一種皮秒級(jí)可調(diào)光纖延遲線的原理及設(shè)計(jì)

文/徐艷霞 徐濟(jì)成 汪海威（安徽中澳科技職業(yè)學(xué)院）

光纖延遲線于1976年被提出，通過把微波信號(hào)調(diào)制到光波上，利用光纖傳輸對(duì)微波信號(hào)在光域中進(jìn)行延遲處理，然后在接收端用光電探測(cè)器將微波信號(hào)還原，從而擺脫電子延遲處理的瓶頸限制[1-3]。經(jīng)過幾十年的發(fā)展，光纖延遲技術(shù)已成為光信息處理中的重要技術(shù)，廣泛運(yùn)用于各種領(lǐng)域。很多大型激光裝置如激光脈沖相干合成系統(tǒng)、激光核聚變系統(tǒng)等，需要對(duì)多束激光脈沖進(jìn)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(diào)制、多級(jí)放大形成多束同步的高能激光脈沖。由于激光的每一級(jí)功能模塊很難實(shí)現(xiàn)完全一致的時(shí)間延遲，因此需要可調(diào)延遲的光學(xué)設(shè)備來作為激光同步調(diào)節(jié)設(shè)備[4]。如在信號(hào)遠(yuǎn)距離傳輸、雷達(dá)組網(wǎng)、光纖授時(shí)及時(shí)頻傳遞系統(tǒng)中，作為光纖穩(wěn)相傳輸設(shè)備的光纖相位補(bǔ)償器，其補(bǔ)償機(jī)構(gòu)主要由高精度相位補(bǔ)償模塊、相位補(bǔ)償量程擴(kuò)展模塊組成，其中相位補(bǔ)償量程擴(kuò)展模塊主要部件是可調(diào)光纖延遲線。

一、可調(diào)光纖延遲線設(shè)計(jì)原理

傳統(tǒng)可調(diào)光纖延遲線的基本結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 傳統(tǒng)光纖延遲線基本結(jié)構(gòu)

由激光器產(chǎn)生的光通過電光調(diào)制器被微波信號(hào)調(diào)制后，經(jīng)過光分束器后進(jìn)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(zhǎng)度比例不一樣。光纖延遲時(shí)間由可調(diào)激光器的波長(zhǎng)、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(zhǎng)度比例確定，即可通過改變光載波的波長(zhǎng)，實(shí)現(xiàn)不同的時(shí)間延遲[5,6]。傳統(tǒng)光纖延遲線雖然實(shí)現(xiàn)了時(shí)間的可調(diào)延遲，但時(shí)間延遲取決于光波長(zhǎng)、色散光纖和零色散光纖的長(zhǎng)度比例，導(dǎo)致延遲精度不高，很難實(shí)現(xiàn)在寬延遲范圍內(nèi)皮秒（ps）級(jí)的調(diào)諧步進(jìn)延遲，且每一路都需要一只探測(cè)器PD，系統(tǒng)復(fù)雜，成本也高。

本設(shè)計(jì)研制的光纖延遲線，延遲時(shí)間為100ps 并且連續(xù)可調(diào)，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(dòng)改變延遲路徑的長(zhǎng)短實(shí)現(xiàn)延時(shí)；利用高精度數(shù)控步進(jìn)電機(jī)實(shí)現(xiàn)反射鏡面的移動(dòng)控制，實(shí)現(xiàn)連續(xù)延遲時(shí)間的精度控制。設(shè)計(jì)原理如圖2 所示。

圖2 連續(xù)可調(diào)光纖延遲線的原理

電光轉(zhuǎn)換（E/O）將射頻電信號(hào)轉(zhuǎn)換為光信號(hào)并通過尾纖將光信號(hào)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(hào)經(jīng)反射鏡面兩次反射后，由接收透鏡組會(huì)聚并注入接收光纖，隨后通過光電變換，恢復(fù)成射頻電信號(hào)。梯形棱鏡通過滾珠絲杠連動(dòng)機(jī)構(gòu)在導(dǎo)軌上移動(dòng)，并由步進(jìn)電機(jī)控制，通過移動(dòng)梯形棱鏡的位置來改變光程，從而調(diào)節(jié)延遲時(shí)間的大小。

