基於離散LCFBG和光纖反射鏡的可調諧真延時實驗裝置及方法與流程
2023-06-05 13:12:21
本發明屬於光纖傳感技術領域，具體涉及一種基於離散LCFBG和光纖反射鏡的可調諧真延時實驗裝置及方法。
背景技術：
雷達作為軍事武器系統和電子系統的探測和跟蹤目標，不僅要求解析度高、反應速度快，而且要做到抗幹擾、同時監測多個目標。相控陣天線可以實現無物理運動轉向的信號波束控制，有效的提高了波束掃描的自適應性，在雷達研究中脫穎而出。
光纖材料延遲技術和相控陣技術的結合，就是光控相控陣技術。光纖材料本身體積小、重量輕、帶寬大、損耗低和抗電磁幹擾能力強，成為光控相控陣雷達研究的主要推動因素。同時，光控相控陣技術解決了傳統相控陣的波束偏斜和帶寬受限的問題，受到了國內外學者的廣泛關注。現有的光纖延遲線系統主要包括基于波長不變，路徑變化的光纖型延遲線和基於路徑基本不變，波長變化的色散型延遲線。建立和完善以光纖材料為核心的光纖延遲線系統，成為推動光控相控陣技術發展的熱門話題。
南洋理工大學Pham Q. Thai等人在《Simplified Optical Dual Beamformer Employing Multichannel Chirped Fiber Grating and Tunable Optical Delay Lines》中提出一種基於線性啁啾光纖光柵的可調諧延時系統。通過調諧雷射器輸出波長和可調諧延遲器件，實現兩級延時，最終輸出兩組四路等延時差的信號。該系統過度依賴於可調雷射器的波長輸出，不能對某一路或者某幾路信號進行單獨的時延調諧。
技術實現要素：
本發明的目的在於提供一種基於離散LCFBG（線性啁啾光纖光柵）和光纖反射鏡的可調諧真延時實驗裝置及方法，通過對可調諧雷射器、可調諧線性啁啾光纖光柵和PZT的同步調諧，實現四路等延時差信號的輸出，並在此基礎上進行實時微調諧，精度高，結構簡單，重量輕，可封裝性好。
實現本發明目的的技術解決方案為：一種基於離散LCFBG和光纖反射鏡的可調諧真延時實驗裝置，其特徵在於：包括可調諧雷射器、固定波長雷射器、第一波分復用器、第二波分復用器、第三波分復用器、第四波分復用器、第五波分復用器、信號發生器、電光調製器、第一光環行器、第二光環行器、第三光環行器、第四光環形器、四個光纖反射鏡、兩個壓電陶瓷（PZT）、分光器、第一線性啁啾光纖光柵、第二線性啁啾光纖光柵、第三線性啁啾光纖光柵、四個光電探測器；
可調諧雷射器和固定波長雷射器接第一波分復用器的波分埠，第一波分復用器的復用埠和信號發生器分別接入電光調製器的兩個輸入端，電光調製器的輸出端接第一光環形器的1埠，第一光環形器的2埠接第二波分復用器的復用埠，第二波分復用器的兩個波分埠分別接兩個光纖反射鏡，其中一個光纖反射鏡的部分尾纖繞於PZT上，第一光環形器的3埠接分光器的輸入端，分光器的兩個輸出端分別接第二光環形器、第三光環形器的1埠；第二光環形器的2埠接第三波分復用器的復用埠，第三波分復用器的兩個波分埠分別接剩餘兩個光纖反射鏡，其中一個光纖反射鏡的部分尾纖繞於PZT上，第二光環形器的3埠接第四波分復用器的復用埠，第四波分復用器的兩波分埠分別接兩個光電探測器；另一方面，第三光環形器的2埠接由第一線性啁啾光纖光柵和第二線性啁啾光纖光柵依次串聯而成的離散啁啾光纖光柵單元，第三光環形器的3埠接第五波分復用器的復用埠，第五波分復用器的一波分埠直接接光電探測器，另一波分埠接第四光環行器的1埠，第四光環行器的2埠接由第三線性啁啾光纖光柵，第四光環行器的3埠光電探測器。
