CN114660741A - 一种基于离焦的大偏移下单模光纤自动耦合方法及系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种基于离焦的大偏移下单模光纤自动耦合方法及系统，控制快速倾斜反射镜完成激光在单模光纤端面上的扫描，通过光功率计获取耦合至单模光纤内的光功率的变化情况，控制激光进行偏转，实现激光至单模光纤的耦合；当单模光纤端面发生大偏移时，光功率计感应不到激光的能量，对此先通过改变耦合透镜到单模光纤端面的距离，产生离焦现象，相较于对焦情况下的小光斑，离焦产生的光斑直径显著增加，使得光功率计在单模光纤发生大偏移后仍然能接收到相应的光功率，由此扩大经典优化算法的执行范围，通过基于离焦的优化算法实现对光纤端面发生大偏移现象的恢复对准工作，有效解决激光到单模光纤的初始对准误差问题。

Description

一种基于离焦的大偏移下单模光纤自动耦合方法及系统
技术领域
本发明涉及一种基于离焦的大偏移下单模光纤自动耦合方法及系统，属于无线光通信及自动控制领域，在自由空间激光通信中具有重要的应用前景。
背景技术
自由空间激光通信是近些年逐渐兴起的一种具有高通信带宽、较强的抗电磁干扰能力、较高的保密性以及低功耗和易搭建等优势的新型通信技术。激光至单模光纤(Single-Mode Fiber,SMF)的耦合问题是自由空间激光通信中的一项关键技术。但是由于光纤的纤芯非常小，对于单模光纤而言其直径一般为9-10μm，因此耦合透镜汇聚的光斑与光纤纤芯中心存在任何一点微小的偏移都会对耦合效率造成巨大影响，通常的影响因素有大气湍流的影响、随机抖动误差的影响以及初始对准误差的影响。初始对准误差通常是指由粗对准所产生的误差，比如相机、位置传感器或者人眼误差，这些误差对偏移影响通常较大，达到几百微米的量级。因此初始对准误差严重影响了激光至单模光纤的对准，进一步影响了通信质量。
为了解决上述问题，需要实现空间激光至单模光纤的自动耦合。目前已有的方案更偏向于对大气湍流和随机抖动误差的研究，对初始对准误差的研究较少，此外在对初始对准误差的研究中，光纤端面的偏移通常在10μm左右，因为这些方案目标局限于提升光纤的耦合效率。事实上，在更大偏移下，首先要解决的是激光到单模光纤的链路对准问题，通过恢复通信链路，维持稳定的耦合光功率，从而达到通信要求。
国内有人给出了一些耦合方案，即基于光栅扫描的耦合方案和基于章动扫描的耦合方案，均能够在几十微米的范围下恢复对准，但这两种方法在解决几十微米的恢复对准时都采用的盲搜索方式，即时间效率极其低下。
发明内容
本发明技术解决问题：克服现有技术的不足，提供一种基于离焦的大偏移下单模光纤自动耦合方法及系统，提升解决光纤端面发生偏移的能力，能够在更大的偏移下高效的实现链路的恢复对准。
本发明技术解决方案：
本发明的一种基于离焦的大偏移下单模光纤自动耦合方法，其特点在于：控制快速倾斜反射镜完成激光在单模光纤端面上的扫描，通过光功率计获取耦合至单模光纤内的光功率的变化情况，控制激光进行偏转，实现激光至单模光纤的耦合；当单模光纤端面发生大偏移时，光功率计感应不到激光的能量，对此先通过改变耦合透镜到单模光纤端面的距离，产生离焦现象，相较于对焦情况下的小光斑，离焦产生的光斑直径显著增加，使得光功率计在单模光纤发生大偏移后仍然能接收到相应的光功率，由此扩大经典优化算法的执行范围，通过基于离焦的优化算法实现对光纤端面发生大偏移现象的恢复对准工作，有效解决激光到单模光纤的初始对准误差问题。
