CN106788865A - 基于光纤反射镜和lcfbg的波分复用真延时实验装置及方法 - Google Patents

基于光纤反射镜和lcfbg的波分复用真延时实验装置及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于光纤反射镜和LCFBG的波分复用真延时实验装置及方法，首先，搭建基于光纤反射镜和LCFBG的波分复用真延时实验装置及方法的实验装置：搭建三组由波分复用器、光纤反射镜和线性啁啾光纤光栅组成的波分延迟线，将它们分别接入三个光环行器的2端口，通过分光器实现两级延时，最后接入系统其余延时单元；其次，同步调谐激光器的波长和可调谐线性啁啾光纤光栅，实现延时差的实时调谐。本发明可以实现信号指向角在正负角度上连续调谐，不受啁啾光纤光栅的啁啾系数和光栅长度限制，调谐范围大，精度高，装置简单。

Description

基于光纤反射镜和LCFBG的波分复用真延时实验装置及方法
技术领域
本发明属于光纤传感技术领域，具体涉及一种基于光纤反射镜和LCFBG的波分复用真延时实验装置及方法。
背景技术
光纤延迟线可以为高性能雷达系统提供无偏斜、宽瞬时带宽的实时延迟波束控制。其重量轻、体积小，不易受电磁辐射的干扰，电噪声极低的优点非常适合机载或星载应用。
光纤延迟线系统实现延迟时间的方法大致有两种，一种是基于波长不变，路径变化的光纤型延迟线，另一种是基于路径基本不变，波长变化的色散型延迟线。光纤型延迟线实现改变路径的方法主要是通过光开关选择光波在光纤中传播的具体路径或者通过使用棱镜控制光波在自由空间的传播路径。色散型延迟线主要使用的是具有色散能力的介质，如色散光纤、光子晶体光纤和光纤光栅等。相比使用光开关、棱镜或反射镜，以光纤光栅为核心的光纤延迟线体积更小、损耗更低，具有很高的理论研究和实践试验的价值。
Pham Q. Thai在《Simplified Optical Dual Beamformer EmployingMultichannel Chirped Fiber Grating and Tunable Optical Delay Lines》中提出一种基于离散线性啁啾光纤光栅的可调谐延时系统。通过对激光器的输出波长、可调谐延迟器件的调谐以及波分复用器的组合使用，输出两组四路等延时差的信号。该系统过度依赖于可调激光器的波长输出，调谐范围受限于啁啾光纤光栅的长度，同时引入多路误差。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于光纤反射镜和LCFBG（线性啁啾光纤光栅）的波分复用真延时实验装置及方法，通过同步调谐激光器的输出波长和可调谐线性啁啾光纤光栅，实现对系统信号延时差的实时调谐，最终达到对信号指向角度的控制。本发明可以实现信号指向角在正负角度上连续调谐，不受啁啾光纤光栅的啁啾系数和光栅长度限制，调谐范围大，精度高，装置简单。
实现本发明目的的技术解决方案为：一种基于光纤反射镜和LCFBG的波分复用真延时实验装置，包括可调谐激光器、固定波长激光器、第一波分复用器、第二波分复用器、第三波分复用器、第四波分复用器、第五波分复用器、第六波分复用器、信号发生器、电光调制器、第一光环行器、第二光环行器、第三光环行器、三个光纤反射镜、第一线性啁啾光纤光栅、第二线性啁啾光纤光栅、第三线性啁啾光纤光栅、分光器、四个光电探测器。
