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多维耦合器校正空间光-单模光纤耦合对准误差.docx
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多维耦合器校正空间光-单模光纤耦合对准误差.docx
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摘要
根据高斯光束传输理论,分析了径向偏差、端面倾斜偏差和轴向偏差等对准误差对空间光-
单模光纤(SMF)耦合效率的影响。数值计算和实验结果表明,当端面与径向之间的夹角 Ω 为
90°和 270°时,3 种对准误差对耦合效率的影响相互独立,当夹角 Ω=180°时,耦合效率有最大
值。为更好地补偿对准误差对 SMF 耦合效率的影响,基于压电陶瓷设计了具有 5 自由度耦
合装置的光纤耦合器,并结合变增益型随机并行梯度下降算法寻找空间光-SMF 的最佳对准
姿态。实验结果表明,5 自由度光纤耦合器可以很好地实现不同对准误差的校正,系统闭环后
SMF 耦合效率达到 53.2%。
Abstract
The Gaussian beam propagation theory is employed to analyze the effects of alignment
errors including radial offset, end face tilt offset, and axial offset on the efficiency of
coupling between the space light and single-mode fiber (SMF). The numerical and
experimental results show that when the angle Ω between the end face and radial
direction is 90° and 270°, the effects of the three alignment errors on the coupling
efficiency are independent from each other. When the angle Ω is 180°, the coupling
efficiency reaches the maximum value. To better compensate the influence of alignment
errors on the SMF coupling efficiency, we design an optical fiber coupler with a 5 degree-
of-freedom coupling structure on the basis of piezoelectric ceramics and the stochastic
parallel gradient descent algorithm with a variable gain to find the optimal alignment
attitude for coupling space light into SMF. The experimental results show that the 5
degree-of-freedom optical fiber coupler can effectively correct different alignment errors
and that the SMF coupling efficiency reaches 53.2% when the system is in closed-loop
state.
1 引言
自由空间光通信(FSO)以其频谱利用率高、保密性好、通信容量大和传输速度高等优点取
代了传统微波通信,并在各个领域得到了广泛应用
[1-5]
。空间光-单模光纤(SMF)耦合技术是
FSO 中一项关键技术,SMF 的纤芯直径只有 8~10 μm,如何实现高效且稳定的空间光-SMF
对准是保证接收端光信号解码的关键。
从光束传输角度分析,入射光束经远距离自由空间传输后,受随机起伏大气折射率的影响,在
接收端面发生光束漂移、波前畸变等现象,这严重影响空间光-SMF 耦合
[6-8]
。文献[ 9-12]研
究了不同大气湍流像差对 SMF 耦合效率的影响,并采用自适应光学技术校正湍流像差,实验
结果表明光束波前畸变经自适应光学技术校正后,系统耦合效率得到很好的提升。通过分析
阵列光束的自耦合现象以及计算光束经不同光学结构耦合进 SMF 的耦合效率及耦合光功
率方差的变化,雷思琛等
[13-15]
发现阵列接收和大口径接收技术也可以抑制大气湍流对光束耦
