一种用于空间线偏光双向收发的阵列式全光纤自适应耦合控
制系统
技术领域
[0001] 本
发明涉及
一种用于空间线偏光双向收发的阵列式全光纤自适应耦合控制系统，属于光学工程技术领域。在自由空间激光通信、激光大气传输、
激光雷达等领域有着重要的应用前景。
背景技术
[0002] 空间线偏光至保偏光纤的光能耦合技术在天文干涉、激光雷达、自由空间激光通信等领域都有着重要的应用需求。受到静态
角偏差、随机角抖动误差、大气
湍流扰动等因素的影响，高效、高稳定的光纤耦合很难实现。大气湍流扰动等因素使光波的光束特性在传输过程中随机改变，导致传输光束的振幅和
相位随机起伏，使接收面出现光强闪烁、波面畸变、到达角起伏、光束漂移等现象，影响了空间光至光纤的耦合效率。特别的，某些应用场合对光束的偏振态有着严格的要求。在相干光通信系统中，要求
本振光与
信号光的偏振态保持一致，否则，接收灵敏度将大为下降。因此，实现高效、高稳定的光能耦合，并有效地控制和保持输出光束的偏振态十分重要。
[0003] 自适应光学技术是缓解大气湍流等因素的影响、改善光束传输特性的重要手段。但是，经典自适应光学技术需要使用
变形镜、倾斜镜、波前
传感器等设备，系统较为复杂，实现起来有一定的难度。随着光纤激光
相控阵技术的发展，采用基于子孔径像差补偿的自适应光纤阵列技术来实现高效、高稳定的光纤耦合成为可能。而光纤激光于空间的相干偏振合成技术为实现光纤阵列间的相干偏振合成提供了参考。由此，以下技术的出现和发展为实现高效高稳定的空间线偏光至保偏光纤耦合提供了契机：在2005年和2011年，美国陆军研究实验室的L.Beresnev等人(L.Beresnev and M.Vorontsov,“Design of adaptive fiber optics collimator for free-space communication laser transceiver,”Proc.SPIE 5895,58950R(2005))和中国科学院光电技术研究所的耿超等人(C.Geng,X.Li,et al.,“Coherent beam combination of an optical array using adaptive fiber optics collimators,”Optics Communications 284,5531-5536(2011))分别独立研制了一种叫做自适应光纤
准直器(Adaptive fiber-optics collimator，AFOC)的器件，该器件可以在小角度范围内自适应地精确控制出射准直光束的偏转角度，同时，他们还搭建了基于自适应光纤
准直器阵列的光纤激光发射系统。2013年，耿超等人提出了名称为“一种
激光束双向收发的自适应光纤耦合或准直器控制系统”(中国
专利号201310161222.7)的发明专利，并实现了空间光至光纤阵列的高效自适应耦合(F.Li,C.Geng,et al.“, Co-aperture transceiving of two combined beams based on adaptive fiber coupling control,”IEEE Photonics Technology Letters 27,1787-1790(2015))。2012年，国防科学技术大学的
马鹏飞等人开展了光纤激光于空间的相干偏振合成研究，论证了相干偏振合成系统向多链路发展的可行性并进行了实验验证(P.Ma,P.Zhou,et al.,“Analysis of the effects of aberrations on coherent polarization beam combining of fiber laser beams,”Applied Optics 51,3546-3551(2012))。
[0004] 本发明结合光纤光学技术、光纤自适应耦合技术、相干偏振合成技术以及优化控制技术，提出了一种用于空间线偏光双向收发的阵列式全光纤自适应耦合控制系统。
发明内容
