CN112987200A - 一种基于光开关的少模光纤延迟线系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于光开关的少模光纤延迟线系统，属于通信技术领域，由激光器模、模式复用模块、延迟线模块、模式解复用模块、光电探测模块及数据测量模块组成；其中，激光器的输出端与模式复用模块的输入端口连接，模式复用模块的输出端口与延迟线模块的输入端口连接，延迟线模块输出端口与模式解复用模块的输入端口连接，模式解复用模块的输出端口与数据测量模块连接。本发明所涉及的少模光纤延迟线系统以相邻模式之间的延时迟差作为构成延迟线系统的基础条件，并引入光开关，极大地简化了系统结构。利用少模光纤的光学特性和光开关的调控能力实现了系统体积小，操控方便，系统稳定，延时差可调谐等能力。

Description

一种基于光开关的少模光纤延迟线系统

技术领域

本发明属于通信技术领域，具体涉及一种基于光开关的少模光纤延迟线系统。

背景技术

相控阵列波束成形技术的出现使相控阵雷达因其优越性被广泛研究与应用，相控阵波束成形技术采用多辐射/接受单元排列成阵的方式，通过改变单元中信号的幅度或相位从而获得所需阵列波束的强度和方向。传统的相控阵雷达是采用移相器控制波束扫描，但带宽增大会产生“波束斜射”现象，从而瞬时带宽受到限制。除此之外，渡越时间和孔径效应等非线性因素影响收发信号合成，降低抗干扰能力。目前，在相控阵雷达中用光延迟线系统代替传统的移相器可以很好地解决以上问题。

目前，越来越多的基于光学延迟线的方案被提出，较为典型的方案是基于光纤结构的延迟线系统。采用光纤结构的延迟线技术使用的是单模光纤，此系统需要大量模光纤，增大了系统体积，系统的工作稳定性也相应降低。不同于单模光纤，少模光纤具有多个并行传输的模式，每个模式的传输特性不同，一根少模光纤相当于多根单模光纤同时传输。少模光纤中的每个模式对应一根单模光纤，减少了光纤的使用数量，简化了延迟线系统的结构。将磁光开关应用到延迟线系统中，形成可控的循环链路极大地简化了系统结构。未来，少模光纤延迟线系统将推动波束形成技术的进一步革新，并将在智能天线以及5G领域中占据越来越重要的地位。

发明内容

针对现有技术中存在的基于单模光纤延迟线系统体积偏大等问题，本发明提出了一种基于光开关的少模光纤延迟线系统，具有体积合理、结构简单、系统稳定等优点。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种基于光开关的少模光纤延迟线系统，其系统框图如图1所示，由激光器模块1、模式复用模块2、延迟线模块3、模式解复用模块4、光电探测模块5及数据测量模块6组成；其中，激光器模块1的输出端口与模式复用模块2的一个输入端口相连接，模式复用模块2的输出端口与延迟线模块3的一个输入端口相连接，延迟线模块3的输出端口连接模式解复用模块4的输入端口，模式解复用模块4的输出端口与光电探测模块5的输入端口连接，光电探测模块5与数据测量模块6连接。

进一步地，所述模式复用模块2，包括分束器21及模式转换器22；所述延迟线模块3，包括光开关31、少模光纤32、环形器33及布拉格光栅组34；所述激光器模块1的输出端口连接分束器21的输入端口，分束器21的输出端口连接模式转换器22的单模光纤输入端口，端口之间通过法兰盘进行连接，其连接损耗小于0.25dB；模式转换器22的输出端口连接光开关31的第一输入端口311，光开关的第一输出端口312连接模式解复用器41的少模光纤输入端口，光开关31的第二输出端口313连接少模光纤32的输入端口，少模光纤32的输出端口与环形器33的第一端口331连接，环形器33的第二端口332与布拉格光栅组34连接，环形器33的第三端口333与少模光纤32的输入端口连接，少模光纤32的输出端口与光开关31的第二输入端口314连接；模式解复用器41的单模光纤输出端口连接光电探测模块5的输入端口，光电探测模块5的输出端口最终和数据测量模块6的输入端口连接；具体工作过程如下：

