一種光纖長度精確控制工藝技術(shù)

陶蓮娟 李楊 張婧亮

摘 要：光控相控陣天線對光處理系統(tǒng)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(xué)提出了一種利用相位調(diào)制光鏈路來精確測量光纖相對長度的新方法，并自主開發(fā)工裝夾具實(shí)現(xiàn)了光纖定長度的精確切割。經(jīng)過理論分析和項(xiàng)目驗(yàn)證，該工藝技術(shù)可將光纖長度測量及切割誤差控制在0.3mm以內(nèi)。該工藝技術(shù)原理及硬件實(shí)現(xiàn)都很簡單，是一種實(shí)用有效、精度高的光纖長度控制方法。

關(guān)鍵詞：光控相控陣;相位調(diào)制;光纖長度;高精度

一、引言

雷達(dá)是空戰(zhàn)、陸戰(zhàn)和海戰(zhàn)中極為重要的作戰(zhàn)“軟”武器。光控相控陣天線的基本結(jié)構(gòu)如圖1所示[1]，接收到的微波信號首先經(jīng)過電光調(diào)制器調(diào)制到光載波上，然后調(diào)制的光信號經(jīng)光分路器（耦合器或者開關(guān)）被分到不同通道進(jìn)行光學(xué)延時(shí)、探測和放大等一系列處理，光電變換生成的各個(gè)射頻信號被送到相應(yīng)的天線單元發(fā)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(gè)特定的方向輻射，對光控相控陣波束成形至關(guān)重要。光真延時(shí)技術(shù)OTTD是光控相控陣波束成形中的關(guān)鍵技術(shù)。OTTD利用光纖作為延時(shí)線，利用光學(xué)延時(shí)對射頻信號進(jìn)行延時(shí)，進(jìn)而達(dá)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(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)[2，3]，可有效抑制波束偏斜[4]?？刂聘魍ǖ乐g的射頻信號相對相位，即需要對延時(shí)光纖進(jìn)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(diào)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(jìn)行精確長度控制。

二、工藝設(shè)計(jì)

1 理論分析

基于微波光子學(xué)[5]，利用相位調(diào)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(wǎng)絡(luò)分析儀發(fā)生的微波信號經(jīng)過電光調(diào)制器對激光器發(fā)生的光信號進(jìn)行相位調(diào)制。調(diào)制光信號經(jīng)過光信號處理系統(tǒng)各通道，其中一路為基準(zhǔn)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(zhuǎn)換為射頻信號輸入矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀。對矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀進(jìn)行校準(zhǔn)和打基準(zhǔn)，采用測試軟件讀取測試鏈路與基準(zhǔn)鏈路之間的相位差，計(jì)算出測試鏈路與基準(zhǔn)鏈路之間的光纖長度差;采用工裝夾具對光纖長度進(jìn)行測量和精確剪切，實(shí)現(xiàn)光信號處理系統(tǒng)各通道之間光纖相對長度精確控制。

設(shè)激光器發(fā)生的信號在光域表示為：ω=2πv。光信號處理系統(tǒng)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(jīng)過光信號處理系統(tǒng)之后，延時(shí)t可表示為

設(shè)置矢量網(wǎng)絡(luò)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(dāng)光信號處理系統(tǒng)各通道光纖長度L不一致時(shí)，由光纖物理長度差異ΔL引入的相位差為

由矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀測量出測試通道與基準(zhǔn)通道之間的，即可計(jì)算出光信號處理系統(tǒng)各通道與基準(zhǔn)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(shù)，所以光纖相對長度只與矢網(wǎng)測得的相位差有關(guān)。對光纖長度進(jìn)行精確切割，即可控制各通道相位差，滿足系統(tǒng)要求。

2工裝設(shè)計(jì)

基于式（6）原理，采用現(xiàn)有的矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀安捷倫N5230C或同類型產(chǎn)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(shù)難題在于如何精確控制光纖切割精度。

基于上述原理，根據(jù)項(xiàng)目需求，設(shè)計(jì)了一套光纖定長度精細(xì)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(fù)責(zé)夾持光纖松套管使得光纖在套管內(nèi)部不竄動(dòng)，保證光纖長度測量準(zhǔn)確，同時(shí)不得影響光纖切割刀的正常切割及光纖熔接機(jī)的熔接操作;定位裝置對光纖進(jìn)行固定及進(jìn)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(jié)果分析

1產(chǎn)品測試

根據(jù)以上分析，搭建如圖2所示測試系統(tǒng)。為了保證小信號增益測試，矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀輸出功率設(shè)置為-5dBm，可調(diào)光源輸出功率設(shè)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(tǒng)各通道與基準(zhǔn)通道長度差要求分別為0mm（a）、6.6mm（b）時(shí)，采用本文工藝技術(shù)對光纖進(jìn)行長度控制后實(shí)際測得各通道長度差，橫軸為通道編號。

2數(shù)據(jù)分析

從圖3的實(shí)際測試數(shù)據(jù)可知，采用本文的光纖定長度精確控制工藝技術(shù)，光信號處理系統(tǒng)各通道與基準(zhǔn)通道長度差控制誤差小于0.3mm，可滿足當(dāng)前科研、生產(chǎn)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(jìn)行精確剪切時(shí)，先由測試軟件計(jì)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(yīng)長度的光纖，并在光纖的外護(hù)套上對切割位置進(jìn)行標(biāo)記。光纖長度讀取和標(biāo)記時(shí)引入誤差均大于0.1mm。

四、結(jié)論

基于相位調(diào)制光鏈路建立了光纖長度精確測量模型。此工藝技術(shù)測量光纖的相對長度僅和矢網(wǎng)讀取的相位差有關(guān)。項(xiàng)目測試表明，利用現(xiàn)有儀器設(shè)備，采用常用器件，能準(zhǔn)確測量光信號處理系統(tǒng)各通道與基準(zhǔn)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(fā)工裝夾具，可實(shí)現(xiàn)光纖長度控制誤差小于0.3mm，可滿足當(dāng)前科研、生產(chǎn)的需求。

參考文獻(xiàn)

[1] 賈春燕，李冬文，葉莉華，崔一平.相控陣?yán)走_(dá)與光控相控陣?yán)走_(dá).電子器件，2006，29（2）：598-601.

[2] 李曼，許宏，光學(xué)相控陣技術(shù)進(jìn)展及其應(yīng)用.光電技術(shù)應(yīng)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] 葉權(quán)益，楊春，基于相位調(diào)制光鏈路的光纖長度測量系統(tǒng)[J]，中國激光，2013，40（5）：157-161.