本发明提供了用于对自由空间耦合的单模光纤光传输系统进行多轴主动准直的检测和控制方法与装置，其能够自动优化通过该系统耦合的功率。在一个具体实施例中，耦合功率得到测定并且测定的误差信号通过四轴光束操控元件被用于控制激励，以使在输入光纤(12)和输出光纤(14)之间的光束的四个通常为正交的准直误差归零。利用同步检测方法可测定这四个准直误差。反馈控制系统(100)使这四个误差归零。
1.一种用于检测光束准直系统中的光束准直元件的准直误差的方法，所述准直系统具有光束耦合功率的测量输出而不采用光束准直的直接测量、并且包括光束导向控制器，所述光束导向控制器能够操作以操控从光束源发出的光束撞击光束目标，所述方法包括：施加两组正交激励信号给所述准直元件，以使得所述光束作为准直的自由空间光束从所述光束源被导向至所述准直元件并穿过所述准直元件，从而在所述光束的测定耦合功率中产生至少四个正交变化；
使所述测定耦合功率与所述正交激励信号相关联，以产生至少四个正交的误差信号，其中包括在所述光束导向控制器中使用的至少两个与横向准直参数相关的误差信号、以及两个与角度准直参数相关的误差信号。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述激励信号是处于两个不同频率的正弦与余弦信号。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述施加正交激励信号的步骤还包括对所述激励信号进行预弯曲处理，以改变激励信号的增益与相位，从而对控制系统以及设备对测定耦合功率的增益与相位的影响作用进行预先补偿。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述施加正交激励信号步骤包括施加频率高于自然谐振频率的信号。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述激励信号的频率高到足以生成能够满足谐振响应的衰减要求的检测带宽。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述准直参数是相对于固定透镜元件的，所述方法进一步包括：将每个所述准直参数都映射到一组控制参数，该组控制参数能够控制位置、角度、路径长度和偏振这些可准直分量中的至少一个。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，四个未知的准直误差得到了检测。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在多个轴上的准直误差通过下述步骤检测：利用所述两组正交激励信号对所述测定耦合功率的对数值同时进行解调，从而得到相应的两组解调功率信号；而后在一个最小化的时间周期内对解调后的功率信号进行平均处理以去除纹波分量，所述最小化的时间周期是这样一种最短的时间周期，其中所述激励信号的相对定相能够得以重复。
9.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，对在耦合空间内的四个自由度而言，所述正交激励信号包括四个相应的基于时间的正交高频振动信号。
10.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述正交激励信号以这样一种方式对受控制的高频振动施加影响，即，无论所述受控制的高频振动如何，所述测定耦合功率中的瞬时测定响应总是平直的。
11.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述两个不同的频率具有2∶3的比率。
12.一种用于校正光束准直系统中的光束准直元件的准直误差的方法，所述准直系统具有光束耦合功率的测量输出而不采用光束准直的直接测量、并且包括光束导向控制器，所述光束导向控制器能够操作以操控从光束源发出的光束撞击光束目标，所述方法包括：施加两组正交激励信号给所述准直元件，以使得所述光束作为准直的自由空间光束从所述光束源被导向至所述准直元件并穿过所述准直元件，从而在所述光束的测定耦合功率中产生至少四个正交变化；
