CN110133803B - 一种利用模式转换提高单模光纤耦合效率的方法 - Google Patents

一种利用模式转换提高单模光纤耦合效率的方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种利用模式转换提高单模光纤耦合效率的方法，首先，对接收的光班进行拟合，分析并分解出其各阶模式所占的权重系数；其次，建立转换传输函数，并将其转化成相应的控制信号加载到变形镜上驱动变形镜各单元进行形变，变形镜的形变量加载到变形镜上完成相位改变，实现整体转换传输函数的模式转换，最后，将转换后接收到的目标模式结合最优化算法实现高精度模式转换。在空间中采用转换模式的方法将混合模式通过分解再经过转换器件转换成所需模式，简化了转换操作，减轻了接收端的重量，为单模光纤耦合提供了简单便捷的操作。

Description

一种利用模式转换提高单模光纤耦合效率的方法
技术领域
本发明属于无线光通信技术领域，具体涉及一种利用模式转换提高单模光纤耦合效率的方法。
背景技术
无线光(Free Space Optical Communication，FSOC)通信是一种以光为信号载体，在自由空间中实现语音、图像、视频等数据信息无线传输的通信技术。具有通信容量大、通信速率高、抗干扰能力强、抗截获能力强、体积小、重量轻以及功耗低等优点，具有十分广泛的应用前景。
为了更好的提升无线光通信稳定性能和可靠性，在无线光通信系统中越来越多地采用了很多现有成熟的光纤技术和设备。这也引入了一个新的问题，如何将更多的光耦合进单模光纤中，也就是如何提高耦合效率，这成为无线光通信领域的关键技术之一。
接收端采用的单模光纤，所能收集和传输到的光模式为基模形式。激光器所发出的光为基模形式，信号光经过自由空间传输后经历了大气湍流、漂移、到达角起伏、闪烁等影响因素，模式在空间中传输过程中发生了退变，退化成了各高阶模式的混合。导致接收端的基模的比重降低，传输的能量分散。
为了大幅度提高空间光-单模光纤的耦合效率，同时还应当具有结构简单、体积小、重量轻、能耗低、成本低的特点，设计一种通过自由空间型模式转换法来提高耦合效率尤为重要。
发明内容
本发明的目的是提供一种利用模式转换提高单模光纤耦合效率的方法，通过空间转换方法将光斑模式转化为基模形式，提高了单模光纤的耦合效率。
本发明所采用的技术方案是，一种利用模式转换提高单模光纤耦合效率的方法，具体按照以下步骤实施：
步骤1，模式分解：利用光束分析仪，对接收的光斑进行拟合，分析并分解出其各阶模式所占的权重系数；
步骤2，建立转换传输函数：根据模式分解得到对应模式的类型和所占的权重系数，推导各阶模式到基模的转换传输函数，将计算得到的转换传输函数和对应的系数进行叠加，得到最终的转换传输函数；
步骤3，将经步骤2后得到的转换传输函数转化成相应的控制信号加载到变形镜上驱动变形镜各单元进行形变，以形成所需要的波面形式，变形镜(DM)的总面行量I(r)，如式(7)所示：
Figure GDA0002446470060000021
式(7)中，N为DM促动器个数；Ij为施加在第j个促动器上的控制电流；Sj(r)为第j个促动器的控制信号函数；
变形镜的形变量加载到变形镜上完成相位改变，实现整体转换传输函数的模式转换，如式(8)所示：
Figure GDA0002446470060000031
式(8)中，ω为促动器的交连值，α为高斯指数，d为促动器之间的归一化间距，(xj,yj)为第j个促动器的坐标；
步骤4，将转换后接收到的目标模式结合最优化算法实现高精度模式转换。
本发明的特点还在于，
步骤1中，模式分解，具体步骤如下：
步骤1.1，光斑拟合
在自由空间光通信系统中，接收到的光为部分相干光，采用光束分析仪对接收所得到的光斑进行最小二乘拟合，得到拟合后的光束；
步骤1.2，光束分解
将经步骤1.1后得到的光束采用高斯-谢尔模型(Gaussian Schell Model,GSM)表示，如式(1)所示：
Figure GDA0002446470060000032
式(1)中，脚标s表示模式，且为一系列整数；ω为角频率，ω＝2πc/λ；λs为对应模式
Figure GDA0002446470060000033
的模系数；
在准单色场近似下，按照模式展开理论，部分相干光的交叉谱密度，根据交叉谱密度将光束进行模式分类，之后选择一个正交归一系，每一种模式都是公式(2)积分方程的解：
Figure GDA0002446470060000034
其中，λs≥0；
根据式(1)和式(2)得到对应的模式ψs和所占的权重系数λs。
步骤2中，建立转换传输函数，具体步骤如下：
步骤2.1，通过步骤1得到各阶模式，在4F系统上，将各阶模式转换成基模，并推导单个高阶模式到基模的转换传输函数；
单个转换传输函数的建立由输入单个模式和最终目标模式共同决定，单个转换传输函数
Figure GDA0002446470060000041
的表达式，如式(3)所示，
Figure GDA0002446470060000042
式(3)中，
Figure GDA0002446470060000043
为目标模式，
