CN114624897A - 基于双包层光纤及光纤环形器的激光通信装置和方法 - Google Patents

基于双包层光纤及光纤环形器的激光通信装置和方法 Download PDF

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Abstract

本公开提供一种基于双包层光纤及光纤环形器的激光通信装置，包括：双包层光纤准直系统，双包层光纤准直系统通过两端准直发射；发射耦合系统，发射耦合系统穿过带孔反射镜，与双包层光纤准直系统进行耦合；带孔反射镜，发射耦合系统经过带孔反射镜，与双包层光纤准直系统进行耦合；接收耦合系统，接收耦合系统发射信标光，通过带孔反射镜反射后，与双包层光纤准直系统进行耦合，使耦合完成的信标光经过双包层光纤准直系统发射出去，产生宽的信标光，宽的信标光与发射信号光完全同轴发射。本公开还提供了一种基于双包层光纤及光纤环形器的激光通信方法。

Description

基于双包层光纤及光纤环形器的激光通信装置和方法
技术领域
本公开涉及激光通信技术领域，尤其涉及一种基于双包层光纤及光纤环形器的激光通信装置和方法。
背景技术
在航天过程中，随着对通讯速率的要求的提高，激光通信中收发同轴精度成为越来越重要的部分，也占据越来越重要的份量。但是测量时如果采用的测量设备，如长焦平行光管，在测试过程中本真就会随着地表的震动而震动，这大大加大了调节发射、接收同轴的精度的难度。为此，需要一个高集成度、高同轴度的激光光通信装置及方法，以提供了一种更加可靠同轴精度、集成度更高、更轻的载荷的切实可行性方案。
发明内容
为了解决上述技术问题中的至少一个，本公开提供了一种基于双包层光纤及光纤环形器的激光通信装置和方法。
根据本公开的一个方面，提供一种基于双包层光纤及光纤环形器的激光通信装置，包括：
双包层光纤准直系统，所述双包层光纤准直系统通过两端准直发射；
发射耦合系统，所述发射耦合系统穿过带孔反射镜，与所述双包层光纤准直系统进行耦合；
带孔反射镜，所述发射耦合系统经过带孔反射镜，与双包层光纤准直系统进行耦合；
接收耦合系统，所述接收耦合系统发射信标光，通过带孔反射镜反射后，与双包层光纤准直系统进行耦合，使耦合完成的信标光经过双包层光纤准直系统发射出去，产生宽的信标光，所述宽的信标光与发射信号光完全同轴发射。
根据本公开至少一个实施方式的基于双包层光纤及光纤环形器的激光通信装置，所述接收耦合系统包括光纤环形器和接收耦合透镜组。
根据本公开至少一个实施方式的基于双包层光纤及光纤环形器的激光通信装置，所述接收耦合系统通过光纤环形器的发射端发射信标光，所述信标光经所述接收耦合透镜组发射至所述带孔反射镜。
根据本公开至少一个实施方式的基于双包层光纤及光纤环形器的激光通信装置，还包括：
窄带滤光片，所述窄带滤光片设置于接收耦合系统和带孔反射镜之间，所述窄带滤光片在激光通信装置作为接收系统时滤除背景光。
根据本公开至少一个实施方式的基于双包层光纤及光纤环形器的激光通信装置，所述双包层光纤准直系统包括：
第一准直透镜和第二准直透镜，分别通过所述第一准直透镜和所述第二准直透镜进行两端准直；
双包层光纤，设置于所述第一准直透镜和所述第二准直透镜之间，通过所述双包层光纤和所述第一准直透镜进行双发散角控制。
根据本公开至少一个实施方式的基于双包层光纤及光纤环形器的激光通信装置，所述激光通信装置作为接收系统时的通信过程包括：
光经过所述双包层光纤准直系统会聚到所述双包层光纤中；
会聚到双包层光纤的光经过所述第二准直透镜准直进入到所述带孔反射镜；
经所述带孔反射镜反射后的光进入所述窄带滤光片进行背景光滤除；
经所述窄带滤光片滤光后的光进入接收耦合系统中的光纤环形器内，进行激光通信。
根据本公开至少一个实施方式的基于双包层光纤及光纤环形器的激光通信装置，所述发射耦合系统由发射耦合透镜组和单模光纤组成。
根据本公开的又一个方面，提供一种基于双包层光纤及光纤环形器的激光通信方法，包括：
将双包层光纤准直系统与发射耦合系统进行耦合，在耦合过程中通过裸纤终端连接器固定所述双包层光纤准直系统；
将双包层光纤准直系统与接收耦合系统进行耦合；
取掉裸纤终端连接器，并在取掉裸纤终端连接器的一端加入第一准直透镜，调节第一准直透镜与双包层光纤的相对位置，使光准直发出。
根据本公开至少一个实施方式的基于双包层光纤及光纤环形器的激光通信方法，所述将双包层光纤准直系统与发射耦合系统进行耦合，包括：