所述经典优化算法为模式搜索法，相较于模式搜索法在单模光纤耦合领域的经典应用，其通常用于解决10μm内光纤耦合效率的提升问题，此处算法执行的范围显著提升，能够在100μm大偏移下快速收敛到最佳值附近。
所述大偏移的具体数值取决于离焦量以及实际系统参数，根据原理推导得，增大离焦量获得更大的偏移量；所述大偏移取值范围≥100μm。
所述基于离焦的优化算法包括如下步骤：
(1)透镜和单模光纤端面之间的距离调整为焦距，在对焦的基础上继续增大距离，增大距离的具体数值决定于单模光纤端面偏移量，使得单模光纤端面在偏移情况下，光功率计也能感应到相应光功率；
(2)通过反馈得到的光功率，控制平台通过经典的优化算法计算出最优的快速倾斜反射镜双轴偏转参数，控制快速倾斜反射镜发生偏转；
(3)快速倾斜反射镜发生偏转改变激光的传输路径，使耦合到光纤端面的激光光斑发生移动，最终偏转参数稳定在一个具体数值，该数值对应的耦合光功率为当前离焦量所对应的最大光功率。
本发明的一种基于离焦的大偏移下单模光纤自动耦合系统，包括激光器、发射准直器、快速倾斜反射镜、耦合透镜、光纤端面定位器、单模光纤、光功率计、控制平台。如图1所示。当光纤端面发生大偏移时，控制平台得不到相应的性能指标，通过改变透镜到光纤端面的距离，产生离焦光斑，使得光功率计可以感应到大偏移下的耦合光功率。从而完成反馈链路的建立。随后控制平台控制快速倾斜反射镜发射二维偏转使得耦合光斑在光纤端面进行移动，与此同时采集光功率计反馈的性能指标，通过基于离焦的优化算法计算出下一步的偏转参数，从而快速的恢复大偏移下激光至单模光纤的对准链路。即提供了解决激光至单模光纤耦合过程中的初始对准误差问题的可行性方案。
本发明的基本原理是：激光器发射的激光光束为高斯光束，在自由空间中传输一段距离后，激光仍为高斯光束。激光到单模光纤耦合时应将光学系统口径的衍射效应考虑在内，当入射光波长与光纤纤芯直径(与芯径较小的单模光纤耦合时)或者和光学系统口径相当时，衍射效应较大，通常采用模场匹配的方法进行分析。模场匹配法中，耦合效率定义为耦合进光纤的光功率Pc与入射光瞳面处光功率Pa的比值。根据Parseval定理，在入射光瞳面和焦平面之间的任意平面上计算耦合效率都是等价的。这里选择在入射光瞳面处计算耦合效率η，如式(1)所示：
Figure BDA0003577666700000031
其中式中EA为入射光瞳面处的接收光场，FA为单模光纤在入射光瞳面处的后向传输模场，r为场分布离光轴中心的距离(水平方向距离为x，垂直方向距离为y)。受到接收孔径的限制，EA可表示为准直高斯光束与孔径函数P(r)的乘积，如式(2)所示。
Figure BDA0003577666700000032
其中ws为高斯光场在透镜端面上的腰斑半径，D为耦合透镜的通光口径。
当单模光纤归一化频率V满足1.9≤V≤2.4时，单模光纤中只允许基模传输，其中传输光束分布近似为高斯光束，而透镜端面的光场分布和焦平面处的光场分布互为傅里叶变换关系，将焦平面上的单模光纤模场分布经傅里叶逆变换后转换到透镜平面上表示为：
Figure BDA0003577666700000033
式中，ωa为单模光纤后向传输模场半径，其与光纤模场半径ω0之间满足
Figure BDA0003577666700000034
λ为激光波长，f为耦合透镜的焦距。
当入射角度产生一定的偏移时，接收光的端面发生一个横向偏移Δr(水平方向偏移Δx，垂直方向偏移Δy)，此时单模光纤后向传输模场发生改变，产生附加的相位因子：exp{2π[xΔx/(λf)+yΔy/(λf)]}。当接受光的端面发生离焦时，即产生一个纵向偏移Δz时，可得单模光纤后向传输模场的改变，产生附加的相位因子：