使所述测定耦合功率与所述正交激励信号相关联，以产生至少四个正交的误差信号，其中包括在所述光束导向控制器中使用的至少两个与横向准直参数相关的误差信号、以及两个与角度准直参数相关的误差信号；
将所述伺服控制装置的输出施加给所述准直元件以校正所述准直元件的准直。
13.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，所述激励信号是处于两个不同频率的正弦与余弦信号。
14.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，所述施加正交激励信号的步骤还包括对所述激励信号进行预弯曲处理，以改变激励信号的增益与相位，从而对控制系统以及设备对测定耦合功率的增益与相位的影响作用进行预先补偿。
15.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，所述施加正交激励信号步骤包括施加频率高于自然谐振频率的信号。
16.根据权利要求15所述的方法，其特征在于，所述激励信号的频率高到足以生成能够满足谐振响应的衰减要求的检测带宽。
17.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，所述准直参数是相对于固定透镜元件的，所述方法进一步包括：将每个所述准直参数都映射到一组控制参数，该组控制参数能够控制位置、角度、路径长度和偏振这些可准直分量中的至少一个。
18.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，四个未知的准直误差得到了检测。
19.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，在多个轴上的准直误差通过下述步骤检测：利用所述两组正交激励信号对所述测定耦合功率的对数值同时进行解调，从而得到相应的两组解调功率信号；而后在一个最小化的时间周期内对解调后的功率信号进行平均处理以去除纹波分量，所述最小化的时间周期是这样一种最短的时间周期，其中所述激励信号的相对定相能够得以重复。
20.根据权利要求17所述的方法，其特征在于，对在耦合空间内的四个自由度而言，所述正交激励信号包括四个相应的基于时间的正交高频振动信号。
21.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，所述正交激励信号以这样一种方式对受控制的高频振动施加影响，即，无论所述受控制的高频振动如何，所述测定耦合功率中的瞬时测定响应总是平直的。
22.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，所述正交激励信号是与时间相关的正交的周期性高频振动信号，并且其中高频振动沿循着五维耦合空间中的等功率线，在所述五维耦合空间中，一条等功率线对应于穿过所述高频振动信号的多个坐标的轨迹，因此最终测定的功率是恒定的。
23.一种用于检测光束准直系统中的光束准直元件的准直误差的准直误差检测装置，所述准直系统具有光束耦合功率的测量输出而不采用光束准直的直接测量、并且包括光束导向控制器，所述光束导向控制器能够操作以操控从光束源发出的光束撞击光束目标，所述准直误差检测装置包括：用于施加两组正交激励信号给所述准直元件，以使得所述光束作为准直的自由空间光束从所述光束源被导向至所述准直元件并穿过所述准直元件，从而在所述光束的测定耦合功率中产生至少四个正交变化的装置；
用于检测所述测定耦合功率中的所述变化的光功率检测装置；以及
用于使所述测定耦合功率与所述正交激励信号相关联以产生至少四个正交的误差信号的装置，其中所述正交的误差信号包括在所述光束导向控制器中使用的至少两个与横向准直参数相关的误差信号、以及两个与角度准直参数相关的误差信号。
24.一种用于校正光束准直系统中的光束准直元件的准直误差的准直误差控制装置，所述准直系统具有光束耦合功率的测量输出而不采用光束准直的直接测量、并且包括光束导向控制器，所述光束导向控制器能够操作以操控从光束源发出的光束撞击光束目标，所述装置包括：用于施加两组正交激励信号给所述准直元件，以使得所述光束作为准直的自由空间光束从所述光束源被导向至所述准直元件并穿过所述准直元件，从而在所述光束的测定耦合功率中产生至少四个正交变化的装置；
