一种提升空间光-光纤阵列耦合效率的装置及方法与流程

本发明涉及电子信息领域，特别是涉及一种提升空间光-光纤阵列耦合效率的装置及方法。

背景技术：

无线激光通信(Free Space Optic，FSO)通信是以光波为载波，在自由空间(大气或真空环境)中进行高速数据传输的一种无线通信方式。它是光纤通信的拓展，但又与光纤通信有很大的区别：它不需要通过光纤进行传输，拓展了光通信的使用范围。与传统无线射频通信相比，FSO通信具有无需频谱许可、安装方便、安全保密、通信速率高等优势。作为一种新兴的通信方式，在频谱资源日益匮乏的今天，它的发展前景不容忽视。但由于地-地FSO系统常使用开放性的大气信道作为传播信道，大气环境会对信号造成较大的影响。大气湍流会使得光斑形状伴有不同程度的破损、并且闪烁、抖动(到达角起伏)、漂移等。这给信号的接收、探测带来了很大的困难。信号光抖动的随机性不仅会带来探测噪声，而且在抖动幅度较大时，还会造成信号的中断。

FSO系统实际中主要采取的探测方式有两种：直接探测和光纤耦合探测。相较于空间探测使用的大面型PIN光电二极管探测，光纤探测器光敏面小、结电容小、响应频率高。一般近距和较低频率的通信系统常采用直接探测；当通信距离提高至千米级别或者通信速率吉赫兹(GHz)到时，多采用光纤耦合探测。光纤耦合探测多采用接收天线和单根单模光纤配合的方式。其优势在于可将成熟光纤通信组件，如光纤放大器件、波分复用/解复用器和探测器件等直接应用于FSO系统中，降低FSO系统开发成本及开发时间。

光纤耦合方案带来便利的同时也带来由于纤芯面积小而引起的对准困难问题。理论上，当入射光焦点与光纤中心径向对准误差超过2μm，耦合效率衰落-5dB，在机械加工中很难保证这么高的加工、对准精度。除此之外，湍流大气引起的到达角起伏主要表现是光斑焦点会在光纤端面不定的跳动(如图1所示)，当光束抖引起的对准失配超过2μm，同样会引起耦合效率的降低。实验上，2012年Hideki Takenaka等人在Optics Express上公开了一组OICETS系统星-地下行链路空间光经单透镜耦合进单模光纤的耦合效率衰落情况的实验数据和理论分析方法，实验测得耦合效率衰落到-10～-19dB之间，与理论计算出的-17dB几乎吻合(Hideki Takenaka,Morio Toyoshima,Yoshihisa Takayama.Experimental verification of fiber-coupling efficiency for satellite-to-ground atmospheric laser downlinks[J].Optics Express 2012,20(14):15301-15308.)。那么针对地-地FSO系统，当信号光经过地面湍流富集区域传输更远距离后，如何提高耦合效率，并能够克服光斑抖动(到达角起伏)、光斑漂移造成的耦合效率迅速下降是亟待解决的技术难题，也是限制FSO系统产业化的瓶颈技术。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种提升空间光-光纤阵列耦合效率的装置及方法，能够克服光斑抖动、漂移时造成的耦合效率下降的问题。

本发明所采用的技术方案是：一种提升空间光-光纤阵列耦合效率的装置及方法，包括透镜阵列安装层，所述透镜阵列安装层上设置有成半圆形外凸的透镜阵列，透镜阵列中的每个透镜焦点正下方均设置有单模光纤，单模光纤通过光纤安装板进行固定，所有所述导光光纤形成与所述透镜阵列一致对应的光纤阵列，所述的光纤安装板上设置有与单模光纤平行的微动压电陶瓷，微动压电陶瓷的两端分别设置有上微动压电陶瓷安装层和下微动压电陶瓷安装层。

