一种基于空分复用光纤级联的可调光纤延迟线

本发明涉及一种基于光开关、空分复用光纤及其复用器结合的大范围步进式可调延迟线。

背景技术：

1、在光通信、光学表征测试等领域，经常需要光纤延迟线实现光的时分复用、参考路匹配等功能。常见的可调延迟线大致可以分为温度调节型、自由空间空间光程调节型和单模光纤结合光开关型。温度调节型和自由空间光程调节型属于小范围连续可调，一般在5米以下量级，单模光纤结合光开关型可调节范围虽然可以达到上百米甚至公里量级，但是越大的调节范围就需要更长的单模光纤，不利于高度集成化和轻便化。

2、一些外差探测相关实验和应用中，由于激光器的线宽限制相干长度，需要信号路与参考路的长度在一定的长度范围(根据激光器线宽计算)内进行匹配，也就是说，需要梯度长度变化的延迟线。当信号路长度变化时，尤其表征测试类实验，参考路就需要匹配长度相当的单模光纤，不同规格的待测物，就需要寻找不同长度的单模光纤或者截断待测物来匹配，导致实验缺乏灵活性。

3、近些年，随着空分复用技术的提出，空分复用光纤的拉制技术也在不断进步，空分复用光纤包括多芯光纤和多模光纤。空分复用光纤可以通过一根光纤同时实现多个空间信道的传输，不同的信道进行级联可以实现单根光纤具备更长的传输距离。通过复用器控制各个信道之间的通断与连接，一根空分复用光纤即可实现多种长度变化。将其用于光纤延迟线的制作，可以以更少重量、更小的成本和时间代价实现目标。这也有利于集成和封装，有利于一体化样机的制作。

4、在外差探测结构中，为了使得参考路与信号路长度一致，前人做出以下研究。

5、对波长扫描干涉法(swi)参考路匹配问题的解决方案[1]是，测量长距离多芯光纤的传输矩阵时，将多芯光纤的单模纤芯作为参考路来匹配测试少模纤芯。该方法不具备普适性，被测物如果没有闲置的、长度匹配的单模端口作为参考路的一部分，此方案就无法实现。

6、在基于相干性恢复的线性光采样法[2]的外差干涉测传输矩阵的实验中，采用两个被动锁模激光器(pml)提供短的脉冲序列来恢复得到待测物的复传输矩阵。但是此方案中，需要额外的激光器锁模，提高了成本；并且测量的带宽范围由3nm的滤波器控制，不能一次性地测量待测物在整个c波段或者l波段的传输矩阵；并且对adc的带宽要求高。

7、图1为波长扫描干涉法(swi)实验结构示意图。以波长扫描干涉法(swi)为例来说明延迟线的用途。swi用于光纤或传输系统表征。通过一次扫描即可得到宽带范围内多端口光学器件的传输矩阵。其可以用来测试多端口器件、多模器件与多芯器件等。基本原理是：可调谐激光器连续扫过测量范围，光进入干涉仪中，一臂是具备相匹配长度的参考光纤，另一臂是包含了被测物的信号臂——信号臂中，平衡探测器和数字分析仪接收并记录下相干条纹的数据，通过傅里叶变换即可提取时域冲激响应复传输矩阵。然而在此干涉系统中，根据奈奎斯特采样定理(即，其中δl为参考路与信号路长度差值，vc为光纤中光速，δf为扫频速度，sr为采样率)，受采样率与激光器扫频速度的限制，swi中参考路径的长度与被测物所在路径必须长度相似(以采样率25m/s扫频速度100nm/s实际中采样率应为最高频率的3到5倍为例，长度差不应超过100m)。

8、当待测物具有不同的长度时，需要调整参考路径单模光纤或者截取信号路待测光纤进行长度匹配。但是，目前空分复用光纤并未形成统一的标准，制作成本较高，面对这些昂贵的特种光纤，截取会造成比较大的代价并且不能得到光纤整体的特征。因此设计大范围长度可调节、便携的延迟线对swi性能的提升以及一体样机的制造有重要意义。

