CN106646758A - 一种基于光纤端面二维扫描的单模光纤自适应耦合系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于光纤端面二维扫描的单模光纤自适应耦合系统，包括快速倾斜反射镜、耦合透镜、光纤端面定位器、单模光纤、1×2光纤分路器、光电探测器、控制平台和多通道高压放大器。本发明用以保证高效、稳定的空间光至单模光纤耦合效率。利用光纤端面定位器控制光纤端面实现对聚焦光斑的二维扫描，监测光纤输出光功率的变化规律以计算耦合效率的优化梯度，结合快速倾斜反射镜与优化算法完成光纤端面对聚焦光斑的自适应捕获跟踪。本发明创新点在于利用光纤端面对聚焦光斑的二维扫描来实现优化梯度探测，与迭代校正过程分离执行，具有器件带宽利用率高、运动惯性小、跟踪精度高、结构紧凑等优点，在空间光通信领域有着重要的应用前景。

Description

一种基于光纤端面二维扫描的单模光纤自适应耦合系统

技术领域

本发明涉及一种空间激光至单模光纤的自适应耦合系统，属于自动控制及光学工程技术领域。在自由空间激光通信中有着重要的应用前景。

背景技术

自由空间激光通信(Free Space Optical Communications，FSOC)是近些年发展起来的一种具有传输速率高、信息容量大、保密性能好等优点的新型通信技术。自由空间光通信系统中越来越多地结合了成熟的光纤通信技术，其结构设计变得更加灵活，体积、重量进一步减小，稳定性也大大提高，同时也使得空间激光至单模光纤(Single-Mode Fiber，SMF)的耦合成为该领域需解决的关键技术之一。受限于机械调节精度、环境温度、重力等因素，耦合系统中单模光纤的接收端面位置会产生一定的偏移。此外，受空间激光传输过程中的大气湍流效应、平台振动等因素的影响，光纤接收端面处聚焦光斑的位置也会产生一定的随机抖动。以上因素严重制约了光纤耦合效率的高效性与稳定性。

为了解决上述问题，需要实现空间激光至单模光纤的自适应耦合。将自适应光学技术引入到光纤自适应耦合领域是一种经理论与实验证实过的行之有效的方法。2005年和2011年，美国陆军研究实验室的L.Beresnev等人(L.A.Beresnev,and M.A.Vorontsov,“Design ofadaptive fiber optics collimator for free-space communication lasertransceiver,”Proc.SPIE 5895,58950R(2005))和中国科学院光电技术研究所的耿超等人(C.Geng,X.Li,X.Zhang,and C.Rao,“Coherent beam combination of an optical arrayusing adaptive fiber optics collimators,”Optics Communications 284,5531-5536(2011))分别独立研制了一种叫做自适应光纤准直器(Adaptive fiber-opticscollimator，AFOC)的器件，该器件可以在小角度范围内自适应地精确控制出射准直光束的偏转角度。在此器件的基础上，利用光路可逆性原理，2013年耿超等人提出了名称为“一种激光束双向收发的自适应光纤耦合或准直器控制系统”(专利号201310161222.7)的发明专利，并实现了空间激光到光纤的高效自适应耦合(W.Luo,C.Geng,et al.,“Experimentaldemonstration of single-mode fiber coupling using adaptive fiber coupler,”Chinese Physics B 23,014207(2014))。该方法使用光纤端面定位器和随机并行梯度下降(Stochastic Parallel Gradient Descent，SPGD)算法来完成光纤接收端面对空间激光聚焦光斑的自适应跟踪。在该控制结构中，光纤端面定位器需要响应SPGD算法推算出的一组二维随机抖动序列进行优化梯度估计，并根据估算结果执行迭代校正，系统的带宽利用率较低；受限于器件的谐振特性以及整个控制回路中的系统相位响应延时，很难实现高速的SPGD算法迭代，因此对于接收平台振动、大气湍流扰动下光纤耦合效率的补偿能力有限。