所述激光器模块1产生光脉冲信号，传输至模式复用模块2，模式复用模块2将光脉冲信号注入到光开关31的输入端311，光开关31选择输出端口314，光脉冲信号注入到少模光纤中，少模光纤的输出端连接环形器33的端口331，光脉冲信号由环行器的端口331进入端口332，环形器的端口332连接布拉格光栅组34；光脉冲信号由布拉格光栅组反射，从环行器的端口332出，进入环形器的端口333，由环行器的端口333进入少模光纤，从少模光纤注入光开关31的输入端口313；光脉冲信号通过光开关31的输出端口312，注入到模式解复用器41；在模式复用模块2中，光信号首先进入分束器，由分束器把光信号分成多路，分别进入模式转换器的不同端口，利用模式转换器激发少模光纤中的不同模式(如模式1、模式2、模式3……)，激发不同模式后，通过少模光纤传输至模式解复用器端口；在传输期间，不同模式之间会产生一定的时延，这是由于在少模光纤中不同模式的传播速率不同，同时利用布拉格光栅组将不同模式的光信号在不同的地方反射，使得相邻模式之间的延时差相等。利用模式解复用器将不同模式分离，最终实现少模光纤延迟线系统。

进一步地，所述激光器模块1产生信号频率为f＝2kHz的光脉冲信号，功率20mw，脉冲宽度10us。

所述模式转换器22是一种单模光纤到多模光纤过渡的低损耗光波导器件，一般情况下，入射的单模光纤有15um、10um、8um、5um这四种不同的尺寸。模式转换器42可以实现由基模到各个高级模式转换的同时，完成各个高阶模式的复用，实现模式转换与模式复用的高度集中。激光器模块1输出的光信号经过支持基模传输的单模光纤进入到模式转换器22的入口端进行空间模式转换，得到某一激发模式，如模式1(或模式2或模式3……)，并由少模尾纤输出所需的单一受激模式。所述光信号经过分束器的输出端与模式转换器22不同的端口(如模式1端口)连接，其中所述分束器输出端及模式转换器42的入口端的光传输媒介为单模光纤，仅支持基模一种模式；经过模式转换器42进行空间模式转换，从模式转换器42输出端口421输出所受激模式(如模式1或模式2……)，其中所述输出端口光传输媒介为少模光纤，可支持多种模式同时传输。

所述光开关31是一种2×2的磁光开关，即有两个输入端口和两个输出端口，端口311和313是输入端口，端口312和314是输出端口。磁光开关有两种不同的开启状态，一种是平行状态，即端口311输入、312输出，端口313输入、314输出；另一种是交叉状态，即端口311输入、314输出，端口313输入、312输出。通过改变光开关的状态来控制光脉冲信号是否进入少模光纤32中，以及光脉冲信号在少模光纤32绕行的圈数，以此实现可调谐延时差。

所述环行器33是一个可以将其任意端口的入射波，按照由静偏磁场确定的方向顺序传入下一个端口的多端口器件。经少模光纤的光脉冲信号由端口331入，从端口332出，再由布拉格光栅组反射，从端口332入，经过端口333，重新进入少模光纤。

所述布拉格光栅组34由多个布拉格光栅组成，每个布拉格光栅只反射某一特定的模式。将布拉格光栅刻写在少模光纤的不同位置，将不同模式的光信号在不同的位置反射，用于调节模式间的延时差，形成相邻模式间的等差延时。

所述模式解复用器41实现空间模式的分离，所述光开关输出端口312与所述模式解复用器41输入端口411连接，此时所述端口的光传输媒介均为少模光纤，可同时传输多种模式；受激模式1(或模式2或模式3……)在少模光纤传输后经过空间模式的解复用从相应的模式端口输出，其中所述端口的光传输媒介为单模光纤，仅支持基模一种模式。

所述单模光纤连接模式解复用器41的不同输出端口，不同端口之间单模光纤长度相同。所述单模光纤模块仅支持基模这一种模式传输。光信号经单模光纤传输至光电探测模块5的输入端口。

所述光电探测模块5用于接收经过单模光纤传输后的信号光，并将信号光转为电信号，所述单模光纤模块输出端口与光电探测模块5的输入端口连接，将单模光纤输出的光进行光电探测并输出相应的电信号，其中，本发明所述光电探测方式为直接探测，结构简单，使用方便。

所述数据处理模块6用于接收光电探测模块5输出的电信号。

与现有技术相比，本发明的优点如下：

本发明所涉及的少模光纤延迟线系统以相邻模式之间的延时迟差作为构成延迟线系统的基础条件，并引入光开关，极大地简化了系统结构。与其他延迟线系统相比，本发明首次将光开关引入到延迟线系统中。利用少模光纤的光学特性和光开关的调控能力实现了系统体积小，操控方便，系统稳定，延时差可调谐等能力，为波束形成系统提供了一种新的思路，在智能天线、5G等领域具有广泛的前景。