在双包层光纤准直系统的一端用裸纤终端连接器固定；
用法兰与单模光纤连接，调节双包层光纤与第二准直透镜的位置使光准直发出；
准直发出的光与发射耦合系统进行光路耦合，使单模光纤接收端接收的能量最大；
固定所述双包层光纤准直系统与所述发射耦合系统的位置。
根据本公开至少一个实施方式的基于双包层光纤及光纤环形器的激光通信方法，双包层光纤准直系统与接收耦合系统进行耦合，包括：
将单模光纤更换成多模光纤，以完成接收耦合系统耦合；
调节接收耦合透镜组与带孔反射镜的位置，使光纤环形器的接收端能量最大；
固定所述接收耦合系统和带孔反射镜，使双包层光纤准直系统与接收耦合系统耦合；
加入窄带滤光片来进行系统背景辐射抑制，以降低通信误码率。
附图说明
附图示出了本公开的示例性实施方式，并与其说明一起用于解释本公开的原理，其中包括了这些附图以提供对本公开的进一步理解，并且附图包括在本说明书中并构成本说明书的一部分。
图1是根据本公开的一个实施方式的基于双包层光纤及光纤环形器的激光通信装置结构示意图。
图2是根据本公开的一个实施方式的基于双包层光纤及光纤环形器的激光通信方法流程示意图。
图3是根据本公开的一个实施方式的将双包层光纤准直系统与发射耦合系统进行耦合的方法流程示意图。
图4是根据本公开的一个实施方式的将双包层光纤准直系统与接收耦合系统进行耦合的方法流程示意图。
附图标记说明
1 双包层光纤准直系统
101 第一准直透镜
102 双包层光纤
103 第二准直透镜
2 带孔反射镜
3 发射耦合系统
301 发射耦合透镜组
302 单模光纤
4 窄带滤光片
5 接收耦合系统
501 接收耦合透镜组
502 光纤环形器
5021 光纤环形器的接收端
5022 光纤环形器的发射端。
具体实施方式
下面结合附图和实施方式对本公开作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于解释相关内容，而非对本公开的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本公开相关的部分。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本公开中的实施方式及实施方式中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施方式来详细说明本公开的技术方案。
除非另有说明，否则示出的示例性实施方式/实施例将被理解为提供可以在实践中实施本公开的技术构思的一些方式的各种细节的示例性特征。因此，除非另有说明，否则在不脱离本公开的技术构思的情况下，各种实施方式/实施例的特征可以另外地组合、分离、互换和/或重新布置。
在附图中使用交叉影线和/或阴影通常用于使相邻部件之间的边界变得清晰。如此，除非说明，否则交叉影线或阴影的存在与否均不传达或表示对部件的具体材料、材料性质、尺寸、比例、示出的部件之间的共性和/或部件的任何其它特性、属性、性质等的任何偏好或者要求。此外，在附图中，为了清楚和/或描述性的目的，可以夸大部件的尺寸和相对尺寸。当可以不同地实施示例性实施例时，可以以不同于所描述的顺序来执行具体的工艺顺序。例如，可以基本同时执行或者以与所描述的顺序相反的顺序执行两个连续描述的工艺。此外，同样的附图标记表示同样的部件。
当一个部件被称作“在”另一部件“上”或“之上”、“连接到”或“结合到”另一部件时，该部件可以直接在所述另一部件上、直接连接到或直接结合到所述另一部件，或者可以存在中间部件。然而，当部件被称作“直接在”另一部件“上“、“直接连接到”或“直接结合到”另一部件时，不存在中间部件。为此，术语“连接”可以指物理连接、电气连接等，并且具有或不具有中间部件。
本文使用的术语是为了描述具体实施例的目的，而不意图是限制性的。如这里所使用的，除非上下文另外清楚地指出，否则单数形式“一个(种、者)”和“所述(该)”也意图包括复数形式。此外，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”以及它们的变型时，说明存在所陈述的特征、整体、步骤、操作、部件、组件和/或它们的组，但不排除存在或附加一个或更多个其它特征、整体、步骤、操作、部件、组件和/或它们的组。还要注意的是，如这里使用的，术语“基本上”、“大约”和其它类似的术语被用作近似术语而不用作程度术语，如此，它们被用来解释本领域普通技术人员将认识到的测量值、计算值和/或提供的值的固有偏差。
