CN114002787B - 基于探针光的光纤相干阵列相位控制系统 - Google Patents

Abstract

基于探针光的光纤相干阵列相位控制系统，其激光器输出的波长为λ的激光经倍频器倍频后的输出激光中包含波长为λ和λ/2的激光，倍频器的输出激光经环行器后，由分束器均分为n路子光束，每路子光束分别对应的传输路径上均设有相位调制器、光纤放大器以及光纤输出端，光纤输出端对波长为λ/2的激光高透、对波长为λ的激光高反；每路子光束中波长为λ的激光由各路光纤输出端反射沿原路返回，经环行器输入到光电探测器，在光电探测器处发生干涉生成评价函数，相位控制单元据此生成控制信号加载到各路子光束对应的相位调制器上，从而实现各路子光束间的相位控制。本发明能有效降低相位控制部分的复杂性，减小系统体积重量。

Description

基于探针光的光纤相干阵列相位控制系统

技术领域

本发明涉及光纤激光阵列相干合成技术领域，特别是涉及一种基于探针光的光纤相干阵列相位控制系统。

背景技术

光纤激光阵列相干合成技术是获得高亮度激光输出的重要途径之一，在空间光通信、激光传能、激光雷达等激光远距离传输领域具有广阔的应用前景。当前，在光纤激光相干合成的主动锁相方案中，普遍在光纤准直器阵列后方采用聚焦透镜方式获得评价函数，该方案存在空间器件多、系统复杂、体积重量大、易受环境影响等不足。

发明内容

针对现有技术所存在的局限与不足，本发明提供一种基于探针光的光纤相干阵列相位控制系统。

为实现本发明之目的，采用以下技术方案予以实现：

基于探针光的光纤相干阵列相位控制系统，包括激光器、倍频器、环行器、分束器、相位调制器、光纤放大器、光纤输出端、光电探测器和相位控制单元；

激光器输出的波长为λ的激光经倍频器倍频，倍频器的输出激光中包含波长为λ和λ/2的激光，倍频器的输出激光经环行器后，由分束器均分为n路子光束，每路子光束分别对应的传输路径上均设有相位调制器、光纤放大器以及光纤输出端，光纤输出端对波长为λ/2的激光高透、对波长为λ的激光高反；每路子光束中波长为λ的激光由各路光纤输出端反射沿原路返回，经环行器输入到光电探测器，在光电探测器处发生干涉生成评价函数，相位控制单元据此生成控制信号加载到各路子光束对应的相位调制器上，从而实现各路子光束间的相位控制。

进一步地，所述激光器采用单频或窄线宽的光纤激光器，或者激光器采用单频或窄线宽的光纤耦合激光器。所述激光器输出波长为λ的单频或窄线宽激光。

进一步地，所述倍频器倍频后的输出激光中一部分为波长为λ/2的激光，另一部分为波长为λ的激光，波长为λ/2的激光作为主激光，波长为λ的激光作为探针光。

进一步地，所述分束器将倍频器输出激光中的波长为λ/2的激光和波长为λ的激光进行均分，分束器输出的每路子光束中均含有相同功率的波长为λ的激光以及波长为λ/2的激光。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

本发明无需聚焦透镜等过多的空间器件，提出基于探针光的光纤相干阵列相位误差探测与校正方案，能够有效降低阵列光束相干合成系统中相位控制部分的的复杂性，减小系统体积重量。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。

图1是本发明一实施例的结构示意图；

图2是图1中环行器的示意图；

图中各标号表示：

1、激光器；2、倍频器；3、环行器；4、分束器；5、相位调制器；6、光纤放大器；7、光纤输出端；8、光电探测器；9、相位控制单元。

本发明目的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明，本发明实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。

另外，在本发明中如涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”、“固定”等应做广义理解，例如，“固定”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接，还可以是物理连接或无线通信连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

另外，本发明各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。

参照图1，本发明提供一种基于探针光的光纤相干阵列相位控制系统，包括激光器1、倍频器2、环行器3、分束器4、相位调制器5、光纤放大器6、光纤输出端7、光电探测器8和相位控制单元9。

