CN109560878A - 基于相干探测的空间光到单模光纤的自适应耦合系统 - Google Patents

Abstract

一种基于相干探测的空间光到单模光纤的自适应耦合系统，包括望远镜接收单元，两个1/2波片，二维压电型快速反射镜及其驱动电路，偏振分光棱镜，耦合透镜，章动接收组件及章动驱动电路，光纤环形器，掺铒光纤放大器及其驱动电路，2nm光纤窄带滤波器，光学桥接器，本振激光器及其驱动，探测器，高速采集FPGA板，执行器主控FPGA板。该系统以光纤接收端章动的方式实现对微弱信号光的高灵敏度的检测并计算光斑与单模光纤的对准误差，进而以反馈控制的方式控制二维快速反射镜实现对视轴的自动调整，确保空间光到单模光纤的高效率耦合。

Description

基于相干探测的空间光到单模光纤的自适应耦合系统

技术领域

本发明涉及一种无光斑位置探测器的空间光到单模光纤的自适应耦合装置，特别适用于对入射光功率比较弱的情况下的高效率自适应耦合。

技术背景

自由空间光通信利用激光光束作为信息的载波具有通信容量大，通信速率高，保密性好等优点，特别是在星间光通信领域，由于没有大气扰动及恶劣天气的影响，星间光通信可以建立稳定的通信链路，实现高速率的信息传输。但是也存在一些需要解决的问题：星间两通信终端之间的距离比较远，特别是对于MEO、GEO及IGSO之间的卫星通信链路，在激光发射功率受限制的条件下，光束经过远距离传输后进入接收终端望远镜视场内的功率十分微弱(接近nW量级甚至pW量级)；另外，通信卫星双方处于相对运动中，且考虑到卫星自身执行器反作用力矩的影响等因素，卫星姿态出现抖动，频率介于0到250Hz之间。这些原因使得空间光到单模光纤的高效率耦合十分困难。

目前常用的空间光到单模光纤的自适应耦合装置依赖于高精度的光斑位置探测器，其原理是保证跟踪视轴和通信视轴重合的前提下，通过反馈控制使光斑位于光斑位置探测器的固定位置，进而保证空间光到单模光纤的高效率耦合。这种方案依赖于光斑位置探测器的灵敏度，属于光信号直接探测，灵敏度不高，而且装置容易因结构应力的释放，导致跟踪视轴和通信视轴不再重合，耦合效率变差。

本发明提供的一种基于相干探测的空间光到单模光纤的自适应耦合系统是在光信号接收端通过压电陶瓷管的圆轨迹章动引起光信号功率的周期性变化，再通过相干检测的方式解算接收端章动引起的功率起伏对应的包络信号进而解算出入射角的对准偏差，最后执行器主控控制快速反射镜补偿视轴偏差，使得空间光到单模光纤的自适应耦合系统在外界输入微弱光信号且存在抖动的情况下仍能保持高效率的耦合。

发明内容

本发明提供的一种基于相干探测的空间光到单模光纤的自适应耦合系统可以满足空间光到单模光纤的自适应高效率耦合，它克服了传统的基于光斑位置探测器的跟踪系统的不足。它具有结构紧凑，算法简单的优点，而且由于使用相干检测的方案解算对准偏差，探测灵敏度较以往的探测手段更高。

本发明的技术方案如下：

一种基于相干探测的空间光到单模光纤的自适应耦合系统包括望远镜接收单元，第一二分之一波片，快速反射镜及快速反射镜驱动电路，偏振分光棱镜，第二二分之一波片，耦合透镜，章动接收组件及章动驱动电路，光纤环形器，掺铒光纤放大器及掺铒光纤放大器驱动电路，2nm光纤窄带滤波器，光学桥接器，本振激光器及本振激光器驱动电路，探测器，高速采集FPGA板，执行器主控FPGA板。

