基于离散啁啾光纤光栅的可调谐真延时实验装置及方法与流程

本发明属于光纤传感技术领域，具体涉及基于离散啁啾光纤光栅的可调谐真延时实验装置及方法。

背景技术：

在光纤通信技术中，光纤光栅是近年来崛起的一个新星，被认为是继掺饵光纤放大器之后的又一重大突破，对光纤通信技术的发展起到重要的推动作用。而在相控阵领域，以光纤光栅为核心的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。

国内外学者对光纤光栅的研究主要集中在通过外加调谐，改变其反射特性，具体包括折射率、反射谱宽、啁啾系数和反射谱平移量。通过对光纤光栅的调谐间接地改变传输系统中不同通道间的延迟量，从而实现对光延迟系统的信号指向角的控制。调谐手段又包括温度调谐、应力调谐、磁力调谐等。建立和完善以光纤光栅为核心的光纤延迟线系统，成为时下关注的热点。

南洋理工大学Pham Q. Thai在《Simplified Optical Dual Beamformer Employing Multichannel Chirped Fiber Grating and Tunable Optical Delay Lines》中提出一种基于线性啁啾光纤光栅的可调谐延时系统。通过调谐激光器输出波长和可调谐延迟器件，实现两级延时，最终输出两组四路等延时差的信号。然而该系统引入多路误差，而且调谐精度低。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供基于离散啁啾光纤光栅的可调谐真延时实验装置及方法，可以实现四路信号的等延时差输出与微调谐，实时性好，虽然引入一路误差源，但通过巧妙地组合线性啁啾光纤光栅，可以忽略此误差源，同时，简化了实验装置，降低了成本。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种基于离散啁啾光纤光栅的可调谐真延时实验装置，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、信号发生器、电光调制器、第一延迟线单元、第二延迟线单元、第三延迟线单元、分光器、四个光电探测器。

可调谐激光器和固定波长激光器的输出端分别接第一波分复用器的两波分端口，第一波分复用器的复用端口接电光调制器，信号发生器接电光调制器的信号输入端，电光调制器的输出端接第一延迟线单元，第一延迟线单元接入分光器，分光器的两输出端分别接第二延迟线单元和第三延迟线单元，第二延迟线单元接第二波分复用器的输入端，第二波分复用器的两个输出端分别接两个光电探测器，第三延迟线单元接第三波分复用器的输入端，第三波分复用器的两个输出端分别接两个光电探测器。

所述第一延迟线单元包括第一光环形器、第一均匀光纤光栅和第一线性啁啾光纤光栅，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端口依次串联第一均匀光纤光栅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。

所述第二延迟线单元包括第二光环形器、第二均匀光纤光栅和第二线性啁啾光纤光栅，分光器的输出端接第二光环行器的1端口，第二光环行器的2端口依次串联第二均匀光纤光栅和第二线性啁啾光纤光栅，第二光环行器的3端口接第二波分复用器的输入端。

所述第三延迟线单元包括第三光环形器、第三线性啁啾光纤光栅和第四线性啁啾光纤光栅，分光器的输出端接第三光环行器的1端口，第三光环行器的2端口依次串联第三线性啁啾光纤光栅和第四线性啁啾光纤光栅，第三光环行器的3端口接第三波分复用器的输入端。

一种基于离散啁啾光纤光栅的可调谐真延时实验装置的方法，方法步骤如下：

步骤1、将上述基于离散啁啾光纤光栅的可调谐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波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，同时信号发生器发出微波信号，加载在光波上，调制后的光信号进入第一光环形器，在第一线性啁啾光纤光栅处发生反射，第一次反射后的光信号经分光器分为两路信号，一路信号进入第二光环行器，在第二线性啁啾光纤光栅处发生反射后，经第二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；另一路光信号进入第三光环形器，在第三线性啁啾光纤光栅）处发生反射，后经第三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波长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，被调至后的光信号经过第一光环行器后在第一均匀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，一路经过第二光环行器后在第二均匀光纤光栅处发生反射，被反射后的光信号经第二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；另一路光信号经过第三光环行器后在第四线性啁啾光纤光栅处发生反射，被反射后的光信号经第三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、同步调谐可调谐激光器的波长与第四线性啁啾光纤光栅，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4；

步骤4、重复步骤3，向长波或短波方向同步调谐波长可调谐激光器的波长与第四线性啁啾光纤光栅，观察并记录此时对应的波长下，四路信号在示波器上显示的延时差；直至超出第二线性啁啾光纤光栅的反射谱范围，转入步骤5；

