专利名称：高效空间光-光纤动态耦合方法
技术领域：
本发明涉及一种高效空间光-光纤动态耦合方法，属于卫星激光通信和激光雷达等技术领域。
背景技术：
在卫星光通信系统中，为了充分利用成熟的光纤通信技术，需要解决一个重要问题将光学天线接收到的空间光信号耦合到单模光纤中，然后将接收光信号进行信号处理 (放大)，送入光电探测器或交换矩阵，实现接收光信号的光电探测和光交换。为了保证接收到足够高的光功率，接收光学天线口径通常大于100mm，将光学天线接收到的空间光耦合到单模光纤中具有很大的技术难度。技术难点在于需要将几乎没有边界条件限制的空间光高效耦合进有苛刻条件限制(单模)的光传输介质一单模光纤(数值孔径为0. 14，纤芯直径为9 μ m,传输波长为 1550nm)。由于单模光纤的传输端面仅有9 μ m左右，如何保证耦合效率达到理想状态是一个非常难的问题。空间光到单模光纤的耦合效率不能达到理想状态，主要源于光纤装配误差、中心遮挡、色散、像差、对准误差等多种因素，进而引起实际系统耦合效率的下降。在天线的装配误差确定的条件下，为了提高空间光-光纤耦合效率，需要控制会聚光束的汇聚光斑中心和光纤端面的偏移量(径向偏移)，以及耦合光束和耦合光纤轴向夹角。对于卫星光通信系统而言，由于存在卫星平台的振动，卫星对准指向偏差也严重降低耦合效率。为了保证链路的有效性，要求在卫星通信时间段，必须对空间光-光纤耦合效率进行动态调整，保证耦合效率满足通信要求。
发明内容
本发明的技术解决问题是克服现有空间光-光纤耦合技术的不足，采用液晶相控阵和液晶光楔组成的液晶相位控制器对会聚光束的相位进行粗、精两级动态控制，实现空间光-单模光纤高效、稳定耦合。解决了卫星光通信系统中空间光-单模光纤耦合效率低、且不稳定的问题。本发明的技术解决方案是高效空间光-光纤相位控制动态耦合方法，其特征在于步骤如下步骤一光学天线接收空间光，并将空间光束会聚后送入液晶相位控制器，由液晶相位控制器控制会聚光束的相位进行扫描，将空间光耦合进单模光纤；步骤二 耦合进单模光纤的光信号送入功分器分为两路，一路送入通信接收机进行数据解调，一路送入光电探测器作为耦合效率检测信号，通过PID控制电路控制液晶相位控制器的控制电压，实现空间光-光纤动态耦合。步骤一中所述的液晶相位控制器由粗相位控器和精相位控器组成，粗相位控制器为液晶相控阵，精相位控制器为液晶光楔，液晶相控阵和液晶光楔分别对会聚光束相位进行粗调和精调，通过改变液晶相控阵和液晶光楔的控制电压，控制会聚光束相位的变化，将空间光耦合进单模光纤，所述的会聚光束相位控制的方法如下(1)液晶相控阵对会聚光束的相位进行粗调，控制会聚光束的相位使其在空间光-光纤耦合装置光束偏离最大范围内开始扫描；(2)液晶相控阵不断缩小扫描范围，直到找到由液晶相控阵控制时的最大耦合效率位置后停止扫描，进入液晶光楔扫描控制流程；(3)液晶光楔控制会聚光束的相位使其进一步缩小扫描范围，提高扫描精度，将扫描精度控制在1微弧度以下；(4)空间光耦合进单模光纤、光电探测器能够正常工作后，液晶光楔停止扫描。步骤二中所述的动态耦合过程如下(1)光电探测器将接收到的光信号转换为电流信号，并将电流信号送给PID控制电路；⑵PID控制电路将电流信号转换为电压控制信号，根据接收电流信号的变化动态控制液晶相控阵的电压，采用五点跟踪算法，找到液晶相控阵相位粗调时耦合效率最大处的位置后锁定会聚光束相位，进入到液晶光楔控制阶段；(3) PID控制电路根据接收到的电流信号的变换控制液晶光楔的控制电压，采用五点跟踪算法，进一步控制会聚光束的相位，提高耦合效率；液晶光楔控制会聚光束相位获得最大耦合效率后PID控制电路锁定液晶光楔相位。本发明与现有技术相比的优点在于本发明的高效空间光-光纤动态耦合方法将光学天线接收到的会聚光束送入相位控制器，由液晶相位控制器根据耦合效率的变化动态控制会聚光束的相位，满足会聚光束的光场和单模光纤的模场匹配条件，保证空间光能够高效率的耦合进单模光纤。实现会聚光束和单模光纤模场匹配，有效解决了空间光-单模光纤耦合效率低的技术难题。本发明提高了卫星光通信系统中空间光-单模光纤耦合的效率，使得耦合效率大于60%，并能够有效克服会聚光束光斑抖动以及机械位移等因素的影响，满足卫星光通信光信号高灵敏度探测接收需求。
