激光传能协同信号传输下的太阳能电池性能测试 
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0 引 言
近年来，随着无线充电与通信技术的发展，激光无线信号与能量同步传输技术成为新的研究方向。在激光通信系统中，光电二极管（PD）通常是接收端的首要选择，但是光电二极管需要外部电源才可以运行，且需要特殊的封装技术[1-3]。为克服这些困难，可选用太阳能电池板代替PD用作接收器。太阳能电池不仅是很好的供能器件，还可以在无外接电源的情况下将光信号直接转换为电信号[4-7]。2013年， Kim S M等人采用白光LED作为通信光源，通过太阳能电池同时接收太阳辐射和光信号，当接收功率密度为16 W/m2时，太阳能电池能量转换效率约为20%，在传输距离为40 cm的情况下，数据传输速率为3 kb/s[8]。2014年，Wang Z等人采用太阳能电池作为接收端光电探测器进行了无线能量和信号传输实验，首先实验测得太阳能电池3 dB调制带宽为350 kHz，当太阳能电池表面辐照度为0.35 mW/cm2时，采用开关键控（OOK）调制法，数据传输速率为1 Mbit/s；采用正交频分复用（OFDM）调制法时信号传输速率为7.01 Mbit/s[9]。2015年，Wang Z等人进一步提出了用于能量和信号同传的太阳能电池等效电路模型并设计了接收端电路，选用LED光源，采用OFDM调制法实现了11.84 Mbps的通信速率[10]。同年，Zhang S等人使用一种材料为PTB7∶PC71BM的有机太阳能电池作为能量和信号的接收器件，建立了数据速率为34.2 Mbps、误码率为1.08×10−4的通信链路[11]。2018年，浙江大学的孔美巍在水下光通信系统中采用太阳能电池进行信号探测和能量采集，水下信道距离为7 m，运用OFDM调制法实现了22.56 Mbit/s的传输速率，由于太阳能电池接收面积大、在接收端无需透镜聚光的优势，解决了水下链路对准的问题[12]。2019年，Xiong M等人介绍了一种回波干扰消除方法，并提出了一种无干扰谐振波束通信（RBCom）系统的设计，该系统能够滤除调制光束中的基带分量，同时保留载波以保持谐振，具有自对准、远距离以及高信噪比等优势，可应用于谐振光束充电或通信中[13]。2021年，Sheng Q等人设计了一种使用猫眼后向反射器的连续波长分布腔激光器并通过实验验证了可行性，研究发现球差对系统输出功率有显著影响，最终实现了16.6 W的入射泵浦下可发射距离5 m、功率5.91 W的连续激光，可实现远距离和高鲁棒性传输，在激光能量与信号传输方面具有潜在的应用前景[14]。
目前国内外对于太阳能电池的研究通常用于能量或信号的单独传输，文中选用了两种激光器作为发射端，采用砷化镓（GaAs）太阳能电池作为接收端，分别研究了单能量传输、单信号传输以及信号和能量同传下太阳能电池的输出特性，测量了GaAs太阳能电池的系统频响特性，并通过设计外接电路优化输出波形，实现了基于太阳能电池的激光无线能量和信号的同步传输。
1 太阳能电池等效电路模型
太阳能电池等效电路模型如图1所示，包含一个电流源
太阳能电池的I-V特性定义如下：
式中：
用于同步传能和通信的太阳能电池板模型如图2所示，左侧为太阳能电池板内部等效模型，
图 2. 用于传能和通信的太阳能电池等效电路模型
Fig. 2. Equivalent circuit model of solar cell for energy transfer and communication
依据图2，该模型频率响应为：
其中，
2 实 验
2.1 实验原理图
系统实验原理如图3所示。实验系统包括发射端的激光器、准直扩束系统、合束镜、信号发生器以及接收端的太阳能电池及其外接电路、示波器、源表等实验装置。对于系统发射端选用的波长为808 nm的激光器，用于研究太阳能电池的传能特性；选用波长为650 nm的半导体激光器用于信号的传输。合束镜将两束不同波长的光合为一束，准直扩束系统选用GCO-2505扩束镜，通过调节镜头上的调焦和变倍手轮可调整扩束比和光束的发散角。选用DG4000系列任意波形发生器对LD进行内调制，接收端为GaAs太阳能电池，尺寸为1 cm×1 cm。用数字示波器采集输出信号，KEITHLEY 2450型号数字源表进行太阳能电池I-V特性的探测，激光功率采用美国THORLABS公司的PM16-121数字功率计进行测量，其最大测量功率值为500 mW。
2.2 能量传输实验
当单独能量传输时，仅采用808 nm激光器经过扩束系统后辐照在GaAs太阳能电池表面，用源表测量不同功率密度激光辐照太阳能电池的I-V特性曲线和P-V特性曲线，如图4所示。
图 4. 太阳能电池响应特性曲线。 (a) I -V 曲线; (b) P -V 曲线
Fig. 4. Response characteristic curves of solar cell. (a) I -V curve; (b) P -V curve
GaAs太阳能电池短路电流
图 5. GaAs太阳能电池输出特性随激光功率密度的变化关系。 (a) 短路电流; (b)开路电压; (c)光电转换效率
Fig. 5. Relationship between the output characteristics of GaAs solar cell and laser power density. (a) Short circuit current; (b) Open circuit voltage; (c) Photoelectric conversion efficiency
2.3 信号传输实验
对太阳能电池频响特性的测试采用波长650 nm的小功率LD作为入射光源，最大光功率为5 mW。频率响应可由所接收到的交流信号电压
首先借助PDA100 A2硅光电探测器间接测量，探测器带宽为11 MHz，用示波器测量其系统归一化频率响应，如图6所示，可以看出在测量范围内该系统各个部分的频率响应近似于平坦，接收端更换为GaAs太阳能电池后，测量系统频响带宽为3.7 kHz，系统中除太阳能电池板外的其他部件均具有较大的带宽，可得GaAs光电池的3 dB带宽约为3.7 kHz。
图 6. 接收端为PD探测器和GaAs太阳能电池时系统频响特性曲线
Fig. 6. Frequency response of the system when the receiver is PD detector and GaAs solar cell
在接收端接入外接支路，固定能量接收支路的参数为RL=5 kΩ，L=1 mH，研究信号传输支路参数对响应特性的影响。使用信号发生器产生一个电压峰峰值
图 7.