一種基於離散LCFBG和光纖反射鏡的可調諧真延時實驗裝置的方法，方法步驟如下：
步驟1、將上述基於離散LCFBG和光纖反射鏡的可調諧真延時實驗裝置的四個光電探測器並聯接入示波器，轉入步驟2；
步驟2、打開可調諧雷射器和固定波長雷射器，可調諧雷射器輸出的光源經第一波分復用器與之匹配的波分通道後進入電光調製器，與來自信號發生器輸入的微波信號發生幹涉，調製後的光信號經第一光環形器後進入第二波分復用器的一個波分通道，在PZT所在的光纖反射鏡端面發生反射，被反射後的光信號經分光器後被分為兩路信號，一路經第二光環形器，進入第三波分復用器的一個波分通道，在這個通道連接的PZT所在的光纖反射鏡端面發生反射，二次反射後的光信號經過第四波分復用器與之匹配的波分通道後進入光電探測器，最後顯示在示波器上；另一路光信號經第三光環形器後在第一線性啁啾光纖光柵處發生反射，二次反射後的光信號經第五波分復用器與之匹配的波分通道後在第三線性啁啾光纖光柵處發生第三次反射，後依次進入光電探測器、示波器；
固定波長雷射器輸出的光源經第一波分復用器與之匹配的波分通道後進入電光調製器，與來自信號發生器輸入的微波信號發生幹涉，調製後的光信號經第一光環形器後進入第二波分復用器的另一個波分通道，直接經過光纖反射鏡發生反射，被反射後的光信號經分光器後被分為兩路信號，一路經第二光環形器，進入第三波分復用器的另一個波分通道，直接經過光纖反射鏡發生二次反射，二次反射後的光信號經過第四波分復用器與之匹配的波分通道後進入光電探測器，最後顯示在示波器上；另一路光信號經第三光環形器後在第二線性啁啾光纖光柵處發生反射，二次反射後的光信號進入第五波分復用器與之匹配的波分通道，後依次進入光電探測器、示波器；
觀察並記錄此時四路信號在示波器上顯示的延時差，轉入步驟3；
步驟3、向長波或短波方向同步調諧可調諧雷射器的波長、通過PZT調諧各自纏繞的光纖、調諧第二線性啁啾光纖光柵，記錄此時四路信號在示波器上顯示的延時差，轉步驟5；
步驟5、重複步驟4，直至超出可調諧雷射器的調諧範圍，轉入步驟6；
步驟6、繪製四路輸出信號的延時差隨可調諧雷射器輸出波長的變化圖，分析該可調諧真延時系統的調諧精度和調諧範圍。
本發明與現有技術相比，其顯著優點在於：
（1）實現延遲系統的等延時差輸出與微調諧，靈活性高。
（2）抗幹擾，不受空間尺寸限制。
（3）結構簡單，重量輕，可封裝性好。
附圖說明
圖1為本發明基於離散LCFBG和光纖反射鏡的可調諧真延時實驗裝置結構圖。
圖2為本發明基於離散LCFBG和光纖反射鏡的可調諧真延時實驗裝置測試結構圖。
圖3為本發明未調諧可調諧雷射器的輸出波長時的真延時示意圖。
圖4為本發明同步調諧可調諧雷射器的輸出波長、PZT和可調諧線性啁啾光纖光柵時的真延時示意圖。
具體實施方式
下面結合附圖對本發明作進一步詳細描述。
結合圖1，一種基於離散LCFBG和光纖反射鏡的可調諧真延時實驗裝置，包括可調諧雷射器1、固定波長雷射器2、第一波分復用器3-1、第二波分復用器3-2、第三波分復用器3-3、第四波分復用器3-4、第五波分復用器3-5、信號發生器4、電光調製器5、第一光環行器6-1、第二光環行器6-2、第三光環行器6-3、第四光環形器6-4、四個光纖反射鏡7、兩個壓電陶瓷PZT8、分光器9、第一線性啁啾光纖光柵10-1、第二線性啁啾光纖光柵10-2、第三線性啁啾光纖光柵10-3、四個光電探測器11；
