CN104618016A - 自由空间光通信apt系统及其实现方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种自由空间光通信APT系统及其实现方法。所述自由空间光通信APT系统包括按顺序依次设置的光学天线、半波片、偏振片、光折变晶体和光电探测器；在所述光折变晶体相对的两侧面上还设置有用于向所述光折变晶体沿光轴方向施加电场的电极板。所述光学天线用于接收信号光并对所接收到的信号光进行聚焦；由光学天线出射的光束经半波片和偏振片后聚焦入射光折变晶体，当沿光折变晶体光轴方向施加电场后，光束在光折变晶体内由于光折变效应，形成孤子波导，所形成的孤子波导在光束消失后具有延时消失的特性，利用波导的此特性可在光束发生偏移时快速跟踪定位信号光，以提高自由空间光通信的质量，加强通信链路的稳定性。

Description

自由空间光通信APT系统及其实现方法

技术领域

本发明涉及自由空间光通信领域，具体地说是一种自由空间光通信APT系统及其实现方法。

背景技术

自由空间光通信（Free Space Optical Communication，FSO）是光纤通信与无线通信相结合的产物。它以大气为媒质，通过激光或光脉冲来传送数据信号。这种技术最大的优势在于方便快捷，不用敷设线缆，被认为是能够低成本解决宽带网络“最后一公里”传输瓶颈的有效途径。但是FSO也存在问题，较为突出的问题是：光束的空间偏移导致通信质量下降。

由于光信号裸露在大气中进行传输，因此会受到气象条件带来的光折射率变化的影响，造成光束偏移；同时由于FSO系统的收发设备一般都安装在高楼之上，大风引起建筑物的晃动或地震也会造成光束的偏移。因此在FSO系统中设计可实现空间光通信终端设备之间精确对准的捕获-对准-跟踪（Acquisition Pointing and Tracking，APT）系统是获得稳定可靠通信质量的保证。一般APT系统包括位置误差信号的提取电路、单片机控制系统和伺服电路，采用粗对准和精对准两套复杂的机械跟踪反馈装置调节光学天线来实现精确瞄准定位信标光和信号光。但是，粗对准和精对准这两套反馈装置结构复杂，成本较高，且操作过程复杂；因此，如何设计出一种结构简单、成本低、易操作的APT系统成为目前亟待解决的问题。

发明内容

本发明的目的之一就是提供一种自由空间光通信APT系统，以解决现有的APT系统结构复杂、成本高及操作过程复杂的问题。

本发明的目的之二就是提供一种自由空间光通信APT系统实现方法，采用该方法可快速、方便地对信号光进行捕获、对准和跟踪，增加通信链路的稳定性。

本发明的目的之一是这样实现的：一种自由空间光通信APT系统，包括：

光学天线，用于接收信号光并对所接收到的信号光进行聚焦；

半波片，用于对由所述光学天线出射的光束的偏振方向进行调节；

偏振片，用于将经所述半波片调节后的光束调整为偏振方向与光折变晶体的光轴平行的e光；

光折变晶体，经所述偏振片调整后的光束入射光折变晶体，且入射光折变晶体的方向与所述光折变晶体的光轴垂直；所述光折变晶体与所述光学天线之间的距离为所述光学天线的焦距；

