本發(fā)明涉及一種空間激光至單模光纖的自適應(yīng)耦合系統(tǒng)，屬于自動(dòng)控制及光學(xué)工程技術(shù)領(lǐng)域。在自由空間激光通信中有著重要的應(yīng)用前景。

背景技術(shù)：

自由空間激光通信(Free Space Optical Communications，F(xiàn)SOC)是近些年發(fā)展起來(lái)的一種具有傳輸速率高、信息容量大、保密性能好等優(yōu)點(diǎn)的新型通信技術(shù)。自由空間光通信系統(tǒng)中越來(lái)越多地結(jié)合了成熟的光纖通信技術(shù)，其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)變得更加靈活，體積、重量進(jìn)一步減小，穩(wěn)定性也大大提高，同時(shí)也使得空間激光至單模光纖(Single-Mode Fiber，SMF)的耦合成為該領(lǐng)域需解決的關(guān)鍵技術(shù)之一。受限于機(jī)械調(diào)節(jié)精度、環(huán)境溫度、重力等因素，耦合系統(tǒng)中單模光纖的接收端面位置會(huì)產(chǎn)生一定的偏移。此外，受空間激光傳輸過(guò)程中的大氣湍流效應(yīng)、平臺(tái)振動(dòng)等因素的影響，光纖接收端面處聚焦光斑的位置也會(huì)產(chǎn)生一定的隨機(jī)抖動(dòng)。以上因素嚴(yán)重制約了光纖耦合效率的高效性與穩(wěn)定性。

為了解決上述問(wèn)題，需要實(shí)現(xiàn)空間激光至單模光纖的自適應(yīng)耦合。將自適應(yīng)光學(xué)技術(shù)引入到光纖自適應(yīng)耦合領(lǐng)域是一種經(jīng)理論與實(shí)驗(yàn)證實(shí)過(guò)的行之有效的方法。2005年和2011年，美國(guó)陸軍研究實(shí)驗(yàn)室的L.Beresnev等人(L.A.Beresnev,and M.A.Vorontsov,“Design ofadaptive fiber optics collimator for free-space communication laser transceiver,”P(pán)roc.SPIE 5895,58950R(2005))和中國(guó)科學(xué)院光電技術(shù)研究所的耿超等人(C.Geng,X.Li,X.Zhang,and C.Rao,“Coherent beam combination of an optical array using adaptive fiber optics collimators,”O(jiān)ptics Communications 284,5531-5536(2011))分別獨(dú)立研制了一種叫做自適應(yīng)光纖準(zhǔn)直器(Adaptive fiber-optics collimator，AFOC)的器件，該器件可以在小角度范圍內(nèi)自適應(yīng)地精確控制出射準(zhǔn)直光束的偏轉(zhuǎn)角度。在此器件的基礎(chǔ)上，利用光路可逆性原理，2013年耿超等人提出了名稱(chēng)為“一種激光束雙向收發(fā)的自適應(yīng)光纖耦合或準(zhǔn)直器控制系統(tǒng)”(專(zhuān)利號(hào)201310161222.7)的發(fā)明專(zhuān)利，并實(shí)現(xiàn)了空間激光到光纖的高效自適應(yīng)耦合(W.Luo,C.Geng,et al.,“Experimental demonstration of single-mode fiber coupling using adaptive fiber coupler,”Chinese Physics B 23,014207(2014))。該方法使用光纖端面定位器和隨機(jī)并行梯度下降(Stochastic Parallel Gradient Descent，SPGD)算法來(lái)完成光纖接收端面對(duì)空間激光聚焦光斑的自適應(yīng)跟蹤。在該控制結(jié)構(gòu)中，光纖端面定位器需要響應(yīng)SPGD算法推算出的一組二維隨機(jī)抖動(dòng)序列進(jìn)行優(yōu)化梯度估計(jì)，并根據(jù)估算結(jié)果執(zhí)行迭代校正，系統(tǒng)的帶寬利用率較低；受限于器件的諧振特性以及整個(gè)控制回路中的系統(tǒng)相位響應(yīng)延時(shí)，很難實(shí)現(xiàn)高速的SPGD算法迭代，因此對(duì)于接收平臺(tái)振動(dòng)、大氣湍流擾動(dòng)下光纖耦合效率的補(bǔ)償能力有限。

