基于能量反馈的单模光纤耦合算法研究

论文摘要

近些年来,随着移动互联网、物联网等应用的发展与普及,人们对于通信容量的需求越来越高,同时珍贵的电磁频谱也越发拥挤,这使得人们开始寻求新的技术以拓展现有的射频技术。而自由空间光通信也称激光通信,由于其兼具无线通信和光纤通信的优点,受到世界各国研究机构和学者的广泛关注。激光通信具有高带宽,终端质量体积小,不需频谱许可,安全保密性好等优势,但同样面临着很多技术上的难点。在激光通信过程中,接收端需要将空间光耦合入单模光纤中,由于单模光纤纤芯直径仅为微米量级,外部扰动（如大气湍流和平台抖动）容易使接收端聚焦的光斑与光纤端面发生偏移,使得耦合入单模光纤的能量大大降低,严重影响通信质量,所以保证光纤耦合效率是建立激光通信链路的基础,而光纤耦合算法则是耦合系统的核心。本文针对激光通信中的光纤耦合算法问题,搭建了基于快速反射镜的单模光纤耦合系统,采用耦合入光纤的光功率作为反馈,研究了激光章动和随机并行梯度下降（SPGD）两种光纤耦合算法,通过理论分析、仿真研究和实验验证,归纳了两种算法特性和参数变化的关系,对比了两者的性能,为光纤耦合算法的工程应用提供依据。分析了理想状态下耦合效率的最大值,得出在耦合系数β取1.12时,最大耦合效率为81.45%。研究了横向偏移、轴向偏移、角度偏移三种光纤对准误差对耦合效率的影响,得出横向偏差对耦合效率影响极大,是耦合系统主要需要校正的偏差。证明了入射角的偏移可以等效为焦平面的横向偏移,为基于快速反射镜的单模光纤耦合系统设计及算法实验研究提供了理论依据。分别阐述了激光章动和SPGD算法的流程,并证明了SPGD算法的原理和相对于其他梯度下降法的优势。基于Zernike多项式构建模拟波前,并对两种算法展开了静态误差校正仿真研究,证明了两种算法的有效性,并基于不同参数组合进行了仿真,初步得出了参数取值与算法性能的关系。基于单模光纤耦合实验系统,对两种算法分别进行了静态偏差和动态扰动校正实验,经过大量实验研究得出了章动半径、采样次数取值对章动算法性能的变化规律,随机扰动步长、增益取值对SPGD算法性能的影响,在动态校正中,对于300μrad的正弦扰动,在-10dB的抑制比标准下,章动算法达到的抑制带宽为SPGD算法的抑制带宽的2.5倍。

论文目录

摘要

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第1章引言

1.1 研究背景

1.2 激光通信研究的国内外现状

1.3 常见的光纤耦合系统组成及其弊端

1.4 光纤耦合技术研究的国内外现状

1.4.1 国外研究现状

1.4.2 国内研究现状

1.5 本文的研究内容及章节安排

第2章光纤耦合理论

2.1 光纤耦合基本理论

2.2 光纤耦合对准误差分析

2.2.1 横向偏移

2.2.2 轴向偏移（离焦）

2.2.3 角度偏移

2.3 入射角偏差和横向偏移的等效性

2.4 本章小结

第3章光纤耦合算法

3.1 章动算法

3.2 SPGD算法

3.2.1 梯度下降法

3.2.2 SPGD算法流程

3.2.3 SPGD原理

3.2.4 SPGD的优势分析

3.3 本章小结

第4章仿真研究

4.1 Zernike多项式

4.2 章动算法

4.3 SPGD算法

4.4 本章小结

第5章实验研究

5.1 实验系统

5.2 静态实验

5.2.1 章动算法

5.2.2 SPGD算法

5.3 动态实验

5.3.1 章动算法

5.3.2 SPGD算法

5.4 实验小结

第6章总结

6.1 论文主要内容及创新点

6.2 未来工作展望

参考文献

致谢

作者简历及攻读学位期间发表的学术论文与研究成果

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 朱世伟

导师: 盛磊

关键词: 光纤耦合,快反镜,激光章动,算法

来源: 中国科学院大学(中国科学院长春光学精密机械与物理研究所)

年度: 2019

分类: 基础科学,信息科技

专业: 物理学,无线电电子学,电信技术

单位: 中国科学院大学(中国科学院长春光学精密机械与物理研究所)

分类号: TN929.1;TN253

总页数: 83

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