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CN111988091B - 空间光耦合装置 - Google Patents

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CN111988091B CN201910440925.0A CN201910440925A CN111988091B CN 111988091 B CN111988091 B CN 111988091B CN 201910440925 A CN201910440925 A CN 201910440925A CN 111988091 B CN111988091 B CN 111988091B
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Abstract

本申请提供一种空间光耦合装置，包括M个第一耦合器、相位调节装置、N个分束器、M个第二耦合器、耦合装置和控制器。第一耦合器接收光束，并将光束耦合至相位调节装置；相位调节装置包括M个相位调节器、N个分束器和N个探测器，每个分束器用于将接收到的光束分成两束，一束发送给对应的探测器，另一束发送给对应的相位调节器；第二耦合器分别从耦合装置接收输出光，并耦合至空间中；耦合装置用于将耦合至空间的光束耦合至单模光纤中；控制器用于根据探测器探测到的光束强度和单模光纤上的光束强度，控制M个相位调节器调节接收到的光束的相位。可以解决光束漂移、到达角起伏、光强起伏、相位起伏、光束扩展等给光纤耦合带来的影响。

Description

空间光耦合装置
技术领域
本申请涉及空间光通信技术领域，尤其涉及一种空间光耦合装置。
背景技术
空间光通信是未来通信系统的重要组成部分，是对当前通信系统的有效补充。空间光通信的一个重要发展方向是相干空间光通信。
在相干空间光通信系统中，光从空间到单模光纤的耦合面临很多困难，比如：首先光束在经过大气之后，光束会存在光强闪烁、相位起伏、到达角起伏、光束漂移等现象，导致聚焦后的光斑在光纤端面晃动，且光斑模式与光纤的传播模式重合度低。其次环境变化、温漂等带来光纤与入射光束的相对运动，导致聚束光斑在光纤端面的抖动。此外，还有用于实现光纤定位的捕获、跟踪和瞄准(Acquisition、Tracking、Pointing，ATP)系统的运动，也会导致入射光束与光纤的相对运动。总之，大气、环境以及ATP系统的运动会引起光束漂移、到达角起伏、光强起伏，相位起伏，光束扩展等，这些必然会给光纤耦合带来一定的影响。
为了避免或者降低上述影响，现有技术提供一种采用光纤章动跟踪技术的空间光耦合装置，该装置也被称为光接收装置，图1为现有技术提供的空间光耦合装置的示意图，如图1所示，该光接收装置包括：两个快反镜(分别为快反镜11和快反镜12)、一个耦合器13、一个分束器14、一个探测器15、一个控制器16以及一个光解调器17，其中，快反镜11调制接收到的光束，使得光束经过耦合器13之后，光斑在光纤端面上做微小圆周运动。分束器14分出一束光发送给探测器15，用于探测器15进行光探测，控制器16根据探测器15探测到的光信号随时间变化的情况，计算出当前光斑圆周运动的中心与光纤纤芯的偏离，然后控制快反镜12来将圆周运动的中心与光纤纤芯调至重合。分束器14分出的另一束发送给光解调器17。这种装置虽然可以抵消光束漂移、到达角起伏给光纤耦合带来的影响。但是无法解决光强起伏，相位起伏，光束扩展等给光纤耦合带来的影响。
发明内容
本申请提供一种空间光耦合装置，从而可以解决光束漂移、到达角起伏、光强起伏、相位起伏、光束扩展等给光纤耦合带来的影响。
第一方面，本申请提供一种空间光耦合装置，包括：M个第一耦合器、相位调节装置、M个第二耦合器、耦合装置以及控制器，其中，M个第一耦合器与M个第二耦合器为一一对应关系，M为大于1的正整数；第一耦合器用于接收光束，并将光束耦合至相位调节装置；相位调节装置包括M个输入端口，M个相位调节器、M个输出端口、N个分束器和N个探测器，其中，1≤N≤M，N为整数；M个输入端口与M个相位调节器一一对应连接，M个相位调节器与M个输出端口一一对应连接；相位调节装置通过M个输入端口分别从M个第一耦合器接收M束光束；N个分束器中的每个分束器位于输入端口和输入端口对应的相位调节器之间，用于将接收到的光束分成两束，一束发送给对应的探测器，另一束发送给对应的相位调节器；其中，N个分束器分别与M个输入端口中的N个输入端口一一对应；M个第二耦合器用于分别从M个输出端口接收输出光，将输出光耦合至所述耦合装置中；耦合装置用于将接收到的光束耦合至单模光纤中；控制器用于获取每个探测器探测到的光束强度以及单模光纤上的光束强度，根据每个探测器探测到的光束强度以及单模光纤上的光束强度，控制M个相位调节器分别调节接收到的光束的相位。
