一種光纖長度精確控制工藝技術

陶蓮娟 李楊 張婧亮

摘 要：光控相控陣天線對光處理系統各模塊及通道之間提出了長度一致性要求。本文基于微波光子學提出了一種利用相位調制光鏈路來精確測量光纖相對長度的新方法，并自主開發工裝夾具實現了光纖定長度的精確切割。經過理論分析和項目驗證，該工藝技術可將光纖長度測量及切割誤差控制在0.3mm以內。該工藝技術原理及硬件實現都很簡單，是一種實用有效、精度高的光纖長度控制方法。

關鍵詞：光控相控陣;相位調制;光纖長度;高精度

一、引言

雷達是空戰、陸戰和海戰中極為重要的作戰“軟”武器。光控相控陣天線的基本結構如圖1所示[1]，接收到的微波信號首先經過電光調制器調制到光載波上，然后調制的光信號經光分路器（耦合器或者開關）被分到不同通道進行光學延時、探測和放大等一系列處理，光電變換生成的各個射頻信號被送到相應的天線單元發射出去，合成特定指向的波束。

從圖1可以看出，控制各輻射單元之間的射頻信號相對相位，從而使空間波束向一個特定的方向輻射，對光控相控陣波束成形至關重要。光真延時技術OTTD是光控相控陣波束成形中的關鍵技術。OTTD利用光纖作為延時線，利用光學延時對射頻信號進行延時，進而達到移相的目的，具有低損耗、低色散、重量輕、體積小及抗電磁干擾能力強等優點[2，3]，可有效抑制波束偏斜[4]。控制各通道之間的射頻信號相對相位，即需要對延時光纖進行長度控制，而且長度誤差需控制在毫米量級。因此，研究光纖長度的精確測量、控制工藝十分有用。

本文提出了一種利用相位調制光鏈路來精確測量光纖相對長度的新方法，并利用自制工裝對光纖進行精確長度控制。

二、工藝設計

1 理論分析

基于微波光子學[5]，利用相位調制光鏈路來測量光纖相對長度的原理框圖如圖2所示[6]。矢量網絡分析儀發生的微波信號經過電光調制器對激光器發生的光信號進行相位調制。調制光信號經過光信號處理系統各通道，其中一路為基準鏈路，其余為光纖長度需控制鏈路。信號最后由光電探測器轉換為射頻信號輸入矢量網絡分析儀。對矢量網絡分析儀進行校準和打基準，采用測試軟件讀取測試鏈路與基準鏈路之間的相位差，計算出測試鏈路與基準鏈路之間的光纖長度差;采用工裝夾具對光纖長度進行測量和精確剪切，實現光信號處理系統各通道之間光纖相對長度精確控制。

設激光器發生的信號在光域表示為：ω=2πv。光信號處理系統某一通道的光纖長度為L，光纖材料的折射率為n，光速為c，則經過光信號處理系統之后，延時t可表示為

設置矢量網絡分析儀測量頻率范圍為fRF1～ fRF2，則相位變化Φ1、Φ2可表示為

其中Δf= fRF2- fRF1。當光信號處理系統各通道光纖長度L不一致時，由光纖物理長度差異ΔL引入的相位差為

由矢量網絡分析儀測量出測試通道與基準通道之間的，即可計算出光信號處理系統各通道與基準通道的光纖長度差ΔL，即

在式（6）中，光纖折射率n，光速c，頻率差Δf均為常數，所以光纖相對長度只與矢網測得的相位差有關。對光纖長度進行精確切割，即可控制各通道相位差，滿足系統要求。

2工裝設計

基于式（6）原理，采用現有的矢量網絡分析儀安捷倫N5230C或同類型產品，光纖相對長度測試精度可精確到0.01mm，但光控波束形成的技術難題在于如何精確控制光纖切割精度。

基于上述原理，根據項目需求，設計了一套光纖定長度精細切割工裝。該套工裝由夾緊裝置、定位裝置及長度測量裝置組成。夾緊裝置負責夾持光纖松套管使得光纖在套管內部不竄動，保證光纖長度測量準確，同時不得影響光纖切割刀的正常切割及光纖熔接機的熔接操作;定位裝置對光纖進行固定及進給;長度測量裝置按需求測量所需光纖切割長度。該工裝夾具可按給定長度測量光纖，理論上精度可控制到0.1mm。

三、性能測試及結果分析

1產品測試

根據以上分析，搭建如圖2所示測試系統。為了保證小信號增益測試，矢量網絡分析儀輸出功率設置為-5dBm，可調光源輸出功率設置為10dBm。采用工裝夾具保證光纖測量及剪切精度，提高光纖長度測量的可靠性。圖3是光信號處理系統各通道與基準通道長度差要求分別為0mm（a）、6.6mm（b）時，采用本文工藝技術對光纖進行長度控制后實際測得各通道長度差，橫軸為通道編號。

2數據分析

從圖3的實際測試數據可知，采用本文的光纖定長度精確控制工藝技術，光信號處理系統各通道與基準通道長度差控制誤差小于0.3mm，可滿足當前科研、生產需求。但該測試誤差大于理論值0.1mm，這主要是由操作方法引起的。在對光纖長度進行精確剪切時，先由測試軟件計算光纖切割長度（精確到0.01mm），再由操作者在工裝夾具上測量相應長度的光纖，并在光纖的外護套上對切割位置進行標記。光纖長度讀取和標記時引入誤差均大于0.1mm。

四、結論

基于相位調制光鏈路建立了光纖長度精確測量模型。此工藝技術測量光纖的相對長度僅和矢網讀取的相位差有關。項目測試表明，利用現有儀器設備，采用常用器件，能準確測量光信號處理系統各通道與基準通道之間的長度差，長度測試精度可精確到0.01mm;配合自主開發工裝夾具，可實現光纖長度控制誤差小于0.3mm，可滿足當前科研、生產的需求。

參考文獻

[1] 賈春燕，李冬文，葉莉華，崔一平.相控陣雷達與光控相控陣雷達.電子器件，2006，29（2）：598-601.

[2] 李曼，許宏，光學相控陣技術進展及其應用.光電技術應用，2011，26（5）：8-10，41.

[3] KAMAN V，ZHENG X Z，HELKEY R J，et al.A 32-element 8-bit photonic true-time-delay system based on a 288×288 3-DMEMS optical switch[J].IEEE Photonics Technology Letters，2003，15（6）：849-851.

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[5] C.H，Cox，III，Analog Optical Links.Cambridge，U.K.：Cambridge Univ.Press，2004.

[6] 葉權益，楊春，基于相位調制光鏈路的光纖長度測量系統[J]，中國激光，2013，40（5）：157-161.