CN102520557B - 高效空间光-光纤动态耦合方法 - Google Patents

Abstract

高效空间光-光纤动态耦合方法，光学天线接收空间光，并将空间光束会聚后送入液晶相位控制器，由液晶相位控制器控制会聚光束的相位，将空间光耦合进单模光纤。耦合进单模光纤的光信号由一功分器分为两部分，分别送入通信接收机和光电探测器。光电探测器实时检测耦合光信号的强弱，并将接收到的光信号转化为电信号，送入液晶相位控制器的PID控制电路，PID控制电路根据探测光信号的强弱动态控制液晶相位控制器的控制电压，从而动态控制会聚光束的相位，实现高效动态耦合。

Description

高效空间光-光纤动态耦合方法

技术领域

本发明涉及一种高效空间光-光纤动态耦合方法，属于卫星激光通信和激光雷达等技术领域。

背景技术

在卫星光通信系统中，为了充分利用成熟的光纤通信技术，需要解决一个重要问题：将光学天线接收到的空间光信号耦合到单模光纤中，然后将接收光信号进行信号处理(放大)，送入光电探测器或交换矩阵，实现接收光信号的光电探测和光交换。为了保证接收到足够高的光功率，接收光学天线口径通常大于100mm，将光学天线接收到的空间光耦合到单模光纤中具有很大的技术难度。

技术难点在于需要将几乎没有边界条件限制的空间光高效耦合进有苛刻条件限制(单模)的光传输介质--单模光纤(数值孔径为0.14，纤芯直径为9μm，传输波长为1550nm)。由于单模光纤的传输端面仅有9μm左右，如何保证耦合效率达到理想状态是一个非常难的问题。

空间光到单模光纤的耦合效率不能达到理想状态，主要源于光纤装配误差、中心遮挡、色散、像差、对准误差等多种因素，进而引起实际系统耦合效率的下降。在天线的装配误差确定的条件下，为了提高空间光-光纤耦合效率，需要控制会聚光束的汇聚光斑中心和光纤端面的偏移量(径向偏移)，以及耦合光束和耦合光纤轴向夹角。

对于卫星光通信系统而言，由于存在卫星平台的振动，卫星对准指向偏差也严重降低耦合效率。为了保证链路的有效性，要求在卫星通信时间段，必须对空间光-光纤耦合效率进行动态调整，保证耦合效率满足通信要求。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有空间光-光纤耦合技术的不足，采用液晶相控阵和液晶光楔组成的液晶相位控制器对会聚光束的相位进行粗、精两级动态控制，实现空间光-单模光纤高效、稳定耦合。解决了卫星光通信系统中空间光-单模光纤耦合效率低、且不稳定的问题。

本发明的技术解决方案是：高效空间光-光纤相位控制动态耦合方法，其特征在于步骤如下：

步骤一：光学天线接收空间光，并将空间光束会聚后送入液晶相位控制器，由液晶相位控制器控制会聚光束的相位进行扫描，将空间光耦合进单模光纤；

步骤二：耦合进单模光纤的光信号送入功分器分为两路，一路送入通信接收机进行数据解调，一路送入光电探测器作为耦合效率检测信号，通过PID控制电路控制液晶相位控制器的控制电压，实现空间光-光纤动态耦合。

步骤一中所述的液晶相位控制器由粗相位控器和精相位控器组成，粗相位控制器为液晶相控阵，精相位控制器为液晶光楔，液晶相控阵和液晶光楔分别对会聚光束相位进行粗调和精调，通过改变液晶相控阵和液晶光楔的控制电压，控制会聚光束相位的变化，将空间光耦合进单模光纤，所述的会聚光束相位控制的方法如下：

(1)液晶相控阵对会聚光束的相位进行粗调，控制会聚光束的相位使其在空间光-光纤耦合装置光束偏离最大范围内开始扫描；

(2)液晶相控阵不断缩小扫描范围，直到找到由液晶相控阵控制时的最大耦合效率位置后停止扫描，进入液晶光楔扫描控制流程；

(3)液晶光楔控制会聚光束的相位使其进一步缩小扫描范围，提高扫描精度，将扫描精度控制在1微弧度以下；

(4)空间光耦合进单模光纤、光电探测器能够正常工作后，液晶光楔停止扫描。

步骤二中所述的动态耦合过程如下：

(1)光电探测器将接收到的光信号转换为电流信号，并将电流信号送给PID控制电路；

(2)PID控制电路将电流信号转换为电压控制信号，根据接收电流信号的变化动态控制液晶相控阵的电压，采用五点跟踪算法，找到液晶相控阵相位粗调时耦合效率最大处的位置后锁定会聚光束相位，进入到液晶光楔控制阶段；