本發(fā)明在上述工作的基礎(chǔ)上，提出了一種基于光纖端面二維掃描的新型自適應(yīng)耦合控制系統(tǒng)，直接操控光纖接收端面對(duì)聚焦光斑進(jìn)行周期性二維掃描，以實(shí)現(xiàn)對(duì)光纖耦合效率優(yōu)化梯度的探測(cè)，同時(shí)結(jié)合優(yōu)化算法控制快速傾斜反射鏡執(zhí)行相應(yīng)的迭代校正。此結(jié)構(gòu)不僅提高了執(zhí)行器件的帶寬利用率，并可對(duì)光纖端面高速定位過(guò)程中的系統(tǒng)相位響應(yīng)延時(shí)進(jìn)行補(bǔ)償，因此大大提升了耦合系統(tǒng)的實(shí)際控制帶寬。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明要解決的技術(shù)問(wèn)題是：克服現(xiàn)有基于SPGD算法與光纖端面定位器的自適應(yīng)耦合系統(tǒng)帶寬利用率低的不足，克服現(xiàn)有系統(tǒng)在光纖端面高速定位過(guò)程中相位響應(yīng)延時(shí)的問(wèn)題，提出一種基于光纖端面二維掃描的單模光纖自適應(yīng)耦合系統(tǒng)。

本發(fā)明解決其技術(shù)問(wèn)題所采用的技術(shù)方案是：一種基于光纖端面二維掃描的單模光纖自適應(yīng)耦合系統(tǒng)，包括：快速傾斜反射鏡、耦合透鏡、光纖端面定位器、單模光纖、1×2光纖分路器、光電探測(cè)器、控制平臺(tái)和多通道高壓放大器；空間激光束經(jīng)快速傾斜反射鏡反射后進(jìn)入耦合透鏡，并在光纖端面定位器內(nèi)置的單模光纖端面處形成艾里斑衍射圖樣，耦合進(jìn)單模光纖內(nèi)的光能量經(jīng)1×2光纖分路器后一部分傳輸至通信終端，另一部分經(jīng)光電探測(cè)器后轉(zhuǎn)換為電壓反饋信號(hào)，作為性能指標(biāo)進(jìn)入控制平臺(tái)，控制平臺(tái)首先輸出兩組周期性二維掃描信號(hào)至多通道高壓放大器，控制光纖端面定位器帶動(dòng)單模光纖端面實(shí)現(xiàn)對(duì)聚焦光斑的二維掃描，與此同時(shí)采集經(jīng)光電探測(cè)器轉(zhuǎn)換后得到的性能指標(biāo)，從而探測(cè)出當(dāng)前耦合效率的優(yōu)化梯度，隨后通過(guò)優(yōu)化算法推算出兩組控制電壓信號(hào)至多通道高壓放大器，驅(qū)動(dòng)快速傾斜反射鏡執(zhí)行相應(yīng)的迭代校正。

其中，所述耦合效率優(yōu)化梯度探測(cè)以及控制電壓推算過(guò)程，包括以下步驟：

步驟1)控制平臺(tái)(7)輸出兩組幅值及頻率相同、相位間隔π/2的正弦電壓，經(jīng)多通道高壓放大器(8)放大后作用于光纖端面定位器(3)，驅(qū)動(dòng)單模光纖(4)端面對(duì)聚焦光斑進(jìn)行周期性二維掃描，設(shè)其掃描開(kāi)始時(shí)刻為t、周期為T(mén)；

步驟2)控制平臺(tái)(7)采集光纖端面位于一個(gè)掃描周期內(nèi)、時(shí)間間隔T/4的4組性能指標(biāo)，設(shè)采集開(kāi)始時(shí)刻為t′，將性能指標(biāo)依次記為J(t′)、和其中為光纖端面在二維掃描控制下的相位響應(yīng)延時(shí)角；

步驟3)控制平臺(tái)(7)根據(jù)公式(1)完成控制電壓迭代推算，其中k為算法迭代步數(shù)；γ為算法迭代步長(zhǎng)；為根據(jù)采集開(kāi)始時(shí)刻t′所確定的、兩組相互正交方向的耦合效率優(yōu)化梯度近似值；U_X、U_Y為算法推算出的對(duì)應(yīng)方向的控制電壓，

