基于波分复用的可调谐真延时实验装置及其实验方法与流程

本发明属于光纤通信技术领域，具体涉及一种基于波分复用的可调谐真延时实验装置及其实验方法。

背景技术：

雷达作为军事战略中防卫和反击的关键技术，其内涵和研究内容不断拓展。光控相控阵雷达技术在强杂波、强干扰和硬打击等工作条件下表现出良好的性能，具有很大的技术潜力，因此其发展和研究受到了国内外的普遍重视。

以光纤延迟线作为延迟器件的相控阵雷达就是光控相控阵雷。其核心是光控相控阵天线，由许多辐射单元排列而成。现有的可调谐真延时系统主要包括对激光器输出波长的调谐、对光纤光栅的调谐、光开关的切换等。在具体的系统设计中，受到成本限制、空间尺寸的约束、电磁场干扰、调谐范围小、调谐精度低等各种问题。因此，国内外学者一直致力于对可调谐真延时系统的设计与改善。

2008年，南洋理工大学Pham Q. Thai等人在《Simplified Optical Dual Beamformer Employing Multichannel Chirped Fiber Grating and Tunable Optical Delay Lines》中提出一种基于线性啁啾光纤光栅的可调谐延时系统。该系统包含2个单波长激光器，2个可调谐窄线宽单波长激光器，、为一组，、为一组。第一组的两束光被微波信号调制后，在多通道啁啾光栅中获得两个不同的延时，两束光的延时差为。后经过分光器进入不同通道，在第一个波分通道中，直接经过解波分复用器、光电探测器解调出来；在第二个波分通道中，附加了一个延时时间为的可调延时器。由激光器、输出四组电信号，阵元间的延时差为。同理，由激光器、输出的四组电信号，阵元间的延时差为。该系统调谐可调延时器，引入多路误差，同时需要调谐多个器件，操作比较复杂。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种基于波分复用的可调谐真延时实验装置及其实验方法，通过同步调谐线性啁啾光纤光栅和激光器的输出波长，实现对系统信号延时差的实时调谐与控制。本发明可以对复用信号中某一信号延迟时间进行单独调谐，减少了误差源，调谐精度高，调谐范围大，同时，结构简单，制作难度低。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种基于波分复用的可调谐真延时实验装置，包括波长可调谐激光器、固定波长激光器、第一波分复用器、第二波分复用器、第三波分复用器、信号发生器、电光调制器、第一延迟线单元、第二延迟线单元、第三延迟线单元、第四延迟线单元、分光器、四个光电探测器。

波长可调谐激光器和固定波长激光器分别接入第一波分复用器的两波分端口，第一波分复用器的复用端口接电光调制器的光输入端，信号发生器接入电光调制器的信号输入端，电光调制器的输出端接第一延迟线单元，第一延迟线单元接分光器的输入端，分光器的输出端分别接第二延迟线单元和第三延迟线单元，第二延迟线单元接第二波分复用器的输入端，第二波分复用器输出端分别接两个光电探测器，第三延迟线单元接第三波分复用器的输入端，第三波分复用器的输出端，一路接第三个光电探测器，另一路依次接第四延迟线单元和第四个光电探测器。

一种基于波分复用的可调谐真延时实验装置的实验方法，方法步骤如下：

步骤1、将上述基于波分复用的可调谐真延时实验装置的四个光电探测器并联接入示波器，转入步骤2；

步骤2、打开波长可调谐激光器和固定波长激光器，固定波长激光器输出的波长经第一波分复用器与之匹配的波分通道后进入电光调制器，与来自信号发生器输入的微波信号发生干涉，被调至后的光信号经过第一光环行器后在第一均匀光纤光栅（7-1）处发生反射，被反射后的光信号经分光器后被分为两路信号，一路经过第二光环行器后在第二均匀光纤光栅处发生反射，被反射后的光信号经第二波分复用器与之匹配的波分通道后进入光电探测器，最后显示在示波器上；而另一路光信号经过第三光环行器后在第四线性啁啾光纤光栅处发生反射，被反射后的光信号经第三波分复用器与之匹配的波分通道后进入光电探测器，最后显示在示波器上；

同时波长可调谐激光器输出的波长经第一波分复用器与之匹配的波分通道后进入电光调制器，与来自信号发生器输入的微波信号发生干涉，被调至后的光信号经过第一光环行器后在第一线性啁啾光纤光栅处发生反射，被反射后的光信号经分光器后同样被分为两路信号，一路经过第二光环行器后在第二线性啁啾光纤光栅处发生反射，被反射后的光信号经第二波分复用器与之匹配的波分通道后进入光电探测器，最后显示在示波器上；而另一路光信号经过第三光环行器后在第三线性啁啾光纤光栅处发生反射，被反射后的光信号经第三波分复用器与之匹配的波分通道后进入第四光环行器，在第五线性啁啾光纤光栅处发生补偿反射后进入光电探测器，最后显示在示波器上；

