CN103557946A

CN103557946A - 一种光学延迟测量方法及装置

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Publication number: CN103557946A
Application number: CN201310518331.XA
Authority: CN
Inventors: 陶世兴; 赵新才; 杨丽玲; 温伟峰; 李建中; 肖正飞; 胡腾; 阳庆国; 刘宁文; 彭其先; 李泽仁
Original assignee: Institute of Fluid Physics of CAEP
Current assignee: Institute of Fluid Physics of CAEP
Priority date: 2013-10-29
Filing date: 2013-10-29
Publication date: 2014-02-05
Anticipated expiration: 2033-10-29
Also published as: CN103557946B

Abstract

本发明涉及高精度时间延迟测量技术领域，尤其是涉及一种光学自相关方法测量光学延迟测量方法及装置。本发明针对现有技术中存在的问题，提供一种基于光学自相关的精确延迟测量方法，该方法能够测量小于10皮秒时间延迟，最大测量范围则由自相关仪量程决定，测量相对精度优于1%。本发明通过脉冲激光器、第一光纤耦合器、延迟线装置、第二光纤耦合器、自相关仪、处理器等配合实现。本发明适用于光纤，自由空间光学领域亚纳秒时间延迟的精确测量。

Description

一种光学延迟测量方法及装置

技术领域

本发明涉及高精度时间延迟测量技术领域，尤其是涉及一种光学自相关方法的光学延迟测量方法及装置。

背景技术

光采样是通过光学方法对高带宽模拟信号进行采样的技术，它具有传统光电探测器和示波器无法达到的带宽。随着光通信，尤其是光采样技术的发展，通过光学延迟方法将光脉冲进行“复制”得到的光采样率不断提高，以100GSa/s光采样率为例，要求相邻通道光学延迟10ps，而更高的采样率对应更小的光学延迟。同时光学延迟精度直接关系着光采样信噪比，因此光学延迟的精确测量是光采样中最为重要的问题。

目前采样可调光纤延迟线对光学延迟进行控制，传统的延迟测量是采用光电探测器及高带宽示波器显示波形，由于光电探测器本身存在惰性效应，目前最快的光电探测器也存在几个皮秒的响应时间，同时高速实时采样示波器响应时间也是几皮秒到几十皮秒之间，因此若采用光电探测器结合示波器***进行延迟测量，其误差很难控制在10ps以内。而已有的光学测量方法通过离线测量光纤长度，有白光干涉法，光频率反射（Optical Frequency Domain Reflectometer）,光时域反射（Optical Time Domain Reflectometer）。其中光时域反射是将一个纳秒脉宽脉冲输入待测光纤并探测反射信号，通过时间差来求得待测光纤长度，其测试盲区为10米左右，基于扫频法的光频域反射测量精度可以到微米级，对应时间10fs左右。但上述方法的问题是不能进行在线实时测量，光路搭建中因光路连接引起的光纤长度变化在毫米级，会引入几皮秒误差。

目前对飞秒、皮秒光脉冲脉宽的测试主要有光学自相关法、频率分辨光学开关法（Frequency-Resolved Optical Gating, FROG）、光谱位相相干直接电场重建法(Spectral Phase Interfere Direct Electric-Field Reconstruction, SPIDER)等。自相关仪已经有成熟产品，目前使用较多的有FR-103系列，Pulse check系列等, 其基本原理是通过半反半透镜将一路光分为两路，一路光程固定，另一路对该路进行光程差连续扫描，之后两路光重合，通过倍频晶体的二阶非线性效应将光信号转换成与脉冲宽度成正比的自相关信号，从而得到脉冲宽度。

由于对于超短延迟（对应光纤长度亚毫米）只能通过离线的光学方法测量，而光纤切割熔接，或采用法兰连接过程中都会引入毫米级长度误差，从而无法达到精确的延迟控制。采用光电转换进行测量则由于转换中电学惰性效应同样会引入数皮秒的测量误差。

发明内容

本发明解决的技术问题是：为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明目的是提供一种基于光学自相关的光学延迟测量方法及装置，该方法能够测量小于10皮秒时间延迟，最大测量范围则由自相关仪量程决定，测量相对精度优于1%。