由于控制器用于根据每个探测器探测到的光束强度以及单模光纤上的光束强度，控制M个相位调节器分别调节对应的光纤或波导上的光的相位。使得从M个输出端口出射的光束的相位关系类似于高斯光束的相位关系。实现波前相位补偿和光收集效率的提升。进而可以解决光强起伏，相位起伏，光束扩展等给光纤耦合带来的影响。进一步地，当第一耦合器阵列是透镜阵列时，由于照射到单个透镜上的光信号相位相对均一，从而可以显著提升从空间到单模光纤的耦合效率。
可选地，控制器具体用于根据每个所述探测器探测到的光束强度以及所述单模光纤上的光束强度，重构所述空间光耦合装置接收到的光束的波前信息，根据所述波前信息控制所述M个相位调节器分别调节接收到的光束的相位。
可选地，相位调节装置中的每个输入端口与对应的相位调节器，以及每个相位调节器和对应的输出端口之间通过光纤或波导连接。
可选地，该装置还包括：M个第一驱动装置，M个第一驱动装置与M个输入端口一一对应；每个第一驱动装置，用于调整对应的输入端口的位置，以使接收的光束的光斑的中心与对应的光纤或波导上的中心位置对齐，从而提高空间光耦合装置的光耦合效率。
可选地，控制器具体用于根据每个探测器探测到的光束强度、单模光纤上的光束强度以及每个输入端口的位移量，控制M个相位调节器调节接收到的光束的相位。
可选地，控制器具体用于根据每个探测器探测到的光束强度以及单模光纤上的光束强度以及每个输入端口的位移量，重构空间光耦合装置接收到的光束的波前信息，并根据波前信息控制M个相位调节器分别调节接收到的光束的相位。即控制器通过输入端口的位移量，可以计算出入射光束的波前信息，此时该信息将可以用于反馈调节光纤/波导上的相位调节器，实现不同光纤/波导内部信号的相对相位的更精确且更加快速的调节。
可选地，控制器还用于调节耦合装置，以使所述耦合装置输出光束的光斑在单模光纤端面的中心位置。进而可以提高单模光纤耦合效率。
可选地，第一耦合器阵列中耦合器的排布方式是六角密排方式。这种排布方式可以最大限度地提升耦合器的空间覆盖率。
可选地，M个第二耦合器阵列位于一个平面上，空间光耦合装置还包括：与耦合装置连接的第二驱动装置；第二驱动装置用于驱动耦合装置在与M个第二耦合器所在平面平行的平面上移动。从而使得耦合器能够实时追踪到光束的光斑中心位置，进而可以提高单模光纤耦合效率。
可选地，空间光耦合装置还包括：还包括：两端分别于单模光纤以及控制器连接的光信号处理单元；光信号处理单元用于处理单模光纤中的光束，并获取单模光纤中的光束强度，向控制器发送单模光纤中的光束强度。其中，光信号处理单元可以为光放大器或者相干检测器。
可选地，可以对上述空间光耦合装置中所包括的部分或者全部器件进行集成。例如：M个第一耦合器、光纤或波导、N个分束器、相位调节装置、M个第二耦合器、耦合装置可以集成为一个模块。或者，M个第一耦合器、光纤或波导、N个分束器、相位调节装置、M个第二耦合器、耦合装置以及控制器可以集成为一个模块。基于此，一方面可以提高空间光耦合装置的耦合效率，使得该空间光耦合装置可以适应不同强度湍流，并且可以提高空间光耦合装置抗震、抗高低温的稳定性；另一方面，空间光耦合装置具有体积小，功耗低，易于集成的效果，最后，由于该空间光耦合装置中各个器件可以实现模块集成，因此可以减小该装置的反馈回路，从而可以提高空间光耦合装置的反馈速度。
本申请实施例提供一种空间光耦合装置，由于控制器用于根据每个探测器探测到的光束强度以及单模光纤上的光束强度，控制M个相位调节器分别调节对应的光纤或波导上的光的相位。使得从M个输出端口出射的光束的相位关系类似于高斯光束的相位关系。实现波前相位补偿和光收集效率的提升。进而可以解决光强起伏，相位起伏，光束扩展等给光纤耦合带来的影响。进一步地，当第一耦合器是透镜时，由于照射到单个透镜上的光信号相位相对均一，从而可以显著提升从空间到单模光纤的耦合效率。并且当空间光耦合装置包括与所述耦合装置连接的第二驱动装置时；该第二驱动装置用于驱动所述耦合装置在与所述第二耦合器阵列平行的平面上移动。从而使得耦合器能够实时追踪到光束的光斑中心位置，进而可以提高单模光纤耦合效率。此外，空间光耦合装置中的各个器件可以模块化集成，从而可以提高空间光耦合装置的性能和稳定性，并且实现空间光耦合装置体积小，功耗低，易于集成的效果。
