一种皮秒级可调光纤延迟线的原理及设计

文/徐艳霞 徐济成 汪海威（安徽中澳科技职业学院）

光纤延迟线于1976年被提出，通过把微波信号调制到光波上，利用光纤传输对微波信号在光域中进行延迟处理，然后在接收端用光电探测器将微波信号还原，从而摆脱电子延迟处理的瓶颈限制[1-3]。经过几十年的发展，光纤延迟技术已成为光信息处理中的重要技术，广泛运用于各种领域。很多大型激光装置如激光脉冲相干合成系统、激光核聚变系统等，需要对多束激光脉冲进行精确同步控制，一般采用光纤激光器作为种子源，再通过分束、调制、多级放大形成多束同步的高能激光脉冲。由于激光的每一级功能模块很难实现完全一致的时间延迟，因此需要可调延迟的光学设备来作为激光同步调节设备[4]。如在信号远距离传输、雷达组网、光纤授时及时频传递系统中，作为光纤稳相传输设备的光纤相位补偿器，其补偿机构主要由高精度相位补偿模块、相位补偿量程扩展模块组成，其中相位补偿量程扩展模块主要部件是可调光纤延迟线。

一、可调光纤延迟线设计原理

传统可调光纤延迟线的基本结构如图1 所示。

图1 传统光纤延迟线基本结构

由激光器产生的光通过电光调制器被微波信号调制后，经过光分束器后进入到不同的光纤，每一路光纤都是由一段高色散光纤和零色散光纤组成，只是各路中色散光纤和零色散光纤的长度比例不一样。光纤延迟时间由可调激光器的波长、色散光纤和零色散光纤共同决定，一旦色散光纤和零色散光纤的长度比例确定，即可通过改变光载波的波长，实现不同的时间延迟[5,6]。传统光纤延迟线虽然实现了时间的可调延迟，但时间延迟取决于光波长、色散光纤和零色散光纤的长度比例，导致延迟精度不高，很难实现在宽延迟范围内皮秒（ps）级的调谐步进延迟，且每一路都需要一只探测器PD，系统复杂，成本也高。

本设计研制的光纤延迟线，延迟时间为100ps 并且连续可调，其基本原理是利用空气作为光传输延迟路径，通过反射镜的移动改变延迟路径的长短实现延时；利用高精度数控步进电机实现反射镜面的移动控制，实现连续延迟时间的精度控制。设计原理如图2 所示。

图2 连续可调光纤延迟线的原理

电光转换（E/O）将射频电信号转换为光信号并通过尾纤将光信号送给光输入透镜，反射镜面采用镀有高反射膜的梯形棱镜，光输入透镜输出的光信号经反射镜面两次反射后，由接收透镜组会聚并注入接收光纤，随后通过光电变换，恢复成射频电信号。梯形棱镜通过滚珠丝杠连动机构在导轨上移动，并由步进电机控制，通过移动梯形棱镜的位置来改变光程，从而调节延迟时间的大小。

二、产品设计

1.参数计算分析

ps 级连续可调光纤延迟线是通过编码电机控制透镜组不同的位置，从而实现延迟时间,如图3 所示。

图3 ps 级光纤延迟线示意图

当光在空气中以速度V传播时，延迟时间T正比于光的传播路径长度L，延迟时间T可表示为，所以只要能改变光的传播路径长度，就能实现不同的时间延迟。

图2 中光延时变化范围由反光镜的可移动范围决定，使用了反光镜的光程近似为可移动范围的2 倍。由于光传输1m 的延迟时间约为5000ps，对于最大延时为100ps 的光纤延迟线，反光镜的可移动范围L1 的最大值可依照1/5000=2L1/100 计算得到L1 为10mm，故对于100ps 光纤延时线，反光镜的可移动范围为0～10mm。

2.电机及其控制综述

本设计采用两相步进电机，其步进角为1.8°。通过单片机控制步进电机芯片产生精确的电流，驱动步进电机转动对应的角度。编码器用来测量步进电机转角是否到位，并使单片机产生控制信号调整步进电机进位角度。

PWM功率控制简单来说就是一种开关数字控制，它没有模拟电路控制的繁杂，不需要DAC，也不依赖电路精度，只依赖于定时器电路的一些特性。通过调节矩形脉冲的占空比来调节输出功率，调节精度可达到0.01%甚至更高。市面上有许多PWM控制芯片，各有各的优点，但本设计中采用了A4988 这种步进电机控制芯片，它自带N-PMOSFET 开关，内部有高精度定时器。

3.软件设计

光纤延迟线程序控制逻辑如图4 所示。

步进电机驱动程序如下。

void single_step(unsigned int number)//单步

图4 程序控制流程图

{

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)； //设定步进电机细分度

set_bit(PORTC,6)；

delayus(100)；

for(n=0；n

if(ddirec==0)position1--；

if(ddirec==1)position1++；

}

4.产品结构设计

本设计指标中要求产品为金属外壳封装，产品结构设计时采用功能分区、模块化设计的方法。采取分区模块化的设计方案，不仅方便内部部件布局、调试，也有利于产品小体积的实现。光纤延时线产品的整体结构示意如图5 所示。

产品小体积的实现主要是通过光电混合集成的方法实现。在结构设计上采取分区模块化的设计方案，不仅方便内部部件布局、调试，也有利于产品小体积的实现。

三、小结

图5 光纤延时线产品的整体结构

本文利用空气作为光延时路径，通过移动反射镜面来改变延时路径的长短，从而达到延迟时间可调节的目的。用一个高精度数控步进电机来控制镜面移动的精度，实现连续延迟时间的精确控制。给出了产品的设计原理图，并对ps 级连续可调光纤延迟线进行了参数计算分析，得出对于100ps 光纤延时线，反光镜的可移动范围为0～10mm。对步进电机采取PWM控制，给出了程序控制流程图和步进电机驱动程序，同时对产品结构进行了设计。本文所作的分析和设计工作，对小体积的连续可调光纤延迟线产品的设计和研制有着重要的指导作用。