电极板，用于向所述光折变晶体沿光轴方向施加电场；以及

光电探测器，由所述光折变晶体出射的光束入射光电探测器的光敏面。

所述自由空间光通信APT系统还包括位于所述光折变晶体与所述光电探测器之间的光纤；由所述光折变晶体出射的光束首先与所述光纤耦合，之后再入射所述光电探测器的光敏面。

所述光折变晶体为Ce:SBN61、Ce:SBN75或La:Ce:SBN60。

在所述光折变晶体的底部设置有用于对所述光折变晶体的位置进行调节的三维调节底座。

本发明所提供的自由空间光通信APT系统，光学天线用于接收信号光并对接收到的信号光进行聚焦，光学天线出射的光束经半波片后调节光束的偏振方向，经偏振片后将光束调整为e光（即非寻常光）；由偏振片出射的光束入射光折变晶体，光折变晶体出射的光束入射光电探测器的光敏面。在光折变晶体上未施加电场时，入射光折变晶体的光束在光折变晶体内自然衍射传播。当沿光折变晶体的光轴施加电场时，具有非均匀光场分布的光束在光折变晶体内发生光折变效应，非线性地改变了光折变晶体的折射率，而折射率的变化又反作用于光束，使光束传播受到横向约束，光束收缩；当光折变效应与衍射发散相平衡时还会形成光折变空间亮光孤子。空间亮光孤子在光折变晶体内诱导出波导，即使在遮挡入射光束的情况下，此波导仍然能够在光折变晶体中存在几秒到几十分钟不等的时间（视不同的光折变晶体而定）。如果入射光折变晶体的光束发生了偏移，那么可以通过对光孤子出射位置处光强变化的检测来确定偏移量的大小，并通过同步调整光折变晶体和光电探测器的位置使光束重新沿原光路轨迹（波导）传输，实现光束的瞬时对准。也可以保持光折变晶体的位置不动，光束会在光折变晶体内重新形成新的孤子波导，此时只需调整光电探测器的位置对准光折变晶体出射的光斑即可。这两种方案均可以恢复高质量通信。

本发明利用了光折变效应的自诱导波导，来实现在光束出现偏移时进行纠偏并跟踪定位的目的。这种设计的优势在于光束在很低的功率（微瓦量级）条件下即可发生光折变效应；光束收缩前（即自然衍射情况下）的光斑直径约为收缩后（即形成光孤子）的2.3倍，则光束收缩前利于粗对准，光束收缩后利于精对准；收缩前后光束的直径与通信用多模光纤直径同量级，易与多模光纤高效耦合。

本发明中的APT系统在光学天线和光电检测器（或光纤）之间增加了半波片、偏振片和光折变晶体，结构简单，紧凑，易于集成和控制，相比现有技术而言降低了系统的复杂性。而且，本发明中的光折变晶体对光信号的偏移具有自适应能力，在光束发生偏移时操作简单，可快速对光束进行纠偏、跟踪定位。再有，该APT系统成本较低，容易实现。采用本发明中的APT系统可有效解决自由空间光通信系统的动态随机干扰问题，提高系统的跟踪精度，能够持续监测并消除监测目标失真，从而提高自由空间光通信的质量，加强通信链路的稳定性。

本发明的目的之二是这样实现的：一种自由空间光通信APT系统实现方法，包括如下步骤：

a、搭建光路：按顺序依次设置光学天线、半波片、偏振片、光折变晶体和光电探测器，并在所述光折变晶体相对的两侧面上设置用于向所述光折变晶体沿光轴方向施加电场的电极板；所述光学天线与所述光折变晶体之间的距离为所述光学天线的焦距；

b、所述光学天线接收信号光并对所接收到的信号光进行聚焦；

c、经所述光学天线出射后的光束入射所述半波片，由所述半波片调节光束的偏振方向；

d、由所述半波片出射的光束入射所述偏振片，由所述偏振片将光束调整为偏振方向与所述光折变晶体的光轴平行的e光；

e、由所述偏振片出射的光束入射所述光折变晶体的前表面，且光束在所述光折变晶体内自然衍射传播；光束入射所述光折变晶体的方向与所述光折变晶体的光轴垂直；

f、调整所述光电探测器的位置，使所述光电探测器的光敏面对准由所述光折变晶体出射的衍射光斑，实现光束的粗略对准；

g、通过所述电极板在所述光折变晶体沿光轴方向上施加电场，使入射所述光折变晶体的光束在所述光折变晶体内产生光折变效应，并形成波导，同时在所述光折变晶体的后表面产生光孤子；