观察并记录此时四路信号在示波器上显示的延时差，转入步骤3；

步骤3、同步调谐波长可调谐激光器的波长与第四线性啁啾光纤光栅，观察并记录此时四路信号在示波器上显示的延时差，转入步骤4；

步骤4、重复步骤3，向长波或短波方向同步调谐波长可调谐激光器的波长与第四线性啁啾光纤光栅，观察并记录此时对应的波长下，四路信号在示波器上显示的延时差；直至超出第二线性啁啾光纤光栅的反射谱范围，转入步骤5；

步骤5、绘制四路信号的延时差随波长可调谐激光器的波长变化的动态图，分析基于波分复用的可调谐真延时实验装置的调谐精度和调谐范围。

本发明与现有技术相比，其显著优点在于：

（1）减少了误差源，提高了调谐精度，扩大了调谐范围。

（2）实现对复用信号中某一信号延迟时间的单独调谐。

（3）装置简单，制作难度低，节约成本。

附图说明

图1为本发明基于波分复用的可调谐真延时实验装置结构图。

图2为本发明基于波分复用的可调谐真延时实验装置的测试结构图。

图3为本发明未调谐波长可调谐激光器的输出波长和可调谐线性啁啾光纤光栅时的真延时示意图。

图4为本发明同步调谐波长可调谐激光器的输出波长和可调谐线性啁啾光纤光栅时的真延时示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细描述。

结合图1和图2，一种基于波分复用的可调谐真延时实验装置，包括波长可调谐激光器1、固定波长激光器2、第一波分复用器3-1、第二波分复用器3-2、第三波分复用器3-3、信号发生器4、电光调制器5、第一延迟线单元、第二延迟线单元、第三延迟线单元、第四延迟线单元、分光器9、四个光电探测器10。

波长可调谐激光器1和固定波长激光器2分别接入第一波分复用器3-1的两波分端口，第一波分复用器3-1的复用端口接电光调制器5的光输入端，信号发生器4接入电光调制器5的信号输入端，电光调制器5的输出端接第一延迟线单元，第一延迟线单元接分光器9的输入端，分光器9的输出端分别接第二延迟线单元和第三延迟线单元，第二延迟线单元接第二波分复用器3-2的输入端，第二波分复用器3-2输出端分别接两个光电探测器10，第三延迟线单元接第三波分复用器3-3的输入端，第三波分复用器3-3的输出端，一路接第三个光电探测器10，另一路依次接第四延迟线单元和第四个光电探测器10。

所述第一延迟线单元包括第一光环形器6-1、第一均匀光纤光栅7-1和第一线性啁啾光纤光栅8-1，电光调制器5的输出端接第一光环行器6-1的1端口，第一光环行器6-1的2端口依次串联第一均匀光纤光栅7-1和第一线性啁啾光纤光栅8-1，第一光环行器6-1的3端口接分光器9的输入端。

所述第二延迟线单元包括第二光环形器6-2、第二均匀光纤光栅7-2和第二线性啁啾光纤光栅8-2，分光器9的输出端接第二光环行器6-2的1端口，第二光环行器6-2的2端口依次串联第二均匀光纤光栅7-2和第二线性啁啾光纤光栅8-2，第二光环行器6-2的3端口接第二波分复用器3-2的输入端。

所述第三延迟线单元包括第三光环形器6-3、第三线性啁啾光纤光栅8-3和第四线性啁啾光纤光栅8-4，分光器9的输出端接第三光环行器6-3的1端口，第三光环行器6-3的2端口依次串联第三线性啁啾光纤光栅8-3和第四线性啁啾光纤光栅8-4，第三光环行器6-3的3端口接第三波分复用器3-3的输入端。

所述第四延迟线单元包括第四光环行器6-4和第五线性啁啾光纤光栅8-5，第三波分复用器3-3的一路输出端接第四光环行器6-4的1端口，第四光环行器6-4的2端口接第五线性啁啾光纤光栅8-5，第四光环行器6-4的3端口接第四个光电探测器10。

