本發明涉及一種空間激光至單模光纖的自適應耦合系統，屬于自動控制及光學工程技術領域。在自由空間激光通信中有著重要的應用前景。

背景技術：

自由空間激光通信(Free Space Optical Communications，FSOC)是近些年發展起來的一種具有傳輸速率高、信息容量大、保密性能好等優點的新型通信技術。自由空間光通信系統中越來越多地結合了成熟的光纖通信技術，其結構設計變得更加靈活，體積、重量進一步減小，穩定性也大大提高，同時也使得空間激光至單模光纖(Single-Mode Fiber，SMF)的耦合成為該領域需解決的關鍵技術之一。受限于機械調節精度、環境溫度、重力等因素，耦合系統中單模光纖的接收端面位置會產生一定的偏移。此外，受空間激光傳輸過程中的大氣湍流效應、平臺振動等因素的影響，光纖接收端面處聚焦光斑的位置也會產生一定的隨機抖動。以上因素嚴重制約了光纖耦合效率的高效性與穩定性。

為了解決上述問題，需要實現空間激光至單模光纖的自適應耦合。將自適應光學技術引入到光纖自適應耦合領域是一種經理論與實驗證實過的行之有效的方法。2005年和2011年，美國陸軍研究實驗室的L.Beresnev等人(L.A.Beresnev,and M.A.Vorontsov,“Design ofadaptive fiber optics collimator for free-space communication laser transceiver,”Proc.SPIE 5895,58950R(2005))和中國科學院光電技術研究所的耿超等人(C.Geng,X.Li,X.Zhang,and C.Rao,“Coherent beam combination of an optical array using adaptive fiber optics collimators,”Optics Communications 284,5531-5536(2011))分別獨立研制了一種叫做自適應光纖準直器(Adaptive fiber-optics collimator，AFOC)的器件，該器件可以在小角度范圍內自適應地精確控制出射準直光束的偏轉角度。在此器件的基礎上，利用光路可逆性原理，2013年耿超等人提出了名稱為“一種激光束雙向收發的自適應光纖耦合或準直器控制系統”(專利號201310161222.7)的發明專利，并實現了空間激光到光纖的高效自適應耦合(W.Luo,C.Geng,et al.,“Experimental demonstration of single-mode fiber coupling using adaptive fiber coupler,”Chinese Physics B 23,014207(2014))。該方法使用光纖端面定位器和隨機并行梯度下降(Stochastic Parallel Gradient Descent，SPGD)算法來完成光纖接收端面對空間激光聚焦光斑的自適應跟蹤。在該控制結構中，光纖端面定位器需要響應SPGD算法推算出的一組二維隨機抖動序列進行優化梯度估計，并根據估算結果執行迭代校正，系統的帶寬利用率較低；受限于器件的諧振特性以及整個控制回路中的系統相位響應延時，很難實現高速的SPGD算法迭代，因此對于接收平臺振動、大氣湍流擾動下光纖耦合效率的補償能力有限。

本發明在上述工作的基礎上，提出了一種基于光纖端面二維掃描的新型自適應耦合控制系統，直接操控光纖接收端面對聚焦光斑進行周期性二維掃描，以實現對光纖耦合效率優化梯度的探測，同時結合優化算法控制快速傾斜反射鏡執行相應的迭代校正。此結構不僅提高了執行器件的帶寬利用率，并可對光纖端面高速定位過程中的系統相位響應延時進行補償，因此大大提升了耦合系統的實際控制帶寬。

技術實現要素：

本發明要解決的技術問題是：克服現有基于SPGD算法與光纖端面定位器的自適應耦合系統帶寬利用率低的不足，克服現有系統在光纖端面高速定位過程中相位響應延時的問題，提出一種基于光纖端面二維掃描的單模光纖自適應耦合系統。

