一种基于耦合效率优化的快速控制反射镜光纤耦合对准装置制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种基于耦合效率优化的快速控制反射镜光纤耦合对准装置，由光纤、快速控制反射镜及其驱动、随机并行梯度下降算法控制器、耦合透镜组、能量探测器组成。装置工作时，由能量探测器实时测量入射到光纤中光的能量，通过随机并行梯度下降算法得到使光纤中光能量变大的控制电压，并通过快速控制反射镜驱动电路将电压施加到快速控制反射镜上，使光纤中入射光的能量能够维持较大值，从而提高光纤的耦合效率。基于耦合效率优化的快速控制反射镜光纤耦合对准装置通过直接探测光纤中入射光的能量，将其稳定在较大值，具有结构简单，体积小，耦合效率高等特点。在激光通信、量子通信等光通信领域有广泛应用前景。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于光通信领域，涉及一种光纤耦合对准装置，尤其是一种基于耦合效率优化的快速控制反射镜光纤耦合对准装置。
技术介绍
光通信通常采用光纤耦合探测器进行探测，其光纤耦合效率直接影响通信效率和成码率。因此要求装置在满足微弱能量探测的同时保持很高耦合效率。然而受大气到达角起伏、机械振动和温度环境变化等因素的影响，接收端光斑会出现漂移或随机抖动，从而造成光纤耦合效率下降。因此光纤耦合处的光斑抖动成为了制约光通信效率的最重要因素之一。图1为传统光纤耦合对准装置的示意图，由快速控制反射镜，分光镜，成像透镜组，光纤，反射镜，耦合透镜组，位置探测器和快速控制反射镜驱动组成。传统光纤耦合对准装置通过CCD或者PSD等位置灵敏度探测器件对光斑质心位置进行探测，与快速控制反射镜进行闭环，利用光纤与位置探测器同轴实现光纤的耦合对准。此装置虽然能达到稳定光束的作用，但同时存在以下问题：一是不能解决装置初对准问题，由于每次初始状态光束的焦点位置都存在差异，并不能够有效的进行耦合，通常采用人工对准的方法实现初始光束的耦合；二是快速控制反射镜的控制是通过信标光闭环，不能直接解决耦合效率问题。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种基于耦合效率优化的快速控制反射镜光纤耦合对准装置，这种装置直接利用入射到光纤中的光的能量作为评价因子，无需CCD、PSD等位置探测器，也不需要计算光斑的质心位置，具有结构简单，耦合效率高的特点。本专利技术采用的技术方案为：一种基于耦合效率优化的快速控制反射镜光纤耦合对准装置，整个装置包括光纤、快速控制反射镜、快速控制反射镜驱动、随机并行梯度下降算法控制器、耦合透镜组和能量探测器。在整个耦合装置工作时，接收光经快速控制反射镜入射到耦合透镜组，耦合透镜组将入射光聚焦至光纤端面，光纤与能量探测器连接，能量探测器探测入射到光纤中光的能量作为整个耦合装置的评价因子，然后由随机并行梯度下降算法控制器输出一个随机扰动信号，扰动信号经快速控制反射镜驱动施加到快速控制反射镜上，由于快速控制反射镜的控制电压改变，它的镜面发生偏转，导致入射光经耦合透镜组聚焦到光纤中的能量发生改变，此时由能量探测器探测当前光纤中的能量并将能量值传送给随机并行梯度下降算法控制器，随机并行梯度下降算法控制器利用随机并行梯度下降算法根据得到的光功率评价因子的变化估计优化的梯度方向，并计算得到以适合的增益沿估计的梯度方向获取快速控制反射镜的控制电压，该电压经快速控制反射镜驱动施加到快速控制反射镜上，完成一次迭代；通过反复迭代使得光纤功率计中光能量值稳定在较大值，获得理想的光纤耦合效果。