本发明中所有组成器件均为光纤或者光纤耦合器件。激光器1、倍频器2、环行器3、分束器4、相位调制器5、光纤放大器6、光纤输出端7、光电探测器8均为光纤器件或者光纤耦合器件，各器件之间采用光纤熔接方式连接，且均能通过波长为λ和λ/2的激光。光电探测器8与相位控制单元9之间、相位控制单元9与相位调制器5之间均传输电信号，采用电线方式连接。

所述激光器1可以采用单频或窄线宽的光纤激光器，也可以采用单频或窄线宽的光纤耦合激光器。所述激光器1输出波长为λ的单频或窄线宽激光。所述倍频器采用商用光纤耦合倍频器。

激光器1输出的波长为λ的激光经倍频器2倍频，倍频器2的输出激光中包含波长为λ和λ/2的激光。波长为λ/2的激光为主激光，其输出功率需满后续光纤放大器输入功率需求。波长为λ的激光作为探针光，其输出功率需满足光电探测器探测需求。

所述激光器1的中心波长由用户根据系统需要进行确定，通过倍频器2倍频后输出的波长为λ/2的激光位于光纤放大器增益区内，可通过光纤放大器进行功率放大，通过倍频器2倍频后输出的波长为λ的激光处于光纤放大器增益区之外，不能通过光纤放大器进行功率放大。激光器其输出功率大小满足倍频器的输入功率需求。

倍频器2倍频后的输出激光经环行器3的a端口输入环行器3，并由环行器3的b端口输入到分束器4。所述分束器4将倍频器2输出激光中的波长为λ/2的激光和波长为λ的激光进行均分，分束器4输出的n路子光束中均含有相同功率的波长为λ的激光以及波长为λ/2的激光。每路子光束分别对应的传输路径上均设有相位调制器5、光纤放大器6以及光纤输出端7，光纤输出端7对波长为λ/2的激光高透、对波长为λ的激光高反；每路子光束中波长为λ的激光由各路光纤输出端7反射后沿原路返回，经环行器3的b端口输入环行器3后从环行器3的c端口输出到光电探测器8，每路子光束返回的波长为λ的激光会在光电探测器8处发生干涉生成评价函数，光电探测器8将该光信号转换为电信号输出到相位控制单元9，相位控制单元9据此生成控制信号加载到各路子光束对应的相位调制器5上，从而实现各路子光束间的相位补偿，从而确保了各路光纤链路间的光程差保持稳定。

进一步的，由于探针光波长是主激光波长的严格2倍，且经过的存在差异的光程(指分束器之后到光纤输出端)也严格是主激光的2倍，因此可以确保探针光相位锁定后主激光在光纤输出端处一直处于同相状态，不随时间发生变化。

参照图2，为环行器3的示意图，所述环行器3可采用商用光纤环行器，其工作波段涵盖λ/2和λ激光波长，其激光传输路径为，a端口→b端口，b端口→c端口，a端口不能输出激光到c端口，光纤环行器中光纤型号需与相连接的其他器件光纤型号相匹配。

本发明中的相位调制器采用商用光纤耦合铌酸锂电光相位调制器或压电陶瓷相位调制器，调制带宽大于100kHz，相位调制器的输入光纤型号与分束器的输出光纤型号相同。

本发明中的光纤放大器采用商用窄线宽保偏光纤激光放大器，输出功率由用户根据需求确定。其中波长为λ的激光处于光纤放大器增益区之外，不能通过光纤放大器进行功率放大；波长为λ/2的激光处于光纤放大器增益区内，每路子光束中波长为λ/2的激光由光纤放大器实现功率放大。

本发明中的所述光纤输出端是经抛光的光纤端面、光纤端帽或光纤准直器。光纤输出端用于将波长为λ/2的激光输出到空间，对波长为λ的激光进行反射使其沿原路返回，因此光纤输出端通过镀膜使其能够对波长为λ/2的激光高透、对波长为λ的激光高反，且其耐受功率大于光纤放大器的输出功率。

本发明中的所述光电探测器采用商用光纤耦合型光电探测器，其响应带宽大于相位控制单元输出的控制信号的最高频率，响应波段涵盖激光波长λ。光电探测器的探测灵敏度与环行器的c端口的输出光功率匹配，光电探测器的光纤型号与环行器的c端口光纤型号匹配。

