传能光纤和光电池耦合系统的设计与研究

石科仁，朱长青（军械工程学院车辆与电气工程系，石家庄050003）

传能光纤和光电池耦合系统的设计与研究

石科仁，朱长青
（军械工程学院车辆与电气工程系，石家庄050003）

摘要：采用横向偏移法测试传能光纤出射光束的光强分布。仿真了单独使用平凹透镜的系统和将透镜与椭球面配合使用的系统，并对仿真结果进行对比分析。运用高斯光束复参数分析法对未到达椭球面的近轴光束进行光学分析。在耦合系统光路设计的基础上，进行了光电池选取与结构设计。

关键词：传能光纤；耦合系统；横向偏移法；几何光学；光电池

0　引言

目前，军用电磁场的测试装置一般采用蓄电池供电。在强电磁场环境中，电磁干扰（EMI）会通过电源线以传导的方式，或直接通过辐射的方式耦合到测试装置的内部电路上，导致其无法正常工作。光纤具有电磁干扰免疫和耐腐蚀的特点，特别适合用于强电磁场环境。同时，光纤的导波纤芯直径仅有50～100μm，重量也远小于导线电缆，便于远距离传输与操作[1]。2008年，JDSU在核磁共振成像(MRI)领域中采用了光纤供电技术[2]。在光纤供电系统中，LED阵列具有光功率大和价格便宜的优点。由于塑料光纤纤芯直径大，易于耦合，研究者们常常采用塑料光纤进行传能，并且在没有透镜的情况下直接与光电池耦合。但是，在中长距离，塑料光纤的传输损耗较大。因此，本文选用纤芯直径远小于塑料光纤的多模光纤，采用LED阵列作为光源，结合光电池的光电转换特性，进行多模光纤与光电池的耦合设计。

1　光纤和出射光束特性

本文选用光纤供电系统的LED阵列作为系统光源，阶跃折射率多模光纤作为传能光纤，纤芯直径为50μm，数值孔径为0.24，由数值孔径计算公式可以得到光纤的接收角为13.9°。根据全反射条件ψ＜φmax（ψ为入射角，φmax为光纤的最大接收角）的光束才能在光纤中以全反射的方式继续传输，从光纤另一端出射[3]。要想研究光纤出射光束的光强特性，需要借助另一根光纤进行耦合，两根芯径相同的光纤截面图如图1所示。其中纤芯半径为a，横向位移为d，假设发射光纤中有均匀的模式功率分布，则两根光纤的耦合效率η由输入光纤面积A0和输出光纤的有效接收面积Ac（图1中阴影部分）决定：

本文采用横向偏移法[4]测量出射光束的光强分布，测试装置图如图2所示，光纤1的一端O固定，另一端A连接LED阵列，光纤2的一端B做成活动头靠近光纤1，另一端C连接光功率计P。实验时移动B端，使两端面距离t分别为100μm,500μm,1000μm, 5000μm，在t确定时，通过微动支架M使两光纤端面错开一定距离d。连续记录光功率计的读数，得到耦合效率值，该值可以直接反映一根光纤端口相对于另一根光纤横向偏移一定距离（角度）处的光强分布情况，进而得到出射光束的远场光强分布。

我们对实验数据进行处理，得到的归一化光强分布曲线图如图3所示。光强分布曲线与高斯曲线拟合效果很好，证明了LED激励的多模光纤的出射光束远场光强呈高斯分布，类似于激光的光强分布。另外，随着两根光纤端面距离t的不断增大，偏离值d也在不断增大，表明光束是不断向远处发散的。根据拟合曲线的特点可以推知，当光束发散角从0°～13.9°连续增大时，远场光强会逐渐减小。

图1　横向位移为d的两耦合光纤截面

图2　实验测试装置图

图3　归一化光强分布曲线

2　耦合系统设计

由光纤出射光束的光强分布可知，不同的发散角对应不同的光强，若直接耦合光电池，会造成光电池光能接收面的光强分布不均。由光电池的光电转换特性可知,不均匀的光束照明会导致光电池填充因子下降，而光电池的转换效率ζ=FF(Voc·Isc)Pin×100%，表明ζ会随填充因子FF的下降而减小。其中Voc为开路电压，Isc为短路电流，Pin为光电池的入射光功率。