可調諧雷射器1和固定波長雷射器2接第一波分復用器3-1的波分埠，第一波分復用器3-1的復用埠和信號發生器4分別接入電光調製器5的兩個輸入端，電光調製器5的輸出端接第一光環形器6-1的1埠，第一光環形器6-1的2埠接第二波分復用器3-2的復用埠，第二波分復用器3-2的兩個波分埠分別接兩個光纖反射鏡7，其中一個光纖反射鏡7的部分尾纖繞於PZT8上，第一光環形器6-1的3埠接分光器9的輸入端，分光器9的兩個輸出端分別接第二光環形器6-2、第三光環形器6-3的1埠；第二光環形器6-2的2埠接第三波分復用器3-3的復用埠，第三波分復用器3-3的兩個波分埠分別接剩餘兩個光纖反射鏡7，其中一個光纖反射鏡7的部分尾纖繞於PZT8上，第二光環形器6-2的3埠接第四波分復用器3-4的復用埠，第四波分復用器3-4的兩波分埠分別接兩個光電探測器11；另一方面，第三光環形器6-3的2埠接由第一線性啁啾光纖光柵10-1和第二線性啁啾光纖光柵10-2依次串聯而成的離散啁啾光纖光柵單元，第三光環形器6-3的3埠接第五波分復用器3-5的復用埠，第五波分復用器3-5的一波分埠直接接光電探測器11，另一波分埠接第四光環行器6-4的1埠，第四光環行器6-4的2埠接由第三線性啁啾光纖光柵10-3，第三線性啁啾光纖光柵10-3及其尾纖構成延遲線，第四光環行器6-4的3埠光電探測器11。
所述分光器（9）採用1×2 分光器。
結合圖2，一種基於離散LCFBG和光纖反射鏡的可調諧真延時實驗裝置的方法，方法步驟如下：
步驟1、將上述基於離散LCFBG和光纖反射鏡的可調諧真延時實驗裝置的四個光電探測器11並聯接入示波器12，轉入步驟2。
步驟2、打開可調諧雷射器1和固定波長雷射器2，可調諧雷射器1輸出的光源經第一波分復用器3-1與之匹配的波分通道後進入電光調製器5，與來自信號發生器4輸入的微波信號發生幹涉，調製後的光信號經第一光環形器6-1後進入第二波分復用器3-2的一個波分通道，在PZT 8所在的光纖反射鏡7端面發生反射，被反射後的光信號經分光器9後被分為兩路信號，一路經第二光環形器6-2，進入第三波分復用器3-3的一個波分通道，在這個通道連接的PZT 8所在的光纖反射鏡7端面發生反射，二次反射後的光信號經過第四波分復用器3-4與之匹配的波分通道後進入光電探測器11，最後顯示在示波器12上；另一路光信號經第三光環形器6-3後在第一線性啁啾光纖光柵10-1處發生反射，二次反射後的光信號經第五波分復用器3-5與之匹配的波分通道後在第三線性啁啾光纖光柵10-3處發生第三次反射，後依次進入光電探測器11、示波器12。
固定波長雷射器2輸出的光源經第一波分復用器3-1與之匹配的波分通道後進入電光調製器5，與來自信號發生器4輸入的微波信號發生幹涉，調製後的光信號經第一光環形器6-1後進入第二波分復用器3-2的另一個波分通道，直接經過光纖反射鏡7發生反射，被反射後的光信號經分光器9後被分為兩路信號，一路經第二光環形器6-2，進入第三波分復用器3-3的另一個波分通道，直接經過光纖反射鏡7發生二次反射，二次反射後的光信號經過第四波分復用器3-4與之匹配的波分通道後進入光電探測器11，最後顯示在示波器12上；另一路光信號經第三光環形器6-3後在第二線性啁啾光纖光柵10-2處發生反射，二次反射後的光信號進入第五波分復用器3-5與之匹配的波分通道，後依次進入光電探測器11、示波器12。
