[发明专利]一种基于耦合效率优化的快速控制反射镜光纤耦合对准装置

权利要求书

1.一种基于耦合效率优化的快速控制反射镜光纤耦合对准装置，其特征在于：该装置 包括快速控制反射镜(1)、耦合透镜组(2)、光纤(3)、能量探测器(4)、随机并行梯度下 降算法控制器(5)和快速控制反射镜驱动(6)；在整个耦合装置工作时，接收到得光经快 速控制反射镜(1)入射到耦合透镜组(2)，耦合透镜组(2)将入射光聚焦至光纤(3)端 面，光纤(3)与能量探测器(4)连接，能量探测器(4)探测入射到光纤(3)中光的能量 作为整个耦合装置的评价因子，然后由随机并行梯度下降算法控制器(5)输出一个随机扰 动信号，扰动信号经快速控制反射镜驱动(6)施加到快速控制反射镜(1)上，由于快速控 制反射镜(1)的控制电压改变，它的镜面发生偏转，导致入射光经耦合透镜组(2)聚焦到 光纤(3)中的能量发生改变，此时由能量探测器(4)探测当前光纤(3)中的能量并将能 量值传送给随机并行梯度下降算法控制器(5)，随机并行梯度下降算法控制器(5)利用随 机并行梯度下降算法根据得到的光功率评价因子的变化估计优化的梯度方向，并计算得到以 适合的增益沿估计的梯度方向获取快速控制反射镜(1)的控制电压，该电压经快速控制反 射镜驱动(6)施加到快速控制反射镜(1)上，完成一次迭代；通过反复迭代使得光纤功率 计中光能量值稳定在较大值，获得理想的光纤耦合效果。

2.根据权利要求1所述的一种基于耦合效率优化的快速控制反射镜光纤耦合对准装置， 其特征在于：该装置评价因子为能量探测器(4)探测到的光纤中的能量值，评价因子取得 越接近极值时，光纤耦合效率越高。

3.根据权利要求1所述的一种基于耦合效率优化的快速控制反射镜光纤耦合对准装置， 其特征在于：所述的光纤的波长、数值孔径根据实际情况而定，种类不限，可以是单模光纤、 多模光纤、保偏光纤等；所述的快速控制反射镜实现光束角度的偏转，也可以采用其他的光 束偏转器件，具体为液晶空间光调制器或机械扫描装置；所述的能量探测器种类不限，可以 是各种光功率计、单光子计数器或APD能量探测器；所述的随机并行梯度下降算法控制器， 其种类不限，可以是计算机或大规模集成电路这样能够执行该算法控制的相关设备和器件。

4.根据权利要求1所述的一种基于耦合效率优化的快速控制反射镜光纤耦合对准装置， 其特征在于：随机并行梯度下降算法控制器(5)产生控制电压信息的过程为：

对于能量探测器(4)中探测到的光纤中的能量值，首先定义其为性能评价因子J， (u_x，u_y)为作用于快速控制反射镜(1)上垂直两方向的电压值，J是快速控制反射镜(1) 控制电压u＝(u_x，u_y)的函数，即快速控制反射镜偏转角度不同，光纤中光的能量也不同；

然后由随机并行梯度下降算法对两个方向的快速控制反射镜(1)控制电压施加随机扰 动Δu_n＝δ_nπ_n(其中n＝1，2)，其中δ_(1，2)为扰动的幅值，π_(1，2)为扰动的方向，由此造成 的入射到光纤中能量的变化△J可由下式计算：

ΔJ＝J(u₁+Δu₁，u₂+Δu₂)-J(u₁，u₂)

根据Taylor公式：

ΔJΔun≈∂J∂un+Σl≠nN∂J∂ul·ΔulΔun]]>

当扰动Δu_n随机并且相互独立，上式中的第二项的数学期望为0，在SPGD算法中，由 于扰动服从贝努利分布B(N，0.5)(N为快速控制反射镜偏置的两个方向)，所以满足上述条 件；

假设扰动的幅值为δ，扰动的方向为π，并且服从贝努利分布B(N，0.5)，根据 估计的梯度方向ΔJ/Δu，则快速控制反射镜(1)的电压应该为：

un(m+1)=un(m)-γΔJΔun]]>

若要搜索光纤中入射光的能量变大，γ应小于零，考虑到扰动的幅值|Δu_n|对于快速控制 反射镜(1)的任意控制电压都是相同的，所以式X可以简化为：

un(m+1)=un(m)-γ′πn(m)ΔJ]]>

上式中γ′是人为定义的权重系数，依据装置的实际运动情况而定；

通过想快速控制反射镜(1)施加随机扰动电压和光纤(3)中入射光的能量变化量，能 够不断更新施加在快速控制反射镜(1)上得控制电压，直至光纤(3)中入射光的能量取得 全局最优值，对应光纤中入射光的能量最大。