h、调整所述光电探测器的位置，使所述光电探测器的光敏面对准由所述光折变晶体后表面出射的光孤子光斑，实现光束的精确对准；

i、判断入射所述光折变晶体的光束是否发生了偏移，如果是，则执行步骤j或k；如果否，则继续执行步骤i；

j、同步移动所述光折变晶体和所述光电探测器的位置，使偏移了的光束继续沿所述光折变晶体内存储的原波导传输，实现瞬时对准；

k、保持所述光折变晶体的位置不动，移动所述光电探测器的位置，使所述光电探测器的光敏面对准由所述光折变晶体出射的衍射光斑，实现光束的粗略对准；待偏移后的光束在所述光折变晶体内重新形成波导后，移动所述光电探测器的位置，使所述光电探测器的光敏面对准由所述光折变晶体后表面出射的光孤子光斑，实现光束的精确对准。

步骤a中搭建光路过程中，在所述光折变晶体与所述光电探测器之间增加光纤；

在步骤e与步骤f之间增加如下步骤：由所述光折变晶体出射的光束首先与所述光纤耦合，之后再入射所述光电探测器的光敏面。

所述步骤e中入射所述光折变晶体前表面的光束的光斑直径为15~30μm。

所述步骤g中在所述光折变晶体沿光轴方向上施加的电压为200~1000V。

步骤e中入射所述光折变晶体前表面的光束的光强为0.01~0.7μW。

本发明所提供的自由空间光通信APT系统实现方法，自由空间光束首先被光学天线接收并聚焦，接着经半波片、偏振片后被调整为e光，之后入射光折变晶体。未在光折变晶体上施加电场时，光束在光折变晶体内自然衍射传播；此时光折变晶体的出射光斑较大，可粗略定位对准光电探测器的光敏面（或待耦合光纤）。当沿着光折变晶体的光轴施加电场时，光折变效应抑制衍射发散导致光束收缩。若光折变效应与衍射发散相平衡，则光折变空间亮光孤子形成，此时可精确定位接收元件（即光电探测器或光纤）。若光束发生偏移，则聚焦到光折变晶体前表面的光斑同时会发生位移，若位移没有超过光折变晶体前表面光斑的直径，那么原孤子波导仍然会传导一部分光能量，即接收元件仍然有信号输出，信号虽会减弱但不会中断。若位移超过了光折变晶体前表面光斑的直径，则信号将发生中断。为了纠偏同时避免信号中断，可采用两种方案来实时跟踪对准：一种是当光电探测器探测到原孤子位置处光强减小时，即实时将光折变晶体与光电探测器同步位移，使偏移后的光束继续沿光折变晶体内原孤子波导传输，即利用存储在光折变晶体内的原孤子波导实现瞬时对准；另一种是当光电探测器探测到原孤子位置处光强减小时，保持光折变晶体位置固定不动，使光电探测器实时跟踪光折变晶体出射光斑重心位置位移，直到偏移后的光束重新在光折变晶体内形成孤子波导，则对准完成。

本发明所提供的方法具有操作简便，易于控制，定位速度快，定位精准的优点，在光束发生偏移时，可快速恢复光通信，保证光信号的传输质量，实现对光束的精确跟踪定位。

附图说明

图1和图2是本发明中自由空间光通信APT系统的结构示意图。

图3是本发明中实验所用装置的结构示意图。

图4是未在光折变晶体上施加电场时，光束经光折变晶体自然衍射所得图像。

图5是沿光折变晶体光轴施加正向电场，在光折变晶体后表面所形成的空间亮光孤子的图像。

图6是光折变晶体逆着电场方向水平移动时，由光束分析仪所记录的光折变晶体后表面光斑的变化情况。

图7是光折变晶体沿着电场方向水平移动时，由光束分析仪所记录的光折变晶体后表面光斑的变化情况。

图8是光折变晶体垂直电场方向向下移动时，由光束分析仪所记录的光折变晶体后表面光斑的变化情况。

图9是光折变晶体垂直电场方向向上移动时，由光束分析仪所记录的光折变晶体后表面光斑的变化情况。

图10是光折变晶体偏移后光束在光折变晶体内新的位置重新收缩所形成的光折变空间光孤子的图像。

具体实施方式

实施例1，一种自由空间光通信APT系统。

如图1和图2所示，本发明所提供的自由空间光通信APT系统包括光学天线9、半波片2、偏振片3、光折变晶体5和光电探测器10。在光折变晶体5和光电探测器10之间还可以设置光纤11。

