CN106200021A - 小型化可调谐的宽带稳相光纤延迟线 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种小型化可调谐的宽带稳相光纤延迟线，包括：第一低噪声微波放大器、宽带直调激光器、光环形器、第一单模光纤、第一磁光开关、第二单模光纤、第一光纤反射镜、第二磁光开关、第三单模光纤、第二光纤反射镜、第三光纤反射镜、宽带光电探测器和第二低噪声微波放大器本发明主要针对解决传统光纤延迟线对温度变化敏感，传输宽带微波信号相位漂移严重的问题；同时也需要解决主动温控或反馈补偿式光纤稳相延迟线体积笨重、结构复杂、重复性差的问题。

Description

小型化可调谐的宽带稳相光纤延迟线
技术领域
本发明涉及微波光子链路与微波光子信号处理领域，尤其涉及一种小型化可调谐的宽带稳相光纤延迟线。
背景技术
延迟线是实现宽带微波信号真时延的基本单元。光纤延迟线相比于传统微波电延迟线具有时间带宽积大、损耗低、体积小、重量轻以及抗电磁干扰等优异性能，在雷达信号处理、电子对抗系统等领域引起了广泛的研究与应用。然而光纤延迟线系统中的基本单元单模光纤对于温度变化十分敏感，其延时漂移约35ps/km℃，对于9.6GHz的微波载频信号，相当于121°/km/℃的相位漂移。所以普通光纤延迟线难以满足宽带微波信号在测试、校准等应用中对带内信号相位稳定性的要求。
目前发展的光纤延迟线稳相技术主要是采用主动温控或者光路延迟补偿的方法。主动温控的光纤延迟线是将光纤盘置于恒温箱中，通过保持光纤盘的温度恒定，实现光载微波信号在延迟线中传输时的相位稳定性。但是这种光纤延迟线体积笨重，功耗大，且需要恒温箱的温度均匀性好、温度稳定性高、热对流小。基于光路延迟补偿的光纤延迟线是通过反馈控制压电陶瓷光纤或者电控可调光延迟线的延迟长度，补偿延迟线光纤受温度影响的光程变化。然而反馈补偿光纤调节范围有限、控制复杂、反复伸缩的一致性较差。所以，在实际应用中，设计并实现结构简单、小型化、高可靠性与高相位稳定性的光纤延迟线具有十分重要的意义。
本发明专利利用低热导率的二氧化硅气凝胶对光纤延迟线进行绝热保温，通过被动隔热的方式保持光纤的温度稳定性，同时将功率发热器件与光纤绝热层进行分层布局，实现了光载微波信号在本发明光纤延迟线中传输的相位稳定性，室温条件下相位漂移速度小于0.67°/min，满足实际应用中雷达信号处理对信号相位稳定性与信号误差的要求。同时本发明专利设计了光载微波信号的反射式往返传输的结构，同时采用细径抗弯曲光纤以及小半径复绕的方式，实现了光纤延迟线系统的小型化，克服了传统光纤稳相延迟线体积笨重，控制复杂的问题。最终，利用本发明专利的小型化可调谐的宽带稳相光纤延迟线，实现了对9.6±2GHz宽带微波信号的10N(us)、20N(us)与30N(us)的可调谐的信号延迟，并满足微波信号处理对于信号相位稳定性与幅度稳定性的要求。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种小型化可调谐的宽带稳相光纤延迟线，其主要针对解决传统光纤延迟线对温度变化敏感，传输宽带微波信号相位漂移严重的问题；同时也需要解决主动温控或反馈补偿式光纤稳相延迟线体积笨重、结构复杂、重复性差的问题。
本发明提供一种小型化可调谐的宽带稳相光纤延迟线，包括：第一低噪声微波放大器、宽带直调激光器、光环形器、第一单模光纤、第一磁光开关、第二单模光纤、第一光纤反射镜、第二磁光开关、第三单模光纤、第二光纤反射镜、第三光纤反射镜、宽带光电探测器和第二低噪声微波放大器；其中：
所述第一低噪声微波放大器的输出端口连接宽带直调激光器的电输入端口；宽带直调激光器的光输出端口连接光环形器的端口a；
光环形器的端口b连接第一单模光纤的输入端；
第一单模光纤的输出端连接第一磁光开关的输入端口a；
第一磁光开关的输出端口b连接第二单模光纤的输入端，第一磁光开关的输出端口c连接第一光纤反射镜的输入端；
第二单模光纤的输出端连接第二磁光开关的输入端口a；
第二磁光开关的输出端口b连接第三单模光纤的输入端，第二磁光开关的输出端口c连接第二光纤反射镜的输入端；
第三单模光纤的输出端连接第三光纤反射镜的输入端；
光环形器的端口c连接宽带光电探测器的光输入端口；
宽带光电探测器的电输出端口连接第二低噪声微波放大器的输入端口。
