Study on optical power alignment technique during the splice of large mode area double-cladding fiber
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摘要: 为了提高高功率光纤激光器中大模场双包层光纤的熔接质量，采用NUFERN 20/400μm双包层光纤搭建了光功率对准系统，对大模场双包层光纤中存在包层光以及纤芯中只有基模和存在高阶模时光纤径向偏移与耦合效率的关系进行了理论分析和实验验证。结果表明，大模场双包层光纤中包层光和纤芯中高阶模的存在使耦合效率对径向偏移变化的敏感度降低，滤除包层光和高阶模后耦合效率随光纤径向偏移量呈高斯型变化; 使用光功率对准系统搭建千瓦级双端抽运激光系统，最大输出功率约1170W，光光转换效率约73%，光束质量约1.22，实现了千瓦级准单模输出。光功率对准技术能够实现待熔光纤的精确对准，对高功率光纤激光器输出性能的提升有重要意义。Abstract: In order to improve the splicing quality of large mode area double-cladding fiber, an optical power alignment system was designed by using NUFERN 20/400μm double-cladding fiber. The cladding light in the cladding layer and the basic-mode light in the core were verified. The relationship between core dislocation and coupling efficiency was analyzed theoretically and verified experimentally. The existence of the cladding light or the higher-order mode in the core reduced the sensitivity of coupling efficiency to core dislocation. After stripping the cladding light and the higher-order mode, the coupling efficiency varies with core dislocation as Gaussian shape. A double-ended pumping fiber laser system with kW level output power was built by using the optical power alignment system, with the maximum output power of 1170W, optical-to-optical conversion efficiency of about 73% and beam quality factor of around 1.22. Quasi-single-mode output of kW level was gotten. The results show that accurate alignment of double-caldding fiber can be achieved with optical power alignment technique. The study is important for the improvement of output performance of high power fiber lasers.
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引言
便携式激光通信装置由于其小体积、大容量、高保密性等特点，得到越来越多的关注与研究[1-8]。由于通信接收视场的大小间接决定了便携式激光通信系统的对准难度、环境适应能力和伺服控制能力等, 对接收视场角的测试成为便携式激光通信系统研制过程中重要的环节之一[9-11]。
对于视场角的测量方法，一种是通过视场仪直接测量，常用于室内的光学系统检测，该方法受仪器体积限制；另一种是通过焦距和像面高度计算视场角，存在畸变的系统中此方法会有一定的误差。目前，中国空空导弹研究院的LI等人构建了半导体激光引信视场角测量装置，主要包括反射镜转台和1维位移台[12]；上海光学精密机械研究所的DI等人对激光高度计的视场角测量提出了解决方案，并进行了实际系统测量[13]；长春理工大学的LI对红外光学系统视场角，提出了集成平行光管、高精度转台以及1维平移台的测量方法[14]；华中农业大学的TAN等人设计了激光引信接收光学系统视场角的自动测试系统[15]；哈尔滨工业大学的FENG等人利用三轴转台测量激光导引接收视场角[16]；西安应用光学研究所的CHEN等人介绍了一种用于激光指令制导和激光驾束制导大视场角测量的激光接收机原理，给出了接收视场的数学模型，并进行了实际测量[17]；中国科学院长春光学精密机械与物理研究所的ZHAGN等人利用2维角度调整台，对全捷联半主动导引头视场进行了实际测试工作[18]。
现有视场角检测方法的结构复杂、设备繁多，且测试视场均在度级别，对于激光通信领域的小视场测量方法和装置，尚鲜见报道。基于此，本文中提出了一种对便携式激光通信接收视场角的小范围高精度测试装置，同时能够通过能量模拟，适用于不同通信能量需求的接收视场角测试。本文中首先对便携式激光通信的视场角测量装置进行了设计论证，然后，对链路能量进行了理论计算，最后，利用该装置进行了实际测量试验[19-20]。
1. 测量装置设计
近距离无线激光通信属于非成像系统，且通信视场角很小，一般均在mrad量级，对其精确测量难度较大，基于激光通信的特点和现有检测手段，提出了一种针对激光通信接收光学系统视场角的测量方法，即利用高精度自准直仪和激光通信光端机一体运动测量视场角范围方法，如图 1所示。
准直平行光源发射1550nm的通信光，待测光端机进行接收，保证激光通信链路接通。高精度自准直仪与待测光端机放置在同一光学平台上，保证高精度自准直仪与待测光端机运动一致，高精度自准直仪偏移角度的测量结果可等效为待测光端机通信视场范围。具体工作方法如下:将待测光端机与自准直仪固定在同一光学平台上，调节2维方位俯仰台，使准直平行光源发出的大口径通信激光进入待测光端机的中心视场，调节方位俯仰台的1维姿态(方位或俯仰)，直至待测光端机接收能量无法满足通信所需，记录高精度自准直仪的偏转角度，即可得到通信接收视场角范围，同时，在准直平行光源端加入了能量衰减片，通过能量衰减模拟不同链路距离下的能量。