光学天线9可视为能接收自由空间某波长目标光微弱光辐射的物镜，图中以透镜的形式来表示。光学天线9用于接收（自由空间）信号光（一般为线偏振光）并对所接收到的信号光进行聚焦；光学天线9出射的光束首先经半波片2调节光束的偏振方向，之后通过旋转偏振片3将光束调整为偏振方向与光折变晶体5的光轴平行的e光（即非寻常光），将光束调整为e光的目的是为了使光束在光折变晶体5中获得较大的非线性效应。光学天线9到光折变晶体5前表面的距离为光学天线9的焦距，因此由偏振片3出射的、经光学天线9聚焦后的光束入射光折变晶体5的前表面。光折变晶体5的光轴如图中箭头所示，处于水平方向且垂直纸面向外。入射光折变晶体5前表面的光束的方向也在水平方向，且与光折变晶体5的光轴垂直。

在光折变晶体5上与其光轴垂直的、相对的两侧面上设置有电极板（图中未示出），电极板可通过电镀来实现。电极板连接高压电源，通过电极板可在光折变晶体5沿光轴方向施加电场，图中示出了电场的正负极。若未在光折变晶体5上施加电场，则光束在光折变晶体5内自然衍射，在光折变晶体5的后表面形成衍射光斑。通过电极板在光折变晶体5沿光轴方向施加电场，调节电场的强度，可使入射的光束在光折变晶体5内产生光折变效应，当光折变效应与衍射发散作用相平衡时，可在光折变晶体5的后表面形成（空间亮）光孤子，并在光折变晶体5内诱导形成波导。光束在光折变晶体5内沿所形成的波导传输，可减小信号光的衰减，保证信号光的传输质量。

对于图1所示情况，由光折变晶体5出射的光束入射光电探测器10的光敏面。对于如图2所示在光折变晶体5与光电探测器10之间存在光纤11的情况，由光折变晶体5出射的光束首先与光纤11耦合，短距离传输后再入射光电探测器10的光敏面。本发明中光电探测器10可以为光电二极管，光纤11可以为多模光纤。

光折变晶体5可以为Ce:SBN61、Ce:SBN75或La:Ce:SBN60等。在入射光束消失后，光折变晶体5内因光折变效应诱导形成的波导不会立即消失，而是可以持续（或称保持、维持、存储等）一段时间，所持续的时间一般视光折变晶体的不同而不同，例如：Ce:SBN75内的波导可以持续约5分钟，La:Ce:SBN60内的波导可以持续约0.5分钟，Ce:SBN61内的波导可以持续约3分钟。

正是由于光折变晶体5内因光折变效应诱导形成的波导具有维持一段时间的特性，因此，当因振动或气候等原因而导致光束发生偏移时，可以通过及时调整光折变晶体5和光电探测器10的位置（若存在光纤11，则光纤11的位置也一起同步调整），使偏移了的光束仍然沿光折变晶体5内原先形成的波导传输，从而可使削弱或中断了的光通信恢复正常。光折变晶体5位置的调整可通过在其底部设置三维调节底座来实现。