附图说明
图1为现有技术提供的空间光耦合装置的示意图；
图2为本申请提供的一种空间光通信系统的示意图；
图3为本申请一实施例提供的一种空间光耦合装置的示意图；
图4为本申请一实施例提供的M个第一耦合器构成的耦合器阵列的截面图；
图5为本申请另一实施例提供的一种空间光耦合装置的示意图；
图6为本申请一实施例提供的设置在光纤或者波导的前端端面的第一驱动装置的示意图；
图7为本申请再一实施例提供的一种空间光耦合装置的示意图；
图8为本申请又一实施例提供的一种空间光耦合装置的示意图；
图9为本申请一实施例提供的空间光耦合方法的流程图。
具体实施方式
在介绍空间光耦合装置之前，下面先介绍一种空间光通信系统，其中该系统包括发射端和接收端，该空间光耦合装置可以是接收端的部分或者全部。具体地，图2为本申请提供的一种空间光通信系统的示意图，该空间光通信系统20包括：发射端21和接收端22。空间光通信系统的工作原理是：发射端21通过对光进行调制，将信号加载到光上，然后通过光学发射装置发射出去；接收端接收发射端发送的光束，并将该光束耦合至单模光纤，并将信号解调出来，以实现空间光通信。
如背景技术所讲的，光从空间到单模光纤的耦合面临很多困难，即使图1所示的装置可以抵消光束漂移、到达角起伏给光纤耦合带来的影响。但是无法解决光强起伏，相位起伏，光束扩展等给光纤耦合带来的影响。因此，为了解决该技术问题，本申请提供一种空间光耦合装置。
图3为本申请一实施例提供的一种空间光耦合装置的示意图，如图3所示，该空间光耦合装置包括：M个第一耦合器31、相位调节装置32、M个第二耦合器33、耦合装置34和控制器35，其中，M个第一耦合器31与M个第二耦合器33为一一对应关系，M为大于1的正整数，图3中以M＝4为例。第一耦合器31用于接收光束，并将光束耦合至相位调节装置32。相位调节装置32包括M个输入端口，M个相位调节器321、M个输出端口、N个探测器322和N个分束器323，其中，1≤N≤M，N为整数；M个输入端口与M个相位调节器321一一对应连接，M个相位调节器321与M个输出端口一一对应连接。相位调节装置32通过M个输入端口分别从M个第一耦合器31接收M束光束；N个分束器323中的每个分束器323位于输入端口和输入端口对应的相位调节器321之间，用于将接收到的光束分成两束，一束发送给对应的探测器322，每个探测器322用于根据耦合的部分分光光束探测其对应的光束强度，该光束强度可以辅助重构空间光耦合装置接收到的光束的波前信息。另一束发送给对应的相位调节器321；其中，N个分束器323分别与M个输入端口中的N个输入端口一一对应；M个第二耦合器33分别从M个输出端口接收输出光，将输出光耦合至耦合装置34中；耦合装置34用于将接收到的光束耦合至单模光纤中；控制器35用于获取每个探测器322探测到的光束强度以及单模光纤上的光束强度，并根据每个探测器322探测到的光束强度以及单模光纤上的光束强度，控制M个相位调节器321分别调节接收到的光束的相位。
可选地，第一耦合器31可以是透镜或者是光纤耦合器等。当第一耦合器是透镜时，由于照射到单个透镜上的光信号相位相对均一，从而可以显著提升从空间到单模光纤的耦合效率。
可选地，M个第一耦合器可以被称为耦合器阵列，图4为本申请一实施例提供的M个第一耦合器构成的耦合器阵列的截面图，如图4所示，该耦合器阵列中耦合器41的排布方式是六角密排方式，这种排布方式可以最大限度地提升耦合器的空间覆盖率。
可选地，相位调节装置中的每个输入端口与对应的相位调节器321，以及每个相位调节器321和对应的输出端口之间通过光纤或波导36连接。
需要说明的是，在本申请中，光纤或波导的端面可以理解为一个输入端口或一个输出端口。以图3中相位调节装置32包括的四个光路结构中的一个为例，相位调节装置32可以通过一个光纤或波导36的一个端面来接收光束，将该光束通过相位调节器321进行相位调节，将调节后的光束通过另一根光纤或波导37的端面发送出去。
可选地，在相位调节器之前，每个光纤或者波导上可以设置一个分束器，每个分束器与一个探测器相连。或者，在相位调节器之前，一部分光纤或者波导上没有分束器，其他部分光纤或者波导上各自设置有一个分束器，每个分束器与一个探测器相连。应理解，通常情况下，探测器越多，可以探测到的信息越多，可以达到的耦合效果越好，一般要求探测器的个数N不小于输入端口个数M的一半；例如，M＝10，N可以为5-10之间，保证耦合效果，但为了进一步节省成本，也可以采用少于5个探测器。