合效率的影响。从光纤结构角度分析,考虑到多模光纤纤芯直径为 50~100 μm,Weinert 等
[16]
提出先将光束耦合进多模光纤,再通过锥形光纤将多模光纤光束转换到 SMF 中,但光纤剖面
折射率的不同会带来一定的耦合损耗。从光束对准角度分析,受光学元器件的加工误差、光
学平台的装调误差等影响,入射光束和光纤端面会产生对准误差,靠人工很难精确完成空间
光-SMF 对准,必须通过设计高精度自动耦合对准系统来解决这一问题
[17-19]
。Sayano 等
[20]
采
用压电陶瓷(PZT)驱动快速反射镜以补偿扰动对系统耦合效率的影响。陈海涛等
[17]
分析了不
同光纤偏移量对空间光-SMF 耦合效率的影响,并采用四维光纤调整架使光纤产生微位移,从
而提高耦合效率。高皓等
[21]
利用 PZT 和快速倾斜镜搭建空间光-SMF 耦合系统,该系统非常
方便地找到了最佳耦合位置。根据模场匹配原理,赵佰秋等
[22]
设计了基于快速反射镜结合光
纤光电探测器的空间光-SMF 章动耦合方案,该方案在静态条件下实现了 59.63%的耦合效
率,但是耦合效率易受章动半径、收敛步长与章动单周采样点数的影响。
空间光-SMF 耦合的关键在于寻找入射光束与光纤端面的最优对准姿态,一般可设计含多自
由度的耦合装置,通过智能优化算法来寻找光纤端面或者入射光束的最佳位置。因此,本文
首先根据高斯光束的传输特性,推导了径向偏差、端面倾斜偏差和轴向偏差等对准误差下
SMF 耦合效率的表达式,数值分析了 3 种对准误差对 SMF 耦合效率的影响。针对空间光-
SMF 耦合效率低的问题,采用基于 PZT 设计的 5 自由度耦合装置来控制光纤端面的移动并
进行对准误差补偿校正实验,分析了 PZT 耦合装置对不同初始对准误差下耦合进 SMF 的光
的功率值的改善。
2 空间光-SMF 耦合理论
2.1 对准误差对空间光-SMF 耦合效率的影响
SMF 纤芯直径通常为 8~10 μm,实际进行空间光-SMF 对准时,受各类制造误差、装调误差
和外界微扰误差等的影响,入射光经焦距为 f、直径为 D
A
的耦合透镜聚焦后,SMF 端面与透
镜焦平面会产生如图 1 所示的对准误差。通常对准误差可分为径向偏差 Δr、端面倾斜偏差
Δφ 和轴向偏差 Δz
[23]
。在平面 B 内,定义 SMF 的倾斜方向为 X 轴,与之垂直的方向为 Y 轴,
径向偏差 Δr 在 X 轴和 Y 轴的投影分别为 Δx 和 Δy,Ω 为径向偏差 Δr 的方向与端面倾斜偏
差 Δφ 的方向夹角,r
a
为接收孔径上点(x
a
,y
a
)到光轴的距离,ω
0
为 SMF 模场半径。
图 1. 光纤对准误差示意图
Fig. 1. Schematic diagram of optical fiber alignment error
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具有对准误差的 SMF 模场分布可采用偏心高斯分布描述,在平面 B 处 SMF 模场分布
F
B
(x
b
,y
b
)为
[24]
FB(xb,yb)=1q0exp{−ik2q0[(xb−xd+ix0)2+(yb−yd+iy0)2]},(1)FB(xb,yb)=1q0exp-
ik2q0[(xb-xd+ix0)2+(yb-yd+iy0)2],(1)
式中:q
0
为入射高斯光束的 q 参数,q
0
=z+iz
0
,z 为传输距离,z
0
=Δφπ ω20ω02/λ 为瑞利长度,λ
为光束波长;k=2π/λ 为波数;(x
d
,y
d
)为高斯光束束腰中心位置,x
d
=Δx, y
d
=Δy;x
0
=z
0
Δφ;y
0
=0。
SMF 模场由平面 B 反向传输到接收平面 A 时的 ABCD 传输矩阵为
(ACBD)=(1−1/f01)(10f+Δz1)=(1−1/ff+Δz−Δz/f),(2)ABCD=10-
1/f11f+Δz01=1f+Δz-1/f-Δz/f,(2)
式中:A,B,C,D 为 ABCD 传输矩阵的元素。
依据 Collins 衍射积分公式,可得接收平面 A 处 SMF 模场分布 F
A
(x
a
,y
a
)为
[25]
FA(xa,ya)=ik2πBexp(−ikz)∬FB(xb,yb)×exp{−ik2B[A(x2b+y2b)−2(xaxb+yayb)+D(x2a
+y2a)]}dxadya
。
(3)FA(xa,ya)=ik2πBexp(-ikz)∬FB(xb,yb)×exp-ik2B[A(xb2+yb2)-
2(xaxb+yayb)+D(xa2+ya2)]dxadya。(3)
化简得透镜平面 A 处 SMF 的模场分布 F
A
(x
a
,y
a
)的复振幅为
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