一種皮秒級可調光纖延遲線的原理及設計

文/徐艷霞 徐濟成 汪海威（安徽中澳科技職業學院）

光纖延遲線于1976年被提出，通過把微波信號調制到光波上，利用光纖傳輸對微波信號在光域中進行延遲處理，然后在接收端用光電探測器將微波信號還原，從而擺脫電子延遲處理的瓶頸限制[1-3]。經過幾十年的發展，光纖延遲技術已成為光信息處理中的重要技術，廣泛運用于各種領域。很多大型激光裝置如激光脈沖相干合成系統、激光核聚變系統等，需要對多束激光脈沖進行精確同步控制，一般采用光纖激光器作為種子源，再通過分束、調制、多級放大形成多束同步的高能激光脈沖。由于激光的每一級功能模塊很難實現完全一致的時間延遲，因此需要可調延遲的光學設備來作為激光同步調節設備[4]。如在信號遠距離傳輸、雷達組網、光纖授時及時頻傳遞系統中，作為光纖穩相傳輸設備的光纖相位補償器，其補償機構主要由高精度相位補償模塊、相位補償量程擴展模塊組成，其中相位補償量程擴展模塊主要部件是可調光纖延遲線。

一、可調光纖延遲線設計原理

傳統可調光纖延遲線的基本結構如圖1 所示。

圖1 傳統光纖延遲線基本結構

由激光器產生的光通過電光調制器被微波信號調制后，經過光分束器后進入到不同的光纖，每一路光纖都是由一段高色散光纖和零色散光纖組成，只是各路中色散光纖和零色散光纖的長度比例不一樣。光纖延遲時間由可調激光器的波長、色散光纖和零色散光纖共同決定，一旦色散光纖和零色散光纖的長度比例確定，即可通過改變光載波的波長，實現不同的時間延遲[5,6]。傳統光纖延遲線雖然實現了時間的可調延遲，但時間延遲取決于光波長、色散光纖和零色散光纖的長度比例，導致延遲精度不高，很難實現在寬延遲范圍內皮秒（ps）級的調諧步進延遲，且每一路都需要一只探測器PD，系統復雜，成本也高。

本設計研制的光纖延遲線，延遲時間為100ps 并且連續可調，其基本原理是利用空氣作為光傳輸延遲路徑，通過反射鏡的移動改變延遲路徑的長短實現延時；利用高精度數控步進電機實現反射鏡面的移動控制，實現連續延遲時間的精度控制。設計原理如圖2 所示。

圖2 連續可調光纖延遲線的原理

電光轉換（E/O）將射頻電信號轉換為光信號并通過尾纖將光信號送給光輸入透鏡，反射鏡面采用鍍有高反射膜的梯形棱鏡，光輸入透鏡輸出的光信號經反射鏡面兩次反射后，由接收透鏡組會聚并注入接收光纖，隨后通過光電變換，恢復成射頻電信號。梯形棱鏡通過滾珠絲杠連動機構在導軌上移動，并由步進電機控制，通過移動梯形棱鏡的位置來改變光程，從而調節延遲時間的大小。

二、產品設計

1.參數計算分析

ps 級連續可調光纖延遲線是通過編碼電機控制透鏡組不同的位置，從而實現延遲時間,如圖3 所示。

圖3 ps 級光纖延遲線示意圖

當光在空氣中以速度V傳播時，延遲時間T正比于光的傳播路徑長度L，延遲時間T可表示為，所以只要能改變光的傳播路徑長度，就能實現不同的時間延遲。

圖2 中光延時變化范圍由反光鏡的可移動范圍決定，使用了反光鏡的光程近似為可移動范圍的2 倍。由于光傳輸1m 的延遲時間約為5000ps，對于最大延時為100ps 的光纖延遲線，反光鏡的可移動范圍L1 的最大值可依照1/5000=2L1/100 計算得到L1 為10mm，故對于100ps 光纖延時線，反光鏡的可移動范圍為0～10mm。

2.電機及其控制綜述

本設計采用兩相步進電機，其步進角為1.8°。通過單片機控制步進電機芯片產生精確的電流，驅動步進電機轉動對應的角度。編碼器用來測量步進電機轉角是否到位，并使單片機產生控制信號調整步進電機進位角度。

PWM功率控制簡單來說就是一種開關數字控制，它沒有模擬電路控制的繁雜，不需要DAC，也不依賴電路精度，只依賴于定時器電路的一些特性。通過調節矩形脈沖的占空比來調節輸出功率，調節精度可達到0.01%甚至更高。市面上有許多PWM控制芯片，各有各的優點，但本設計中采用了A4988 這種步進電機控制芯片，它自帶N-PMOSFET 開關，內部有高精度定時器。

3.軟件設計

光纖延遲線程序控制邏輯如圖4 所示。

步進電機驅動程序如下。

void single_step(unsigned int number)//單步

圖4 程序控制流程圖

{

clr_bit(PORTC,2)；

delayus(number)；

set_bit(PORTC,2)；

delayus(number)；

}

void multi_step(unsigned int number)//多步

{

unsigned int n；

set_bit(PORTC,4)；

set_bit(PORTC,5)； //設定步進電機細分度

set_bit(PORTC,6)；

delayus(100)；

for(n=0；n

if(ddirec==0)position1--；

if(ddirec==1)position1++；

}

4.產品結構設計

本設計指標中要求產品為金屬外殼封裝，產品結構設計時采用功能分區、模塊化設計的方法。采取分區模塊化的設計方案，不僅方便內部部件布局、調試，也有利于產品小體積的實現。光纖延時線產品的整體結構示意如圖5 所示。

產品小體積的實現主要是通過光電混合集成的方法實現。在結構設計上采取分區模塊化的設計方案，不僅方便內部部件布局、調試，也有利于產品小體積的實現。

三、小結

圖5 光纖延時線產品的整體結構

本文利用空氣作為光延時路徑，通過移動反射鏡面來改變延時路徑的長短，從而達到延遲時間可調節的目的。用一個高精度數控步進電機來控制鏡面移動的精度，實現連續延遲時間的精確控制。給出了產品的設計原理圖，并對ps 級連續可調光纖延遲線進行了參數計算分析，得出對于100ps 光纖延時線，反光鏡的可移動范圍為0～10mm。對步進電機采取PWM控制，給出了程序控制流程圖和步進電機驅動程序，同時對產品結構進行了設計。本文所作的分析和設計工作，對小體積的連續可調光纖延遲線產品的設計和研制有著重要的指導作用。