CN103746745B - 一个大量程光学延迟装置 - Google Patents

Abstract

本发明属于光纤传感与光学测量领域，具体涉及到了一种大量程光学延迟装置。大量程光学延迟装置，由阶跃型光程倍增装置与连续式光程扫描装置通过传输光纤连接而成；其中，连续式光程扫描装置的光程连续扫描范围为0～X₀；阶跃型光程倍增装置（110）由n个长度固定的不同延迟光路a₀、a₁……a_n组成，延迟光路的光程分别为L₀、L₁……、L_n，L₀=0，n=0，1，2，……，相邻延迟光路的光程增加满足L_n+1‑L_n＜X₀，X₀‑d＜L_n+1‑L_n＜X₀，且L_n+2‑L_n+1≤L_n+1‑L_n，本发明将固定延迟模块和可变光程延迟机构组合在一起，实现了任意光程的连续扩展；通过本装置实现了光程的无缝接续，借助于扫描台的高精度，满足了在同一精度下的连续扫描功能。

Description

一个大量程光学延迟装置

技术领域

本发明属于光纤传感与光学测量领域，具体涉及到了一种大量程光学延迟装置。

背景技术

近些年来，光纤传输在通信领域得到了广泛应用和快速发展。各种光纤器件的研究和应用也随之涌现出来。作为新型信号处理器件的光纤延迟线（Fiber Delay Line，FDL）已经从最初简单的一段光纤发展到现阶段具有多种复杂结构的独立器件，成为光信息处理技术中的关键器件之一，具有多种信号处理功能，如在光纤传感与光学测量系统中参与实现测量信号的采集与传输、在光纤通信系统中实现信号的编码与缓存、在光控相控阵天线系统中实现微波信号的精确相位分配与控制、雷达回波信号的相关除噪等。相比传统的延迟线（如电缆延迟线、石英延迟线等），光纤延迟线具有工作频率高、带宽大、损耗低、结构简单、易实现多位延迟、抗电磁干扰能力强、保密性好、重量轻及性价比高等特点，应用前景广阔。

但由于在不同条件下，需要不同的延迟时间，所以就要求延迟器件能够实现延迟时间的可调。而目前常用的可变光延迟线由多条光纤或者光波导组成，每条光路长度不同，通过级联光开关的选择，使得光信号可以通过不同长度的光纤或波导，从而获得不同的延迟时间，但是就目前而言，光延迟线存在若干缺点：1、增量可调型延迟线具有较大的延迟范围，但非连续可调；2、连续可调型延迟线的调节精度高，但延迟范围通常较小，通常在几百ps以下；3、延迟线连接损耗大、精度低。而这些缺点也大大限制了光学延迟线的应用范围。所以如何能够实现一种既有大动态范围，又可以连续可变，低损耗，高精度的光学延迟线，在光通信、光传感以及光学处理等领域具有迫切的需求。

1993年，美国Douglas M.Baney等人公开了一种光学低相干反射计的光程扩展方法[Extended distance range optical low-coherence reflectometer,USPatent5268738]，该发明利用一个参考光信号多次的反射来进行光程扩展，通过参考光信号的每次复制获得不同的延迟时间；产生复制光信号的结构有环形腔、F-P腔以及光纤延迟线等。该装置可以做到光程的连续扫描，但是延迟光信号相互重叠，无法将信号光程分离开。

2005年，美国的Christi Kay Madsen等人公开了一种大范围连续可调的光学延迟线[Compact solid-state variable optical delay line with a large continuoustuning range,US Patent6956991B2]，该发明利用一系列光学开关选择长度固定的不同延迟光路，由于光信号经过的路程不同，从而获得不同的延迟时间；与Douglas M.Baney等人的方案相比，既做到了光程的连续扫描，又做到了对光程的可调改变。