本发明的特点还在于，

每个透镜均采用相对孔径为0.2的单透镜。

所述单模光纤的四周均匀设置有4个微动压电陶瓷。

微动压电陶瓷外部设置有空间光-光纤阵列耦合装置外壳，所述单模光纤竖直穿出空间光-光纤阵列耦合装置外壳。

透镜阵列安装层为圆形，透镜阵列安装层上分布有若干圆形通孔。

单模光纤的耦合端面通过法兰固定于光纤安装板上，单模光纤耦合端面位于光纤安装板的中心通孔位置。

单模光纤耦合端面中心位于对应透镜焦点中心。

单模光纤耦合端面位于圆形光纤安装板的中心通孔位置

一种提升空间光-光纤阵列耦合效率的方法，该方法依赖于一种提升空间光-光纤阵列耦合效率的装置，其结构为：包括透镜阵列安装层，所述透镜阵列安装层上设置有成半圆形外凸的透镜阵列，透镜阵列中的每个透镜焦点正下方均设置有单模光纤，单模光纤通过光纤安装板进行固定，所有所述导光光纤形成与所述透镜阵列一致对应的光纤阵列，所述的光纤安装板上设置有与单模光纤平行的微动压电陶瓷，微动压电陶瓷的两端分别设置有上微动压电陶瓷安装层和下微动压电陶瓷安装层。

所述每个透镜均采用相对孔径为0.2的单透镜；

每个所述单模光纤的四周均匀设置有4个微动压电陶瓷；

所述微动压电陶瓷外部设置有空间光-光纤阵列耦合装置外壳，所述单模光纤竖直穿出空间光-光纤阵列耦合装置外壳；

所述透镜阵列安装层为圆形，透镜阵列安装层上分布有若干圆形通孔；

所述单模光纤的耦合端面通过法兰固定于光纤安装板上，单模光纤耦合端面位于圆形光纤安装板的中心通孔位置；

所述单模光纤耦合端面中心位于对应透镜焦点中心。

具体按照以下方法实施：

步骤1：首先调整装置中单模光纤和透镜阵列的角度，实现阵列单元中每个光纤耦合端面中心位于对应透镜焦点中心，且保持光纤与透镜光轴重合；

步骤2：将空间入射的信号光束经远距离湍流大气传输后，形成畸变波前，用大口径平行光管将畸变波前汇聚、缩束后入射至或直接入射至透镜阵列的端面上。

步骤3：透镜阵列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；

步骤4：由于大气湍流的影响，当透镜聚焦光束未能汇聚至光纤端面的中心时，驱动压电陶瓷，实现阵列单元中每个光纤耦合端面中心位于对应透镜焦点中心，且保持光纤与透镜光轴重合。

步骤5；光纤阵列耦合完成，单模光纤尾端，可进行光纤阵列熔融拉锥或者光电转化，进行信号探测。

本发明的有益效果是：

第一，通过透镜阵列-光纤阵列接收形式，增大接收面积以抑制大气湍流引起的光束漂移造成的耦合效率下降；

第二，通过透镜阵列-光纤阵列接收形式，降低单一单元的透镜尺寸和透镜焦距，从而降低单一结构单元散斑数量和由于光学系统长焦距引起的抖动剧烈的现象(如图1中3所示，光束焦点在透镜端面径向抖动量s正比于透镜焦距f)，从光学结构上抑制大气湍流引起的光束抖动(到达角起伏)造成的耦合效率下降；

第三，结合智能优化驱动微动压电陶瓷阵列，实现阵列单元中每个光纤耦合端面中心位于对应透镜焦点中心，且保持光纤与透镜光轴重合，进一步提升升空间光-光纤阵列耦合效率。

附图说明

图1是本发明的一种提升空间光-光纤阵列耦合效率的装置的结构主视图；

图2是本发明的一种提升空间光-光纤阵列耦合效率的装置的结构俯视图。

图中，1.受湍流大气影响的畸变波前，2.透镜阵列安装层，3.上微动压电陶瓷安装层，4.微动压电陶瓷，5下微动压电陶瓷安装层，6.单模光纤，7.光纤安装板，8.空间光-光纤阵列耦合装置外壳，9.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。