本文采用平凹透镜进行光纤与光电池的耦合，用ZEMAX -EE软件进行仿真，优化后的镜头数据如表1所示。结合出射光束的近轴光束尺寸可知，若要在透镜像面上得到2.7mm的光斑半径，需透镜焦距达到300mm，这会大大增加耦合系统尺寸，导致两根光纤的端面距离增大，则耦合到的光功率变少。基于此，本文设计了透镜与椭球面相结合的耦合系统，系统简图如图4所示。多模光纤光束出射点位于椭球面的一个焦平面F1处，出射光束经过平凹透镜折射后传输到椭球面内表面上，根据旋转曲面的几何性质（位于焦点F1处的物体成像在另一焦点F2处没有球差），光纤的出射光束可以汇聚到椭球面的焦平面F2处。经过透镜折射与椭球面反射后，光能可以均匀地分散到焦点所在的像平面区域，达到均匀照明的目的。同时，椭球面内表面贴有高反射率的反射膜，这能在增加耦合系统结构复杂度的情况下尽量减少光功率损耗。

表1　单透镜耦合镜头数据

图4　耦合系统简图

图4中，设光纤的出射光束发散角为α1，经透镜平面折射后折射角为α2，在透镜中传输到达凹面的入射角为α3，出射的光束与法线的夹角为α4。透镜折射率为n，空气折射率为1，凹面的出射点距光轴的高度为h，法线与光轴夹角为β，曲率半径为r。根据折射定律可以得到：sinα1=n·sinα2，n·sinα3=sinα4。根据几何关系可以得到：β+α2=α3，hr=sinβ。

在设计过程中，假设出射光束都按光纤数值孔径的限制条件出射，则发散角α1对应的透镜凹面出射角即为最大透镜出射角α4。我们根据表1可以初步设定透镜的相对位置和所用材料；由椭圆面的一般描述方程：x2a2+y2b2=1,可以得到椭球面的参数a、b；依据椭圆焦距公式：a2-b2=c2，可以得到焦点位置。至此可以确定耦合系统的初始结构。

在ZEMAX-EE软件中对耦合系统进行仿真，选取1W的扩展光源模拟多模光纤的出射光束，光纤的纤芯直径为0.05mm。模拟时，入瞳孔径为0.05，在实际情况中，考虑到进入光纤包层中的光束会在纤芯与包层界面发生折射，使反射回纤芯的出射光束发散角大于13.9°。因此，我们将视场按角度设置为0°、10°、-10°、20°和-20°，波长选取为0.85μm，3维仿真模型如图5所示。

从图5可以看出，光纤出射光束一部分经过椭球面的反射汇聚到焦平面处，另一部分穿过透镜后直接辐射出去。由于光纤出射光束的远场光强分布呈高斯分布，因此，辐射出去的光束可以按高斯光束参数的矩阵变换来分析[5],定义q为：

其中，r为等相位面曲率半径，ω为任一光轴方向处的光斑半径。设薄透镜焦距为f，平凹透镜的平面曲率半径为r1，r1无穷大，透镜凹面的曲率半径为r2，L1是光束入射到透镜表面上时半径为r1的球面波的等相位面，经过透镜后变换成曲率半径为r2的另一球面波的等相位面L2。对于薄透镜，可以假定其L1和L2上的光斑大小完全一样，即:ω1=ω2。其中ω1、ω2分别为入射与出射光束在透镜表面上的光斑半径。设q1、q2为入射、出射光束在透镜表面的q参数，则：

将光线变换矩阵代入ABCD定律公式可得：

由式（2）可知，只要知道光线变换矩阵［AB］，就可以C D求出出射光束的q参数，进而得到光斑大小和曲率半径。将参数输入ZEMAX软件中对透镜进行优化，优化后的透镜参数如表2所示，近轴光斑尺寸如表3所示。像面上光斑半径为1.9mm,对应的透镜与椭球面焦平面的距离为75mm,耦合系统尺寸远小于单透镜耦合系统。

