1 引言

随着信息时代的高速发展,传统通信方式,如微波通信很难满足高速率、高数据容量的要求,而空间激光通信具有数据速率高、数据容量大、带宽较宽、安全性高等优势,广泛应用于通信领域^[1-5]。空间光到单模光纤的耦合是空间激光通信中的关键技术之一,但实际通信链路中,通信系统会受到机械平台振动、随机角抖动、大气湍流等因素的影响,使空间光到单模光纤的耦合实现困难^[6-8]。

1990年,Swanson等^[9]提出了一种光纤章动有源耦合方案,用光纤耦合器实现了超过1 KHz的闭环带宽,耦合效率高达63%;1992年,Knibbe等^[10]采用电光调制器(EOM)和单模光纤改进了章动装置,提高了控制频率;2002年,Weyrauch等^[11]设计了包含132个控制信道的自适应光纤耦合系统,使用随机并行梯度下降(SPGD)算法使耦合效率达到60%。2012年,Takenaka等^[12]利用四象限探测器(QD)和快速反射镜(FSM)作为闭环控制进行了星地激光通信实验,测得耦合效率的损耗大约为17 dB。2007年,髙皓等^[13]使用光栅式扫描和五点跟踪法实现了空间光到单模光纤的自动耦合,最大耦合效率达到59.2%。2013年,Zhang等^[14]利用位置传感器(PSD)和FSM实现了光斑的跟踪,但实验光路复杂。2015年,Li等^[15]利用自适应光纤耦合器(AFC)补偿了大气湍流扰动和光纤端面静态的对准偏差。2016年,高建秋等^[16]利用激光章动原理进行了光纤耦合实验,在不加扰动的条件下耦合效率达到67%,引入扰动后耦合效率提高了6.5%,响应速率为40 Hz。2017年,黄冠等^[17]基于可编程逻辑门阵列(FPGA)和自适应耦合技术,实现了150 Hz的大气湍流带宽校正。2019年,朱世伟等^[18]基于能量反馈设计了激光章动跟踪算法,并进行了仿真和光纤耦合实验,发现算法对动态扰动具有明显的校正作用。赵佰秋等^[19]设计了章动跟踪算法,研究了算法参数对系统耦合性能的影响。宋巍等^[20]使用倾斜锥型微透镜错位激发,使光的耦合效率提高了13%左右。2020年,张波等^[21]提出了一种基于阵列透镜和渐变多模光纤集束的方法,使光束近场能量到光纤集束可以稳定耦合。

为了提高空间光到单模光纤的耦合效率,减少随机角抖动对空间激光通信系统的影响,本文设计了一种基于峰值功率反馈的章动跟踪算法,搭建了章动实验平台,并对平台引入一定幅度和频率的正弦扰动,进行了章动跟踪的动态实验。首先测试了系统在跟踪状态下的耦合范围,然后测量了系统在开环和闭环状态下,光电探测器接收功率及耦合效率的变化,最后研究了系统在不同信噪比下的耦合效率。

2 激光章动原理及跟踪算法

激光章动是一种不需要位置探测器就能实现空间光到单模光纤耦合的方法,章动收敛过程可分为四个阶段,如图1所示。可以发现,光斑在章动圆上做圆周扫描。第一阶段,光斑与光纤中心完全分离,光纤模场与光斑模场完全不匹配,此时耦合效率为0。第二阶段,章动扫描一周会使部分光斑进入光纤中心,且扫描过程中会出现耦合效率最大的位置,但耦合效率的最小值为0,这表明此时只有部分光斑进入光纤中心参与模场匹配。第三阶段,章动扫描一周后仍存在耦合效率最大的位置,但与第二阶段不同的是最低耦合效率不再为零。第四阶段,最终章动收敛的过程,此时章动扫描中心在光纤模场中心附近微小波动,光斑与光纤中心几乎重合,此时章动扫描一周耦合效率较大且相对波动较小。

图 1. 章动收敛过程示意图。(a)第一阶段;(b)第二阶段;(c)第三阶段;(d)第四阶段

Fig. 1. Schematic diagram of nutation convergence process. (a) First stage; (b) second stage; (c) third stage; (d) fourth stage

下载图片 查看所有图片

章动耦合的空间位置示意图如图2所示,可以发现,章动扫描可将偏离光纤中心的空间光校正到纤芯位置附近,从而提高耦合效率。章动耦合的原理如图3所示,假设光纤中心位于坐标系原点,其中,叉号为探测器的采样点位置,箭头为探测器采集峰值功率后系统确定的收敛方向,通过若干次迭代可将光斑移动到光纤的中心位置附近,实现章动收敛。