Figure BDA0003577666700000035
示意图如图2所示。
基于上述理论推导出在离焦情况下光纤偏移对耦合效率的影响，即接收光的端面同时发生离焦和横向偏移时，后向传输模场变为：
Figure BDA0003577666700000041
式中Δr即为耦合光斑和单模光纤纤芯的横向偏移，Δz为单模光纤端面和透镜耦合焦平面的距离，即离焦量；式中ψ为r与水平距离x之间的夹角，Ω为Δr与水平偏移Δx之间的夹角。将(4)式代入(1)式，求出对应的耦合效率表达式，其中J0(x)为零阶贝塞尔函数：
Figure BDA0003577666700000042
耦合进光纤的光功率Pc＝Pa*ηΔr。将光功率转换为dBm的形式，则可以得到式(6)。
Figure BDA0003577666700000043
设置激光波长λ＝1550nm,单模光纤模场半径ω0＝4.5μm，耦合透镜焦距和直径分别为f＝50mm和D＝25.4mm。输入光功率为5dBm，光功率计灵敏度为-45dBm，经公式(5)和公式(6)仿真得到不同离焦量下，耦合效率随偏移量的变化情况，如图3所示。由图3可知，耦合效率取对数最低为-5，此时输出光功率为-45dBm，已达到光功率计的可正确读取的极限。随着离焦量的增大，lg(ηΔr)＝-5对应的偏移量在不断增大，因此通过增大离焦量，当单模光纤发生更大偏移时，接收端可以收到相应的反馈值，从而通过算法恢复对准。
基于上述原理可知，本发明的基于离焦的大偏移下单模光纤自动耦合系统相对于现有的单模光纤耦合系统，能够有效的解决当单模光纤发生大偏移时恢复对准的问题，即解决初始对准误差问题。
现存方案难以高效的对大偏移下的初始对准误差进行恢复，而本发明通过离焦的方法可以使得快速算法在100μm偏移下进行对准，取代了上述效率较低的搜索方式，能够成功在100μm偏移下实现对准，以经典模式搜索为例，通过离焦使得在100μm偏移下建立反馈链路，只需要约70次左右迭代实现对准。因此，该系统可以恢复大偏移下单模光纤对准，这样的大尺度偏移是已有方法难以补偿的。
本发明与现有技术相比的优点在于：本发明的一种基于离焦的大偏移下单模光纤自动耦合系统，结构简洁轻便，利用经典优化算法能够在光纤端面发生100μm的大偏移的情况下，快速恢复激光至单模光纤的耦合，解决了现有方案对于100μm左右大偏移的初始对准误差难以进行补偿以及没有高效恢复对准的方式的问题。
该系统通过控制快速倾斜反射镜完成激光在单模光纤端面上的扫描，通过获取耦合至单模光纤内的光功率的变化情况，控制激光进行偏转，可以实现激光至单模光纤的耦合。本发明创新点在于通过改变耦合透镜到光纤端面的距离，产生离焦现象，通过离焦产生的大光斑，使得光功率计在单模光纤发生偏移后仍然可以接收到相应的光功率，并结合相应的控制算法，来实现对光纤端面发生大偏移现象的恢复对准工作。从而可以有效解决激光到单模光纤的初始对准误差问题。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对所使用的附图作简单地介绍，显而易见地，描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。
图1为本发明的基于离焦的大偏移下单模光纤自动耦合系统结构示意图；
图2为在接收单模光纤发生偏移和离焦的耦合示意图；
图3为本发明仿真得到的不同离焦量下耦合效率随偏移量的变化变化曲线。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。