9、在可调节延迟线方面，目前有以下研究：

10、公告日为2022年11月25日，公告号为cn217902105u的专利文献中公开了一种大动态范围连续可调光纤延迟线，基于热敏电阻和单模光纤结合，通过加热改变光纤延迟变化量。对于swi的应用背景，以待测物是米到20公里范围为例，延迟线的变化范围应该是纳秒到十万纳秒。而该延迟线的延迟最大调节范围仅在十纳秒以下的量级，是远远不够的。

11、公告日为2015年7月29日，公告号为cn204515189u的专利文献中公开了一种电控光可调光纤延迟线，基于角锥棱镜和导轨及导轨上可调的滑块相结合，通过调节滑块的位置进而改变固定在滑块上光纤准直器的位置，实现光程的改变从而改变光纤延迟变化量，其延迟最大调节范围为0-0.6ns，属于小范围可变延迟线。

12、公布日为2022年2月1日，公布号为cn114002775a的专利文献中公开了一种1x2可调光纤延迟线，采用自由空间集成方式，通过半波片以及在法拉第旋光晶体上加载不同的磁场来实现不同偏振的延迟可调。对于swi的应用背景，空间型的可调延迟线调节范围显然是不够的。

13、公布日为2003年4月2日，公布号为ep1298465a1的专利文献中公开了一种基于反射光栅的可调延迟线，通过温度的改变改变光栅的位置进而改变光程，实现光纤按延迟变化量，这种空间性的可调延迟线的可调范围是较小的。

14、公告日为2022年12月6日，公告号为cn217981921u的专利文献中公开了一种大范围步进可调的光纤延迟线装置，基于光开关和单模光纤结合，通过十级光开关不同通道的开闭改变光纤延迟变化量，调节范围是0.2-204.6m。

15、上述披露的有关技术方案均不能达到待测物是米到公里量级范围内对延迟线可调范围的要求。

16、还有[3]通过选择多芯少模光纤(19芯6模)中相对低损耗的八个芯级联来构建90.4km的6mf传输线，虽然可以省去购买对应长度单模光纤，但不能灵活切换延迟线长度。

17、[参考文献]

18、[1]rommel,s.,et al.measurement of modal dispersion and group delay ina large core count few-mode multi-core fiber.2018:ieee.

19、[2]ito,f.,et al.measurement of spectral transfer matrix of few-modefibres by using coherent linear optical sampling.2018:ieee.

20、[3]y.wakayama,d.soma,s.beppu,s.sumita,k.igarashi,and t.tsuritani,"266.1-tbit/s transmission over 90.4-km 6-mode fiber with inline dual c+l-band6-mode edfa,"journal of lightwave technology 37,404-410(2019).

技术实现思路

1、针对上述现有技术，本发明提供一种可以实现大范围可调节的光纤延迟线，包括光开关，空分复用光纤(多芯光纤、少模光纤和多模光纤)以及对应的复用、解复用器件(模式复用器和多芯扇入扇出器件)。通过结合模式间的级联以及多模光纤之间的连接、多芯光纤的芯间级联和不同多芯光纤之间的连接以及光开关灵活切换，以轻量级的光纤形成大范围可调节的延迟线。

2、为了解决上述技术问题，本发明提出的一种基于空分复用光纤级联的可调光纤延迟线，图2示出了参考路可变的swi实验架构及其本发明可调节延迟线的结构；

3、包括的光学器件有光开关和光纤；所述光纤包括空分复用光纤或是空分复用光纤和单模光纤；所述空分复用光纤包括多模光纤和多芯光纤中的一种或两种，所述多模光纤配置有复用器和解复用器，所述多芯光纤配置有扇入器件和扇出器件；所述可调光纤延迟线包含的空间信道总数为n；

4、所述光开关包括n个或n-2个第一组1×2光开关、n个第二组1×2光开关、2个1×n的光开关，0个或1个1×3光开关，0个或1个2×2光开关；所述1×2光开关的三个端口分别记为端口a、端口b1、端口b2，其中，端口a为选择端，其余端口均为被选择端；所述1×n光开关的n个端口分别记为端口c、端口d1、端口d2、……、端口dn-1、端口dn，其中，端口c为选择端，其余端口均为被选择端；所述1×3光开关的4个端口分别记为端口e，端口f1，端口f2，端口f3，其中，端口e为选择端，其余端口均为被选择端；所述2×2光开关的4个端口分别为端口g1，端口g2，端口h1，端口h2，其中g1和g2为选择端，h1和h2为被选择端；