所述分光器9采用1×2 分光器。

一种基于波分复用的可调谐真延时实验装置的实验方法，方法步骤如下：

步骤1、将上述基于波分复用的可调谐真延时实验装置的四个光电探测器10并联接入示波器11，转入步骤2。

步骤2、打开波长可调谐激光器1和固定波长激光器2，固定波长激光器2输出的波长经第一波分复用器3-1与之匹配的波分通道后进入电光调制器5，和来自信号发生器4输入的微波信号发生干涉，被调至后的光信号经过第一光环行器6-1后在第一均匀光纤光栅7-1处发生反射，被反射后的光信号经分光器9后被分为两路信号，一路经过第二光环行器6-2后在第二均匀光纤光栅7-2处发生反射，被反射后的光信号经第二波分复用器3-2与之匹配的波分通道后进入光电探测器10，最后显示在示波器11上；而另一路光信号经过第三光环行器6-3后在第四线性啁啾光纤光栅8-4处发生反射，被反射后的光信号经第三波分复用器3-3与之匹配的波分通道后进入光电探测器10，最后显示在示波器11上。

同时波长可调谐激光器1输出的波长经第一波分复用器3-1与之匹配的波分通道后进入电光调制器5，和来自信号发生器4输入的微波信号发生干涉，被调至后的光信号经过第一光环行器6-1后在第一线性啁啾光纤光栅8-1处发生反射，被反射后的光信号经分光器9后同样被分为两路信号，一路经过第二光环行器6-2后在第二线性啁啾光纤光栅8-2处发生反射，被反射后的光信号经第二波分复用器3-2与之匹配的波分通道后进入光电探测器10，最后显示在示波器11上；而另一路光信号经过第三光环行器6-3后在第三线性啁啾光纤光栅8-3处发生反射，被反射后的光信号经第三波分复用器3-3与之匹配的波分通道后进入第四光环行器6-4，在第五线性啁啾光纤光栅8-5处发生补偿反射后进入光电探测器10，最后显示在示波器11上。

观察并记录此时四路信号在示波器11上显示的延时差，转入步骤3。

步骤3、同步调谐波长可调谐激光器1的波长与第四线性啁啾光纤光栅8-4，观察并记录此时四路信号在示波器11上显示的延时差，转入步骤4。

步骤4、重复步骤3，向长波或短波方向同步调谐波长可调谐激光器1的波长与第四线性啁啾光纤光栅8-4，观察并记录此时对应的波长下，四路信号在示波器11上显示的延时差；直至超出第二线性啁啾光纤光栅8-2的反射谱范围，转入步骤5。

步骤5、绘制四路信号的延时差随波长可调谐激光器1的波长变化的动态图，分析基于波分复用的可调谐真延时实验装置的的调谐精度和调谐范围。

所述分光器9采用1×2 分光器，两输出端等长。

所述固定波长激光器2的波长在波长可调谐激光器1的波长范围外。

所述第一波分复用器3-1、第二波分复用器3-2和第三波分复用器3-3完全相同，每个波分复用器中两个波分通道的波长范围覆盖各自激光器输出的波长，并且波长范围没有交叠。

所述以第五线性啁啾光纤光栅8-5的中心波长反射位置为测量基准，保证第二波分复用器3-2和第三波分复用器3-3的波分端口到四个光电探测器10的输入端等光程。

所述信号发生器4的输出频率与电光调制器5的调制频率、光电探测器10的探测频率、示波器11的工作频率匹配。

所述第一均匀光纤光栅7-1、第二均匀光纤光栅7-2的反射波长、第四线性啁啾光纤光栅8-4的中心反射波长均与固定波长激光器2的波长相同。第一线性啁啾光纤光栅8-1、第二线性啁啾光纤光栅8-2、第三线性啁啾光纤光栅8-3、第五线性啁啾光纤光栅8-5的中心反射波长均与波长可调谐激光器1的中心波长相同。

所述四个光环形器完全相同；四个光电探测器10完全相同。

所述第一线性啁啾光纤光栅8-1的啁啾系数是第二线性啁啾光纤光栅8-2的1/2，是第三线性啁啾光纤光栅8-3的1/2，是第四线性啁啾光纤光栅8-4的-1/2，是第五线性啁啾光纤光栅8-5的-1/2。

所述第一均匀光纤光栅7-1的中心位置与第一线性啁啾光纤光栅8-1的中心波长反射位置距离为2L，第二均匀光纤光栅7-2的中心位置与第二线性啁啾光纤光栅8-2的中心波长反射位置距离为L，第三线性啁啾光纤光栅8-3与第四线性啁啾光纤光栅8-4的中心波长反射位置距离为L，L的范围为10~20mm。

