本發(fā)明涉及自由空間光通信，尤其是涉及一種基于電光晶體的光纖章動(dòng)耦合方法、系統(tǒng)及裝置。

背景技術(shù)：

1、目前，星載激光通信終端技術(shù)逐漸成熟，衛(wèi)星之間、星地之間已成功構(gòu)建成鏈，導(dǎo)致激光通信終端的商用化應(yīng)用需求越來越迫切。

2、但是，由于存在光機(jī)加工誤差、安裝調(diào)試偏差、衛(wèi)星平臺機(jī)械結(jié)構(gòu)應(yīng)變、衛(wèi)星平臺振動(dòng)及系統(tǒng)收發(fā)同軸誤差等因素的影響，將進(jìn)入光學(xué)系統(tǒng)的微弱信號光耦合至約9μm大小的單模光纖中是非常困難的。

3、因此，高效、穩(wěn)定的自由空間光-單模光纖耦合方法，是實(shí)現(xiàn)高速、遠(yuǎn)距離激光通信技術(shù)的前提與保障，如何通過自動(dòng)光纖技術(shù)提升自由空間激光通信的效率、質(zhì)量及穩(wěn)定性成為業(yè)內(nèi)難題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的在于提供一種基于電光晶體的光纖章動(dòng)耦合方法、系統(tǒng)及裝置，以解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的至少一種上述技術(shù)問題。

2、第一方面，為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供一種基于電光晶體的光纖章動(dòng)耦合方法，包括如下步驟：

3、步驟1、使激光入射電光晶體后向光纖輸入端的端面中心匯聚；所述電光晶體包括依次設(shè)置的第一電光晶體及第二電光晶體，分別用于調(diào)整章動(dòng)方向中的一個(gè)光路方向；

4、步驟2、采集光纖輸出端處激光信號的光功率，并基于光功率的變化率，解算激光在各章動(dòng)方向的角度誤差；

5、步驟3、基于所述角度誤差，計(jì)算施加于各電光晶體電極處的調(diào)制電壓，用于根據(jù)電光效應(yīng)，改變激光在各章動(dòng)方向的折射率；

6、步驟4、將所述調(diào)制電壓加載于各電光晶體電極處，補(bǔ)償激光在各章動(dòng)方向的角度誤差，迭代執(zhí)行步驟2，直至達(dá)到第一迭代結(jié)束條件。

7、通過上述方法，利用電光晶體的折射率隨電場定向變化的特性，通過調(diào)制電壓，實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)補(bǔ)償激光入射至光纖端面中心時(shí)的立體角度誤差，確保激光實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確、垂直地入射至光纖端面中心，從而提升自由空間激光通信的效率、質(zhì)量及穩(wěn)定性。

8、在一種可行的實(shí)施方式中，所述電光晶體為litao3（鉭酸鋰）晶體，其與其他電光晶體材料相比，具有光學(xué)損傷閾值高、雙折射率低、透射帶寬高、光透射率高、敏感度強(qiáng)、透光范圍廣、電光系數(shù)大、不易潮解及物化性質(zhì)穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)。

9、在一種可行的實(shí)施方式中，所述litao3晶體為圓柱形，在圓周面上均布有若干柱面電極，這樣便于提供均勻的垂直電場。

10、在一種可行的實(shí)施方式中，所述litao3晶體的電光系數(shù)矩陣r可以表示如下：

11、；

12、其中，表示在晶體z軸方向（圓柱形晶體的長度方向設(shè)為y軸）施加電場時(shí)的主電光系數(shù)；

13、那么，晶體z軸方向折射率與晶體z軸方向電場之間的關(guān)系式可以為：

14、；

15、其中，表示材料本征折射率。

16、在一種可行的實(shí)施方式中，激光在litao3晶體中，相對于y軸的偏轉(zhuǎn)角度的計(jì)算公式可以表示為：

17、；

18、其中，表示晶體y軸方向長度；表示晶體的通光口半徑；表示z軸方向初始電壓。

19、在一種可行的實(shí)施方式中，取值為8mm；取值為2.18；取值為3.3ⅹ10-11m/v;取值為2.75mm；則代入并簡化上述方程可以得到偏轉(zhuǎn)率：

20、；

21、在一種可行的實(shí)施方式中，所述調(diào)制電壓的計(jì)算公式可以為：

22、；

23、其中，表示激光投影至xy坐標(biāo)平面的角度誤差；表示激光投影至yz坐標(biāo)平面的角度誤差；表示晶體x軸方向的調(diào)制電壓；表示晶體z軸方向的調(diào)制電壓；