步驟4)控制平臺(tái)(7)輸出控制電壓U_X、U_Y至多通道高壓放大器(8)，控制快速傾斜反射鏡(1)執(zhí)行對(duì)應(yīng)方向的迭代校正；

步驟5)重復(fù)步驟1)～4)，使系統(tǒng)的耦合效率經(jīng)多次迭代后收斂至最優(yōu)值并維持穩(wěn)定。

其中，所述的快速傾斜反射鏡亦可替換為兩組快速傾斜反射鏡(1-X)、(1-Y)的結(jié)構(gòu)，分別執(zhí)行相互正交方向的迭代校正，進(jìn)一步提高系統(tǒng)的控制帶寬。

其中，所述的單模光纖亦可替換為保偏光纖、大模場(chǎng)直徑光纖、多模光纖或光子晶體光纖。

其中，所述的1×2光纖分路器的作用是提取耦合進(jìn)光纖內(nèi)的部分能量進(jìn)行閉環(huán)控制，根據(jù)實(shí)際需要確定其分束比。

其中，所述的光電探測(cè)器的作用是實(shí)現(xiàn)光功率至電壓信號(hào)的線(xiàn)性變換，其工作波長(zhǎng)范圍應(yīng)覆蓋信號(hào)激光束的光波長(zhǎng)，可以是光電二極管、光電三極管、雪崩光電二極管、光電倍增管或其他光電探測(cè)器。

其中，所述的控制平臺(tái)可以是各類(lèi)高精度AD、DA芯片與FPGA、DSP等實(shí)時(shí)信號(hào)處理芯片的集成，在對(duì)控制帶寬要求較低的場(chǎng)合亦可使用普通的PC機(jī)及配套數(shù)據(jù)采集卡完成這一功能。

其中，所述的多通道高壓放大器的通道數(shù)大于等于4，分別用于快速傾斜反射鏡的二維控制與光纖端面定位器的二維控制。

本發(fā)明的基本原理是：當(dāng)單位振幅的空間激光束耦合進(jìn)單模光纖時(shí)，于入射光瞳面A處經(jīng)耦合透鏡聚焦后，在耦合透鏡的后焦面O處形成艾里斑衍射圖樣。將耦合效率定義為耦合進(jìn)光纖的光功率P_o與入射光瞳面處光功率P_a的比值。根據(jù)Parseval定理，在入射光瞳面和焦面之間的任意平面上計(jì)算耦合效率都是等價(jià)的。這里，選擇在入射光瞳面處計(jì)算耦合效率η_c，如式(2)所示：

式中E_A(r_a)為入射光瞳面A處的接收光場(chǎng)，F(xiàn)_A(r_a)為單模光纖在入射光瞳面A處的后向傳輸模場(chǎng)。受到接收孔徑的限制，E_A(r_a)可表示為單位振幅平面波與孔徑函數(shù)P_u(r_a)的乘積，如式(3)所示。其中D為耦合透鏡的通光口徑，R＝D/2，ε為中心遮擋比。

當(dāng)單模光纖的歸一化頻率V滿(mǎn)足1.9≤V≤2.4時(shí)，單模光纖中只允許基模傳輸，其模場(chǎng)分布可近似為高斯分布。而入射光瞳面A與焦面O處的光場(chǎng)分布互為傅里葉變換對(duì)，故可將焦面O處的單模光纖模場(chǎng)分布進(jìn)行傅里葉逆變換，從而得到A處的后向傳輸模場(chǎng)F_A(r_a)?？紤]光纖接收端面存在靜態(tài)對(duì)準(zhǔn)偏差的情況。當(dāng)光纖位置存在橫向偏移ζ時(shí)，可計(jì)算該后向傳輸模場(chǎng)分布表達(dá)式(4)，其中λ為激光波長(zhǎng)，f為耦合透鏡的焦距，ω_a為單模光纖后向傳輸模場(chǎng)半徑，其與光纖模場(chǎng)半徑ω₀之間的關(guān)系滿(mǎn)足ω_a＝λf/πω₀。