Fig. 7. System frequency response change curves when the receiver is GaAs solar cell. (a) Change with ; (b) Change with 接收端为GaAs太阳能电池时系统频率响应变化曲线。(a)随 变化; (b)随 变化
用信号发生器输出OOK调制信号，信号峰峰值设置为500 mV，偏置电压3 V，驱动激光器辐照GaAs太阳能电池，测量输出响应波形如图8 (a)、 (b)所示，可实现10 kbps的通信速率。为提高通信速率，改善系统的响应性能，设计放大电路如图9所示，放大电路可以通过增益或衰减的调节使得可检测信号的范围大大扩展，便于信号的采集。
图 8. 接入电路前后输出波形。(a) 接入前2 kbps; (b) 接入前10 kbps; (c) 接入后2 kbps; (d) 接入后240 kbps
Fig. 8. Output waveform before and after connecting circuit. (a) Before 2 kbps; (b) Before 10 kbps; (c) After 2 kbps; (d) After 240 kbps
接入放大电路后的测量结果如图8 (c) 、(d)所示，实现了240 kbps的通信速率，输出电压峰峰值从408 mV提高到7.2 V。根据接入电路前后的测量结果对比，可得接入电路能够在较大的范围内有效提高通信带宽，改善输出信号，满足能量传输和信号探测的要求。
2.4 能量和信号同步传输实验
根据图3搭建实验装置进行能量和信号的同步传输实验，传输距离为50 cm，由于用于能量传输的光路会对信号的传输产生干扰，在太阳能电池接收端接入放大电路，并施加反向偏压3 V，使得输出信号波形改善。由图10 (a) 、(b)可以看出，在接入电路前，当通信速率为2 kbps、传能激光功率密度为69.4 mW/cm2时，由于连续激光的干扰，使得输出波形携带较大噪声，接入电路后，输出信号得以恢复，改善通信性能。
图 10. 激光无线能量和信号同步传输时输出波形。 (a) 接入电路前; (b) 接入电路后
Fig. 10. Waveform received when the laser wireless energy and signal are transmitted synchronously. (a) Before circuit access; (b) After circuit access
通过调节用于传能的激光器所发射激光功率密度，如图11所示，图11（a）、（b）为接收信号波形，图11（c）、（d）为调制信号波形，当功率密度分别为59.5、69.4、80.5、90 mW/cm2 时，可实现信号的通信速率依次为140、100、40、30 kbps。可以看出，当传能激光功率密度较高时，会在一定程度上干扰信号的传输，由于当传能激光功率密度越高时，太阳能电池内部产生的电子-空穴对密度越高，产生越多的光生电流，对所接收到的脉冲光信号要达到动态载流子平衡，数量越多的电子-空穴对响应时间越长，通信速率降低。
图 11. 不同传能激光功率密度下的信号输出波形
Fig. 11. Signal output waveform under different laser power densities
3 结 论
文中对激光传能协同信号传输下的太阳能电池的响应性能进行了研究，通过实验分别测试了单传能、单通信以及信号和能量同步传输三种情况下太阳能电池的输出特性，选用波长为808 nm的激光器用于能量传输，选用波长为650 nm的半导体激光器用于信号传输，GaAs太阳能电池作为接收端。通过实验可得，太阳能电池的能量传输特性与激光功率密度的大小有关，光电转换效率随入射激光功率密度的增大而减小，当激光功率密度为54.9 mW/cm2时，能量转换效率可达46.6%。测量得到GaAs太阳能电池的3 dB带宽约为3.7 kHz，通过设计信号放大电路来进行系统通信性能的改进，优化输出波形，使得通信速率从10 kbps增大到240 kbps，输出电压峰峰值达7.2 V。最终通过实验验证了太阳能电池用作激光无线能量和信号的同步传输的可行性，当激光功率密度为59.5 mW/cm2时可实现140 kbps的通信速率，且当传能激光功率密度较高时，会在一定程度上干扰信号的传输，为激光充电和通信的进一步研究提供了新的方向。
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