Figure GDA0002446470060000044
为输入模式；
所有涉及到的模式类型均以LP模式来表示，LP模式的场分布表达式
Figure GDA0002446470060000045
具体形式，如式(4)所示，
Figure GDA0002446470060000046
式(4)中，m,n为对应的模式数；
Figure GDA0002446470060000047
为广义拉盖尔多项式；r,θ为对应的圆柱坐标；cos(mθ)和sin(mθ)分别为简并解；
Figure GDA0002446470060000048
a为光纤直径，NA为光纤数值孔径，k＝2π/λ，λ为输入光波的波长；
所涉及的单个转换传输函数的建立，在只考虑前九阶模式的情况下，将对应的LP模式即公式(4)带入前九阶模式到基模的转换传输函数中，如式(5)所示，即得到LPm,n到LP01(基模)的单个转换传输函数
Figure GDA0002446470060000051
即
Figure GDA0002446470060000052
Figure GDA0002446470060000053
步骤2.2，建立整体转换传输函数；
根据步骤2.1得到的各阶模式到基模的转换传输函数
Figure GDA0002446470060000054
结合步骤1中得到的各阶模式所占的权重系数λi，建立统一的整体转换传输函数φ，即单个模式到到基模的转换传输函数的线性叠加，如公式(6)所示；
Figure GDA0002446470060000055
式(6)中，λi为各个模式的权重系数，
Figure GDA0002446470060000056
为各阶模式到基模的单个转换传输函数。
步骤4中，将转换后接收到的目标模式结合最优化算法实现高精度模式转换，具体为：
对步骤2.2中式(6)中加载的整体转换传输函数
Figure GDA0002446470060000061
的相位进行改变，令其相位
Figure GDA0002446470060000062
当相位位于0-π时，对其
Figure GDA0002446470060000063
当相位位于π-2π时，对其
Figure GDA0002446470060000064
依据判断准则计算概率接收或拒绝时当前的像素点相位值的改变量，如式(9)所示；
Figure GDA0002446470060000065
当改变相位后η值增大，选取新的相位；当改变相位后η值减小，不改变当前相位；每一个像素点同样按照此方法，利用模拟退火算法，外层循环为整体像素点相位，内层循环为对应的相位改变
Figure GDA0002446470060000066
循环寻找出最优的相位传输函数，以目标模式与理想模式的互相关函数η来评价，寻找最优的转换传输函数使得转换效率达到最大。
本发明的有益效果是，
通过空间转换方法将光斑模式转化为基模形式，提高了单模光纤的耦合效率；对模式转换提供了新的应用场景。在空间中采用转换模式的方法将混合模式通过分解再经过转换器件转换成所需模式，简化了转换操作，减轻了接收端的重量，为单模光纤耦合提供了简单便捷的操作。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明进行详细说明。
本发明一种利用模式转换提高单模光纤耦合效率的方法，具体按照以下步骤实施：
步骤1，模式分解：利用光束分析仪，对接收的光斑进行拟合，分析并分解出其各阶模式所占的权重系数，具体步骤如下：
步骤1.1，光斑拟合
在自由空间光通信系统中，接收到的光为部分相干光，采用光束分析仪对接收所得到的光斑进行最小二乘拟合，得到拟合后的光束；
步骤1.2，光束分解
将经步骤1.1后得到的光束采用高斯-谢尔模型(Gaussian Schell Model,GSM)表示，如式(1)所示：
Figure GDA0002446470060000071
式(1)中，脚标s表示模式，且为一系列整数；ω为角频率，ω＝2πc/λ；λs为对应模式
Figure GDA0002446470060000072
的模系数；
在准单色场近似下，按照模式展开理论，部分相干光的交叉谱密度，根据交叉谱密度将光束进行模式分类，之后选择一个正交归一系，每一种模式都是公式(2)积分方程的解：
Figure GDA0002446470060000073
其中，λs≥0；
根据式(1)和式(2)得到对应的模式ψs和所占的权重系数λs；
步骤2，建立转换传输函数：根据模式分解得到对应模式的类型和所占的权重系数，推导各阶模式到基模的转换传输函数，将计算得到的转换传输函数和对应的系数进行叠加，得到最终的转换传输函数，具体步骤如下：
步骤2.1，通过步骤1.2得到各阶模式，在4F系统上，将各阶模式转换成基模，并推导单个高阶模式到基模的转换传输函数；
单个转换传输函数的建立由输入单个模式和最终目标模式共同决定，单个转换传输函数
Figure GDA0002446470060000081
的表达式，如式(3)所示，
Figure GDA0002446470060000082
式(3)中，
Figure GDA0002446470060000083