所述的望远镜接收单元输出的平行光束经第一二分之一波片透射后，以45°倾角入射快速反射镜，反射的光束再依次经过偏振分光棱镜、第二二分之一波片后，经耦合透镜聚焦于章动接收组件夹持的单模光纤端面。耦合进入单模光纤的信号光经光纤环形器与掺铒光纤放大器信号光输入端口相连，掺铒光纤放大器信号光输出端口与2nm光纤窄带滤波器的输入端口相连，2nm光纤窄带滤波器的输出端口与光学桥接器的第一输入端口相连接，本振激光器的光信号输出端口通过光纤与光学桥接器的第一输入端口相连接，光学桥接器的输出端通过光纤与探测器输入端相连接。探测器的输出端口与高速采集FPGA板的输入端口相连接，高速采集FPGA板的第一输出端口与掺铒光纤放大器驱动电路的输入端口相连接，高速采集FPGA板的第二输出端口与执行器主控FPGA板的输入端口相连接，高速采集FPGA板的第三输出端口与本振激光器驱动电路的输入端口相连接。掺铒光纤放大器驱动电路的输出端口与掺铒光纤放大器的电信号输入端口相连，本振激光器驱动电路的输出端口与本振激光器的电信号输入端口相连接。执行器主控FPGA板的第一输出端口与章动驱动电路的输入端口相连，执行器主控FPGA板的第二输出端口与快速反射镜驱动电路的输入端口相连。章动驱动电路的输出端口与章动接收组件的电极输入端口相连接，快速反射镜驱动电路的输出端口与快速反射镜相连接。

所述的望远镜接收单元为透射式望远镜单元且所述的望远镜接收单元输出为近似平行光束。

所述的第一二分之一波片的作用是使透过偏振分光棱镜的光分量最强。

所述的第二二分之一波片的作用是使透射光束的偏振态与单模光纤中的偏振态相同，以保证光斑模场与单模光纤的模场的模场匹配。

所述的光纤环形器位于章动接收组件与掺铒光纤放大器之间，作用是在掺铒光纤放大器开启状态下分离掺铒光纤放大器到章动接收组件方向的反射光。

所述的掺铒光纤放大器的作用是实现对微弱光信号的放大。

所述的掺铒光纤放大器与光学桥接器之间有光纤2nm窄带滤波器。

所述的高速采集FPGA板通过检测探测器输出信号的幅值，自动调整掺铒光纤放大器驱动电路以改变掺铒光纤放大器的泵浦电流。

所述的探测器输出信号的幅值范围介于60mV到200mV之间。

所述的高速采集FPGA板采集探测器的输出电信号以解算光学桥接器的第一输入端口和第二输入端口输入光信号的频差和反应输入光信号功率起伏的包络信号。

所述的高速采集FPGA板根据所述的频差控制本振激光器驱动电路改变本振激光器输出光的频率以实现锁频，锁频的频差介于2MHz到5MHz之间。

所述的高速采集FPGA板按照标定的采样时间基准对所述的包络信号采样、解算对准误差并传输给执行器主控FPGA板。

所述的执行器主控FPGA板根据解算的对准误差反馈控制快速反射镜驱动电路改变快速反射镜的偏转角度。

所述的包络信号解算步骤包括方法A和方法B两种：

方法A为探测器输出IQ信号平方求和法，步骤如下：

1)高速采集FPGA板采集探测器输出的I+、I-、Q+、Q-四路电压信号，按照I路信号V1等于I+路电压值减去I-路电压值，Q路信号V2等于Q+路电压值减去Q-路电压值解算IQ两路电压幅值V1，V2。

2)IQ两路电压信号幅值V1，V2分别做平方运算后求和得到正比于输入光信号功率的解算功率信号P1

3)对解算功率信号P1进行滤波，得到所需包络信号

方法B为探测器(12)输出IQ单路功率信号平滑滤波法，步骤如下：

1)高速采集FPGA板采集探测器输出的I+、I-、Q+、Q-四路电压信号，按照I路信号V3等于I+路电压值减去I-路电压值，Q路信号V4等于Q+路电压值减去Q-路电压值解算IQ两路电压幅值V3，V4。

2)IQ两路电压信号幅值V3，V4分别做平方运算后得到对应的信号S1、S2，根据控制精度要求，按照章动周期的20到50分之一的时间窗口做积分得到各自对应的包络信号P3，P4

