要求1至7中任意一项所述的光接收模块，其特征在于，所述n个波导中任意两个波导的中心距离大于或等于15微米。9.根据权利要求1中所述的光接收模块，其特征在于，所述n个波导和所述包层的材料为氮化硅材料。10.根据权利要求1至9中任意一项所述的光接收模块，其特征在于，所述第二光信号照射到所述多芯多模波导上的光斑面积s1和所述多芯多模波导的截面面积s2的比值小于1.5。11.一种光接收设备，其特征在于，包括信号处理器和权利要求1至10中任意一项所述的光接收模块，其中：所述光接收模块用于接收第一光信号，根据所述第一光信号得到多个电信号；所述信号处理器用于对所述多个电信号相加，得到目标电信号。12.一种光通信系统，其特征在于，包括光发送设备和权利要求11所述的光接收设备，其中：所述光发送设备用于向所述光接收设备发送第一光信号；
所述光接收设备用于接收所述第一光信号，根据所述第一光信号得到多个第三光信号，将所述多个第三光信号转换为多个电信号。13.一种光接收方法，其特征在于，包括：接收第一光信号；缩小所述第一光信号的模斑，得到第二光信号；将所述第二光信号的能量集中在多个区域内，得到多个第三光信号；将所述多个第三光信号转换为多个电信号；将所述多个电信号相加，得到目标电信号。

技术总结
本申请提供了一种光接收模块，应用于光通信领域。光接收模块包括缩束模块、多芯多模波导和探测器。缩束模块用于接收第一光信号，缩小第一光信号的模斑，得到第二光信号。多芯多模波导包括包层和N个波导。多芯多模波导用于接收第二光信号，将第二光信号的能量集中在N个波导的多个波导中，得到多个第三光信号。探测器为N个子探测器组成的阵列。N个子探测器中的多个子探测器和多个第三光信号一一对应。多个子探测器用于接收多个第三光信号，根据多个第三光信号得到多个电信号。在本申请中，通过使用多芯多模波导，可以增大第二光信号的接收面积和角度，从而降低光斑中心位置和指向角度的偏移对光接收和探测效率的影响，降低功率抖动。动。动。


技术研发人员：张林 吴裕平 郑博方 王阳 杨志群
受保护的技术使用者：华为技术有限公司
技术研发日：2022.01.12
技术公布日：2023/7/25