觀察並記錄此時四路信號在示波器12上顯示的延時差，轉入步驟3。
步驟3、向長波或短波方向同步調諧可調諧雷射器1的波長、通過PZT 8調諧各自纏繞的光纖、調諧第二線性啁啾光纖光柵10-2，記錄此時四路信號在示波器12上顯示的延時差，轉步驟5。
步驟5、重複步驟4，直至超出可調諧雷射器1的調諧範圍，轉入步驟6。
步驟6、繪製四路輸出信號的延時差隨可調諧雷射器1輸出波長的變化圖，分析該可調諧真延時系統的調諧精度和調諧範圍。
所述分光器9採用1×2 分光器，兩輸出端等長。
所述固定波長雷射器2的波長在波長可調諧雷射器1的波長範圍外。
第一波分復用器3-1、第二波分復用器3-2、第三波分復用器3-3、第四波分復用器3-4和第五波分復用器3-5完全相同，每個波分復用器中兩個波分通道的波長範圍覆蓋各自雷射器輸出的波長，並且波長範圍沒有交疊。
所述第二波分復用器3-2波分端中兩光纖反射鏡7的反射端面到各自埠的距離差為2L，其中PZT 8所在的通道較長；第三波分復用器3-3波分端中兩光纖反射鏡7的反射端面到各自埠的距離差為L，L的範圍為10~20mm，其中PZT 8所在的通道較長。
以第三線性啁啾光纖光柵10-3的中心波長反射位置為測量基準，保證第四波分復用器3-4、第五波分復用器3-5的波分埠到四個光電探測器11的輸入端等光程。
所述信號發生器4的輸出頻率與電光調製器5的調製頻率、光電探測器11的探測頻率、示波器12的工作頻率匹配。
所述第一線性啁啾光纖光柵10-1、第三線性啁啾光纖光柵10-3的中心反射波長與可調諧雷射器1的中心波長相同。
第二線性啁啾光纖光柵10-2的中心反射波長與固定波長雷射器2的輸出波長相同。
第一線性啁啾光纖光柵10-1、第三線性啁啾光纖光柵10-3除啁啾係數相反以外，其他參數均相同。
四個光環形器完全相同；四個光纖反射鏡7完全相同；兩個PZT 8完全相同；四個光電探測器11完全相同。
所述第一線性啁啾光纖光柵10-1與第二線性啁啾光纖光柵10-2的中心波長反射位置距離為L，L的範圍為10~20mm，可調諧線性啁啾光纖光柵10-2的位置偏後。
上述步驟三中，同步調諧可調諧雷射器1的波長、通過PZT 8調諧各自纏繞的光纖、調諧第二線性啁啾光纖光柵10-2，即保證該輸出波長下，四路信號等延時差輸出。
實施例1
實驗測試了一款固定波長雷射器2，輸出波長為1542.9nm；一款波長可調諧雷射器1，中心波長為1550.9nm，調諧範圍為；第一波分復用器3-1、第二波分復用器3-2、第三波分復用器3-3、第四波分復用器3-4和第五波分復用器3-5均相同，其兩波分通道的波長範圍分別為：、；第一線性啁啾光纖光柵10-1的中心反射波長為1550.9nm，啁啾係數為6nm/cm，光柵長度為6mm，第二線性啁啾光纖光柵10-2的中心反射波長為1542.9nm，啁啾係數為-6nm/cm，光柵長度為6mm，兩光柵首尾間距4mm；第三線性啁啾光纖光柵10-3的中心反射波長為1550.9nm，啁啾係數為-6nm/cm，光柵長度為6mm；第二波分復用器3-2波分端中兩光纖反射鏡7的反射端到各自埠的距離分別為200mm、220mm，其中PZT 