用于检测所述测定耦合功率中的所述变化的光功率检测装置；以及
用于使所述测定耦合功率与所述正交激励信号相关联以产生至少四个正交的误差信号的装置，其中所述至少四个正交的误差信号包括在所述光束导向控制器中使用的至少两个与横向准直参数相关的误差信号、以及两个与角度准直参数相关的误差信号；
用于将所述正交的误差信号施加给伺服控制装置的装置；以及
用于将所述伺服控制装置的输出施加给所述准直元件以校正所述准直元件的准直的装置。
25.根据权利要求24所述的装置，其特征在于，所述正交激励信号是处于具有2∶3的比率的频率的正弦与余弦信号。
用于光束准直检测与控制的方法和装置
技术领域
[0001] 本发明涉及在单模光纤光传输系统中光纤光波导的光交换和自由空间(free-space)耦合。本发明可应用于微电子机械系统(MEMS)，但不局限于此。
背景技术
[0002] 已知光纤光交换结构的四轴检测方案，该方案利用复杂的计量系统间接推算感兴趣的激光束的定位。美国专利No.6,097,858披露的技术内容是这种技术的一个典型代表，该专利转让给了美国科罗拉多州玻尔市的Astarte Fiber Networks公司。其利用前向和反向计量激光(即分别定位于输入光纤和输出光纤上的激光)以及环绕在输入与输出光纤周围的双轴光电导传感器来检测由计量系统测量的光束准直。人们总是期望功率信号最大化，但由于这些增加的计量系统并不直接使用功率信号，因此在计量系统与实际光束之间不可避免地会出现随时间而不断变化着的失准情况，从而导致其性能(使耦合功率最大化的能力)的降低。
[0003] 用于光纤光耦合的Melles Griot主动准直系统也称作NanoTrak自动准直系统，其使用测定的输出功率和同步检测方法将在光学装置的两个控制轴上进行锥形移动的两个角度上的误差归零。圆锥形扫描，虽然适合检测两轴误差，但却不大适用于如本发明所披露的四轴系统或具有更多自由度的系统。其关键限制在于，在一个频率处对第一镜进行锥形扫描而在第二频率处对第二镜进行锥形扫描会产生了一个耦合功率响应，即使准直误差为零(忽略锥角)，该耦合功率响应在与差频率、和频率以及两个频率的第一谐波相等的频率处包含有振动分量。因此，这种双锥形方法不能用于需要恒定输出功率的系统中。
[0004] 目前有需要一种能够克服上述缺陷的主动准直(active alignment)技术。
发明内容
[0005] 根据本发明的一个方面，提供了一种用于检测光束准直系统中的光束准直元件的准直误差的方法，所述准直系统具有光束耦合功率的测量输出而不采用光束准直的直接测量、并且包括光束导向控制器，所述光束导向控制器能够操作以操控从光束源发出的光束撞击光束目标，所述方法包括：施加两组正交激励信号给所述准直元件，以使得所述光束作为准直的自由空间光束从所述光束源被导向至所述准直元件并穿过所述准直元件，从而在所述光束的测定耦合功率中产生至少四个正交变化；检测所述测定耦合功率中的所述变化；以及使所述测定耦合功率与所述正交激励信号相关联，以产生至少四个正交的误差信号，其中包括在所述光束导向控制器中使用的至少两个与横向准直参数相关的误差信号、以及两个与角度准直参数相关的误差信号。
[0006] 根据本发明的另一个方面，提供了一种用于校正光束准直系统中的光束准直元件的准直误差的方法，所述准直系统具有光束耦合功率的测量输出而不采用光束准直的直接测量、并且包括光束导向控制器，所述光束导向控制器能够操作以操控从光束源发出的光束撞击光束目标，所述方法包括：施加两组正交激励信号给所述准直元件，以使得所述光束作为准直的自由空间光束从所述光束源被导向至所述准直元件并穿过所述准直元件，从而在所述光束的测定耦合功率中产生至少四个正交变化；检测所述测定耦合功率中的所述变化；以及使所述测定耦合功率与所述正交激励信号相关联，以产生至少四个正交的误差信号，其中包括在所述光束导向控制器中使用的至少两个与横向准直参数相关的误差信号、以及两个与角度准直参数相关的误差信号；将所述正交误差信号施加给伺服控制装置；以及将所述伺服控制装置的输出施加给所述准直元件以校正所述准直元件的准直。