除了采用上述方式对偏移了的光束进行及时跟踪、定位外，还可以通过如下方式实现：保持光折变晶体5的位置固定不动（限于偏移后的光束仍然入射光折变晶体5内部，而不是光折变晶体5的边缘），由于入射光折变晶体5的光束发生了偏移，因此，光束在光折变晶体5内自然衍射传播，且从光折变晶体5的后表面出射衍射光斑，此时，调整光电探测器10的位置（若存在光纤11，则光纤11的位置也一起同步调整），使光电探测器10的光敏面对准由光折变晶体5后表面出射的衍射光斑，实现光束的粗略对准。由于光折变晶体5沿光轴方向施加有电场，因此光束在光折变晶体5内具有自适应性，即在一段时间（视光折变晶体、入射光强和外加电压的不同而不同）后会产生光折变效应，并诱导形成波导。当光束沿光折变晶体5内重新形成的波导传输出去后，再对光电探测器10（和光纤11）的位置进行调整，使光电探测器10的光敏面对准由光折变晶体5后表面出射的光孤子光斑，实现光束的精确对准。

上述两种方式均可对偏移了的光束进行纠偏，以便实时跟踪、定位光束的传播方向，保证光信号的传输质量。

上面提到的光折变晶体内所形成的波导在光束消失后不会立即消失，而是可以维持一段时间，其具体实验过程如下。

1、搭建实验系统。

图3为实验所用装置结构示意图，按照图3所示搭建光路。实验中采用532nm的线偏振固体激光器（laser）1作为光源，光源所发信号光经半波片2和偏振片3，再由焦距为10cm的透镜4聚焦后入射到光折变晶体5的前表面，本实验中光折变晶体5为Ce:SBN61，光折变晶体5的尺寸为5mm*5mm*5mm。光折变晶体5的c轴（即光轴）沿水平方向（见图中箭头所示方向），与入射激光束传播方向相垂直。为了在光折变晶体5中获得较大的非线性效应，旋转偏振片3使入射激光束为e光（即偏振方向与光折变晶体5的光轴平行）。在垂直于光轴方向，光折变晶体5的两个相对的侧面外镀电极（或称电极板），电极连接高压电源，以便施加外电场。透过光折变晶体5的激光光束经焦距为10cm的成像透镜（双胶合透镜）6后成像于Spiricon公司的光束分析仪（LBA）7上，光束分析仪7连接计算机8。

2、形成光孤子，并在光折变晶体内诱导形成波导。

入射到光折变晶体5的激光光束功率为0.044μW，微调成像透镜6的位置，使光折变晶体5的前、后表面的光斑分别成像于光束分析仪7上，再由计算机8采集处理数据。如图4所示，此时未加电压，左图为光折变晶体5前表面的光斑成像图，前表面光斑直径约为28μm；中图为拍摄于光折变晶体5顶部的光束自然衍射轨迹；右图为光折变晶体5后表面的光斑成像图，后表面光斑直径约为69μm。

当沿光折变晶体5光轴施加正向电场时，随着电压的增加，光束渐渐在横向两维方向上收缩。当电压加到400V时，由光束分析仪7观测到在光折变晶体5的后表面形成与前表面大小基本一致的稳态光斑，此时光折变空间亮光孤子形成。如图5所示，光折变晶体5后表面亮光孤子光斑平均直径约为30μm。所形成的光孤子光斑一般会偏离原衍射光斑的位置。光孤子形成的条件并不唯一，在其他的入射光强和电压下也能形成。

3、光折变晶体偏移对光束传播的影响及恢复。

入射光折变晶体5的光束发生小范围的偏移，等价于光折变晶体5的偏移。本实验中使光折变晶体5发生微位移，由光束分析仪7观测光折变晶体5后表面光斑的变化，再使光折变晶体5沿原位移返回，观测光折变晶体5后表面光斑恢复为原孤子的过程。

如若挡住信号光，过3分钟以后重新打开信号光（不同光折变晶体，所持续的时间不同，Ce:SBN75可以达到5分钟，La:Ce:SBN60约为0.5分钟），观测到光孤子仍然存在，并不发散。这说明在这段时间窗口内光折变效应没有消失，光孤子诱导的波导存储在了此位置。