图1是根据本公开的一个实施方式的基于双包层光纤及光纤环形器的激光通信装置结构示意图。如图1所示基于双包层光纤及光纤环形器的激光通信装置，包括以下组成部件。
双包层光纤准直系统1，包括第一准直透镜101和第二准直透镜103、双包层光纤102，分别通过第一准直透镜101和第二准直透镜103进行两端准直，双包层光纤102设置于第一准直透镜101和第二准直透镜103之间，通过双包层光纤102和第一准直透镜101进行双发散角控制。双包层光纤准直系统1采用自研两端准直系统，一端控制耦合效率，另一端控制远场发散角。双包层光纤选用Thorlabs公司型号为DCF13，波长范围1250nm-1600nm,芯径分别为core Diameter 9.0um，1st Cladding Diameter 105um，2nd CladdingDiameter125um外包层。本公开提供的双包层光纤准直系统，为双包层光纤双向控制装置，通过将双包层光纤进行集成度高的耦合和远场发散角控制一体化设置，使得系统具有更高的同轴精度。
发射耦合系统3，发射耦合系统3穿过带孔反射镜2，与双包层光纤准直系统1进行耦合。发射耦合系统3由发射耦合透镜组301和单模光纤302组成。本公开中，优选地，发射耦合系统3可以采用Thorlabs公司型号为MPD249-P01，其主要性能参数：工作波段为450-2500m；焦距为25.4mm，离轴量为50.8mm，口径25.4mm。
带孔反射镜2，发射耦合系统3经过带孔反射镜2，与双包层光纤准直系统1进行耦合。本公开中，优选地，带孔反射镜2采用自研加工反射镜，具体参数包括，面型精度RMS优于13nm。
接收耦合系统5，接收耦合系统5发射信标光，通过带孔反射镜2反射后，与双包层光纤准直系统1进行耦合，使耦合完成的信标光经过双包层光纤准直系统1发射出去，产生宽的信标光，宽的信标光与发射信号光完全同轴发射。包括光纤环形器502和接收耦合透镜组501，通过光纤环形器502的发射端5022发射信标光，信标光经接收耦合透镜组501发射至带孔反射镜2。本公开中，优选地，接收耦合系统5为带有光纤环形器接收耦合系统，接收耦合系统5中接收耦合透镜组501采用Thorlabs公司型号为MPD249-P01的接收耦合透镜组，其主要性能参数：工作波段为450-2500m；焦距为25.4mm，离轴量为50.8mm，口径25.4mm；光纤环形器(502)采用Thorlabs公司型号为WMC1H1F，其主要性能参数：工作波长400nn-1600nm,自身抑制比为35dB,芯径为105um,数值孔径0.22。可见，本公开通过双包层光纤与光纤环形器一起使用，利用光纤环形器的隔离功能(即5022发射的光不能进入5021)，将信标光光轴，信号光发射光轴、信号光接收光轴完美的融合到同一双包层光纤内，具有很好的同轴度、更高的集成度等特点。
窄带滤光片4，窄带滤光片设置于接收耦合系统5和带孔反射镜2之间，窄带滤光片在激光通信装置作为接收系统时滤除背景光。本公开中，优选地，窄带滤光片4采用自研镀膜设计，具体为1510nm的10nm带宽的窄带滤光片，抑制发射的信号光的波长在OD6。
高精度激光通信装置作为接收系统时的通信过程包括以下几个步骤：首先，光经过双包层光纤准直系统1会聚到双包层光纤102中。其次，会聚到双包层光纤102的光经过第二准直透镜103准直进入到带孔反射镜2。再次，经带孔反射镜反射后的光进入窄带滤光片4进行背景光滤除。最后，经窄带滤光片4滤光后的光进入接收耦合系统5中的光纤环形器502内，进行激光通信。
高精度激光通信装置的发射和接收的完整过程包括以下几个步骤。
第一步、发射信标光。首先光纤环形器502中的发射端5022发射信标光，信标光经过接收耦合透镜组501进行准直发射，然后经过带孔反射镜2反射，进入双包层光纤准直系统1进行耦合准直发射，在此耦合过程中，耦合效率优于80％。
第二步、发射信号光。信号光经过单模光纤302发射经过发射耦合透镜组301准直发射，然后经过带孔反射镜2的中间孔与双包层光纤准直系统1进行耦合准直发射，在此耦合过程中，耦合效率优于60％。
第三步、接收信号光。首先自由空间光发射经过双包层光纤准直系统1中的准直透镜一101进行光路耦合将光耦合进双包层光纤102的105um的多模光纤中，然后经过准直透镜二103准直发出，经过带孔反射镜2反射到接收耦合透镜组501将能量耦合到光纤环形器502中，最终在接收端接收能量。