本发明在上述工作的基础上，提出了一种基于光纤端面二维扫描的新型自适应耦合控制系统，直接操控光纤接收端面对聚焦光斑进行周期性二维扫描，以实现对光纤耦合效率优化梯度的探测，同时结合优化算法控制快速倾斜反射镜执行相应的迭代校正。此结构不仅提高了执行器件的带宽利用率，并可对光纤端面高速定位过程中的系统相位响应延时进行补偿，因此大大提升了耦合系统的实际控制带宽。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：克服现有基于SPGD算法与光纤端面定位器的自适应耦合系统带宽利用率低的不足，克服现有系统在光纤端面高速定位过程中相位响应延时的问题，提出一种基于光纤端面二维扫描的单模光纤自适应耦合系统。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种基于光纤端面二维扫描的单模光纤自适应耦合系统，包括：快速倾斜反射镜、耦合透镜、光纤端面定位器、单模光纤、1×2光纤分路器、光电探测器、控制平台和多通道高压放大器；空间激光束经快速倾斜反射镜反射后进入耦合透镜，并在光纤端面定位器内置的单模光纤端面处形成艾里斑衍射图样，耦合进单模光纤内的光能量经1×2光纤分路器后一部分传输至通信终端，另一部分经光电探测器后转换为电压反馈信号，作为性能指标进入控制平台，控制平台首先输出两组周期性二维扫描信号至多通道高压放大器，控制光纤端面定位器带动单模光纤端面实现对聚焦光斑的二维扫描，与此同时采集经光电探测器转换后得到的性能指标，从而探测出当前耦合效率的优化梯度，随后通过优化算法推算出两组控制电压信号至多通道高压放大器，驱动快速倾斜反射镜执行相应的迭代校正。

其中，所述耦合效率优化梯度探测以及控制电压推算过程，包括以下步骤：

步骤1)控制平台(7)输出两组幅值及频率相同、相位间隔π/2的正弦电压，经多通道高压放大器(8)放大后作用于光纤端面定位器(3)，驱动单模光纤(4)端面对聚焦光斑进行周期性二维扫描，设其扫描开始时刻为t、周期为T；

步骤2)控制平台(7)采集光纤端面位于一个扫描周期内、时间间隔T/4的4组性能指标，设采集开始时刻为t′，将性能指标依次记为J(t′)、和其中 为光纤端面在二维扫描控制下的相位响应延时角；

步骤3)控制平台(7)根据公式(1)完成控制电压迭代推算，其中k为算法迭代步数；γ为算法迭代步长；为根据采集开始时刻t′所确定的、两组相互正交方向的耦合效率优化梯度近似值；U_X、U_Y为算法推算出的对应方向的控制电压，

步骤4)控制平台(7)输出控制电压U_X、U_Y至多通道高压放大器(8)，控制快速倾斜反射镜(1)执行对应方向的迭代校正；

步骤5)重复步骤1)～4)，使系统的耦合效率经多次迭代后收敛至最优值并维持稳定。

其中，所述的快速倾斜反射镜亦可替换为两组快速倾斜反射镜(1-X)、(1-Y)的结构，分别执行相互正交方向的迭代校正，进一步提高系统的控制带宽。

其中，所述的单模光纤亦可替换为保偏光纤、大模场直径光纤、多模光纤或光子晶体光纤。

其中，所述的1×2光纤分路器的作用是提取耦合进光纤内的部分能量进行闭环控制，根据实际需要确定其分束比。

其中，所述的光电探测器的作用是实现光功率至电压信号的线性变换，其工作波长范围应覆盖信号激光束的光波长，可以是光电二极管、光电三极管、雪崩光电二极管、光电倍增管或其他光电探测器。

其中，所述的控制平台可以是各类高精度AD、DA芯片与FPGA、DSP等实时信号处理芯片的集成，在对控制带宽要求较低的场合亦可使用普通的PC机及配套数据采集卡完成这一功能。

其中，所述的多通道高压放大器的通道数大于等于4，分别用于快速倾斜反射镜的二维控制与光纤端面定位器的二维控制。

本发明的基本原理是：当单位振幅的空间激光束耦合进单模光纤时，于入射光瞳面A处经耦合透镜聚焦后，在耦合透镜的后焦面O处形成艾里斑衍射图样。将耦合效率定义为耦合进光纤的光功率P_o与入射光瞳面处光功率P_a的比值。根据Parseval定理，在入射光瞳面和焦面之间的任意平面上计算耦合效率都是等价的。这里，选择在入射光瞳面处计算耦合效率η_c，如式(2)所示：