如图1所示，本发明基于离焦的大偏移下单模光纤自动耦合系统，包括1550nm激光器、发射准直器、快速倾斜反射镜、耦合透镜、单模光纤、光功率计、控制平台；激光器产生1550nm波段激光，经发射准直器入射到快速倾斜反射镜镜面，反射后进入耦合透镜，并在单模光纤端面形成耦合光斑，单模光纤连接至光功率计，其数值作为性能指标进入控制平台，控制平台连接至反射镜的控制盒，给反射镜发送偏转指令。当光纤端面发生大偏移时，控制平台得不到相应的性能指标，通过改变透镜到光纤端面的距离，产生离焦光斑，使得光功率计可以感应到大偏移下的耦合光功率。从而完成反馈链路的建立。随后控制平台控制快速倾斜反射镜发射二维偏转使得耦合光斑在光纤端面进行移动，与此同时采集光功率计反馈的性能指标，通过基于离焦的优化算法计算出下一步的偏转参数，从而快速的恢复大偏移下激光至单模光纤的对准链路。
系统开始工作时，空间激光经快速倾斜反射镜反射后进入耦合透镜聚焦后，在单模光纤端面处形成聚焦光斑。为使得系统在接收光纤发生偏移后可以自动恢复对准，耦合透镜到接收端面的距离需要在聚焦的基础上进行调整。由图3可知，离焦量和接收单模光纤发生的偏移量成正相关，这给出了该发明理论的仿真验证，即可以通过提升离焦量来增大偏移量，因此离焦量的具体数值可由接收单模光纤的偏移量得出。
本实例对接收单模光纤发生100μm偏移时进行恢复对准，采用的具体实例为：所述的激光器产生的激光波长为1550nm、光功率为5dBm,经过发射准直器后光束直径为7mm，反射镜的镜面直径为7.5mm，耦合透镜采用直径25.4mm、焦距为50mm的透镜，单模光纤的直径为9μm，光功率计接收灵敏度为-45dBm，由图3可得，在100μm偏移下，其离焦量可以设为1000μm。通过设置该离焦量，当单模光纤发生100μm内的偏移时，接收端的光功率计可以实时的检测相应的光功率，并实时反馈给控制平台，从而通过快速算法得到的参数来控制反射镜进行偏转以实现激光至单模光纤的对准。
在这之前国内外针对较大偏移初始对准误差的研究，主要存在两种方案。一种是基于光栅扫描的耦合方案，可以在约35μm的偏移下恢复对准，但其扫描的过程采用了盲搜索的螺旋光栅扫描的方式，对焦情况下耦合光斑直径与单模光纤类似，因此搜索效率较为低下，需要经过130次左右的迭代后再采取快速算法进行恢复；一种是基于章动扫描的耦合方案，该方案通过章动扫描的方式控制激光束进行周期性移动，再通过周期内的数据确立耦合位置，而周期性移动需要250次迭代下进行完成，同时仅实现了在22μm偏移下恢复对准，因此搜索能力同样有限。现存方案难以高效的对更大偏移下的初始对准误差进行恢复，而本发明通过离焦的方法可以使得快速算法在100μm偏移下进行对准，取代了上述效率较低的搜索方式，能够成功在100μm偏移下实现对准，以经典模式搜索为例，通过离焦使得在100μm偏移下建立反馈链路，只需要约70次左右迭代实现对准。因此，可以恢复大偏移下单模光纤对准，这样的大尺度偏移是已有方法难以补偿的。
本发明实施的基于离焦的具体流程是：
(1)透镜和光纤端面之间的距离调整为焦距，在对焦的基础上继续增大距离，其具体数值决定于光纤端面偏移量，使得光纤端面偏移情况下，光功率计也能感应到相应光功率；
(2)通过反馈得到的光功率，控制平台通过经典的优化算法计算出最优的快速倾斜反射镜双轴偏转参数，控制其进行下一步移动；
(3)快速倾斜反射镜发生偏转改变激光的传输路径，使耦合到光纤端面的激光发生移动，最终偏转参数稳定在一个具体数值，该数值对应的耦合光功率为当前离焦量所对应的最大光功率。
