一个大量程光学延迟装置制造方法
【专利摘要】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……an组成，延迟光路的光程分别为L0、L1……、Ln，L0=0，n=0，1，2，……，相邻延迟光路的光程增加满足Ln+1-Ln＜X0，X0-d＜Ln+1-Ln＜X0，且Ln+2-Ln+1≤Ln+1-Ln，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。
【专利说明】一个大量程光学延迟装置
【技术领域】
[0001 ] 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】
[0002]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。
[0003]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。
[0004]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。
[0005]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。
[0006]2007年，美国的Oleg M.Ef imov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。
[0007]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】
[0008]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。
[0009]本发明的目的是这样实现的:
[0010]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O~Xtl ;阶跃型光程倍增装置由η个长度固定的不同延迟光路％、B1……an组成，延迟光路的光程分别为U、L1……、Ln, L0=O, n=0,1,2,……，相邻延迟光路的光程增加满足Ln+「Ln < X0, X0-d < Ln+「Ln < X0,且Ln+2-Ln+1 ( Ln+1-Ln，d为误差值，相邻两臂的光程差满足条件:
[O。11]— 2 ?- d(Ii--, I), L= "^Q；
[0012]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U、L1……、Ln的切换。
[0013]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。
[0014]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。
[0015]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。
[0016]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。
[0017]本发明的有益效果在于:
[0018](I)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；[0019](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；
[0020](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。
【专利附图】
【附图说明】
[0021]图1是反射型大量程光学延迟装置的示意图。
[0022]图2是光程扩展接续的工作示意图。
[0023]图3是利用若干个2X2光学开关结构的光程倍增装置示意图。
[0024]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。
[0025]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。
[0026]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】
[0027]下面结合附图对本发明做进一步描述:
[0028]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O~X。；阶跃型光程倍增装置110由长度固定的不同延迟光路(％、&1……an)组成，其光程分别为Ln (L0=O, n=0,1,2……)，相邻延迟光路的光程增加需要满足Ln+「Ln < X0, Ln+「Ln 一 X。，且Ln+2-Ln+1 ( Ln+1-Ln ;在光学开关111的控制下，不同延迟光路依次实现固定光程U、L1……、Ln的切换。
[0029]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。
[0030]阶跃型光程倍增装置310，由若干个2 X 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Ln=Mn-Mn*, 2X2光学开关311分别控制固定光程为Lc^L1……、Ln的延迟光路，并且相邻两臂的光程差满足条件:
【权利要求】
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O~Xtl ;阶跃型光程倍增装置(110)由η个长度固定的不同延迟光路％、B1……an组成，延迟光路的光程分别为U、L1……、Ln，L0=O, n=0,1,2,……，相邻延迟光路的光程增加满足 Ln+1_Ln < X。，X0-d < Ln+1-Ln < X。，且 Ln+2_Ln+i ^ Ln+「Ln，d 为误差值，相邻两臂的光程差满足条件:
2.根据权利要求1所述的一个大量程光学延迟装置，其特征是: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。
3.根据权利要求1所述的一个大量程光学延迟装置，其特征是: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。
4.根据权利要求1所述的一个大量程光学延迟装置，其特征是: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。
5.根据权利要求1所述的一个大量程光学延迟装置，其特征是: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。
【文档编号】H04B10/25GK103746745SQ201310739371
【公开日】2014年4月23日 申请日期:2013年12月30日 优先权日:2013年12月30日
【发明者】杨军, 柴俊, 苑勇贵, 彭峰, 吴冰, 苑立波 申请人:哈尔滨工程大学