温度场对空间光到单模光纤耦合效率影响分析①

任兰旭,张缓缓,薛婧婧,夏方园,王 静,李 帅

(中国空间技术研究院西安分院,西安 710000)

0 引言

激光通信与传统微波通信技术相比,具有体积小、质量轻、功耗低、容量大、速率高和抗干扰等优点,它是未来空间通信的重要发展方向[1-4]。 通信接收单元作为激光通信终端的重要部分,其通信方式可分为空间光直接探测和空间光到光纤耦合探测,由于空间光经过光纤到探测模块装配简单,因此光纤耦合效率一直是研究的热点[5-7]。 通常温度变化会对系统像质、横向偏移、轴向偏移及对准角度等产生影响,进而引起耦合效率的变化,而温度变化分为均匀和非均匀两种形式,由于非均匀温度梯度场经过元件的传热会引起光学和结构非线性变化,入射光线的传输模型十分复杂,加上空间光学载荷温度场相对稳定,因此常基于均匀温度场研究空间光到单模的耦合效率[8]。 2014 年,哈尔滨工业大学曹桂源等人[9]研究了温度变化对反射式光学天线离焦的影响,并分析了均匀温度变化与空间光到单模耦合效率,实验结果表明当温度变化大于2 ℃,光学天线离焦量增大52 μm,造成聚焦透镜的耦合效率下降约10%。2018 年,中国科学院上海技术物理研究所况耀武等人[10]分析得出Zernike 初级像差中球差是影响单模光纤耦合效率主要因素,并对光纤耦合系统在不同温度下的耦合效率进行了测试,在20.4 ℃±2 ℃的温度范围内耦合效率最低为45.7%。

文章针对两镜式聚焦透镜系统,利用热膨胀理论,计算了均匀温度场与透镜组焦点的轴向、径向相对平移和光纤模式的关系,结合空间光到单模光纤耦合理论,推导了光纤耦合效率与温度场的关系,提出了一种高耦合效率、高温度适应性的前端法兰对称式结构。……