一种大延时量连续可调的光延时线的制作方法

本发明涉及一种连续可调光延时线，尤其涉及一种基于快速光开关切换光延时网络和双向可变电控光延时线的大延时量的光延时线。

背景技术：

光延时线是高精度光信息处理与时间频率传递系统中的重要组成部分，在光信息处理、相控阵雷达、微波光子学等领域有重要的应用。

传统的光延时线一般分为两种。一种是通过多级光开关级联，切换光开关到不同长度的光纤可以得到不同的延时量。这种方法的优点是体积小，易于大规模集成，但缺点是延时量是非连续的，不能实现连续可调。另一种方法是通过机械结构改变光程实现的，通过手动/电动控制平移台移动，带动棱镜等结构实现光延时。这种方法的优点是可以连续可调，延时精度高，但缺点是延时范围小，一般在50cm(1500ps)量级以内。若要实现大范围延时，延时线的体积也相应增大。虽然可以通过加入多层棱镜多次反射实现较大范围的延时，但体积仍然很大，并且结构复杂，延时量不能加的很大。

技术实现要素：

针对现有技术中存在的不足，本发明提供一种大延时量连续可调的光延时线，采用快速光开关切换光延时网络与双向可变电控光延时线级联，既可以实现大范围的延时量，又可以在整个延时范围内连续可调。

为了解决上述技术问题，本发明提出的一种大延时量连续可调的光延时线，包括快速光开关切换光延时网络和双向可变电控光延时线的光延时线；所述快速光开关切换光延时网络和双向可变电控光延时线级联；所述快速光开关切换光延时网络包括n级子延时单元组成，每一级子延时单元由两个快速光开关和两个延时光纤构成；将上述各子延时单元的延时光纤间的延时差△t设置为一个等比序列，配合上述所有的光开关选择相应的延时光纤，从而得到0到(2ⁿ-1)倍最小延时差的任意时延变化，其中，最小延时差为τ；所述双向可变电控光延时线包括一个电动平移台、光开关a和光开关b，所述光开关a和光开关b形成有两个延时光路，两个延时光路分别记作延时光路a和延时光路b，其中，延时光路a包括自光开关a的一个端口至b光开关的一个端口依次设有的入射透镜、直角反射棱镜和出射透镜；延时光路b包括自光开关a的另一个端口至b光开关的另一个端口依次设有的入射透镜、直角反射棱镜和出射透镜；上述两个直角反射棱镜背对背的安装在所述电动平移台上，两个延时光路共用所述电动平移台，所述电动平移台移动时两个延时光路的延时量变化是相反的；通过控制光开关a和光开关b的状态，选择利用延时光路a或延时光路b实现延时；

通过下述的循环操作最终实现大量程连续可调的延时，首先，电控平移台从行程的一端移至行程的另一端；然后，同时切换所述双向可变电控光延时线中的光开关a和光开关b及所述快速光开关切换光延时网络中的光开关；接着，电控平移台从行程的另一端返回至行程的一端时，再同时切换所述双向可变电控光延时线中的光开关a和光开关b及所述快速光开关切换光延时网络中的光开关；重复该操作直至所述快速光开关切换光延时网络达到最大或最小延时量为止。

本发明中，电控平移台从行程的一端移至行程的另一端时，延时光路a实现的延时从0增至最大，与此同时，延时光路b实现的延时从最大减到0；同时切换所述双向可变电控光延时线中的光开关a和光开关b及所述快速光开关切换光延时网络中的光开关；电控平移台从行程的另一端返回至行程的一端时，延时光路a实现的延时从从最大减到0增至最大，与此同时，延时光路b实现的延时从0增至最大；延时光路a和延时光路b所实现的最大延时均等于快速光开关切换光延时网络的最小延时差τ。