[0005] 本发明要解决的技术问题是：克服存在大气湍流及其他因素影响时光纤耦合困难的问题，克服存在相位失配时相干偏振合成效率下降的问题，提出一种用于空间线偏光双向收发的阵列式全光纤自适应耦合控制系统。该系统自适应地校正子孔径内的倾斜像差、提高阵列单元的光纤耦合效率，补偿相位失配、提高相干偏振合成效率，最终实现全系统最优效率的光能耦合，并输出偏振方向沿光纤慢轴的线偏光；该系统可兼作光束准直发射装置，依附于自适应耦合控制过程和光路可逆性，实现对发射子光束波前
活塞像差和倾斜像差的预补偿，经过大气湍流反向传输后，获得与入射光束同一偏振态的平面波前。
[0006] 本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种用于空间线偏光双向收发的阵列式全光纤自适应耦合控制系统，包括自适应光纤
耦合器的阵列、密排装置、子单元光纤分路器的组、耦合
能量光电探测器的组、多通道倾斜像差
控制器、多通道高压
放大器、光纤
相位调制器的组、光纤偏振合束器的组、三端口光纤环形器、光纤检偏器、合成光纤分路器、合成光电探测器、
锁相控制器；该阵列式全光纤自适应耦合控制系统为全光纤结构，且所用光纤均为保偏光纤。平面波前的线偏振光束经一定距离传输，受大气湍流等环境因素的影响，波前发生畸变；利用自适应光纤耦合器的阵列接收光束，并分别将子光束耦合至多路保偏光纤内；各路子光束分别经过光纤相位调制器的组，并通过多级光纤偏振合束器的组两两进行相干偏振合成；最终实现整个系统的高效、高稳定光能耦合，并输出偏振方向沿光纤慢轴的线偏光。自适应光纤耦合器的阵列固定于密排装置上，与子单元光纤分路器的组、耦合能量光电探测器的组、多通道倾斜像差控制器和多通道高压放大器构成倾斜像差控制子系统，探测并校正自适应光纤耦合器的阵列子孔径内的光束倾斜像差；光纤相位调制器的组与光纤偏振合束器的组、光纤检偏器、合成光纤分路器、合成光电探测器和锁相控制器构成相位控制子系统，探测并补偿各路子光束之间的相位失配。此系统可兼作光束准直发射装置，线偏振方向沿光纤慢轴的发射光束经由三端口光纤环形器实现光路环形，再通过多级光纤偏振合束器的组分解为多路偏振方向沿光纤慢轴的子光束，最后分别经由光纤相位调制器的组和自适应光纤耦合器的阵列实现准直发射；此系统依附于自适应耦合控制过程和光路的可逆性，可实现对发射子光束波前活塞像差和倾斜像差的预补偿，经过大气湍流反向传输后，获得与入射光束同一偏振态的平面波前。
[0007] 其中，所述光纤偏振合束器正向使用时可将两束偏振态互相垂直的线偏光合束至一根保偏光纤中，反向使用时可实现输入光束的偏振分解，输出两路偏振方向互相垂直的线偏光；所述光纤偏振合束器的内置晶体可为方解石、偏
硼酸钡(α-BBO)、金红石(TiO2)、紫外熔融
石英或其他具有双折射特性的晶体；晶体的一侧熔接有两根保偏光纤分支，分别对应1端口和2端口，晶体的另一侧与一根保偏光纤熔接，对应3端口；1端口和2端口的光纤慢轴分别与晶体偏振状态的最大透射方向对准，其方向分别沿Y轴和X轴，3端口的光纤慢轴方向相对于1端口的光纤慢轴方向顺
时针旋转了45°。
[0008] 其中，所述多通道倾斜像差控制器接收耦合能量光电探测器的组的
电信号，采用优化控制
算法产生控制
电压，经多通道高压放大器后作用于自适应光纤耦合器的阵列，校正子孔径内的倾斜像差，使其耦合光能量最大化；所述锁相控制器接收合成光电探测器的电信号，采用优化控制算法产生控制电压，作用于光纤相位调制器的组，补偿子光束之间的相位失配，使合成光能量最大化。
[0009] 其中，所述密排装置实现自适应光纤耦合器的阵列的密集排布，排布方式可以为三角形、方形、六边形、圆形、环形或其他排布方式；同时，可通过增加自适应光纤耦合器的数量来增大光束接收口径。所述密排装置具备对空间光整体接收方向粗调整的功能，自适应光纤耦合器自身具备对子孔径光轴的精密调节功能。所述自适应光纤耦合器的阵列中，所有自适应光纤耦合器透镜焦平面处光纤端面的慢轴方向相同且与入射光束的线偏振方向一致。
[0010] 其中，所述耦合能量光电探测器的组、合成光电探测器可为光电
二极管、光电
三极管、
雪崩
光电二极管、
光电倍增管或其他光电探测器，光电探测器的工作
波长范围应
覆盖信号激光束的光波长。