可选地，相位调节器可以采用光纤拉伸器(fiber stretcher)结构，或者，该相位调节器也可以是一个电光调制器，本申请对此不做限制。
可选地，第二耦合器可以是光纤耦合器，也可以是透镜，用于减少接收到的光束的发散角，使发送给耦合装置的光束近似于平行光。
可选地，耦合装置34为以下任一项：透镜、透镜阵列、光纤耦合器、光纤耦合器阵列等。
可选地，控制器用于根据每个探测器探测到的光束强度以及单模光纤上的光束强度，计算出到达单模光纤端面的光斑的斯特列尔比，而大气对高斯光束的影响可以用Zernike函数展开，因此控制器通过斯特列尔比可以反馈给出一个可能的Zernike函数系数，通过差分进化、随机并行梯度下降、模拟退火或者能够实现相似功能的算法重构出空间光耦合装置接收到的光束的波前信息，根据该波前信息控制M个相位调节器分别调节对应的光纤或波导上的光的相位，接着控制器可以继续获取每个探测器探测到的光束强度以及单模光纤上的光束强度，根据每个探测器探测到的光束强度以及单模光纤上的光束强度，计算出到达单模光纤端面的光斑的斯特列尔比，控制器通过斯特列尔比可以反馈给出一个可能的Zernike函数系数，通过差分进化、随机并行梯度下降、模拟退火或者能够实现相似功能的算法重构出空间光耦合装置接收到的光束的波前信息，逐步迭代，控制器可以最终重构出空间光耦合装置接收到的光束的波前信息；根据重构出的波前信息控制所述M个相位调节器分别调节对应的光纤或波导上的光的相位，使得从M个输出端口出射的光束的相位关系类似于高斯光束的相位关系。实现波前相位补偿和光收集效率的提升。
其中，单模光纤上的光束强度可以通过光信号处理单元来获取，比如：该光信号处理单元用于处理单模光纤中的光，以获取单模光纤的光束强度，向所述控制器发送所述光束强度。该光信号处理单元可以是相干检测器，本申请对此不做限制。
可选地，控制器还用于调节所述耦合装置，以使所述耦合装置输出光束的光斑在所述单模光纤端面的中心位置，其中当光束的光斑的中心位置与单模光纤的中心位置对齐时，这种调节可以达到最佳效果，即单模光纤耦合效率最高。
可选地，M个第二耦合器位于一个平面上，空间光耦合装置还可以包括：与所述耦合装置连接的第二驱动装置；该第二驱动装置用于驱动所述耦合装置在与所述M个第二耦合器所在平面平行的平面上移动。从而使得耦合装置能够实时追踪到光束的光斑中心位置，进而可以提高单模光纤耦合效率。应理解，单模光纤用于接收空间光的端口，应位于所述耦合装置的焦平面上。
可选地，第二驱动装置可以是二维平移台或者是与二维平移台具有类似功能的器件，本申请实施例对此不做限制。
需要说明的是，在本申请中，可以对上述空间光耦合装置中所包括的部分或者全部器件进行集成。例如：M个第一耦合器、光纤或波导、N个分束器、相位调节装置、M个第二耦合器、耦合装置可以集成为一个模块。或者，M个第一耦合器、光纤或波导、N个分束器、相位调节装置、M个第二耦合器、耦合装置以及控制器可以集成为一个模块。基于此，一方面可以提高空间光耦合装置的耦合效率，使得该空间光耦合装置可以适应不同强度湍流，并且可以提高空间光耦合装置抗震、抗高低温的稳定性；另一方面，空间光耦合装置具有体积小，功耗低，易于集成的效果，最后，由于该空间光耦合装置中各个器件可以实现模块集成，因此可以减小该装置的反馈回路，从而可以提高空间光耦合装置的反馈速度。
综上，本申请实施例提供一种空间光耦合装置，该装置具有如下效果：由于控制器可以根据每个探测器探测到的光束强度以及单模光纤上的光束强度，控制M个相位调节器分别调节对应的光纤或波导上的光的相位。使得从M个输出端口出射的光束的相位关系类似于高斯光束的相位关系。实现波前相位补偿和光收集效率的提升。进而可以解决光束漂移、到达角起伏、光强起伏、相位起伏、光束扩展等给光纤耦合带来的影响。
进一步地，当第一耦合器是透镜时，由于照射到单个透镜上的光信号相位相对均一，从而可以显著提升从空间到单模光纤的耦合效率。并且当空间光耦合装置包括与所述耦合装置连接的第二驱动装置时；该第二驱动装置用于驱动所述耦合装置在与M个第二耦合器所在平面平行的平面上移动。从而使得耦合装置能够实时追踪到光束的光斑中心位置，进而可以提高单模光纤耦合效率。此外，空间光耦合装置中的部分或者所有器件可以模块化集成，从而可以提高空间光耦合装置的性能和稳定性，并且实现空间光耦合装置体积小，功耗低，易于集成的效果。
