一種光纖長度精確控制工藝技術(shù)獲獎科研報告

一種光纖長度精確控制工藝技術(shù)獲獎科研報告

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)工裝夾具實現(xiàn)了光纖定長度的精確切割。經(jīng)過理論分析和項目驗證，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)原理及硬件實現(xiàn)都很簡單，是一種實用有效、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)）被分到不同通道進行光學(xué)延時、探測和放大等一系列處理，光電變換生成的各個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利用光纖作為延時線，利用光學(xué)延時對射頻信號進行延時，進而達到移相的目的，具有低損耗、低色散、重量輕、體積小及抗電磁干擾能力強等優(yōu)點[2，3]，可有效抑制波束偏斜[4]。控制各通道之間的射頻信號相對相位，即需要對延時光纖進行長度控制，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行精確長度控制。

二、工藝設(shè)計

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)分析儀進行校準和打基準，采用測試軟件讀取測試鏈路與基準鏈路之間的相位差，計算出測試鏈路與基準鏈路之間的光纖長度差;采用工裝夾具對光纖長度進行測量和精確剪切，實現(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。當光信號處理系統(tǒng)各通道光纖長度L不一致時，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通道之間的，即可計算出光信號處理系統(tǒng)各通道與基準通道的光纖長度差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

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)項目需求，設(shè)計了一套光纖定長度精細切割工裝。該套工裝由夾緊裝置、定位裝置及長度測量裝置組成。夾緊裝置負責(zé)夾持光纖松套管使得光纖在套管內(nèi)部不竄動，保證光纖長度測量準確，同時不得影響光纖切割刀的正常切割及光纖熔接機的熔接操作;定位裝置對光纖進行固定及進給;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)各通道與基準通道長度差要求分別為0mm（a）、6.6mm（b）時，采用本文工藝技術(shù)對光纖進行長度控制后實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)各通道與基準通道長度差控制誤差小于0.3mm，可滿足當前科研、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。在對光纖長度進行精確剪切時，先由測試軟件計算光纖切割長度（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，并在光纖的外護套上對切割位置進行標記。光纖長度讀取和標記時引入誤差均大于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)。項目測試表