基于旋转双反射镜的自动光纤耦合装置

技术领域

本发明涉及光纤耦合，是一种主要用于在光路失调后自动恢复耦合效率的装置，可用于集成光学系统或无人干预的光路系统。

背景技术

空间光耦合进入单模光纤的技术在卫星-地面光通信系统等许多地方发挥着关键作用。使用耦合透镜将空间传输的激光耦合入光纤是最简单也是最常用的光纤耦合技术方案，也有光纤之间直接耦合的方案。

1976年，D. MARCUSE在贝尔实验室内刊上发文，他基于单模光纤模场可近似为高斯模场，推导了光纤到光纤的耦合效率理论公式，由于光纤模场与高斯光场的近似性，该结论也适用于空间高斯光束经耦合透镜进行耦合的情况，公式描述了模场半径匹配情况、光束横向偏移量、纵向偏移量、光束方向对准情况对耦合效率的影响。高斯光束耦合进入单模光纤，在各参数匹配情况下的理论耦合效率接近于1。

在天文或者星地通讯领域，入射光则为平面波，聚焦到光纤端面上形成艾里斑，由于艾里斑与单模光纤模场不能完全匹配，理论最大耦合效率低于高斯光束入射情况。1988年，Stuart Shaklan 模拟了星光经过望远镜系统耦合到单模光纤的效率约为80%，此处光纤端面置于望远镜系统焦平面上。2011年，陈海涛等对平面波入射的单模光纤耦合效率影响因素进行理论分析，理论最大耦合效率为81.45%，光纤端面中心相对耦合透镜的光轴有横向偏移，或者端面与光轴有角度偏移，或者端面沿轴向偏移时耦合效率都会下降，并且横向偏移影响最大。

除了模场匹配度、光束横向偏移量（等效为端面相对耦合透镜光轴角度偏移）、光束方向对准程度（等效为端面相对光轴的横向偏移）以及光纤端面纵向偏移量对耦合效率有直接影响外，大气湍流对激光耦合进入光纤的效率也有很大影响。波前实时矫正可以有效提高耦合效率，属于自适应光学范畴，通常执行元件为微机械变型镜等。2002年，ThomasWeyrauch 使用微机械变形镜结合随机梯度下降法演示了对实验室人造湍流的实时补偿。2010年，吴晗玲等人对基于Zernike 模型的自适应光学补偿所提供的耦合效率提升情况进行了数值评估，发现Zernike多项式前 3—20 个校正多项式可以显著提高光纤耦合效率。2015年，加州理工学院的Malcolm W. Wright等使用自适应光学系统首次实现近地轨道星地激光通信。

关于自动光纤耦合，目前有以下等方案被报道。1990年，麻省理工学院林肯实验室提出了一种应用于自由空间光通信的基于光纤章动的耦合方案，通过主动式光纤耦合装置让光纤端面做圆周章动扫描，根据章动周期内耦合输出功率的变化情况判断耦合是否对准，信号反馈给快反镜实时调整耦合对准。2007年，高昊等人采用二维压电陶瓷倾斜镜控制光斑在光纤端面做光栅式扫描，获得初步耦合后采用五点跟踪法控制光斑在光纤端面的移动，并结合一维压电陶瓷控制单模光纤端面轴向运动，实现光纤耦合效率最大化。由于耦合效率对光束方向极为敏感，压电倾斜镜进行光栅式扫描可能存在漏扫情况。为避免漏扫需要使用较小步长，可行域较大时，要完成对准功能需要的时间较长。2019年，赵佰秋等人联合快速反射镜和光纤光电探测器提出一种章动耦合算法，进行了激光章动系统耦合实验,实现了静态条件下59.63%的耦合效率。算法参数对耦合效果有较大影响，实际系统中需根据工程具体指标对耦合效率、耦合稳定性和耦合快速性三方面有所侧重,并互相兼顾,以全面满足系统的性能要求。2020年，曹炳松等人使用旋转双光楔系统，结合粗细扫描和贪心算法实现了单模光纤的自动耦合装置，但是由于电机对光路有遮挡，光束只能从光楔上半部分通过，这就要求使用高精度小尺寸步进电机，系统搭建成本较高。

通常的光纤耦合装置主要包括单模光纤、光纤接口、耦合（透镜）组件、调节机构四个部分。在调节机构方面，常用的是2个2维反射镜，人工手动调整费时费力。另外也有商业化的电动调节机构，通常体积较大，集成到光路中难度较大，价格昂贵，手动调整需要借助专门软件，调整算法复杂。上述的光纤耦合装置，在实际应用中存在诸多问题：（1）调节困难，光纤纤径一般为μm量级，人工实现初步对准耦合较为困难。（2）无法实现自动对准，当机械振动或者激光输入发生变化，引起耦合组件处光斑大小、方向和位置等变化时耦合效率将会下降，需要人工恢复，费时费力。（3）商业化的电动调节平台价格高，调节需要厂商专用软件，二次开发自动耦合算法难度较大，并且灵活性较低，无法集成和小型化。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有系统以及基于旋转双光楔自动光纤耦合装置的不足。在基于旋转双光楔的自动光纤耦合装置中，为了避免电机遮挡光束通过光楔，对电机的直径提出了严格要求，电机直径仅为8mm。本发明采用旋转双反射镜的方法，光束经过两个旋转反射镜依次反射进入耦合头，电机不对光路造成遮挡，故对步进电机的尺寸无严格要求，无须采用价格昂贵的小尺寸精密特种电机。

本发明提供一种主要用于空间光-单模光纤的自动光纤耦合装置，该装置结构简单、调节方便、稳定性强、对步进电机的尺寸无严格要求。采用小尺寸精密电机可以实现集成与小型化应用；采用常规精密电机，可以用于实验室日常光路的耦合调节，性价比高。