式中E_A(r_a)为入射光瞳面A处的接收光场，F_A(r_a)为单模光纤在入射光瞳面A处的后向传输模场。受到接收孔径的限制，E_A(r_a)可表示为单位振幅平面波与孔径函数P_u(r_a)的乘积，如式(3)所示。其中D为耦合透镜的通光口径，R＝D/2，ε为中心遮挡比。

当单模光纤的归一化频率V满足1.9≤V≤2.4时，单模光纤中只允许基模传输，其模场分布可近似为高斯分布。而入射光瞳面A与焦面O处的光场分布互为傅里叶变换对，故可将焦面O处的单模光纤模场分布进行傅里叶逆变换，从而得到A处的后向传输模场F_A(r_a)。考虑光纤接收端面存在静态对准偏差的情况。当光纤位置存在横向偏移ζ时，可计算该后向传输模场分布表达式(4)，其中λ为激光波长，f为耦合透镜的焦距，ω_a为单模光纤后向传输模场半径，其与光纤模场半径ω₀之间的关系满足ω_a＝λf/πω₀。

结合公式(2)～(4)，可得到存在光纤位置横向偏移ζ时的单模光纤耦合效率表达式(5)，其中J₀(x)为零阶贝塞尔函数：

设置激光波长λ＝1.550μm，SMF模场半径ω₀＝5μm，耦合透镜焦距和通光口径分别为f＝15mm和D＝3mm，中心遮挡比ε＝0。公式(5)经仿真得到的SMF耦合效率随光纤位置横向偏移量ζ的变化曲线如图2所示。由图2可知，由于单模光纤的芯径非常小，当光纤端面的位置偏移7μm以上时，耦合效率即下降至10％以下。这对耦合系统的机械结构设计及装配提出了非常苛刻的要求，很难达到并保持如此高的精度。此外，空间激光至单模光纤的耦合效率随横向偏移量ζ的增大而单调减小。因此，当控制光纤端面对聚焦光斑进行周期性二维扫描时，根据上述模场匹配原理的推导结果，对耦合进光纤内的光束能量变化规律进行分析即可计算出当前耦合效率的优化梯度，用以控制快速倾斜反射镜实现迭代校正。

本发明相比于现有技术的优点在于：

1)控制光纤端面对聚焦光斑进行二维扫描以实现优化梯度探测的方法，具有器件运动惯性小、结构紧凑、扫描速度快、定位精度高等优点，保证了梯度探测过程的准确性与实时性。

2)采用将耦合效率优化梯度探测与迭代校正分离执行的控制结构，弥补了执行器件在SPGD控制算法下较低的带宽利用率，并允许对光纤端面高速定位过程中的系统相位响应延时现象进行补偿。

3)迭代校正部分可根据需要使用快速倾斜反射镜做二维迭代校正，亦可同时使用两组快速倾斜反射镜分别完成对应正交方向的一维迭代校正，从而进一步提高系统的整体控制带宽。

附图说明

图1为本发明一种基于光纤端面二维扫描的单模光纤自适应耦合系统的组织结构示意图。其中，快速倾斜反射镜(1)可替换为图示(1-X)、(1-Y)的组合结构。

图2为本发明一种基于光纤端面二维扫描的单模光纤自适应耦合系统理论分析中，经仿真得到的单模光纤耦合效率η_c随光纤端面横向偏移量ζ的变化曲线。其中激光波长λ＝1.550μm，SMF模场半径ω₀＝5μm，耦合透镜焦距和通光口径分别为f＝15mm和D＝3.3mm，中心遮挡比ε＝0。

图3为本发明一种基于光纤端面二维扫描的单模光纤自适应耦合系统中，耦合效率优化梯度探测及迭代校正的算法流程图。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明做进一步的说明，但不应以此限制本发明的保护范围。