步骤5、绘制同一微波信号下，系统四路输出信号的延时差随可调谐激光器输出波长的变化图，分析此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）通过巧妙的组合啁啾光纤光栅，系统可以忽略可调谐线性啁啾光纤光栅所在通道的实时延迟误差，从而省去了系统的延时差补偿单元。

（2）实现四路信号的等延时差输出与微调谐，实时性好，调谐精度高。

（3）简化了实验装置，降低了成本。

附图说明

图1为本发明基于离散啁啾光纤光栅的可调谐真延时实验装置结构图。

图2为本发明基于离散啁啾光纤光栅的可调谐真延时实验装置测试结构图。

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1，一种基于离散啁啾光纤光栅的可调谐真延时实验装置，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、信号发生器4、电光调制器5、第一延迟线单元、第二延迟线单元、第三延迟线单元、分光器9、四个光电探测器10。

可调谐激光器1和固定波长激光器2的输出端分别接第一波分复用器3-1的两波分端口，第一波分复用器3-1的复用端口接电光调制器5，信号发生器4接电光调制器5的信号输入端，电光调制器5的输出端接第一延迟线单元，第一延迟线单元接入分光器9，分光器9的两输出端分别接第二延迟线单元和第三延迟线单元，第二延迟线单元接第二波分复用器3-2的输入端，第二波分复用器3-2的两个输出端分别接两个光电探测器10，第三延迟线单元接第三波分复用器3-3的输入端，第三波分复用器3-3的两个输出端分别接两个光电探测器10。

所述第一延迟线单元包括第一光环形器6-1、第一均匀光纤光栅7-1和第一线性啁啾光纤光栅8-1，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端口依次串联第一均匀光纤光栅7-1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；

所述第二延迟线单元包括第二光环形器6-2、第二均匀光纤光栅7-2和第二线性啁啾光纤光栅8-2，分光器9的输出端接第二光环行器6-2的1端口，第二光环行器6-2的2端口依次串联第二均匀光纤光栅7-2和第二线性啁啾光纤光栅8-2，第二光环行器6-2的3端口接第二波分复用器3-2的输入端。

所述第三延迟线单元包括第三光环形器6-3、第三线性啁啾光纤光栅8-3和第四线性啁啾光纤光栅8-4，分光器9的输出端接第三光环行器6-3的1端口，第三光环行器6-3的2端口依次串联第三线性啁啾光纤光栅8-3和第四线性啁啾光纤光栅8-4，第三光环行器6-3的3端口接第三波分复用器3-3的输入端。

所述分光器9采用1×2 分光器。

结合图2，一种基于离散啁啾光纤光栅的可调谐真延时实验装置的方法，方法步骤如下：

步骤1、将上述基于离散啁啾光纤光栅的可调谐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输出的光波经第一波分复用器3-1与之匹配的波分通道后进入电光调制器5，同时信号发生器4发出微波信号，加载在光波上，调制后的光信号进入第一光环形器6-1，在第一线性啁啾光纤光栅8-1处发生反射，第一次反射后的光信号经分光器9分为两路信号，一路信号进入第二光环行器6-2，在第二线性啁啾光纤光栅8-2处发生反射后，经第二波分复用器3-2与之匹配的波分通道后依次进入光电探测器10、示波器11；另一路光信号进入第三光环形器6-3，在第三线性啁啾光纤光栅8-3处发生反射，后经第三波分复用器3-3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输出的波长经第一波分复用器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，被调至后的光信号经过第一光环行器6-1后在第一均匀光纤光栅7-1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，一路经过第二光环行器6-2后在第二均匀光纤光栅7-2处发生反射，被反射后的光信号经第二波分复用器3-2与之匹配的波分通道后依次进入光电探测器10、示波器11；另一路光信号经过第三光环行器6-3后在第四线性啁啾光纤光栅8-4处发生反射，被反射后的光信号经第三波分复用器3-3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、同步调谐可调谐激光器1的波长与第四线性啁啾光纤光栅8-4，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4；

步骤4、重复步骤3，向长波或短波方向同步调谐波长可调谐激光器1的波长与第四线性啁啾光纤光栅8-4，观察并记录此时对应的波长下，四路信号在示波器11上显示的延时差；直至超出第二线性啁啾光纤光栅8-2的反射谱范围，转入步骤5。

步骤5、绘制同一微波信号下，系统四路输出信号的延时差随可调谐激光器1输出波长的变化图，分析此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。

