CN111600654A - 一种基于功率反馈的高效空间光-光纤耦合装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于功率反馈的高效空间光‑光纤耦合装置及方法，包括基座，基座中间通过压圈固定有透镜，基座通过若干弹簧和压电陶瓷连接有后基座，后基座在与透镜中心相对应的位置设置有通孔，所述通孔中穿有光纤的一端，光纤与透镜的中心在一条直线上，光纤的另一端连接有分束器，分束器处理后的单模光纤连接有信号处理单元，信号处理单元通过信号传输线连接有驱动电路，驱动电路通过信号传输线连接基座。实现光纤耦合端面中心位于对应透镜焦点中心的自动对准，且保持光纤与透镜光轴重合，提升空间光‑单模光纤耦合效率。对于中短距离的空间光‑单透镜‑单模光纤耦合工作环境，更加快速准确的对准，一定程度上节省劳动力和时间成本。
Description
技术领域
本发明属于无线激光通信领域，尤其是涉及一种可以抑制大气湍流引起空间光-单透镜-单模光纤耦合效率下降的耦合装置及方法。
背景技术
自由空间光通信(FSO)利用在空间中传播的光传输数据，具有频带宽、速率高、协议透明和安全可靠等诸多特点，FSO已经成为星际通信、5G移动通信等高速信息传输的重要技术手段，在“空天地一体化”网络构建、微波光子融合通信等领域具有广泛的应用前景。然而，FSO技术在近地大气环境中应用面临严峻考验，其中，最大的问题是激光在传输过程中受到大气环境的影响，不仅造成通信光束的功率衰减，同时还存在光束漂移、光强闪烁、光束扩展、相位起伏等大气湍流效应的影响。在FSO系统中，激光接收端机的性能决定了整体通信性能的优劣。受制于大气链路中湍流等因素的影响，空间光至单模光纤的耦合效率大大降低，进而导致严重误码。因此，如何消除大气湍流的影响、改善接收端的光耦合效率，提高探测效率是空间激光通信领域孜孜以求的目标。
目前，由于空间平台功耗、重量等的限制和通信距离非常遥远等客观条件的限制，在FSO系统中，接收的光信号往往十分微弱，考虑耦合问题的时候关注的焦点是耦合效率。理想情况下，空间光到单模光纤的耦合效率主要受模式匹配、对准偏差、菲涅尔反射、吸收损耗、平台振动等影响，理论计算的最大耦合效率约为81％(Winzer P J,Leeb W R.Fibercoupling efficiency for random light and its applications to lidar[J].OpticsLetters,1998,23(13):986-988.)。实验上，中国科学院光电技术研究所验证了自适应光纤耦合器(AFC)在光纤耦合中补偿静态角偏差和角抖动的作用。结果显示：静态角偏差大于60μrad或者随机角抖动标准差大于8μrad时，理论光纤耦合效率下降到10％以下。在AFC的校正范围内(80μrad)，校正静态角偏差和角抖动后，平均耦合效率均提升到60％以上，最大耦合效率为67％(罗文.基于自适应光纤耦合器的单模光纤耦合技术研究[D].中国科学院研究生院(光电技术研究所),2014.)。对于FSO系统，当信号光经过大气湍流传输一段距离后，如何解决到达角起伏、光斑漂移造成的耦合效率下降，并实现自动对准是当前FSO急需解决的关键性问题。
发明内容
本发明主要解决的技术问题是提供一种基于功率反馈的高效空间光-光纤耦合装置，解决了现有技术中存在的因为大气湍流等因素导致光斑抖动，漂移所造成的耦合效率下降的问题。
本发明的另一种目的是提供一种基于功率反馈的高效空间光-光纤耦合方法。
本发明所采用的技术方案是，
一种基于功率反馈的高效空间光-光纤耦合装置，包括基座，基座中间通过压圈固定有透镜，基座通过若干弹簧和压电陶瓷连接有后基座，后基座在与透镜中心相对应的位置设置有通孔，所述通孔中穿有光纤的一端，光纤与透镜的中心在一条直线上，光纤的另一端连接有分束器，分束器处理后的单模光纤连接有信号处理单元，信号处理单元通过信号传输线连接有驱动电路，驱动电路通过信号传输线连接基座。
本发明的特点还在于：
基座为中空的圆环形，其内径与透镜的直径相匹配。
弹簧设置在压电陶瓷内侧。
弹簧和压电陶瓷均设置有6个；