使光折变晶体5沿上、下、左、右四个方向分别平移，且每个方向每移动5μm（或10μm）均由光束分析仪7记录下光折变晶体5后表面光斑的变化情况。如图6所示，图6中（a）~（h）分别为光折变晶体5逆着电场方向水平移动（即向左移动）5μm、10μm、15μm、20μm、25μm、30μm、35μm、40μm距离时，由光束分析仪7所记录的光折变晶体5后表面光斑的成像图。如图7所示，图7中（a）~（h）分别为光折变晶体5沿着电场方向水平移动（即向右移动）5μm、10μm、15μm、20μm、25μm、30μm、35μm、40μm距离时，由光束分析仪7所记录的光折变晶体5后表面光斑的成像图。如图8所示，图8中（a）~（j）分别为光折变晶体5垂直电场方向向下移动5μm、10μm、15μm、20μm、25μm、30μm、35μm、40μm、50μm、60μm距离时，由光束分析仪7所记录的光折变晶体5后表面光斑的成像图。如图9所示，图9中（a）~（j）分别为光折变晶体5垂直电场方向向上移动5μm、10μm、15μm、20μm、25μm、30μm、35μm、40μm、50μm、60μm距离时，由光束分析仪7所记录的光折变晶体5后表面光斑的成像图。由图6和图7可看出，当光折变晶体5沿着或逆着电场方向水平移动时，刚开始光折变晶体5后表面光斑重心会随着光折变晶体5的移动而移动，但是在原孤子波导位置处仍然有部分光耦合入波导中传输出来。当移动光折变晶体5的距离超过了光孤子波导直径（约为30μm）后，光折变晶体5后表面光斑回到自然衍射状态。由图8和图9可看出，当光折变晶体5沿垂直电场方向向上或向下移动时，刚开始光折变晶体5后表面光斑重心也会随着光折变晶体5的移动而移动，在原孤子波导位置处同样有部分光耦合入波导中传输出来。当移动光折变晶体5的距离超过40μm后，光折变晶体5后表面光斑回到自然衍射状态。垂直方向上下移动光折变晶体5与水平方向左右移动光折变晶体5相比，移动距离较远才能使光折变晶体5后表面光斑回到自然衍射状态，这跟外加电场方向和光折变晶体5光轴方向均为水平方向有关。

将沿任一方向移动后的光折变晶体5，再沿原位移返回，只要在孤子波导存储的时间窗口内将光折变晶体5沿原位移移回，则原位置处的波导仍然发挥作用，能够将光束约束收缩，得到光折变晶体5后表面的光斑图像如图5所示。光折变晶体5的移动可通过在其底部设置三维调节底座来实现。

4、光折变晶体偏移重新建立孤子波导。

将光折变晶体5微位移，由光束分析仪7观测光折变晶体5后表面光斑的变化，直至光斑在新的位置重新形成光孤子。

具体实验为：调节光折变晶体5移动，使光束入射光折变晶体5的任何位置（不包括光折变晶体5的边缘），那么在外加电压不变的情况下，约10~20秒（时间与光折变晶体材料、入射光强和外加电压有关，Ce:SBN75约为20~40秒，La:Ce:SBN60约为3~10秒）后光斑会在新的位置收缩并形成光折变空间光孤子，如图10所示。

因此，在光束发生偏移的情况下，也可以保持光折变晶体位置不动，使光电探测器一直跟踪光折变晶体出射光斑重心位置的位移，直到光束重新在光折变晶体内形成光孤子，则对准完成。