2007年，美国的Oleg M.Efimov等人公开了一种数字化可控的光学延迟线[Digitally controlled optical fiber delay line,US Patent,7283708B2]，该发明利用了多阵列的光纤模块（光学分束器，光纤放大器，连接器以及光学准直器等）进行光程扩展；与传统方法比较，功能更强大，用途更广泛，但是无法做到了光程的连续可调，并且结构更加复杂。

本发明公开了一种大量程的光学延迟装置，将传统延迟线的固定延迟模块和连续扫描装置有序的组合到了一起，分为反射式和透射式两种连接结构。固定延迟装置主要是由长度固定的不同延迟光路组成，保证了光学延迟装置的阶跃调整；扫描装置则基于可变光程延迟机构，在一定光程范围内实现高精度的光程延迟和连续的光程可调，结合两者的优点，从而实现了大量程、任意光程连续可调的延迟装置，而且满足了对于光程无缝接续的要求，可调范围更大、延迟精度更高、插入损耗更小，延迟范围可达几十纳秒到几百纳秒，精度更是达到了飞秒量级。

发明内容

本发明的目的在于提供一种超大量程的光学延迟装置，实现任意光程的连续可调以及光程的无缝接续，从而获得更大的扫描范围和更高的延迟精度。

本发明的目的是这样实现的：

大量程光学延迟装置，由阶跃型光程倍增装置与连续式光程扫描装置通过传输光纤连接而成；其中，连续式光程扫描装置的光程连续扫描范围为0～X₀；阶跃型光程倍增装置由n个长度固定的不同延迟光路a₀、a₁……a_n组成，延迟光路的光程分别为L₀、L₁……、L_n，L₀=0，n=0，1，2，……，相邻延迟光路的光程增加满足L_n+1-L_n＜X₀，X₀-d＜L_n+1-L_n＜X₀，且L_n+2-L_n+1≤L_n+1-L_n，d为误差值，相邻两臂的光程差满足条件：

阶跃型光程倍增装置装有光学开关，在光学开关的控制下，单独或级联使用依次实现不同延迟光路固定光程L₀、L₁……、L_n的切换。

由光学准直器、光学反射镜和程控位移台组成所述的连续式光程扫描装置，待延迟光信号由光学准直器准直后出射，经过光学反射镜后，再次回到光学准直器中；光学反射镜在程控位移台的带动下，实现光程的连续扫描。

由缠绕光纤的PZT构成所述的连续式光程扫描装置；待延迟光信号由阶跃型光程倍增装置进入到PZT的输入端口（d）中，并由PZT的输出端口（e）出射；通过给PZT施加不同的电压，使其不断收缩与膨胀，从而改变了PZT上光纤的长度，实现光程的连续扫描。

由一组光学准直器、一组光学反射镜和程控位移台组成所述的连续式光程扫描装置；待延迟光信号由阶跃式光程倍增器进入到第一光学准直器中，准直后出射，先后经过两个角度 相互垂直的光学反射镜后，反射到第二光学准直器中，并由输出端口（g）出射；两个角度相互垂直的光学反射镜在程控位移台的带动下，实现光程的连续扫描。

由环形器、光学准直器、光学反射镜和程控位移台组成所述的连续式光程扫描装置；待延迟光信号由环形器第一输入端（h）进入，通过环形器的第一输出端（i）入射到光学准直器中，准直后出射，经过光学反射镜的反射后，再次回到光学准直器中，并由环形器的第二输出端（j）输出；光学反射镜在程控位移台的带动下，实现光程的连续扫描。