本发明针对上述情况，提供了一种小型化可调谐的宽带稳相光纤延迟线，实现了宽带微波信号的可调谐长时延与稳相传输。采用基于光纤反射镜的往返传输结构、细径抗弯曲光纤复绕，实现了延迟线系统的小型化，克服了传统光纤稳相延迟线在空间受限条件下的应用。通过功率器件与光纤盘分层布局、二氧化硅气凝胶对光纤盘绝热密封，实现了微波信号在光纤延迟线中传输的相位稳定性。本发明光纤延迟线在室温条件下，稳态工作能达到0.67°/min的相位漂移稳定性，远优于现有非主动补偿式光纤延迟线，并且本发明光纤延迟线在0到30℃热冲击条件下，能保持5min相位稳定度，满足恶劣环境下的短时应用。
附图说明
为进一步说明本发明的技术内容，以下结合具体实施例及附图详细说明，其中：
图1是本发明提供的一种小型化可调谐的宽带稳相光纤延迟线的结构原理示意图；
图2是图1的系统结构框图。
具体实施方案
请参阅图1所示，本发明提供一种小型化可调谐的宽带稳相光纤延迟线，包括：第一低噪声微波放大器1、宽带直调激光器2、光环形器3、第一单模光纤4、第一磁光开关5、第二单模光纤6、第一光纤反射镜7、第二磁光开关8、第三单模光纤9、第二光纤反射镜10、第三光纤反射镜11、宽带光电探测器12和第二低噪声微波放大器13；其中：
所述第一低噪声微波放大器1的输出端口连接宽带直调激光器2的电输入端口，该第一低噪声微波放大器1用于放大微波信号功率，补偿系统衰减，并减小链路的噪声系数；
宽带直调激光器2的光输出端口连接光环形器3的端口a，其中宽带直调激光器2为单翼蝶形DFB激光器，该DFB激光器的3dB带宽为18GHz，能够实现对宽带微波信号的直调电光转换；同时激光器的出光波长为1310nm，以避免光纤中受激布里渊散射对9.6±2GHz带内微波信号的干扰；
光环形器3的端口b连接第一单模光纤4的输入端，该光环形器3为适用于1310nm波段的光环形器，用于控制光载微波信号在延迟线中的传输方向；
第一单模光纤4的输出端连接第一磁光开关5的输入端口a；
第一磁光开关5的输出端口b连接第二单模光纤6的输入端，第一磁光开关5的输出端口c连接第一光纤反射镜7的输入端；
第二单模光纤6的输出端连接第二磁光开关8的输入端口a；
第二磁光开关8的输出端口b连接第三单模光纤9的输入端，第二磁光开关8的输出端口c连接第二光纤反射镜10的输入端；
第三单模光纤9的输出端连接第三光纤反射镜11的输入端；
其中第一、第二、第三三段单模光纤4、6、9的均为长度N(km)的细径抗弯曲光纤，用作光载微波信号的延迟单元，采用小半径的复绕方式，以减小光纤盘体积，光纤盘骨架采用高比热容材料，减小光纤的温度变化，有利于信号在光纤中传输的相位稳定性；
第一、第二、第三光纤反射镜7、10、11分别与第一、第二、第三三段单模光纤4、6、9构成反射式传输结构，从而实现三段N(km)×2＝2N(km)的信号延迟距离，相当于10N(μs)的信号延迟时间，利用光载微波信号往返传输的方式，在信号延迟量一定的情况下，可减小一半的光纤体积；
其中第一磁光开关5和第二磁光开关8均为1×2的光开关结构，通过TTL信号切换开关的状态，无静态功耗，切换速度快，从而实现了信号延迟量的快速准确切换；
其中放置第一、第二、第三三段单模光纤4、6、9的箱体采用二氧化硅气凝胶绝热材料进行填充密封，以降低热交换，保证光载微波信号在光纤延迟线中传输时的相位稳定性；
光环形器3的端口c连接宽带光电探测器12的光输入端口，宽带光电探测器12用于将延迟后的光载微波信号转化为微波电信号输出；
宽带光电探测器12的电输出端口连接第二低噪声微波放大器13的输入端口，第二低噪声微波放大器13用于放大微波信号功率，补偿链路衰减；
其中第一低噪声微波放大器1、宽带直调激光器2、第二低噪声微波放大器13与第一、第二、第三三段单模光纤4、6、9采用分层分空间布局，减小器件发热对光纤温度稳定性的影响，有利于宽带微波信号在光纤延迟单元中传输的相位稳定性。
请参阅图2，图2是本发明的系统结构框图，其中包括：信号与控制接口20、电光与光电转换层30以及光纤绝热层40。
其中信号与控制接口20包括：两个SMA头，作为微波信号输入接口21与微波信号输出接口22；一个九针航空插头，作为系统供电以及光开关TTL控制信号输入接口23。
电光与光电转换层30包括：第一低噪声微波放大器31，与之连接的宽带直调激光器32，二者用于实现宽带微波信号电到光的转换，该低噪声微波放大器31与信号与控制接口20的微波信号输入接口21连接；光电探测器33和与之连接的第二低噪声微波放大器34，二者用于实现光载微波信号光到电的转换，第二低噪声微波放大器34与控制接口20的微波信号输出接口22连接。该电光与光电转换层30包括各种功率发热器件，其与光纤绝热层40采用分层隔热的布局设计，减小发热器件对于光纤绝热层40的温度影响，从而实现宽带微波信号在光纤中传输的相位稳定性。
