实验研究在自动校准和控制算法的空间光纤耦合

文摘

本研究旨在解决困难之间的耦合空间光和单模光纤(SMF)在无线光通信。基于二维(2 d)的光纤耦合器研制了压电陶瓷,利用随机并行梯度下降(SPGD)算法实现的自动耦合空间light-SMF。此外,空间light-SMF校准实验平台是建立在室内验证有效性和实用性的2 d压电陶瓷光纤耦合器。结果表明,使用SPGD算法可以实现纤维的自动对齐位置耦合,和SMF耦合效率达到52.58%时,系统是闭环的。二维压电陶瓷光纤耦合器有独特的低成本优势,简化结构,简单数组扩张和对齐方式可以有效地解决困难的空间light-SMF耦合。本研究将作为一个重要的参考研究空间阵列光纤耦合技术。

1。介绍

无线光通信(FSOC)具有广阔的应用前景在军事和民事应用由于其传输速度高、信息传输容量大,保密性强,和antielectromagnetic干扰也已成为一个研究热点。空间光耦合技术在FSOC技术是一项关键技术。高效、稳定的空间光耦合进光纤的关键是确保通信效率和解码成功率的接收系统1]。空间光纤耦合的影响因素,如大气湍流、平台抖动,对齐光纤端面和焦点位置之间的偏差(2,3]。因此,改善空间光耦合效率的单模光纤(SMF)通过抑制大气湍流,补偿随机抖动,和纠正对准偏差是一个高速激光通信领域的关键技术。

2012年,竹中平藏et al。4)设计了一个快速的镜子,可以在高频率工作在大气湍流条件下,验证的跟踪特征点的位置在空间光学耦合,和提高效率的光纤耦合补偿大气湍流引起的抖动误差。2015年,陈等人。5]Shack-Hartmann波前传感器用来获得空间光束的波前信息和使用基于可变形镜自适应光学技术和快速反映了波前畸变纠正由大气湍流引起的。为了提高光纤耦合效率,耦合效率在使用一个系统闭环系统达到了46.1%。在[6),陈等人用步进电机来驱动单模石英光纤和单模塑料光纤使用电荷耦合器件和光学功率计反馈图像和功率数据和实现的精确耦合两种纤维通过控制和处理上电脑驱动电机运动的一部分。2016年,高et al。7]提出的使用快速反射镜射束方向变化作为致动器和激光章动方法实现空间光聚焦位置的耦合和对齐和SMF。实验结果表明,使用这种方法的系统响应速度是40 Hz。2018年,问及et al。8提出一种光纤位置传感器的方法。微透镜阵列的传感器由印在光学纤维束。光纤束是由一个中央SMF和六个周围的多模光纤。光能量在周围多模光纤调整纤维位置,和仿真结果表明,耦合效率可以达到69%。然而,这种方法不容易实现,及其实际应用是很困难的。2019年,朱镕基et al。9长春理工的光学精密机械与物理、分析激光章动的影响变化参数对耦合效率快速转向镜子时用作耦合装置。然而,系统的带宽低是由于快速的自然反应频率的影响转向镜子。2020年,金等。10)提出了章动耦合方案基于峰值功率反馈和快速的镜子。章动算法被用来控制快速转向镜实现光纤耦合。结果表明,最大耦合范围是1 mrad系统跟踪下,耦合效率可以达到50%。

与光纤耦合阵列技术的应用,研究人员发现,现有的空间光纤耦合方案缺点,如可靠性差、不方便数组扩张(11]。此外,单模光纤(SMF)内径很小(8 - 10μ米),很难实现耦合和对齐人为(12]。因此,本研究创新结合二维(2 d)压电陶瓷和智能算法,通过算法自动确定最佳耦合对准位置优化。常用的智能优化算法如下:提高量子激发合作共同进化算法与多策略(MSQCCEA),所改进的微分进化算法与附近的变异算子和反对学习(NBOLDE)算法,深问网络(DQN)算法,改进的量子进化算法基于利基共同进化策略和增强粒子群优化(IPOQEA),改进的量子激发微分进化所多策略(MSIQDE)算法和随机并行梯度下降(SPGD)算法(13- - - - - -17]。NBOLDE, MSQCCEA DQN、IPOQEA MSIQDE算法适用于解决复杂的优化问题和有很多参数。特别是SPGD算法可以直接优化系统指数,和一些算法参数可以降低控制系统的复杂性。因此,本研究使用SPGD算法结合压电陶瓷实现空间光耦合的自动对齐。

2。SMF耦合理论模型

空间light-SMF耦合的原理如图1。原理图,平面光波由接收光学系统聚焦形成聚焦在焦平面。空间light-SMF耦合包括放置的SMF专注点,使纤维芯配合。耦合效率的计算公式是18] 在哪里是飞机上的光场分布的镜头和接收吗是SMF的模式场分布在平面上接收的镜头。因为一个SMF只能传输的基本模式(19),基本的电磁场分布模式在光纤端面上是一个零级贝塞尔函数。可以用来近似高斯分布基本形式场分布(20.]:

无线光通信的通信系统,在高斯分布的激光光强是远距离输送,光波可以作为平面波近似。不考虑耦合透镜象差的影响使用菲涅耳衍射公式,入射光的光场耦合透镜的焦平面可以表示为(21] 在哪里f耦合透镜的焦距,D_一个耦合透镜的直径,J₁(.)是第一类一阶贝塞尔函数,和 是波向量。一个激进的光纤端面之间存在偏差和集中的地方。在这个时候,平行光束的光场分布可以表示为在焦平面 在哪里 光纤端面的抵消。结合方程(1),(3)和(4),SMF耦合效率表达式,当纤维横向位置是偏移量是

激光波长为1550 nm,焦点透镜直径5毫米,焦距是20毫米,SMF模场半径为5.25μm。SMF的耦合效率的仿真曲线与纤维径向偏移量如图2。

如果光纤端面的位置集中现货可以快速和准确地控制,然后静态校准偏差的影响在光纤的耦合效率和效果的平台振动的耦合效率可以得到补偿,从而实现高效、稳定的空间light-SMF耦合。

3所示。系统结构和控制算法

3.1。二维压电陶瓷和SMF连接器结构

二维压电陶瓷的工作原理如图3(一个)。利用压电陶瓷的压电效应,运用相应的控制电压位移控制的压电陶瓷,microdisplacement范围内可以实现图所示。图3 (b)显示我们的SMF-coupled设备基于2 d压电陶瓷设计。压电陶瓷位移和SMF端面互相固定通过设计连接器,光纤端面的位置是通过压电陶瓷的位移调整。

3.2。空间Light-SMF耦合自动校准系统

SMF耦合自动对准系统的结构图如图基于二维压电陶瓷4。光学系统由激光器、准直透镜,透镜耦合,和SMF的闭环控制系统由二维压电陶瓷,光功率计,一个控制器,一个数模转换器,高压放大器模块。系统运行时,光功率计收集光功率耦合到SMF实时系统的性能评价指标,并控制处理器生成一组控制信号根据评价指标。数模转换器的控制信号放大和高压放大器模块驱动二维压电陶瓷产生microdisplacement。SPGD算法最大化的评价功能,光纤端面达到最优耦合对准的态度。

3.3。控制系统硬件结构和算法

整个控制系统的硬件结构如图5。压电陶瓷驱动部分由一个恒压电源模块和一个高压放大器模块。恒压电源模块提供了压电陶瓷的工作电压,和高压放大器模块的控制信号来控制位移线性放大压电陶瓷。现场可编程门阵列(FPGA)模块实现接收控制命令和驱动器的输出DA模块。光功率计实现实时收集和上传的控制系统。控制系统运行算法。FPGA部分使用阿尔特拉气旋IV EP4CE15F23C8作为核心控制板和数模转换部分采用模拟设备的AD9767,支持多达125 MHz时钟和14-bit精度。当系统工作时,电脑将一组初始电压控制信号发送给FPGA模块通过串口和FPGA驱动DA模块输出相应的电压来控制二维压电陶瓷高压放大。

SMF自动耦合对准系统采用SPGD算法执行以下步骤:(1)初始化:随机产生一组初始控制电压信号 ,在哪里对应的输出电压NDA模块的通道。(2)产生干扰:生成一组随机扰动电压信号 ,在哪里对应的随机干扰电压Nth通道,满足相互独立、服从伯努利分布。(3)负载电压序列 的压电陶瓷致动器,以反馈耦合光功率为系统评价函数和记录它 。(4)负载电压序列的压电陶瓷致动器,以反馈耦合光功率为系统评价函数和记录它 。(5)计算评价函数的变化 。(6)电压控制电压更新:根据迭代公式 ,更新控制电压和计算 。如果对应的系统性能评价函数值不符合系统要求,重复步骤2 - 6,直到评估函数满足系统的要求。是参数的迭代步骤。

从上面的SPGD算法的实现过程,可以看出增益系数和干扰电压重要参数的算法。模拟不同的增益系数和不同的干扰电压的影响算法的性能。当 ,耦合效率的变化曲线与迭代次数在不同干扰电压是如图6(一)。当 ,的转换曲线在不同的迭代次数的耦合效率增益系数是如图6 (b)。

图6(一)显示,当干扰电压很小,需要更多的迭代算法收敛。迭代过程趋于稳定时,算法收敛的迭代数量随干扰电压的增加而减小。然而,迭代过程的平稳性是削弱。图6 (b)显示,当增益系数小,算法收敛所需的迭代的数量很大,但是迭代过程的耦合效率波动更少。增益系数的增加,算法收敛所需的迭代次数减少。在迭代过程中耦合效率波动的增加。因为SPGD算法估计通过干扰电压梯度的方向,在实际应用中,当干扰电压很大,虽然算法收敛更快,这将导致收敛的稳定性减弱。一般来说,选择一个小干扰电压提高算法的稳定性,并提高了算法的收敛速度,通过选择适当的增益系数。因此, 和 选择算法的参数的实验。