24、這樣通過上述公式，可以準(zhǔn)確計(jì)算出用于補(bǔ)償角度誤差的調(diào)制電壓，將該調(diào)制電壓施加于電光晶體的電極，即可調(diào)制電光晶體的折射率，從而調(diào)整激光的方向。

25、在一種可行的實(shí)施方式中，所述第一迭代結(jié)束條件為激光在各章動(dòng)方向的角度誤差為零。

26、第二方面，基于相同的發(fā)明構(gòu)思，本技術(shù)還提供了一種基于電光晶體的光纖章動(dòng)耦合系統(tǒng)，包括數(shù)據(jù)接收模塊、數(shù)據(jù)處理模塊及信號生成模塊：

27、所述數(shù)據(jù)接收模塊，用于接收光纖輸出端處激光信號的光功率；

28、所述數(shù)據(jù)處理模塊，包括角度誤差解算單元及調(diào)制電壓計(jì)算單元：

29、所述角度誤差解算單元，基于所述光功率的變化率，解算激光在各章動(dòng)方向的角度誤差；

30、所述調(diào)制電壓計(jì)算單元，基于所述角度誤差，計(jì)算施加于各電光晶體電極處的調(diào)制電壓，用于根據(jù)電光效應(yīng)，改變激光在各章動(dòng)方向的折射率；

31、所述信號生成模塊，將所述調(diào)制電壓發(fā)送至各電光晶體電極。

32、第三方面，基于相同的發(fā)明構(gòu)思，本技術(shù)還提供了一種基于電光晶體的光纖章動(dòng)耦合裝置，包括電光晶體、凸透鏡、光纖、分束器、光功率計(jì)、控制器及驅(qū)動(dòng)器：

33、所述電光晶體包括依次設(shè)置的第一電光晶體及第二電光晶體，設(shè)置于外部光源與所述凸透鏡之間的光路上；所述凸透鏡，用于將電光晶體輸出的光束匯聚于光纖輸入端的端面中心；所述分束器設(shè)置于所述光纖的輸出端，用于根據(jù)分光比，將光信號分別輸出至光功率計(jì)及后級設(shè)備；所述光功率計(jì)，用于探測光信號的功率并轉(zhuǎn)換為第一電信號輸入至控制器；所述控制器，基于所述第一電信號，解算得到光束在各章動(dòng)方向的角度誤差并計(jì)算施加于各電光晶體電極處的調(diào)制電壓，輸出至驅(qū)動(dòng)器；所述驅(qū)動(dòng)器基于所述調(diào)制電壓，向各電光晶體的電極供電。

34、通過上述結(jié)構(gòu)，可以利用電光晶體的折射率隨電場定向變化的特性，通過調(diào)制電壓，實(shí)時(shí)地調(diào)節(jié)補(bǔ)償激光入射至光纖端面中心時(shí)的立體角度誤差，確保外部光源發(fā)出的激光實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確、垂直地入射至光纖端面中心，從而提升自由空間激光通信的效率、質(zhì)量及穩(wěn)定性；本裝置結(jié)構(gòu)簡潔、體積小、應(yīng)用范圍廣泛。

35、在一種可行的實(shí)施方式中，本裝置還包括縮束鏡，設(shè)置于外部光源與電光晶體之間的光路上，通過無焦系統(tǒng)，將自由空間激光壓縮并垂直投射至電光晶體輸入端的端面，用于濾除雜散光。

36、在一種可行的實(shí)施方式中，所述后級設(shè)備包括通信探測器，用于將輸入的光信號進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，得到第二電信號；所述第二電信號，用于傳遞通信數(shù)據(jù)。

37、在一種可行的實(shí)施方式中，所述后級設(shè)備還包括解調(diào)器，用于將通信探測器輸出的第二電信號進(jìn)行解調(diào)。

38、在一種可行的實(shí)施方式中，在第一電光晶體與第二電光晶體之間的光路上設(shè)置有二分之一波片，用于調(diào)節(jié)光束的偏振態(tài)，以便滿足電光晶體的偏振態(tài)要求。

39、在一種可行的實(shí)施方式中，所述光纖為單模光纖，這樣傳輸帶寬更寬、傳輸距離更遠(yuǎn)。

40、在一種可行的實(shí)施方式中，所述分光比為1:4或1:9或3:7。

41、在一種可行的實(shí)施方式中，所述光纖章動(dòng)耦合裝置的工作方法，包括第一工作方法和第二工作方法；

42、所述第一工作方法是在已知信號初始位置（該位置有部分或全部激光可以耦合進(jìn)入光纖）的情況下進(jìn)行工作的，具體包括如下步驟：

43、步驟a1、控制器接收信號初始位置數(shù)據(jù)后，光纖章動(dòng)耦合裝置進(jìn)入工作狀態(tài)，電光晶體進(jìn)行二維掃描；將光纖輸入端的目標(biāo)方位信息（來自于進(jìn)入光功率計(jì)的激光光束），轉(zhuǎn)換為各電光晶體的偏轉(zhuǎn)角度，進(jìn)行初步耦合并進(jìn)行判定：若到達(dá)初步耦合的合格條件，則執(zhí)行步驟a2；否則，重新執(zhí)行步驟a1；