[0011] 其中，所述光纤相位调制器的组可为铌酸锂相位调制器、压电陶瓷环光纤相位调制器或其他相位调制器。
[0012] 其中，所述多通道倾斜像差控制器、锁相控制器的控制算法可采用随机并行梯度下降算法、爬山法、高频抖动法等盲优化控制算法或其他优化控制算法。
[0013] 其中，所述一种用于空间线偏光双向收发的阵列式全光纤自适应耦合控制系统，可以补偿光纤长度不一致引起的静态
相位差，也可以采用高速
迭代的方法补偿由于
温度、震动、湍流或其他环境因素引起的动态随机相位差。
[0014] 本发明的原理可表述为：平面波前的线偏振光束经一定距离传输，受大气湍流等环境因素的影响，波前发生畸变；利用自适应光纤耦合器的阵列校正倾斜像差、实现空间光到阵列单元光纤的自适应耦合，耦合进光纤的各路子光束通过光纤偏振合束器的组实现两两相干偏振合成，最终获得高效、高稳定的系统整体耦合效率，并输出偏振方向沿光纤慢轴的线偏光。
[0015] 首先，分析空间光至光纤阵列的光能耦合过程。这里以形心坐标为(0,0)的中心阵列单元为例进行描述。
[0016] 平面光束经过湍流大气传输后，在中心阵列单元接收孔径内的复振幅EA(x,y)为：
[0017] 式中 为大气湍流等引入的畸变波前像差相位，P(x,y)为孔径函数，表示为：
[0018]
[0019] 其中，x、y分别为X-Y空间
坐标系的横坐标和纵坐标，d为单元接收孔径的直径。
[0020] 对平面波做傅里叶变换后得到聚焦光波复振幅分布EO(x,y)为：
[0021]
[0022] 式中f为单元耦合透镜的焦距，λ为平面光束波长，j为虚数单位。当保偏光纤归一化
频率V满足1.9≤V≤2.4时，保偏光纤中传输光束的分布近似为高斯分布，可表示为：
[0023]
[0024] 式中ω0为保偏光纤的模场半径。
[0025] 光纤耦合效率定义为耦合进光纤的光功率与接收口径内光束功率的比值。根据模式匹配原理，阵列单元光纤耦合效率η可表示为：
[0026]
[0027] 研究表明，光纤耦合效率受大气湍流影响，校正倾斜像差可改善耦合效率；但随着湍流强度增大，改善效果明显变差。此时，引入自适应光纤耦合器阵列的接收方式来替代单一孔径的接收方式，可以通过校正子孔径内的子光束倾斜像差，进而补偿大气湍流，获得高效、高稳定的光纤耦合效率。
[0028] 倾斜像差控制子系统包括自适应光纤耦合器的阵列和控制回路两个部分。自适应光纤耦合器的阵列接收到波前产生畸变的子光束能量，分别将其传输到光电探测器作为控制回路的性能指标，控制回路通过优化性能指标计算出控制电信号，经高压放大器将电压信号放大后施加于自适应光纤耦合器的阵列，分别驱动自适应光纤耦合器阵列内对应的光纤端面在其焦平面平移，从而有效地补偿子光束的倾斜像差，获得高效、高稳定的光纤耦合效率。
[0029] 假设耦合器阵列子孔径数为N，子孔径直径为d，整体接收口径为DR。对到达接收平面时的光强值做归一化处理，即到达接收面时的总光强为1，每一个阵列单元分别耦合，得到各自的光纤耦合效率ηi(i＝1,2,…,N)，则此时耦合进光纤的子光束的光强值分别为总的耦合光能量受阵列排布方式的影响，子孔径排得越紧密，总的耦合光能量越大。由于活塞像差的存在，每一路子光束中存在一定的
相位延迟δi(i＝1,2,…,N)。
[0030] 其次，分析各子光束在保偏光纤中进行多级相干偏振合成的过程。
[0031] 以全光纤结构的两单元相干偏振合成为例进行分析：
[0032] 自适应光纤耦合器的阵列后端保偏光纤的光纤慢轴方向均相同，且与入射光束偏振方向一致。因此，耦合进光纤后的光束均为偏振方向沿保偏光纤慢轴的线偏光。保偏光纤的特性决定了沿慢轴方向耦合进光纤的线偏光在传播过程中偏振态不变。由于光纤偏振合束器的1端口和2端口所连接的均为保偏光纤，且慢轴方向互相垂直，其方向分别沿Y轴和X轴，因此参与合成的两束光均为线偏光且偏振方向互相垂直，满足相干偏振合成的条件。光强分别为I1、I2，相位差分别为δ1、δ2的两路子光束的光场复振幅分别表示为：
[0033]
[0034]
[0035] 经光纤偏振合束器合成后的光场复振幅的琼斯矩阵E表示为：
[0036]
[0037] 其中，Ex、Ey分别为经光纤偏振合束器合成后的光场复振幅沿为X、Y轴方向的分量。