4所示。实验研究

来验证设计的有效性联结装置及其控制算法,空间自动校准实验系统基于光纤耦合二维压电陶瓷,如图7。

实验设备中使用SMF耦合自动校准实验表中列出1。

在实验中,窄线宽激光器的发射功率是10 mW,和算法参数被选为扰动电压 和迭代步长 。实验测量了焦平面光功率值为2.36兆瓦,光功率采样频率是50赫兹。实验过程如下:激光器发出的激光连接通过一个SMF激光准直器,以及平行平行光线通过耦合的聚焦透镜准直器集中。因为的波长1550 nm掉看不到光线,光敏卡是用来确定的位置集中的地方。压电陶瓷耦合器是安装在三维手动microtranslation阶段,完成了初始对准的光纤耦合通过调整阶段。此时,根据光功率计的功率值,SPGD算法运行在PC,控制命令发送到压电陶瓷驱动模块通过串口。的位移控制压电陶瓷驱动的位移光纤的端面。算法的评价指标的大小对光纤光功率耦合。

图8(一个)是耦合光功率与时间的曲线初始对准耦合光功率−3.2 dBm。系统开环时,耦合光功率很小,大幅波动。系统闭环时,耦合光功率逐渐增加。后4.9秒,系统光功率趋于稳定,此时,少耦合光功率波动。图8 (b)是耦合光功率与时间的曲线初始对准耦合光功率是0.4 dBm。系统开环时,耦合光功率大幅波动。算法系统进入闭环状态时,耦合光功率逐渐趋于最大。1.8秒后,耦合功率趋于稳定,波动的力量小于的开环状态。通过比较不同初始状态的耦合效率随着时间的推移,它可以看到,当初始耦合光功率接近最大值,算法的收敛时间短,收敛速度更快。此外,系统的耦合光功率和功率稳定后将改善闭环状态,显示了该算法的有效性。

图9显示了转换曲线的初始耦合光功率耦合效率与时间−3.2 dBm和0.4 dBm。系统开环时,最大耦合效率是21.73%和47.54%。系统闭环时,耦合效率逐渐提高。当闭环系统是稳定的,最大耦合效率达到52.9%。在闭环系统是稳定的,耦合效率是稳定的,和波动显著降低,表明该算法可以提高耦合效率和稳定的耦合效率。

表2结果显示了系统的开环和闭环状态时最初的耦合功率是−3.2 dBm和0.4 dBm,分别。本研究使用的标准偏差耦合光功率对闭环系统的稳定性进行评估。当系统是一个开放的循环,标准偏差耦合光学权力的两种不同的初始状态是0.089 dBm和0.1183 dBm,分别。当系统是一个稳定的闭环,耦合光学大国的标准差0.0249 dBm和0.0247 dBm,分别。耦合功率的稳定性大大提高后闭环系统是稳定的。当系统开环,平均耦合效率的两个不同的初始状态是20.41%和45.94%,分别。当系统是一个稳定的闭环,SMF在这两个州的平均耦合效率提高约52.5%。这一发现表明,耦合效率在不同的初始对准条件下可以提高更大的稳定范围的算法。实际测量耦合效率偏离理论值,这主要是由于光纤的端面的菲涅耳反射,吸收损失,光路误差实验。

与其他方法相比,实现空间光耦合,本研究中采用的方法直接调整光纤的位置而不引入畸变,因为光程的变化。与电动机和机械调整方法,设计了压电陶瓷联结装置具有更快的响应速度和自动对齐在很短的时间内可以实现耦合。压电陶瓷的使用可以实现nanometre-level调整精度。同时,本研究中使用的方法有一个小的结构和低成本和潜在的应用在阵列扩展和集成。它也可以应用于阵列光纤耦合系统在未来。

5。结论

在这项研究中,基于二维压电陶瓷的光纤耦合传动装置设计。考虑压电陶瓷的高精度microdisplacement特点,随机并行梯度下降算法被用来实现空间光耦合自动校准实验,和一个SMF耦合对准实验波长为1550 nm。实验结果表明,随机并行梯度下降算法具有较好的实用性,可以稳定一致性条件下光功率在一定范围内,并可以用来维持稳定的光功率,提高通信系统的可靠性。这个方法是可行的和可以在最好的定位光纤耦合位置。在闭环系统中,平均耦合效率达到52.58%。此外,本研究中使用的耦合装置具有成本低、结构紧凑、容易实现和阵列扩展方便,可以应用在光纤耦合阵列技术。

数据可用性

所有生成的数据或分析在这个研究包含在本文中。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。

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