图5为本申请另一实施例提供的一种空间光耦合装置的示意图，如图5所示，该空间光耦合装置包括：M个第一耦合器51、相位调节装置、M个第二耦合器53、耦合装置54、控制器55、M个第一驱动装置57，其中，M个第一耦合器51与M个第二耦合器53为一一对应关系，M为大于1的正整数。第一耦合器51用于接收光束，并将光束耦合至相位调节装置。相位调节装置包括M个输入端口，M个相位调节器521、M个输出端口、N个探测器522和N个分束器523，其中，1≤N≤M，N为整数；M个输入端口与M个相位调节器521一一对应连接，M个相位调节器521与M个输出端口一一对应连接。相位调节装置通过M个输入端口分别从M个第一耦合器51接收M束光束；N个分束器523中的每个分束器523位于输入端口和输入端口对应的相位调节器521之间，用于将接收到的光束分成两束，一束发送给对应的探测器522，每个探测器522用于根据耦合的部分分光光束探测其对应的光束强度，该光束强度可以辅助重构空间光耦合装置接收到的光束的波前信息。另一束发送给对应的相位调节器521；其中，N个分束器523分别与M个输入端口中的N个输入端口一一对应；M个第二耦合器53分别从M个输出端口接收输出光，将输出光耦合至耦合装置54中；耦合装置54用于将接收到的光束耦合至单模光纤中；控制器55用于获取每个探测器522探测到的光束强度以及单模光纤上的光束强度，并根据每个探测器522探测到的光束强度以及单模光纤上的光束强度，控制M个相位调节器521分别调节接收到的光束的相位。
可选地，第一耦合器可以是透镜或者是光纤耦合器等。当第一耦合器是透镜时，由于照射到单个透镜上的光信号相位相对均一，从而可以显著提升从空间到单模光纤的耦合效率。
可选地，M个第一耦合器可以被称为耦合器阵列，如图4所示，该耦合器阵列中耦合器的排布方式是六角密排方式，这种排布方式可以最大限度地提升耦合器的空间覆盖率。
可选地，相位调节装置中的每个输入端口与对应的相位调节器521，以及每个相位调节器521和对应的输出端口之间通过光纤或波导连接。
需要说明的是，在本申请中，光纤或波导的端面可以理解为一个输入端口或一个输出端口。以图5中相位调节装置包括的四个光路结构中的第一个为例，相位调节装置可以通过一个光纤或波导58的一个端面来接收光束，将该光束通过相位调节器521进行相位调节，将调节后的光束通过另一根光纤或波导56的端面发送出去。
可选地，在相位调节器之前，每个光纤或者波导上可以设置一个分束器，每个分束器和一个探测器相连。或者，在相位调节器之前，一部分光纤或者波导上没有分束器和探测器，其他部分光纤或者波导上各自设置有一个分束器，每个分束器和一个探测器相连。应理解，通常情况下，探测器越多，可以探测到的信息越多，可以达到的耦合效果越好，一般要求探测器的个数N不小于输入端口个数M的一半；例如，M＝10，N可以为5-10之间，保证耦合效果，但为了进一步节省成本，也可以采用少于5个探测器。
可选地，相位调节器可以采用光纤拉伸器(fiber stretcher)结构，或者，该相位调节器可以是一个电光调制器，本申请对此不做限制。
可选地，第二耦合器可以是光纤耦合器，也可以是透镜，用于减少接收到的光束的发散角，使发送给耦合装置的光束近似于平行光。
可选地，耦合装置为以下任一项：透镜、透镜阵列、光纤耦合器、光纤耦合器阵列等。
M个第一驱动装置与M个输入端口为一一对应关系；每个第一驱动装置设置在对应的光纤或波导的前端(光纤或波导的输入端口位置附近即可)，如图5所示，用于调整对应的输入端口的位置，以使接收的光束的光斑中心与对应的光纤或波导接收端面的中心位置对齐，从而提高空间光耦合装置的光耦合效率。
具体地，每个光纤或者波导的前端端面与一个第一驱动装置连接，控制器可以通过该第一驱动装置调整光纤或波导的位置，从而调整接收的光束的光斑在对应的光纤或波导上的位置。图6为本申请一实施例提供的设置在光纤或者波导的前端端面的第一驱动装置的示意图，如图6所示，该第一驱动装置可以包括：四个锆钛酸铅压电陶瓷(Piezoelectric Ceramic Transducer，PZT)以及外设在四个PZT之外的支撑壁61，光纤或者波导可以通过四个PZT 62连接在支撑壁61上。控制器通过驱动PZT的伸缩，可以控制光纤端面的位置。
需要说明的是，设置在光纤或者波导的前端端面的第一驱动装置也可以包括其他数量的PZT，例如两个或三个PZT，只要其使得光纤或者波导可以通过PZT连接在支撑壁上即可，本申请对PZT的个数不做限制。
此外，当在弱湍流或者第一耦合器比较多的情况下，第一驱动装置可以将多根光纤或者多个波导作为一个束，以控制这些光纤或者波导一起运动。此时，一个第一驱动装置可以调整多跟光纤或波导，第一驱动装置的数量可以小于M。