图 2. 章动耦合的空间位置

Fig. 2. Spatial location of nutation coupling

下载图片 查看所有图片

图 3. 章动耦合的原理

Fig. 3. Principle of nutation coupling

下载图片 查看所有图片

章动跟踪算法的原理是控制FSM进行圆形扫描,将每次扫描得到的最大值及最大值索引作为反馈,并经过若干次算法迭代使耦合效率达到最大,具体流程如下。

1) 首先,初始化振镜的中心位置(X₀,Y₀),设收敛步长为A,章动半径为R,章动一周的采样点数为n,捕获阈值门限为P_t。然后,利用FSM的二维摆动使光斑在耦合透镜接收端面进行给定的偏置扫描,扫描过程中得到光功率最大时的位置,并将最大光功率与P_t进行对比。如果最大光功率大于P_t,则开启跟踪算法,否则,捕获失败,重新开始扫描。

2) 捕获成功后,以光功率最大时的位置为中心做圆周扫描,扫描过程中找到光功率最大值P_k和最大值的索引i_[max],其中,下标k为收敛次数。通过P_k和i_[max]共同确定下一次章动跟踪的收敛过程,具体流程如图4所示。

图 4. 本算法的流程图

Fig. 4. Flow chart of our algorithm

下载图片 查看所有图片

通过光功率峰值和比例-积分-微分(PID)控制算法得到振镜下一次跟踪的执行量u,可表示为

u=AKp(P0-Pk)+Ki∑k=1i(P0-Pk)+Kd(Pk-Pk-1),(1)

式中,P₀为理想耦合效率对应的光功率,K_p、K_i、K_d分别为PID算法的比例增益、积分增益、微分增益。不断重复(1)式的步骤,直到光功率收敛到较高的数值且波动较小,由i_[max]得到收敛方向的分量Δx、Δy可表示为

Δx=cos2πi[max]nΔy=sin2πi[max]n。(2)

在章动振镜跟踪过程中,振镜方位、俯仰两轴的总执行量X、Y可表示为

X=X0+Rcos2πin+∑uΔxY=Y0+Rsin2πin+∑uΔy。(3)

3 实验验证

3.1 实验系统的搭建

搭建的实验系统及其原理如图5所示,其中,波长为1550 nm的入射光经过准直器之后发射,分别经过扰动FSM1和耦合FSM2的反射进入接收耦合透镜中,耦合透镜将空间光耦合入单模光纤,并经过光纤分束器,一部分能量被光功率计接收,用来观察接收能量的变化,另一部分通过光衰减器后传递给光电探测器。最后将AD7606芯片采集的探测器输出信号输入计算机控制算法中,实现基于FSM结合能量探测器的空间光到单模光纤章动耦合的闭环控制。

图 5. 实验装置。(a)原理图;(b)实物图

Fig. 5. Experimental setup. (a) Schematic diagram; (b) physical diagram

下载图片 查看所有图片

实验中的发射端采用OPTOCOM公司生产的WN03LM10-A型激光器,发射1550 nm的红外光,发射功率为-3.38 dBm,准直器为THORLABS公司生产的RC08FC-P01,扰动FSM1为Optics in motion LLC公司生产的OIM102电磁振镜,振镜的分辨率为2 μrad,扰动由信号发生器产生,范围为±10 V,对应的最大幅度为26.2 mrad。耦合FSM2为PI公司生产的PZT振镜,型号为S-330,两轴均可提供5 mrad的偏转角,分辨率为20 nrad,探测器为MACOM公司生产的LDPW-0012,探测带宽为12 M。采集芯片为ADI公司生产的AD7606芯片,最大采样频率200 kHz。

3.2 动态扰动实验与结果分析

用搭建好的章动实验平台进行章动跟踪动态实验,由FSM1引入一定频率、幅值的正弦信号作为扰动量,通过FSM2进行跟踪耦合。主要测量了章动收敛过程中的光功率变化,研究了系统在开环和闭环情况下,光电探测器接收光功率及耦合效率的变化情况,分析了系统的动态性能指标与偏差补偿效果。实验选取的章动耦合系统性能参数如表1所示,其中,章动半径、收敛步长以及采样点数等参数是经多次实验测量得到系统耦合性能最好时的最优值。

3.2.1 章动收敛过程中光功率的变化

章动收敛过程中光电探测器接收光功率的变化情况如图6所示,可以发现,开始阶段光斑几乎完全偏离芯径,因此,进入光电探测器的光功率几乎为零;不断控制振镜做章动扫描,用获得的峰值功率作为反馈进行跟踪,使光斑迅速向光纤中心收敛。且从章动开始到收敛约10 ms,这表明章动跟踪算法具有较好的跟踪能力与较短的动态响应时间。