[0007] 根据本发明的再一个方面，提供了一种用于检测光束准直系统中的光束准直元件的准直误差的准直误差检测装置，所述准直系统具有光束耦合功率的测量输出而不采用光束准直的直接测量、并且包括光束导向控制器，所述光束导向控制器能够操作以操控从光束源发出的光束撞击光束目标，所述准直误差检测装置包括：用于施加两组正交激励信号给所述准直元件，以使得所述光束作为准直的自由空间光束从所述光束源被导向至所述准直元件并穿过所述准直元件，从而在所述光束的测定耦合功率中产生至少四个正交变化的装置；用于检测所述测定耦合功率中的所述变化的光功率检测装置；以及用于使所述测定耦合功率与所述正交激励信号相关联以产生至少四个正交的误差信号的装置，其中所述正交的误差信号包括在所述光束导向控制器中使用的至少两个与横向准直参数相关的误差信号、以及两个与角度准直参数相关的误差信号。
[0008] 根据本发明的又一个方面，提供了一种用于校正光束准直系统中的光束准直元件的准直误差的准直误差控制装置，所述准直系统具有光束耦合功率的测量输出而不采用光束准直的直接测量、并且包括光束导向控制器，所述光束导向控制器能够操作以操控从光束源发出的光束撞击光束目标，所述装置包括：用于施加两组正交激励信号给所述准直元件，以使得所述光束作为准直的自由空间光束从所述光束源被导向至所述准直元件并穿过所述准直元件，从而在所述光束的测定耦合功率中产生至少四个正交变化的装置；用于检测所述测定耦合功率中的所述变化的光功率检测装置；以及用于使所述测定耦合功率与所述正交激励信号相关联以产生至少四个正交的误差信号的装置，其中所述至少四个正交的误差信号包括在所述光束导向控制器中使用的至少两个与横向准直参数相关的误差信号、以及两个与角度准直参数相关的误差信号；用于将所述正交误差信号施加给伺服控制装置的装置；以及用于将所述伺服控制装置的输出施加给所述准直元件以校正所述准直元件的准直的装置。
[0009] 依照本发明，提供了用于对自由空间耦合(free-space)的单模光纤光传输系统进行多轴主动准直的检测和控制方法与装置，其能够自动优化通过该系统耦合的功率。在一个具体实施例中，耦合功率得到测定并且测定的误差信号通过四轴光束操控元件被用于控制激励，以便使在输入光纤和输出光纤之间的光束的四个通常为正交的准直误差(包括两个横向误差和两个角度误差)归零。利用同步检测方法测定这四个准直误差。反馈控制系统使这四个误差归零。这里披露的关于四轴检测与控制的理论基础对于通常情形的理解就已足够了。因此，本说明书中公开内容应当理解为适用于使用多于或少于四轴的应用情形。
[0010] 涉及准直的本发明应用了同步检测。在四轴同步检测的情况下，控制系统使用四个截然不同模式的振荡指令(高频振动)作为四个标称操控指令的激励信号。这些高频振动(dither)必须是正交的，它们都经特定选择以用于使测定的耦合功率在高频振动频率处产生四个相应的时间正交变化，这些高频振动频率正比于各自的准直误差。在本说明书中披露的用于检测的正交模式变化信号的具体例子是在两个不同频率处的两组正弦和余弦信号。通过下文结合附图对本发明的详细描述说明，本发明将更加容易理解。
附图说明
[0011] 图1是其中可以实现本发明的四端MEMS镜阵列光纤光交换的原理框图。
[0012] 图2示出了本发明中使用的输出透镜处的光束准直误差。
[0013] 图3是描述恒定功率高频振动的三维图。
[0014] 图4是说明依照本发明的同步检测方法中的各个步骤的流程图。
[0015] 图5是说明依照本发明的控制系统的示意图。
具体实施方式
[0016] 使用MEMS的自由空间耦合光纤交换机
[0017] 参看图1，其中示出了可以采用本发明的四端MEMS镜阵列光纤交换机10的一个例子。光纤交换机10的作用是借助第一镜阵列16和第二镜阵列18上的双轴操纵镜以在输入光纤(第一光纤阵列12中)和输出光纤(第二光纤阵列14中)之间产生所需的自由空间耦合。在本发明所述实施例中，输入光纤和输出光纤之间的光路径是单向的，但本发明未做这样的限定。由输入光纤阵列12发出的扩展激光束通过面对着第一光纤阵列12的第一透镜阵列20而得以充分准直。第一或输入镜阵列16上的镜子控制准直的光束23-26以使其从第一透镜阵列20射向位于第二或输出镜阵列18上的适当镜子。输出镜阵列18上的镜子控制它们的入射光束23’-26’以使其射入到第二或输出透镜阵列30上的相应透镜。第二透镜阵列30的输出透镜产生为将功率耦合进入第二光纤阵列14的输出光纤23”-26”所必需的会聚光束。