8所在的通道較長；第三波分復用器3-3波分端中兩光纖反射鏡7的反射端到各自埠的距離分別為200mm、210mm，距離第二光環行器6-2的2埠分別為400mm、410mm其中PZT 8所在的通道較長；第一線性啁啾光纖光柵10-1的中心反射位置距離第三光環行器6-3的2埠為400mm；四個光電探測器11的內部光纖長度均為40mm；其餘部分有等長要求的，光程均為1000mm；信號發生器4的輸出頻率為3GHz，電光調製器5的工作頻率不大於12GHz，四個光電探測器11的探測頻率不大於12GHz，示波器12的工作頻率為0~4GHz；其測試裝置如圖2所示，一種基於離散LCFBG和光纖反射鏡的可調諧真延時實驗裝置的方法，其方法步驟為：
步驟1、將上述基於離散LCFBG和光纖反射鏡的可調諧真延時實驗裝置的四個光電探測器11並聯接入示波器12，轉入步驟2。
步驟2、打開可調諧雷射器1和固定波長雷射器2，可調諧雷射器1輸出的光源經第一波分復用器3-1與之匹配的波分通道後進入電光調製器5，與來自信號發生器4輸入的微波信號發生幹涉，調製後的光信號經第一光環形器6-1後進入第二波分復用器3-2的一個波分通道，在PZT 8所在的光纖反射鏡7端面發生反射，被反射後的光信號經分光器9後被分為兩路信號，一路經第二光環形器6-2，進入第三波分復用器3-3的一個波分通道，在PZT 8所在的光纖反射鏡7端面發生反射，二次反射後的光信號經過第四波分復用器3-4與之匹配的波分通道後進入光電探測器11，最後顯示在示波器12上；另一路光信號經第三光環形器6-3後在第一線性啁啾光纖光柵10-1處發生反射，二次反射後的光信號經第五波分復用器3-5與之匹配的波分通道後在第三線性啁啾光纖光柵10-3處發生第三次反射，後依次進入光電探測器11、示波器12。
固定波長雷射器2輸出的光源經第一波分復用器3-1與之匹配的波分通道後進入電光調製器5，與來自信號發生器4輸入的微波信號發生幹涉，調製後的光信號經第一光環形器6-1後進入第二波分復用器3-2的另一個波分通道，直接經過光纖反射鏡7發生反射，被反射後的光信號經分光器9後被分為兩路信號，一路經第二光環形器6-2，進入第三波分復用器3-3的另一個波分通道，直接經過光纖反射鏡7發生二次反射，二次反射後的光信號經過第四波分復用器3-4與之匹配的波分通道後進入光電探測器11，最後顯示在示波器12上；另一路光信號經第三光環形器6-3後在第二線性啁啾光纖光柵10-2處發生反射，二次反射後的光信號進入第五波分復用器3-5與之匹配的波分通道，後依次進入光電探測器11、示波器12。
觀察並記錄此時四路信號在示波器12上顯示的延時差，轉入步驟3。
步驟3、向長波或短波方向同步調諧可調諧雷射器1的波長、通過PZT 8調諧各自纏繞的光纖、調諧第二線性啁啾光纖光柵10-2，記錄此時四路信號在示波器12上顯示的延時差，轉步驟5。
步驟5、重複步驟4，直至超出可調諧雷射器1的調諧範圍，轉入步驟6。
步驟6、繪製四路輸出信號的延時差隨可調諧雷射器1輸出波長的變化圖，分析該可調諧真延時系統的調諧精度和調諧範圍。
結合圖1~圖4，本實施案例在初始波長下，輸出延時差為100ps的四路信號；在此基礎上，同步調諧可調諧雷射器的波長、通過PZT調諧各自纏繞的光纖、調諧可調諧線性啁啾光纖光柵，輸出信號的延時差發生相應變化。本發明可以實現四路等延時差信號的輸出，並在此基礎上進行實時微調諧，精度高，不受空間限制，抗幹擾能力強，結構簡單，重量輕，可封裝性好。