系统整体结构及连接方式如图1所示，包括快速倾斜反射镜1、耦合透镜2、光纤端面定位器3、单模光纤4、1×2光纤分路器5、光电探测器6、控制平台7和多通道高压放大器8；空间激光束经快速倾斜反射镜1反射后传输至耦合透镜2，光纤端面定位器3控制下的单模光纤4端面位于耦合透镜2的后焦面处，单模光纤4与1×2光纤分路器5相连接，1×2光纤分路器5的一个输出端口用以连接通信终端，另一个输出端口与光电探测器6的输入端口相连接，光电探测器6的输出端口与控制平台7的输入端口相连接，控制平台7的输出端口与多通道高压放大器8的输入端口相连接，高压放大器8的输出端口分别与快速倾斜反射镜1、光纤端面定位器3相连接。

系统在开始工作之前，首先使用光纤端面定位器3控制单模光纤4端面对聚焦光斑进行正弦型位置扫描，对比光电探测器6获得的性能指标，标定系统的相位响应延时角另外，需分别标定光纤端面定位器3控制下的单模光纤4端面执行位移方向与快速倾斜反射镜1的光束偏转方向，使其保持一致。

系统开始工作时，空间激光束经快速倾斜反射镜1反射与耦合透镜2聚焦后，在单模光纤4端面处形成聚焦光斑。耦合进单模光纤4内的光束能量经1×2光纤分路器5后，一部分经光电探测器6完成光功率至电压信号的线性变换，作为性能指标进入控制平台7用以进行闭环控制。实例中使用的控制平台为基于Xilinx spartan6系列芯片的FPGA硬件控制平台；数据采集部分使用了Analog Devices公司的ADS8568芯片，工作方式为并行，最大采样速率为510kSa/s，采样精度为16bits；数据输出部分使用了Analog Devices公司的AD5754芯片，工作方式为串行，支持的最高时钟为30MHz，精度同样为16bits；数据通信方面使用了RJ45以太网接口。此处可参照附图3，所选用的控制算法执行步骤描述如下：

步骤1)控制平台7输出两组幅值为0.02V(对应光纤端面执行偏移量约0.15μm)、频率为10kHz、相位间隔π/2的正弦电压，经高压放大器8放大后作用于光纤端面定位器3，驱动单模光纤4端面对聚焦光斑进行周期性的二维扫描。设其扫描开始时刻为t，周期为T。

步骤2)控制平台7采集光纤端面位于一个扫描周期内、时间间隔T/4的4组性能指标。设采集开始时刻为t′，将性能指标依次记为J(t′)、和其中 为光纤端面在二维扫描控制下的相位响应延时角。

步骤3)控制平台7根据公式(1)完成控制电压迭代推算。其中k为算法迭代步数；γ为算法迭代步长；为根据采集开始时刻t′所确定的两组相互正交方向的耦合效率优化梯度近似值；U_X、U_Y为算法推算出的对应方向的控制电压。

步骤4)控制平台7输出控制电压U_X、U_Y至多通道高压放大器8，控制快速倾斜反射镜(1)或快速倾斜反射镜组(1-X)、(1-Y)执行对应方向的迭代校正。

步骤5)重复步骤1)～4)，使系统的耦合效率经多次迭代后收敛至最优值并维持稳定，从而实现单模光纤端面对空间激光聚焦光斑的自适应捕获跟踪。

至此，本发明完成了对一种基于光纤端面二维扫描的单模光纤自适应耦合系统的详细描述。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 (8)

1.一种基于光纤端面二维扫描的单模光纤自适应耦合系统，其特征在于：包括快速倾斜反射镜(1)、耦合透镜(2)、光纤端面定位器(3)、单模光纤(4)、1×2光纤分路器(5)、光电探测器(6)、控制平台(7)和多通道高压放大器(8)；空间激光束经快速倾斜反射镜(1)反射后进入耦合透镜(2)，并在光纤端面定位器(3)内置的单模光纤(4)端面处形成艾里斑衍射图样，耦合进单模光纤(4)内的光能量经1×2光纤分路器(5)分束后一部分传输至通信终端，另一部分经光电探测器(6)后转换为电压反馈信号，作为性能指标进入控制平台(7)，控制平台(7)首先输出两组周期性二维扫描信号至多通道高压放大器(8)，控制光纤端面定位器(3)带动单模光纤(4)端面实现对聚焦光斑的二维扫描，与此同时采集经光电探测器(6)转换后得到的性能指标，从而计算出当前耦合效率的优化梯度，随后通过优化算法推算出两组控制电压信号至多通道高压放大器(8)，驱动快速倾斜反射镜(1)执行相应的迭代校正。