[0018] 输出光束的准直几何
[0019] 参看图2，其中示出了描述依照本发明所述的输出光束相对于其输出透镜/光纤端面的准直情况的示意图。这种准直技术可以采用多种几何结构，图1所示的只是其中之一种。轴“x”、“y”与“z”定义出了“输出”坐标系。轴z定义为特定透镜/光纤端面的光轴(其可以随透镜/光纤端面阵列的改变而改变)，而相互垂直的轴x和y都位于与z相垂直的平面内。光束和输出x-y平面的交点在x和y方向上的线性位移分别为Px和Py。两个角度θx和θy定义为光束在输出x-y-z坐标系中的方向角。当θx和θy都等于零时，光束与z轴平行。θx和θy分别是光束在x和y轴方向上的旋转角，在小角度近似情形下(对分析光耦合是合理有效的)，不需要定义旋转的级次(order)。为了清楚说明旋转，在光束方向上的单位矢量小角度近似在输出坐标系下表达为：
[0020]
[0021] 高斯功率耦合
[0022] 假定纵向失准度为零且该光束与输出光纤的模式场辐射(radius)相匹配，则总耦合功率Pout(在输出光纤处测量得到的标量)可以近似为关于输入功率Pin和四个规格化(normalized)的光束准直误差的高斯形式：
[0023]
[0024] 其中Pin是因准直误差引致的损耗之前的光功率值，而四个规格化的光束准直误差α、β、ρ和σ则给出如下：
[0025]
[0026]
[0027] 而
[0028]
[0029] 其中：
[0030] f是透镜焦距，
[0031] w0是在1/e2功率密度下的光束半径，
[0032] λ是激光波长，而
[0033] ngap是透镜/光纤间隙内的介质的折射率。
[0034] 恒定功率的高频振动
[0035] 在MEMS光纤光交换的耦合功率在四个规格化准直误差中为高斯型的情况下，当准直误差(忽略高频振动分量)为零并且系统的模型参数得到适当调整时，对光束准直的高频振动求积分(在给定频率上的正弦和余弦信号)产生一个恒定的耦合功率。图3为四个轴中的两个轴描述了利用高频振动求积分以提供恒定输出功率的概念，此时耦合功率关于图示两个准直误差是呈高斯型分布的。当准直误差(忽略高频振动分量)如图3所示为零时，在任意给定频率处的正弦和余弦高频振动，无论它高于或低于装置的自然谐振，都会在两个准直误差中产生圆形轨迹。由于这两个准直误差的平方和是常数(由正弦和余弦高频振动特性导致)，如公式1所示，即使单个误差发生改变，其结果也仍能得到恒量衰减的耦合功率。假如另外两个高频振动也是积分形式的，则这些高频振动将导致二次恒量损耗项，因此由这四个高频振动引起的总衰减水平是恒量。
[0036] 针对高斯耦合的同步准直误差检测技术
[0037] 如上文所讨论过的那样，在角度α和β以及位置ρ和σ中的四个规格化坐标误差是利用同步检测测得的。下面将针对标量规格化误差x的简化情形解释该检测过程。耦合输出功率按照下式以高斯形式给出：
[0038]
[0039] 其中在时间t处的x(t)是未知误差xu和在频率fd处的已知正弦波型高频振动分量误差xd(t)的总和：
[0040] x＝xu+xd。
[0041] 功率Pout的对数表达如下：
[0042] log(Pout)＝log(Pin)-x2。
[0043] 由于数值x2给定如下：
[0044] x2＝(xu+xd)2
[0045] ＝xu2+2xu xd+xd2，
[0046] 所以功率的log表达如下：
[0047] log(Pout)＝log(Pin)-(xu2+2xuxd+xd2)。
[0048] 定义λ为该功率的log值的负值：
[0049] λ＝-log(Pout)，
[0050] 则λ可表述为：
[0051] λ＝(xu2-log(Pin))+2xuxd+xd2。
[0052] 表达式λ可分解为如下三个分量：
[0053] 1.(xu2-log(Pin))是近似直流项(假定Pin为常数且xu的信号内容相对于fd处于较低频率上)；
[0054] 2.2xu xd，对未知误差和高频振动的调制，在fd处具有一个项；
[0055] 3.xd2具有直流项和2fd项。