附图说明

图1：本发明所述的基于光开关的少模光纤系统结构示意图；

图2：模式复用、延迟线、模式解复用结构示意图；

图3：本发明实施例所述的基于光开关的少模光纤延迟线结构示意图；

图4：频率f＝2kHz的光脉冲信号，绕光纤环一圈的实验图；

图5：频率f＝2kHz的光脉冲信号，绕光纤环两圈的实验图；

图6：频率f＝2kHz的光脉冲信号，绕光纤环三圈的实验图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实例方案对本发明进行详细说明。

实施例1

本发明建立了一种基于光开关少模光纤的四通道延迟线系统，如图3所示。其系统框图如图1所示，由激光器模块1、模式复用模块2、延迟线模块3、模式解复用模块4、光电探测模块5、数据测量模块6组成；其中，激光器模块1的输出端口与模式复用模块2的一个输入端口相连接，模式复用模块2的输出端口与延迟线模块3的一个输入端口相连接，延迟线模块3的输出端口连接模式解复用模块4的输入端口，模式解复用模块4的输出端口与光电探测模块5的输入端口连接，光电探测模块5与数据测量模块6连接。本实例中，激光器模块产生光脉冲信号；模式复用模块采用分束器21、模式转换器22实现模式转换，模式转换器为光子灯笼A。延迟线模块3采用光开关31、少模光纤32、环行器33、布拉格光栅组34实现模式间的等差延时。模式解复用器41为光子灯笼B，实现模式的分离。最终得到光延迟线系统，少模光纤选用了4模25km的阶跃光纤，光开关选用2×2的磁光开关作为实现延迟线的基础；光电探测模块采用光电探测器实现了光信号到电信号的转换；数据测量模块接收光电探测模块的电信号，得到光脉冲信号是否进入少模光纤中以及光脉冲信号在少模光纤中绕行的圈数。

实施例1中使用的激光器模块为深圳市飞博源光电科技有限公司的1550nm脉冲激光光源模块，型号为OSMPAC-15-3M-4010-SM-FC/APC。在本实例中，设定输出频率为2KHz，功率为20mw，脉冲宽度10us。光开关使用深圳纤忆通科技有限公司定制的2×2的少模高速单向磁光开关，插入损耗1dB,信道串扰大于30dB，开关时间5-20us。模式复用模块和模式解复用模块中选用光子灯笼作为模式转换器和模式解复用器。所选用光子灯笼为OLKIN OPTICS公司的全光纤6模选择性多路复用器，可支持六个模式转换与分离，分别为LP01模、LP11a模、LP11b模、LP21a模、LP21b模、LP02模，本实例只选用其中四个模式，即LP01模、LP11a模、LP21a模、LP02模。少模光纤选用长飞光纤光缆股份有限公司的四模阶跃光纤，衰减系数在1550nm波段小于0.2dB/km(LP01模式)，模式之间差分群时延分别为：LP01模-LP11a模之间为2.8ps/m，LP01模-LP21a模之间为5.9ps/m，LP01模-LP02模之间为5.92ps/m。光电探测模块选用了飞博源光电科技有限公司的恒温型增益可调InGaAs光电探测器，响应度在1550nm波段为8.5A/W。数据测量模块选用了安捷伦DSO6032A数字示波器，带宽300MHz,采样率2GSa/s。

本实施例中，将激发少模光纤的LP01模、LP11a模、LP21a模、LP02模这4个模式作为延迟线系统的四个通道，,具体框图如图3所示。

连接方式如下所述：

激光器输出端口11连接分束器的输入端口211，分束器的四个输出端口分别连接光子灯笼A的四个单模光纤输入端口。光子灯笼A的少模光纤输出端口221连接光开关31的第一输入端口311，光开关31的第一输出端口312连接光子灯笼B的少模光纤输入端口411，光开关31的第二输出端口314连接少模光纤32，少模光纤32连接环行器33的第一端口331，环行器33的第二端口332连接布拉格光栅组34，环行器33的第三端口333连接少模光纤32，少模光纤32连接光开关31的第二输入端口313。以上所有端口的连接均采用法兰盘，其连接损耗小于0.25dB。光子灯笼B的四个单模光纤输出端口分别连接四个光电探测器的输入端口，光电探测器5的输出端口最终和数据测量模块6的输入端口连接。

本实例详细的系统框图如图3所示，工作流程如下：

首先设定激光器输出光脉冲信号的各项参数，设定频率、功率以及脉冲宽度等。调制后的光信号经过分束器进入光子灯笼A进行空间模式转换，然后光脉冲信号通过光开关，通过调节光开关的状态，改变光脉冲信号在少模光纤中的绕圈数，以此改变各个模式之间的延时差，，并利用光子灯笼B将不同模式进行分离，形成少模光纤延迟线系统。分离后的光信号进入光电探测器进行光电转换，最后将转换后的电信号输入数据测量模块，测量光脉冲信号绕圈数。

