CN114296186A - 一种提高自由空间激光向单模光纤耦合的效率的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于提高自由空间激光向单模光纤耦合的效率的方法，具体过程为：利用四象限探测器探测反馈大气湍流影响光束漂移后的强度分布，通过MEMS调节具有更大芯径的多模光纤移动至光强分布最大处耦合，再结合偏轴熔接技术实现的多模光纤‑单模光纤之间的高效率耦合传输，最终实现自由空间激光向单模光纤耦合效率的提升。
Description
技术领域
本发明属于自由空间光传输技术领域，涉及一种提高自由空间激光向单模光纤耦合的效率的方法。
背景技术
自由空间光通信是现代通信的重要方式之一，具有通信容量大、波段受限少、方向性好等优点。而在自由空间光的传输过程中，大气传输信道会由于大气湍流引起的折射率起伏，造成接收端处光束波前畸变、光束漂移、闪烁等问题，从而导致耦合进入单模光纤的效率下降。
目前，应用于缓解大气湍流对空间光通信系统耦合性能的方式有很多，专利(申请号：201110460843.6)与专利(申请号：201510003489.2)等考虑采用快速反射镜、相位控制器等自适应反馈设备辅以优化算法来抑制光束偏移对耦合效率的影响，并适当补偿大气湍流带来的光束波前畸变，但整体结构偏复杂，成本较高且操作繁琐；专利(申请号：201811337276.3)考虑采用由多模光纤、透镜和单模光纤共同组成的二级空间光耦合装置来提升耦合效率，具有体积小、重量轻、成本低的特点，但是存在透镜与光纤的组合适配复杂性问题，且整体结构的耦合效率并不能结合大气湍流带来的光束漂移情况进行调节提高。
综上所述，目前需要一种能够结合大气湍流的影响调节提高自由空间激光向单模光纤耦合的效率，同时具有结构相对简单、易于操作、成本较低的方法。
发明内容
本发明的目的是提供一种提高自由空间激光向单模光纤耦合的效率的方法，该方法通过微机电系统(MEMS，Micro-Electro-Mechanical System)设备精确位移调节，使得耦合器与最大光束强度能量的中心匹配，再经由具有多模光纤、多模-单模光纤适配熔接部、单模光纤结构组成的耦合器作为接收端输入，实现自由空间激光-单模光纤的最大耦合效率。
本发明所采用的技术方案是，一种用于提高自由空间激光向单模光纤耦合的效率的方法，具体包括如下步骤：
步骤1，将自由空间激光通过透镜首次耦合，缩小光束的口径，经分束器分为两束光束，一束光透射出去，另一束光进行反射；
步骤2，分束器透射出去的一束光直接耦合进入多模光纤，再由多模-单模光纤的熔接部传输，进一步耦合入单模光纤；
步骤3，经分束器反射的一束光由四象限探测器探测接收，明确大气湍流扰动后的光束分布，获取具有最大光强分布的位置信息；
步骤4，将步骤3所得的位置信息通过电平信号反馈给MEMS控制的可调支架，将多模光纤的接收端面调节到光束的最大光强位置处，从而在光束强度最大处实现能量的最大限度耦合。
本发明的特点还在于：
步骤1中透镜为能够将接收光束口径缩束的凹透镜。
步骤1中分束器为空间光束分光器。
步骤2中多模光纤为纤芯/包层直径为105/125μm的一般多模光纤。
步骤2中单模光纤为纤芯/包层直径为8.2/125μm的单模光纤，单模光纤的数值孔径大小与多模光纤的数值孔径大小保持一致。
本发明的有益效果如下：
1.无需波前传感、快速反射镜、剪切干涉仪等复杂的自适应探测器件，采用分束器和四象限探测器的简单组合能够对大气湍流导致的光束漂移、闪烁等问题进行反馈，调节光纤对准光强最大分布的位置提高耦合效率。
2.相比传统采用透镜+单模光纤直接耦合的方式，采用多模光纤替代单模光纤形成第一级耦合，能够通过更大的纤芯口径提高耦合效率，而采用偏轴熔接技术实现多模到单模光纤之间的模式匹配熔接部，能够在确保通过效率达到95％的基础上，实现光束向单模光纤的第二级耦合，从而使得采用熔接方式制备的多模-单模光纤耦合器具有更紧凑稳定的结构，以及具有比透镜+单模光纤直接耦合的方式更高的耦合效率。