結(jié)合公式(2)～(4)，可得到存在光纖位置橫向偏移ζ時(shí)的單模光纖耦合效率表達(dá)式(5)，其中J₀(x)為零階貝塞爾函數(shù)：

設(shè)置激光波長(zhǎng)λ＝1.550μm，SMF模場(chǎng)半徑ω₀＝5μm，耦合透鏡焦距和通光口徑分別為f＝15mm和D＝3mm，中心遮擋比ε＝0。公式(5)經(jīng)仿真得到的SMF耦合效率隨光纖位置橫向偏移量ζ的變化曲線(xiàn)如圖2所示。由圖2可知，由于單模光纖的芯徑非常小，當(dāng)光纖端面的位置偏移7μm以上時(shí)，耦合效率即下降至10％以下。這對(duì)耦合系統(tǒng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及裝配提出了非?？量痰囊?，很難達(dá)到并保持如此高的精度。此外，空間激光至單模光纖的耦合效率隨橫向偏移量ζ的增大而單調(diào)減小。因此，當(dāng)控制光纖端面對(duì)聚焦光斑進(jìn)行周期性二維掃描時(shí)，根據(jù)上述模場(chǎng)匹配原理的推導(dǎo)結(jié)果，對(duì)耦合進(jìn)光纖內(nèi)的光束能量變化規(guī)律進(jìn)行分析即可計(jì)算出當(dāng)前耦合效率的優(yōu)化梯度，用以控制快速傾斜反射鏡實(shí)現(xiàn)迭代校正。

本發(fā)明相比于現(xiàn)有技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)在于：

1)控制光纖端面對(duì)聚焦光斑進(jìn)行二維掃描以實(shí)現(xiàn)優(yōu)化梯度探測(cè)的方法，具有器件運(yùn)動(dòng)慣性小、結(jié)構(gòu)緊湊、掃描速度快、定位精度高等優(yōu)點(diǎn)，保證了梯度探測(cè)過(guò)程的準(zhǔn)確性與實(shí)時(shí)性。

2)采用將耦合效率優(yōu)化梯度探測(cè)與迭代校正分離執(zhí)行的控制結(jié)構(gòu)，彌補(bǔ)了執(zhí)行器件在SPGD控制算法下較低的帶寬利用率，并允許對(duì)光纖端面高速定位過(guò)程中的系統(tǒng)相位響應(yīng)延時(shí)現(xiàn)象進(jìn)行補(bǔ)償。

3)迭代校正部分可根據(jù)需要使用快速傾斜反射鏡做二維迭代校正，亦可同時(shí)使用兩組快速傾斜反射鏡分別完成對(duì)應(yīng)正交方向的一維迭代校正，從而進(jìn)一步提高系統(tǒng)的整體控制帶寬。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明一種基于光纖端面二維掃描的單模光纖自適應(yīng)耦合系統(tǒng)的組織結(jié)構(gòu)示意圖。其中，快速傾斜反射鏡(1)可替換為圖示(1-X)、(1-Y)的組合結(jié)構(gòu)。

圖2為本發(fā)明一種基于光纖端面二維掃描的單模光纖自適應(yīng)耦合系統(tǒng)理論分析中，經(jīng)仿真得到的單模光纖耦合效率η_c隨光纖端面橫向偏移量ζ的變化曲線(xiàn)。其中激光波長(zhǎng)λ＝1.550μm，SMF模場(chǎng)半徑ω₀＝5μm，耦合透鏡焦距和通光口徑分別為f＝15mm和D＝3.3mm，中心遮擋比ε＝0。

圖3為本發(fā)明一種基于光纖端面二維掃描的單模光纖自適應(yīng)耦合系統(tǒng)中，耦合效率優(yōu)化梯度探測(cè)及迭代校正的算法流程圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖與實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步的說(shuō)明，但不應(yīng)以此限制本發(fā)明的保護(hù)范圍。

系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)及連接方式如圖1所示，包括快速傾斜反射鏡1、耦合透鏡2、光纖端面定位器3、單模光纖4、1×2光纖分路器5、光電探測(cè)器6、控制平臺(tái)7和多通道高壓放大器8；空間激光束經(jīng)快速傾斜反射鏡1反射后傳輸至耦合透鏡2，光纖端面定位器3控制下的單模光纖4端面位于耦合透鏡2的后焦面處，單模光纖4與1×2光纖分路器5相連接，1×2光纖分路器5的一個(gè)輸出端口用以連接通信終端，另一個(gè)輸出端口與光電探測(cè)器6的輸入端口相連接，光電探測(cè)器6的輸出端口與控制平臺(tái)7的輸入端口相連接，控制平臺(tái)7的輸出端口與多通道高壓放大器8的輸入端口相連接，高壓放大器8的輸出端口分別與快速傾斜反射鏡1、光纖端面定位器3相連接。