图1为本发明动态高效空间光-光纤耦合方法采用的结构示意图；图2为耦合效率与光斑偏移量关系曲线；图3为空间光-光纤耦合液晶相位控制器组成示意图；图4为液晶相控阵结构示意图；图5为液晶相控阵原理示意图；图6为液晶光楔结构示意图；图7为五点跟踪法示意图。
具体实施例方式本发明主要技术内容是基于场匹配和光相位控制等技术，光学天线接收空间光， 并将空间光会聚后送入液晶相位控制器，由液晶相位控制器控制会聚光束的相位，将空间光耦合进单模光纤。耦合进单模光纤的光信号由一功分器分为两部分，分别送入通信接收机和光电探测器。90%以上光信号送入通信接收机进行数据解调，其余少部分能量进入光电探测器，由光电探测器实时检测耦合光信号的强弱，并将接收到的光信号转化为电信号， 送入液晶相位控制器的PID控制电路，PID控制电路根据探测光信号的强弱动态控制液晶相位控制器的控制电压，从而动态控制会聚光束的相位，实现高效动态耦合。采用的发明原理如下空间光经光学天线接收会聚后，在光学天线后焦面上形成爱里斑衍射图样，其电磁场分布与光瞳函数P具有傅立叶变换关系。在爱里斑位置处放置一单模光纤进行光耦合，耦合效率可由下式计算
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权利要求
1.高效空间光-光纤动态耦合方法，其特征在于步骤如下步骤一光学天线接收空间光，并将空间光束会聚后送入液晶相位控制器，由液晶相位控制器控制会聚光束的相位进行扫描，将空间光耦合进单模光纤；步骤二 耦合进单模光纤的光信号送入功分器分为两路，一路送入通信接收机进行数据解调，一路送入光电探测器作为耦合效率检测信号，通过PID控制电路控制液晶相位控制器的控制电压，实现空间光-光纤动态耦合。
2.根据权利要求1所述的高效空间光-光纤动态耦合方法，其特征在于步骤一中所述的液晶相位控制器由粗相位控器和精相位控器组成，粗相位控制器为液晶相控阵，精相位控制器为液晶光楔，液晶相控阵和液晶光楔分别对会聚光束相位进行粗调和精调，通过改变液晶相控阵和液晶光楔的控制电压，控制会聚光束相位的变化，将空间光耦合进单模光纤，所述的会聚光束相位控制的方法如下(1)液晶相控阵对会聚光束的相位进行粗调，控制会聚光束的相位使其在空间光-光纤耦合装置光束偏离最大范围内开始扫描；(2)液晶相控阵不断缩小扫描范围，直到找到由液晶相控阵控制时的最大耦合效率位置后停止扫描，进入液晶光楔扫描控制流程；(3)液晶光楔控制会聚光束的相位使其进一步缩小扫描范围，提高扫描精度，将扫描精度控制在1微弧度以下；(4)空间光耦合进单模光纤、光电探测器能够正常工作后，液晶光楔停止扫描。
3.根据权利要求1所述的高效空间光-光纤动态耦合方法，其特征在于步骤二中所述的动态耦合过程如下(1)光电探测器将接收到的光信号转换为电流信号，并将电流信号送给PID控制电路；(2)PID控制电路将电流信号转换为电压控制信号，根据接收电流信号的变化动态控制液晶相控阵的电压，采用五点跟踪算法，找到液晶相控阵相位粗调时耦合效率最大处的位置后锁定会聚光束相位，进入到液晶光楔控制阶段；(3)PID控制电路根据接收到的电流信号的变换控制液晶光楔的控制电压，采用五点跟踪算法，进一步控制会聚光束的相位，提高耦合效率；液晶光楔控制会聚光束相位获得最大耦合效率后PID控制电路锁定液晶光楔相位。
全文摘要
高效空间光-光纤动态耦合方法，光学天线接收空间光，并将空间光束会聚后送入液晶相位控制器，由液晶相位控制器控制会聚光束的相位，将空间光耦合进单模光纤。耦合进单模光纤的光信号由一功分器分为两部分，分别送入通信接收机和光电探测器。光电探测器实时检测耦合光信号的强弱，并将接收到的光信号转化为电信号，送入液晶相位控制器的PID控制电路，PID控制电路根据探测光信号的强弱动态控制液晶相位控制器的控制电压，从而动态控制会聚光束的相位，实现高效动态耦合。
文档编号G02F1/133GK102520557SQ20111046084
公开日2012年6月27日 申请日期2011年12月29日 优先权日2011年12月29日
发明者付灵丽, 任斌, 幺周石, 李帅, 蒋炜, 谭庆贵 申请人:西安空间无线电技术研究所