可调谐激光器、固定波长激光器分别接第一波分复用器的两个波分通道，第一波分复用器的复用端和信号发生器分别接入电光调制器的两个信号输入端，电光调制器的输出端接第一光环行器的1端口，第一光环行器的2端口接第二波分复用器的复用端口，第二波分复用器的两个波分端口分别接一个光纤反射镜和第一线性啁啾光纤光栅，第一光环行器的3端口接分光器的输入端，分光器的两个输出端口分别接第二光环形器、第三光环形器的1端口，第二光环形器的2端口接第三波分复用器的复用端口，第三波分复用器的两个波分端口分别接第二个光纤反射镜和第二线性啁啾光纤光栅，第二光环形器的3端口接第五波分复用器的复用端口，第五波分复用器的两个波分端口分别接两个光电探测器；第三光环形器的2端口接第四波分复用器的复用端口，第四波分复用器的两个波分端口分别接第三线性啁啾光纤光栅和第三个光纤反射镜，第三光环形器的3端口接第六波分复用器的复用端口，第六波分复用器的两个波分端口分别接两个光电探测器。
所述分光器采用1×2 分光器。
一种基于光纤反射镜和LCFBG的波分复用真延时实验装置的方法，方法步骤如下：
步骤1、将上述基于光纤反射镜和LCFBG的波分复用真延时实验装置的四个光电探测器并联接入示波器，转入步骤2；
步骤2、打开可调谐激光器和固定波长激光器，可调谐激光器输出的光源经第一波分复用器与之匹配的波分通道后进入电光调制器，与来自信号发生器输入的微波信号发生干涉，调制后的光信号经第一光环形器后进入第二波分复用器的一个波分通道，在第一线性啁啾光纤光栅处发生反射，被反射后的光信号经分光器后被分为两路信号，一路经第二光环形器，进入第三波分复用器的一个波分通道，在第二线性啁啾光纤光栅处发生反射，二次反射后的光信号经过第五波分复用器与之匹配的波分通道后进入光电探测器，最后显示在示波器上；另一路光信号进入第三光环形器，经第四波分复用器的一个波分通道后在光纤反射镜端面发生反射，二次反射后的光信号经第六波分复用器与之匹配的波分通道后依次进入光电探测器、示波器。
固定波长激光器输出的光源经第一波分复用器与之匹配的波分通道后进入电光调制器，与来自信号发生器输入的微波信号发生干涉，调制后的光信号经第一光环形器后进入第二波分复用器的另一个波分通道，直接经过光纤反射镜发生反射，被反射后的光信号经分光器后被分为两路信号，一路经第二光环形器，进入第三波分复用器的另一个波分通道，直接经过光纤反射镜发生二次反射，二次反射后的光信号经过第五波分复用器与之匹配的波分通道后进入光电探测器，最后显示在示波器上；另一路光信号经第三光环形器后在第三线性啁啾光纤光栅处发生反射，二次反射后的光信号进入第六波分复用器与之匹配的波分通道，后依次进入光电探测器、示波器；
观察并记录此时四路信号在示波器上显示的延时差，转入步骤3；
步骤3、向长波或短波方向同步调谐可调谐激光器的波长和第三线性啁啾光纤光栅，记录此时四路信号在示波器上显示的延时差，转入步骤4；
步骤4、重复步骤3，直至超出可调谐激光器的调谐范围，转入步骤5；
步骤5、绘制四路信号的延时差随可调谐激光器输出波长的变化图，分析该可调谐真延时系统的调谐精度和调谐范围。
本发明与现有技术相比，其显著优点在于：
（1）可以实现信号在零延时差基础上上下连续调谐，理论上调谐范围的大小不受限制。
（2）结构上不受啁啾光纤光栅的啁啾系数和光栅长度限制。
（3）装置简单，调谐精度高。
附图说明
图1为本发明基于光纤反射镜和LCFBG的波分复用真延时实验装置结构图。
图2为本发明基于光纤反射镜和LCFBG的波分复用真延时实验装置的测试结构图。
图3为本发明未调谐可调谐激光器的输出波长和可调谐线性啁啾光纤光栅时的真延时示意图。
图4为本发明同步调谐可调谐激光器的输出波长和可调谐线性啁啾光纤光栅时的真延时示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细描述。
结合图1，一种基于光纤反射镜和LCFBG的波分复用真延时实验装置，包括可调谐激光器1、固定波长激光器2、第一波分复用器3-1、第二波分复用器3-2、第三波分复用器3-3、第四波分复用器3-4、第五波分复用器3-5、第六波分复用器3-6、信号发生器4、电光调制器5、第一光环行器6-1、第二光环行器6-2、第三光环行器6-3、三个光纤反射镜7、第一线性啁啾光纤光栅8-1、第二线性啁啾光纤光栅8-2、第三线性啁啾光纤光栅8-3、分光器9、四个光电探测器10；
