文|考古探今

编辑|考古探今

前言

随着全球移动数据流量的不断增长，5G/6G 网络将实现更快的数据传输速度、更高的容量、更低的延迟和海量连接成为共识。

这些要求将导致与当前光纤到户服务几乎相似的性能，因此它们将对传统的光接入网络构成巨大挑战。

尽管 5G/6G 网络的光纤通信具有明显的优势，但部署灵活性、弹性和成本的缺乏使其运营具有挑战性，尤其是在密集的城市地区以及缺乏光纤基础设施的偏远地区。

为此电信运营商需要不断挖掘街道，并安装连接大量庞大的中央办公室 (CO) 所需的新设备。

为了解决这些问题，自由空间光学 (FSO) 系统成为了一种有前途的无线互连技术，可用于高容量、成本高和节能的通信网络，确保数据速率与光纤链路提供的数据速率相似，但在他们部署成本的一小部分，FSO 链路的无线特性为人口稠密的城市和农村地区以提供了一个“灵活”的通信系统。

FSO 通信频段是免许可的，具有从可见光到红外 (IR) 频段的丰富带宽，其中可用频谱主要取决于大气的传输窗口。基于 IR 的 FSO 系统可用的传输窗口为 850、1310 和 1550 nm 波段，这与标准光纤通信非常吻合。

尽管具有潜在优势，但 FSO 链路具有某些固有的局限性和挑战，应谨慎解决这些局限性和挑战，以实现稳定可靠的通信系统。

最近，已经提出了一些研究工作来设计可靠和大容量的 FSO 系统，从固定地面到高空移动平台（即无人机、卫星）。

为了提高系统可靠性和关注范围，光束跟踪通常分为粗跟踪模块和精细跟踪模块，分别对应入射光束与天线望远镜镜头和光纤芯或 PD 孔径的对准过程，对于粗略跟踪，当前系统通常采用 2 轴万向节和/或更大孔径的快速转向镜 (FSM)，而对于精细跟踪，通常使用小型化 FSM，FSM 可以将入射光束准确地偏转和转向到接收孔径上。

FSO 系统架构和收发器设计

通常，可以使用两种主要架构开发 FSO 系统：(i) 混合电光 FSO 和 (ii) 全光 FSO。

混合电光 FSO (b) 全光 FSO 系统

现有的商业系统基于混合电光 FSO 收发器，它依赖于O/E、E/O转换器以及收发器终端信号处理模块的实现。该系统通常在从可见光到近红外波段的波长范围内工作，并且可以具有更宽的视场。

基本上，该系统在发射器上实现宽光束发散，在接收器上实现大直径表面照明光电二极管 (PD)，这使得指向和跟踪机制非常轻松。然而传输带宽和数据速率总是受到所使用的 O/E 和 E/O 特性和性能的限制。为了提高系统容量，需要具有高接收灵敏度的宽带PD。

事实上，表面照明 PD 有源区与其电气带宽之间存在权衡。因此，为了实现更大带宽的 FSO 收发器，将使用具有聚焦透镜的更小孔径 PD，从而导致更小的 FoV，因此应实施有源光束跟踪机制和/或 PD 阵列。

全光 FSO 收发器

为了满足 B5G/6G 网络在容量、可扩展性、灵活性和低延迟方面的主要要求，希望发送器和接收器都只使用光学元件。

在这种情况下，FSO 收发器应省略O/E和E/O块，从而实现光纤和自由空间链路与直接光纤耦合的无缝集成，这种系统也称为全光 FSO，将与现有的光纤基础设施兼容，并且协议和波形透明。

使用1310/1550nm窗口，通过利用为光纤通信开发的技术，但它们需要先进的激光束指向和跟踪控制机制。

光束跟踪可分为粗跟踪和精细跟踪，分别对应入射光束对准天线望远镜透镜和纤芯孔径的过程。精细跟踪对于全光 FSO系统至关重要，通常使用快速转向镜 (FSM)执行。

使用受控的 2 轴致动器，FSM 可以将入射光束准确地偏转和转向到接收孔径上。然而，光路设计困难，系统成本高，尤其是用于光纤耦合时。

光束稳定器方法

作为 FSM 技术的替代方案，我们提出了一种基于基于镜头的 OBS的指向和跟踪机制的新方法。OBS采用高性价比的3轴VCM驱动器实现，由于其低成本、低功耗、响应速度快、体积小等特点，目前广泛应用于智能手机和数码相机的AF和OIS模块。