3)对解算的包络信号P3，P4求和得到所需的包络信号。

所述的标定采样时间基准步骤如下：

1)根据章动周期T，确定采样间隔为0.25T

2)快速反射镜方位轴正向偏转条件下，调整高速采集FPGA板对包络信号的采样起始时刻，使采样起始时刻点与包络信号最大值点重合。

3)快速反射镜俯仰轴正向偏转条件下，检测每个取样周期中第二个采样点是否与包络信号最大值点重合，重合则调整完毕，不重合则调整章动驱动电路使章动沿圆轨迹运动反向。

与目前应用广泛的基于光斑位置探测器直接探测光斑对准误差的自适应耦合装置相比，本设计能够简化跟踪光路结构，实现跟踪与通信信号的复用，对跟踪视轴装调精度和工作环境的依赖程度降低；本系统采用了相干探测的信息获取方式，具有非常高的探测灵敏度；本系统直接从信号光中提取对准误差，适用于无信标情况下的自由空间光通信系统。

附图说明

图1为本发明一种基于相干探测的空间光到单模光纤的自适应耦合系统框图图中：01-望远镜接收单元、02-二分之一波片、03-快速反射镜、04-偏振分光棱镜、05-二分之一波片、06-耦合透镜、07-章动接收组件、08-光纤环形器、09-掺铒光纤放大器、10-2nm光纤窄带滤波器、11-光学桥接器、12-探测器、13-高速采集FPGA板、14-本振激光器驱动电路、15-本振激光器、16-掺铒光纤放大器驱动电路、17-执行器主控FPGA板、18-快速反射镜驱动电路、19-章动驱动电路。

具体实施方式

下面结合实例和附图对本发明设计的无光斑位置探测器的空间光到单模光纤的自适应耦合系统做进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。

参照图1，图1为无光斑位置探测器的空间光到单模光纤的自适应耦合系统结构框图。由图1可知，本发明设计的无光斑位置探测器的空间光到单模光纤的自适应耦合系统由望远镜接收单元01、第一二分之一波片02、快速反射镜03、偏振分光棱镜04、第二二分之一波片05、耦合透镜06、章动接收组件07、光纤环形器08、掺铒光纤放大器09、光纤2nm窄带滤波器10、光学桥接器11、探测器12、高速采集FPGA板13、本振激光器驱动电路14、本振激光器15、掺铒光纤放大器驱动电路16、执行器主控FPGA板17、快速反射镜驱动电路18、章动驱动电路19组成。

具体的连接方式如图1所示，所述的望远镜接收单元01输出的平行光束经第一二分之一波片02透射后，以45°倾角入射快速反射镜03，反射的光束再依次经过偏振分光棱镜04、第二二分之一波片05后，经耦合透镜06聚焦于章动接收组件07夹持的单模光纤端面。耦合进入单模光纤的信号光经光纤环形器08与掺铒光纤放大器09信号光输入端口相连，掺铒光纤放大器09信号光输出端口与2nm光纤窄带滤波器10的输入端口相连，2nm光纤窄带滤波器10的输出端口与光学桥接器11的第一输入端口相连接，本振激光器15的光信号输出端口通过光纤与光学桥接器11的第一输入端口相连接，光学桥接器11的输出端通过光纤与探测器12输入端相连接。探测器12的输出端口与高速采集FPGA板13的输入端口相连接，高速采集FPGA板13的第一输出端口与掺铒光纤放大器驱动电路16的输入端口相连接，高速采集FPGA板13的第二输出端口与执行器主控FPGA板17的输入端口相连接，高速采集FPGA板13的第三输出端口与本振激光器驱动电路14的输入端口相连接。掺铒光纤放大器驱动电路16的输出端口与掺铒光纤放大器09的电信号输入端口相连，本振激光器驱动电路14的输出端口与本振激光器15的电信号输入端口相连接。执行器主控FPGA板17的第一输出端口与章动驱动电路19的输入端口相连，执行器主控FPGA板17的第二输出端口与快速反射镜驱动电路18的输入端口相连。章动驱动电路19的输出端口与章动接收组件07的电极输入端口相连接，快速反射镜驱动电路18的输出端口与快速反射镜03相连接。

