一种基于光子灯笼的空间光高效自动耦合装置及其实现方法与流程

本发明涉及空间光通信领域，特别是将光子灯笼结构应用于空间光耦合技术。本发明结合光子灯笼具有大面积接收模场的特点，利用电控压电陶瓷三维移动平台作为辅助，设计一种自动空间光耦合装置，可用于星际激光通信、天文观测等技术领域。

背景技术：

光子灯笼是一个锥形过渡器，将单模光纤嵌入到基底材料中通过拉锥形成，光可以通过锥形过渡器在多模光纤与单模光纤之间进行耦合。光子灯笼实际上就是一种模式转换器，或者也可以说是一种模式分解/合并器。将单模波导与多模波导通过一个锥形的过渡区相连接，使波导内传播的模式由多模转换为单模，或者说是将一个多模波导内的多个模式分解为每一个单模波导中的单个模式，反之亦可。光子灯笼结构具有结构紧凑、光场接收面积大、模式传播稳定等优点，被广泛应用于空间光耦合及模式转换领域，是目前研究比较活跃的一种结构。

空间光耦合是自由空间光通信领域的关键技术之一。传统的耦合技术，利用单模光纤作为载体进行耦合，利用四象限探测器(qd)和快速反射镜(fsm)进行对准和跟踪。单模光纤数值孔径有限，芯径面积较小，与耦合光斑大小相差较大，接收到的光功率受限。而且，该类装置比较复杂，在空间光路中调整摆镜位置，对入射光角度调整较难把控。

技术实现要素：

本发明的目的是将光子灯笼应用于空间光耦合技术，实现一种耦合结构紧凑、耦合效率高的自动耦合装置，同时提供了该装置的实现方法。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

基于光子灯笼的空间光高效自动耦合装置，该装置包括耦合透镜、基于光子灯笼的耦合结构，压电陶瓷三维位移台，光电探测器、数据处理模块和计算机，基于光子灯笼的耦合结构尾端是单模光纤；空间光由激光光源发出，经过耦合透镜聚焦至耦合结构端面；耦合结构固定在压电陶瓷上，尾端单模光纤连接光电探测器，光电探测器将光信号转换为电信号传输至数据处理模块以及计算机。

所述的基于光子灯笼的耦合结构由大芯径塑料包层多模光纤拉制而成，选用7根大芯径塑料包层多模光纤作为嵌入光纤，成六角排列，经拉锥后形成波导结构。在光子灯笼端面设计为弧形结构，增大其接收面积。整体结构由毛细管封装，尾端与单模光纤熔接。

所述耦合结构稳定固定在压电陶瓷三维位移平台上，以防止环境振动对系统性能的影响。

所述耦合透镜对激光具有良好会聚作用，镀有1550nm波段增透膜。

所述大芯径塑料包层多模光纤和单模光纤在1550nm具有较低的传输损耗，多模光纤具有较大的数值孔径。

所述压电陶瓷三维位移平台具有较快的响应速度，位移量程为μm量级。

基于光子灯笼的空间光高效自动耦合装置的实现方法，包括以下步骤：

1)光源发出1550nm激光，在空间传输后，垂直入射耦合透镜，耦合透镜将光束汇聚至光子灯笼端面；

2)光子灯笼固定在压电陶瓷位移平台上，平台位于耦合透镜焦平面上，光子灯笼尾部链接光电探测器，光信号经由光子灯笼尾部的单模光纤传输至光电探测器；

3)光电探测器将光信号转换为电信号，同时数据处理模块记录当前所述光信号强度，通过算法输出电压信号控制压电陶瓷三维位移平台，使光子端面位于光强最大点；

4)经上述步骤3)，可实现空间中自动耦合，并且使用基于光子灯笼的耦合结构，达到较高的耦合效率。

本发明的优点和有益效果：

本发明所述的空间光耦合装置具有自动扫描的特性，光子灯笼的耦合面积较大，接受光信号强，耦合效率高。同时，通过接受光信号的强弱作为反馈，实时动态调整光子灯笼的位置，保证耦合处于较高水平。整个装置采用闭环反馈，性能稳定，可抵抗平台振动等因素的干扰，具有较强的环境的适应性。在自由空间光通信领域，可利用自动耦合装置完成信号精细跟踪；在天文观测领域，可以收集更多模式空间光用于成像。

附图说明

图1为本发明基于光子灯笼的空间光高效自动耦合装置结构示意图。

图2为本发明中基于光子灯笼的耦合结构示意图

图中：1.基于光子灯笼的耦合结构，2.压电陶瓷三维位移台，3.光电探测器，4.数据处理模块，5.计算机，6.1550nm激光光源，7.耦合透镜。

下面结合附图对本发明进行详细阐述。

具体实施方法

如图1和图2所示，本发明提供的基于光子灯笼的空间光高效自动耦合装置和基于光子灯笼的空间光耦合结构。该装置包括基于光子灯笼的空间光耦合结构1，压电陶瓷三维位移台2，光电探测器3，数据处理模块4，计算机5，1550nm激光光源6，耦合透镜7。基于光子灯笼的空间光耦合结构1稳定的固定在压电陶瓷三维位移台2上，尾端通过单模光纤连接至光电探测器3，光电探测器3将光信号转换为电信号传输至数据处理模块4以及计算机5。

本发明提出的空间光高效自动耦合装置是基于光子灯笼的光场接收面积大及模式传播稳定特性。如利用选定大芯径塑料包层光纤的作为嵌入光纤，制作特殊类型的光子灯笼，其接收面为弧面，增大其接收面积。大芯径塑料包层光纤的包层直径150μm，纤芯直径125μm，纤芯材料为掺杂镉元素的二氧化硅，折射率高于纯二氧化硅，为1.4633。毛细管外径约800μm，内径约400μm，嵌入七根光纤填满毛细管形成六角排列。通过熔融拉锥后，形成波导结构，与单模光纤相连。

本发明中，利用基于光子灯笼的空间光耦合结构实现高效自动耦合。激光由1550nm激光光源6出射，经过耦合透镜7汇聚。压电陶瓷三维位移台2应固定在耦合透镜7的焦平面处，使得耦合光斑落在光子灯笼端面。耦合入光子灯笼的光经过传输，输入光电探测器3，经过光电转输出电压信号。电压信号作为反馈值经过计算机5和数据处理模块4处理，驱动压电陶瓷三维位移台2，实时调整空间光耦合结构的空间位置，从而实现高效的自动耦合。

以上就是基于光子灯笼的空间光高效自动耦合装置基于光子灯笼的空间光高效自动耦合装置及其实现方法，在星际激光通信、天文观测等技术领域都具有广泛的应用前景。

技术特征：

技术总结
本发明公开了一种基于光子灯笼的空间光高效自动耦合装置及其实现方法，该装置包括基于光子灯笼的耦合结构、耦合透镜、压电陶瓷三维位移台、光电探测器、数据处理模块和计算机等。基于光子灯笼的耦合结构由成六角排列的大芯径塑料包层多模光纤拉制而成，光子灯笼端面设计为弧形结构。整体结构由毛细管封装，尾端与单模光纤熔接。通过接收光信号的强弱作为反馈，实时动态调整光子灯笼的位置，保证耦合处于较高水平。整体装置采用闭环反馈，性能稳定，可抵抗平台振动等因素的干扰，具有较强的环境的适应性。

技术研发人员：刘海锋;李晓龙;刘波;李昌瑾;闫宝罗;张昊
受保护的技术使用者：南开大学
技术研发日：2019.05.14
技术公布日：2019.07.16