阅读说明：本技术 一种无位置探测器光轴稳定的空间光与光纤光耦合装置及方法 ([db:专利名称-en]) 是由 侯培培 孙建锋 卢智勇 周煜 汪逸群 王利娟 奚越力 于 2018-08-29 设计创作，主要内容包括：本发明提供了一种无需位置探测器实现光轴稳定的空间光与光纤光高效率耦合装置及方法,其基本思想在于：首先根据理论耦合效率模型拟合计算出模型参数,其次依据光纤章动的原理,采用四点跟踪算法计算出光纤章动轨迹,最后利用章动轨迹计算中心点位置偏差,通过修正位置偏差保证光轴稳定,始终具有较高的耦合效率。用于空间相干激光通信DPSK链路中无位置探测器的光轴稳定和高效率耦合,是空间激光通信远距离高码率传输的关键技术,对星间光通信发展具有重要的意义。([db:摘要-en])

一种无位置探测器光轴稳定的空间光与光纤光耦合装置及 方法

技术领域

本发明涉及无需位置探测器实现光轴稳定的空间光与光纤光高效率耦合的方法，能实现具有自动跟踪功能的空间光与光纤光始终具有较高的耦合效率，是高码率，小型化，轻量化和低功耗远距离空间相干激光通信的一个关键技术。

背景技术

激光束作为信息载体的自由空间激光通信频率高，空间和时间相干性好，发射波束窄，是解决微波通信瓶颈，构建天基宽带网，实现全球高速、实时通信的有效手段，具有很大的民用和军事应用潜力。

空间相干激光通信是自由空间远距离通信实现Gbit/s以上数据传输速率的唯一技术手段。基于自差和外差探测方式的相干激光通信具有较高的探测灵敏度，是实现高码率，小型化，轻量化和低功耗远距离激光通信终端的关键体制。对于相干激光通信自差探测方式需要将空间激光耦合进单模光纤。因此如何使空间激光与单模光纤耦合、空间激光和空间激光耦合始终具有较高的耦合效率，是高码率，小型化，轻量化和低功耗远距离空间相干激光通信的一个关键技术。

相干激光通信DPSK链路中空间激光与光纤光实现无位置探测器光轴稳定的方法，有效的提高了空间激光耦合效率，是对高码率空间激光相干通信技术的新探索，对我国星地通信终端研制有重要意义。现有方案参阅文献(1)，Morio Toyoshima “Maximum fibercoupling efficiency and optimum beam size in the presence of random angularjitter for free-space laser systems and their applications，”J.Opt.Soc.Am.A，2006，23(9)，(2)高建秋，孙建锋，李佳蔚，朱韧，侯培培，陈卫标，基于激光章动的空间光到单模光纤的耦合方法。《中国激光》2016,43(8)

发明内容

本发明的目的在于提供一种无需位置探测器实现光轴稳定的空间光与光纤光高效率耦合的装置及方法，可以实现系统自动跟踪功能。基本思想是首先通过模场匹配，拟合计算出耦合效率模型参数，其次依据光纤章动的原理，采用四点跟踪算法计算出光纤章动轨迹，最后利用章动轨迹计算中心点位置偏差，通过修正位置偏差保证光轴稳定，始终具有较高的耦合效率。本发明的技术解决方案如下：

一种无位置探测器光轴稳定的空间光与光纤光耦合方法，应用于包含有光纤耦合器和二维快速扫描振镜的装置，其特征在于，至少包括以下步骤：

步骤S002：光纤耦合器在放大的正交正弦信号作用下做章动，二维快速扫描振镜恒压下，在x和y方向偏转到两个预设位置，分别采集各个位置的输出耦合光功率，根据光功率获得章动圆周上的x轴和y轴轨迹；

