[发明专利]一种基于光纤端面二维扫描的单模光纤自适应耦合系统

说明书

本发明涉及一种基于光纤端面二维扫描的单模光纤自适应耦合系统，包括快速倾斜反射镜、耦合透镜、光纤端面定位器、单模光纤、1×2光纤分路器、光电探测器、控制平台和多通道高压放大器。本发明用以保证高效、稳定的空间光至单模光纤耦合效率。利用光纤端面定位器控制光纤端面实现对聚焦光斑的二维扫描，监测光纤输出光功率的变化规律以计算耦合效率的优化梯度，结合快速倾斜反射镜与优化算法完成光纤端面对聚焦光斑的自适应捕获跟踪。本发明创新点在于利用光纤端面对聚焦光斑的二维扫描来实现优化梯度探测，与迭代校正过程分离执行，具有器件带宽利用率高、运动惯性小、跟踪精度高、结构紧凑等优点，在空间光通信领域有着重要的应用前景。

技术领域

本发明涉及一种空间激光至单模光纤的自适应耦合系统，属于自动控制及光学工程技术领域。在自由空间激光通信中有着重要的应用前景。

背景技术

自由空间激光通信(Free Space Optical Communications，FSOC)是近些年发展起来的一种具有传输速率高、信息容量大、保密性能好等优点的新型通信技术。自由空间光通信系统中越来越多地结合了成熟的光纤通信技术，其结构设计变得更加灵活，体积、重量进一步减小，稳定性也大大提高，同时也使得空间激光至单模光纤(Single-Mode Fiber，SMF)的耦合成为该领域需解决的关键技术之一。受限于机械调节精度、环境温度、重力等因素，耦合系统中单模光纤的接收端面位置会产生一定的偏移。此外，受空间激光传输过程中的大气湍流效应、平台振动等因素的影响，光纤接收端面处聚焦光斑的位置也会产生一定的随机抖动。以上因素严重制约了光纤耦合效率的高效性与稳定性。

为了解决上述问题，需要实现空间激光至单模光纤的自适应耦合。将自适应光学技术引入到光纤自适应耦合领域是一种经理论与实验证实过的行之有效的方法。2005年和2011年，美国陆军研究实验室的L.Beresnev等人(L.A.Beresnev,and M.A.Vorontsov,“Design ofadaptive fiber optics collimator for free-space communication lasertransceiver,”Proc.SPIE 5895,58950R(2005))和中国科学院光电技术研究所的耿超等人(C.Geng,X.Li,X.Zhang,and C.Rao,“Coherent beam combination of an optical arrayusing adaptive fiber optics collimators,”Optics Communications 284,5531-5536(2011))分别独立研制了一种叫做自适应光纤准直器(Adaptive fiber-opticscollimator，AFOC)的器件，该器件可以在小角度范围内自适应地精确控制出射准直光束的偏转角度。在此器件的基础上，利用光路可逆性原理，2013年耿超等人提出了名称为“一种激光束双向收发的自适应光纤耦合或准直器控制系统”(专利号201310161222.7)的发明专利，并实现了空间激光到光纤的高效自适应耦合(W.Luo,C.Geng,et al.,“Experimentaldemonstration of single-mode fiber coupling using adaptive fiber coupler,”Chinese Physics B 23,014207(2014))。该方法使用光纤端面定位器和随机并行梯度下降(Stochastic Parallel Gradient Descent，SPGD)算法来完成光纤接收端面对空间激光聚焦光斑的自适应跟踪。在该控制结构中，光纤端面定位器需要响应SPGD算法推算出的一组二维随机抖动序列进行优化梯度估计，并根据估算结果执行迭代校正，系统的带宽利用率较低；受限于器件的谐振特性以及整个控制回路中的系统相位响应延时，很难实现高速的SPGD算法迭代，因此对于接收平台振动、大气湍流扰动下光纤耦合效率的补偿能力有限。