可调谐激光器1、固定波长激光器2分别接第一波分复用器3-1的两个波分通道，第一波分复用器3-1的复用端和信号发生器4分别接入电光调制器5的两个信号输入端，电光调制器5的输出端接第一光环行器6-1的1端口，第一光环行器6-1的2端口接第二波分复用器3-2的复用端口，第二波分复用器3-2的两个波分端口分别接一个光纤反射镜7和第一线性啁啾光纤光栅8-1，第一光环行器6-1的3端口接分光器9的输入端，分光器9的两个输出端口分别接第二光环形器6-2、第三光环形器6-3的1端口，第二光环形器6-2的2端口接第三波分复用器3-3的复用端口，第三波分复用器3-3的两个波分端口分别接第二个光纤反射镜7和第二线性啁啾光纤光栅8-2，第二光环形器6-2的3端口接第五波分复用器3-5的复用端口，第五波分复用器3-5的两个波分端口分别接两个光电探测器10；第三光环形器6-3的2端口接第四波分复用器3-4的复用端口，第四波分复用器3-4的两个波分端口分别接第三线性啁啾光纤光栅8-3和第三个光纤反射镜7，第三光环形器6-3的3端口接第六波分复用器3-6的复用端口，第六波分复用器3-6的两个波分端口分别接两个光电探测器10。
所述分光器9采用1×2 分光器。
结合图2，一种基于光纤反射镜和LCFBG的波分复用真延时实验装置的方法，方法步骤如下：
步骤1、将上述基于光纤反射镜和LCFBG的波分复用真延时实验装置的四个光电探测器10并联接入示波器11，转入步骤2。
步骤2、打开可调谐激光器1和固定波长激光器2，可调谐激光器1输出的光源经第一波分复用器3-1与之匹配的波分通道后进入电光调制器5，与来自信号发生器4输入的微波信号发生干涉，调制后的光信号经第一光环形器6-1后进入第二波分复用器3-2的一个波分通道，在第一线性啁啾光纤光栅8-1处发生反射，被反射后的光信号经分光器9后被分为两路信号，一路经第二光环形器6-2，进入第三波分复用器3-3的一个波分通道，在第二线性啁啾光纤光栅8-2处发生反射，二次反射后的光信号经过第五波分复用器3-5与之匹配的波分通道后进入光电探测器10，最后显示在示波器11上；另一路光信号进入第三光环形器6-3，经第四波分复用器3-4的一个波分通道后在光纤反射镜7端面发生反射，二次反射后的光信号经第六波分复用器3-6与之匹配的波分通道后依次进入光电探测器10、示波器11。
固定波长激光器2输出的光源经第一波分复用器3-1与之匹配的波分通道后进入电光调制器5，与来自信号发生器4输入的微波信号发生干涉，调制后的光信号经第一光环形器6-1后进入第二波分复用器3-2的另一个波分通道，直接经过光纤反射镜7发生反射，被反射后的光信号经分光器9后被分为两路信号，一路经第二光环形器6-2，进入第三波分复用器3-3的另一个波分通道，直接经过光纤反射镜7发生二次反射，二次反射后的光信号经过第五波分复用器3-5与之匹配的波分通道后进入光电探测器10，最后显示在示波器11上；另一路光信号经第三光环形器6-3后在第三线性啁啾光纤光栅8-3处发生反射，二次反射后的光信号进入第六波分复用器3-6与之匹配的波分通道，后依次进入光电探测器10、示波器11。
观察并记录此时四路信号在示波器11上显示的延时差，转入步骤3。
步骤3、向长波或短波方向同步调谐可调谐激光器1的波长和第三线性啁啾光纤光栅8-3，记录此时四路信号在示波器11上显示的延时差，转入步骤4。
步骤4、重复步骤3，直至超出可调谐激光器1的调谐范围，转入步骤5。
步骤5、绘制四路信号的延时差随可调谐激光器1输出波长的变化图，分析该可调谐真延时系统的调谐精度和调谐范围。
所述分光器9采用1×2 分光器，两输出端等长。
所述固定波长激光器2的波长在波长可调谐激光器1的波长范围外。
