[發明專利]一種無機械結構的光束漂移補償裝置及其實現方法

有效

• 申請號: 202011604428.9
• 申請日: 2020-12-30
• 公開（公告）號: CN112596252B
• 公開（公告）日: 2023-02-24
• 發明（設計）人: 劉波;常琨;李昌瑾;劉海鋒;劉艷格;王志;張昊;閆寶羅
• 申請（專利權）人: 南開大學
• 主分類號: G02B27/09
• 分類號: G02B27/09
• 代理公司: 合肥晨創知識產權代理事務所(普通合伙) 34162
• 代理人: 康培培

本發明公開了一種無機械結構的光束漂移補償裝置及其實現方法，該方法利用探針結構光感知、可編程相位全息圖、以及波長相關、偏振相關的液晶光調制，實現光束漂移補償。該裝置包括二向色鏡、合束器、空間光調制器、CCD相機、計算機等。其中合束器/二向色鏡用于將信號光與信標光共軸合束，第一空間光調制器用于僅調制信標光生成花瓣狀沿角向分布的探針結構光，并由CCD相機記錄，實現漂移量矢量感知并發送至計算機，由計算機同步控制第一空間光調制器和第二空間光調制器相位全息圖中心相對位置和閃耀光柵周期，實現光束漂移補償。本發明無需機械位移驅動裝置，大大提高了補償精度、響應速度和壽命，是自由空間光通信光束漂移補償的可靠方案。

技術領域

本發明屬于光通信和大氣光學領域，特別是涉及一種無機械結構的光束漂移補償裝置及其實現方法。

背景技術

大氣湍流會對信道傳輸的光束造成衰減(散射、吸收、空間衰減等)和折射率擾動(隨機相位擾動、光束漂移等)兩大類影響。其中光束漂移表現為信號光束中心不能時刻與接收探測器對準，導致低耦合效率、接收功率抖動。

傳統解決光束漂移問題的方案依賴APT(瞄準、捕獲和跟蹤)系統，其原理為：由QD(象限探測器)獲取光束位置后，由產生機械位移的裝置(云臺、微機電系統等)驅動接收探測器、光學元件等運動，實現光束對準。可簡單概括為，要么通過調整光路實現入射光束偏轉，要么通過調整接收機位置和姿態實現接收機對準。但上述方案需要復雜的光機設計和算法支持，同時補償速度、精度和使用壽命都會受到制約。(參見：Yagiz Kaymak et al.,IEEE Communications SurveysTutorials,20(2018):1104)。

基于液晶光調制技術的空間光調制器(SLM)是一類能對二維橫向空間光場調控的器件，分為透射式和反射式，類似于液晶顯示器。當像素單元里有電壓變化時，每個像素的液晶分子會發生偏轉，而液晶分子的偏轉角會改變液晶材料折射率，進而改變入射光光程，從而實現對出射光相位的操控。實際使用時，在SLM上加載匹配分辨率的灰度圖(相位全息圖)，圖像的像素灰度值將對應SLM上每個像素控制的相位。具體而言，由于液晶雙折射特性，只有入射光偏振態與非尋常光(e光)折射率方向一致時，才會受到相位調制，而與尋常光(o光)折射率方向一致的偏振態，不會受到相位調制。使用SLM同時加載閃耀光柵全息圖，可以使受調制的光束出現在非零衍射級上，而不受調制的偏振態出現在零級衍射級上，從而實現了二者空間分離。另外，SLM產品有響應工作波段，對于非工作波段的光束入射SLM，無論其偏振態，SLM的作用僅充當反射鏡/透鏡。基于以上性質，SLM現已廣泛應用于自適應光學、光學計算、光學信息處理等系統。

以特種光束(例如：OAM(軌道角動量光束))為載波的光通信系統需借助SLM生成光束，還需要在接收端部署SLM實現信號解調(參見：朱龍.特種光束的產生及其在光通信中的應用研究[D].武漢：華中科技大學，2018)。需要注意的是，一般設計加載到SLM的相位全息圖是基于光束入射所設計相位版中心位置這一前提的，SLM對入射光位置非常敏感，當二者不在同一位置時，生成光束將出現畸變。光束漂移發生(即光束中心入射相位全息圖非中心位置)，在接收端不僅會有本專利在背景技術前文所述問題，還會造成無效解調、信號串擾，嚴重影響通信質量。例如文章報道了120m空間鏈路的OAM光通信系統接收端光束漂移達0.55mm，(參見：Yongxiong Ren et al.,Optics Letters,41(2016):622)。目前商用SLM像元可達8μm，同時分辨率可高達1920×1080，其尺寸可滿足較大范圍內的接收光束位置的補償需求。

因此，為了克服大氣湍流引起光束漂移帶來的影響，實現信號光束/特種信號光束在接收端穩定解調，同時避免使用響應速率低、精度較差的機械驅動裝置，希望借助電驅液晶光調制技術，在不改變原信號入射光路和接收機位置的前提下實現光束解調。

發明內容