光纤绝热层40包括：
三段单模光纤和二氧化硅气凝胶绝热材料，由于单模光纤的折射率对温度变化十分敏感，其折射率变化将导致其中传输的宽带微波信号相位的漂移，所以本发明光纤稳相延迟线系统中光纤绝热层采用低热导率的二氧化硅气凝胶绝热材料填充与密封三段单模光纤，从而实现宽带微波信号在光纤延迟线中传输的长时相位稳定性，以及短时热冲击下的相位稳定性。
最终利用本发明的一种小型化可调谐的宽带稳相光纤延迟线，能够实现对宽带微波信号10N(μs)、20N(μs)与30N(μs)的可调谐长时延；采用光载微波信号往返式传输结构以及细径抗弯曲光纤，使得本延迟线系统的整体体积小于22×13×12cm3，满足延迟线系统在空间受限条件下的应用；采用功率器件热隔绝以及二氧化硅气凝胶密封光纤等热设计，解决了光载微波信号在延迟线中传输的相位稳定性，其相位漂移远小于传统非主动温控式光纤延迟线，满足雷达信号处理对于延迟信号相位与幅度稳定性的要求。相对于主动温控与反馈补偿式的光纤稳相延迟线，本发明专利具有体积小、重量轻和结构简单等优点，特别适用于对系统体积、重量要求严苛的应用。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种小型化可调谐的宽带稳相光纤延迟线，包括：第一低噪声微波放大器、宽带直调激光器、光环形器、第一单模光纤、第一磁光开关、第二单模光纤、第一光纤反射镜、第二磁光开关、第三单模光纤、第二光纤反射镜、第三光纤反射镜、宽带光电探测器和第二低噪声微波放大器；其中：
所述第一低噪声微波放大器的输出端口连接宽带直调激光器的电输入端口；宽带直调激光器的光输出端口连接光环形器的端口a；
光环形器的端口b连接第一单模光纤的输入端；
第一单模光纤的输出端连接第一磁光开关的输入端口a；
第一磁光开关的输出端口b连接第二单模光纤的输入端，第一磁光开关的输出端口c连接第一光纤反射镜的输入端；
第二单模光纤的输出端连接第二磁光开关的输入端口a；
第二磁光开关的输出端口b连接第三单模光纤的输入端，第二磁光开关的输出端口c连接第二光纤反射镜的输入端；
第三单模光纤的输出端连接第三光纤反射镜的输入端；
光环形器的端口c连接宽带光电探测器的光输入端口；
宽带光电探测器的电输出端口连接第二低噪声微波放大器的输入端口。
2.如权利要求1所述的小型化可调谐的宽带稳相光纤延迟线，其中宽带直调激光器为单翼蝶形DFB激光器，该DFB激光器的3dB带宽为18GHz，能够实现对宽带微波信号的直调电光转换；同时激光器的出光波长为1310nm，以避免光纤中受激布里渊散射对9.6±2GHz带内微波信号的干扰。
3.如权利要求1所述的小型化可调谐的宽带稳相光纤延迟线，其中第一单模光纤、第二单模光纤和第三单模光纤的长度均为N，单位为km，分别与第一、光纤反射镜、第二光纤反射镜、第三光纤反射镜连接，从而实现光载微波信号的往返传输，在系统延迟量设计一定的情况下减小了一半的光纤体积，实现了三段N×2＝2N千米的信号延迟距离，即10N的延迟时间，单位为μs，即满足了系统设计的小型化，又实现了宽带微波信号的长时间、大尺度延迟。
4.如权利要求3所述的小型化可调谐的宽带稳相光纤延迟线，其中第一单模光纤、第二单模光纤和第三单模光纤均采用细径抗弯曲光纤，采用小半径复绕的方式以减小光纤盘体积；光纤盘骨架采用高比热容材料，减小光纤的温度变化，有利于信号在光纤中传输的相位稳定度。
5.如权利要求1所述的小型化可调谐的宽带稳相光纤延迟线，其中第一磁光开关和第二磁光开关8均为1×2光开关结构，通过TTL信号切换开关的状态，无静态功耗，切换速度快，保证了信号延迟量的快速准确切换。
6.如权利要求1所述的小型化可调谐的宽带稳相光纤延迟线，其中第一低噪声微波放大器、宽带直调激光器、第二低噪声微波放大器与第一、第二、第三三段单模光纤采用分层分空间布局，减小器件发热对光纤温度稳定性的影响，有利于宽带微波信号在光纤中传输的相位稳定性。
7.如权利要求6所述的小型化可调谐的宽带稳相光纤延迟线，其中放置第一、第二、第三三段单模光纤的箱体采用二氧化硅气凝胶绝热材料进行填充密封，降低热传导，实现光载微波信号在光纤延迟线中传输时的相位稳定性。
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