在使用本发明设计的空间光到单模光纤的自适应耦合系统时，系统的调节及标定应满足必要的指标要求。首先，望远镜接收单元01接收入射光并输出直径9.3mm的平行光束，光束透射第一二分之一波片02后以45°入射快速快速反射镜03，反射光束先后经过偏振分光棱镜04、第二二分之一波片05后经耦合透镜06汇聚于单模光纤端面。其中，耦合透镜06的焦距为42mm。光路调节过程中，调整第一二分之一波片02使偏振分光棱镜04透射光功率最大，调整第二二分之一波片05改变光束的偏振方向使耦合透镜06焦平面上艾里斑的模场与单模光纤的偏振态模式匹配。

执行器主控FPGA板17产生频率为2kHz，幅值2.1V，偏置1.07V的正弦信号和余弦信号，控制章动驱动电路19产生四路幅值120V，偏置60V的正弦驱动信号，相位分别为0°，90°，180°和270°。四路相位差90°的驱动信号分别连接章动接收组件07的电极的X+、Y+、X-、Y-，在该信号激励下，章动接收组件07驱动中心夹持单模光纤的压电陶瓷管做半径约为0.6um的圆轨迹运动。

由于接收端的圆轨迹运动，耦合进入单模光纤端面的光信号引入周期性功率起伏。

功率周期性起伏的信号光耦合进入单模光纤后经光纤环形器08进入掺铒光纤放大器09，该掺铒光纤放大器在掺铒光纤放大器驱动电路16的驱动下，对于功率小于-50dBm的光信号最大放大倍数约为40dB，初始状态下放大倍数设为中间值。同时高速采集FPGA板13控制本振激光器驱动电路14使本振激光器15输出1550nm波段，功率-10dBm的本振激光。信号光和本振激光在光学桥接器11内相干并输出四路相位差90°的光信号进入探测器12，探测器12输出四路相位差90°的交流电压信号Vi+、Vi-、Vq+、Vq-，高速采集FPGA板13通过高速ADC采集交流电压信号Vi+、Vi-、Vq+、Vq-，通过做减法求得IQ两路信号Vi和Vq的电压幅值，满足关系：Vi＝Vi+-Vi-，Vq＝Vq+-Vq-。

之后IQ两路信号进行相应的解算处理求频差和信号包络强度，处理流程如下：

①对I和Q路信号求傅里叶变换(FFT)，求解频差Δf。

②对I路和Q路信号分别求平方，然后求和，再经过低通滤波得到所需的包络信号。

高速采集FPGA板13将求解的频差Δf与系统预设值比较，判断是否需要控制本振激光器驱动电路14改变本振激光器15输出光信号的频率，本案例所使用的本振激光器15输出的光信号频率是随着控制电压的增大而增大，因此如果频差小于预设值，高速采集FPGA板13则增大相应DAC的输出电压值，使本振激光器15输出光信号频率增大，反之则减小DAC的输出。

高速采集FPGA板13对解算的包络信号按照标定的时间基准进行定周期采样，其标定及解算步骤如下：

1)根据章动周期T＝500us，确定采样间隔为125us。

2)快速反射镜俯仰轴向偏转0rad，方位轴正向偏转80urad条件下，调整高速采集FPGA板对包络信号的采样起始时刻，使采样起始时刻点与包络信号最大值点重合。

3)快速反射镜方位轴向偏转0rad，俯仰轴正向偏转80urad条件下，检测每个取样周期中第二个采样点是否与包络信号最大值点重合，重合则调整完毕，不重合则调整章动驱动电路使章动沿圆轨迹运动反向。

实际工作(标定后)时，设每个章动周期内位置X+、X-、Y+、Y-对应包络信号上的四个点X1，X3，Y2，Y4的功率大小分别为P1、P3、P2、P4，则按照如下规则解算对准偏差：

式中，R为章动轨迹半径，在本案例中R＝0.6um，ω₀为单模光纤的模场半径，此处取7um。

高速采集FPGA板13根据公式(1)和公式(2)解算光斑与单模光纤的对准偏差并将该偏差通过LVDS接口发送执行器主控FPGA板17，执行器主控FPGA板17根据对准偏差Δx、Δy进行PID运算解算出用于补偿对准偏差的控制电压信号驱动快速反射镜驱动电路18改变快速反射镜03的方位俯仰指向，减小对准偏差。