OIS 技术包括物理移动相机镜头，以补偿自然手部抖动和相机运动引起的图像质量下降和模糊，通过移动镜头，OIS可以控制和调整目标和图像传感器之间的光路，从而使接收到的图像保持稳定。

（a）VCM 镜头结构概述 (b) 相机 OIS 的基本原理。

VCM执行器是一种直驱电机，可以实现高精度的位置伺服控制。在高频往复直线运动领域有很多应用。VCM 使用简单的电磁原理工作，因此当电流通过线圈时，它会产生磁场，该磁场与永磁体反应以排斥或吸引线圈。

通常VCM 执行器由两个主要模块组成，第一个模块是固定的，包括两个磁铁，称为磁轭和底座，而第二个模块是移动的，并使用线圈连接了带支架的镜头。因此，根据洛伦兹力原理，透镜可以移动与施加到线圈的电流成正比的距离。

为了在使用 VCM 执行器的 FSO 收发器中实现 OBS 功能，应考虑几个重要的特性和参数，其中包括：

传递曲线：施加电流与 VCM 驱动器位移之间的关系。使用作为 VCM 致动器一部分的霍尔传感器检测 3 轴 VCM 位移和镜头移动。

行程： VCM作动器所能做的最大位移，通常对应最大施加电流。根据收发器的光学设计，更大的冲程可以带来更高的 FoV，并且可以为镜头移动提供更大的灵活性。

线性度： VCM 冲程与施加的电流呈线性关系，因此可以轻松控制镜头移动到所需位置。此外，可以实现更简单和更快的控制算法。

迟滞： VCM在相同电流值下前后移动时的位置偏差。通常，VCM 具有低滞后。事实上，对于全光FSO系统而言，具有较大滞后的电机可能导致反馈控制期间接收光功率波动。

斜率：它描述了 VCM 转移曲线的方向和陡度。斜率可以定义镜头位移控制分辨率和方向。这对稳定性和控制精度很重要。

速度和带宽：描述 VCM 响应的速度。VCM 速度和带宽对于减轻由闪烁和光束漂移引起的高频光束未对准至关重要。

重力：当镜头上下移动时，镜头的重力可能与电磁力相加。因此，应考虑补偿力平衡。

基于 VCM 的小型化镜头可以以较低的成本提供高光束控制性能和快速响应。为了更好地阐明用于补偿光束偏差的 VCM 透镜操作，我们使用 Zemax OpticsStudio 模拟器对光路进行了光线追踪模拟。

光学系统由两个用于转向的透镜和另一个用于聚焦在投影平面上的透镜组成，每个镜头的焦距为 5 mm，分别绘制了直线和静态光束对准的激光路径模拟。

当入射光束偏离 5 度时, 激光束光斑位置从中心 (0微米_, 0微米_) 到大约 (0微米_, -600微米_)，由于色差，还可以观察到激光光斑变形。

为了补偿 5 度的光束偏差，VCML1 和 VCML2 应在 y 方向上移动 −300微米_和+300微米_分别。与基于 2 轴 FSM 的系统不同，使用 3 轴 VCM 透镜不仅可以保持光束对准，还可以控制光束准直并调整透镜焦平面和投影平面之间的差异，以获得更高的光纤耦合效率。

(a) 与最佳光路的静态对准。(b) 没有 VCM 镜头补偿的光束点偏差。(c) 具有 VCM 镜头补偿的光束点偏差。

FSO 收发器设计

我们提出的 FSO 收发器的光路和系统布局，将采用五个 VCM 致动器来控制放置在接收和发射光路上的透镜的 3 轴位置，从而可以有效地控制接收光偏转角和光纤耦合，微型 VCM 致动器和透镜的尺寸为12mm × 12mm × 5mm，φ分别为 8 毫米。