其中，所述的光纤的波长、数值孔径根据实际情况而定，种类不限，可以是单模光纤、多模光纤、保偏光纤等；所述的快速控制反射镜实现光束角度的偏转，也可以采用其他的光束偏转器件，如液晶空间光调制器、机械扫描装置等；所述的能量探测器种类不限，可以是各种光功率计、、单光子计数器或APD等能量探测器件；所述的随机并行梯度下降算法控制器，其种类不限，可以是计算机、大规模集成电路等能够执行该算法控制的相关设备和器件。其中，该装置评价因子为能量探测器探测到的光纤中的能量值，评价因子取得越接近极值时，光纤耦合效率越高。本专利技术与现有技术相比优点在于：(1)本专利技术根据能量探测器探测到的光纤中入射光的能量就可以完成装置的耦合，不需要其他独立的位置探测器，从而不需要对光纤位置以及位置探测器上的位置进行标定，简化了耦合对准装置的结构，减小了耦合对准装置的体积和重量。同时避免了通常耦合对准装置中位置探测器与耦合光纤相互独立分光、浪费了入射光能量的缺点，直接对入射到光纤中的能量进行耦合对准，避免了因分光造成的波前变化，提高了耦合对准装置的能量利用率。(2)本专利技术根据能量探测器中探测到的入射到光纤中能量作为评价因子，评价因子变化估计优化梯度方向进行工作，无需信标光，无需测量快速控制反射镜和位置探测器之间的旋转关系，使用简单。(3)本专利技术的随机并行梯度下降算法计算过程为向量的相减和相乘，且算法简单，适合用DSP、FPGA等技术快速实现。(4)本专利技术提供的光纤耦合对准装置，效率、精度高，能够实现光纤的耦合对准，在激光通信、量子通信等领域有广泛应用前景。附图说明图1为传统光纤耦合对准装置的示意图。图2为基于随机并行梯度下降算法的快速控制反射镜光纤耦合对准装置示意图，其中1为快速控制反射镜，2为耦合透镜组，3为光纤，4为能量探测器，5为随机并行梯度下降算法控制器，6为快速控制反射镜驱动。具体实施方式下面结合附图以及具体实施例进一步说明本专利技术。如图2，一种基于耦合效率优化的快速控制反射镜光纤耦合对准装置由光纤3、快速控制反射镜1、快速控制反射镜驱动6、随机并行梯度下降算法控制器5、耦合透镜组2、能量探测器4构成，其中能量探测器4用于测量入射到光纤3中光的能量，随机并行梯度下降算法控制器5完成SPGD算法的实现以及快速控制反射镜1控制电压的输出。在整个耦合对准装置工作时，接收光经快速控制反射镜入射到耦合透镜组2，耦合透镜组2将入射光聚焦至光纤3端面上，光纤3与能量探测器4相连接，能量探测器4探测入射到光纤3中光的能量作为整个耦合装置的评价因子，然后由SPGD算法控制器5输出一个随机扰动信号，扰动信号经快速控制反射镜驱动6施加到快速控制反射镜1上，由于快速控制反射镜1的控制电压改变，它的镜面发生偏转，导致入射光经耦合透镜组2聚焦到光纤3中的能量发生改变，此时由能量探测器4探测当前光纤3中的能量并将能量值传送给随机并行梯度下降算法控制器5，SPGD算法根据得到的光能量评价因子的变化估计优化的梯度方向，并计算得到以适合的增益沿估计的梯度方向获取快速控制反射镜1的控制电压，该电压经快速控制反射镜1驱动施加到快速控制反射镜上，完成一次迭代；通过反复迭代使得能量探测器中光能量值稳定在较大值，从而获得理想的光纤耦合效果。随机并行梯度下降算法控制器产生控制电压的过程为：对于能量探测器中探测到的光纤中的能量值，首先定义其为性能评价因子J，(ux，uy)为作用于快速控制反射镜上垂直两方向的电压值。J是快速控制反射镜控制电压u＝(ux，uy)的函数，即快速控制反射镜偏转角度不同，光纤中光的能量也不同。