图 6. 章动收敛过程中的光功率变化

Fig. 6. Optical power change during nutation convergence

下载图片 查看所有图片

3.2.2 系统闭环跟踪状态下的耦合范围

通过电磁振镜FSM1引入不同幅度的扰动,通过光功率计测量接收端的耦合效率,如图7所示。可以发现,当扰动幅度小于1.1 mrad时,章动跟踪系统的耦合效率较高,平均耦合效率达到62.4%;当扰动幅度大于1.1 mrad时,系统无法闭环,此时光纤的芯径完全偏离聚焦光斑,耦合效率为0。

图 7. 系统跟踪状态下的耦合范围

Fig. 7. Coupling range under system tracking state

下载图片 查看所有图片

3.2.3 开环和闭环状态下探测器的接收光功率

分别对系统引入幅度为0.786 mrad、频率为2 Hz(扰动1)和幅度为1.1 mrad、频率为2 Hz(扰动2)的正弦扰动,得到系统开环和闭环条件下光电探测器的接收光功率变化情况,如图8所示。可以发现,开环条件下光电探测器的接收光功率是一个连续变化的正弦曲线,均方误差较大,扰动1和扰动2情况下分别为6.87%和9.91%。这表明未加章动跟踪迭代算法时,光斑在光纤接收端面做正弦运动,耦合效果较差;在闭环的状态下,光电探测器输出的能量较高且均方误差较小,扰动1和扰动2情况下分别为0.078%和0.81%,对应的耦合效率分别为61.1%和55.8%。这表明随着扰动幅度的增加,会导致耦合效率略有下降。综上所述,所提出的章动跟踪算法可以很好地校正大幅度扰动。

图 8. 不同扰动时光电探测器的接收光功率。(a)扰动1;(b)扰动2

Fig. 8. Received optical power of the photodetector under different disturbances. (a) Disturbance1; (b) disturbance2

下载图片 查看所有图片

3.2.4 不同扰动条件下系统的开闭环耦合效率

利用章动跟踪迭代算法,对系统在不同角度误差扰动下进行了跟踪,测得的耦合效率如图9所示。可以发现,当系统的扰动幅度分别为262,524,655,786 μrad时,系统开环时的平均耦合效率分别为56.2%,49.4%,41.6%,35.2%,闭环后的平均耦合效率均提高到60%左右,这表明所提出的跟踪算法可以很好地校正大幅度扰动。

图 9. 不同角度误差下的耦合效率

Fig. 9. Coupling efficiency under different angle errors

下载图片 查看所有图片

3.3 系统在不同信噪比下的实验

为了验证低信噪比对章动耦合性能的影响,将发射端发射的光功率进行衰减,降低耦合到接收端的光功率,同时在系统中引入随机噪声,得到不同信噪比下章动收敛过程中探测器接收的光功率、章动跟踪后系统的平均耦合效率,如图10、图11、图12所示。可以发现,当信噪比为13.1 dB时,章动收敛性能较好,此时平均耦合效率约为52.3%;当信噪比为7.9 dB时,章动收敛过程正常进行,但收敛时间较长,此时的耦合效率降为49.1%,这表明降低信噪比会降低系统的耦合效率。当信噪比降为4.6 dB时,信号光完全湮没在噪声中,探测器无法得到峰值功率,系统失去反馈量,使耦合算法失效,此时平均耦合效率在10%以下。

图 10. 信噪比为13.1 dB时的测试结果。(a)探测器的接收功率;(b)系统的平均耦合效率

Fig. 10. Test results when the signal-to-noise ratio is 13.1 dB. (a) Power received by the detector; (b) average coupling efficiency of the system

下载图片 查看所有图片

图 11. 信噪比为7.9 dB时的测试结果。(a)探测器的接收功率;(b)平均耦合效率

Fig. 11. Test results when the signal-to-noise ratio is 7.9 dB. (a) Power received by the detector; (b) average coupling efficiency of the system

下载图片 查看所有图片

图 12. 信噪比为4.6 dB时的测试结果。(a)探测器的接收功率;(b)平均耦合效率

Fig. 12. Test results when the signal-to-noise ratio is 4.6 dB. (a) Power received by the detector; (b) average coupling efficiency of the system

下载图片 查看所有图片

4 结论

为了提高空间光到单模光纤的耦合效率,提出了一种基于峰值功率反馈的章动跟踪算法,并对该算法进行了实验验证。结果表明,系统跟踪状态下的最大耦合范围为1.1 mrad,耦合效率能达到50%。分析了系统开环和闭环状态下探测器输出的光功率和接收端耦合效率的变化情况,结果表明,所提出的跟踪算法可以很好地校正扰动,且稳态误差较小。本研究可为基于激光章动的单模光纤耦合技术提供理论依据和实验支撑,但基于峰值功率反馈的算法容易受到信噪比的限制,因此,后续研究中还需提高算法在低信噪比下的可行性。