附图说明
图1是本发明一种用于提升自由空间激光向单模光纤耦合的效率方法中的整体结构概念图；
图2是本发明一种用于提升自由空间激光向单模光纤耦合的效率方法中的整体结构实体示意图；
图3是本发明一种用于提升自由空间激光向单模光纤耦合的效率方法中四象限探测器的接收面和固定了多模光纤的可调支架接收面上光束投射的相对位置图。
图中，1.透镜，2.分束器，3.四象限探测器，4.驱动电路，5.MEMS控制架，6.多模光纤，7.多模-单模光纤熔接部，8.单模光纤，9.支架。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
为了应对大气湍流影响下接收端处的光束漂移问题，本发明提供一种用于提高自由空间激光向单模光纤耦合效率的方法，如图1所示，在透镜耦合的基础上，结合四象限探测器的探测定位，通过MEMS设备精确位移调节，使得耦合器与最大光束强度能量的中心匹配，再经由具有多模光纤、多模-单模光纤适配熔接部、单模光纤结构组成的耦合器作为接收端输入，实现自由空间激光-单模光纤的最大耦合效率。
本发明一种用提高自由空间激光向单模光纤耦合的效率的方法，如图2所示，具体步骤为：
步骤1，自由空间激光通过透镜1首次耦合，缩小光束的口径，经分束器2分为两束；透镜1为能够将接收光束口径缩束的凹透镜；分束器2为商用的空间光束分光器(BS，BeamSplitter)，其透射和反射的分光比选择将取决于反射出来的光束光功率能够超过四象限探测器可以探测到的最低光功率阈值。
步骤2，分束器2透射出去的一束直接耦合进入由可调支架固定的多模光纤6，再由多模-单模光纤熔接部7传输，进一步耦合入单模光纤8；多模光纤6为纤芯/包层直径为105/125μm的一般商用多模光纤。
单模光纤8为纤芯/包层直径为8.2/125μm的一般商用通信单模光纤，其数值孔径大小与多模光纤的保持一致。多模-单模光纤熔接部7长度满足偏轴熔接后入射光束能够实现的最大传输效率。
步骤3，经分束器2反射的一束由四象限探测器3探测接收，明确大气湍流扰动后的光束分布，获取具有最大光强分布的位置信息；四象限探测器3能探测接收到的经大气湍流传输的光束强度分布，得到强度最高处在四象限中的位置参数，转化为电平信号反馈传输。
步骤4，将位置信息通过电平信号反馈给MEMS控制架5，将多模光纤6的接收端面调节到光束的最大光强位置处，使得能够尽可能在光束强度最大处实现更多能量的耦合。从而在反馈调节后，再经多模-单模光纤熔接部传输实现向单模光纤耦合效率的提升。
本发明中，在初步耦合阶段，受大气湍流扰动漂移的自由空间激光首先通过一个透镜1进行缩束，由分束器2分为反射和透射的两个子光路，其中较弱的反射光束由四象限探测器3接收，较强的透射光束由MEMS控制架5上的多模光纤6接收。
MEMS控制架5为可以由外部输入的电平信号控制、通过MEMS操作改变四个方向臂长的支架，多模光纤6的接收端口固定在MEMS控制架5(未输入电平信号时)的几何中心。MEMS控制架5通过驱动电路4驱动动作。
固定透镜1的支架9与MEMS控制架5轮廓大小一致，在支架9上四角对称分布4个标准规格M4大小的螺纹孔，通过四根等长、具有M4螺纹的支杆将支架9与MEMS控制架5相连，分束器2被四根支杆夹持固定其中。其中分束器2的透射面正对MEMS控制架5，分束器2的反射面正对四象限探测器3的接收探测面。通过位置的精细调节，确保从分束器2反射面和透射面几何中心出射的光束刚好分别照射在四象限探测器3和MEMS控制架5中心固定的多模光纤6的端口上。每次接通电源、在调节移动的电平信号达到之前，MEMS控制架5都会首先将固定的多模光纤6端口复位到整个MEMS控制架5的几何中心位置上。
待结合四象限探测器3反馈如图3左侧所示的光强分布位置信息后，随即如图3右侧调节多模光纤6的位置达到光束光强集中分布处，更多的空间光功率将被耦合进入多模光纤。通过前期多模光纤与单模光纤偏轴熔接(电极棒偏向多模光纤放电，适当增加放电时间和强度)得到多模-单模光纤熔接部7，实现多模光纤向单模光纤的高效率耦合，最终耦合进入单模光纤8中。