二、產(chǎn)品設(shè)計(jì)

1.參數(shù)計(jì)算分析

ps 級(jí)連續(xù)可調(diào)光纖延遲線是通過編碼電機(jī)控制透鏡組不同的位置，從而實(shí)現(xiàn)延遲時(shí)間,如圖3 所示。

圖3 ps 級(jí)光纖延遲線示意圖

當(dāng)光在空氣中以速度V傳播時(shí)，延遲時(shí)間T正比于光的傳播路徑長(zhǎng)度L，延遲時(shí)間T可表示為，所以只要能改變光的傳播路徑長(zhǎng)度，就能實(shí)現(xiàn)不同的時(shí)間延遲。

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

2.電機(jī)及其控制綜述

本設(shè)計(jì)采用兩相步進(jìn)電機(jī)，其步進(jìn)角為1.8°。通過單片機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)芯片產(chǎn)生精確的電流，驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)對(duì)應(yīng)的角度。編碼器用來測(cè)量步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)角是否到位，并使單片機(jī)產(chǎn)生控制信號(hào)調(diào)整步進(jìn)電機(jī)進(jìn)位角度。

PWM功率控制簡(jiǎn)單來說就是一種開關(guān)數(shù)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(shí)器電路的一些特性。通過調(diào)節(jié)矩形脈沖的占空比來調(diào)節(jié)輸出功率，調(diào)節(jié)精度可達(dá)到0.01%甚至更高。市面上有許多PWM控制芯片，各有各的優(yōu)點(diǎn)，但本設(shè)計(jì)中采用了A4988 這種步進(jìn)電機(jī)控制芯片，它自帶N-PMOSFET 開關(guān)，內(nèi)部有高精度定時(shí)器。

3.軟件設(shè)計(jì)

光纖延遲線程序控制邏輯如圖4 所示。

步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)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(shè)定步進(jìn)電機(jī)細(xì)分度

set_bit(PORTC,6)；

delayus(100)；

for(n=0；n

if(ddirec==0)position1--；

if(ddirec==1)position1++；

}

4.產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)指標(biāo)中要求產(chǎn)品為金屬外殼封裝，產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)采用功能分區(qū)、模塊化設(shè)計(jì)的方法。采取分區(qū)模塊化的設(shè)計(jì)方案，不僅方便內(nèi)部部件布局、調(diào)試，也有利于產(chǎn)品小體積的實(shí)現(xiàn)。光纖延時(shí)線產(chǎn)品的整體結(jié)構(gòu)示意如圖5 所示。

產(chǎn)品小體積的實(shí)現(xiàn)主要是通過光電混合集成的方法實(shí)現(xiàn)。在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上采取分區(qū)模塊化的設(shè)計(jì)方案，不僅方便內(nèi)部部件布局、調(diào)試，也有利于產(chǎn)品小體積的實(shí)現(xiàn)。

三、小結(jié)

圖5 光纖延時(shí)線產(chǎn)品的整體結(jié)構(gòu)

本文利用空氣作為光延時(shí)路徑，通過移動(dòng)反射鏡面來改變延時(shí)路徑的長(zhǎng)短，從而達(dá)到延遲時(shí)間可調(diào)節(jié)的目的。用一個(gè)高精度數(shù)控步進(jìn)電機(jī)來控制鏡面移動(dòng)的精度，實(shí)現(xiàn)連續(xù)延遲時(shí)間的精確控制。給出了產(chǎn)品的設(shè)計(jì)原理圖，并對(duì)ps 級(jí)連續(xù)可調(diào)光纖延遲線進(jìn)行了參數(shù)計(jì)算分析，得出對(duì)于100ps 光纖延時(shí)線，反光鏡的可移動(dòng)范圍為0～10mm。對(duì)步進(jìn)電機(jī)采取PWM控制，給出了程序控制流程圖和步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)程序，同時(shí)對(duì)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計(jì)。本文所作的分析和設(shè)計(jì)工作，對(duì)小體積的連續(xù)可調(diào)光纖延遲線產(chǎn)品的設(shè)計(jì)和研制有著重要的指導(dǎo)作用。