对准偏差为0或者接近零时(XY轴对准偏差小于45urad)时，高速采集FPGA板13通过判断四路电压信号的幅值范围决定是否改变掺铒光纤放大器驱动电路16的控制电压，如果电压小于80mV，则增大泵浦电流以增大掺铒光纤放大器09的放大倍数。反之，大于200mV则减小泵浦电流。

正常工作状态下，该空间光到单模光纤的自适应耦合系统对信号光具有极高的探测灵敏度，根据目前的测试结果，本发明能够在输入光信号功率介于1nW到10nW的情况下保证耦合效率大于64％。

本发明说明书中对于本领域技术人员的公知知识未作详细描述。

Claims (16)

1.一种基于相干探测的空间光到单模光纤的自适应耦合系统，其特征在于包括望远镜接收单元(01)，第一二分之一波片(02)，快速反射镜(03)及快速反射镜驱动电路(18)，偏振分光棱镜(04)，第二二分之一波片(05)，耦合透镜(06)，章动接收组件(07)及章动驱动电路(19)，光纤环形器(08)，掺铒光纤放大器(09)及掺铒光纤放大器驱动电路(16)，2nm光纤窄带滤波器(10)，光学桥接器(11)，本振激光器(15)及本振激光器驱动电路(14)，探测器(12)，高速采集FPGA板(13)和执行器主控FPGA板(17)；

所述的望远镜接收单元(01)输出的平行光束经第一二分之一波片(02)透射后，以45°倾角入射快速反射镜(03)，经该快速反射镜(03)反射的光束再依次经过偏振分光棱镜(04)、第二二分之一波片(05)后，经耦合透镜(06)聚焦于章动接收组件(07)夹持的单模光纤端面；

所述的章动接收组件(07)的输出端通过光纤与光纤环形器(08)的输入端相连，该光纤环形器(08)的输出端与掺铒光纤放大器(09)的光信号输入端口相连，掺铒光纤放大器(09)信号光输出端口与2nm光纤窄带滤波器(10)的输入端口相连，2nm光纤窄带滤波器(10)的输出端口与光学桥接器(11)的第一输入端口相连接，本振激光器(15)的光信号输出端口通过光纤与光学桥接器(11)的第一输入端口相连接，光学桥接器(11)的输出端通过光纤与探测器(12)输入端相连接，探测器(12)的输出端口与高速采集FPGA板(13)的输入端口相连接，高速采集FPGA板(13)的第一输出端口与掺铒光纤放大器驱动电路(16)的输入端口相连接，高速采集FPGA板(13)的第二输出端口与执行器主控FPGA板(17)的输入端口相连接，高速采集FPGA板(13)的第三输出端口与本振激光器驱动电路(14)的输入端口相连接，本振激光器驱动电路(14)的输出端口与本振激光器(15)的电信号输入端口相连接，掺铒光纤放大器驱动电路(16)的输出端口与掺铒光纤放大器(09)的电信号输入端口相连；执行器主控FPGA板(17)的第一输出端口与章动驱动电路(19)的输入端口相连，执行器主控FPGA板(17)的第二输出端口与快速反射镜驱动电路(18)的输入端口相连；章动驱动电路(19)的输出端口与章动接收组件(07)的电极输入端口相连接，快速反射镜驱动电路(18)的输出端口与快速反射镜(03)相连接。

2.根据权利要求1所述的一种基于相干探测的空间光到单模光纤的自适应耦合系统，其特征在于所述的望远镜接收单元(01)为反射式离轴望远镜单元。

3.根据权利要求1所述的一种基于相干探测的空间光到单模光纤的自适应耦合系统，其特征在于所述的第一二分之一波片(02)的作用是使透过偏振分光棱镜(04)的光分量最强。

4.根据权利要求1所述的一种基于相干探测的空间光到单模光纤的自适应耦合系统，其特征在于所述的第二二分之一波片(05)的作用是使透射光束的偏振态与单模光纤中的偏振态相同，以保证光斑模场与单模光纤的模场的模场匹配。

5.根据权利要求1所述的一种基于相干探测的空间光到单模光纤的自适应耦合系统，其特征在于所述的光纤环形器(08)的作用是分离掺铒光纤放大器(09)到章动接收组件(07)方向的反射光。