第一波分复用器3-1、第二波分复用器3-2、第三波分复用器3-3、第四波分复用器3-4、第五波分复用器3-5和第六波分复用器3-6完全相同，每个波分复用器中两个波分通道的波长范围覆盖各自激光器输出的波长，并且波长范围没有交叠。
所述第五波分复用器3-5和第六波分复用器3-6的波分端等长。
所述信号发生器4的输出频率与电光调制器5的调制频率、四个光电探测器10的探测频率、示波器11的工作频率匹配。
第一线性啁啾光纤光栅8-1、第二线性啁啾光纤光栅8-2的中心反射波长与可调谐激光器1的中心波长相同。
第三线性啁啾光纤光栅8-3的中心反射波长与固定波长激光器2的输出波长相同。
四个光环形器完全相同；三个光纤反射镜7完全相同；四个光电探测器10完全相同。
第一线性啁啾光纤光栅8-1的啁啾系数是第二线性啁啾光纤光栅8-2的1/2，是第三线性啁啾光纤光栅8-3的-1/2；
上述步骤三中，同步调谐可调谐激光器（1）的波长与第三线性啁啾光纤光栅（8-3），即保证该输出波长下，四路信号等延时差输出。
实施例1
实验测试了一款固定波长的激光器2，输出波长为1542.9nm；一款波长可调谐激光器1，中心波长为1550.9nm，调谐范围为；第一波分复用器3-1、第二波分复用器3-2、第三波分复用器3-3、第四波分复用器3-4、第五波分复用器3-5和第六波分复用器3-6均相同，其两波分通道的波长范围分别为：、；第一线性啁啾光纤光栅8-1的中心反射波长为1550.9nm，啁啾系数为1nm/cm，光栅长度为20mm；第二线性啁啾光纤光栅8-2的中心反射波长为1550.9nm，啁啾系数为2nm/cm，光栅长度为10mm；第三线性啁啾光纤光栅8-3的中心反射波长为1542.9nm，啁啾系数为-2nm/cm，光栅长度为10mm；光纤反射镜7的反射端面与同组线性啁啾光纤光栅的中心波长反射位置到各自连接的波分复用器的波分端口距离均为1000mm；四个光电探测器10的内部光纤长度均为40mm；其余部分有等长要求的，长度均为1000mm；信号发生器4的输出频率为3GHz，电光调制器5的工作频率不大于12GHz，四个光电探测器10的探测频率不大于12GHz，示波器11的工作频率为0~4GHz；其测试装置如图2所示，一种基于光纤反射镜和LCFBG的波分复用真延时实验装置的方法，其方法步骤为：
步骤1、将上述基于光纤反射镜和LCFBG的波分复用真延时实验装置的四个光电探测器10并联接入示波器11，转入步骤2。
步骤2、打开可调谐激光器1和固定波长激光器2，可调谐激光器1输出的光源经第一波分复用器3-1与之匹配的波分通道后进入电光调制器5，与来自信号发生器4输入的微波信号发生干涉，调制后的光信号经第一光环形器6-1后进入第二波分复用器3-2的一个波分通道，在第一线性啁啾光纤光栅8-1处发生反射，被反射后的光信号经分光器9后被分为两路信号，一路经第二光环形器6-2，进入第三波分复用器3-3的一个波分通道，在第二线性啁啾光纤光栅8-2处发生反射，二次反射后的光信号经过第五波分复用器3-5与之匹配的波分通道后进入光电探测器10，最后显示在示波器11上；另一路光信号进入第三光环形器6-3，经第四波分复用器3-4的一个波分通道后在光纤反射镜7端面发生反射，二次反射后的光信号经第六波分复用器3-6与之匹配的波分通道后依次进入光电探测器10、示波器11。
固定波长激光器2输出的光源经第一波分复用器3-1与之匹配的波分通道后进入电光调制器5，与来自信号发生器4输入的微波信号发生干涉，调制后的光信号经第一光环形器6-1后进入第二波分复用器3-2的另一个波分通道，直接经过光纤反射镜7发生反射，被反射后的光信号经分光器9后被分为两路信号，一路经第二光环形器6-2，进入第三波分复用器3-3的另一个波分通道，直接经过光纤反射镜7发生二次反射，二次反射后的光信号经过第五波分复用器3-5与之匹配的波分通道后进入光电探测器10，最后显示在示波器11上；另一路光信号经第三光环形器6-3后在第三线性啁啾光纤光栅8-3处发生反射，二次反射后的光信号进入第六波分复用器3-6与之匹配的波分通道，后依次进入光电探测器10、示波器11。