本發明解決其技術問題所采用的技術方案是：一種基于光纖端面二維掃描的單模光纖自適應耦合系統，包括：快速傾斜反射鏡、耦合透鏡、光纖端面定位器、單模光纖、1×2光纖分路器、光電探測器、控制平臺和多通道高壓放大器；空間激光束經快速傾斜反射鏡反射后進入耦合透鏡，并在光纖端面定位器內置的單模光纖端面處形成艾里斑衍射圖樣，耦合進單模光纖內的光能量經1×2光纖分路器后一部分傳輸至通信終端，另一部分經光電探測器后轉換為電壓反饋信號，作為性能指標進入控制平臺，控制平臺首先輸出兩組周期性二維掃描信號至多通道高壓放大器，控制光纖端面定位器帶動單模光纖端面實現對聚焦光斑的二維掃描，與此同時采集經光電探測器轉換后得到的性能指標，從而探測出當前耦合效率的優化梯度，隨后通過優化算法推算出兩組控制電壓信號至多通道高壓放大器，驅動快速傾斜反射鏡執行相應的迭代校正。

其中，所述耦合效率優化梯度探測以及控制電壓推算過程，包括以下步驟：

步驟1)控制平臺(7)輸出兩組幅值及頻率相同、相位間隔π/2的正弦電壓，經多通道高壓放大器(8)放大后作用于光纖端面定位器(3)，驅動單模光纖(4)端面對聚焦光斑進行周期性二維掃描，設其掃描開始時刻為t、周期為T；

步驟2)控制平臺(7)采集光纖端面位于一個掃描周期內、時間間隔T/4的4組性能指標，設采集開始時刻為t′，將性能指標依次記為J(t′)、和其中為光纖端面在二維掃描控制下的相位響應延時角；

步驟3)控制平臺(7)根據公式(1)完成控制電壓迭代推算，其中k為算法迭代步數；γ為算法迭代步長；為根據采集開始時刻t′所確定的、兩組相互正交方向的耦合效率優化梯度近似值；U_X、U_Y為算法推算出的對應方向的控制電壓，

步驟4)控制平臺(7)輸出控制電壓U_X、U_Y至多通道高壓放大器(8)，控制快速傾斜反射鏡(1)執行對應方向的迭代校正；

步驟5)重復步驟1)～4)，使系統的耦合效率經多次迭代后收斂至最優值并維持穩定。

其中，所述的快速傾斜反射鏡亦可替換為兩組快速傾斜反射鏡(1-X)、(1-Y)的結構，分別執行相互正交方向的迭代校正，進一步提高系統的控制帶寬。

其中，所述的單模光纖亦可替換為保偏光纖、大模場直徑光纖、多模光纖或光子晶體光纖。

其中，所述的1×2光纖分路器的作用是提取耦合進光纖內的部分能量進行閉環控制，根據實際需要確定其分束比。

其中，所述的光電探測器的作用是實現光功率至電壓信號的線性變換，其工作波長范圍應覆蓋信號激光束的光波長，可以是光電二極管、光電三極管、雪崩光電二極管、光電倍增管或其他光電探測器。

其中，所述的控制平臺可以是各類高精度AD、DA芯片與FPGA、DSP等實時信號處理芯片的集成，在對控制帶寬要求較低的場合亦可使用普通的PC機及配套數據采集卡完成這一功能。

其中，所述的多通道高壓放大器的通道數大于等于4，分別用于快速傾斜反射鏡的二維控制與光纖端面定位器的二維控制。

本發明的基本原理是：當單位振幅的空間激光束耦合進單模光纖時，于入射光瞳面A處經耦合透鏡聚焦后，在耦合透鏡的后焦面O處形成艾里斑衍射圖樣。將耦合效率定義為耦合進光纖的光功率P_o與入射光瞳面處光功率P_a的比值。根據Parseval定理，在入射光瞳面和焦面之間的任意平面上計算耦合效率都是等價的。這里，選擇在入射光瞳面處計算耦合效率η_c，如式(2)所示：