6.根据权利要求1所述的一种基于相干探测的空间光到单模光纤的自适应耦合系统，其特征在于所述的掺铒光纤放大器(09)的作用是实现对微弱光信号的放大。

7.根据权利要求1所述的一种基于相干探测的空间光到单模光纤的自适应耦合系统，其特征在于所述的掺铒光纤放大器(09)和探测器(12)工作在各自的线性区。

8.根据权利要求1所述的一种基于相干探测的空间光到单模光纤的自适应耦合系统，其特征在于所述的高速采集FPGA板(13)通过采集探测器(12)输出信号的幅值，自动调整掺铒光纤放大器驱动电路(16)以改变掺铒光纤放大器(09)的泵浦电流。

9.根据权利要求8所述的一种基于相干探测的空间光到单模光纤的自适应耦合系统，其特征在于所述的探测器(12)输出信号的幅值范围介于80mV到200mV之间。

10.根据权利要求1所述的一种基于相干探测的空间光到单模光纤的自适应耦合系统，其特征在于所述的高速采集FPGA板(13)采集探测器(12)的输出电信号以解算光学桥接器(11)的第一输入端口和第二输入端口输入光信号的频差和反应输入光信号功率起伏的包络信号。

11.根据权利要求10所述的一种基于相干探测的空间光到单模光纤的自适应耦合系统，其特征在于所述的高速采集FPGA板(13)根据所述的频差，控制本振激光器驱动电路(14)改变本振激光器(15)输出激光的频率，以实现锁频。

12.根据权利要求11所述的一种基于相干探测的空间光到单模光纤的自适应耦合系统，其特征在于所述的锁频的频差介于2MHz到5MHz之间。

13.根据权利要求10所述的一种基于相干探测的空间光到单模光纤的自适应耦合系统，其特征在于所述的高速采集FPGA板(13)按照标定的采样时间基准对所述的包络信号采样、解算对准误差，并传输给执行器主控FPGA板(17)。

14.根据权利要求10所述的一种基于相干探测的空间光到单模光纤的自适应耦合系统，其特征在于所述的执行器主控FPGA板(17)根据接收的对准误差信号，控制快速反射镜驱动电路(18)改变快速反射镜(03)的偏转角度。

15.根据权利要求10所述的一种基于相干探测的空间光到单模光纤的自适应耦合系统，其特征在于所述的包络信号解算步骤有方法A和方法B两种：

方法A为探测器(12)输出IQ信号平方求和法，步骤如下：

1)高速采集FPGA板(13)采集探测器(12)输出的I+、I-、Q+、Q-四路电压信号，按照I路信号电压值V1等于I+路电压值减去I-路电压值，Q路信号电压值V2等于Q+路电压值减去Q-路电压值，解算I路信号电压值V1和Q路信号电压值V2；

2)IQ两路电压信号幅值V1，V2分别做平方运算后求和得到正比于输入光信号功率的包络信号P1；

3)对包络信号P1进行滤波，得到所需包络信号；

方法B为探测器(12)输出IQ单路功率信号平滑滤波法，步骤如下：

1)高速采集FPGA板(13)采集探测器(12)输出的I+、I-、Q+、Q-四路电压信号，按照I路信号电压值V1等于I+路电压值减去I-路电压值，Q路信号电压值V2等于Q+路电压值减去Q-路电压值，解算I路信号电压值V1和Q路信号电压值V2；

2)IQ两路电压信号幅值V1，V2分别做平方运算后得到对应的信号S1、S2，根据控制精度要求，按照章动周期的20到50分之一的时间窗口做积分得到I路正比于输入光信号功率的包络信号P3和Q路正比于输入光信号功率的包络信号P4；

3)对包络信号P3，P4求和得到所需的包络信号。

16.根据权利要求10所述的一种基于相干探测的空间光到单模光纤的自适应耦合系统，其特征在于所述的标定采样时间基准步骤如下：

1)根据章动周期T，确定采样间隔为0.25T；

2)快速反射镜(03)方位轴正向偏转条件下，调整高速采集FPGA板(13)对包络信号的采样起始时刻，使采样起始时刻点与包络信号最大值点重合；

3)快速反射镜(03)俯仰轴正向偏转条件下，检测每个取样周期中第二个采样点是否与包络信号最大值点重合，重合则调整完毕，不重合则调整章动驱动电路(19)使章动沿圆轨迹运动反向。