[0056] 因此耦合的平方效应产生一个以功率的对数形式出现的分量(λ的分量#2)，其正比于以未知准直误差xu调制的高频振动信号xd。可以从λ(t)中利用解调处理将未知准直误差xu解析出来，即，通过将λ(t)乘以高频振动信号xd(t)并且对作为结果而得到的乘积进行滤波处理从而在高频振动频率及其谐振频率处去除剩余项。该乘法步骤所产生的乘积信号Λ(t)如下所示；
[0057] Λ(t)＝λ(t)xd(t)
[0058] λ(t)和正弦波形高频振动xd(t)的乘积在Λ(t)中产生了xd(t)的各个幂次(powers)。在信号内容处于高频振动频率fd处时，λ的直流项导致在Λ项中产生了一个2
与xd成正比的项。在fd和3fd下，λ的xd 分量的2fd项产生了Λ中的信号。2xu xd分量导致在Λ中产生一个与xu以及xd的振幅成正比的直流项(检测得到的误差xdet)，并且还在2fd处产生一个Λ中的信号，该信号的振幅正比于xd振幅的平方。检测得到的误差xdet是Λ在直流上的唯一项，并且可以利用跨越一个时间周期Tavg的移动平均滤波器进行分离，该Tavg等于一个或多个高频振动信号的周期Td(Td＝1/fd)。这样一种滤波器保持了其输入信号的低频宽，同时将信号抑制在平均频率favg＝1/Tavg及其谐频处。当将信号内容抑制在fd及其谐频处时利用这种滤波器对Λ滤波可以解析出检测得到的误差xdet：
[0059] xdet＝MoveAvgFilt(Λ(t))。
[0060] 图4说明了依照本发明的带有高斯耦合功率的同步检测方法。参看图4，未知光束准直误差A和机械原因引入的高频振动B(通过预弯曲函数I被改变)组合构成了在输出透镜处的总准直误差x(如C中所示)。光束23’中耦合到光纤23”(如图1所示)中的功-x2率部分可表示为如D中所示的准直误差e 的高斯函数，其产生具有如图所示特性E的光-x2 2
输出功率Pout＝Pine 。对输出功率取对数函数F可得到参量x。该参量包含有未知误差和高频振动的调制信息，通过在乘法器G处与高频振动B相乘可解调该参量。利用移动平均滤波器H对解调后信号进行滤波处理可生成测定误差信号J，所述移动平均滤波器H具有与高频振动相适应的合适的频率响应。利用预弯曲I对高频振动的增益和相位进行修改，可以对设备与控制系统对测得的耦合功率增益与相位的影响作用做出预先补偿。增大高频振动的频率可允许较大的检测带宽且不会脱离所需的恒定功率特性。如果高频振动频率远远高于MEMS装置的谐振频率，则检测带宽将足以满足允许谐振响应的衰减。
[0061] 该检测技术在四轴上的扩展
[0062] 依照本发明，在上文部分描述的同步检测技术可以推广到同时在MEMS光纤交换机(如图2所示)的四个准直中的检测误差。在这种情况下，四个时间正交模式的高频振动信号被与四个光束准直坐标相关联。本方法是利用这四个正交高频振动信号通过一对一方式激励促动这四个光束准直坐标，以确保对准直误差的去耦检测。
[0063] 作为一个例子，本发明可以利用在两个分立频率上的正弦与余弦信号而在这四个高频振动上得以实现，其中平均频率favg和两个高频振动频率f1、f2的比率为1∶2∶3，即
[0064] f1＝2favg，
[0065] f2＝3favg。
[0066] 在由Tavg＝1/favg给出的一个平均周期的时间长度内，2x高频振动表示重复两次，而3x高频振动表示重复三次，且此时四个高频振动完成了相对定相(phasing)的一整个循环。相对定相的这一整个循环的时间周期Tavg是用于理解基于时间正交概念的定义时间周期。在一个平均周期内，四个高频振动信号的乘积的平均值为零。在相对定相的整个循环周期上进行平均处理，因此可以避免调制相位中的交叉抖动频率干扰。在每一高频振动频率上的正弦与余弦高频振动信号固有地各自在其各自单个周期循环内彼此都是时间正交的，因此它们自然在等于2x或3x于它们的循环周期的Tavg内也是时间正交的。
[0067] 控制系统