（a）光路和系统布局 (b) 我们用过的 VCM 镜头的照片 (c) 收发器概述

为了实现光纤到光纤和全双工传输，我们首次开发了 3 端口偏振无关 FSO-C，它具有与基于光纤的光环行器相似的特性。

它由四个主要部分组成，即 45∘法拉第旋转器 (FR)、半波片 (HWP)、偏振分束器 (PBS) 和棱镜。在该环行器中，三个端口之间的隔离度大于25 dB，插入损耗小于0.5 dB。

与可以放置在 FSO 收发器接收端口的基于光纤的光学计算器不同，FSO-C 可以实现类似于双目 FSO 收发器的发射和接收光束的高效和独立控制，从而导致简单灵活光路设计。

事实上，利用单个发射和接收镜头，FSO-C 不仅可以实现全双工传输，还可以消除光学天线滚动的影响，特别是对于窄波束 FSO 链路和移动平台。

通过调整 VCM5 镜头的 3D 位置，将从 SMF 传输的入射激光束对准并扩展到φ2 毫米光束。准直光束通过 FSO-C，再经过 1:7.5 的扩束过程，需要在传输到空中之前。

侧光束被接收使用φ50mm镜头，使用VCM1&2对准并通过FSO-C，然后使用跟踪模块和光纤耦合模块无缝耦合到纤芯。为了操作精细跟踪模块，我们使用10:90分束器和 QPD 作为跟踪传感器，QPD传感器在光束位置精度和响应时间方面优于图像传感器。

为了将光束聚焦到 QPD 传感器，我们放置了另一个 VCM 致动器（即VCM3），其中最初调整了透镜位置 (x,y)，以便激光束点位于 QPD 孔径的中心，而其 z-值用于控制束斑大小。比例-积分-微分 (PID) 控制器估计并使用接收到的波前的倾斜角来命令 VCM1 和 2 以最小化偏转角。

在这个终端中，我们实现了专为智能手机相机设计的商用 VCM 执行器，其可用控制带宽最高可达 100 Hz。

在我们的系统中，由于 (i) 使用现成的 VCM 技术带宽（为智能手机相机开发），(ii) 闭环伺服带宽和 (iii)，控制带宽被限制在 100 Hz 以上) 可动镜头重量。PID 控制器的参数针对 x 和 y 方向进行了仔细调整，以尽可能高地增加带宽。

从图中可以看出，通过改变电流之间− 50毫安和+ 50mA 时，VCM 将从线性移动− 120微米_到+ 120微米，全行程240微米_甚至可以达到300微米。 因此，通过将 VCM 位移保持在线性区域，我们可以轻松地控制镜头移动到所需位置。在我们的设计中，已经考虑了镜头系统的滞后公差和重力，以获得更高的向上和向下位移性能。

VCM 致动器行程与施加电流的关系

为了实现最大耦合效率，控制了 VCM4 z 值，使聚焦光斑尺寸与光纤纤芯尺寸相当。根据高斯光学，为了耦合具有波长的准直激光束λ和直径丁乙进入模场直径的光纤dF，功率数据是使用测量10微米_SMF 核心和移动 VCM4 镜头位置X和是以螺旋方式和不同的z位置（即0微米_,− 90微米_和− 175微米_)。

得益于 VCM 线性度，我们可以轻松控制光纤耦合效率以获得更好的系统性能。实际上，对于入射准直光束，纤芯处的功率分布也显示出高斯行为。因此，通过修改z值，可以有效地控制功率分布大小和峰值功率。

不同的接收光功率分布zVCM4 的值

结语

FSO 收发器基于一种用于动态激光束指向和跟踪的基于镜头的新型 OBS 技术，由于收发器光学设计和所有 VCM 执行器之间的智能协调，实现了更宽的收发器 FOV，以及标准 10 GbE LAN 和 10 个 LTE-CPRI 通道（6 Gbit/s）的无差错传输，通过反射和环回 2×100 m FSO 链路。

我们还在晴天通过反射链路对 10 GbE LAN 信号进行了 24 小时连续传输。仅记录偶尔的突发错误，总 BER 为3×10−10，通过使用更宽带宽的VCM作动器并进一步改进OBS软硬件，在强湍流情况下可以显著提高FSO系统的整体可靠性。

获得的评估结果证明了我们提出的全光 FSO 收发器具有确保可靠的高容量通信链路的潜力，从而促进采用 FSO 系统作为满足 B5G/6G 网络主要要求的可行候选方案。

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