所述快速光开关切换光延时网络中的光开关和所述双向可变电控光延时线中的光开关a和光开关b均采用晶体光开关。

本发明中的所述快速光开关切换光延时网络中，所述第一级子延时单元由第一光开关、第二光开关、第一延时光纤、第二延时光纤组成；第二级子延时单元由第三光开关、第四光开关、第三延时光纤、第四延时光纤组成；第三级子延时单元由第五光开关、第六光开关、第五延时光纤、第六延时光纤组成；第n-1级子延时单元由第七光开关、第八光开关、第七延时光纤、第八延时光纤组成、第n级子延时单元由第九光开关、第十光开关、第九延时光纤、第十延时光纤组成组成。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明提出的快速光开关切换光延时网络与双向可变电控光延时线级联的结构可以实现大延时量的连续可调。大范围的延时量主要由快速光开关切换光延时网络实现，可以根据实际需求增减子延时单元的级数，由于光开关和延时光纤的损耗很低，因此延时量理论上可以做到很大。延时量的连续可调由快速光开关切换光延时网络和双向可变电控光延时线的配合共同决定。

本发明提出的光延时线结构体积可以做的很小、插入损耗也可以做的很低。本发明提出的延时线结构的体积主要由双向可变电控光延时线和光开关组成。由于双向可变电控光延时线的延时量与光延时线整体的最大延时量没有直接关系，即电动平移台的长度与最大延时量没有直接关系，因此双向可变电控光延时线的体积可以做的很小。而光开关的体积本身也很小，所以在同等延时量条件下，尤其是大延时量的情况下，本发明提出的延时线比传统的延时线有更小的体积。同理，由于大延时量在快速光开关切换光延时网络中实现，光在光纤中传输的损耗小于在空间(空气)中的传输，因此，在同等延时量条件下，尤其是大延时量的情况下，本发明提出的延时线比传统的延时线有更小的损耗。

本发明操作简单易行，基于上述优点，本发明可广泛应用于光信息处理、相控阵雷达、微波光子学等领域。

附图说明

图1为快速光开关切换光延时网络原理框图；

图2为双向可变电控光延时线原理框图；

图3为大延时量连续可调光延时线原理框图；

图中：

11-第一光开关，12-第二光开关，13-第三光开关，14-第四光开关，15-第五光开关，16-第六光开关，17-第七光开关，18-第八光开关，19-第九光开关，110-第十光开关，21-第一延时光纤，22-第二延时光纤，21-第三延时光纤，21-第四延时光纤，25-第五延时光纤，26-第六延时光纤，27-第七延时光纤，28-第八延时光纤，29-第七延时光纤，210-第八延时光纤，31-第一入射透镜，32-第一出射透镜，33-第二入射透镜，34-第二出射透镜，41-第一直角反射棱镜，42-第二直角反射棱镜，5-电动平移台。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明技术方案作进一步详细描述，所描述的具体实施例仅对本发明进行解释说明，并不用以限制本发明。

本发明提出的一种大延时量连续可调的光延时线，如图3所示，包括快速光开关切换光延时网络和双向可变电控光延时线的光延时线；所述快速光开关切换光延时网络和双向可变电控光延时线级联。

如图1所示，所述快速光开关切换光延时网络包括n级子延时单元组成，每一级子延时单元由两个快速光开关和两个延时光纤构成；第一级子延时单元由第一光开关11、第二光开关12、第一延时光纤21、第二延时光纤22组成；第二级子延时单元由第三光开关13、第四光开关14、第三延时光纤23、第四延时光纤24组成；第三级子延时单元由第五光开关15、第六光开关16、第五延时光纤25、第六延时光纤26组成、第n-1级子延时单元由第七光开关17、第八光开关18、第七延时光纤27、第八延时光纤28组成、第n级子延时单元由第九光开关19、第十光开关110、第九延时光纤29、第十延时光纤210组成；将上述各子延时单元的延时光纤间的延时差△t设置为一个等比序列:τ，2τ，4τ…，2^n-2τ，2^n-1τ,即第一延时光纤21比第二延时光纤22延时长τ、第三延时光纤23比第四延时光纤24延时长2τ、第五延时光纤25比第六延时光纤26延时长4τ、第七延时光纤27比第八延时光纤28延时长2^n-2τ，第九延时光纤29比第十延时光纤210延时长2^n-1τ，配合上述所有的光开关选择相应的延时光纤，从而得到0到2ⁿ-1倍最小延时差的任意时延变化，其中，最小延时差为τ。n可由计算公式2^n-1τ＜tmax≤2ⁿτ得到，其中，tmax为系统所需要的最大延时范围。