5、基于所有光纤的长度，所述可调光纤延迟线中所有光学器件的连接方式分为两种情况：一是，当所有光纤的长度相等或是具有2种长度时，所述可调光纤延迟线包含长度为ls的空间信道或是包含长度为ls和lm的空间信道，且ls＜lm；第一组1×2光开关数量为n，第二组1×2光开关数量为n，所述1×n光开关数量为2个，1×3光开关和2×2光开关数量均为0；

6、所述的n个空间信道中，每个空间信道的输入端通过复用器与第一组1×2光开关中的一个1×2光开关的端口a相连，该空间信道的输出端通过解复用器与第二组1×2光开关中的一个1×2光开关的端口a相连，从而构成了一个光纤延迟线单元；对应n个空间信道具备有n个光纤延迟线单元；

7、通过光纤跳线和每个光纤延迟线单元中的两个1×2光开关的端口b1将n个光纤延迟线单元串联；一个1×n光开关的n个被选择端分别通过光纤跳线与n个光纤延迟线单元的第一组1×2光开关的端口b2相连；另一个1×n光开关的n个被选择端分别通过光纤跳线与n个光纤延迟线单元的第二组1×2光开关的端口b2相连，完成连接，构成了所述的可调光纤延迟线；

8、二是，当所有光纤的长度具有3种长度时，所述可调光纤延迟线包含长度分别为ls、lm和lb的空间信道，且ls＜lm＜lb；所述第一组1×2光开关的数量为n-2，第二组1×2光开关数量为n，所述1×n光开关数量为2个，所述1×3光开关和所述2×2光开关数量均为1，

9、所述的n个空间信道中：一个长度为ls的空间信道的输入端与所述2×2的光开关的端口h1相连，该空间信道的输出端与第二组1×2光开关中的一个1×2的光开关的端口a相连，将从而构成的光纤延迟线单元记为最短光纤延迟线单元；选择其中一个长度为lm空间信道或是长度为lb的空间信道，将该空间信道的输入端与所述1×3光开关的端口e相连，该空间信道的输出端与第二组1×2的光开关中的另一个1×2的光开关的端口a相连，将从而构成的光纤延迟线单元记为连接延迟线单元；将所述最短光纤延迟线单元输入端的所述2×2光开关的端口h2与所述1×3光开关的端口f1相连，将位于所述连接延迟线单元输出端的1×2光开关的端口b2与所述1×3光开关的端口f2相连；其余的(n-2)个空间信道的输入端分别与(n-2)个第一组1×2光开关的端口a相连，所述(n-2)个空间信道的输出端与分别与第二组1×2光开关中的其余的(n-2)个1×2光开关的端口a相连，从而构成了(n-2)个光纤延迟线单元，记为普通光纤延迟线单元；

10、通过光纤跳线和位于每个普通光纤延迟线单元两端的两个1×2光开关的端口b1、最短光纤延迟线单元一端的2×2光开关端口g1及其另一端1×2光开关的端口b1、连接延迟线单元一端的1×3光开关端口f2及其另一端1×2光开关的端口b1将n个光纤延迟线单元串联；一个1×n光开关的(n-2)个被选择端分别通过光纤跳线与(n-2)个普通光纤延迟线单元的第一组1×2光开关的端口b2相连，所述1×n光开关的剩余两个被选择端，一个与最短光纤延迟线单元中的2×2光开关端口g2相连，另一个被选择端与所述连接延迟线单元中的1×3光开关的端口f3相连；另一个1×n光开关的n个被选择端分别通过光纤跳线与n个第二组1×2光开关的端口b2相连，完成连接，从而构成了所述的可调光纤延迟线；所述的两个1×n光开关的选择端分别为可调光纤延迟线的输入端和输出端；

11、所述可调延迟线的调节步长为ls。

12、进一步讲，本发明所述的可调光纤延迟线，其中：

13、所述单模光纤数量为f，f≥0。

14、当所有光纤的长度均为ls时，所述多模光纤及其模式复用器和模式解复用器数量均为h，h≥0，所述多芯光纤及其扇入器件、扇出器件的数量均为k，k≥0，且h与k不能同时为零；第i根多模光纤具有mi个模式，i＝1，2，3，……，h-1，h；第j根多芯光纤具有sj个纤芯，j＝1，2，3，……，k-1，k；空间信道总数目为：所述可调光纤延迟线的长度范围为ls～nls。

