CN108333692A - 一种空间光至光纤耦合系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种空间光至光纤耦合系统，包括角锥棱镜、倾斜反射镜、分光镜、第一透镜、三维平移台、1×2光纤分束器、标定激光器、接收终端、光电探测器、第二透镜、第一驱动器、控制处理机和第二驱动器。利用角锥棱镜可将入射光线沿原方向返回的原理，通过标定激光器和角锥棱镜标定光纤轴零点。待耦合的空间光进入光电探测器和光纤支路后，控制处理机采集光电探测器的光斑数据并以光纤轴零点为基准控制倾斜反射镜运动，校正空间光与光纤间光轴偏差，使空间光耦合进入光纤。本发明用于校正大气扰动、环境振动、温度和重力变化等引起的光束抖动和光轴偏离，提高空间光至光纤的耦合效率，在空间激光通信领域有着重要的应用前景。

Description

一种空间光至光纤耦合系统
技术领域
本发明属于空间光和光纤光学领域，具体涉及一种空间光至光纤耦合系统。
背景技术
空间激光通信技术是以激光光束为载波进行空间信息传输的技术。相比传统微波通信，具有频带宽、保密性强、抗电磁干扰和无需申请频段等特点。空间激光载波通常以光学天线为接收终端，将空间光耦合进入单模或多模光纤进行信息传输和解调。空间光至光纤耦合技术是空间激光通信的关键技术之一，但空间光受大气扰动、环境振动、温度和重力变化等引起的光束抖动和光轴偏离，使其难以对准直径为几微米至百微米的光纤端面，导致空间光至光纤耦合效率低。现有通常采用倾斜镜或光纤端面动态扫描进行空间光与光纤的对准，利用SPGD算法搜索最优解，但这些方法存在扫描时间长、控制带宽低和陷入局部最优解的缺陷，难以实现稳定、高效的空间光至光纤耦合。
发明内容
本发明要解决的技术问题为：克服现有空间光至光纤耦合时光轴初始对准困难、SPGD算法带宽低和陷入局部最优解的不足，提出了一种空间光至光纤耦合系统。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种空间光至光纤耦合系统，包括角锥棱镜、倾斜反射镜、分光镜、第一透镜、三维平移台、1×2光纤分束器、标定激光器、接收终端、光电探测器、第二透镜、第一驱动器、控制处理机和第二驱动器。标定激光器发出光束经第一透镜准直为平行光，小部分光能量经分光镜透射后由角锥棱镜共轴返回，再次经分光镜和第二透镜在光电探测器上聚焦，控制处理机将此光斑质心标定为耦合光纤轴的零点；由望远镜进入系统的空间光经倾斜反射镜和分光镜后，大部分光能量进入第一透镜并聚焦至光纤端面；小部分光能量经分光镜透射进入光电探测器。控制处理机采集光电探测器的光斑数据并以标定零点为基准控制倾斜反射镜运动，校正外部入射空间光与光纤接收端轴偏差，使空间光耦合进入光纤接收端。
其中，所述的三维平移台可进行电动或手动调整，用于光纤与第一透镜光轴初始对准，同时使光纤端面位于第一透镜焦点处。
其中，所述的1×2光纤分束器实现光纤端面的收发功能，其中的一路用于标定激光器的发射，另一路用于空间耦合激光进入接收终端。
其中，所述的标定激光器和角锥棱镜标定光纤光轴零点，空间光与光纤共轴控制策略可采用质心重合算法或环围能量最大化算法。
本发明与现有技术相比的有益效果是：
1)标定激光器经耦合光纤端面发出激光，并在光电探测器上显示光纤轴位置，实现空间光与光纤的光轴初始对准的可视化。同时，标定激光器可在线标定光纤轴位置，避免系统由于环境温度等变化引起的轴偏移、耦合效率低的影响。
2)快速反射倾斜镜直接以标定光纤轴位置为目标闭环，无需扫描搜索；空间光轴与光纤轴实时校正对准，减小了两者间的光轴偏差，可提高空间光至光纤的耦合效率。
附图说明
图1为本发明一种空间光至光纤耦合系统的结构示意图；图中，1为角锥棱镜，2为倾斜反射镜，3为分光镜，4为第一透镜，5为三维平移台，6为1×2光纤分束器，7为标定激光器，8为接收终端，9为第二透镜，10为光电探测器，11为第一驱动器，12为控制处理机，13为第二驱动器。
具体实施方式
下面结合附图以及具体实施实例进一步说明本发明，但不应以此限制本发明的保护范围。
如图1所示，本发明一种空间光至光纤耦合系统，包括角锥棱镜1、倾斜反射镜2、分光镜3、第一透镜4、三维平移台5、1×2光纤分束器6、标定激光器7、接收终端8、光电探测器10、第二透镜9、第一驱动器11、控制处理机12和第二驱动器13。1×2光纤分束器6采用模场半径w0为4.5μm的单模保偏光纤，分束后的两路光能量比为1:99。根据第一透镜4聚焦艾里斑与光纤的模场匹配原则，设计第一透镜4的有效通光口径为20mm，焦距为87mm。将1550nm波长标定激光器7接入分束器能量为1％的支路，第二驱动器13控制三维平移台5运动，使光纤与第一透镜4光轴初始对准，同时使光纤端面位于第一透镜4的焦点处，激光光束经第一透镜4准直为平行光；接收终端8接入分束器能量为99％的支路。分光镜3设计为透射＜10％的1550nm波长能量为，反射≥90％的1550nm波长能量为，＜10％的光能量由分光镜3透射后经角锥棱镜1共轴返回，再经分光镜3和第二透镜9在光电探测器10上聚焦，控制处理机12利用质心算法将此光斑标定为零点，然后关闭标定激光器7。望远镜接收的1550nm波长的空间光经倾斜反射镜2和分光镜3，其中≥90％的光能量由分光镜3反射进入第一透镜4聚焦为光斑，＜10％的光能量由分光镜3透射进入光电探测器10。控制处理机12采集光电探测器10的光斑数据并以标定零点为基准计算控制电压，控制电压量传输至第一驱动器11控制倾斜反射镜2运动，校正空间光光轴与光纤轴偏差，使空间光耦合进入单模保偏光纤，并传输至接收终端8。
空间光至光纤耦合系统中通常存在大气扰动、环境振动、温度和重力变化以及器件应力释放等动态因素引起的光束抖动和光轴偏离，当光斑偏移光纤的中心大于模场直径2w0时，空间光将无法耦合进入单模光纤。本发明系统校正后的空间光与光纤光轴的对准偏差＜0.1w0，校正精度主要受角锥棱镜的光束偏角影响。根据耦合效率与对准偏差的关系，校正后的对准偏差满足实现≥70％系统耦合效率的要求，有效提高了空间光至光纤的耦合效率。
本发明中涉及到的本领域公知技术未详细阐述。