在测量过程中需要注意的是，平面反射镜与自准直仪分别安装在两个不同的平台上，互相独立调节，平面反射镜用作将自准直仪发射的光全部反射回自准直仪。准直平行光源的出射光束口径需要实现接收口径的全覆盖。
2. 链路能量计算
视场角测试与链路能量有关，不同链路能量所对应的可通信视场不同，在保证基本链路通畅情况下，理论计算不同链路下的能量余量是决定视场角的重要因素。考虑各种损耗因素，通信链路传输方程模型可以描述成为：
Pγ=Pt−Pe−Pa−Lg+Pd (1) 式中，Pγ为激光通信链路余量, Pt为激光器发射能量, Pe为发射光路能量损耗, Pa为接收光路能量损耗, Lg为空间扩展损耗, Pd为探测器增益。依据(1)式，对1km, 2km, 3km, 4km距离下的链路能量进行了计算，具体初始参量及对应计算结果如表 1所示。
Table 1. Prediction of portable laser communication linklink distance/km 1 2 3 4 emit energy Pt/dBm 15 emission path loss Pe/dB 1 received path loss Pa/dB 1 geometric loss Lg/dB 19 25.1 28.6 31.1 image receiving energy/dBm -6 -12.1 -15.6 -18.1 detector sensitivity Pd/dBm -30 link margin Pγ/dB 24 17.9 14.4 11.9 通过表 1中的计算结果可知，1km, 2km, 3km, 4km距离下的链路余量均存在，可满足激光通信视场角测试条件。
3. 实际视场角测试
根据设计装置原理和链路能量，对便携式激光通信系统的接收视场角测试装置进行了搭建及试验，如图 2所示。其中，高精度自准直仪选用Trioptics公司的TA300-57，该仪器由1个高分辨率的CCD传感器和配套的物镜管组合而成，视场角为0.61°×0.46°；测量精度为0.5″。功率计选用宝工的MT-7601-C型光纤功率计，测量范围为-70dBm~+6dBm，测量精度为0.01dBm，校正波长包括850nm, 1300nm, 1310nm, 1490nm, 1500nm和1625nm。
具体测试步骤如下：(1)电源供电，由准直平行光源发出1550nm激光进入待测光端机；(2)调节方位俯仰台，使其对准准直平行光源，直至待测光端机的接收能量达到最大；(3)调节能量衰减片，使待测光端机接收到的能量符合链路模拟的接收能量；(4)调节平面反射镜，使高精度自准直仪发出的十字丝返回自身的靶面内；(5)使用高精度自准直仪自带的调节功能，将十字丝调零；(6)调节方位俯仰台的1维(向上)，使光纤功率计接收到的光功率逐渐降低至满足激光通信所需的最低能量(取-30dBm)，测量此时高精度自准直仪偏转的角度θ1；(7)调节方位俯仰台的1维(向下)，光纤功率计接收能量先上升至最大值然后逐渐减低，直至光纤功率计接收光功率为-30dBm，测量此时高精度自准直仪偏转的角度θ2。
通过以上步骤完成便携式激光通信视场角的测试，测量过程中，向上和向下能量衰减间隔为1dBm时，待测光端机偏移中心视场角度，得到待测光端机的角度变化范围。通过多次测量，并将测试数据进行处理，求出上下和左右视场的平均值，进而测得最大视场角。图 3中给出测量1km距离视场角过程中，向上运动到-30dBm时的一次测量角度。图 4中给出了向下运动到-30dBm时高精度自准直仪的一次测量角度。
在此基础上，1km, 2km, 3km, 4km距离下的测试数据如表 2所示。
基于此，图 5给出通信距离与视场角的曲线关系。
Table 2. Data table of field angledistance/dBm upward motionangle/(″) downward motionangle/(″) field of view 2ω /(″) /mrad 1km 123.46 107.41 230.87 1.12 2km 95.10 100.55 195.65 0.94 3km 105.24 96.32 201.56 0.87 4km 97.01 72.89 169.90 0.76 通过以上可以看出，1km, 2km, 3km, 4km不同通信距离下，在探测器灵敏度为固定-30dBm时，测得激光通信接收视场随着距离的增大而逐渐减小，与能量余量与通信距离的变化趋势相同，符合理论通信视场情况。利用该方法对视场角的测量精度高，可以实现更远距离下的通信接收视场测量。
4. 结论
便携式激光通信通信的视场角区别于传统视场角测试，其特点是范围小，测量要求精度高、对准难度大。本文中基于以上特点和难点，提出了基于便携式激光通信视场角测量的方法，测试装置组成包括高精度自准直仪、准直平行光源以及方位俯仰工装。以1km, 2km, 3km, 4km距离为例，计算了链路能量，并对实际系统进行了视场角测量，在探测器灵敏度-30dBm时的通信视场角分别为1.12mrad，0.94mrad，0.87mrad和0.63mrad。该方法的提出解决了便携式激光通信视场角的测量问题，可以测量不同通信距离下的接收视场角范围，并可扩展应用于其它领域的视场角测量。
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Figure 4. Relationship between core dislocation and fiber coupling efficiency of SM and HM
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Figure 5. Relationship between core dislocation and fiber coupling efficiency with different coiling diameter D
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Figure 6. Relationship between coiling diameter and coupling efficiency with core dislocation of 2μm
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Figure 7. Relationship between sensitivity of coupling efficiency to core dislocation and coiling diameter
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