图2是根据本公开的一个实施方式的基于双包层光纤及光纤环形器的激光通信方法流程示意图。如图2所示，一种基于双包层光纤及光纤环形器的激光通信方法S100，包括以下步骤。
在步骤S102中，将双包层光纤准直系统1与发射耦合系统3进行耦合，在耦合过程中通过裸纤终端连接器固定双包层光纤准直系统。S102的具体实施方法如图3所示。
在步骤S1022中，将双包层光纤准直系统1与发射耦合系统3进行耦合。双包层光纤准直系统1，包括第一准直透镜101和第二准直透镜103、双包层光纤102，分别通过第一准直透镜101和第二准直透镜103进行两端准直，双包层光纤102设置于第一准直透镜101和第二准直透镜103之间，通过双包层光纤102和第一准直透镜101进行双发散角控制。双包层光纤准直系统1采用自研两端准直系统，一端控制耦合效率，另一端控制远场发散角；双包层光纤选用Thorlabs公司的型号为DCF13的双包层光纤准直系统，波长范围1250nm-1600nm,芯径分别为core Diameter 9.0um,1st Cladding Diameter 105um,2nd CladdingDiameter125um外包层。发射耦合系统3穿过带孔反射镜2，与双包层光纤准直系统1进行耦合。发射耦合系统3由发射耦合透镜组301和单模光纤302组成。发射耦合系统3采用Thorlabs公司的型号为MPD249-P01的发射耦合系统，其主要性能参数：工作波段为450-2500m；焦距为25.4mm，离轴量为50.8mm，口径25.4mm。
在步骤S1024中，在双包层光纤准直系统1的一端用裸纤终端连接器固定。
在步骤S1026中，用法兰与9um芯径的单模光纤连接，调节双包层光纤102与第二准直透镜103的位置使光准直发出。
在步骤S1028中，准直发出的光与发射耦合系统3进行光路耦合，使单模光纤302接收端接收的能量最大。
在步骤S1030中，固定双包层光纤准直系统1与发射耦合系统3的位置。
在步骤S104中，将双包层光纤准直系统1与接收耦合系统5进行耦合。S104的具体实施方法如图3所示，包括如下步骤。
在步骤S1042中，将9um芯径的单模光纤更换成105um芯径的多模光纤，以完成接收耦合系统5耦合。
在步骤S1044中，调节接收耦合透镜组501与带孔反射镜2的位置，使光纤环形器502中接收端能量最大。
在步骤S1046中，固定接收耦合系统5和带孔反射镜2，使双包层光纤准直系统1与接收耦合系统5耦合。
在步骤S1048中，加入窄带滤光片4来进行系统背景辐射抑制，以降低通信误码率。窄带滤光片设置于接收耦合系统和带孔反射镜之间。
在步骤S102和步骤S104完成后，在步骤S106中，取掉裸纤终端连接器，并在取掉裸纤终端连接器的一端加入第一准直透镜101，调节第一准直透镜101与双包层光纤102的相对位置，使光准直发出并达到相应的发散角，固定整个系统。
本公开提供的基于双包层光纤及光纤环形器的激光通信装置和方法，具有以下技术优势：
第一、同轴性好，可集成度高。
第二、采用光纤环形器可以提供宽的信标光不增加光学元件的前提下，提高了系统精度。
第三、可用于不同波长系统激光通信及激光雷达装置。
第四、本公开提供的激光通信装置，首次提出双包层光纤双向控制，并将双包层光纤进行集成度高的耦合和远场发散角控制一体化设置，使得系统具有更高的同轴精度。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施方式/方式”、“一些实施方式/方式”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施方式/方式或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本申请的至少一个实施方式/方式或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须的是相同的实施方式/方式或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施方式/方式或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施方式/方式或示例以及不同实施方式/方式或示例的特征进行结合和组合。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示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。在本申请的描述中，“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。