进一步地，N个探测器中的每个探测器还用于采集其对应的光纤或波导上的光束强度；控制器根据该光束强度控制第一驱动装置，以调整接收的光束的光斑在对应的光纤或波导上的位置。例如：当某探测器采集的光束强度表明对应的光纤或波导上的光束强度较弱，则控制器根据该光束强度调整接收的光束的光斑在对应的光纤或波导上的位置，使得接收的光束的光斑的中心位置与对应的光纤或波导的中心位置更加接近。
进一步地，控制器具体用于根据每个所述探测器探测到的光束强度以及所述单模光纤上的光束强度以及每个所述第一驱动装置的所述位移量(其中该位移量直接反应了局域波前的倾斜角度和方向)，采用区域描点拟合或者类似的方式就可以重构所述空间光耦合装置接收到的光束的波前信息，并根据所述波前信息，控制所述M个相位调节器分别调节对应的光纤或波导上的光的相位。
或者，控制器用于根据每个探测器探测到的光束强度以及单模光纤上的光束强度，计算出到达单模光纤端面的光斑的斯特列尔比，而大气对高斯光束的影响可以用Zernike函数展开，因此控制器通过斯特列尔比可以反馈给出一个可能的Zernike函数系数，将所述位移量考虑在内，通过差分进化、随机并行梯度下降、模拟退火或者能够实现相似功能的算法重构出空间光耦合装置接收到的光束的波前信息，根据该波前信息控制M个相位调节器分别调节对应的光纤或波导上的光的相位，接着控制器可以继续获取每个探测器探测到的光束强度以及单模光纤上的光束强度，根据每个探测器探测到的光束强度以及单模光纤上的光束强度，计算出到达单模光纤端面的光斑的斯特列尔比，控制器通过斯特列尔比可以反馈给出一个可能的Zernike函数系数，将所述位移量考虑在内，通过差分进化、随机并行梯度下降、模拟退火或者能够实现相似功能的算法重构出空间光耦合装置接收到的光束的波前信息，逐步迭代，控制器可以最终重构出空间光耦合装置接收到的光束的波前信息；根据重构出的波前信息控制所述M个相位调节器分别调节对应的光纤或波导上的光的相位，使得从M个输出端口出射的光束的相位关系类似于高斯光束的相位关系。实现波前相位补偿和光收集效率的提升。其中，单模光纤上的光束强度可以通过光信号处理单元来获取，比如：该光信号处理单元用于处理单模光纤中的光，以获取单模光纤的光束强度，向所述控制器发送所述光束强度。该光信号处理单元可以是相干检测器，本申请对此不做限制。
此外，由于在追踪的过程中，通过输入端口的位移量，可以计算出入射光束的波前(其功能与一个波前传感器相同)，此时该信息将可以用于反馈调节光纤/波导上的相位调节器，实现不同光纤/波导内部信号的相对相位的更精确且更加快速的调节。
可选地，控制器调节所述耦合装置，以使经过M个第二耦合器耦合至空间的光束经过所述耦合装置后的光斑在所述单模光纤端面的中心位置，其中当光束的光斑的中心位置与单模光纤的中心位置对齐时，这种调节可以达到最佳效果，即单模光纤耦合效率最高。
可选地，M个第二耦合器阵列位于一个平面上，空间光耦合装置还可以包括：与所述耦合装置连接的第二驱动装置；该第二驱动装置用于驱动所述耦合装置在与所述第二耦合器阵列所在平面平行的平面上移动。从而使得耦合装置能够实时追踪到光束的光斑中心位置，进而可以提高单模光纤耦合效率。应理解，单模光纤用于接收空间光的端口，应位于所述耦合装置的焦平面上。
需要说明的是，在本申请中，可以对上述空间光耦合装置中所包括的部分或者全部器件进行集成。例如：M个第一耦合器、光纤或波导、N个分束器、相位调节装置、M个第二耦合器、耦合装置可以集成为一个模块。或者，M个第一耦合器、光纤或波导、N个分束器、相位调节装置、M个第二耦合器、耦合装置以及控制器可以集成为一个模块。基于此，一方面可以提高空间光耦合装置的耦合效率，使得该空间光耦合装置可以适应不同强度湍流，并且可以提高空间光耦合装置抗震、抗高低温的稳定性；另一方面，空间光耦合装置具有体积小，功耗低，易于集成的效果，最后，由于该空间光耦合装置中各个器件可以实现模块集成，因此可以减小该装置的反馈回路，从而可以提高空间光耦合装置的反馈速度。
综上，本申请实施例提供一种空间光耦合装置，该装置具有如下效果：由于控制器用于根据每个探测器探测到的光束强度、单模光纤上的光束强度以及每个第一驱动装置的所述位移量，控制M个相位调节器分别调节对应的光纤或波导上的光的相位。使得从M个输出端口出射的光束的相位关系类似于高斯光束的相位关系。实现波前相位补偿和光收集效率的提升。进而可以解决光束漂移、到达角起伏、光强起伏、相位起伏、光束扩展等给光纤耦合带来的影响。