本发明的有益效果在于：

（1）延迟范围大：将固定延迟模块和可变光程延迟机构组合在一起，实现了任意光程的连续扩展；

（2）扫描精度高，插入损耗小：通过本装置实现了光程的无缝接续，借助于扫描台的高精度，满足了在同一精度下的连续扫描功能；

（3）结构灵活多样：采用不同拓扑结构、不同器件的连续式光程扫描装置，满足了对于不同光纤传感系统的需求。

附图说明

图1是反射型大量程光学延迟装置的示意图。

图2是光程扩展接续的工作示意图。

图3是利用若干个2×2光学开关结构的光程倍增装置示意图。

图4是利用PZT进行连续扫描的透射型光学延迟装置结构示意图。

图5是利用一组相互垂直的光学反射镜进行连续扫描的透射型光学延迟装置结构示意图。

图6是基于三端口环形器的透射型光学延迟装置结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步描述：

大量程光学延迟装置，由阶跃型光程倍增装置110与连续式光程扫描装置120通过传输光纤130连接而成；其中，连续式光程扫描装置120的光程连续扫描范围为0～X₀；阶跃型光程倍增装置110由长度固定的不同延迟光路（a₀、a₁……a_n）组成，其光程分别为L_n（L₀=0，n=0，1，2……），相邻延迟光路的光程增加需要满足L_n+1-L_n＜X₀，L_n+1-L_n≈X₀，且L_n+2-L_n+1≤L_n+1-L_n；在光学开关111的控制下，不同延迟光路依次实现固定光程L₀、L₁……、L_n的切换。

阶跃型光程倍增装置110与连续式光程扫描装置120，按连接关系可分为反射型大量程光学延迟装置11和透射型大量程光学延迟装置41、51、61两种结构，其中反射型光学延迟装置只具有一个输入/输出共有的光学端口，透射型光学延迟装置具有两个光学端口，分别用 于光信号的输入和输出。

阶跃型光程倍增装置310，由若干个2×2光学开关311和延迟光路312组成的，每个延迟光路的固定光程L_n=M_n-M_n*，2×2光学开关311分别控制固定光程为L₀、L₁……、L_n的延迟光路，并且相邻两臂的光程差满足条件：

且L₀=0（即直通臂），L₁≈X₀

通过对2×2光学开关311的控制，单独或级联使用，实现阶跃光程的切换。

反射型大量程光学延迟装置11，由光学准直器121、光学反射镜123和程控位移台122组成的连续式光程扫描装置120，待延迟光信号由光学准直器121准直后出射，经过光学反射镜123后，再次回到光学准直器121中；光学反射镜123在程控位移台122的带动下，实现光程的连续扫描。

透射型大量程光学延迟装置41，由缠绕光纤的PZT构成的连续式光程扫描装置420；待延迟光信号由阶跃型光程倍增装置410进入到PZT的输入端口d中，并由PZT的输出端口e出射；通过给PZT施加不同的电压，使其不断收缩与膨胀，从而改变了PZT上光纤的长度，实现光程的连续扫描。

透射型大量程光学延迟装置51，由一组光学准直器521和522、一组光学反射镜523和524和程控位移台525组成的连续式光程扫描装置520；待延迟光信号由阶跃式光程倍增器510进入到第一光学准直器521中，准直后出射，先后经过两个角度相互垂直的光学反射镜523和524后，反射到第二光学准直器522中，并由输出端口g出射；两个角度相互垂直的光学反射镜523和524在程控位移台525的带动下，实现光程的连续扫描。

透射型大量程光学延迟装置61，由环形器621、光学准直器622、光学反射镜623和程控位移台624组成的连续式光程扫描装置620；待延迟光信号由环形器621第一输入端h进入，通过环形器的第一输出端i入射到光学准直器622中，准直后出射，经过光学反射镜623的反射后，再次回到光学准直器622中，并由环形器621的第二输出端j输出；光学反射镜623在程控位移台624的带动下，实现光程的连续扫描。

本发明是对光学延迟线结构的一种技术改进，将传统光学延迟线的固定延迟和连续扫描装置有序的组合在了一起，对光程接续过程进行了优化提升。本发明所述的连接结构主要分为反射型大量程光学延迟装置和透射型大量程光学延迟装置。反射型大量程光学延迟装置结构如图1，透射型大量程光学延迟装置结构如图4～图6。