系統(tǒng)在開(kāi)始工作之前，首先使用光纖端面定位器3控制單模光纖4端面對(duì)聚焦光斑進(jìn)行正弦型位置掃描，對(duì)比光電探測(cè)器6獲得的性能指標(biāo)，標(biāo)定系統(tǒng)的相位響應(yīng)延時(shí)角另外，需分別標(biāo)定光纖端面定位器3控制下的單模光纖4端面執(zhí)行位移方向與快速傾斜反射鏡1的光束偏轉(zhuǎn)方向，使其保持一致。

系統(tǒng)開(kāi)始工作時(shí)，空間激光束經(jīng)快速傾斜反射鏡1反射與耦合透鏡2聚焦后，在單模光纖4端面處形成聚焦光斑。耦合進(jìn)單模光纖4內(nèi)的光束能量經(jīng)1×2光纖分路器5后，一部分經(jīng)光電探測(cè)器6完成光功率至電壓信號(hào)的線(xiàn)性變換，作為性能指標(biāo)進(jìn)入控制平臺(tái)7用以進(jìn)行閉環(huán)控制。實(shí)例中使用的控制平臺(tái)為基于Xilinx spartan6系列芯片的FPGA硬件控制平臺(tái)；數(shù)據(jù)采集部分使用了Analog Devices公司的ADS8568芯片，工作方式為并行，最大采樣速率為510kSa/s，采樣精度為16bits；數(shù)據(jù)輸出部分使用了Analog Devices公司的AD5754芯片，工作方式為串行，支持的最高時(shí)鐘為30MHz，精度同樣為16bits；數(shù)據(jù)通信方面使用了RJ45以太網(wǎng)接口。此處可參照附圖3，所選用的控制算法執(zhí)行步驟描述如下：

步驟1)控制平臺(tái)7輸出兩組幅值為0.02V(對(duì)應(yīng)光纖端面執(zhí)行偏移量約0.15μm)、頻率為10kHz、相位間隔π/2的正弦電壓，經(jīng)高壓放大器8放大后作用于光纖端面定位器3，驅(qū)動(dòng)單模光纖4端面對(duì)聚焦光斑進(jìn)行周期性的二維掃描。設(shè)其掃描開(kāi)始時(shí)刻為t，周期為T(mén)。

步驟2)控制平臺(tái)7采集光纖端面位于一個(gè)掃描周期內(nèi)、時(shí)間間隔T/4的4組性能指標(biāo)。設(shè)采集開(kāi)始時(shí)刻為t′，將性能指標(biāo)依次記為J(t′)、和其中為光纖端面在二維掃描控制下的相位響應(yīng)延時(shí)角。

步驟3)控制平臺(tái)7根據(jù)公式(1)完成控制電壓迭代推算。其中k為算法迭代步數(shù)；γ為算法迭代步長(zhǎng)；為根據(jù)采集開(kāi)始時(shí)刻t′所確定的兩組相互正交方向的耦合效率優(yōu)化梯度近似值；U_X、U_Y為算法推算出的對(duì)應(yīng)方向的控制電壓。

步驟4)控制平臺(tái)7輸出控制電壓U_X、U_Y至多通道高壓放大器8，控制快速傾斜反射鏡(1)或快速傾斜反射鏡組(1-X)、(1-Y)執(zhí)行對(duì)應(yīng)方向的迭代校正。

步驟5)重復(fù)步驟1)～4)，使系統(tǒng)的耦合效率經(jīng)多次迭代后收斂至最優(yōu)值并維持穩(wěn)定，從而實(shí)現(xiàn)單模光纖端面對(duì)空間激光聚焦光斑的自適應(yīng)捕獲跟蹤。

至此，本發(fā)明完成了對(duì)一種基于光纖端面二維掃描的單模光纖自適應(yīng)耦合系統(tǒng)的詳細(xì)描述。本發(fā)明說(shuō)明書(shū)中未作詳細(xì)描述的內(nèi)容屬本領(lǐng)域技術(shù)人員的公知技術(shù)。