本发明的技术解决方案如下：

一种主要用于空间光-单模光纤的自动光纤耦合装置，其特点在于：包括依次安装在光学基座上的光隔离器、第一步进电机和第一反射镜、第二步进电机和第二反射镜以及光纤耦合头。

入射光经过光隔离器后依次经过所述的第一反射镜、第二反射镜的反射后入射到光纤耦合头。

所述的第一反射镜安装在所述的第一步进电机输出轴上，该第一步进电机用于驱动该第一反射镜的旋转；所述的第二反射镜安装在所述的第二步进电机输出轴上，该第二步进电机用于驱动该第二反射镜的旋转。

所述的第一反射镜的反射面法线与所述的第一步进电机旋转轴夹角约0.5°，所述的第二反射镜的反射面法线与所述的第二步进电机旋转轴夹角约0.5°，所述的第一反射镜和第二反射镜的旋转使得出射光束以不同的角度入射到所述的光纤耦合头。

所述的第一步进电机和所述的第二步进电机分别与控制板相连，上位机（电脑）通过控制板，可独立控制第一步进电机和第二步进电机分别旋转，从而精确调节两个反射镜的旋转角度，实现入射光束经过第一反射镜和第二反射镜两次反射后，能准确入射到耦合头，实现光纤耦合效率的自动恢复。

所述的第一步进电机和第二步进电机均固定在光学基座上，保证第一步进电机和第二步进电机的旋转轴基本平行，都与光学基座平行，且与光学基座距离相等，保证从所述的光隔离器出射的光束与所述的第一步进电机的旋转轴方向夹角约为45°。

所述的第一反射镜和第二反射镜直径为12.7 mm，反射面的反射率大于99%。

所述的第一反射镜和第二反射镜反射面相对安装，反射面之间的距离约5mm。

所述的耦合头内透镜的参数根据空间传输的待耦合光束尺寸确定。

所述的光纤耦合头的直径为8mm~12mm，光斑直径为0.5mm~5mm。

本发明的技术效果：

1）反射镜反射率大于99%，降低光功率的反射损耗。

2）利用步进电机控制反射镜的旋转，实现对光束小角度偏转调节及其自动控制。

3）本发明使用两个旋转反射镜进行光纤耦合，步进电机对光路无遮挡，系统对电机尺寸无特殊要求。

4）光学系统结构简单，调节难度大大降低。可根据应用需求，选择不同型号电机，如选用小型精密步进电机可以实现小型化、模块化；选用普通精密电机则可以用于耦合光路的日常调节，性价比高。

附图说明

图1是本发明基于旋转双反射镜的自动光纤耦合装置的结构框图。

图中，1为光隔离器，2、3为步进电机，4、5为反射镜，6为光纤耦合头，7为步进电机控制板,8为光电探测器，9为单模光纤，10为上位机。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。本发明基于旋转双反射镜的自动光纤耦合装置包括光隔离器、反射镜、步进电机、光纤耦合头。空间传输的高斯激光束经过光隔离器后进入耦合装置，通过预先的人工调节，使通过两个反射镜反射后的光斑照射到光纤耦合头的中心，尽量使其耦合效率达到最大。当光路出现失调导致光纤耦合效率下降时，上位机下发指令，控制板执行搜索程序，通过两个反射镜的旋转，使系统重新达到耦合效率最大的状态。

先请参阅图1，图1是本发明基于旋转双反射镜的自动光纤耦合装置实施例的结构框图。由图可见，一种基于旋转双反射镜的自动光纤耦合装置，包括依次安装在光学基座上的光隔离器1、第一步进电机2、第二步进电机3、第一反射镜4、第二反射镜5、光纤耦合头6。入射光经过所述的光隔离器1后依次在所述的第一反射镜4和第二反射镜5反射面发生反射后入射到光纤耦合头6；所述的第一步进电机2与第一反射镜4相连，用于控制该第一反射镜4的旋转，所述的第二步进电机3与第二反射镜5相连，用于控制该第二反射镜5的旋转，使到达并经第二反射镜5反射的出射光以不同角度入射到所述的光纤耦合头6。所述的第一步进电机2和第二步进电机3均固定在光学基座上，保证入射光能依次在第一反射镜4和第二反射镜5的有效反射范围内发生反射，且在所述的第二反射镜5反射面上的出射光能入射到所述的光纤耦合头6的中心。

本实施例步进电机输出轴步距角1.8°，电机外径为42mm，反射镜中心安装在步进电机输出轴上，使得光束从反射镜中心位置附近发生反射。

所述的第一步进电机2和第二步进电机3由图示的控制板7直接控制，控制板7受图示的上位机10控制。控制板7收到上位机10下发的自动耦合命令后自主控制所述的第一步进电机2和第二步进电机3的旋转以寻找最佳耦合位置。图示的控制板7控制第一步进电机2和第二步进电机3顺时针或者逆时针转动，每次可以走一小微步或者几微步，从而调节入射到耦合头6上的激光束的方向，从而光纤耦合头6后的光纤输出功率会发生变化，通过图示的光电探测器8记录光纤耦合头6的输出功率并反馈到控制板7，控制板7通过搜索到达最大光强位置，此时对应的反射镜的旋转角度即为光纤耦合效率最大位置。控制板7可与上位机10进行通讯，接收指令或上报光功率数据。

所述光学元件连同其安装座安装于一个光学基座上，光学元件安装座保证整个光路的光心高度一致。

综上，本发明利用控制板控制步进电机寻找光纤耦合效率最大时反射镜的位置，简化了结构，调节精细且简单，解决了日常实验中耦合人工调节费时费工的问题和无人条件下自动恢复耦合效率的问题。