本發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耦合方法、系統及裝置。

背景技術：

1、目前，星載激光通信終端技術逐漸成熟，衛星之間、星地之間已成功構建成鏈，導致激光通信終端的商用化應用需求越來越迫切。

2、但是，由于存在光機加工誤差、安裝調試偏差、衛星平臺機械結構應變、衛星平臺振動及系統收發同軸誤差等因素的影響，將進入光學系統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、穩定的自由空間光-單模光纖耦合方法，是實現高速、遠距離激光通信技術的前提與保障，如何通過自動光纖技術提升自由空間激光通信的效率、質量及穩定性成為業內難題。

技術實現思路

1、本發明的目的在于提供一種基于電光晶體的光纖章動耦合方法、系統及裝置，以解決現有技術中存在的至少一種上述技術問題。

2、第一方面，為解決上述技術問題，本發明提供一種基于電光晶體的光纖章動耦合方法，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置的第一電光晶體及第二電光晶體，分別用于調整章動方向中的一個光路方向；

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，解算激光在各章動方向的角度誤差；

5、步驟3、基于所述角度誤差，計算施加于各電光晶體電極處的調制電壓，用于根據電光效應，改變激光在各章動方向的折射率；

6、步驟4、將所述調制電壓加載于各電光晶體電極處，補償激光在各章動方向的角度誤差，迭代執行步驟2，直至達到第一迭代結束條件。

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，通過調制電壓，實時調節補償激光入射至光纖端面中心時的立體角度誤差，確保激光實時、準確、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、質量及穩定性。

8、在一種可行的實施方式中，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，具有光學損傷閾值高、雙折射率低、透射帶寬高、光透射率高、敏感度強、透光范圍廣、電光系數大、不易潮解及物化性質穩定等優點。

9、在一種可行的實施方式中，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、在一種可行的實施方式中，所述litao3晶體的電光系數矩陣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為y軸）施加電場時的主電光系數；

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、在一種可行的實施方式中，激光在litao3晶體中，相對于y軸的偏轉角度的計算公式可以表示為：

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率：

20、；

21、在一種可行的實施方式中，所述調制電壓的計算公式可以為：

22、；

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

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

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

26、第二方面，基于相同的發明構思，本技術還提供了一種基于電光晶體的光纖章動耦合系統，包括數據接收模塊、數據處理模塊及信號生成模塊：

27、所述數據接收模塊，用于接收光纖輸出端處激光信號的光功率；

28、所述數據處理模塊，包括角度誤差解算單元及調制電壓計算單元：

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

30、所述調制電壓計算單元，基于所述角度誤差，計算施加于各電光晶體電極處的調制電壓，用于根據電光效應，改變激光在各章動方向的折射率；

31、所述信號生成模塊，將所述調制電壓發送至各電光晶體電極。

32、第三方面，基于相同的發明構思，本技術還提供了一種基于電光晶體的光纖章動耦合裝置，包括電光晶體、凸透鏡、光纖、分束器、光功率計、控制器及驅動器：

33、所述電光晶體包括依次設置的第一電光晶體及第二電光晶體，設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；所述分束器設置于所述光纖的輸出端，用于根據分光比，將光信號分別輸出至光功率計及后級設備；所述光功率計，用于探測光信號的功率并轉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方向的角度誤差并計算施加于各電光晶體電極處的調制電壓，輸出至驅動器；所述驅動器基于所述調制電壓，向各電光晶體的電極供電。

34、通過上述結構，可以利用電光晶體的折射率隨電場定向變化的特性，通過調制電壓，實時地調節補償激光入射至光纖端面中心時的立體角度誤差，確保外部光源發出的激光實時、準確、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、質量及穩定性；本裝置結構簡潔、體積小、應用范圍廣泛。

35、在一種可行的實施方式中，本裝置還包括縮束鏡，設置于外部光源與電光晶體之間的光路上，通過無焦系統，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、在一種可行的實施方式中，所述后級設備包括通信探測器，用于將輸入的光信號進行光電轉換，得到第二電信號；所述第二電信號，用于傳遞通信數據。

37、在一種可行的實施方式中，所述后級設備還包括解調器，用于將通信探測器輸出的第二電信號進行解調。

38、在一種可行的實施方式中，在第一電光晶體與第二電光晶體之間的光路上設置有二分之一波片，用于調節光束的偏振態，以便滿足電光晶體的偏振態要求。

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

40、在一種可行的實施方式中，所述分光比為1:4或1:9或3:7。

41、在一種可行的實施方式中，所述光纖章動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入光纖）的情況下進行工作的，具體包括如下步驟：

43、步驟a1、控制器接收信號初始位置數據后，光纖章動耦合裝置進入工作狀態，電光晶體進行二維掃描；將光纖輸入端的目標方位信息（來自于進入光功率計的激光光束），轉換為各電光晶體的偏轉角度，進行初步耦合并進行判定：若到達初步耦合的合格條件，則執行步驟a2；否則，重新執行步驟a1；

44、步驟a2、通過驅動器，步進調整電光晶體的偏轉角度；控制器記錄光功率計的光功率值（反饋信號），并轉化為各電光晶體的調制電壓，再次調整電光晶體的偏轉角度，從而實現精確對準；

45、步驟a3、控制器根據光功率值的大小，實時確定光斑在光纖輸入端的偏移方位，并對各電光晶體進行微調，直至達到穩定耦合的合格條件，從而實現穩定耦合；

46、步驟a3、開啟通信鏈路，控制器實時監測目標方位信息：若目標方位信息中途丟失，則重新執行步驟a1；否則，保持通信狀態，直至通信結束；

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

48、步驟b1、驅動電光晶體進行預設大偏轉角度的軌跡掃描并進行判斷：若存在激光信號則執行步驟b2；否則執行步驟b1；

49、步驟b2、驅動電光晶體完成若干次單向的預設小偏轉角度的軌跡掃描，基于預設軌跡、目標反饋信號的大小，計算信號光初始位置并進行判斷：若存在信號光初始位置，則執行b3；否則，繼續執行b2；

50、步驟b3、執行第一工作方法。

51、在一種可行的實施方式中，所述步驟a1中初步耦合的具體方法包括：

52、步驟c1、在各章動方向，設置當前的調制電壓（即或），令，表示初始調制電壓，對于章動耦合而言，初始調制電壓一般為系統靜態誤差補償后所施加的電壓；

53、步驟c2、產生一個服從伯努利分布的隨機電壓；

54、步驟c3、將正向疊加在上，計算性能評價函數，具體公式為：

55、；

56、其中，表示正向的性能評價函數值；

57、步驟c4、將負向疊加在上，計算性能評價函數，具體公式為：

58、；

59、其中，表示負向的性能評價函數值；

60、步驟c5、計算性能評價函數的改變量，具體公式為：

61、；

62、步驟c6、迭代計算新的調制電壓，具體公式為：

63、；

64、其中，表示增益系數；

65、令，更新調制電壓后執行步驟c2，直至光功率滿足第二迭代終止條件。

66、在一種可行的實施方式中，所述第二迭代終止條件為耦合效率達到50%。

67、采用上述技術方案，本發明具有如下有益效果：

68、本發明提供的一種基于電光晶體的光纖章動耦合方法、系統及裝置，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）調整調制電壓，即可簡便、實時地調節補償激光入射耦合至光纖端面中心時的立體角度誤差，確保外部光源發出的信號激光實時、準確、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、質量及穩定性；本裝置結構簡潔、體積小且適用范圍廣。