3　光电池设计

在光纤供电系统中，设计光电池部分的重点是光电池的转换效率与稳定性。目前,非晶硅由于光致衰退效应的影响，效率和衰减稳定效率较低，单晶硅效率已达24.7%，多晶硅可达19.8%，但多晶硅薄膜光电池受温度影响小，成本低，转换效率与稳定性也比较好，从经济与转换效率两方面综合考虑，多晶硅薄膜光电池比较适合应用于光纤供电系统。电磁场测试装置需要5V的稳定直流电压，每节薄膜光电池的输出电压大约为0.5V，根据叠加法则，结合供电需求，至少需要10节光电池串联集成，考虑到冗余原则，本文使用12节光电池串联集成。双节光电池相当于2个1节电池串联而成，根据耦合系统的光路设计，我们选用6块双节光电池。将6块双节光电池焊接在正方体电路板的六个面上，在光电池右侧面接合处留出空间，作为输出电压的两端，既节省了系统占用的空间，又能实现光功率接近均匀分布的效果,提高了光电转换效率。

图5　3维仿真模型

表2　优化后透镜参数

4　结束语

本文运用横向偏移法测试了传能光纤出射光束的光强分布，根据其分布特点，在原直接耦合系统的基础上进行了单独使用平凹透镜和在平凹透镜基础上加装椭球面两种设计。仿真结果表明，单透镜结合椭球面的设计思路既能满足光强分布均匀的要求，又能减小耦合系统尺寸，节省成本，同时达到较高的耦合效率。我们对未到达椭球面的近轴光束进行了高斯参数分析，这能为今后的相关设计提供了理论支持。在光电池的设计方面，本文结合了耦合系统的光路特点，设计了带有空隙的立方体光电池冗余结构。但是，要想光电池可以稳定输出5V电压[6]，后续需要进行DC/DC变换和稳压设计。

参考文献：

[1]杨锐文.光供电及光操控传感系统[D].杭州：浙江大学信息科学与工程学院, 2008.

[2] WERTHEN J G, WIDJAJA S, WU T C, et al. Power over fiber: a review of replacing copper by fiber in critical applications[C]// Optics & Photonics 2005, July 31-Aug 4, 2005, San Diego, California, USA: International Society for Optics and Photonics,2005.

[3]张韬.非相干光-光纤耦合关键技术研究[D].哈尔滨：哈尔滨工业大学, 2011.

[4]齐晓玲,王福娟,蔡志岗,等.多模光纤出射光束光强分布的研究[J].半导体光电, 2003(2):117-120.

[5] TSUCHIYA H, NAKAGOME H, SHIMIZU N, et al. Double eccentric connectors for optical fibers [J]. Applied Optics, 1977, 16(5):1323-1331.

[6]邹江涛.光纤传能系统中光电转换模块的设计与性能研究[D].南京：南京邮电大学, 2014.

Design and research on the coupling system between power-transmitting fiber and photovoltaic cells

SHIKe-ren，ZHUChang-qing
(Department of vehicle and electrical engineering,Ordnance Engineering College，Shijiazhuang 050003, China)

Abstract:The paper uses a method of transverse offset to measure the intensity distribution of transmitted beam of power-transmitting fiber. It makes a simulation between a coupling system which is only with a plane and concave lens and another system of lens as well as a ellipsoidal surface, and make a contrast of the results. The paper applies the complex parameter analysis method of Gaussian beam to take a analysis for the paraxial beam which is not arriving the ellipsoidal surface. On the basis of light path design of the coupling system, the paper chooses the photovoltaic cells and designs the structure.

Key words:power-transmitting fiber, coupling system, method of transverse offset, geometric optics, photovoltaic cells

中图分类号：TN36；O435.1

文献标识码：A

文章编号：1002-5561（2016）01-0054-03

DOI：10.13921/j.cnki.issn1002-5561.2016.01.017

收稿日期：2015-10-28。

作者简介：石科仁（1990-），男，硕士研究生，主要研究方向为光纤供能系统和光电转换。