自由空间光通信apt系统及其实现方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及自由空间光通信领域，具体地说是一种自由空间光通信APT系统及其实现方法。
【背景技术】
[0002]自由空间光通信(Free Space Optical Communicat1n，FSO)是光纤通信与无线通信相结合的产物。它以大气为媒质，通过激光或光脉冲来传送数据信号。这种技术最大的优势在于方便快捷，不用敷设线缆，被认为是能够低成本解决宽带网络“最后一公里”传输瓶颈的有效途径。但是FSO也存在问题，较为突出的问题是:光束的空间偏移导致通信质量下降。
[0003]由于光信号裸露在大气中进行传输，因此会受到气象条件带来的光折射率变化的影响，造成光束偏移；同时由于FSO系统的收发设备一般都安装在高楼之上，大风引起建筑物的晃动或地震也会造成光束的偏移。因此在FSO系统中设计可实现空间光通信终端设备之间精确对准的捕获-对准-跟踪(Acquisit1n Pointing and Tracking，APT)系统是获得稳定可靠通信质量的保证。一般APT系统包括位置误差信号的提取电路、单片机控制系统和伺服电路，采用粗对准和精对准两套复杂的机械跟踪反馈装置调节光学天线来实现精确瞄准定位信标光和信号光。但是，粗对准和精对准这两套反馈装置结构复杂，成本较高，且操作过程复杂；因此，如何设计出一种结构简单、成本低、易操作的APT系统成为目前亟待解决的问题。
【发明内容】
[0004]本发明的目的之一就是提供一种自由空间光通信APT系统，以解决现有的APT系统结构复杂、成本高及操作过程复杂的问题。
[0005]本发明的目的之二就是提供一种自由空间光通信APT系统实现方法，采用该方法可快速、方便地对信号光进行捕获、对准和跟踪，增加通信链路的稳定性。
[0006]本发明的目的之一是这样实现的:一种自由空间光通信APT系统，包括:
光学天线，用于接收信号光并对所接收到的信号光进行聚焦；
半波片，用于对由所述光学天线出射的光束的偏振方向进行调节；
偏振片，用于将经所述半波片调节后的光束调整为偏振方向与光折变晶体的光轴平行的e光；
光折变晶体，经所述偏振片调整后的光束入射光折变晶体，且入射光折变晶体的方向与所述光折变晶体的光轴垂直；所述光折变晶体与所述光学天线之间的距离为所述光学天线的焦距；
电极板，用于向所述光折变晶体沿光轴方向施加电场；以及光电探测器，由所述光折变晶体出射的光束入射光电探测器的光敏面。
[0007]所述自由空间光通信APT系统还包括位于所述光折变晶体与所述光电探测器之间的光纤；由所述光折变晶体出射的光束首先与所述光纤耦合，之后再入射所述光电探测器的光敏面。
[0008]所述光折变晶体为Ce: SBN61、Ce: SBN75 或 La: Ce: SBN60。
[0009]在所述光折变晶体的底部设置有用于对所述光折变晶体的位置进行调节的三维调节底座。
[0010]本发明所提供的自由空间光通信APT系统，光学天线用于接收信号光并对接收到的信号光进行聚焦，光学天线出射的光束经半波片后调节光束的偏振方向，经偏振片后将光束调整为e光(S卩非寻常光);由偏振片出射的光束入射光折变晶体，光折变晶体出射的光束入射光电探测器的光敏面。在光折变晶体上未施加电场时，入射光折变晶体的光束在光折变晶体内自然衍射传播。当沿光折变晶体的光轴施加电场时，具有非均匀光场分布的光束在光折变晶体内发生光折变效应，非线性地改变了光折变晶体的折射率，而折射率的变化又反作用于光束，使光束传播受到横向约束，光束收缩；当光折变效应与衍射发散相平衡时还会形成光折变空间亮光孤子。