本发明中的所述相位控制单元可采用单片机、FPGA、DSP等信号处理器研制而成，可接收从各光电探测器传来的电信号，并生成相应的相位控制信号传输给各相位调制器。相位控制单元上预先加载有锁相算法，可以是爬山法、抖动法、SPGD等算法。所述锁相算法运行时根据评价函数生成各相位调制器的相位控制信号，从而实现所有光束的相位锁定。

以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.基于探针光的光纤相干阵列相位控制系统，其特征在于：包括激光器、倍频器、环行器、分束器、相位调制器、光纤放大器、光纤输出端、光电探测器和相位控制单元；

激光器输出的波长为λ的激光经倍频器倍频，倍频器的输出激光中包含波长为λ和λ/2的激光，倍频器的输出激光经环行器后，由分束器均分为n路子光束，每路子光束分别对应的传输路径上均设有相位调制器、光纤放大器以及光纤输出端，光纤输出端对波长为λ/2的激光高透、对波长为λ的激光高反；每路子光束中波长为λ的激光由各路光纤输出端反射沿原路返回，经环行器输入到光电探测器，在光电探测器处发生干涉生成评价函数，相位控制单元据此生成控制信号加载到各路子光束对应的相位调制器上，从而实现各路子光束间的相位控制；

所述倍频器倍频后的输出激光中一部分为波长为λ/2的激光，另一部分为波长为λ的激光，波长为λ/2的激光作为主激光，波长为λ的激光作为探针光。

2.根据权利要求1所述的基于探针光的光纤相干阵列相位控制系统，其特征在于：激光器、倍频器、环行器、分束器、相位调制器、光纤放大器、光纤输出端、光电探测器均为光纤器件或者光纤耦合器件，各器件之间采用光纤熔接方式连接，且均能通过波长为λ和λ/2的激光；光电探测器与相位控制单元之间、相位控制单元与相位调制器之间均传输电信号，采用电线方式连接。

3.根据权利要求1所述的基于探针光的光纤相干阵列相位控制系统，其特征在于：所述激光器采用单频或窄线宽的光纤激光器，或者激光器采用单频或窄线宽的光纤耦合激光器；所述激光器输出波长为λ的单频或窄线宽激光。

4.根据权利要求1、2或3所述的基于探针光的光纤相干阵列相位控制系统，其特征在于：所述分束器将倍频器输出激光中的波长为λ/2的激光和波长为λ的激光进行均分，分束器输出的每路子光束中均含有相同功率的波长为λ的激光以及波长为λ/2的激光。

5.根据权利要求1所述的基于探针光的光纤相干阵列相位控制系统，其特征在于：相位调制器采用商用光纤耦合铌酸锂电光相位调制器或压电陶瓷相位调制器，调制带宽大于100kHz，相位调制器的输入光纤型号与分束器的输出光纤型号相同。

6.根据权利要求1所述的基于探针光的光纤相干阵列相位控制系统，其特征在于：光纤放大器采用商用窄线宽保偏光纤激光放大器，波长为λ的激光处于光纤放大器增益区之外，不能通过光纤放大器进行功率放大；波长为λ/2的激光处于光纤放大器增益区内，每路子光束中波长为λ/2的激光由光纤放大器实现功率放大。

7.根据权利要求1所述的基于探针光的光纤相干阵列相位控制系统，其特征在于：所述光纤输出端是经抛光的光纤端面、光纤端帽或光纤准直器，光纤输出端通过镀膜使其能够对波长为λ/2的激光高透、对波长为λ的激光高反。

8.根据权利要求1所述的基于探针光的光纤相干阵列相位控制系统，其特征在于：所述光电探测器采用商用光纤耦合型光电探测器，其响应带宽大于相位控制单元输出的控制信号的最高频率，响应波段涵盖激光波长λ。

9.根据权利要求1所述的基于探针光的光纤相干阵列相位控制系统，其特征在于：所述相位控制单元预先加载有锁相算法，所述锁相算法运行时根据评价函数生成各相位调制器的控制信号，从而实现所有子光束的相位锁定。

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