(3)PID控制电路根据接收到的电流信号的变换控制液晶光楔的控制电压，采用五点跟踪算法，进一步控制会聚光束的相位，提高耦合效率；液晶光楔控制会聚光束相位获得最大耦合效率后PID控制电路锁定液晶光楔相位。

本发明与现有技术相比的优点在于：

本发明的高效空间光-光纤动态耦合方法将光学天线接收到的会聚光束送入相位控制器，由液晶相位控制器根据耦合效率的变化动态控制会聚光束的相位，满足会聚光束的光场和单模光纤的模场匹配条件，保证空间光能够高效率的耦合进单模光纤。实现会聚光束和单模光纤模场匹配，有效解决了空间光-单模光纤耦合效率低的技术难题。本发明提高了卫星光通信系统中空间光-单模光纤耦合的效率，使得耦合效率大于60％，并能够有效克服会聚光束光斑抖动以及机械位移等因素的影响，满足卫星光通信光信号高灵敏度探测接收需求。

附图说明

图1为本发明动态高效空间光-光纤耦合方法采用的结构示意图；

图2为耦合效率与光斑偏移量关系曲线；

图3为空间光-光纤耦合液晶相位控制器组成示意图；

图4为液晶相控阵结构示意图；

图5为液晶相控阵原理示意图；

图6为液晶光楔结构示意图；

图7为五点跟踪法示意图。

具体实施方式

本发明主要技术内容是基于场匹配和光相位控制等技术，光学天线接收空间光，并将空间光会聚后送入液晶相位控制器，由液晶相位控制器控制会聚光束的相位，将空间光耦合进单模光纤。耦合进单模光纤的光信号由一功分器分为两部分，分别送入通信接收机和光电探测器。90％以上光信号送入通信接收机进行数据解调，其余少部分能量进入光电探测器，由光电探测器实时检测耦合光信号的强弱，并将接收到的光信号转化为电信号，送入液晶相位控制器的PID控制电路，PID控制电路根据探测光信号的强弱动态控制液晶相位控制器的控制电压，从而动态控制会聚光束的相位，实现高效动态耦合。

采用的发明原理如下：

空间光经光学天线接收会聚后，在光学天线后焦面上形成爱里斑衍射图样，其电磁场分布与光瞳函数P具有傅立叶变换关系。在爱里斑位置处放置一单模光纤进行光耦合，耦合效率可由下式计算：

$\mathrm{\η}=\frac{{\left|{\∫\∫E}_{i,b}^{*}{E}_{f,b}\mathrm{ds}\right|}^2}{\∫\∫{\left|E_{i,b}\right|}^2\mathrm{ds}{\·\∫\∫\left|E_{f,b}\right|}^2\mathrm{ds}}---\left(1\right)$

上式中，E_i，b为入射光在后焦面上的电场分布，是入射光场E_i，a与光瞳函数P乘积的傅立叶变换。

为E_i，b的共轭，E_f，b为单模光纤端面的电场分布，一般用高斯分布近似。

由Parseval定理可知，公式(1)与下式是等价的，E_f，a是E_f，b的傅立叶变换：

$\mathrm{\η}=\frac{{\left|\underset{P}{\∫\∫}{E}_{i,a}^{*}{E}_{f,a}\mathrm{ds}\right|}^2}{\underset{P}{\∫\∫}{\left|E_{i,a}\right|}^2\mathrm{ds}{\·\∫\∫\left|E_{f,a}\right|}^2\mathrm{ds}}---\left(2\right)$

$E_{f,a}\left(r\right)=\sqrt{\frac{2}{\mathrm{\π}}}\·\frac{1}{w_a}\exp (-r^2/w_a^2)---\left(3\right)$

其中w_a＝λf/(πw_b)，w_b为单模光纤模场半径，f为光学系统焦距，r为入射光偏离单模光纤中心的距离，

为入射光场E_i，a的共轭，exp为以e为底的指数函数。

根据公式(2)(3)，图2给出了汇聚光斑中心和光纤端面的偏移量对空间光-光纤耦合效率的对应关系，从图中可以看出，当偏移量达到4um时，耦合效率小于50％，这对光学天线和光纤耦合端面的固定提出了非常苛刻的要求，机械装配难以达到如此高的精度。