观察并记录此时四路信号在示波器11上显示的延时差，转入步骤3。
步骤3、向长波或短波方向同步调谐可调谐激光器1的波长和第三线性啁啾光纤光栅8-3，记录此时四路信号在示波器11上显示的延时差，转入步骤4。
步骤4、重复步骤3，直至超出可调谐激光器1的调谐范围，转入步骤5。
步骤5、绘制四路信号的延时差随可调谐激光器1输出波长的变化图，分析该可调谐真延时系统的调谐精度和调谐范围。
结合图1~图4，本实施案例在未调谐可调谐激光器1的波长和第三线性啁啾光纤光栅8-3的情况下，输出延时差为0ps的四路信号；在此基础上，同步调谐可调谐激光器1的波长和第三线性啁啾光纤光栅8-3，四路信号的延时差从-50ps到+50ps内变化。本发明可以实现信号在零延时差基础上上下连续调谐，理论上调谐范围的大小不受限制，同时，结构上不受啁啾光纤光栅的啁啾系数和光栅长度限制，装置简单，调谐精度高。

Claims (8)

1.一种基于光纤反射镜和LCFBG的波分复用真延时实验装置，其特征在于：包括可调谐激光器（1）、固定波长激光器（2）、第一波分复用器（3-1）、第二波分复用器（3-2）、第三波分复用器（3-3）、第四波分复用器（3-4）、第五波分复用器（3-5）、第六波分复用器（3-6）、信号发生器（4）、电光调制器（5）、第一光环行器（6-1）、第二光环行器（6-2）、第三光环行器（6-3）、三个光纤反射镜（7）、第一线性啁啾光纤光栅（8-1）、第二线性啁啾光纤光栅（8-2）、第三线性啁啾光纤光栅（8-3）、分光器（9）、四个光电探测器（10）；
可调谐激光器（1）、固定波长激光器（2）分别接第一波分复用器（3-1）的两个波分通道，第一波分复用器（3-1）的复用端和信号发生器（4）分别接入电光调制器（5）的两个信号输入端，电光调制器（5）的输出端接第一光环行器（6-1）的1端口，第一光环行器（6-1）的2端口接第二波分复用器（3-2）的复用端口，第二波分复用器（3-2）的两个波分端口分别接一个光纤反射镜（7）和第一线性啁啾光纤光栅（8-1），第一光环行器（6-1）的3端口接分光器（9）的输入端，分光器（9）的两个输出端口分别接第二光环形器（6-2）、第三光环形器（6-3）的1端口，第二光环形器（6-2）的2端口接第三波分复用器（3-3）的复用端口，第三波分复用器（3-3）的两个波分端口分别接第二个光纤反射镜（7）和第二线性啁啾光纤光栅（8-2），第二光环形器（6-2）的3端口接第五波分复用器（3-5）的复用端口，第五波分复用器（3-5）的两个波分端口分别接两个光电探测器（10）；第三光环形器（6-3）的2端口接第四波分复用器（3-4）的复用端口，第四波分复用器（3-4）的两个波分端口分别接第三线性啁啾光纤光栅（8-3）和第三个光纤反射镜（7），第三光环形器（6-3）的3端口接第六波分复用器（3-6）的复用端口，第六波分复用器（3-6）的两个波分端口分别接两个光电探测器（10）。
2.根据权利要求1所述的基于光纤反射镜和LCFBG的波分复用真延时实验装置，其特征在于：所述分光器（9）采用1×2 分光器。
3.一种基于权利要求1所述的基于光纤反射镜和LCFBG的波分复用真延时实验装置的方法，其特征在于，方法步骤如下：
步骤1、将上述基于光纤反射镜和LCFBG的波分复用真延时实验装置的四个光电探测器（10）并联接入示波器（11），转入步骤2；