一种提升空间光-光纤阵列耦合效率的装置，如图1所示，包括透镜阵列安装层2，所述透镜阵列安装层2上设置有成半圆形外凸的透镜阵列9，透镜阵列9中的每个透镜焦点正下方均设置有单模光纤6，单模光纤6通过光纤安装板7进行固定，所有所述导光光纤形成与所述透镜阵列1一致对应的光纤阵列2，所述的光纤安装板7上设置有与单模光纤6平行的微动压电陶瓷4，微动压电陶瓷4的两端分别设置有上微动压电陶瓷安装层3和下微动压电陶瓷安装层5。

每个透镜均采用相对孔径为0.2的单透镜。

每个单模光纤6的四周均匀设置有4个微动压电陶瓷4。

微动压电陶瓷4外部设置有空间光-光纤阵列耦合装置外壳8，所述单模光纤6竖直穿出空间光-光纤阵列耦合装置外壳8。

如图2所示，透镜阵列安装层2为圆形，透镜阵列安装层2上分布有若干圆形通孔。

单模光纤6的耦合端面通过法兰固定于光纤安装板7上，单模光纤6耦合端面位于光纤安装板7的中心通孔位置。

单模光纤6耦合端面中心位于对应透镜焦点中心。

单模光纤(6)耦合端面位于圆形光纤安装板的中心通孔位置

一种提升空间光-光纤阵列耦合效率的方法，该方法依赖于一种提升空间光-光纤阵列耦合效率的装置，其结构为：包括透镜阵列安装层2，所述透镜阵列安装层2上设置有成半圆形外凸的透镜阵列9，透镜阵列9中的每个透镜焦点正下方均设置有单模光纤6，单模光纤6通过光纤安装板7进行固定，所有所述导光光纤形成与所述透镜阵列1一致对应的光纤阵列2，所述的光纤安装板7上设置有与单模光纤6平行的微动压电陶瓷4，微动压电陶瓷4的两端分别设置有上微动压电陶瓷安装层3和下微动压电陶瓷安装层5。

所述每个透镜均采用相对孔径为0.2的单透镜；

每个所述单模光纤6的四周均匀设置有4个微动压电陶瓷4；

所述微动压电陶瓷4外部设置有空间光-光纤阵列耦合装置外壳8，所述单模光纤6竖直穿出空间光-光纤阵列耦合装置外壳8；

所述透镜阵列安装层2为圆形，透镜阵列安装层2上分布有若干圆形通孔；

所述单模光纤6的耦合端面通过法兰固定于光纤安装板7上，单模光纤6耦合端面位于圆形光纤安装板的中心通孔位置；

所述单模光纤6耦合端面中心位于对应透镜焦点中心。

具体按照以下方法实施：

步骤1：首先调整装置中单模光纤6和透镜阵列9的角度，实现阵列单元中每个光纤耦合端面中心位于对应透镜焦点中心，且保持光纤与透镜光轴重合；

步骤2：将空间入射的信号光束经远距离湍流大气传输后，形成畸变波前，用大口径平行光管将畸变波前汇聚、缩束后入射至或直接入射至透镜阵列9的端面上。

步骤3：透镜阵列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；

步骤4：由于大气湍流的影响，当透镜聚焦光束未能汇聚至光纤端面的中心时，驱动压电陶瓷，实现阵列单元中每个光纤耦合端面中心位于对应透镜焦点中心，且保持光纤与透镜光轴重合。

步骤5；光纤阵列耦合完成，单模光纤6尾端，可进行光纤阵列熔融拉锥或者光电转化，进行信号探测。

实施例：

在自由空间光通信中或者激光雷达中，该装置可进行信号的接收。对于自由空间光通信系统而言，信号光束(如图2中1所示)由通信对方终端提供；对于激光雷达而言，信号光束是探测目标的回波信号。信号光束经远距离湍流大气传输后，形成的畸变波前。畸变波前被图2所示的空间光-光纤阵列耦合装置耦合，使得空间传输光束转化为光纤传输。在阵列光纤尾端，可进行光纤阵列熔融拉锥或者光电转化，进行信号探测还原的过程。