本发明用于卫星光通信系统中，为了保证耦合效率，采用高精度液晶相位控制器动态控制会聚光束的相位，实现会聚光束高精度控制，克服由于卫星振动及机械位移等因素的影响。如图1所示，本发明的高效空间光-光纤动态耦合方法实现步骤如下：

步骤一：光学天线接收空间光，并将空间光束会聚后送入液晶相位控制器，由液晶相位控制器控制会聚光束的相位，将空间光耦合进单模光纤；

本发明采用液晶相位控制器对会聚光束的相位进行控制，通过动态控制液晶相位控制器的控制电压，实现入射光束的相位控制。

由液晶相位控制器的角度偏转精度可达到微弧度，假定光学天线有效焦距为1m，光纤端面的位移偏转控制精度达到1微米，从空间光-光纤耦合效率仿真分析可知，采用液晶相控阵的空间光-光纤耦合系统的耦合效率优于60％。

如图3所示，所述的液晶相位控制器包括粗相位控制器和精相位控制器，粗相位控制器和精相位控制器相结合实现光场匹配，粗相位控器实现会聚光束相位粗调，并配合精相位控制器完成会聚光束精调。

本发明粗相位控制器为液晶相控阵，液晶相控阵实质上是作为一个液晶闪耀光栅进行工作，器件核心是液晶盒，如图4所示。采用纯相位调制的方式实现类似于透射闪耀光栅的效果，如图5所示。液晶闪耀光栅的工作性能很大程度上由平行电极的控制能力决定。液晶闪耀光栅周期单元内多条电极的总宽度等效于光栅常数，通过改变电极数来改变光栅常数，实现衍射角度的变化，再通过调节周期单元内的电压分布，使某一级次的光被闪耀。闪耀光栅可能的衍射角由光栅方程dsinθ＝mλ决定。其中d为光栅常数，d＝N·d′。d′为电极周期，N为一个光栅单元内电极的个数，驱动电路能够产生不同的电压值加载在电极上，其能够令液晶分子产生不同偏转的电压值的数量即N的最大值；θ为闪耀角，m为闪耀级次，λ为入射光的波长。改变一个光栅单元内电极的数目N即可改变光栅常数d，对于波长λ的入射光的m级闪耀可以改变其闪耀角θ，以此实现对光束的无惯性扫描。对于液晶闪耀光栅，光栅常数的改变是以电极周期d′为单位的，为了使扫描的精度更高，d′应该越小越好，也即电极宽度a和电极间距b都应该越小越好。但是为了使相位轮廓更加准确，电极的宽度不应小于电极间距的宽度。

本发明的一个实施例中将液晶闪耀光栅的电极周期设计为5μm，以此作为光栅常数变化的最小单位。最终的电极图案除了光栅电极阵列，还有面积较大的引出线，或者在玻璃上安装芯片的连接引脚，玻璃基片的面积较大。目前国内的光刻实验设备比较成熟的工艺能够光刻的基板尺寸为4寸，制作的光刻胶图形最小线宽能够达到0.8μm，据此采用的液晶相控阵的电极间距定为1μm，电极的宽度即为4μm。

精相位控制器为液晶光楔，如图6所示。该液晶光楔是一个斜劈形状的液晶盒，包括上下两基板，基板上的两电极层。液晶光楔的液晶盒上下两基板的透明导电电极在整个基板范围内均匀分布。通过精确控制所述液晶光楔的液晶盒的衬垫物的厚度，使液晶盒的上下两个基板上的取向膜层之间的间距产生一个斜劈状的均匀梯度分布，斜劈的斜率均匀一致，对入射光束产生的光程或相位呈现出一个均匀的斜坡分布。采用精密交流电压对液晶光楔进行驱动，电压的精度决定了液晶光楔扫描的角度精度。由于液晶光楔的结构是一个斜劈状的液晶盒，在光学性质上它可以等效为一个具有斜坡式折射率分布的棱镜。当施加的电压可编程变化时，液晶光楔产生的相位斜坡的斜率也会发生变化，从而可以控制入射光束通过液晶光楔后的偏转角度，实现光束的可编程高精度偏转和扫描，偏转精度优于1urad。

