一种实现多焦点阵列与多芯光纤自动对准耦合系统和方法

本发明涉及多芯光纤自动对准耦合技术领域，尤其涉及一种实现多焦点阵列与多芯光纤自动对准耦合系统和方法。

背景技术：

近年来，随着物联网，云计算，人工智能，5g通信等技术的快速发展。人们对于通信系统数据传输能力的要求也在不断的增加。对于光信息的传输。如何将聚焦光束完美准确的耦合到光纤当中显的尤为重要。例如在聚焦光束与光纤的耦合过程中。难免会产生聚焦光束与光纤未对准的情况。对于此类情况，单芯光纤的自动对准技术已经非常成熟。但是对于多焦点聚焦光束与多芯光纤的自动对准耦合，目前还并没有一种有效的实现方法。

技术实现要素：

为解决背景技术中存在的技术问题，本发明提出一种实现多焦点阵列与多芯光纤自动对准耦合系统和方法。

本发明提出的一种实现多焦点阵列与多芯光纤自动对准耦合方法，包括下列步骤：

采集多芯光纤的端面图像，根据所述端面图像计算纤芯的数量并定位每个纤芯的中心位置坐标，根据各纤芯的中心坐标计算得到目标光场分布，根据目标光场分布通过空间光调制器对入射光束进行调制形成与纤芯数量以及纤芯坐标匹配的聚焦光束。

优选地，所述根据各纤芯的中心坐标计算得到目标光场分布，具体为，使用各个纤芯的中心坐标计算得到目标光场相位分布。

优选地，根据目标光场分布通过空间光调制器对入射光束进行调制形成与纤芯数量以及纤芯坐标匹配的聚焦光束与光纤直接进行耦合，具体为，通过相位板调制入射光束的相位。

优选地，所述采集多芯光纤的端面图像，具体为，通过相机采集多芯光纤的端面图像，并且预先调节多芯光纤的空间位置，使其位于相机的视场内。

本发明还提出一种实现多焦点阵列与多芯光纤自动对准耦合系统，包括：光源、空间光调制器、相机；

光源，用于向多芯光纤发射入射光束；

相机，用于采集所述入射光束在多芯光纤端面形成的端面图像；

空间光调制器，用于根据相机采集的所述端面图像对多芯光纤的入射光束进行调制。

优选地，还包括三维光纤平台，三维光纤平台上设有光纤安装位，三维光纤平台用于调节多芯光纤的空间位置。

优选地，还包括半反半透镜，半反半透镜位于空间光调制器远离光源一侧，相机位于半反半透镜的反射光路上。

优选地，空间光调制器采用相位板；

优选地，相机采用coms相机或ccd相机。

优选地，空间光调制器，具体用于根据相机采集的所述端面图像对多芯光纤的入射光束进行调制，形成与所述多芯光纤的纤芯数量与纤芯坐标匹配的聚焦光束。

本发明中，所提出的实现多焦点阵列与多芯光纤自动对准耦合系统和方法，当多焦点的聚焦光束与多芯光纤进行耦合时，根据光纤端面图像可以判断纤芯的数量和每个纤芯的坐标，将纤芯中心坐标输入混合相位分布计算程序获得与纤芯数量匹配和中心坐标匹配的多焦点光束并直接于多芯光纤进行耦合输入；根据图形判定多芯光纤的纤芯位置，根据光纤截面图像进行自适应调制计算，使得焦点生成在纤芯位置进行耦合，减少平台移动和人为因素，对芯更准确，耦合效率更高。

附图说明

图1为本发明提出的一种实现多焦点阵列与多芯光纤自动对准耦合系统的光路图。

图2为本发明提出的一种实现多焦点阵列与多芯光纤自动对准耦合方法采用相位板进行调控时不同格子的示意图。

具体实施方式

如图1和2所示，图1为本发明提出的一种实现多焦点阵列与多芯光纤自动对准耦合系统的光路图，图2为本发明提出的一种实现多焦点阵列与多芯光纤自动对准耦合方法采用相位板进行调控时不同格子的示意图。

参照图1，本发明提出的一种实现多焦点阵列与多芯光纤自动对准耦合系统，包括：光源、空间光调制器2、相机3；

光源，用于向多芯光纤1发射入射光束；

相机3，用于采集所述入射光束在多芯光纤1端面形成的端面图像；

空间光调制器2，用于根据相机3采集的所述端面图像对多芯光纤1的入射光束进行调制。

为了详细说明本实施例的一种实现多焦点阵列与多芯光纤自动对准耦合系统的具体工作方式，本实施例还提出一种实现多焦点阵列与多芯光纤自动对准耦合方法，包括下列步骤：

采集多芯光纤1的端面图像，根据所述端面图像计算纤芯的数量并定位每个纤芯的中心位置坐标，根据各纤芯的中心坐标计算得到目标光场分布，根据目标光场分布通过空间光调制器2对入射光束进行调制形成和纤芯数量以及纤芯坐标匹配的聚焦光束与光纤直接进行耦合。

在本实施例的实现多焦点阵列与多芯光纤自动对准耦合系统的具体工作中，首先将多芯光纤放置在光源发射的光路上，入射光束入射到多芯光纤的端面上，通过相机采集光纤端面的端面图像，根据所述端面图像计算纤芯的数量并定位每个纤芯的中心位置坐标，根据各纤芯的中心坐标计算得到目标光场分布，根据目标光场分布通过空间光调制器对入射光束进行调制，从而形成和纤芯数量以及纤芯坐标匹配的聚焦光束与光纤直接进行耦合。