本领域的技术人员应当理解，上述实施方式仅仅是为了清楚地说明本公开，而并非是对本公开的范围进行限定。对于所属领域的技术人员而言，在上述公开的基础上还可以做出其它变化或变型，并且这些变化或变型仍处于本公开的范围内。

Claims (10)

1.一种基于双包层光纤及光纤环形器的激光通信装置，其特征在于，包括：
双包层光纤准直系统，所述双包层光纤准直系统通过两端准直发射；
发射耦合系统，所述发射耦合系统穿过带孔反射镜，与所述双包层光纤准直系统进行耦合；
带孔反射镜，所述发射耦合系统经过带孔反射镜，与双包层光纤准直系统进行耦合；以及
接收耦合系统，所述接收耦合系统发射信标光，通过带孔反射镜反射后，与双包层光纤准直系统进行耦合，使耦合完成的信标光经过双包层光纤准直系统发射出去，产生宽的信标光，所述宽的信标光与发射信号光完全同轴发射。
2.根据权利要求1所述的基于双包层光纤及光纤环形器的激光通信装置，其特征在于，所述接收耦合系统包括光纤环形器和接收耦合透镜组。
3.根据权利要求2所述的双包层光纤及光纤环形器的激光通信的装置，其特征在于，所述接收耦合系统通过光纤环形器的发射端发射信标光，所述信标光经所述接收耦合透镜组发射至所述带孔反射镜。
4.根据权利要求1所述的基于双包层光纤及光纤环形器的激光通信装置，其特征在于，还包括：
窄带滤光片，所述窄带滤光片设置于接收耦合系统和带孔反射镜之间，所述窄带滤光片在激光通信装置作为接收系统时滤除背景光。
5.根据权利要求4所述的基于双包层光纤及光纤环形器的激光通信装置，其特征在于，所述双包层光纤准直系统包括：
第一准直透镜和第二准直透镜，分别通过所述第一准直透镜和所述第二准直透镜进行两端准直；以及
双包层光纤，设置于所述第一准直透镜和所述第二准直透镜之间，通过所述双包层光纤和所述第一准直透镜进行双发散角控制。
6.根据权利要求5所述的基于双包层光纤及光纤环形器的激光通信装置，其特征在于，所述激光通信装置作为接收系统时的通信过程包括：
光经过所述双包层光纤准直系统会聚到所述双包层光纤中；
会聚到双包层光纤的光经过所述第二准直透镜准直进入到所述带孔反射镜；
经所述带孔反射镜反射后的光进入所述窄带滤光片进行背景光滤除；以及
经所述窄带滤光片滤光后的光进入接收耦合系统中的光纤环形器内，进行激光通信。
7.根据权利要求1所述的基于双包层光纤及光纤环形器的激光通信装置，其特征在于，所述发射耦合系统由发射耦合透镜组和单模光纤组成。
8.一种基于双包层光纤及光纤环形器的激光通信方法，其特征在于，包括：
将双包层光纤准直系统与发射耦合系统进行耦合，在耦合过程中通过裸纤终端连接器固定所述双包层光纤准直系统；
将双包层光纤准直系统与接收耦合系统进行耦合；以及
取掉所述裸纤终端连接器，并在取掉裸纤终端连接器的一端加入第一准直透镜，调节第一准直透镜与双包层光纤的相对位置，使光准直发出。
9.根据权利要求8所述的基于双包层光纤及光纤环形器的激光通信方法，其特征在于，所述将双包层光纤准直系统与发射耦合系统进行耦合，包括：
在双包层光纤准直系统的一端用裸纤终端连接器固定；
用法兰与单模光纤连接，调节双包层光纤与第二准直透镜的位置使光准直发出；
准直发出的光与发射耦合系统进行光路耦合，使单模光纤接收端接收的能量最大；以及
固定所述双包层光纤准直系统与所述发射耦合系统的位置。
10.根据权利要求9所述的基于双包层光纤及光纤环形器的激光通信方法，其特征在于，双包层光纤准直系统与接收耦合系统进行耦合，包括：
将单模光纤更换成多模光纤，以完成接收耦合系统耦合；
调节接收耦合透镜组与带孔反射镜的位置，使光纤环形器的接收端能量最大；
固定所述接收耦合系统和带孔反射镜，使双包层光纤准直系统与接收耦合系统耦合；以及
加入窄带滤光片来进行系统背景辐射抑制，以降低通信误码率。
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