本发明采用的技术方案如下：

如图1所示，一种光学延迟测量方法包括：

步骤1：脉冲激光器输出激光光束；

步骤2：第一光纤耦合器将激光器输出光束等分为N路光束，并通过延迟线装置将其中N-1路光束相对前一路进行信号延迟，所述延迟线装置延迟量是通过处理器控制；

步骤3：通过第二光纤耦合器将上述N路信号合成为一路信号，所述N路光束信号延迟时间依次为，且小于自相关仪时间量程一半，所述N>1；

步骤4：自相关仪将第二光纤耦合器输入端输出的光束分为两路，一路光程不变，另一路连续改变光程，进行光程差扫描，自相关仪输出相对于中心线左右对称的

个自相关峰，所述

个自相关峰强度比值为

Figure 201310518331X100002DEST_PATH_IMAGE004

。

步骤5：通过示波器或者自相关仪自带的显示设备测得自相关峰峰值两两位置相对时间间隔δT，并根据公式（1）得到延迟时间δt：

（1）

其中f为自相关仪转动臂转速，D为转动臂转动直径，c为光速。

所述步骤2具体包括：

步骤21：第一光纤耦合器将脉冲激光器输出的激光光束等分为N路；

步骤22: 第一光纤耦合器第一路输出端口的光束信号输入到第二光纤耦合器第一路输入端口；第一光纤耦合器第二输出端口…第一光纤耦合器第N输出端口输出的光束信号，分别通过延迟线装置进行信号延迟控制，并分别对应输出至第二光纤耦合器第二输入端口…第二光纤耦合器第N输入端口；第二光纤耦合器输出端口输出光束信号经过自相关仪进行调节及测试。

所述延迟线装置包括N-1个延迟线，所述第N-1延迟线输入端与第一光纤耦合器第N输出端口连接，第N-1延迟线输出端与第二光纤耦合器第N输入端连接。

所述第一光纤耦合器1*N光纤耦合器，第二光纤耦合器都是N*1光纤耦合器，延迟线个数为N-1。

所述延迟线个数是1到7，N-1的个数1到7。

一种光学延迟测量方法的延迟装置包括：

脉冲激光器，用于输出激光光束；

第一光纤耦合器，用于将脉冲激光器输入的激光光束等分为N路；

延迟线装置，用于对第一光纤耦合器其中N-1路光束相对前一路进行信号延迟；

第二光纤耦合器，用于接收第一光纤耦合器第一输出端口输出的光束信号，同时用于接收延迟线装置输出的N-1个光延迟信号，所述N路光束信号延迟时间依次为

，且

小于自相关仪时间量程一半，所述N>1；

自相关仪，用于接收第二光纤耦合器输出的光束信号，进行光束信号调节及测试，并测得自相关峰峰值两两位置相对时间间隔δT。

处理器，接收自相关仪测得到自相关峰峰值两两位置相对时间间隔δT，处理器通过

，计算得到延迟时间δt。

所述延迟线装置包括N-1个延迟线，所述第N-1延迟线输入端与第一光纤耦合器第N-1输出端口连接，第N-1延迟线输出端与第二光纤耦合器第N-1输入端连接，所述延迟线控制端与处理器输出端连接。

所述第一光纤耦合器第一路输出端口的光束信号输入到第二光纤耦合器第一路输入端口；第一光纤耦合器第二输出端口…第一光纤耦合器第N输出端口输出的光束信号，分别通过延迟线装置进行信号延迟控制，并分别对应输出至第二光纤耦合器第二输入端口…第二光纤耦合器第N输入端口；第二光纤耦合器输出端口输出光束信号经过自相关仪进行调节及测试。