15、当所有光纤的长度包括两种长度ls和lm时，第q根单模光纤的长度为lq，q＝1，2，3，……，f-1，f；所述多模光纤及其模式复用器和模式解复用器数量均为h，h≥0，所述多芯光纤及其扇入器件、扇出器件的数量均为k，k≥0，且h与k不能同时为零；第i根多模光纤具有mi个模式，i＝1，2，3，……，h-1，h，第i根多模光纤的长度为li，第j根多芯光纤具有sj个纤芯，j＝1，2，3，……，k-1，k，第j根多芯光纤的长度为lj，空间信道总数目为：所述可调光纤延迟线的长度范围为

16、当所有光纤的长度包括三种长度ls、lm和lb时，第q根单模光纤的长度为lq，q＝1，2，3，……，f-1，f，所述多模光纤及其模式复用器和模式解复用器数量均为h，h≥0，所述多芯光纤及其扇入器件、扇出器件的数量均为k，k≥0；且h与k不能同时为零；第i根多模光纤具有mi个模式，i＝1，2，3，……，h-1，h，第i根多模光纤的长度为li，第j根多芯光纤具有sj个纤芯，j＝1，2，3，……，k-1，k，第j根多芯光纤的长度为lj，空间信道总数目为：所述可调光纤延迟线的长度范围为

17、与现有技术相比，本发明的有益效果是：

18、本发明可调光纤延迟线通过光开关将空分复用级联，可以实现轻量级的大范围可调光纤延迟线，通过光开关的灵活切换，可调至干涉实验所需的长度档位，从而可以高度集成化，光开关通过电脑控制，可实现自动化，有利于制造一体化的仪器。

19、文献[1]中，匹配的延迟线来自于待测多芯光纤的单模纤芯，不够灵活，如果待测物没有额外的纤芯作为匹配参考路，将无法完成干涉。本发明提出的可调光纤延迟线可以通过光开关切换到对应的长度档位，完成测量。

20、文献[2]中，为了达到扫频干涉实验实现的目的，需要额外的激光器和锁模技术，提高了成本，而本光纤延迟线档位切换，不需要额外的仪器来实现拍频的目的，节约成本。

21、专利文献cn217902105u中热敏电阻和单模光纤组成的可调延迟线，和专利文献cn114002775a中半波片结合法拉第旋光晶体组成的空间型可调延迟，和专利文献ep1298465a1电控光可调光纤延迟线，可调节范围较小(最大的为米量级)，无法满足光纤测试的需求(一般为公里量级)，本发明提出的可调光纤延迟线的可调范围大。可达到数十公里量级，用在光纤干涉或者测试实验中更加适合。

22、专利文献cn217981921u中通过单模光纤的级联达到了百米量级的延迟线，如果需要公里量级的延迟线，就需要更长的单模光纤，会增大重量，很难集成化，本发明提出的可调光纤延迟线利用多芯单模光纤或多模光纤的级联，与多根单模光纤的连接相比，仅需要轻量级的多芯光纤即可变换成多级调节的轻便体积小的延迟线，其可调节的长度范围是“米”量级到“公里”量级甚至“十公里”量级。

23、文献[3]中，通过多芯光纤的八个纤芯串联形成了90km的传输链路，但是没有光开关，无法形成能灵活切换长度的光纤链路。本发明提出的可调光纤延迟线通过光开关的配合，能够调整至任一长度档位。

24、本发明提出的可调光纤延迟线涉及多模光纤的模式级联、多芯光纤各个纤芯的级联以及包括单模光纤在内的多种光纤之间的级联组合，因此，本发明可调光纤延迟线的调节步长为非连续的、阶梯状可变，将其使用于需要保证足够相干性的干涉或拍频场景中，不需要额外的激光器等设备，从而降低了延迟线的成本；在基于相干探测的表征测试系统中，测试昂贵的特种光纤或者纵向一致性不同的光纤，不需要截断，即可测试整根光纤的特性。