CN106772837B - 光束耦合的光轴稳定装置 - Google Patents

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Abstract

一种光束耦合的光轴稳定装置，由堆栈集成结构光桥接器，计算机，混频器，光纤准直器，两个声光移频器，两个声光偏转器，具有相同结构的光楔对四对，具有相同结构的耦合透镜四个，具有相同结构的探测器四个组成，本发明是实现激光信号的高效率接收，满足自由空间光通信对通信信号要求的重要技术。本发明具有结构简单、性能稳定可靠、易于集成、高耦合效率和高抗干扰能力的特点，能够实现比较优良的空间光通信传输信道。

Description

光束耦合的光轴稳定装置
技术领域
本发明涉及空间光到光纤光耦合，特别是一种光束耦合的光轴稳定装置，该装置是一种自由空间光与光纤光具有高耦合效率的装置，具有结构简单、性能稳定可靠、易于集成、高耦合效率和高抗干扰能力的特点，能够实现比较优良的空间光通信传输信道。
背景技术
空间相干激光通信是自由空间远距离通信实现Gbit/s以上数据传输速率的唯一技术手段。相干探测技术大大提高了接收机的灵敏度和中继距离,具有优良的波长选择性和抗背景噪声性能,可发展成为频率间隔更小的波分复用系统,并且可使用多种调制方式,特别适用于码率在Gb/s量级、传输距离在几万千米的自由空间激光通信。基于自差和外差探测方式的相干激光通信具有较高的探测灵敏度，是实现高码率、小型化、轻量化和低功耗远距离激光通信终端的关键体制。对于相干激光通信自差探测方式需要将空间激光耦合进单模光纤，外差探测方式需要将空间激光与空间激光耦合。因此如何使空间激光与单模光纤耦合、空间激光和空间激光耦合始终具有较高的耦合效率，是高码率、小型化、轻量化和低功耗远距离空间相干激光通信的一个关键技术。
光束耦合的光轴稳定装置针对空间光到光纤光耦合，通过模场匹配，采用章动的原理，建立理论模型准确定位光斑相对于探测器中心的位置，从而给出控制信号，以驱动声光移频器、声光偏转器使光束产生偏转，获得始终具有较高的耦合效率的空间光与光纤光耦合。对于空间光到光纤光耦合，通过2*4 90°桥接器产生相位误差信号控制声光移频器，使空间光与光纤光始终具有较高的耦合效率。
现有方案参阅文献(1)，Thomas Weyrauch,Mikhail A.Vorontsovet.al..“Fibercoupling with adaptive optics for free-space optical communication,”Proc.SPIE,Vol.4489,pp.177-184,2002，利用可变形镜、波前传感器实现空间激光通信的光纤耦合。
发明内容
本发明的目的在于提供一种光束耦合的光轴稳定装置，该装置根据本振光束光轴的位置，准确定位信号光相对于探测器中心的位置，始终保持空间光与光纤光耦合具有较高的耦合效率。该装置具有结构简单、性能稳定可靠、易于集成、高耦合效率和高抗干扰能力的特点，能够实现比较优良的空间光通信传输信道。
本发明的技术解决方案如下：
一种光束耦合的光轴稳定装置，其特点在于包括第一声光移频器、第二声光移频器、第一声光偏转器、第二声光偏转器、光纤准直器、计算机、堆栈集成结构光桥接器、混频器、具有相同结构的四个光楔对、具有相同结构的四个耦合透镜和具有相同结构的四个探测器，上述元部件的位置关系如下：
所述的堆栈集成结构光桥接器具有四个出射端面和两个入射端面，一个入射端面胶合四分之一波片，该四分之一波片的光轴与所述的堆栈集成结构光桥接器的底面成45°；
沿入射的信号光方向依次是所述的第一声光移频器、第二声光移频器、光纤准直器、第一声光偏转器、第二声光偏转器并垂直入射到所述的堆栈集成结构光桥接器的四分之一波片的中心，入射的自由空间本振光垂直入射到所述的堆栈集成结构光桥接器的另一个入射端面的中心，所述的信号光与自由空间本振光在堆栈集成结构光桥接器中产生四个合束光束并分别经堆栈集成结构光桥接器的四个出射端面输出，在每个合束光束的输出方向依次是所述的光楔对、耦合透镜和探测器；
四个探测器的输出端经高频线与所述的混频器的输入端相连，该混频器的输出端一端作为信号输出，一端经高频线与所述的计算机的输入端相连，该计算机的控制信号输出端分别经电线与所述的第一声光移频器、第二声光移频器、第一声光偏转器和第二声光偏转器的控制端连接，所述的计算机的控制信号使所述的信号光束作圆周运动，并控制所述的信号光束运动中心与本振光束的中心保持同轴。
本发明的技术效果如下：
本发明光束耦合的光轴稳定装置，通过改变声光移频器的频率，控制声光偏转器使信号光束在探测器的探测面上围绕本振光束做同轴的圆周运动，当信号光束运动的光轴偏离本振光的光轴时，探测器探测到的信号变化传递给计算机，计算机控制声光移频器和声光偏转器改变信号光束圆周运动的运动中心位置和圆周大小，使探测器探测的信号保持最大。根据本振光束光轴的位置，准确定位信号光相对于探测器中心的位置，始终保持空间光与光纤光耦合具有较高的耦合效率。
本发明具有结构简单，性能稳定可靠和易于集成的优点，可以获得高的耦合效率，有很强的滤除背景光能力，可以进一步提高抗干扰能力，能够实现比较优良的空间光通信传输信道。
本发明光束耦合的光轴稳定装置，不需要可变形镜、波前传感器等位置探测装置，即可实现系统光轴稳定。
附图说明
图1是本发明光束耦合的光轴稳定装置的结构示意图。
图2是堆栈集成结构光桥接器的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明光束耦合的光轴稳定装置作进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。
请参阅图1，图1是本发明光束耦合的光轴稳定装置的结构示意图。也是本发明的一个具体实施例的结构示意图。由图可见，本发明光束耦合的光轴稳定装置，包括第一声光移频器1、第二声光移频器2、光纤准直器3、第一声光偏转器4、第二声光偏转器5、计算机6、堆栈集成结构光桥接器11、混频器12、具有相同结构的四个光楔对8、具有相同结构的四个耦合透镜9和具有相同结构的四个探测器10，信号输出端14上述元部件的位置关系如下：
所述的堆栈集成结构光桥接器11具有四个出射端面和两个入射端面，一个入射端面胶合有四分之一波片13，该四分之一波片13的光轴与所述的堆栈集成结构光桥接器11的底面成45°；
沿入射的信号光方向依次是所述的第一声光移频器1、第二声光移频器2、光纤准直器3、第一声光偏转器4、第二声光偏转器5并垂直入射到所述的堆栈集成结构光桥接器11的四分之一波片13的中心，入射的自由空间本振光7垂直入射到所述的堆栈集成结构光桥接器11的另一个入射端面的中心，所述的信号光与自由空间本振光7在堆栈集成结构光桥接器11中产生四个合束光束并分别经堆栈集成结构光桥接器11的四个出射端面输出，在每个合束光束的输出方向依次是所述的光楔对8、耦合透镜9和探测器10；
四个探测器10的输出端经高频线与所述的混频器12的输入端相连，该混频器12的输出端一端作为信号输出，一端经高频线与所述的计算机6的输入端相连，该计算机6的控制信号输出端分别经信号线与所述的第一声光移频器1、第二声光移频器2、第一声光偏转器4和第二声光偏转器5的控制端连接，所述的计算机6的控制信号使信号光束作圆周运动，并控制所述的信号光束运动中心与本振光束7的中心保持同轴。
当信号光束运动的光轴与本振光束的光轴在探测器的探测面上同轴时，干涉场为零场，探测器探测到的信号最强，当信号光束运动的光轴偏离本振光光轴时，干涉场条纹增加，探测器探测到的信号减弱，探测器将探测到的信号变化传递给计算机，计算机控制所述的声光移频器和声光偏转器改变信号光束圆周运动的运动中心位置和圆周大小，使探测器探测的信号保持最大。本发明装置根据本振光束光轴的位置，准确定位信号光相对于探测器中心的位置，始终保持空间光与光纤光耦合具有较高的耦合效率。
下面是实施例的具体参数：第一光纤准直器3型号为F810APC-1550，计算机6反馈到第一声光偏转器4、第二声光偏转器5的两路射频信号之间延迟控制精度小于100ns，延迟时间调节范围0.1～10μs，所述的堆栈集成光桥接器11的结构尺寸为12.7mm×12.7mm×12.7mm。四对光楔对8尺寸完全相同为φ12.7mm×2mm。耦合透镜9的尺寸相同均为φ14mm，焦距15mm。
本发明具有结构简单，性能稳定可靠，易于集成，可以获得高的耦合效率，有很强的滤除背景光能力，可以进一步提高抗干扰能力，能够实现比较优良的空间光通信传输信道。