为目标模式，
Figure GDA0002446470060000084
为输入模式；
所有涉及到的模式类型均以LP模式来表示，LP模式的场分布表达式
Figure GDA0002446470060000085
具体形式，如式(4)所示，
Figure GDA0002446470060000086
式(4)中，m,n为对应的模式数；
Figure GDA0002446470060000087
为广义拉盖尔多项式；r,θ为对应的圆柱坐标；cos(mθ)和sin(mθ)分别为简并解；
Figure GDA0002446470060000088
a为光纤直径，NA为光纤数值孔径，k＝2π/λ，λ为输入光波的波长；
所涉及的单个转换传输函数的建立，在只考虑前九阶模式的情况下，将对应的LP模式即公式(4)带入前九阶模式到基模的转换传输函数中，如式(5)所示，即得到LPm,n到LP01(基模)的单个转换传输函数
Figure GDA0002446470060000089
即
Figure GDA00024464700600000810
Figure GDA0002446470060000091
步骤2.2，建立整体转换传输函数；
根据步骤2.1得到的各阶模式到基模的转换传输函数
Figure GDA0002446470060000092
结合步骤1.2中得到的各阶模式所占的权重系数λi，建立统一的整体转换传输函数φ，即单个模式到到基模的转换传输函数的线性叠加，如公式(6)所示；
Figure GDA0002446470060000093
式(6)中，λi为步骤1.2计算出的各个模式的权重系数，
Figure GDA0002446470060000094
为步骤2.1计算出来的各阶模式到基模的单个转换传输函数；
步骤3，将经步骤2.2后得到的整体转换传输函数转化成相应的控制信号加载到变形镜上驱动变形镜各单元进行形变，变形镜是利用其电压的大小控制其表面形变量来使变形面的分布改变，以形成所需要的波面形式，变形镜(DM)的总面行量I(r)，如式(7)所示：
Figure GDA0002446470060000095
式(7)中，N为DM促动器个数；Ij为施加在第j个促动器上的控制电流；Sj(r)为第j个促动器的控制信号函数；
变形镜的形变量加载到变形镜上完成相位改变，实现整体转换传输函数的模式转换，如式(8)所示：
Figure GDA0002446470060000101
式(8)中，ω为促动器的交连值，α为高斯指数，d为促动器之间的归一化间距，(xj,yj)为第j个促动器的坐标；
步骤4，将转换后接收到的目标模式结合最优化算法实现高精度模式转换；
由于像素点间的相位变化可以提现空间频率的高频和低频；以像素点间的相位变化来弥补忽略的振幅，优化模式转换，实现高精度转换；
具体为：对步骤2.2中式(5)中加载的整体转换传输函数
Figure GDA0002446470060000102
的相位进行改变，令其相位
Figure GDA0002446470060000103
当相位位于0-π时，对其
Figure GDA0002446470060000104
当相位位于π-2π时，对其
Figure GDA0002446470060000105
依据判断准则计算概率接收或拒绝时当前的像素值的改变量，如式(9)所示；
Figure GDA0002446470060000106
η表示转换后的光场和理想条件下的光场的相关程度。当为1时，为完全相关；当为0时，完全不相关；0-1时为部分相关；其η值越越接近于1越好；
当改变相位后η值增大，选取新的相位；当改变相位后η值减小，不改变当前相位；每一个像素点同样按照此方法，利用模拟退火算法，外层循环为整体像素点相位，内层循环为对应的相位改变
Figure GDA0002446470060000111
循环寻找出最优的相位传输函数。以目标模式与理想模式的互相关函数η来评价，寻找最优的转换传输函数使得转换效率达到最大。以实现高精度的模式转换，从而得到高质量的LP01模式。
通过空间转换方法将光斑模式转化为基模形式，提高了单模光纤的耦合效率；对模式转换提供了新的应用场景。单模光纤收集接收的模式为基模(LP01模式)，转换前为能量分散，模式混合的光班，不易被单模光纤接收，大部分未收集，经过本发明的方法模式转换后得到LP01模式，能量集中且都能被单模光纤收集。

Claims (3)

1.一种利用模式转换提高单模光纤耦合效率的方法，其特征在于，具体按照以下步骤实施：
步骤1，模式分解：利用光束分析仪，对接收的光斑进行拟合，分析并分解出其各阶模式所占的权重系数；具体步骤如下：
步骤1.1，光斑拟合
在自由空间光通信系统中，接收到的光为部分相干光，采用光束分析仪对接收所得到的光斑进行最小二乘拟合，得到拟合后的光束；
步骤1.2，光束分解
将经步骤1.1后得到的光束采用高斯-谢尔模型(Gaussian Schell Model,GSM)表示，如式(1)所示：
Figure FDA0002446470050000011
式(1)中，脚标s表示模式，且为一系列整数；ω为角频率，ω＝2πc/λ；λs为对应模式