采用所述的粗相位控制器和精相位控制器相结合对会聚光束进行相位控制的方法如下：

(1)液晶相控阵对会聚光束的相位进行粗调，控制会聚光束的相位使其在空间光-光纤耦合装置光束偏离最大范围内开始扫描；

(2)液晶相控阵不断缩小扫描范围，直到找到由液晶相控阵控制时的最大耦合效率位置后停止扫描，进入液晶光楔扫描控制流程；

(3)液晶光楔控制会聚光束的相位使其进一步缩小扫描范围，提高扫描精度，将扫描精度控制在1微弧度以下；

(4)空间光耦合进单模光纤、光电探测器能够正常工作后，液晶光楔停止扫描。

步骤二、耦合进单模光纤的光信号送入功分器，由功分器分为两路，90％以上的光信号送入通信接收机，其余较少部分光信号送入光电探测器作为耦合效率检测信号。光电探测器将光信号转换为电信号送入PID控制电路，PID控制电路控制液晶相位控制器的控制电压，实现空间光-光纤动态耦合。

所述步骤(2)的动态耦合方法如下：

(1)光电探测器将接收到的光信号转换为电流信号，并将电流信号送给PID控制电路；

(2)PID控制电路将电流信号转换为电压控制信号，根据接收电流信号的变化动态控制液晶相控阵的电压，采用五点跟踪算法，找到液晶相控阵相位粗调时耦合效率最大处的位置后锁定会聚光束相位，进入到液晶光楔控制阶段；

(3)PID控制电路根据接收到的电流信号的变换控制液晶光楔的控制电压，采用五点跟踪算法，进一步控制会聚光束的相位，提高耦合效率；液晶光楔控制会聚光束相位获得最大耦合效率后PID控制电路锁定液晶光楔相位

如图7所示，五点跟踪法是以目前光斑位置为中心，比较上、下、左、右一个步长距离位置处光强的大小确定光斑的移动方向，使光斑始终沿着光强增大的方向移动。图中带序号的白点表示光斑依次移动的方向和距离。

本发明解决的技术问题是控制光学天线接收的会聚光束的相位，实现会聚光束和单模光纤模场匹配，有效解决了空间光-光纤耦合效率低的技术难题。本发明提高了卫星光通信系统中空间光-光纤耦合的效率，使得耦合效率大于60％，并能够有效克服会聚光束光斑抖动以及机械位移等因素的影响，满足卫星光通信光信号高灵敏度探测接收需求。

本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

Claims (2)

1.高效空间光-光纤动态耦合方法，其特征在于步骤如下：

步骤一：光学天线接收空间光，并将空间光束会聚后送入液晶相位控制器，由液晶相位控制器控制会聚光束的相位进行扫描，将空间光耦合进单模光纤；

步骤二：耦合进单模光纤的光信号送入功分器分为两路，一路送入激光通信接收机，一路送入光电探测器作为耦合效率检测信号，通过PID控制电路控制液晶相位控制器的控制电压，实现空间光-光纤动态耦合；

步骤一中所述的液晶相位控制器由粗相位控器和精相位控器组成，粗相位控制器为液晶相控阵，精相位控制器为液晶光楔，液晶相控阵和液晶光楔分别对会聚光束相位进行粗调和精调，通过改变液晶相控阵和液晶光楔的控制电压，控制会聚光束相位的变化，将空间光耦合进单模光纤，所述的会聚光束相位控制的方法如下：

(1)液晶相控阵对会聚光束的相位进行粗调，控制会聚光束的相位使其在空间光-光纤耦合装置光束偏离最大范围内开始扫描；

(2)液晶相控阵不断缩小扫描范围，直到找到由液晶相控阵控制时的最大耦合效率位置后停止扫描，进入液晶光楔扫描控制流程；

(3)液晶光楔控制会聚光束的相位使其进一步缩小扫描范围，提高扫描精度，将扫描精度控制在1微弧度以下；

(4)空间光耦合进单模光纤、光电探测器能够正常工作后，液晶光楔停止扫描。

2.根据权利要求1所述的高效空间光-光纤动态耦合方法，其特征在于：步骤二中所述的动态耦合过程如下：

(1)光电探测器将接收到的光信号转换为电流信号，并将电流信号送给PID控制电路；

(2)PID控制电路将电流信号转换为电压控制信号，根据接收电流信号的变化动态控制液晶相控阵的电压，采用五点跟踪算法，找到液晶相控阵相位粗调时耦合效率最大处的位置后锁定会聚光束相位，进入到液晶光楔控制阶段；

(3)PID控制电路根据接收到的电流信号的变换控制液晶光楔的控制电压，采用五点跟踪算法，进一步控制会聚光束的相位，提高耦合效率；液晶光楔控制会聚光束相位获得最大耦合效率后PID控制电路锁定液晶光楔相位。

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