式中E_A(r_a)為入射光瞳面A處的接收光場，F_A(r_a)為單模光纖在入射光瞳面A處的后向傳輸模場。受到接收孔徑的限制，E_A(r_a)可表示為單位振幅平面波與孔徑函數P_u(r_a)的乘積，如式(3)所示。其中D為耦合透鏡的通光口徑，R＝D/2，ε為中心遮擋比。

當單模光纖的歸一化頻率V滿足1.9≤V≤2.4時，單模光纖中只允許基模傳輸，其模場分布可近似為高斯分布。而入射光瞳面A與焦面O處的光場分布互為傅里葉變換對，故可將焦面O處的單模光纖模場分布進行傅里葉逆變換，從而得到A處的后向傳輸模場F_A(r_a)。考慮光纖接收端面存在靜態對準偏差的情況。當光纖位置存在橫向偏移ζ時，可計算該后向傳輸模場分布表達式(4)，其中λ為激光波長，f為耦合透鏡的焦距，ω_a為單模光纖后向傳輸模場半徑，其與光纖模場半徑ω₀之間的關系滿足ω_a＝λf/πω₀。

結合公式(2)～(4)，可得到存在光纖位置橫向偏移ζ時的單模光纖耦合效率表達式(5)，其中J₀(x)為零階貝塞爾函數：

設置激光波長λ＝1.550μm，SMF模場半徑ω₀＝5μm，耦合透鏡焦距和通光口徑分別為f＝15mm和D＝3mm，中心遮擋比ε＝0。公式(5)經仿真得到的SMF耦合效率隨光纖位置橫向偏移量ζ的變化曲線如圖2所示。由圖2可知，由于單模光纖的芯徑非常小，當光纖端面的位置偏移7μm以上時，耦合效率即下降至10％以下。這對耦合系統的機械結構設計及裝配提出了非常苛刻的要求，很難達到并保持如此高的精度。此外，空間激光至單模光纖的耦合效率隨橫向偏移量ζ的增大而單調減小。因此，當控制光纖端面對聚焦光斑進行周期性二維掃描時，根據上述模場匹配原理的推導結果，對耦合進光纖內的光束能量變化規律進行分析即可計算出當前耦合效率的優化梯度，用以控制快速傾斜反射鏡實現迭代校正。

本發明相比于現有技術的優點在于：

1)控制光纖端面對聚焦光斑進行二維掃描以實現優化梯度探測的方法，具有器件運動慣性小、結構緊湊、掃描速度快、定位精度高等優點，保證了梯度探測過程的準確性與實時性。

2)采用將耦合效率優化梯度探測與迭代校正分離執行的控制結構，彌補了執行器件在SPGD控制算法下較低的帶寬利用率，并允許對光纖端面高速定位過程中的系統相位響應延時現象進行補償。

3)迭代校正部分可根據需要使用快速傾斜反射鏡做二維迭代校正，亦可同時使用兩組快速傾斜反射鏡分別完成對應正交方向的一維迭代校正，從而進一步提高系統的整體控制帶寬。

附圖說明

圖1為本發明一種基于光纖端面二維掃描的單模光纖自適應耦合系統的組織結構示意圖。其中，快速傾斜反射鏡(1)可替換為圖示(1-X)、(1-Y)的組合結構。

圖2為本發明一種基于光纖端面二維掃描的單模光纖自適應耦合系統理論分析中，經仿真得到的單模光纖耦合效率η_c隨光纖端面橫向偏移量ζ的變化曲線。其中激光波長λ＝1.550μm，SMF模場半徑ω₀＝5μm，耦合透鏡焦距和通光口徑分別為f＝15mm和D＝3.3mm，中心遮擋比ε＝0。

