[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

摘要

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。

主权项

1.一种基于光纤端面二维扫描的单模光纤自适应耦合系统，其特征在于：包括快速倾斜反射镜(1)、耦合透镜(2)、光纤端面定位器(3)、单模光纤(4)、1×2光纤分路器(5)、光电探测器(6)、控制平台(7)和多通道高压放大器(8)；空间激光束经快速倾斜反射镜(1)反射后进入耦合透镜(2)，并在光纤端面定位器(3)内置的单模光纤(4)端面处形成艾里斑衍射图样，耦合进单模光纤(4)内的光能量经1×2光纤分路器(5)分束后一部分传输至通信终端，另一部分经光电探测器(6)后转换为电压反馈信号，作为性能指标进入控制平台(7)，控制平台(7)首先输出两组周期性二维扫描信号至多通道高压放大器(8)，控制光纤端面定位器(3)带动单模光纤(4)端面实现对聚焦光斑的二维扫描，与此同时采集经光电探测器(6)转换后得到的性能指标，从而计算出当前耦合效率的优化梯度，随后通过优化算法推算出两组控制电压信号至多通道高压放大器(8)，驱动快速倾斜反射镜(1)执行相应的迭代校正；所述耦合效率优化梯度探测以及控制电压推算过程，包括以下步骤：步骤1)控制平台(7)输出两组幅值及频率相同、相位间隔π/2的正弦电压，经多通道高压放大器(8)放大后作用于光纤端面定位器(3)，驱动单模光纤(4)端面对聚焦光斑进行周期性二维扫描，设其扫描开始时刻为t、周期为T；步骤2)控制平台(7)采集光纤端面位于一个扫描周期内、时间间隔T/4的4组性能指标，设采集开始时刻为t′，将性能指标依次记为J(t′)、和其中为光纤端面在二维扫描控制下的相位响应延时角；步骤3)控制平台(7)根据公式(1)完成控制电压迭代推算，其中k为算法迭代步数；γ为算法迭代步长；为根据采集开始时刻t′所确定的、两组相互正交方向的耦合效率优化梯度近似值；U_X、U_Y为算法推算出的对应方向的控制电压，步骤4)控制平台(7)输出控制电压U_X、U_Y至多通道高压放大器(8)，控制快速倾斜反射镜(1)执行对应方向的迭代校正；步骤5)重复步骤1)～4)，使系统的耦合效率经多次迭代后收敛至最优值并维持稳定。