[0038] 对上式进行归一化处理，得到归一化的琼斯矩阵E归：
[0039]
[0040] 其中，IR＝I2/I1为参与合成的两路子光束之间的光强比，Δδ＝δ2-δ1为参与合成的两路子光束之间的相位差。
[0041] 由以上分析可知，合成光束的偏振态与参与合成的两路光束之间的相位差及光强比有关。当Δδ＝k·π(k＝0,±1,±2…)时，合成光束为线偏光，且偏振方向与光强比IR相关；当Δδ≠k·π时，合成光束为椭圆偏振光。相干偏振合成的条件是参与合成的两束光均为线偏光且偏振方向互相垂直。要实现多路光束的级联式合成，一方面，需要对参与合成的子光束之间的相位差进行控制，使合成光束为线偏光；另一方面，在相位锁定为Δδ＝k·2π的前提下，只有在光强比IR＝1时，合成光束的偏振方向才与输出光纤的慢轴一致。全光纤结构的相干偏振合成与空间结构的相干偏振合成相比，优势在于光束全程在保偏光纤内传输，偏振态保持不变，由于光纤偏振合束器的1端口和2端口的光纤慢轴方向互相垂直，两束沿着各自光纤传输的线偏光经过两输入端口连接至光纤偏振合束器时其偏振方向互相垂直。因此，满足了进行合束的两子光束均为线偏光且偏振态互相垂直的条件，可实现下一级合成，由此完成多路光束的相干偏振合成。
[0042] 在实际操作中，在最后一级光纤偏振合束器的3端口后连接光纤检偏器。光纤检偏器的偏振方向与光纤偏振合束器3端口的光纤慢轴方向一致，其透光轴与X轴成45°，其琼斯矩阵G的表达式为：
[0043]
[0044] 合成光束经过光纤检偏器，得到偏振方向沿光纤检偏器慢轴的线偏光，其复振幅Eout可表示为：
[0045]
[0046] 其光强值Iout可表示为：
[0047]
[0048] 可定义单个相干偏振合成单元的相干偏振合成效率ηeff为：
[0049]
[0050] 由以上分析可得到单个相干偏振合成单元的相干偏振合成效率表达式：
[0051]
[0052] 相位控制子系统包括光纤相位调制器的组和控制回路两个部分。耦合进光纤阵列中的多路子光束通过级联的光纤偏振合束器两两合成，最终合为一束。合成光束经过光纤检偏器后传输到光电探测器作为控制回路的性能指标，控制回路通过优化性能指标计算出
控制信号，施加给光纤相位调制器的组，对子光束间的相位差进行有效补偿，以获得高效、高稳定的相干偏振合成效率，并输出偏振方向沿光纤慢轴的线偏光。
[0053] 最后，介绍空间线偏光双向收发的原理。此系统可兼作光束准直发射装置，线偏振方向沿光纤慢轴的发射光束经由三端口光纤环形器实现光路环形，再通过多级光纤偏振合束器的组分解为多路偏振方向沿光纤慢轴的子光束，最后分别经由光纤相位调制器的组和自适应光纤耦合器的阵列实现准直发射；此系统依附于自适应耦合控制过程和光路的可逆性，可实现对发射子光束波前活塞像差和倾斜像差的预补偿，经过大气湍流反向传输后，获得与入射光束同一偏振态的平面波前。
[0055] (1)本发明基于保偏光纤的阵列实现高效的自适应耦合，并可实现对合成光束偏振态的有效控制，输出偏振方向沿光纤慢轴的线偏光。
[0056] (2)本发明可实现激光束的双向收发。在实现高效的自适应光纤耦合的同时，依附于耦合控制过程和光路的可逆性，可实现对发射子光束波前活塞像差和倾斜像差的预补偿，经过大气湍流反向传输后，获得与入射光束同一偏振态的平面波前。
[0057] (3)本发明为全保偏光纤结构，倾斜像差校正过程及相干偏振合成过程全部基于保偏光纤实现，结构紧凑、
稳定性好、易于模
块化。
附图说明
[0058] 图1为本发明一种用于空间线偏光双向收发的阵列式全光纤自适应耦合控制系统的组织结构示意图。
[0059] 图2(a)、图2(b)分别为经数值仿真得到的两路子光束相干偏振合成时，相干偏振合成效率与两路子光束间相位差和光强比的关系曲线。
[0060] 图3为全光纤结构的两路子光束相干偏振合成实验中，锁相前后各6秒、共50000次
采样获得的相干偏振合成效率随时间的变化曲线。
[0061] 图4为本发明一种用于空间线偏光双向收发的阵列式全光纤自适应耦合控制系统
实施例中，经数值仿真得到的当DR/r0＝5(其中，DR为阵列的整体等效口径，r0为表征大气湍流特性的Fried参数)时，采用自适应光纤耦合器的阵列的接收方式，进行相干偏振合成，相位锁定前后的系统整体耦合效率的变化曲线。