2.根据权利要求1所述的一种基于光纤端面二维扫描的单模光纤自适应耦合系统，其特征在于：所述耦合效率优化梯度探测以及控制电压推算过程，包括以下步骤：

步骤1)控制平台(7)输出两组幅值及频率相同、相位间隔π/2的正弦电压，经多通道高压放大器(8)放大后作用于光纤端面定位器(3)，驱动单模光纤(4)端面对聚焦光斑进行周期性二维扫描，设其扫描开始时刻为t、周期为T；

步骤2)控制平台(7)采集光纤端面位于一个扫描周期内、时间间隔T/4的4组性能指标，设采集开始时刻为t′，将性能指标依次记为J(t′)、和其中 为光纤端面在二维扫描控制下的相位响应延时角；

步骤3)控制平台(7)根据公式(1)完成控制电压迭代推算，其中k为算法迭代步数；γ为算法迭代步长；为根据采集开始时刻t′所确定的、两组相互正交方向的耦合效率优化梯度近似值；U_X、U_Y为算法推算出的对应方向的控制电压，

$\begin{array}{c}{U_X}^{\left(k+1\right)}={U_X}^{\left(k\right)}+\mathrm{\γ}\▿{E_X}^{\left(k\right)}\\ {U_Y}^{\left(k+1\right)}={U_Y}^{\left(k\right)}+\mathrm{\γ}\▿{E_Y}^{\left(k\right)}\end{array}---\left(1\right)$

步骤4)控制平台(7)输出控制电压U_X、U_Y至多通道高压放大器(8)，控制快速倾斜反射镜(1)执行对应方向的迭代校正；

步骤5)重复步骤1)～4)，使系统的耦合效率经多次迭代后收敛至最优值并维持稳定。

3.根据权利要求1所述的一种基于光纤端面二维扫描的单模光纤自适应耦合系统，其特征在于：所述的快速倾斜反射镜(1)亦可替换为两组快速倾斜反射镜(1-X)、(1-Y)的结构，分别执行相互正交方向的迭代校正，进一步提高系统的控制带宽。

4.根据权利要求1所述的一种基于光纤端面二维扫描的单模光纤自适应耦合系统，其特征在于：所述的单模光纤(4)亦可替换为保偏光纤、大模场直径光纤、多模光纤或光子晶体光纤。

5.根据权利要求1所述的一种基于光纤端面二维扫描的单模光纤自适应耦合系统，其特征在于：所述的1×2光纤分路器(5)的作用是提取耦合进光纤内的部分光能量进行闭环控制，根据实际需要确定其分束比。

6.根据权利要求1所述的一种基于光纤端面二维扫描的单模光纤自适应耦合系统，其特征在于：所述的光电探测器(6)的作用是实现光功率至电压信号的线性变换，其工作波长范围应覆盖信号激光束的光波长，可以是光电二极管、光电三极管、雪崩光电二极管、光电倍增管或其他光电探测器。

7.根据权利要求1所述的一种基于光纤端面二维扫描的单模光纤自适应耦合系统，其特征在于：所述的控制平台(7)可以是各类高精度AD、DA芯片与FPGA、DSP等实时信号处理芯片的集成，在对控制带宽要求较低的场合亦可使用普通的PC机及配套数据采集卡完成此功能。

8.根据权利要求1所述的一种基于光纤端面二维扫描的单模光纤自适应耦合系统，其特征在于：所述的多通道高压放大器(8)的通道数大于等于4，分别用于快速倾斜反射镜的二维控制与光纤端面定位器的二维控制。