图1为一种反射型的大量程光学延迟装置，其中光程倍增装置是由1×N光开关构成的，待测光信号输入进其中后，通过光开关的选择，使待测光信号经过不同的延迟光路，实现不 同的阶跃延迟，之后光信号通过一段传输光纤进入到光学准直器中，经准直后出射，通过程控位移台控制的光学反射镜反射后，回到光学准直器，完成光程的连续扫描。

图2所示为光程切换时，光程接续的过程：延迟光路的固定长度计为L_n（L₀=0，n=0，1，2……），相邻延迟光路光程增加需要满足条件：L_n+1-L_n＜X₀，L_n+1-L_n≈X₀，L₁≈X₀且L_n+2-L_n+1≤L_n+1-L_n；不同延迟光路在光学开关的控制下，依次实现固定光程L₀、L₁……、L_n的切换。当光开关选择直通（L₀=0）的时候，连续式扫描装置的扫描起点在位置211，扫描终点在位置212；当光开关选择光程为L₁的延迟光路时，从图2中可知，位置213为其扫描起点，与延迟光路直通时的扫描终点212为同一个位置，此时，扫描装置的扫描终点在位置214；同理，当光开关选择固定光程为L₂的延迟光路时，扫描起点在215位置，与光程为L₁时的扫描终点相重合，而该光程下的扫描终点在位置216；以此类推，当选择光程为L_n的光路时，扫描起点与光程为L_n-1时的扫描终点相重合。通过以上的方法，可以很容易找到扫描装置每次扫描的起点，这样就保证了光程切换过程中的无缝连接，提高了延迟的精度。

图3为光程倍增装置的另外一种结构，该结构利用了若干个2×2光学开关，相邻两个光学开关控制的延迟光路光程差之间的关系不但要满足上述的要求，而且还要满足：

且L₀=0（即直通臂），L₁≈X0

通过控制2×2光学开关单独或级联使用，完成了光程倍增的要求，实现对光程延迟的阶跃调整。光程的接续方法与上面所述完全相同。该结构与1×N光学开关构成的光程倍增装置结构相比，优点在于可以选用更少的延迟光路实现更大的延迟范围，而缺点也很明显，使用的光开关要比1×N光学开关构成的光程倍增装置结构增加许多，过多光学器件的使用会带来不必要的损耗。

图4是利用光纤缠绕的PZT构成的透射型大量程光学延迟装置。待测光信号通过1×N光学开关的选择，通过了不同的延迟光路，实现了光程的阶跃调整，之后光信号通过一段传输光纤由输入端口d进入到光程扫描装置中，该装置的扫描部分利用的是由光纤缠绕的PZT，通过对PZT施加不同的电压，PZT会发生收缩和膨胀，会使缠绕在PZT上面的光纤产生位移变换，从而实现光程的连续可调，最终光信号会由光程扫描装置的输出端口e输出。该装置所用的PZT是由压电陶瓷材料制作而成的，压电陶瓷材料具有耗能低、响应快，刚度大，温度稳定性好，耐久性好，易于控制等优点，与上述装置结构相比，受外界环境影响较小，便于控制。

图5是透射型大量程光学延迟装置的又一种结构，该结构是由一组光学准直器、一组光 学反射镜以及程控位移台组成的。待测光信号经过光程倍增装置后，由扫描装置的输入端口f进入到第一光学准直器，经准直后出射，先后经过两个相互垂直的光学反射镜的反射，入射进第二光学准直器中，由输出端口g出射；两个角度相互垂直的光学反射镜在程控位移台的带动下，实现光程的连续扫描。与上述结构相比，测量范围更大。

图6是另外一种透射型大量程光学延迟装置，其是由环形器、光学准直器、光学反射镜以及程控位移台组成了光程连续扫描装置。待测光信号经过光程倍增装置后，由环形器的第一输入端h进入，通过第一输出端i将光信号传输给光学准直器，经准直后出射，通过反射镜返回到光学准直器，并由环形器的第二输出端j输出；通过程控位移台带动光学反射镜的不断变化，实现了光程的连续可调。