步骤S003：光纤耦合器在放大的正交正弦信号作用下做章动，每隔预设章动周期，采集一个光功率信号，根据采集的光功率信号及其对应的坐标值获取位置误差信号；

步骤S004：根据位置误差信号调节光路，获得稳定的光轴。

优选地，所述步骤S002之前还包括，

步骤S001：获取耦合模型参数；

所述步骤S001至少包含以下步骤：

S001a：二维快速扫描振镜保持y方向不动，x方向做三角波扫描，采集光纤耦合器的光功率信号；二维快速扫描振镜保持x方向不动，y方向做三角波扫描，采集光纤耦合器的光功率信号；

S001b：将S001a中两次采集的光功率信号以及每个信号点对应的二维快速扫描振镜的位置信号带入方程，求解耦合模型参数。

优选地，所述步骤S001之后与步骤S002之前包括以下步骤：

S002a：控制信号发射模块发射两路正交的正弦信号；

S002b：驱动信号控制板将输入的信号分成四路两两正交的放大的正弦信号；

S002c：驱动信号控制板经电线将信号加载到光纤耦合器上，光纤耦合器在放大的正交正弦信号作用下做章动。

优选地，所述步骤S003至少包括以下步骤之一：

S003a：控制输入信号板发射两路正交的正弦信号；

S003b：信号驱动板将输入的信号分成四路两两正交的放大的正弦信号；

S003c：信号驱动板经电线将信号加载到光纤耦合器上，光纤耦合器在放大的正交正弦信号作用下做章动；

S003d：每隔四分之一章动周期，采集一个光功率信号；

S003e：将采集的光功率信号及其对应的坐标值带入方程，得出位置误差信号。

优选地，步骤S002a中驱动信号发生器发射的正弦信号幅值在1V～2.5V范围内，频率在1kHz～5kHz范围内。

优选地，步骤S002c中电压放大器将电压放大到100V～200V。

优选地，求解得到的x轴轨迹为：

y轴轨迹为：

其中，x₁，x₂为x方向两个预设位置的x坐标，y₁，y₂为y方向两个预设位置的y坐标，ω₀为耦合模型参数，Poutx₁为x₁位置对应的输出光功率，Poutx₂为x₂位置对应的输出光功率，Pouty₁为y₁位置对应的输出光功率，Pouty₂为y₂位置对应的输出光功率。

优选地，误差位置为：

其中，Rx₁，为x方向轨迹上的x坐标，Ry₁为y方向轨迹上的坐标，ω₀为耦合模型参数，Poutx₁为Rx₁位置对应的输出光功率，Poutx₂为Rx₂位置对应的输出光功率，Pouty₁为Ry₁位置对应的输出光功率，Pouty₂为Ry₂位置对应的输出光功率。

优选地，在步骤S003或步骤S002之前还包括：

步骤S000：标定二维快速扫描振镜的延时；具体包括以下步骤：

步骤S000a：在快反镜X，Y方向分别加载正弦信号K＝sin(θ₁)；

步骤S000b：在光纤不做章动的情况下，计算由于快反镜的扫描光纤章动器输出正弦光功率G＝sin(θ₂)；

步骤S000c：通过计算K和G的相位差

Δ＝θ₁-θ₂

可以得到快反镜的延时时间。

本发明还提供一种无位置探测器光轴稳定的空间光与光纤光耦合装置，其特征在于，包含上述无位置探测器光轴稳定的空间光与光纤光耦合方法。

本发明还提供一种无位置探测器光轴稳定的空间光与光纤光耦合装置，包括激光器(01)，光束准直器(02)，二维快速扫描镜(03)，会聚透镜组(04)，光纤耦合器(05)，驱动信号控制板(06)，信号发射模块(07)，桥接器(08)，探测器(09)，数据采集板(10)；

所述激光器(01)通过光纤连接到光束准直器(02)端口，光束准直器(02) 的出射光45度角入射到二维快速扫描振镜(03)，二维快速扫描振镜(03)反射的光束平行会聚透镜组的光学中心入射到会聚透镜组(04)内，会聚透镜组(04)出射光束的焦点入射到光纤耦合器(05)端面上，信号发射模块(07)发射的信号通过同轴电缆传给驱动信号控制板(06)，驱动信号控制板(06)经电线将信号加载到光纤耦合器(05)上，光纤耦合器(05)耦合的光功率经光纤进入到桥接器(08)，桥接器(08)的光信号经光纤进入探测器(09)，探测器(09)的电信号经同轴线进入数据采集板(10)。