透镜的相对孔径为0.2。
每个所电陶瓷与后基座之间均设置有一个钢珠。
后基座靠近分束器的一侧中心位置设置有一个凸台，凸台的中心位置设置有与后基座的通孔直径相匹配的通孔。
一种基于功率反馈的高效空间光-光纤耦合方法，采用一种基于功率反馈的高效空间光-光纤耦合装置，按照以下步骤实施：
步骤1：调整装置中单模光纤和透镜的角度，确保单模光纤耦合端面中心位于透镜焦点中心，且保持单模光纤与透镜光轴重合；
步骤2：经远距离湍流大气传输后的入射信号光束，入射至透镜的端面上，透镜将光束汇聚并入射至单模光纤阵列耦合端面上，将空间传输光束转化为光纤传输，分束器的部分光束被用作信号反馈；
步骤3：由于大气湍流的影响，经过透镜聚焦光束并不完全能汇聚至单模光纤端面的中心时，信号处理单元在单模光纤A处实时采集电压信号，当其低于某一阈值时，驱动电路开始工作，使得压电陶瓷产生位移，进行自动对准。
步骤4：耦合工作完成后，信号处理单元继续在单模光纤A尾端处进行信号探测。
本发明的有益效果是：反馈信号的加入，结合信号处理单元和驱动电路，实现光纤耦合端面中心位于对应透镜焦点中心的自动对准，且保持光纤与透镜光轴重合，提升空间光-单模光纤耦合效率。从使用者的角度来说，对于中短距离的空间光-单透镜-单模光纤耦合工作环境，一定程度上节省劳动力，更加快速准确的对准，节省了时间成本。
附图说明
图1是本发明一种基于功率反馈的高效空间光-光纤耦合装置主视图。
图2是本发明一种基于功率反馈的高效空间光-光纤耦合装置俯视图。
图中，1.入射光束；2.基座；3.压电陶瓷；4.钢珠；5.后基座；6.光纤；7.分束器；8.单模光纤；9.单模光纤A；10.信号处理单元；11.信号传输线；12.驱动电路；13.弹簧；14.透镜。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
一种基于功率反馈的高效空间光-光纤耦合装置，如图1所示，包括基座2，基座2中间通过压圈固定有透镜14，基座2通过若干弹簧13和压电陶瓷3连接有后基座5，后基座5在与透镜14中心相对应的位置设置有通孔，所述通孔中穿有光纤6的一端，光纤6与透镜14的中心在一条直线上，光纤6的另一端连接有分束器7，分束器7处理后的单模光纤8连接有信号处理单元10，信号处理单元10通过信号传输线11连接有驱动电路12，驱动电路12通过信号传输线11连接基座2。
基座2为中空的圆环形，其内径与透镜14的直径相匹配。
弹簧13设置在压电陶瓷3内侧。
弹簧13和压电陶瓷3均设置有6个；
透镜14的相对孔径为0.2。
所述压电陶瓷3与后基座5之间均设置有一个钢珠4。
后基座5靠近分束器7的一侧中心位置设置有一个凸台，凸台的中心位置设置有与后基座5的通孔直径相匹配的通孔。
一种基于功率反馈的高效空间光-光纤耦合方法，采用一种基于功率反馈的高效空间光-光纤耦合装置，其特征在于，按照以下步骤实施：
步骤1：调整装置中单模光纤6和透镜14的角度，确保单模光纤耦合端面中心位于透镜焦点中心，且保持单模光纤与透镜光轴重合；
步骤2：经远距离湍流大气传输后的入射信号光束，入射至透镜14的端面上，透镜将光束汇聚并入射至单模光纤阵列耦合端面上，将空间传输光束转化为光纤传输，分束器7的部分光束被用作信号反馈；
步骤3：由于大气湍流的影响，经过透镜14聚焦光束并不完全能汇聚至单模光纤6端面的中心时，信号处理单元10在单模光纤A 9处实时采集电压信号，当其低于某一阈值时，驱动电路12开始工作，使得压电陶瓷3产生位移，进行自动对准。
步骤4：耦合工作完成后，信号处理单元10继续在单模光纤A 9尾端处进行信号探测。
一种提升空间光-单透镜-单模光纤耦合效率的装置及方法，包括基座、压电陶瓷、弹簧、透镜、单模光纤、分束器、光电探测器、信号处理单元和驱动电路。透镜被压圈固定在基座中，透镜交点处放置有另一个基座所固定的单模光纤，两个基座有压电陶瓷和弹簧相连接。经过大气湍流，产生畸变入射光束入射至耦合装置，分束器将部分光束分离至信号处理单元，信号处理单元实时采集的电压信号作为反馈量，当反馈量低于某一阈值后，耦合装置带动单模光纤以产生微位移，结合智能算法进行数据处理，控制耦合装置中压电陶瓷的运动，实时调整光纤的位置，实现自动耦合并且稳定跟踪的目的