Claims (1)

1.一种光束耦合的光轴稳定装置，其特征在于包括第一声光移频器(1)、第二声光移频器(2)、光纤准直器(3)、第一声光偏转器(4)、第二声光偏转器(5)、计算机(6)、堆栈集成结构光桥接器(11)、混频器(12)、具有相同结构的四个光楔对(8)、具有相同结构的四个耦合透镜(9)和具有相同结构的四个探测器(10)：
所述的堆栈集成结构光桥接器(11)具有四个出射端面和两个入射端面，一个入射端面胶合有四分之一波片(13)，该四分之一波片(13)的光轴与所述的堆栈集成结构光桥接器(11)的底面成45°；
入射的信号光依次经过所述的第一声光移频器(1)、第二声光移频器(2)、光纤准直器(3)、第一声光偏转器(4)、第二声光偏转器(5)并垂直入射到所述的堆栈集成结构光桥接器(11)的四分之一波片(13)的中心，入射的自由空间本振光(7)垂直入射到所述的堆栈集成结构光桥接器(11)的另一个入射端面的中心，所述的信号光与自由空间本振光(7)在所述的堆栈集成结构光桥接器(11)中产生四个合束光束并分别经堆栈集成结构光桥接器(11)的四个出射端面输出，在每个合束光束的输出方向依次是所述的光楔对(8)、耦合透镜(9)和探测器(10)；
四个探测器(10)的输出端经高频线与所述的混频器(12)的输入端相连，该混频器(12)的输出端经高频线与所述的计算机(6)的输入端相连，该计算机(6)的控制信号输出端分别经高频线与所述的第一声光移频器(1)、第二声光移频器(2)、第一声光偏转器(4)和第二声光偏转器(5)的控制端连接，所述的计算机(6)的控制信号使信号光光束作圆周运动，并控制所述的信号光光束的运动中心与本振光光束的中心保持同轴。
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