进一步地，当第一耦合器阵列是透镜阵列时，由于照射到单个透镜上的光信号相位相对均一，从而可以显著提升从空间到单模光纤的耦合效率。并且当空间光耦合装置包括与所述耦合装置连接的第二驱动装置时；该第二驱动装置用于驱动所述耦合装置在与M个第二耦合器所在平面平行的平面上移动。从而使得耦合装置能够实时追踪到光束的光斑中心位置，进而可以提高单模光纤耦合效率。此外，空间光耦合装置中的部分或者所有器件可以模块化集成，从而可以提高空间光耦合装置的性能和稳定性，并且实现空间光耦合装置体积小，功耗低，易于集成的效果。
在图3对应实施例的基础之上，本申请提供的空间光耦合装置还可以包括：光信号处理单元。其中，图7为本申请再一实施例提供的一种空间光耦合装置的示意图，如图7所示，该装置还包括：两端分别与单模光纤78以及控制器75连接的光信号处理单元79，该光信号处理单元79用于处理单模光纤78中的光，并获取单模光纤78的光束强度，向控制器75发送单模光纤78的光束强度。
可选地，光信号处理单元79为光放大器或者相干检测器。
如上所述，在本申请中，可以对上述空间光耦合装置中所包括的部分或者全部器件进行集成。因此，该光信号处理单元也可以与空间光耦合装置中所包括的部分或者全部器件集成为一个模块。一方面可以提高空间光耦合装置的耦合效率，使得该空间光耦合装置可以适应不同强度湍流，并且可以提高空间光耦合装置抗震、抗高低温的稳定性；另一方面，空间光耦合装置具有体积小，功耗低，易于集成的效果，最后，由于该空间光耦合装置中各个器件可以实现模块集成，因此可以减小该装置的反馈回路，从而可以提高空间光耦合装置的反馈速度。
在图5对应实施例的基础之上，本申请提供的空间光耦合装置还可以包括：光信号处理单元。其中，图8为本申请又一实施例提供的一种空间光耦合装置的示意图，如图8所示，该装置还包括：两端分别与单模光纤88以及控制器84连接的光信号处理单元89，该光信号处理单元89用于处理单模光纤88中的光，并获取单模光纤88的光束强度，向控制器84发送单模光纤88的光束强度。
可选地，光信号处理单元89为光放大器或者相干检测器。
如上所述，在本申请中，可以对上述空间光耦合装置中所包括的部分或者全部器件进行集成。因此，该光信号处理单元也可以与空间光耦合装置中所包括的部分或者全部器件集成为一个模块。一方面可以提高空间光耦合装置的耦合效率，使得该空间光耦合装置可以适应不同强度湍流，并且可以提高空间光耦合装置抗震、抗高低温的稳定性；另一方面，空间光耦合装置具有体积小，功耗低，易于集成的效果，最后，由于该空间光耦合装置中各个器件可以实现模块集成，因此可以减小该装置的反馈回路，从而可以提高空间光耦合装置的反馈速度。
图9为本申请一实施例提供的空间光耦合方法的流程图，该方法的执行主体为空间光耦合装置，该装置包括：M个第一耦合器、相位调节装置、M个第二耦合器、耦合装置以及控制器，其中，所述M个第一耦合器与所述M个第二耦合器为一一对应关系，M为大于1的正整数。所述相位调节装置包括M个输入端口，M个相位调节器、M个输出端口、N个分束器和N个探测器，其中，1≤N≤M，N为整数；所述M个输入端口与所述M个相位调节器一一对应连接，所述M个相位调节器与所述M个输出端口一一对应连接；所述N个分束器分别与所述M个输入端口中的N个输入端口一一对应；N个分束器中的每个分束器位于输入端口和输入端口对应的相位调节器之间。相应的，所述方法包括如下步骤：
步骤S91：第一耦合器接收光束，并将光束耦合至相位调节装置。
步骤S92：相位调节装置通过M个输入端口分别从M个第一耦合器接收M束光束。
步骤S93：N个分束器中的每个分束器将接收到的光束分成两束，一束发送给对应的探测器，另一束发送给对应的相位调节器。
步骤S94：M个第二耦合器用于分别从M个输出端口接收输出光，将输出光耦合至耦合装置中。
步骤S95：耦合装置将接收到的光束耦合至单模光纤中。
步骤S96：控制器获取每个探测器探测到的光束强度以及单模光纤上的光束强度，根据每个探测器探测到的光束强度以及单模光纤上的光束强度，控制M个相位调节器分别调节接收到的光束的相位。
需要说明的是，该方法由上述空间光耦合装置执行，其重复内容和效果可参考装置实施例部分，对此不再赘述。
本申请上述实施例中的控制器，可以为处理器，或现场可编程门阵列(Field-Programmable Gate Array，FPGA)等。
