一种光纤长度精确控制工艺技术

陶莲娟 李杨 张婧亮

摘 要：光控相控阵天线对光处理系统各模块及通道之间提出了长度一致性要求。本文基于微波光子学提出了一种利用相位调制光链路来精确测量光纤相对长度的新方法，并自主开发工装夹具实现了光纤定长度的精确切割。经过理论分析和项目验证，该工艺技术可将光纤长度测量及切割误差控制在0.3mm以内。该工艺技术原理及硬件实现都很简单，是一种实用有效、精度高的光纤长度控制方法。

关键词：光控相控阵;相位调制;光纤长度;高精度

一、引言

雷达是空战、陆战和海战中极为重要的作战“软”武器。光控相控阵天线的基本结构如图1所示[1]，接收到的微波信号首先经过电光调制器调制到光载波上，然后调制的光信号经光分路器（耦合器或者开关）被分到不同通道进行光学延时、探测和放大等一系列处理，光电变换生成的各个射频信号被送到相应的天线单元发射出去，合成特定指向的波束。

从图1可以看出，控制各辐射单元之间的射频信号相对相位，从而使空间波束向一个特定的方向辐射，对光控相控阵波束成形至关重要。光真延时技术OTTD是光控相控阵波束成形中的关键技术。OTTD利用光纤作为延时线，利用光学延时对射频信号进行延时，进而达到移相的目的，具有低损耗、低色散、重量轻、体积小及抗电磁干扰能力强等优点[2，3]，可有效抑制波束偏斜[4]。控制各通道之间的射频信号相对相位，即需要对延时光纤进行长度控制，而且长度误差需控制在毫米量级。因此，研究光纤长度的精确测量、控制工艺十分有用。

本文提出了一种利用相位调制光链路来精确测量光纤相对长度的新方法，并利用自制工装对光纤进行精确长度控制。

二、工艺设计

1 理论分析

基于微波光子学[5]，利用相位调制光链路来测量光纤相对长度的原理框图如图2所示[6]。矢量网络分析仪发生的微波信号经过电光调制器对激光器发生的光信号进行相位调制。调制光信号经过光信号处理系统各通道，其中一路为基准链路，其余为光纤长度需控制链路。信号最后由光电探测器转换为射频信号输入矢量网络分析仪。对矢量网络分析仪进行校准和打基准，采用测试软件读取测试链路与基准链路之间的相位差，计算出测试链路与基准链路之间的光纤长度差;采用工装夹具对光纤长度进行测量和精确剪切，实现光信号处理系统各通道之间光纤相对长度精确控制。

设激光器发生的信号在光域表示为：ω=2πv。光信号处理系统某一通道的光纖长度为L，光纤材料的折射率为n，光速为c，则经过光信号处理系统之后，延时t可表示为

设置矢量网络分析仪测量频率范围为fRF1～ fRF2，则相位变化Φ1、Φ2可表示为

其中Δf= fRF2- fRF1。当光信号处理系统各通道光纤长度L不一致时，由光纤物理长度差异ΔL引入的相位差为

由矢量网络分析仪测量出测试通道与基准通道之间的，即可计算出光信号处理系统各通道与基准通道的光纤长度差ΔL，即

在式（6）中，光纤折射率n，光速c，频率差Δf均为常数，所以光纤相对长度只与矢网测得的相位差有关。对光纤长度进行精确切割，即可控制各通道相位差，满足系统要求。

2工装设计

基于式（6）原理，采用现有的矢量网络分析仪安捷伦N5230C或同类型产品，光纤相对长度测试精度可精确到0.01mm，但光控波束形成的技术难题在于如何精确控制光纤切割精度。

基于上述原理，根据项目需求，设计了一套光纤定长度精细切割工装。该套工装由夹紧装置、定位装置及长度测量装置组成。夹紧装置负责夹持光纤松套管使得光纤在套管内部不窜动，保证光纤长度测量准确，同时不得影响光纤切割刀的正常切割及光纤熔接机的熔接操作;定位装置对光纤进行固定及进给;长度测量装置按需求测量所需光纤切割长度。该工装夹具可按给定长度测量光纤，理论上精度可控制到0.1mm。

三、性能测试及结果分析

1产品测试

根据以上分析，搭建如图2所示测试系统。为了保证小信号增益测试，矢量网络分析仪输出功率设置为-5dBm，可调光源输出功率设置为10dBm。采用工装夹具保证光纤测量及剪切精度，提高光纤长度测量的可靠性。图3是光信号处理系统各通道与基准通道长度差要求分别为0mm（a）、6.6mm（b）时，采用本文工艺技术对光纤进行长度控制后实际测得各通道长度差，横轴为通道编号。

2数据分析

从图3的实际测试数据可知，采用本文的光纤定长度精确控制工艺技术，光信号处理系统各通道与基准通道长度差控制误差小于0.3mm，可满足当前科研、生产需求。但该测试误差大于理论值0.1mm，这主要是由操作方法引起的。在对光纤长度进行精确剪切时，先由测试软件计算光纤切割长度（精确到0.01mm），再由操作者在工装夹具上测量相应长度的光纤，并在光纤的外护套上对切割位置进行标记。光纤长度读取和标记时引入误差均大于0.1mm。

四、结论

基于相位调制光链路建立了光纤长度精确测量模型。此工艺技术测量光纤的相对长度仅和矢网读取的相位差有关。项目测试表明，利用现有仪器设备，采用常用器件，能准确测量光信号处理系统各通道与基准通道之间的长度差，长度测试精度可精确到0.01mm;配合自主开发工装夹具，可实现光纤长度控制误差小于0.3mm，可满足当前科研、生产的需求。

参考文献

[1] 贾春燕，李冬文，叶莉华，崔一平.相控阵雷达与光控相控阵雷达.电子器件，2006，29（2）：598-601.

[2] 李曼，许宏，光学相控阵技术进展及其应用.光电技术应用，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.

[4] J.E.Roman，M.Y.Frankel，and R.D.Esman，"Spectral characterization of fiber gratingswith high resolution，" Opt.Lett.，vol.23，no.12，pp.939-941，Jun.1998.

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

[6] 叶权益，杨春，基于相位调制光链路的光纤长度测量系统[J]，中国激光，2013，40（5）：157-161.