为清楚地说明本发明实现了大量程的光学延迟装置，结合实施例和附图对本发明做进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。

实施例1：反射型大量程光学延迟装置

延迟装置结构如图3所示，主要光电器件的选择及其参数如下：

（1）延长光纤为G.652普通光纤312，型号为SMF28e；

（2）2×2光开关311的工作波长为1550nm，插入损耗≤0.8dB；

（3）光学准直器321的工作波长为1550nm，它与可移动光学反射镜323（反射率为95%以上）之间的光程扫描距离大约在0～200mm之间变换，平均插入损耗为3.0dB；

（4）光学反射镜323的中心波长为1550nm，直径为20mm，厚2mm，平均反射率＞95%，平行度＜3′，通光孔径＞90%；

（5）程控位移台322采用的是200mm的位移台，位置精度为1μm。

在如图3结构的装置中，选用6个2×2的光开关构成5通道光纤延迟线，可以获得32（2⁵）个离散的延迟量。每个延迟光路的光程差都以上一个延迟光路的光程差为基准，约等于2倍；选取第一组光程差为13cm，以后4组的光程差分别约为26cm，52cm，104cm，208cm；位移台的扫描范围为0～200mm，位置精度为1微米，换算成延迟时间为3fs。待测光信号从光程倍增装置的第一个光开关进入，从最后一个光开关输出，之间通过光开关的选择，确定了光程倍增的整数部分，通过位移台带动光学反射镜的不断扫描，确定了光程倍增的小数部分。

光纤长度与延迟时间之间的关系为：

C为光速，n为光纤的折射率（n≈1.46）。由上式我们可以计算得到每一段延迟光路的延迟时间为：0.633ns，1.265ns，2.531ns，5.061ns，10.123ns；扫描台的扫描范围为0～0.667ns， 扫描精度为3fs。

所以通过以上分析可以得到，以上述所说的为一个案例，可以实现从0～40.560ns的延迟，延迟步长为3fs。

实施例2：基于双自聚焦透镜的透射型大量程光学延迟装置

如图5所示，基于双自聚焦透镜的透射型大量程光学延迟装置的大多数光电器件参数与实施例1完全相同，不同的是，实施例2中，将2×2光开关更换成了1×8的光开关，连续光程扫描装置中采用了一组光学准直器、一组光学反射镜和程控位移台配合使用，周期性延迟器的长度不再成倍增加，而是相邻两路存在固定的光程差，具体器件参数改变如下：

（1）1×8光开关511的工作波长为1550nm，插入损耗≤0.8dB；

（2）双光学准直器521、522和双光学反射镜523、524采用完全相同的材质，具体参数同实施例1。

在如图5所示的结构中，选用1×8的光开关构成8通道光学延迟线，选取8路光程差分别为0cm，13cm，26cm，39cm，52cm，65cm，78cm，91cm；对于扫描装置，采用的是双光学准直器，扫描范围为0～400mm，位置精度同样为1微米；通过光纤长度与延迟时间之间的关系，我们可以计算出8路的延迟时间分别为0ns，0.633ns，1.265ns，1.898ns，2.531ns，3.163ns，3.796ns，4.429ns；光程扫描范围为0～1.333ns，扫描精度为3fs。

所以通过分析计算知，该装置可以实现从0～5.762ns的延迟，延迟步长为3fs。

实施例3：基于三端口环形器的透射型大量程光学延迟装置

如图6所示，基于三端口环形器的透射型大量程光学延迟装置大多数光电器件参数与实施例1和实施例2中的完全相同，不同的是本装置应用了三端口的环形器在连续光程扫描装置中，具体环形器的参数为：工作波长为1550nm，插入损耗为0.8dB，隔离度＞50dB。