优选地，光纤耦合器(05)包括光纤(11)，以及压电陶瓷管(12)。

优选地，光纤(11)从压电陶瓷管(12)内穿出并与压电陶瓷管(12)固定在一起。

优选地，压电陶瓷管(12)上包含四个电极区域(13)，四个电极区域(13) 上均焊有电线(14)。

优选地，信号发射模块(07)为信号发生器。

优选地，驱动信号控制板(06)为电压放大器。

本发明还提供一种光纤耦合器，其特征在于，包括光纤，压电陶瓷管，耦合底座，电线；

所述的光纤的结构为毛细管插芯结构；

所述的压电陶瓷管外部分为若干条带状电极区域，区域间绝缘；

所述的耦合底座具有孔位；

所述的光纤嵌入压电陶瓷管内，压电陶瓷管底端固定到耦合底座上，压电陶瓷管靠近底座部分的每个电极区域引出一根电线，电线另一端从底座上的孔位穿出。

优选地，光纤一端的端面具有端帽且加镀高透膜；

优选地，压电陶瓷管外部的带状电极区域数量为四条；

具体地，上述方程及其推导过程如下：

1)耦合模型参数求解：

基于光纤耦合效率模型

光斑的位置在(x，y₁₁)，(x，y₂₂)，(x，y₃₃)，(x，y₄₄)时，光纤耦合模型方程可以写为：

方程(2)减去方程(3)，方程(4)减去方程(5)

模型求解：

方程(6)与方程(7)联立

得到

由于

将方程(8)带入方程(9)中，可获得耦合模型参数。

2)轨迹求解

利用快反镜控制入射光斑x轴在两个独立位置(x₁,y₀)和(x₂,y₀)，同时分别记录两种状态下的输出光功率值

取对数相减

同样，可以得到y轴的轨迹

3)误差求解：

如图5所示，记录章动轨迹R_X1，R_X2，R_Y1，R_Y2处的接收光强值Px1，Px2，Py1， Py2；

方程(14)减去方程(15)，方程(16)减去方程(17)

如上所述，本发明所提供的一种无需位置探测器实现光轴稳定的空间光与光纤光高效率耦合装置及方法，具有以下有益效果：

(1)本发明在无需位置探测器的情况下实现了光轴稳定的空间光与光纤光高效率耦合；

(2)本发明可独立求解出耦合模型参数，无需外部提供；

(3)本发明结构简单，性能稳定可靠，易于集成；

(4)本发明可以获得高的耦合效率，有很强的滤除背景光能力，可以进一步提高抗干扰能力，能够实现比较优良的空间光通信传输信道。

附图说明

图1显示为本发明所提出的无需位置探测器实现光轴稳定的空间光与光纤光高效率耦合方法的步骤示意图。

图2显示为本发明所提出的无需位置探测器实现光轴稳定的空间光与光纤光高效率耦合装置示意图。

图3显示为本发明中所用的光纤耦合器与耦合透镜的连接结构示意图。光纤耦合器的底盘与会聚透镜组固定在一个镜筒内，使光纤端面位于透镜组焦点处。

图4显示为本发明中所用的光纤耦合器的结构示意图。光纤以毛细管插芯结构装入陶瓷管内。陶瓷管低端固定到底盘上形成悬臂结构，陶瓷管周围分四个电极区域，电极区域靠近底座的位置引出四根电线，电线穿过底座与外部信号驱动控制板连接。

