Optics Express | 使用角锥型横向转移反射器进行三孔径阵列主动相位锁定

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引言
% T( O( U6 M7 m- h3 x" R. L自由空间光通信（FSO）比当前无线技术提供更高的带宽。随着数据需求持续增长，FSO系统变得越来越重要，尤其是在卫星间通信方面。FSO通信的一个关键挑战是实现高天线增益，这与孔径大小直接相关。

虽然大孔径对长距离链路有利，但也带来了显著的缺点。FSO系统中使用的光学元件表面粗糙度需要在几十纳米级别，这使得大孔径昂贵且难以制造。一种替代方法是使用多个较小、更容易制造的孔径阵列来模拟单个大孔径。然而，为了充分实现多孔径阵列的优势，必须在远场coherently结合这些光束。
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$ F7 p9 o/ C, f) v5 B! N8 G本文将探讨使用角锥型横向转移反射器（LTR）进行三孔径阵列coherent光束合成（CBC）的新技术。讨论这种方法背后的原理、优势，并详细介绍证明其有效性的实验设置[1]。
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图1说明了LTR采样技术的概念。(a)部分显示了采样阵列的俯视图，而(b)部分提供了设置的3D渲染图。

4 S: k% K* |5 g4 s9 A横向转移反射器技术
这种新型CBC方法的核心是使用反射器，特别是横向转移反射器（LTR）。LTR从阵列中每个孔径的边缘采样光束，并将采样的光束重定向通过中心间隙。这种采样技术提供了三孔径阵列的角度和相位信息，可用于锁定光束的相位和倾斜/倾斜。

( l5 U6 O! T6 Q这种方法的主要优势包括：

消除了笨重的采样光学元件，这对于长距离卫星间FSO通信所需的大直径阵列特别有利。

与内部感测方法相比更简单，内部感测方法可能复杂且可能引入相位模糊。

能够同时监测相位和光束角度，这是一些其他外部采样技术所不具备的。
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工作原理

LTR位于阵列的中心间隙内，略微与三个孔径的边缘重叠。

每个光束从LTR足迹与孔径边缘的交叉处采样。

采样的光束横向转移并发送回由其他两个孔径的曲率形成的间隙中。

由三个反向传播样本形成的较小阵列保留了较大阵列的角度和相位信息。
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1 e/ Z* f+ U1 E7 D* p/ S然后可以使用各种锁定方法对这个采样阵列进行coherent光束合成。
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实验设置
9 `7 y1 O( t: O& M. G2 N! y% o为了证明这种技术的有效性，使用三孔径阵列和LTR采样方法创建了一个实验设置。

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7 S3 C; T: ]: h% g图2提供了实验设置的示意图，显示了关键组件及其排列。

! n7 r* w, {1 [# |' b( d0 w2 R3 V设置的关键组件包括：

工作在1550nm的光纤耦合激光器，使用三路光纤分束器分成三部分。

三个望远镜，每个都有两个相位调制器（一个用于锁定，一个用于模拟相位噪声）和一个光纤偏振旋转器。

一个带有反射金涂层的1英寸反射器（LTR）。

一个大透镜（6英寸直径，1000mm焦距）用于模拟三孔径阵列的远场。

分束器、相机和小孔，用于监测和锁定光束。

国家仪器Compact RIO机箱，用于实现随机并行梯度下降（SPGD）算法。
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  E3 F& S7 b% T8 q! ^( |图3显示了实际实验设置的照片，提供了上述排列的视觉表示。
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锁定过程
实验使用功率桶（PIB）代价函数进行SPGD优化。采样的光束聚焦到一个小孔中，并最大化通过小孔的功率。这个过程允许对三孔径阵列进行相位锁定。
% P! W% X6 N1 Y; q* m0 S1 X8 F& @
. ]8 b  W2 p7 [, U! ?7 h结果
8 i  X/ W  {/ n& T3 h8 c6 S实验结果证明了LTR采样技术在coherent光束合成中的有效性。
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图4显示了远场干涉图案的比较。(a)和(c)部分显示了前远场的实验和模拟图案，而(b)和(d)部分显示了LTR采样远场的图案。(e)和(f)部分提供了实验数据和模拟的切片，证明了前远场和LTR远场图案都具有良好的条纹对比度。

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图5说明了相位锁定过程的有效性。(a)和(b)部分分别显示了开环和闭环状态下的前远场图案。(c)部分显示了峰值功率的实验演变，当锁定启动时显示出明显的跳跃。(d)部分确认这个跳跃不是由激光输出功率的变化引起的。
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: Z; s$ d) J$ [; ^. s+ W5 c$ b3 ~# \0 s优势和未来方向
+ U' ?. P. |8 @7 `% U) v9 _7 Q与其他提出的孔径阵列相位锁定概念相比，LTR系统提供了几个优势：

对倾斜不敏感，为失准和公差提供了优势。

采样光束准直，允许更大的设计空间。

可能进行独立的相位、倾斜/倾斜和准直传感器。
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该领域的未来工作可能包括：

进一步优化和研究，以比较这种锁定方案与其他方案。

扩展到更多孔径，可能使用中央主光束或多个三孔径阵列的级联相位控制方案。

应用于实际的FSO通信系统，特别是长距离卫星间链路。
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结论
, R7 e7 ~* {* Y( [  S7 m1 Z6 m% X使用反射器对每个孔径进行采样的新型CBC相位锁定系统代表了coherent光束合成技术的重大进步。通过消除对笨重采样光学元件的需求，并提供相位和角度信息，这种技术为长距离FSO通信系统中的大直径阵列提供了promising的解决方案。
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2 U: n0 Q! b  Q随着对高带宽、长距离通信需求的持续增长，这种技术将在下一代FSO系统的实现中发挥关键作用。LTR采样方法的简单性、有效性和可扩展性使其成为先进光通信技术持续发展中的宝贵工具。

参考文献
[1] B. Petrak and M. Krainak, "Active phase locking of a three-aperture array using a corner cube lateral transfer reflector," Opt. Express, vol. 32, no. 16, pp. 28169-28174, Jul. 2024.
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