如图2所示，所述双向可变电控光延时线包括一个电动平移台5、光开关a和光开关b，所述光开关a和光开关b形成有两个延时光路，两个延时光路分别记作延时光路a和延时光路b，其中，延时光路a包括自光开关a的一个端口至b光开关的一个端口依次设有的第一入射透镜31、第一直角反射棱镜41和第一出射透镜32；延时光路b包括自光开关a的另一个端口至b光开关的另一个端口依次设有的第二入射透镜34、第二直角反射棱镜42和第二出射透镜33；上述第一和第二直角反射棱镜背对背的安装在所述电动平移台5上，延时光路a和延时光路b共用所述电动平移台5，所述电动平移台5移动时两个延时光路的延时量变化是相反的，当一个延时光路延时量最大时，另一个延时光路延时量最小为0；通过控制光开关a和光开关b的状态，选择利用延时光路a或延时光路b实现延时。将快速光开关切换光延时网络的最小延时差τ与双向可变电控光延时线的最大行程相匹配，可以得到连续变化的光延时量。

由于光开关在切换过程中相当于瞬间断路，所以要求光延时网络和双向延时线中的光开关速度要足够快。当光开关的切换速度远高于所接入系统的响应带宽时，其对于所接入系统不产生明显的影响。目前常见的光开关有机械式光开关、磁光开关、晶体光开关等。前两种的光开关的速度在ms及亚ms级，而晶体开关的开关速度可达亚ns级，因此本设计采用晶体开关，适用于绝大多数接入系统的要求。本发明中，所述快速光开关切换光延时网络中的光开关和所述双向可变电控光延时线中的光开关a和光开关b均采用晶体光开关。

本发明中，通过下述的循环操作最终实现大量程连续可调的延时，首先，电控平移台5从行程的一端移至行程的另一端；然后，同时切换所述双向可变电控光延时线中的光开关a和光开关b及所述快速光开关切换光延时网络中的光开关；接着，电控平移台5从行程的另一端返回至行程的一端时，再同时切换所述双向可变电控光延时线中的光开关a和光开关b及所述快速光开关切换光延时网络中的光开关；重复该操作直至所述快速光开关切换光延时网络达到最大或最小延时量为止。具体的一个循环过程是：电控平移台5从行程的一端移至行程的另一端时，延时光路a实现的延时从0增至最大，与此同时，延时光路b实现的延时从最大减到0；同时切换所述双向可变电控光延时线中的光开关a和光开关b及所述快速光开关切换光延时网络中的光开关；电控平移台5从行程的另一端返回至行程的一端时，延时光路a实现的延时从从最大减到0增至最大，与此同时，延时光路b实现的延时从0增至最大；延时光路a和延时光路b所实现的最大延时均等于快速光开关切换光延时网络的最小延时差τ。

这里以最大延时量tmax为80cm的延时线设计为例进行具体阐释。假设双向可变电控光延时线的延时量为10cm(330ps)，则快速光开关切换光延时网络的调谐步进τ设为10cm。由2^n-1τ＜tmax≤2ⁿτ可知，n＝3，即需要3个子延时单元，三个子延时单元级联构成快速光开关切换光延时网络。第一、第二、第三子延时单元中，光开关所控制的两段延时光纤的延时差分别为10cm，20cm和40cm。当三个子延时单元光开关都切换到短延时光纤时，快速光开关切换光延时网络的延时量最小，设为τ0。通过控制子延时单元光开关的不同组合，可以实现τ0+10cm到τ0+70cm，步进为10cm的任意时延量。