本发明采用相对孔径为0.2的透镜；两个基座之间由6个压电陶瓷和6个弹簧连接；压电陶瓷与基座之间存在一个钢珠，降低压电陶瓷的磨损程度；单模光纤耦合端面中心位于对应透镜焦点中心；分束器的部分光束被用作信号反馈，当信号处理单元采集到的电压低于某一阈值时，驱动电路开始工作，使得压电陶瓷产生位移，进行自动对准。
实施例：
在自由空间光通信中，该装置可以完成信号的接收与探测。结合图2，对实施例进行说明，经过大气湍流，产生畸变的光束入射至耦合装置，信号处理单元10实时采集电压信号作为反馈量，耦合装置带动单模光纤以产生微位移，结合智能算法进行数据处理，并且控制耦合装置中压电陶瓷的运动，实时调整光纤的位置。通过上述过程，使耦合光斑的焦平面与光纤端面很好地重合，达到自动耦合并且稳定跟踪的目的。反馈信号的加入，结合信号处理单元和驱动电路，实现光纤耦合端面中心位于对应透镜焦点中心的自动对准，且保持光纤与透镜光轴重合，提升空间光-单模光纤耦合效率。从使用者的角度来说，对于中短距离的空间光-单透镜-单模光纤耦合工作环境，一定程度上节省劳动力，更加快速准确的对准，节省了时间成本。
Claims (8)
1.一种基于功率反馈的高效空间光-光纤耦合装置，其特征在于，包括基座(2)，基座(2)中间通过压圈固定有透镜(14)，基座(2)通过若干弹簧(13)和压电陶瓷(3)连接有后基座(5)，后基座(5)在与透镜(14)中心相对应的位置设置有通孔，所述通孔中穿有光纤(6)的一端，光纤(6)与透镜(14)的中心在一条直线上，光纤(6)的另一端连接有分束器(7)，分束器(7)处理后的单模光纤(8)连接有信号处理单元(10)，信号处理单元(10)通过信号传输线(11)连接有驱动电路(12)，驱动电路(12)通过信号传输线(11)连接基座(2)。
2.根据权利要求1所述的一种基于功率反馈的高效空间光-光纤耦合装置，其特征在于，所述基座(2)内径与透镜(14)的直径相匹配。
3.根据权利要求2所述的一种基于功率反馈的高效空间光-光纤耦合装置，其特征在于，所述弹簧(13)设置在压电陶瓷(3)内侧。
4.根据权利要求3所述的一种基于功率反馈的高效空间光-光纤耦合装置，其特征在于，所述弹簧(13)和压电陶瓷(3)均设置有6个。
5.根据权利要求3所述的一种基于功率反馈的高效空间光-光纤耦合装置，其特征在于，所述透镜(14)的相对孔径为0.2。
6.根据权利要求4所述的一种基于功率反馈的高效空间光-光纤耦合装置，其特征在于，每个所述压电陶瓷(3)与后基座(5)之间均设置有一个钢珠(4)。
7.根据权利要求6所述的一种基于功率反馈的高效空间光-光纤耦合装置，其特征在于，所述后基座(5)靠近分束器(7)的一侧中心位置设置有一个凸台，凸台的中心位置设置有与后基座(5)的通孔直径相匹配的通孔。
8.一种基于功率反馈的高效空间光-光纤耦合方法，采用如权利要求1-7中任意一项所述的一种基于功率反馈的高效空间光-光纤耦合装置，其特征在于，按照以下步骤实施：
步骤1：调整装置中单模光纤(6)和透镜(14)的角度，确保单模光纤耦合端面中心位于透镜焦点中心，且保持单模光纤与透镜光轴重合；
步骤2：经远距离湍流大气传输后的入射信号光束，入射至透镜(14)的端面上，透镜将光束汇聚并入射至单模光纤阵列耦合端面上，将空间传输光束转化为光纤传输，分束器(7)的部分光束被用作信号反馈；
步骤3：由于大气湍流的影响，经过透镜(14)聚焦光束并不完全能汇聚至单模光纤(6)端面的中心时，信号处理单元(10)在单模光纤A(9)处实时采集电压信号，当其低于某一阈值时，驱动电路(12)开始工作，使得压电陶瓷(3)产生位移，进行自动对准。
步骤4：耦合工作完成后，信号处理单元(10)继续在单模光纤A(9)尾端处进行信号探测。
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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