Figure FDA0002446470050000012
的模系数；
在准单色场近似下，按照模式展开理论，部分相干光的交叉谱密度，根据交叉谱密度将光束进行模式分类，之后选择一个正交归一系，每一种模式都是公式(2)积分方程的解：
Figure FDA0002446470050000013
其中，λs≥0；
根据式(1)和式(2)得到对应的模式ψs和所占的权重系数λs；
步骤2，建立转换传输函数：根据模式分解得到对应模式的类型和所占的权重系数，推导各阶模式到基模的转换传输函数，将计算得到的转换传输函数和对应的系数进行叠加，得到最终的转换传输函数；
步骤3，将经步骤2后得到的转换传输函数转化成相应的控制信号加载到变形镜上驱动变形镜各单元进行形变，以形成所需要的波面形式，变形镜(DM)的总面行量I(r)，如式(7)所示：
Figure FDA0002446470050000021
式(7)中，N为DM促动器个数；Ij为施加在第j个促动器上的控制电流；Sj(r)为第j个促动器的控制信号函数；
变形镜的形变量加载到变形镜上完成相位改变，实现整体转换传输函数的模式转换，如式(8)所示：
Figure FDA0002446470050000022
式(8)中，ω为促动器的交连值，α为高斯指数，d为促动器之间的归一化间距，(xj,yj)为第j个促动器的坐标；
步骤4，将转换后接收到的目标模式结合最优化算法实现高精度模式转换。
2.根据权利要求1所述的一种利用模式转换提高单模光纤耦合效率的方法，其特征在于，所述步骤2中，建立转换传输函数，具体步骤如下：
步骤2.1，通过步骤1得到各阶模式，在4F系统上，将各阶模式转换成基模，并推导单个高阶模式到基模的转换传输函数；
单个转换传输函数的建立由输入单个模式和最终目标模式共同决定，单个转换传输函数
Figure FDA0002446470050000031
的表达式，如式(3)所示，
Figure FDA0002446470050000032
式(3)中，
Figure FDA0002446470050000033
为目标模式，
Figure FDA0002446470050000034
为输入模式；
所有涉及到的模式类型均以LP模式来表示，LP模式的场分布表达式
Figure FDA0002446470050000035
具体形式，如式(4)所示，
Figure FDA0002446470050000036
式(4)中，m,n为对应的模式数；
Figure FDA0002446470050000037
为广义拉盖尔多项式；r,θ为对应的圆柱坐标；cos(mθ)和sin(mθ)分别为简并解；
Figure FDA0002446470050000038
a为光纤直径，NA为光纤数值孔径，k＝2π/λ，λ为输入光波的波长；
所涉及的单个转换传输函数的建立，在只考虑前九阶模式的情况下，将对应的LP模式即公式(4)带入前九阶模式到基模的转换传输函数中，如式(5)所示，即得到LPm,n到LP01(基模)的单个转换传输函数
Figure FDA0002446470050000039
即
Figure FDA00024464700500000310
Figure FDA00024464700500000311
步骤2.2，建立整体转换传输函数；
根据步骤2.1得到的各阶模式到基模的转换传输函数
Figure FDA0002446470050000041
结合步骤1中得到的各阶模式所占的权重系数λi，建立统一的整体转换传输函数φ，即单个模式到到基模的转换传输函数的线性叠加，如公式(6)所示；
Figure FDA0002446470050000042
式(6)中，λi为各个模式的权重系数，
Figure FDA0002446470050000043
为各阶模式到基模的单个转换传输函数。
3.根据权利要求2所述的一种利用模式转换提高单模光纤耦合效率的方法，其特征在于，所述步骤4中，将转换后接收到的目标模式结合最优化算法实现高精度模式转换，具体为：
对步骤2.2中式(6)中加载的整体转换传输函数
Figure FDA0002446470050000044
的相位进行改变，令其相位
Figure FDA0002446470050000045
当相位位于0-π时，对其
Figure FDA0002446470050000046
当相位位于π-2π时，对其
Figure FDA0002446470050000047
依据判断准则计算概率接收或拒绝时当前的像素点相位值的改变量，如式(9)所示；
Figure FDA0002446470050000048
当改变相位后η值增大，选取新的相位；当改变相位后η值减小，不改变当前相位；每一个像素点同样按照此方法，利用模拟退火算法，外层循环为整体像素点相位，内层循环为对应的相位改变
Figure FDA0002446470050000051
循环寻找出最优的相位传输函数，以目标模式与理想模式的互相关函数η来评价，寻找最优的转换传输函数使得转换效率达到最大。
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