如图3所示，本发明基于离焦的大偏移下单模光纤自动耦合系统的理论分析中，仿真得到的不同离焦量下，耦合效率随偏移量的变化变化曲线。其中激光波长λ＝1550nm,单模光纤模场半径ω0＝4.5μm，耦合透镜焦距和直径分别为f＝50mm和D＝25.4mm。输入光功率为5dBm，光功率计灵敏度为-45dBm。
至此，本发明完成了对一种基于离焦的单模光纤自动耦合系统的详细描述，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡是基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种基于离焦的大偏移下单模光纤自动耦合方法，其特征在于：控制快速倾斜反射镜完成激光在单模光纤端面上的扫描，通过光功率计获取耦合至单模光纤内的光功率的变化情况，控制激光进行偏转，实现激光至单模光纤的耦合；当单模光纤端面发生大偏移时，光功率计感应不到激光的能量，对此先通过改变耦合透镜到单模光纤端面的距离，产生离焦现象，相较于对焦情况下的小光斑，离焦产生的光斑直径显著增加，使得光功率计在单模光纤发生大偏移后仍然能接收到相应的光功率，由此扩大经典优化算法的执行范围，通过基于离焦的优化算法实现对光纤端面发生大偏移现象的恢复对准工作，有效解决激光到单模光纤的初始对准误差问题。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述经典优化算法为模式搜索法，相较于模式搜索法在单模光纤耦合领域的经典应用，其通常用于解决10μm内光纤耦合效率的提升问题，此处算法执行的范围显著提升，能够在100μm大偏移下快速收敛到最佳值附近。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述大偏移的具体数值取决于离焦量以及实际系统参数，根据原理推导得，增大离焦量获得更大的偏移量；所述大偏移取值范围≥100μm。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述基于离焦的优化算法包括如下步骤：
(1)透镜和单模光纤端面之间的距离调整为焦距，在对焦的基础上继续增大距离，增大距离的具体数值决定于单模光纤端面偏移量，使得单模光纤端面在偏移情况下，光功率计也能感应到相应光功率；
(2)通过反馈得到的光功率，控制平台通过经典的优化算法计算出最优的快速倾斜反射镜双轴偏转参数，控制快速倾斜反射镜发生偏转；
(3)快速倾斜反射镜发生偏转改变激光的传输路径，使耦合到光纤端面的激光光斑发生移动，最终偏转参数稳定在一个具体数值，该数值对应的耦合光功率为当前离焦量所对应的最大光功率。
5.一种基于离焦的大偏移下单模光纤自动耦合系统，其特征在于：包括，激光器、发射准直器、快速倾斜反射镜、耦合透镜、光纤端面定位器、单模光纤、光功率计和控制平台；
激光器产生1550nm波段激光，经发射准直器入射到快速倾斜反射镜镜面，反射后进入耦合透镜，并在单模光纤端面形成耦合光斑，单模光纤连接至光功率计，其数值作为性能指标进入控制平台，控制平台连接至反射镜的控制盒，给反射镜发送偏转指令；当光纤端面发生大偏移时，控制平台得不到相应的性能指标，通过改变透镜到光纤端面的距离，产生离焦光斑，使得光功率计感应到大偏移下的耦合光功率，完成反馈链路的建立；随后控制平台控制快速倾斜反射镜发生二维偏转使得耦合光斑在光纤端面进行移动，与此同时采集光功率计反馈的性能指标，通过经典的优化算法计算出下一步的偏转参数，利用基于离焦的优化方法快速恢复大偏移下激光至单模光纤的对准链路。
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