[0068] 图5是说明依照本发明的控制系统100的原理图，控制系统100与图1所示光纤交换机的各元件相互作用。控制系统100可对准直误差提供检测和伺服控制。控制系统100为镜阵列16、18上的一对MEMS镜提供激励电压。MEMS镜产生了作为激励电压的函数的四个镜子角度。针对光学设计的反射运动109给定了四个镜子角度和四个光束在透镜阵列30的输出透镜(如图2所示)处的准直误差之间的映射关系。如公式1所给出的那样，进入输出光纤阵列14的输出光纤中的功率耦合在四个光束准直误差中是高斯型的。图5原理性描述说明了图1所示的转换过程，其中光束23由镜子16、18操控以产生入射到输出透镜阵列30的透镜上的光束23’，而入射光束23’耦合通过该透镜进入相关的输出光纤阵列14的光纤23”中。光输出的功率抽头(tap)108提供反馈信号，该反馈信号通过光探测器110被转换为电信号。在控制系统100中，反馈功率信号通过log函数112转换为log信号，而后作为输入信号被供给乘法器114。高频振动参考信号120被提供给乘法器114和预弯阶段处理装置(prewarp stage)121。预弯阶段处理装置修改高频振动的增益和相位，就设备与控制系统对测定耦合功率的增益与相位的影响作用做出预先补偿。
[0069] 再来参看图5，乘法器114的输出为高频振动参考信号120和测定功率对数值112的乘积，该输出被提供给滤波器124。滤波器124可以是预先选择周期长度的移动平均滤波器，用于提取误差信号(近直流)分量，同时对高频振动参考信号中的非自然信号(artifact)进行噪声抑制，就像前面所说明的那样。误差信号e被提供给伺服控制规则元件102，该元件102产生一组反馈控制信号。
[0070] 加法器104将来自伺服元件102的反馈控制信号和来自预弯曲阶段处理装置121的经预弯曲处理的高频振动信号合并起来，这两个信号都是输出空间(output-space)分量α、β、ρ和σ之中的矢量。反转运动与激励元件107将输出空间指令转换为电压反馈指令。在加法器105中将额定连接偏压126与电压反馈指令相加以生成激励电压指令。
[0071] 新颖的特征
[0072] 这种四轴检测方法的许多方面都是新颖的。首先，本发明直接利用测定的耦合功率信号而不是并联平行(in-parallel)的计量系统(其存在容限公差和漂移误差)来检测系统中的四个可控误差， 因此保证了控制器使用的是无偏差的误差估算且因此使输出达到最大化。第二，本发明首次将同步检测用于检测四光束准直误差。第三，可以选择高频振动模式(操纵指令的静态组合)以便使误差检测中的耦合最小化(因此单个误差不会影响对其它误差测定的值)。去耦检测确保得到较快的伺服响应。第四，调制和解调的高频振动信号在预弯曲阶段处理装置中得到放大和时间相位处理，从而适应系统的增益与相位要求，这避免了在误差检测过程出现附加的与频率相关的耦合。第五，调制/解调技术指明了如何去选择两个高频振动频率以及第三平均频率，从而避免交叉频率干扰，交叉频率干扰是检测过程中耦合的另一个源头。第六，高频振动信号的相对幅度被限定从而可在准直误差为零时产生一个恒定输出功率。
[0073] 本发明具有许多优点。如果光束准直误差为零，则通过系统耦合的功率响应是平直的，并且虽然高频振动可能会降低输出信号的直流功率水平，但在施加的高频振动信号频率处将不再有功率变化。另外，输出信号的功率中不会有明显的高频振动频率的谐振，因为在给定频率处两个高频振动是在彼此90度相位差的两个正交轴上的。这在图3实施例中非常明显。
[0074] 其它实施方式
[0075] 对高频振动模式变量来讲，在两个频率上选择正弦与余弦波之外的其它波形也是可行的。可以在四个频率上使用正弦曲线，但是输出功率不能维持恒定并且用于最小化交叉频率干扰的平均处理方案将变得更加复杂。对高频振动进行扩谱处理也是可行的，但是它也面临着同样的问题。
[0076] 除了使用如上所述的空间去耦的高频振动模式之外，也可以使用空间耦合的模式。在这种情形下，需要一个额外步骤以对解调的误差信号进行去耦处理。
[0077] 对平均和高频振动频率而言可以有其它选择。例如，1∶1∶2组合的高频振动频率和平均高频振动频率提供了一个时间正交组，但是1x高频振动的其它谐振频率将侵扰在2x频率处的检测。还可以有其它更多的选择可能，但是每一具体情形都需要进行关于系统特性的评估。
[0078] 本发明是参照具体实施例进行解释说明的。但是对于本领域普通技术人员而言其它实施例是显而易见的。例如，这种光束准直系统可以应用于光束追踪等。因此本发明不受具体实施例的局限，仅以附加权利要求为准。