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和第三波分复用器3-3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。

所述第二波分复用器3-2和第三波分复用器3-3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、光电探测器10的探测频率、示波器11的工作频率匹配。

所述第一均匀光纤光栅7-1、第二均匀光纤光栅7-2的反射波长、第四线性啁啾光纤光栅8-4的中心反射波长均与固定波长激光器2的波长相同。

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均与波长可调谐激光器1的中心波长相同。

三个光环形器完全相同；四个光电探测器10完全相同。

所述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15倍，是第四线性啁啾光纤光栅8-4的1/2；为忽略在调谐过程中产生的延迟误差的影响，第三线性啁啾光纤光栅8-3的啁啾系数要比其余线性啁啾光纤光栅的啁啾系数小至少一个数量级。

第一均匀光纤光栅7-1中心位置与第一线性啁啾光纤光栅8-1的中心波长反射位置距离为2L，第二均匀光纤光栅7-2中心位置与第二线性啁啾光纤光栅8-2的中心波长反射位置距离为L，第三线性啁啾光纤光栅8-3与第四线性啁啾光纤光栅8-4的中心波长反射位置距离为L，L的大小范围为10~20mm。

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和第三波分复用器3-3均相同，其两路波分通道的波长范围分别为：、；第一均匀光纤光栅7-1的反射波长为1542.9nm，光栅长度为6mm，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3nm/cm，光栅长度为12mm，两光纤光栅首尾间距为11mm；第二均匀光纤光栅7-2的反射波长为1542.9nm，光栅长度为6mm，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6nm/cm，光栅长度为6mm，两光纤光栅首尾间距为4mm；第三线性啁啾光纤光栅8-3的中心反射波长为1550.9nm，啁啾系数为0.2nm/cm，光栅长度为6mm，第四线性啁啾光纤光栅8-4的中心反射波长为1550.9nm，啁啾系数为6nm/cm，光栅长度为6mm，两光纤光栅首尾间距为4mm；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，光程均为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，光电探测器10的探测频率不大于12GHz，示波器12的工作频率为0~4GHz；其测试装置如图2所示，一种基于离散啁啾光纤光栅的可调谐真延时实验装置的方法，其方法步骤为：

步骤1、将上述基于离散啁啾光纤光栅的可调谐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输出的光波经第一波分复用器3-1与之匹配的波分通道后进入电光调制器5，同时信号发生器4发出微波信号，加载在光波上，调制后的光信号进入第一光环形器6-1，在第一线性啁啾光纤光栅8-1处发生反射，第一次反射后的光信号经分光器9分为两路信号，一路信号进入第二光环行器6-2，在第二线性啁啾光纤光栅8-2处发生反射后，经第二波分复用器3-2与之匹配的波分通道后依次进入光电探测器10、示波器11；另一路光信号进入第三光环形器6-3，在第三线性啁啾光纤光栅8-3处发生反射，后经第三波分复用器3-3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输出的波长经第一波分复用器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，被调至后的光信号经过第一光环行器6-1后在第一均匀光纤光栅7-1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，一路经过第二光环行器6-2后在第二均匀光纤光栅7-2处发生反射，被反射后的光信号经第二波分复用器3-2与之匹配的波分通道后依次进入光电探测器10、示波器11；另一路光信号经过第三光环行器6-3后在第四线性啁啾光纤光栅8-4处发生反射，被反射后的光信号经第三波分复用器3-3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、同步调谐可调谐激光器1的波长与第四线性啁啾光纤光栅8-4，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4；

步骤4、重复步骤3，向长波或短波方向同步调谐波长可调谐激光器1的波长与第四线性啁啾光纤光栅8-4，观察并记录此时对应的波长下，四路信号在示波器11上显示的延时差；直至超出第二线性啁啾光纤光栅8-2的反射谱范围，转入步骤5。

步骤5、绘制同一微波信号下，系统四路输出信号的延时差随可调谐激光器1输出波长的变化图，分析此可调谐真延时系统的调谐精度和调谐范围。

结合图1~图4，本实施案例在初始波长下，输出延时差为100ps的四路信号；在此基础上，同步调谐可调谐激光器1的波长和第四线性啁啾光纤光栅8-4，输出信号的延时差同步发生变化。本发明可以实现四路信号的等延时差输出与微调谐，实时性好，虽然引入一路误差源，但通过巧妙地组合线性啁啾光纤光栅，系统可以忽略此误差源，同时，简化了实验装置，降低了成本。