圖3為本發明一種基于光纖端面二維掃描的單模光纖自適應耦合系統中，耦合效率優化梯度探測及迭代校正的算法流程圖。

具體實施方式

下面結合附圖與實施例對本發明做進一步的說明，但不應以此限制本發明的保護范圍。

系統整體結構及連接方式如圖1所示，包括快速傾斜反射鏡1、耦合透鏡2、光纖端面定位器3、單模光纖4、1×2光纖分路器5、光電探測器6、控制平臺7和多通道高壓放大器8；空間激光束經快速傾斜反射鏡1反射后傳輸至耦合透鏡2，光纖端面定位器3控制下的單模光纖4端面位于耦合透鏡2的后焦面處，單模光纖4與1×2光纖分路器5相連接，1×2光纖分路器5的一個輸出端口用以連接通信終端，另一個輸出端口與光電探測器6的輸入端口相連接，光電探測器6的輸出端口與控制平臺7的輸入端口相連接，控制平臺7的輸出端口與多通道高壓放大器8的輸入端口相連接，高壓放大器8的輸出端口分別與快速傾斜反射鏡1、光纖端面定位器3相連接。

系統在開始工作之前，首先使用光纖端面定位器3控制單模光纖4端面對聚焦光斑進行正弦型位置掃描，對比光電探測器6獲得的性能指標，標定系統的相位響應延時角另外，需分別標定光纖端面定位器3控制下的單模光纖4端面執行位移方向與快速傾斜反射鏡1的光束偏轉方向，使其保持一致。

系統開始工作時，空間激光束經快速傾斜反射鏡1反射與耦合透鏡2聚焦后，在單模光纖4端面處形成聚焦光斑。耦合進單模光纖4內的光束能量經1×2光纖分路器5后，一部分經光電探測器6完成光功率至電壓信號的線性變換，作為性能指標進入控制平臺7用以進行閉環控制。實例中使用的控制平臺為基于Xilinx spartan6系列芯片的FPGA硬件控制平臺；數據采集部分使用了Analog Devices公司的ADS8568芯片，工作方式為并行，最大采樣速率為510kSa/s，采樣精度為16bits；數據輸出部分使用了Analog Devices公司的AD5754芯片，工作方式為串行，支持的最高時鐘為30MHz，精度同樣為16bits；數據通信方面使用了RJ45以太網接口。此處可參照附圖3，所選用的控制算法執行步驟描述如下：

步驟1)控制平臺7輸出兩組幅值為0.02V(對應光纖端面執行偏移量約0.15μm)、頻率為10kHz、相位間隔π/2的正弦電壓，經高壓放大器8放大后作用于光纖端面定位器3，驅動單模光纖4端面對聚焦光斑進行周期性的二維掃描。設其掃描開始時刻為t，周期為T。

步驟2)控制平臺7采集光纖端面位于一個掃描周期內、時間間隔T/4的4組性能指標。設采集開始時刻為t′，將性能指標依次記為J(t′)、和其中為光纖端面在二維掃描控制下的相位響應延時角。

步驟3)控制平臺7根據公式(1)完成控制電壓迭代推算。其中k為算法迭代步數；γ為算法迭代步長；為根據采集開始時刻t′所確定的兩組相互正交方向的耦合效率優化梯度近似值；U_X、U_Y為算法推算出的對應方向的控制電壓。

步驟4)控制平臺7輸出控制電壓U_X、U_Y至多通道高壓放大器8，控制快速傾斜反射鏡(1)或快速傾斜反射鏡組(1-X)、(1-Y)執行對應方向的迭代校正。

步驟5)重復步驟1)～4)，使系統的耦合效率經多次迭代后收斂至最優值并維持穩定，從而實現單模光纖端面對空間激光聚焦光斑的自適應捕獲跟蹤。

至此，本發明完成了對一種基于光纖端面二維掃描的單模光纖自適應耦合系統的詳細描述。本發明說明書中未作詳細描述的內容屬本領域技術人員的公知技術。