44、步驟a2、通過驅(qū)動(dòng)器，步進(jìn)調(diào)整電光晶體的偏轉(zhuǎn)角度；控制器記錄光功率計(jì)的光功率值（反饋信號），并轉(zhuǎn)化為各電光晶體的調(diào)制電壓，再次調(diào)整電光晶體的偏轉(zhuǎn)角度，從而實(shí)現(xiàn)精確對準(zhǔn)；

45、步驟a3、控制器根據(jù)光功率值的大小，實(shí)時(shí)確定光斑在光纖輸入端的偏移方位，并對各電光晶體進(jìn)行微調(diào)，直至達(dá)到穩(wěn)定耦合的合格條件，從而實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定耦合；

46、步驟a3、開啟通信鏈路，控制器實(shí)時(shí)監(jiān)測目標(biāo)方位信息：若目標(biāo)方位信息中途丟失，則重新執(zhí)行步驟a1；否則，保持通信狀態(tài)，直至通信結(jié)束；

47、所述第二工作方法，是在未知信號初始位置的情況下進(jìn)行工作的，具體包括如下步驟：

48、步驟b1、驅(qū)動(dòng)電光晶體進(jìn)行預(yù)設(shè)大偏轉(zhuǎn)角度的軌跡掃描并進(jìn)行判斷：若存在激光信號則執(zhí)行步驟b2；否則執(zhí)行步驟b1；

49、步驟b2、驅(qū)動(dòng)電光晶體完成若干次單向的預(yù)設(shè)小偏轉(zhuǎn)角度的軌跡掃描，基于預(yù)設(shè)軌跡、目標(biāo)反饋信號的大小，計(jì)算信號光初始位置并進(jìn)行判斷：若存在信號光初始位置，則執(zhí)行b3；否則，繼續(xù)執(zhí)行b2；

50、步驟b3、執(zhí)行第一工作方法。

51、在一種可行的實(shí)施方式中，所述步驟a1中初步耦合的具體方法包括：

52、步驟c1、在各章動(dòng)方向，設(shè)置當(dāng)前的調(diào)制電壓（即或），令，表示初始調(diào)制電壓，對于章動(dòng)耦合而言，初始調(diào)制電壓一般為系統(tǒng)靜態(tài)誤差補(bǔ)償后所施加的電壓；

53、步驟c2、產(chǎn)生一個(gè)服從伯努利分布的隨機(jī)電壓；

54、步驟c3、將正向疊加在上，計(jì)算性能評價(jià)函數(shù)，具體公式為：

55、；

56、其中，表示正向的性能評價(jià)函數(shù)值；

57、步驟c4、將負(fù)向疊加在上，計(jì)算性能評價(jià)函數(shù)，具體公式為：

58、；

59、其中，表示負(fù)向的性能評價(jià)函數(shù)值；

60、步驟c5、計(jì)算性能評價(jià)函數(shù)的改變量，具體公式為：

61、；

62、步驟c6、迭代計(jì)算新的調(diào)制電壓，具體公式為：

63、；

64、其中，表示增益系數(shù)；

65、令，更新調(diào)制電壓后執(zhí)行步驟c2，直至光功率滿足第二迭代終止條件。

66、在一種可行的實(shí)施方式中，所述第二迭代終止條件為耦合效率達(dá)到50%。

67、采用上述技術(shù)方案，本發(fā)明具有如下有益效果：

68、本發(fā)明提供的一種基于電光晶體的光纖章動(dòng)耦合方法、系統(tǒng)及裝置，可以利用電光晶體的折射率隨電場定向變化的特性，通過（單向）調(diào)整調(diào)制電壓，即可簡便、實(shí)時(shí)地調(diào)節(jié)補(bǔ)償激光入射耦合至光纖端面中心時(shí)的立體角度誤差，確保外部光源發(fā)出的信號激光實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確、垂直地入射至光纖端面中心，從而提升自由空間激光通信的效率、質(zhì)量及穩(wěn)定性；本裝置結(jié)構(gòu)簡潔、體積小且適用范圍廣。