实施例2，一种自由空间光通信APT系统实现方法。

本发明所提供的自由空间光通信APT系统实现方法包括如下步骤：

a、搭建光路。

如图1和图2所示，按顺序依次设置光学天线9、半波片2、偏振片3、光折变晶体5和光电探测器10，也可以在光折变晶体5与光电探测器10之间增加光纤11。在光折变晶体5相对的两侧面上设置有用于向光折变晶体5沿光轴方向（如图中箭头所示方向）施加电场的电极板（图中未示出），电极板连接高压电源。光学天线9至光折变晶体5前表面（即光束入射光折变晶体5的一面）的距离为光学天线9的焦距。光学天线9可以为透镜，光电探测器10可以为光电二极管，光纤11可以为多模光纤。

b、光学天线9接收自由空间信号光（一般为线偏振光）并对所接收到的信号光进行聚焦。

c、经光学天线9出射后的光束入射半波片2，由半波片2调节光束的偏振方向。

d、由半波片2出射的光束入射偏振片3，通过旋转偏振片3，将光束调整为偏振方向与光折变晶体5的光轴平行的e光，以使光束在光折变晶体5中获得较大的非线性效应。

e、由偏振片3出射的光束（聚焦后的光束）入射光折变晶体5的前表面，入射光折变晶体5前表面的光束的光斑直径可以为15~30μm，入射光折变晶体5前表面的光束的光强（光束光强在经半波片2、偏振片3后即调整合适）可以在0.01~0.7μW范围内；光束入射光折变晶体5的方向处于水平方向，且与光折变晶体5的光轴垂直。光束在光折变晶体5内自然衍射传播。

f、调整光电探测器10的位置，使光电探测器10的光敏面对准由光折变晶体5出射的衍射光斑，实现光束的粗略对准。

如果在光折变晶体5与光电探测器10之间存在光纤11，则还应调整光纤11的位置，使由光折变晶体5出射的光束首先与光纤11耦合，短距离传输后再入射光电探测器10的光敏面。

g、通过电极板在光折变晶体5沿光轴方向上施加电场，所施加电场的电压可以为200~1000V。入射光折变晶体5的光束在光折变晶体5内产生光折变效应，并形成波导，同时在光折变晶体5的后表面形成光孤子。在光折变晶体5的后表面所形成的光孤子光斑一般都是偏离了原衍射光斑的位置。

h、调整光电探测器10的位置（若存在光纤11，则将光纤11和光电探测器10同步调整），使光电探测器10的光敏面对准由光折变晶体5后表面出射的光孤子光斑，实现光束的精确对准。

i、判断入射光折变晶体5的光束是否发生了偏移，如果是，则执行步骤j或k；如果否，则继续执行步骤i。

光束发生偏移，则光折变晶体5后表面出射的光孤子光斑处的光强减弱，同时入射到光电探测器10光敏面的光束的光强减弱，通过光电探测器10实时探测原光孤子位置处（或其光敏面处）光强的变化，即可判断出入射光折变晶体5的光束是否发生了偏移。

j、实时同步移动光折变晶体5和光电探测器10的位置（若存在光纤11，则将光纤11和光折变晶体5、光电探测器10同步移动），使偏移了的光束继续沿光折变晶体5内存储的原波导传输，实现瞬时对准。

k、保持光折变晶体5的位置不动，实时移动光电探测器10的位置（若存在光纤11，则将光纤11和光电探测器10同步移动），使光电探测器10的光敏面对准由光折变晶体5出射的衍射光斑，实现光束的粗略对准；待偏移后的光束在光折变晶体5内重新形成孤子波导后，移动光电探测器10的位置（若存在光纤11，则将光纤11和光电探测器10同步移动），使光电探测器10的光敏面对准由光折变晶体5后表面出射的光孤子光斑，实现光束的精确对准。

Claims (9)

1.一种自由空间光通信APT系统，其特征是，包括：

光学天线，用于接收信号光并对所接收到的信号光进行聚焦；

半波片，用于对由所述光学天线出射的光束的偏振方向进行调节；

偏振片，用于将经所述半波片调节后的光束调整为偏振方向与光折变晶体的光轴平行的e光；

光折变晶体，经所述偏振片调整后的光束入射光折变晶体，且入射光折变晶体的方向与所述光折变晶体的光轴垂直；所述光折变晶体与所述光学天线之间的距离为所述光学天线的焦距；