空间亮光孤子在光折变晶体内诱导出波导，即使在遮挡入射光束的情况下，此波导仍然能够在光折变晶体中存在几秒到几十分钟不等的时间(视不同的光折变晶体而定)。如果入射光折变晶体的光束发生了偏移，那么可以通过对光孤子出射位置处光强变化的检测来确定偏移量的大小，并通过同步调整光折变晶体和光电探测器的位置使光束重新沿原光路轨迹(波导)传输，实现光束的瞬时对准。也可以保持光折变晶体的位置不动，光束会在光折变晶体内重新形成新的孤子波导，此时只需调整光电探测器的位置对准光折变晶体出射的光斑即可。这两种方案均可以恢复高质量通信。
[0011]本发明利用了光折变效应的自诱导波导，来实现在光束出现偏移时进行纠偏并跟踪定位的目的。这种设计的优势在于光束在很低的功率(微瓦量级)条件下即可发生光折变效应；光束收缩前(即自然衍射情况下)的光斑直径约为收缩后(即形成光孤子)的2.3倍，则光束收缩前利于粗对准，光束收缩后利于精对准；收缩前后光束的直径与通信用多模光纤直径同量级，易与多模光纤高效耦合。
[0012]本发明中的APT系统在光学天线和光电检测器(或光纤)之间增加了半波片、偏振片和光折变晶体，结构简单，紧凑，易于集成和控制，相比现有技术而言降低了系统的复杂性。而且，本发明中的光折变晶体对光信号的偏移具有自适应能力，在光束发生偏移时操作简单，可快速对光束进行纠偏、跟踪定位。再有，该APT系统成本较低，容易实现。采用本发明中的APT系统可有效解决自由空间光通信系统的动态随机干扰问题，提高系统的跟踪精度，能够持续监测并消除监测目标失真，从而提高自由空间光通信的质量，加强通信链路的稳定性。
[0013]本发明的目的之二是这样实现的:一种自由空间光通信APT系统实现方法，包括如下步骤:
a、搭建光路:按顺序依次设置光学天线、半波片、偏振片、光折变晶体和光电探测器，并在所述光折变晶体相对的两侧面上设置用于向所述光折变晶体沿光轴方向施加电场的电极板；所述光学天线与所述光折变晶体之间的距离为所述光学天线的焦距；
b、所述光学天线接收信号光并对所接收到的信号光进行聚焦；
C、经所述光学天线出射后的光束入射所述半波片，由所述半波片调节光束的偏振方向； d、由所述半波片出射的光束入射所述偏振片，由所述偏振片将光束调整为偏振方向与所述光折变晶体的光轴平行的e光；
e、由所述偏振片出射的光束入射所述光折变晶体的前表面，且光束在所述光折变晶体内自然衍射传播；光束入射所述光折变晶体的方向与所述光折变晶体的光轴垂直；
f、调整所述光电探测器的位置，使所述光电探测器的光敏面对准由所述光折变晶体出射的衍射光斑，实现光束的粗略对准；
g、通过所述电极板在所述光折变晶体沿光轴方向上施加电场，使入射所述光折变晶体的光束在所述光折变晶体内产生光折变效应，并形成波导，同时在所述光折变晶体的后表面产生光孤子；
h、调整所述光电探测器的位置，使所述光电探测器的光敏面对准由所述光折变晶体后表面出射的光孤子光斑，实现光束的精确对准；
1、判断入射所述光折变晶体的光束是否发生了偏移，如果是，则执行步骤j或k;如果否，则继续执行步骤i ;
j、同步移动所述光折变晶体和所述光电探测器的位置，使偏移了的光束继续沿所述光折变晶体内存储的原波导传输，实现瞬时对准；
k、保持所述光折变晶体的位置不动，移动所述光电探测器的位置，使所述光电探测器的光敏面对准由所述光折变晶体出射的衍射光斑，实现光束的粗略对准；待偏移后的光束在所述光折变晶体内重新形成波导后，移动所述光电探测器的位置，使所述光电探测器的光敏面对准由所述光折变晶体后表面出射的光孤子光斑，实现光束的精确对准。
[0014]步骤a中搭建光路过程中，在