具体实施方式
[0062] 下面结合附图和实施例对本发明做进一步的说明。
[0063] 如图1所示，一种用于空间线偏光双向收发的阵列式全光纤自适应耦合控制系统，包括自适应光纤耦合器1的阵列、密排装置2、子单元光纤分路器3的组、耦合能量光电探测器4的组、多通道倾斜像差控制器5、多通道高压放大器6、光纤相位调制器7的组、光纤偏振合束器8的组、三端口光纤环形器9、光纤检偏器10、合成光纤分路器11、合成光电探测器12和锁相控制器13；系统为全光纤结构，且所用光纤均为保偏光纤。平面波前的线偏振光束经一定距离传输，受大气湍流等环境因素的影响，波前发生畸变；利用自适应光纤耦合器1的阵列接收光束，并分别将子光束耦合至多路保偏光纤内；各路子光束分别经过光纤相位调制器7的组，并通过多级光纤偏振合束器8的组两两进行相干偏振合成；最终实现整个系统的高效、高稳定光能耦合，并输出偏振方向沿光纤慢轴的线偏光。自适应光纤耦合器1的阵列固定于密排装置2上，与子单元光纤分路器3的组、耦合能量光电探测器4的组、多通道倾斜像差控制器5和多通道高压放大器6构成倾斜像差控制子系统，探测并校正自适应光纤耦合器1的阵列子孔径内的光束倾斜像差；光纤相位调制器7的组与光纤偏振合束器8的组、光纤检偏器10、合成光纤分路器11、合成光电探测器12和锁相控制器13构成相位控制子系统，探测并补偿各路子光束之间的相位失配。此系统可兼作光束准直发射装置，线偏振方向沿光纤慢轴的发射光束经由三端口光纤环形器9实现光路环形，再通过多级光纤偏振合束器8的组分解为多路偏振方向沿光纤慢轴的子光束，最后分别经由光纤相位调制器7的阵列和自适应光纤耦合器1的阵列实现准直发射；此系统依附于自适应耦合控制过程和光路的可逆性，可实现对发射子光束波前活塞像差和倾斜像差的预补偿，经过大气湍流反向传输后，获得与入射光束同一偏振态的平面波前。
[0064] 如图2(a)、图2(b)所示，分别为经数值仿真得到的两路子光束相干偏振合成时，相干偏振合成效率与两路子光束间相位差和光强比的关系曲线。图2(a)中光强比IR＝1，图2(b)中相位差Δδ＝0。从图2中可以看出，相干偏振合成效率受两路子光束之间相位差和光强比的共同影响，光强及相位的失配均会导致相干偏振合成效率下降。因此，需对合成光束之间的相位差进行补偿，并尽量使参与合成的光束光强一致。
[0065] 如图3所示，为全光纤结构的两路子光束相干偏振合成实验中，锁相前后各6秒、共50000次采样得到的相干偏振合成效率随时间的变化曲线。该实施例中，1端口和2端口输入光强值相等，优化控制算法为随机并行梯度下降算法。由图3可知，锁相前，相干偏振合成效率的平均值为48.72％，方差为8.9×10-2；锁相后，相干偏振合成效率的平均值为98.38％，方差为7.1×10-5。实验结果表明，进行相位锁定能有效地提高相干偏振合成效率。
[0066] 本实施例中一种用于空间线偏光双向收发的阵列式全光纤自适应耦合控制系统，采用的自适应光纤耦合器阵列的排布方式为横向数目为3、总数目为7的正六边形排布，总的接收口径DR＝100mm，子孔径直径d＝28mm；DR/r0＝5。线偏振的平面光束受大气湍流的影响，波前发生畸变，利用自适应光纤耦合器的阵列接收波前发生畸变的光束能量，并在全保偏光纤结构中进行相干偏振合成，控制算法采用随机并行梯度下降算法。图4所示为已校正子孔径内倾斜像差的前提下，系统的整体耦合效率在锁相前后随时间的变化曲线。由图可知，锁相前，系统的整体耦合效率平均值为6.6％，方差为3.8×10-3，表明子光束的相位失配致使系统整体耦合效率及其稳定性明显变差；锁相后，系统的整体耦合效率平均值提升到-5了41％，方差降低到5.7×10 ，系统整体耦合效率及其稳定性明显提升，即能够稳定高效地输出偏振方向沿光纤慢轴的线偏光。
[0067] 至此，本发明完成了对一种用于空间线偏光双向收发的阵列式全光纤自适应耦合控制系统的详细描述。
[0068] 本发明
说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。