在本实施例中，所提出的实现多焦点阵列与多芯光纤自动对准耦合系统和方法，当多焦点的聚焦光束与多芯光纤进行耦合时，根据光纤端面图像可以判断纤芯的数量和每个纤芯的坐标，将纤芯中心坐标输入混合相位分布计算程序获得与纤芯数量匹配和中心坐标匹配的多焦点光束并直接于多芯光纤进行耦合输入；根据图形判定多芯光纤的纤芯位置，根据光纤截面图像进行自适应调制计算，使得焦点生成在纤芯位置进行耦合，减少平台移动和人为因素，对芯更准确，耦合效率更高。

在本实施例的实现多焦点阵列与多芯光纤自动对准耦合系统，还包括三维光纤平台4，三维光纤平台4上设有光纤安装位，三维光纤平台4用于调节多芯光纤1的空间位置；在具体工作中，通过相机采集多芯光纤1的端面图像之前，可通过三维光纤平台预先调节多芯光纤1的空间位置，使其位于相机3的视场内，实现光路的粗调。

在具体光路设计中，本实施例还包括半反半透镜5，半反半透镜5位于空间光调制器2远离光源一侧，相机3位于半反半透镜5的反射光路上。

在其他具体实施方式中，相机3采用coms相机或ccd相机。

在具体调制方式中，空间光调制器2采用相位板，所述根据各纤芯的中心坐标计算得到目标光场分布，具体为，使用各个纤芯的中心坐标计算得到目标光场相位分布；进一步地，根据目标光场分布通过空间光调制器2对入射光束进行调制形成和纤芯数量以及纤芯坐标匹配的聚焦光束与光纤直接进行耦合，具体为，通过相位板调制入射光束的相位。

参照图2，以多焦点完美涡旋光束与多芯光纤的自动对准耦合为例。其光路图如图所示。首先采集光纤端面的图像。判断出多芯光纤的纤芯数量以及各个纤芯的中心坐标(x0,y0)。然后将多芯光纤的数量信息与坐标信息外加与光纤直径相关的完美涡旋的半径信息一起输入到混合相位分布计算程序当中。并在相位板中产生相应的相位。在瞳孔入瞳位置放置空间光调制器。通过空间光调制器加载相位光栅，则在聚焦区域即可形成具有不同拓扑荷数、不同数量、不同位置的光涡旋阵列。经过透镜的聚焦以后。便可以产生与多芯光纤的半径、坐标、数量都匹配的多焦点完美涡旋。并准确的耦合到光纤当中。

采用相位板具体调制过程中，当入射光束为多个光束构成时，使得多个光束分别进入不同纤芯内，因此为了产生多焦点阵列，需要把多个焦点的信息均匀的组合放入一个纯相位的混合相位板中。为了优化多焦点阵列的成像质量，根据slm的像素分布可采用像素棋盘格子方法。

如图2所示，可将整个相位板可以看成一个正方形的棋盘，可以认为是slm的一部分，比如holoeye，leto，1920×1080像素，每个像素6.4μm，532nm达到0-2π纯相位调制。整个相位板被分成大小相等的棋盘格子，相位板由4个不同颜色的棋盘格子组成，不同颜色的棋盘格子分别独立加载下列公式，来产生4焦点完美涡旋阵列：

式中l为涡旋光束的模式，φ为方位角。kx，ky，kz为光束在x，y，z三个方向的波矢量。δx，δy，δz为焦点的位置坐标。

相位板中，第一棋盘加载的信息是用来产生涡旋模式l＝2，位置在(10，0)μm处，直径为7.03μm的完美涡旋。第二、第三、第四则分别加载涡旋模式分别为l＝4、6、8，位置坐标分别为(0，10)、(-10，0)、(0，-10)的直径都为7.03μm的完美涡旋。4个棋盘格子组成大的正方形并均匀填充整个平面，制成的新的含有4焦点信息混合相位板，图2d相应展示了使用混合相位片，产生的4焦点完美涡旋阵列。图2g中虽然能看到完美涡旋的轮廓，但是受限于其成像质量，这四个焦点在通信传输中基本无法识别。

进一步地，由于棋盘格子大小较大时，4个焦点信息未能足够均匀分布在整个相位板中，造成成像质量模糊。因此，可以用将每个棋盘格子的尺寸减小，提高4个完美涡旋焦点的成像质量。完美涡旋的强度定义为焦点每个像素的归一化强度的总和。从图2随着像素棋盘格子大小的改变，完美涡旋的能量改变。大的像素棋盘格子产生肉眼可见的不均匀的多焦点完美涡旋阵列。图2a-c给出了不同像素棋盘格子大小产生的4焦点完美涡旋阵列中，4种完美涡旋的能量归一化强度图。而小的像素的棋盘格子，4种不同模式的完美涡旋能量均非常高，且相同棋盘格子大小时4种完美涡旋的能量基本相同。

因此，可以通过pcbm来控制完美涡旋阵列中的焦点数量和位置。使用合适大小的棋盘格子可以获得优秀的焦点质量。利用结合锥形相位和螺旋相位来控制完美涡旋的半径和模式。通过以上方法，在紧聚焦焦场区域，我们可以实现产生焦点数量、焦点位置、焦点模式、焦点直径都可控的三维完美涡旋阵列。方法简单可靠，产生的完美涡旋阵列焦点质量好，焦点间均匀性高。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。