双向可变电控光延时线，包括光开关a和光开关b，电动平移台5，直角反射棱镜41和42，以及与直角反射棱镜相对应的入射和出射透镜31、34、32、33。直角反射棱镜41和42背对背安装在电动平移台5上。这样延时光路a和延时光路b共用电动平移台5。两个延时光路的输入和输出均经过1×2光开关a和1×2光开关b与双向可变电控光延时线的输入、输出相连接，这样就可以通过切换光开关a和光开关b控制输入的光信号使用延时光路a或延时光路b。由于两个延时光路共用一个电动平移台5，两个延时光路的变化是相反的，即当电动平移台从一侧移至另一侧时，假设延时光路a的延时量增加，则延时光路b的延时量相应减小，并且控制光开关a和光开关b使双向可变电控光延时线输出的延时量为延时光路a的延时量。当延时光路a达到双向可变电控光延时线的最大行程(延时量)τ时，延时光路b的延时量变为0。此时，同时切换双向可变电控光延时线的光开关a和光开关b，将双向可变电控光延时线输出的延时量由延时光路a的延时量切换为延时光路b的延时量的延时量，即双向可变电控光延时线的延时量从τ变成0。反向移动电控平移台5，双向可变电控光延时线的延时量将继续从0向τ增加。双向可变电控光延时线的延时量随电控平移台5的往复运动而呈现0到τ增大，切换，0到τ增大的过程。反之亦然。延时量变化的方向由光开关a、光开关b和电控平移台移动的方向共同决定。

假设延时要求从0cm到80cm不断增长，则快速光开关切换光延时网络和双向可变电控光延时线的配合过程是：快速光开关切换光延时网络的三个子延时单元光开关都切换到长度较短的延时光纤22、24、26，双向可变电控光延时线的电动平移台5移动到最左侧，双向可变电控光延时线的光开关a和光开关b选择延时光路a。这时，延时线的延时量最小为0。随着电控平移台的右移，延时线的延时量从0cm开始增加。电动平移台移动到最右端，延时线延时量为延时光路a的延时量为10cm。同时切换第一子延时单元的光开关11、12与双向可变电控光延时线的光开关a、b，第一子延时单元延时量为10cm，双向可变电控延时线延时量为延时光路b的延时量为0cm，总的延时量仍为10cm，与上一个状态一致，完成平滑过渡。电控平移台5左移，双向可变电控光延时线延时量继续增加。电控平移台5移动到最左端，双向可变电控延时线延时量为延时光路b的延时量为10cm，延时线的总延时量为快速光开关切换光延时网络的延时量10cm与双向可变电控光延时线的延时量10cm的和为20cm。同时切换第一子延时单元、第二子延时单元的光开关11、12、13、14与双向延时线的光开关a、b，第一子延时单元延时量为0cm，第二子延时单元延时量为20cm，双向可变电控光延时线的延时量为延时光路a的延时量为0cm，总的延时量仍为20cm，与上一个状态一致，完成平滑过渡。电控平移台继续右移，双向可变电控光延时线延时量继续增加。依此类推，即可实现延时量从0cm到80cm的连续调节。如果延时范围增大，n增大时，工作原理类似。

快速光开关切换光延时网络和双向可变电控光延时线中的光开关的逻辑控制可以用单片机编程以及电平转换外围电路等来实现。

而光开关网络与传统延时线级联则无法实现连续可调。当传统延时线已达到最大延时量τ时，延时网络需要增加或减少一个τ，要保证延时变化的连续性，延时线应该立刻归0.但由于传统的光延时线是由电机驱动的，归0需要很长时间，其响应速度不可能满足系统的要求，严重时还会造成系统失稳。

尽管上面结合附图对本发明进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨的情况下，还可以做出很多变形，这些均属于本发明的保护之内。