本发明中，调整位置后的多模光纤6，采用偏轴熔接技术和单模光纤8进行直接熔接，通过调节多模光纤-单模光纤在熔接中相对电极棒的偏移量、放电强度、放电时间等参数，实现多模光纤向单模光纤的高效率耦合传输。从而受大气湍流影响下的自由空间激光经透镜、多模光纤再向单模光纤耦合，实现整体系统上由自由空间向单模光纤耦合效率的提升。
本发明一种用提高自由空间激光向单模光纤耦合的效率的方法的特点为：
1.反馈调节：经过透镜1耦合缩束后的空间光束，较少功率的一束经反射由四象限探测器接收较多功率的一束经透射由MEMS控制架5上固定的多模光纤6接收；通过前期位置的精细调节，反射光束在四象限探测器3接收面上的强度分布情况与透射光束在MEMS控制架5平面上的强度分布情况相对关系一致。由于传输过程中大气湍流的影响，出现的光束闪烁、漂移容易导致光束强度分布散乱，漂移后的光束最强分布位置将会偏离光束自身的几何中心，此时通过四象限探测器可以探测得到光束最强处的分布位置的偏移情况(如图3左侧所示)，并将偏移情况以电平信号的形式反馈给MEMS控制架5，随即如图3右侧所示调节其上固定的多模光纤正对光强分布的最强处，实现更高光束功率的耦合。
2.两级耦合：借助四象限探测器调节多模光纤的位置，实现对大气湍流影响下透镜1接收光束的更高效率耦合是第一级耦合过程。这一级耦合过程中，多模光纤6自身由于具有更大的纤芯，相比直接采用单模光纤8能够接收耦合更多的空间光，因此能够带来更高的耦合效率；随后将具有相同数值孔径的多模光纤6与单模光纤8通过熔接机的偏轴熔接技术(改变放电电极棒相对两根光纤的位置，从正中心处向多模光纤一端增加偏移量，同时稍微增加放电强度和放电时间)熔接在一起，形成均匀的熔接部作为多模向单模过渡的模式适配器，从而替代透镜耦合，成为结构更稳定紧凑、耦合效率可以高达95％的第二级从多模到单模光纤的耦合过程。
本发明一种用于提高自由空间激光向单模光纤耦合的效率的方法，利用四象限探测器反馈调节多模光纤端面至大气湍流导致漂移后的光强分布中心处，提升第一步空间光向多模光纤的耦合效率；通过偏轴熔接技术，不断优化多模光纤和单模光纤之间熔接的偏移量、放电时间和放电强度参数，使得形成第二步多模光纤向单模光纤的紧凑结构和高耦合效率，从而有效提升受大气湍流影响下的自由空间激光向单模光纤的耦合效率。
Claims (5)
1.一种用于提高自由空间激光向单模光纤耦合的效率的方法，其特征在于：具体包括如下步骤：
步骤1，将自由空间激光通过透镜首次耦合，缩小光束的口径，经分束器分为两束光束，一束光透射出去，另一束光进行反射；
步骤2，分束器透射出去的一束光直接耦合进入多模光纤，再由多模-单模光纤的熔接部传输，进一步耦合入单模光纤；
步骤3，经分束器反射的一束光由四象限探测器探测接收，明确大气湍流扰动后的光束分布，获取具有最大光强分布的位置信息；
步骤4，将步骤3所得的位置信息通过电平信号反馈给MEMS控制的可调支架，将多模光纤的接收端面调节到光束的最大光强位置处，从而在光束强度最大处实现能量的最大限度耦合。
2.根据权利要求1所述的一种用于提高自由空间激光向单模光纤耦合的效率的方法，其特征在于：所述步骤1中透镜为能够将接收光束口径缩束的凹透镜。
3.根据权利要求1所述的一种用于提高自由空间激光向单模光纤耦合的效率的方法，其特征在于：所述步骤1中分束器为空间光束分光器。
4.根据权利要求1所述的一种用于提高自由空间激光向单模光纤耦合的效率的方法，其特征在于：所述步骤2中，多模光纤为纤芯/包层直径为105/125μm的一般多模光纤。
5.根据权利要求4所述的一种用于提高自由空间激光向单模光纤耦合的效率的方法，其特征在于：所述步骤2中单模光纤为纤芯/包层直径为8.2/125μm的单模光纤，单模光纤的数值孔径大小与多模光纤的数值孔径大小保持一致。
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