[发明专利]大范围连续可调光纤延迟线装置

说明书

技术领域

本发明涉及可变光纤延迟线，特别是一种大范围连续可调光纤延迟线装置，可被广泛应用于时间频率传递比对系统、光纤传感与光学测量系统、光纤通信系统等领域。

背景技术

光纤延迟线在高精度光信息处理技术中有着重要作用，与传统的延迟线(电延迟线等)相比，光纤延迟线具有工作频率高、带宽大、延迟量大、损耗低、抗电磁干扰能力强、结构简单等优点，所以被广泛应用于时间频率传递比对系统、光纤传感与光学测量系统、光纤通信系统等领域。

对于光纤延迟线装置，基本的原理是通过改变光在光纤内部的通过时间来控制得到的光学时延量。Irwin L.Newberg等提出了一种开关型的光纤延时线(在先技术[1]美国专利号647,673)，基本的结构包含不同长度光纤的多条通路，通过光开关选择光纤通路，从而实现不同延迟时间。这类光纤延迟线的优势在于容易实现大规模集成，但是时延调节精度受到最小时延单元的分辨率限制，无法实现时延的连续可调。在时延调节范围大并且调节精度要求较高的应用场合，如长距离光纤时频传递系统中，由于光纤链路的环境温度变化、外界机械扰动等因素，光纤链路中会产生较大的时延抖动。为了实现高精度高稳定度的时频信号传递，需要采用光纤延迟线对光纤链路噪声进行大范围高精度实时补偿，光纤延迟线的时延调节精度需要达到亚皮秒甚至是飞秒量级，因此必须采用大范围的连续可调的光纤延迟线。

为了实现光学时延的连续大范围可调，刘琴等提出了一种大范围的连续压控光纤延时线(在先技术[2]GF发明专利ZL 201318002196.4)，通过半导体热电致冷器对光纤进行加热和制冷以连续改变光在光纤内的时延量。在先技术2的设计中，将半导体热电致冷器放置在光纤环的四周，通过一个金属环将半导体热电致冷器产生的热量传导到光纤上。该设计需要光纤环最外围的光纤能够紧贴金属环，才能实现较好的导热效果，对光纤的绕制工艺要求较高，增加了绕纤难度，当绕制工艺较低时，光纤无法紧贴导热金属环，延迟线的导热性能大大降低。同时紧密贴合光纤的金属环，会因为在装配的过程中产生的巨大摩擦力磨损外围光纤，甚至引起光纤的断裂。另外，整个装置的四周配备了大量的散热片，这严重增加了装置的体积，加大了散热装置设计复杂度。

发明内容

本发明的目的在于克服上述在先技术的不足，提出一种大范围连续可调光纤延迟线装置，该装置通过改进在先技术2中的半导体热电致冷器加热位置与散热方式，在提高加热和制冷效率的同时，大幅减小了整个装置的体积，并且通过结构的设计使得整个装置的装配复杂度下降，并且易于通过风冷实现散热。

本发明的基本原理如下：

光在光纤中的时延可表示为

τ＝Δt＝L/v＝Ln/c(1)

其中L为光纤长度，n为光纤折射率，c为光速。从(1)式中可以看出，改变光纤长度和光纤折射率，就可以改变光在光纤中的时延。

当光纤温度变化时，光纤的长度和折射率都会发生变化，因此本发明通过改变光纤的温度来实现改变光时延量的目的。光纤时延量随温度的变化关系可以表示为

其中α＝(dL/dT)/L表示光纤热膨胀系数，ξ＝(dn/dT)/n表示光纤的热光系数,(2)式中第一项说明温度致光纤长度变化引起时延量的变化，第二项说明温度致光纤折射率变化引起延迟量的变化。

当环境温度的变化范围不大时，光纤的热膨胀系数和热光系数基本上不变，分别为5.5×10^-7和6.8×10^-6，可以看出热膨胀系数远小于热光系数，所以光纤温度变化主要导致折射率变化，从而通过(2)式的第二项引起光纤时延量的变化。通过(2)式可知，如果使用1km光纤且温度变化50℃，那么会引起1.798ns的时延变化，如果使用5km光纤且温度变化25℃，那么会引起4.496ns的时延变化。可以看出通过改变光纤温度这种方法可以实现较大的时延量。

本发明的技术解决方案如下：

一种大范围连续可调光纤延迟线装置，其特点在于，包括：绕线柱、光纤、外层金属壳、半导体热电制冷器、隔热片、散热片和热敏电阻；

在所述的外层金属壳上设有供散热片伸出的窗口；