电极板，用于向所述光折变晶体沿光轴方向施加电场；以及

光电探测器，由所述光折变晶体出射的光束入射光电探测器的光敏面。

2.根据权利要求1所述的自由空间光通信APT系统，其特征是，还包括位于所述光折变晶体与所述光电探测器之间的光纤；由所述光折变晶体出射的光束首先与所述光纤耦合，之后再入射所述光电探测器的光敏面。

3.根据权利要求1所述的自由空间光通信APT系统，其特征是，所述光折变晶体为Ce:SBN61、Ce:SBN75或La:Ce:SBN60。

4.根据权利要求1所述的自由空间光通信APT系统，其特征是，在所述光折变晶体的底部设置有用于对所述光折变晶体的位置进行调节的三维调节底座。

5.一种自由空间光通信APT系统实现方法，其特征是，包括如下步骤：

a、搭建光路：按顺序依次设置光学天线、半波片、偏振片、光折变晶体和光电探测器，并在所述光折变晶体相对的两侧面上设置用于向所述光折变晶体沿光轴方向施加电场的电极板；所述光学天线与所述光折变晶体之间的距离为所述光学天线的焦距；

b、所述光学天线接收信号光并对所接收到的信号光进行聚焦；

c、经所述光学天线出射后的光束入射所述半波片，由所述半波片调节光束的偏振方向；

d、由所述半波片出射的光束入射所述偏振片，由所述偏振片将光束调整为偏振方向与所述光折变晶体的光轴平行的e光；

e、由所述偏振片出射的光束入射所述光折变晶体的前表面，且光束在所述光折变晶体内自然衍射传播；光束入射所述光折变晶体的方向与所述光折变晶体的光轴垂直；

f、调整所述光电探测器的位置，使所述光电探测器的光敏面对准由所述光折变晶体出射的衍射光斑，实现光束的粗略对准；

g、通过所述电极板在所述光折变晶体沿光轴方向上施加电场，使入射所述光折变晶体的光束在所述光折变晶体内产生光折变效应，并形成波导，同时在所述光折变晶体的后表面产生光孤子；

h、调整所述光电探测器的位置，使所述光电探测器的光敏面对准由所述光折变晶体后表面出射的光孤子光斑，实现光束的精确对准；

i、判断入射所述光折变晶体的光束是否发生了偏移，如果是，则执行步骤j或k；如果否，则继续执行步骤i；

j、同步移动所述光折变晶体和所述光电探测器的位置，使偏移了的光束继续沿所述光折变晶体内存储的原波导传输，实现瞬时对准；

k、保持所述光折变晶体的位置不动，移动所述光电探测器的位置，使所述光电探测器的光敏面对准由所述光折变晶体出射的衍射光斑，实现光束的粗略对准；待偏移后的光束在所述光折变晶体内重新形成波导后，移动所述光电探测器的位置，使所述光电探测器的光敏面对准由所述光折变晶体后表面出射的光孤子光斑，实现光束的精确对准。

6.根据权利要求5所述的自由空间光通信APT系统实现方法，其特征是，步骤a中搭建光路过程中，在所述光折变晶体与所述光电探测器之间增加光纤；

在步骤e与步骤f之间增加如下步骤：由所述光折变晶体出射的光束首先与所述光纤耦合，之后再入射所述光电探测器的光敏面。

7.根据权利要求5所述的自由空间光通信APT系统实现方法，其特征是，所述步骤e中入射所述光折变晶体前表面的光束的光斑直径为15~30μm。

8.根据权利要求5所述的自由空间光通信APT系统实现方法，其特征是，所述步骤g中在所述光折变晶体沿光轴方向上施加的电压为200~1000V。

9.根据权利要求5所述的自由空间光通信APT系统实现方法，其特征是，步骤e中入射所述光折变晶体前表面的光束的光强为0.01~0.7μW。