图5为光纤耦合模型。

图中标号：

激光器(01)，光束准直器(02)，二维快速扫描镜(03)，会聚透镜组(04)，光纤耦合器(05)，驱动信号控制板(06)，信号发射模块(07)，桥接器(08)，探测器(09)，数据采集板(10)，光纤耦合器(11)，会聚透镜组(12)，镜筒(13)，镜筒支座(14)，压电陶瓷管(15)，耦合底座(16)，电线(17)，光纤(18)。

具体实施方式

以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效。

须知，本说明书所附图式所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容得能涵盖的范围内。同时，本说明书中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”及“一”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。下面结合附图对本发明的无需位置探测器实现光轴稳定的空间光与光纤光高效率耦合的方法作进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。

实施例1：

本发明提供了一种无需位置探测器实现光轴稳定的空间光与光纤光高效率耦合的方法，其具体步骤详见图1。具体包括如下四个步骤：

步骤S001：获取耦合模型参数；

激光器(01)发射1550nm激光经光纤进入光束准直器(02)，光束准直器(02) 的出射光45度角入射到二维快速扫描振镜(03)上，二维快速扫描振镜(03)反射的光束平行入射到会聚透镜组(04)，会聚透镜组(04)出射光束的焦点入射到光纤耦合器(05)端面上，光纤耦合器(05)不加信号的情况下，二维快速扫描振镜(03)y方向不动，x方向做幅度300mv频率2Hz的三角波扫描，采集光纤耦合器(03)的光功率信号，采集数据长度10^6，同理，二维快速扫描振镜(03)x 方向不动的情况下，y方向做幅度300mv频率2Hz的三角波扫描，采集光纤耦合器 (05)的光功率信号。二维快速扫描振镜(03)的正弦信号即对应光斑的位置坐标，将两次采集的光功率信号每个点对应的二维快速扫描振镜(03)的位置信号带入方程(1)和(2)中

得到方程(3)

由于

将方程(3)带入方程(4)中，可获得耦合模型参数ω₀。

步骤S000：标定二维快速扫描振镜的延时；

由于二维快速扫描振镜(03)本身可能存在时间延时，故在求位置误差之前需要先标定二维快速扫描振镜的延时。

在快反镜X，Y方向分别加载正弦信号，

K＝sin(θ1)

光纤章动器在不章动的情况下，由于快反镜的扫描，光纤章动器输出正弦光功率

G＝sin(θ2)

通过计算K和G的相位差

△＝θ1-θ2

可以得到快反镜的延时时间。

例如

快反镜X方向加载正弦信号，频率为20Hz，幅度为50mv。

K＝sin(θ1)

光纤章动器在不章动的情况下，由于快反镜的扫描，光纤章动器输出正弦光功率

G＝sin(θ2)

通过示波器采集K和G信号，采用率为2.5e^5,将时域的K和G信号转换到频域，并补零，即

K1＝fft(K，10^7)

G1＝fft(G，10^7)

分别在求频域信号K1和G1的最大频率，最大频率对应的角度即相位。

K2＝angle(K1(max))

G2＝angle(G1(max))

频域的相位差即时域的时间差，因此快发镜的延时时间为

T＝K2-G2

步骤S002：获取坐标轴轨迹；

激光器(01)发射1550nm激光经光纤进入光束准直器(02)，光束准直器(02) 的出射光45度角入射到二维快速扫描振镜(03)上，二维快速扫描振镜(03)反射的光束平行入射到会聚透镜组(04)，会聚透镜组(04)出射光束的焦点入射到光纤耦合器(05)端面上，信号发射模块(07)发射正交的正弦信号，信号幅值 2.1V，频率2kHz，信号发射模块(07)发射的信号通过同轴电缆传给驱动信号控制板(06)，驱动信号控制板(06)将信号分成四路两两正交的正弦信号同时电压放大到100V经电线将信号加载到光纤耦合器(05)上，光纤耦合器(05)在放大的正交正弦信号作用下做章动。二维快速扫描振镜(03)恒压下，x方向偏转+10mv 和-10mv，分别采集两个位置的输出耦合光功率，即记录入射光斑在x轴两个独立位置(x1,y0)和(x2,y0)时两种状态下的输出光功率值，带入方程(5)和(6)