本实例的延迟线模块采用的是光开关31+少模光纤32+环行器33+布拉格光栅组34的方法，其中，光开关是用来控制光脉冲信号是否进入少模光纤中，以及光脉冲信号在少模光纤中的绕圈数，布拉格光栅组用于反射四个模式。基本工作过程如下：光脉冲信号注入到光开关中，若光开关的工作状态是平行状态，则光脉冲信号不经过少模光纤，直接注入光子灯笼B，四个模式间的延时差为0；若光开关的工作状态是交叉状态，则光脉冲信号进入少模光纤中，经过少模光纤注入到环行器中，由环行器进入布拉格光栅组，四个模式的信号在不同的位置被反射回来重新进入环行器，再由环行器进入少模光纤，最后光脉冲又通过光开关，注入到光子灯笼B中，此时光脉冲信号绕行一圈；若光开关的工作状态是交叉状态，则光脉冲信号进入少模光纤中，经过少模光纤注入到环行器中，由环行器进入布拉格光栅组，四个模式的信号在不同的位置被反射回来重新进入环行器，再由环行器进入少模光纤，在光脉冲信号还未通过光开关时将光开关的状态转变为平行状态，少模光纤中的光脉冲信号将由光开关在此进入少模光纤中，重复上述路径，这时通过调节光开关由平行状态变为交叉状态的时间，就可以改变光脉冲信号在少模光纤中的绕圈数。

本实例采用直接探测方式接收信号。对光子灯笼B41的四路输出信号(LP01模、LP11a模、LP21a模、LP02模)在输出端口直接连接在光电探测器的各个端口上即可实现。

图4、图5、图6分别给出了光脉冲信号绕光纤环一圈、两圈、三圈的实验图。从图4中可以看出光脉冲信号绕光纤环一圈的时间为125us,因此进入光纤环的光脉冲与前一个光脉冲之间的延时差为625us。同理，光脉冲信号进入光纤环中绕两圈时与前一个光脉冲信号的延时差为750us，光脉冲信号进入光纤环中绕三圈时与前一个光脉冲信号的延时差为875us。

对本发明所述的少模光纤波束形成系统进行了详细的介绍，以上的介绍主要是为了用于对本发明的方法及其核心思想进一步的理解；同时，对于本领域的一般技术人员，根据本发明的思想，再具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制，在不背离本发明所述方法的精神和权利要求范围的情况下，对其进行的各种显而易见的改变(如脉冲信号的产生，光子灯笼以及少模光纤所支持模式数量等)都在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种基于光开关的少模光纤延迟线系统，其特征在于，由激光器模块(1)、模式复用模块(2)、延迟线模块(3)、模式解复用模块(4)、光电探测模块(5)及数据测量模块(6)组成；激光器模块(1)的输出端口与模式复用模块(2)的一个输入端口相连接，模式复用模块(2)的输出端口与延迟线模块(3)的一个输入端口相连接，延迟线模块(3)的输出端口连接模式解复用模块(4)的输入端口，模式解复用模块(4)的输出端口与光电探测模块(5)的输入端口连接，光电探测模块(5)与数据测量模块(6)连接。

2.如权利要求1所述的一种基于光开关的少模光纤延迟线系统，其特征在于，所述模式复用模块(2)，包括分束器(21)及模式转换器(22)；所述延迟线模块(3)，包括光开关(31)、少模光纤(32)、环形器(33)及布拉格光栅组(34)；所述激光器模块(1)的输出端口连接分束器(21)的输入端口，分束器(21)的输出端口连接模式转换器(22)的单模光纤输入端口，端口之间通过法兰盘进行连接，其连接损耗小于0.25dB；模式转换器(22)的输出端口连接光开关(31)的第一输入端口(311)，光开关的第一输出端口(312)连接模式解复用器(41)的少模光纤输入端口，光开关(31)的第二输出端口(313)连接少模光纤(32)的输入端口，少模光纤(32)的输出端口与环形器(33)的第一端口(331)连接，环形器(33)的第二端口(332)与布拉格光栅组(34)连接，环形器(33)的第三端口(333)与少模光纤(32)的输入端口连接，少模光纤(32)的输出端口与光开关(31)的第二输入端口(314)连接；模式解复用器(41)的单模光纤输出端口连接光电探测模块(5)的输入端口，光电探测模块(5)的输出端口最终和数据测量模块(6)的输入端口连接。

3.如权利要求1所述的一种基于光开关的少模光纤延迟线系统，其特征在于,所述激光器模块(1)产生信号频率为f＝2kHz的光脉冲信号，功率为20mw，脉冲宽度为10us。

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