上述步骤4中，同步调谐波长可调谐激光器1的波长与第四线性啁啾光纤光栅8-4，即保证该输出波长下，四路信号等延时差输出。

实施例1

实验测试了一款固定波长的激光器2，输出波长为1542.9nm；一款波长可调谐激光器1，中心波长为1550.9nm，调谐范围为；第一波分复用器3-1、第二波分复用器3-2和第三波分复用器3-3相同，其两路波分通道的波长范围分别为：、；第一均匀光纤光栅7-1的反射波长为1542.9nm，光栅长度为4mm，第一线性啁啾光纤光栅8-1的中心反射波长为1550.9nm，啁啾系数为3nm/cm，光栅长度为12mm，两光栅首尾间距为12mm；第二均匀光纤光栅7-2的反射波长为1542.9nm，光栅长度为4mm，第二线性啁啾光纤光栅8-2的中心反射波长为1550.9nm，啁啾系数为6nm/cm，光栅长度为6mm，两光栅首尾间距为5mm；第三线性啁啾光纤光栅8-3的反射波长为1550.9nm，啁啾系数为6nm/cm，光栅长度为6mm，第四线性啁啾光纤光栅8-4的中心反射波长为1542.9nm，啁啾系数为-6nm/cm，光栅长度为6mm，两光栅首尾间距为4mm；第五线性啁啾光纤光栅8-5的反射波长为1550.9nm，啁啾系数为-6nm/cm，光栅长度为6mm；四个光电探测器10的内部光纤长度均为40mm；其余部分有等长要求的，光程均为1000mm；信号发生器4的输出频率为3GHz，电光调制器5的工作频率不大于12GHz，四个光电探测器10的探测频率不大于12GHz，示波器11的工作频率为0~4GHz；其测试装置如图2所示，一种基于波分复用的可调谐真延时实验装置的实验方法，其方法步骤为：

步骤1、将上述基于波分复用的可调谐真延时实验装置的四个光电探测器10并联接入示波器11，转入步骤2。

步骤2、打开波长可调谐激光器1和固定波长激光器2，固定波长激光器2输出的波长经第一波分复用器3-1与之匹配的波分通道后进入电光调制器5，和来自信号发生器4输入的微波信号发生干涉，被调至后的光信号经过第一光环行器6-1后在第一均匀光纤光栅7-1处发生反射，被反射后的光信号经分光器9后被分为两路信号，一路经过第二光环行器6-2后在第二均匀光纤光栅7-2处发生反射，被反射后的光信号经第二波分复用器3-2与之匹配的波分通道后进入光电探测器10，最后显示在示波器11上；而另一路光信号经过第三光环行器6-3后在第四线性啁啾光纤光栅8-4处发生反射，被反射后的光信号经第三波分复用器3-3与之匹配的波分通道后进入光电探测器10，最后显示在示波器11上。

波长可调谐激光器1输出的波长经第一波分复用器3-1与之匹配的波分通道后进入电光调制器5，和来自信号发生器4输入的微波信号发生干涉，被调至后的光信号经过第一光环行器6-1后在第一线性啁啾光纤光栅8-1处发生反射，被反射后的光信号经分光器9后同样被分为两路信号，一路经过第二光环行器6-2后在第二线性啁啾光纤光栅8-2处发生反射，被反射后的光信号经第二波分复用器3-2与之匹配的波分通道后进入光电探测器10，最后显示在示波器11上；而另一路光信号经过第三光环行器6-3后在第三线性啁啾光纤光栅8-3处发生反射，被反射后的光信号经第三波分复用器3-3与之匹配的波分通道后进入第四光环行器6-4，在第五线性啁啾光纤光栅8-5处发生补偿反射后进入光电探测器10，最后显示在示波器11上。

观察并记录此时四路信号在示波器11上显示的延时差，转入步骤3；

步骤3、同步调谐波长可调谐激光器1的波长与第四线性啁啾光纤光栅8-4，观察并记录此时四路信号在示波器11上显示的延时差，转入步骤4。

步骤4、重复步骤3，向长波或短波方向同步调谐波长可调谐激光器1的波长与第四线性啁啾光纤光栅8-4，观察并记录此时对应的波长下，四路信号在示波器11上显示的延时差；直至超出第二线性啁啾光纤光栅8-2的反射谱范围，转入步骤5。

步骤5、绘制四路信号的延时差随波长可调谐激光器1的波长变化的动态图，分析基于波分复用的可调谐真延时实验装置的的调谐精度和调谐范围。

结合图1~图4，本实施案例在未调谐波长可调谐激光器1的波长和第四线性啁啾光纤光栅8-4的情况下，输出延时差为100ps的四路信号；在此基础上，同步调谐波长可调谐激光器1的波长和第四线性啁啾光纤光栅8-4，四路信号的延时差相应发生变化；进而获得该可调谐真延时系统的调谐精度和调谐范围。本发明可以实现对复用信号中某一信号延迟时间的单独调谐，减少了误差源，提高了调谐精度，扩大了调谐范围，同时，结构简单，制作难度低。