取对数相减

得到x轴的轨迹

同样，可以得到y轴的轨迹

步骤S003：获取位置误差；

激光器(01)发射1550nm激光经光纤进入光束准直器(02)，光束准直器(02) 的出射光45度角入射到二维快速扫描振镜(03)上，二维快速扫描振镜(03)反射的光束平行入射到会聚透镜组(04)，会聚透镜组(04)出射光束的焦点入射到光纤耦合器(05)端面上，信号发射模块(07)发射两路正交的正弦信号，信号幅值2.1V，频率2kHz，信号发射模块(07)发射的信号通过同轴电缆传给驱动信号控制板(06)，驱动信号控制板(06)将两路信号分成四路两两正交的正弦信号同时将电压放大到100V后，经电线将信号加载到光纤耦合器(05)上，光纤耦合器 (05)在放大的正交正弦信号作用下做章动。光纤耦合器(05)耦合的输出光功率经光纤进入到桥接器(08)，桥接器(08)的光信号经光纤进入探测器(09)，探测器(09)的电信号经同轴线进入数据采集板(10)。

当章动频率2kHz时，章动周期为500us，每隔125us取一个采集的光功率信号，即记录章动轨迹R_X1，R_X2，R_Y1，R_Y2处的接收光强值Px1，Px2，Py1，Py2；

由光纤耦合模型得，如图5所示

方程(14)减去方程(15)，方程(16)减去方程(17)

即，光斑位置为

快反镜位置为此时快发镜的实际位置，设为(k_x,k_y)

最后，位置误差为

△＝W(t0)-W_k(t0+T)

由于光纤章动，存在-R_X1＝R_X2，-R_Y1＝R_Y2，因此在实际应用中△x,△y既可以为正值也可以为负值。

步骤S004：根据位置误差调节光路，使光斑处于耦合效率最大的位置；

由于步骤S001已经拟合计算出ω₀，此值只与光学系统和光纤模场分布有关，与其他没有关联，原则上不会改变，Rx₁，Ry₁是光纤章动的x方向和y方向的章动半径，由步骤S002章动轨迹得到，因此可以通过步骤S003得到位置误差△x，△y 信号，位置误差信号通过同轴电缆反馈给二维快速扫描振镜(03)，二维快速扫描振镜(03)及时补偿相应的误差，使光斑一直在光纤章动中心，系统具有稳定的光轴。

本发明具有性能稳定可靠，可以获得高的耦合效率，有很强的滤除背景光能力，可以进一步提高抗干扰能力，能够实现比较优良的空间光通信传输信道。

实施例2：

本发明提供了一种无需位置探测器实现光轴稳定的空间光与光纤光高效率耦合的装置，如图2所示，该装置共包括以下几个组成部分：

本发明还提供一种无位置探测器光轴稳定的空间光与光纤光耦合装置，其特征在于，包括激光器(01)，光束准直器(02)，二维快速扫描镜(03)，会聚透镜组(04)，光纤耦合器(05)，驱动信号控制板(06)，信号发射模块(07)，桥接器(08)，探测器(09)，数据采集板(10)。

具体地，各个部分的光路连接方式为，激光器(01)通过光纤连接到光束准直器(02)端口，光束准直器(02)的出射光45度角入射到二维快速扫描振镜(03)，二维快速扫描振镜(03)反射的光束平行会聚透镜组的光学中心入射到会聚透镜组 (04)内，会聚透镜组(04)出射光束的焦点入射到光纤耦合器(05)端面上，信号发射模块(07)发射的信号通过同轴电缆传给驱动信号控制板(06)，驱动信号控制板(06)经电线将信号加载到光纤耦合器(05)上，光纤耦合器(05)耦合的光功率经光纤进入到桥接器(08)，桥接器(08)的光信号经光纤进入探测器(09)，探测器(09)的电信号经同轴线进入数据采集板(10)。