Claims (4)

1.一种空间光至光纤耦合系统，其特征在于：包括角锥棱镜(1)、倾斜反射镜(2)、分光镜(3)、第一透镜(4)、三维平移台(5)、1×2光纤分束器(6)、标定激光器(7)、接收终端(8)、第二透镜(9)、光电探测器(10)、第一驱动器(11)、控制处理机(12)和第二驱动器(13)，其中，
标定激光器(7)发出光束经第一透镜(4)准直为平行光，小部分光能量经分光镜(3)透射后由角锥棱镜(1)共轴返回，再次经分光镜(3)和第二透镜(9)后聚焦至光电探测器(10)，控制处理机(12)将此光斑质心标定为耦合光纤轴的零点；由望远镜进入系统的空间光经倾斜反射镜(2)和分光镜(3)后，大部分光能量进入第一透镜(4)并聚焦至光纤端面；小部分光能量经分光镜(3)透射进入光电探测器(10)，控制处理机(12)采集光电探测器(10)的光斑数据并以标定零点为基准控制倾斜反射镜(2)运动，校正外部入射空间光与耦合光纤轴偏差，使空间光耦合进入光纤接收端。
2.根据权利要求1所述的一种空间光至光纤耦合系统，其特征在于：三维平移台(5)可进行电动或手动调整，用于光纤与第一透镜(4)光轴初始对准，同时使光纤端面位于第一透镜(4)焦点处。
3.根据权利要求1所述的一种空间光至光纤耦合系统，其特征在于：1×2光纤分束器(6)实现光纤端面的收发功能，其中的一路用于标定激光器(7)的发射，另一路用于空间耦合激光进入接收终端(8)。
4.根据权利要求1所述的一种空间光至光纤耦合系统，其特征在于：通过标定激光器(7)和角锥棱镜(1)标定光纤光轴零点，空间光与光纤共轴控制策略可采用质心重合算法或环围能量最大化算法。
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