光栅螺旋扫描与SPGD算法提升单模光纤耦合效率

"基于光栅螺旋扫描和SPGD算法的单模光纤耦合方法" 在光通信领域，将空间光高效地耦合到单模光纤中是实现高速、长距离通信的关键技术之一。然而，实际操作中，由于聚焦光斑与单模光纤之间的初始对准误差以及随机横向偏移，会导致严重的耦合损耗，从而影响通信系统的性能。针对这一问题，研究人员进行了深入的理论分析和实验探索。 首先，他们建立了空间光到单模光纤耦合的理论模型，揭示了横向偏移和随机抖动对耦合效率的直接影响。横向偏移可能导致光能量无法准确进入光纤核心，造成能量损失，而随机抖动则进一步加剧了这种不稳定性，降低了耦合效率。 为了克服这些挑战，研究者提出了一个创新的耦合方案，该方案结合了光栅螺旋扫描算法和随机并行梯度下降（SPGD）算法。光栅螺旋扫描算法利用光栅周期性地改变入射角，逐步调整光束位置，以校正初始对准误差。通过设置适当的扫描步长，可以确保高概率地校正对准误差，实验证明校正成功概率超过99%。这大大减少了由于初始对准误差造成的耦合损耗。 校正后的残余误差主要集中在0.5~6.5微米的范围内，尽管这已经显著改善了耦合效率，但仍有优化空间。为此，研究中引入了SPGD算法，这是一种优化算法，用于处理随机环境中的问题。当开启SPGD控制时，它可以快速适应并校正聚焦光斑与光纤间的随机横向偏移，使得耦合效率进一步提升至0.81，这一数值接近于无湍流条件下的理论极限，显示出极高的耦合效率。 这项工作不仅提供了对空间光通信中耦合问题的深入理解，还提出了一种有效的解决策略。光栅螺旋扫描和SPGD算法的结合，显著提高了耦合效率，降低了由对准误差和随机偏移引起的损失，这对于实际光通信系统的优化和性能提升具有重要意义。这一研究成果对于推动光通信技术的发展，特别是在自由空间光通信系统的应用上，具有重大的实践价值。