在使用本发明的装置进行光轴稳定的空间光与光纤光耦合时，首先，激光器 (01)发射1550nm激光经光纤进入光束准直器(02)，光束准直器(02)的出射光 45度角入射到二维快速扫描振镜(03)上，二维快速扫描振镜(03)反射的光束平行入射到会聚透镜组(04)，会聚透镜组(04)出射光束的焦点入射到光纤耦合器(05)端面上，光纤耦合器(05)不加信号的情况下，二维快速扫描振镜(03) y方向不动，x方向做幅度300mv频率2Hz的三角波扫描，采集光纤耦合器(03) 的光功率信号，采集数据长度10^6，同理，二维快速扫描振镜(03)x方向不动的情况下，y方向做幅度300mv频率2Hz的三角波扫描，采集光纤耦合器(05)的光功率信号。二维快速扫描振镜(03)的正弦信号即对应光斑的位置坐标，将两次采集的光功率信号每个点对应的二维快速扫描振镜(03)的位置信号带入方程(1) 和(2)中

得到方程(3)

由于

将方程(3)带入方程(4)中，可获得耦合模型参数ω₀。

接下来，信号发射模块(07)发射正交的正弦信号，信号幅值2.1V，频率2kHz，信号发射模块(07)发射的信号通过同轴电缆传给驱动信号控制板(06)，驱动信号控制板(06)将电压放大到100V经电线将信号加载到光纤耦合器(05)上，光纤耦合器(05)在放大的正交正弦信号作用下做章动。二维快速扫描振镜(03)恒压下，x方向偏转+10mv和-10mv，分别采集两个位置的输出耦合光功率，即记录入射光斑在x轴两个独立位置(x1,y0)和(x2,y0)时两种状态下的输出光功率值，带入方程(5)和(6)

取对数相减

得到x轴的轨迹

同样，可以得到y轴的轨迹

接下来，光纤耦合器(05)耦合的输出光功率经光纤进入到桥接器(08)，桥接器(08)的光信号经光纤进入探测器(09)，探测器(09)的电信号经同轴线进入数据采集板(10)。

当章动频率2kHz时，章动周期为500us，每隔125us取一个采集的光功率信号，即记录章动轨迹R_X1，R_X2，R_Y1，R_Y2处的接收光强值Px1，Px2，Py1，Py2；

由光纤耦合模型得

方程(14)减去方程(15)，方程(16)减去方程(17)

位置误差信号通过同轴电缆反馈给二维快速扫描振镜(03)，二维快速扫描振镜(03)及时补偿相应的误差，使光斑一直在光纤章动中心，系统具有稳定的光轴。

本发明具有性能稳定可靠，可以获得高的耦合效率，有很强的滤除背景光能力，可以进一步提高抗干扰能力，能够实现比较优良的空间光通信传输信道。

实施例3：

本发明还提供一种光纤耦合器，包含：光纤，压电陶瓷管，耦合底座，电线。

如图3所示，光纤做毛细管插芯结构，光纤端面做端帽加镀高透膜。压电陶瓷管外部分为四条带状电极区域，区域间绝缘。光纤嵌入压电陶瓷管内，压电陶瓷管底端固定到耦合底座上，压电陶瓷管靠近底座部分的每个电极区域引出一根电线，电线另一端从底座上的孔位穿出，底座上穿出电线的孔位做固定处理。

当本发明所提供的光纤耦合器应用于本发明所提供的无位置探测器光轴稳定的空间光与光纤光耦合装置时，连接于压电陶瓷管上的电线连到信号驱动控制板信号输出端口，信号驱动控制板输出电信号通过电线加载到陶瓷管上。当外部施加一个电压到某一个电极区域时，陶瓷管向垂直方向收缩，使陶瓷管顶部产生比较大的倾斜，同时施加电压会使陶瓷轴向膨胀和收缩，从而实现控制压电陶瓷管做章动运动。