然后由随机并行梯度下降算法对两个方向的快速控制反射镜控制电压施加随机扰动Δun＝δnπn(其中n＝1，2)，其中δ(1，2)为扰动的幅值，π(1，2)为扰动的方向，由此造成的入射到光纤中能量的变化ΔJ可由下式计算：本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于耦合效率优化的快速控制反射镜光纤耦合对准装置，其特征在于：该装置包括快速控制反射镜(1)、耦合透镜组(2)、光纤(3)、能量探测器(4)、随机并行梯度下降算法控制器(5)和快速控制反射镜驱动(6)；在整个耦合装置工作时，接收到得光经快速控制反射镜(1)入射到耦合透镜组(2)，耦合透镜组(2)将入射光聚焦至光纤(3)端面，光纤(3)与能量探测器(4)连接，能量探测器(4)探测入射到光纤(3)中光的能量作为整个耦合装置的评价因子，然后由随机并行梯度下降算法控制器(5)输出一个随机扰动信号，扰动信号经快速控制反射镜驱动(6)施加到快速控制反射镜(1)上，由于快速控制反射镜(1)的控制电压改变，它的镜面发生偏转，导致入射光经耦合透镜组(2)聚焦到光纤(3)中的能量发生改变，此时由能量探测器(4)探测当前光纤(3)中的能量并将能量值传送给随机并行梯度下降算法控制器(5)，随机并行梯度下降算法控制器(5)利用随机并行梯度下降算法根据得到的光功率评价因子的变化估计优化的梯度方向，并计算得到以适合的增益沿估计的梯度方向获取快速控制反射镜(1)的控制电压，该电压经快速控制反射镜驱动(6)施加到快速控制反射镜(1)上，完成一次迭代；通过反复迭代使得光纤功率计中光能量值稳定在较大值，获得理想的光纤耦合效果。...

【技术特征摘要】
1.一种基于耦合效率优化的快速控制反射镜光纤耦合对准装置，其特征在于：该装置
包括快速控制反射镜(1)、耦合透镜组(2)、光纤(3)、能量探测器(4)、随机并行梯度下
降算法控制器(5)和快速控制反射镜驱动(6)；在整个耦合装置工作时，接收到得光经快
速控制反射镜(1)入射到耦合透镜组(2)，耦合透镜组(2)将入射光聚焦至光纤(3)端
面，光纤(3)与能量探测器(4)连接，能量探测器(4)探测入射到光纤(3)中光的能量
作为整个耦合装置的评价因子，然后由随机并行梯度下降算法控制器(5)输出一个随机扰
动信号，扰动信号经快速控制反射镜驱动(6)施加到快速控制反射镜(1)上，由于快速控
制反射镜(1)的控制电压改变，它的镜面发生偏转，导致入射光经耦合透镜组(2)聚焦到
光纤(3)中的能量发生改变，此时由能量探测器(4)探测当前光纤(3)中的能量并将能
量值传送给随机并行梯度下降算法控制器(5)，随机并行梯度下降算法控制器(5)利用随
机并行梯度下降算法根据得到的光功率评价因子的变化估计优化的梯度方向，并计算得到以
适合的增益沿估计的梯度方向获取快速控制反射镜(1)的控制电压，该电压经快速控制反
射镜驱动(6)施加到快速控制反射镜(1)上，完成一次迭代；通过反复迭代使得光纤功率
计中光能量值稳定在较大值，获得理想的光纤耦合效果。
2.根据权利要求1所述的一种基于耦合效率优化的快速控制反射镜光纤耦合对准装置，
其特征在于：该装置评价因子为能量探测器(4)探测到的光纤中的能量值，评价因子取得
越接近极值时，光纤耦合效率越高。
3.根据权利要求1所述的一种基于耦合效率优化的快速控制反射镜光纤耦合对准装置，
其特征在于：所述的光纤的波长、数值孔径根据实际情况而定，种类不限，可以是单模光纤、
多模光纤、保偏光纤等；所述的快速控制反射镜实现光束角度的偏转，也可以采用其他的光
束偏转器件，具体为液晶空间光调制器或机械扫描装置；所述的能量探测器种类不限，可以
是各种光功率计、单光子计数器或APD能量探测器；所述的随机并行梯度下降算法控制器，
其种类不限，可以是计算机或大规模集成电路这样能够执行该算法控制的相关设备和器件。<...

【专利技术属性】
技术研发人员：边疆，亓波，谭毅，任戈，
申请(专利权)人：中国科学院光电技术研究所，
类型：发明
国别省市：四川;51