步骤2、打开可调谐激光器（1）和固定波长激光器（2），可调谐激光器（1）输出的光源经第一波分复用器（3-1）与之匹配的波分通道后进入电光调制器（5），与来自信号发生器（4）输入的微波信号发生干涉，调制后的光信号经第一光环形器（6-1）后进入第二波分复用器（3-2）的一个波分通道，在第一线性啁啾光纤光栅（8-1）处发生反射，被反射后的光信号经分光器（9）后被分为两路信号，一路经第二光环形器（6-2），进入第三波分复用器（3-3）的一个波分通道，在第二线性啁啾光纤光栅（8-2）处发生反射，二次反射后的光信号经过第五波分复用器（3-5）与之匹配的波分通道后进入光电探测器（10），最后显示在示波器（11）上；另一路光信号进入第三光环形器（6-3），经第四波分复用器（3-4）的一个波分通道后在光纤反射镜（7）端面发生反射，二次反射后的光信号经第六波分复用器（3-6）与之匹配的波分通道后依次进入光电探测器（10）、示波器（11）；
固定波长激光器（2）输出的光源经第一波分复用器（3-1）与之匹配的波分通道后进入电光调制器（5），与来自信号发生器（4）输入的微波信号发生干涉，调制后的光信号经第一光环形器（6-1）后进入第二波分复用器（3-2）的另一个波分通道，直接经过光纤反射镜（7）发生反射，被反射后的光信号经分光器（9）后被分为两路信号，一路经第二光环形器（6-2），进入第三波分复用器（3-3）的另一个波分通道，直接经过光纤反射镜（7）发生二次反射，二次反射后的光信号经过第五波分复用器（3-5）与之匹配的波分通道后进入光电探测器（10），最后显示在示波器（11）上；另一路光信号经第三光环形器（6-3）后在第三线性啁啾光纤光栅（8-3）处发生反射，二次反射后的光信号进入第六波分复用器（3-6）与之匹配的波分通道，后依次进入光电探测器（10）、示波器（11）；
观察并记录此时四路信号在示波器（11）上显示的延时差，转入步骤3；
步骤3、向长波或短波方向同步调谐可调谐激光器（1）的波长和第三线性啁啾光纤光栅（8-3），记录此时四路信号在示波器（11）上显示的延时差，转入步骤4；
步骤4、重复步骤3，直至超出可调谐激光器（1）的调谐范围，转入步骤5；
步骤5、绘制四路信号的延时差随可调谐激光器（1）输出波长的变化图，分析该可调谐真延时系统的调谐精度和调谐范围。
4.根据权利要求3所述的基于光纤反射镜和LCFBG的波分复用真延时实验装置的方法，其特征在于：所述固定波长激光器（2）的波长在波长可调谐激光器（1）的波长范围外；
第一波分复用器（3-1）、第二波分复用器（3-2）、第三波分复用器（3-3）、第四波分复用器（3-4）、第五波分复用器（3-5）和第六波分复用器（3-6）完全相同，每个波分复用器中两个波分通道的波长范围覆盖各自激光器输出的波长，并且波长范围没有交叠；
分光器（9）的两输出端等长。
5.根据权利要求3所述的基于光纤反射镜和LCFBG的波分复用真延时实验装置的方法，其特征在于：所述第五波分复用器（3-5）和第六波分复用器（3-6）的波分端等长。
6.根据权利要求3所述的基于光纤反射镜和LCFBG的波分复用真延时实验装置的方法，其特征在于：所述信号发生器（4）的输出频率与电光调制器（5）的调制频率、四个光电探测器（10）的探测频率、示波器（11）的工作频率匹配。
7.根据权利要求3所述的基于光纤反射镜和LCFBG的波分复用真延时实验装置的方法，其特征在于：第一线性啁啾光纤光栅（8-1）、第二线性啁啾光纤光栅（8-2）的中心反射波长与可调谐激光器（1）的中心波长相同；
第三线性啁啾光纤光栅（8-3）的中心反射波长与固定波长激光器（2）的输出波长相同；
四个光环形器完全相同；三个光纤反射镜（7）完全相同；四个光电探测器（10）完全相同。
8.根据权利要求7所述的基于光纤反射镜和LCFBG的波分复用真延时实验装置的方法，其特征在于：第一线性啁啾光纤光栅（8-1）的啁啾系数是第二线性啁啾光纤光栅（8-2）的1/2，是第三线性啁啾光纤光栅（8-3）的-1/2。
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