在如图6所示的结构中，同实施例2相同，选取1×8光开关构成8通道光学延迟结构，8路的光程差分别为0cm，13cm，26cm，39cm，52cm，65cm，78cm，91cm；扫描台的范围为0～200mm，位置精度为1微米。通过计算可知，6路的延迟时间分别为0ns，0.633ns，1.265ns，1.898ns，2.531ns，3.163ns，3.796ns，4.429ns；光程扫描范围为0～1.333ns，扫描精度为3fs。

所以通过计算可得，该装置可以实现从0～5.762s的延迟，延迟步长为3fs。

Claims (1)

1.一个大量程光学延迟装置，其特征是：由阶跃型光程倍增装置(110)与连续式光程扫描装置(120)通过传输光纤(130)连接而成；其中，连续式光程扫描装置(120)的光程连续扫描范围为0～X₀；阶跃型光程倍增装置(110)由n个长度固定的不同延迟光路a₀、a₁……a_n组成，延迟光路的光程分别为L₀、L₁……、L_n，L₀＝0，n＝0，1，2，……，相邻延迟光路的光程增加满足X₀-d＜L_n+1-L_n＜X₀，d为误差值，相邻两臂的光程差满足条件：

$\frac{L_{n+1}}{L_n}=2+d(n\≥1),L_1=X_0+d;$

阶跃型光程倍增装置(110)装有光学开关，在光学开关(111)的控制下，单独或级联使用依次实现不同延迟光路固定光程L₀、L₁……、L_n的切换；

由光学准直器(121)、光学反射镜(123)和程控位移台(122)组成所述的连续式光程扫描装置(120)，待延迟光信号由光学准直器(121)准直后出射，经过光学反射镜(123)后，再次回到光学准直器(121)中；光学反射镜(123)在程控位移台(122)的带动下，实现光程的连续扫描；

光纤长度与延迟时间之间的关系为：

$\mathrm{\Δ}L=\mathrm{\Δ}\mathrm{\τ}\·\frac{C}{\mathrm{\η}}$

C为光速，η为光纤的折射率；

或者由缠绕光纤的PZT构成所述的连续式光程扫描装置(420)；待延迟光信号由阶跃型光程倍增装置(410)进入到PZT的输入端口(d)中，并由PZT的输出端口(e)出射；通过给PZT施加不同的电压，使其不断收缩与膨胀，从而改变了PZT上光纤的长度，实现光程的连续扫描；

或者由一组光学准直器(521和522)、一组光学反射镜(523、524)和程控位移台(525)组成所述的连续式光程扫描装置(520)；待延迟光信号由阶跃式光程倍增器(510)进入到第一光学准直器(521)中，准直后出射，先后经过两个角度相互垂直的光学反射镜(523、524)后，反射到第二光学准直器(522)中，并由输出端口(g)出射；两个角度相互垂直的光学反射镜(523、524)在程控位移台(525)的带动下，实现光程的连续扫描；

或者由环形器(621)、光学准直器(622)、光学反射镜(623)和程控位移台(624)组成所述的连续式光程扫描装置(620)；待延迟光信号由环形器(621)第一输入端(h)进入，通过环形器的第一输出端(i)入射到光学准直器(622)中，准直后出射，经过光学反射镜(623)的反射后，再次回到光学准直器(622)中，并由环形器(621)的第二输出端(j)输出；光学反射镜(623)在程控位移台(624)的带动下，实现光程的连续扫描；选用1×8的光开关构成8通道光学延迟线，选取8路光程差分别为0cm，13cm，26cm，39cm，52cm，65cm，78cm，91cm；对于扫描装置，采用的是双光学准直器，扫描范围为0～400mm，位置精度同样为1微米；8路的延迟时间分别为0ns，0.633ns，1.265ns，1.898ns，2.531ns，3.163ns，3.796ns，4.429ns；光程扫描范围为0～1.333ns，扫描精度为3fs。