上面结合附图对本申请的实施例进行了描述，但是本申请并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本申请的启示下，在不脱离本申请宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，均属于本申请的保护之内。

Claims (12)

1.一种空间光耦合装置，其特征在于，包括：M个第一耦合器、相位调节装置、M个第二耦合器、耦合装置以及控制器，其中，所述M个第一耦合器与所述M个第二耦合器为一一对应关系，M为大于1的正整数；
所述第一耦合器用于接收光束，并将所述光束耦合至所述相位调节装置；
所述相位调节装置包括M个输入端口，M个相位调节器、M个输出端口、N个分束器和N个探测器，其中，1≤N≤M，N为整数；所述M个输入端口与所述M个相位调节器一一对应连接，所述M个相位调节器与所述M个输出端口一一对应连接；
所述相位调节装置通过所述M个输入端口分别从所述M个第一耦合器接收M束所述光束；所述N个分束器中的每个分束器位于所述输入端口和所述输入端口对应的所述相位调节器之间，用于将接收到的光束分成两束，一束发送给对应的所述探测器，另一束发送给对应的所述相位调节器；其中，所述N个分束器分别与所述M个输入端口中的N个输入端口一一对应；
所述M个第二耦合器用于分别从所述M个输出端口接收输出光，将所述输出光耦合至所述耦合装置中；
所述耦合装置用于将接收到的光束耦合至单模光纤中；
所述控制器用于获取每个所述探测器探测到的光束强度以及所述单模光纤上的光束强度，根据每个所述探测器探测到的光束强度以及所述单模光纤上的光束强度，控制所述M个相位调节器分别调节接收到的光束的相位。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，
所述控制器具体用于根据每个所述探测器探测到的光束强度以及所述单模光纤上的光束强度，重构所述空间光耦合装置接收到的光束的波前信息，根据所述波前信息控制所述M个相位调节器分别调节接收到的光束的相位。
3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述相位调节装置中的每个输入端口与对应的相位调节器，以及每个相位调节器和对应的输出端口之间通过光纤或波导连接。
4.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，还包括：M个第一驱动装置，所述M个第一驱动装置与所述M个输入端口一一对应；
每个所述第一驱动装置，用于调整对应的输入端口的位置。
5.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，所述控制器还用于根据每个所述探测器探测到的光束强度控制所述第一驱动装置，以调整对应的输入端口的位置。
6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述控制器具体用于根据每个所述探测器探测到的光束强度、所述单模光纤上的光束强度以及每个所述输入端口的位移量，控制所述M个相位调节器调节接收到的光束的相位。
7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述控制器具体用于根据每个所述探测器探测到的光束强度以及所述单模光纤上的光束强度以及每个所述输入端口的所述位移量，重构所述空间光耦合装置接收到的光束的波前信息，并根据所述波前信息控制所述M个相位调节器分别调节接收到的光束的相位。
8.根据权利要求1-7任一项所述的装置，其特征在于，
所述控制器还用于调节所述耦合装置，以使所述耦合装置输出光束的光斑在所述单模光纤端面的中心位置。
9.根据权利要求1-7任一项所述的装置，其特征在于，所述M个第一耦合器的排布方式为六角密排方式。
10.根据权利要求1-7任一项所述的装置，其特征在于，所述M个第二耦合器阵列位于一个平面上，所述装置还包括：与所述耦合装置连接的第二驱动装置；
所述第二驱动装置用于驱动所述耦合装置在与所述M个第二耦合器所在平面平行的平面上移动。
11.根据权利要求1-7任一项所述的装置，其特征在于，还包括：两端分别与所述单模光纤以及所述控制器连接的光信号处理单元；
所述光信号处理单元用于处理所述单模光纤中的光束，并获取所述单模光纤中的光束强度，向所述控制器发送所述单模光纤中的光束强度。
12.根据权利要求11所述的装置，其特征在于，所述光信号处理单元为相干检测器。
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