9、根据权利要求6所述的一种光学延迟测量装置，其特征在于所述第一光纤耦合器、第二光纤耦合器都是1*N光纤耦合器，延迟线个数为N-1。

所述延迟线个数是1到7 时，所述N-1范围是1到7。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：

1）通过与延迟线结合，将时间延迟控制与测量结合在同一光路中，实现了时间延迟的在线测量。

2）该方法需要的仪器仅一台普通光学自相关仪，因此普通光学实验室都可以实现延迟的精确测量与控制。

3）若自相关仪量程为τ，则可以通过本装置测量重复频率为2/(τ)的激光器重复频率。

4）该方法能够测量小于10皮秒时间延迟。（理论上可以测试无限小时间延迟，实际情况下用于光采样光脉冲半宽全宽约3ps，高斯型、双曲正割型及单边指数型脉冲展宽因子为1.414、1.534、2，其自相关信号半高全宽为4~6ps。全宽为10ps左右，因此，若延迟时间小于10ps，相邻自相关峰交叠，无法分辨。）

5）最大测量范围则由自相关仪量程决定，测量相对精度优于1%。

附图说明

本发明将通过例子并参照附图的方式说明，其中：

图1本发明原理框图。

图2是包括1个延迟线实施例一，自相关仪得到三个对称的自相关峰图示。

图3是实施例一中调整自相关仪固定臂得到相对于中心线对称的自相关峰图示。

其中图3（a）为经过调整的对称自相关波形；

其中图3（b）为未经过调整的自相关波形；

图4是实施例一实际测得关于主峰中心线左右对称的三个自相关峰图示。

具体实施方式

本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。

本说明书（包括任何附加权利要求、摘要和附图）中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。

本发明相关说明：

1、本设计中δt无限接近

，

是需要控制的理论延迟值，δt是实际测得延迟量。

2、第二光纤耦合器是与第一光纤耦合器结构相反的设计，第一光纤耦合器1*N光纤耦合器。第二光纤耦合器是N*1光纤耦合器，第一光纤耦合器第一输出端口…第一光纤耦合器第N输出端口分别对应于第二光纤耦合器第一输入端口…第二光纤耦合器第N输入端口。

3、第一光纤耦合器第一输出端口经过第一个延迟线延迟时间，第一个延迟线的延迟时间是通过手动设定，或者通过处理器进行设定，通过手动设定的具体过程是：手动延迟线上有距离标尺，根据时间距离对应关系

Figure 201310518331X100002DEST_PATH_IMAGE006

，转动螺杆调整延迟线中光学部件距离即可以得到设定时间），通过处理器设定的过程是：螺杆转动由步进电机控制，控制步进电机步数即可得到设定时间。

4、自相关仪，当自相关仪包括有示波器功能时，本发明中不需要示波器，若自相关仪中不能实现示波器功能时，则本发明中还包括示波器，用于对自相关仪输出信号进行显示，并测得δT的值。即光束信号经过自相关仪进行调节及测试。

工作原理：

1）若第一光纤耦合器只经过一个延迟线进行时间延迟，且延迟时间

小于自相关仪时间量程一半，则将延迟时间信号输入自相关仪中，调节自相关仪光路，则示波器或者自相关仪自带的显示设备上转动臂每个周期中会出现三个自相关峰，其中中间主峰强度为两相邻次自相关峰强度的两倍，此时调整固定臂，使得主峰相对于中心线左右对称；若第一光纤耦合器第N个输出端口，处理器依次输出延迟时间增加分别作为延迟线输入信号，去控制延迟线延迟量，且得到的N个脉冲持续时间N

小于自相关仪量程一半，转动臂转动每个周期中会出现2N-1个自相关峰，其相对强度依次为：

；经过第二光纤耦合器的激光光束脉冲输入自相关仪，调整自相关仪光路，直到出现自相关信号。

2）在示波器或者自相关仪自带的显示设备中测量次相关峰峰值强度位置相对于主相关峰峰值强度位置时间间隔δT，进而通过公式(1)得到延迟时间Δt：

（1）

其中延迟时间δT指的是每一个两个相邻相关峰峰位之间的读数，f为自相关仪转动臂转速，D为转动臂转动直径，c为光速。

实施例一：本装置中包括1个延迟线，第一光纤耦合器是1*2光纤耦合器，第二光纤耦合器是2*1光纤耦合器。如图2所示，脉冲激光器输入光经过第一光纤耦合器平均分为两路，其中一路接入光纤延迟线进行延迟控制，之后再使用第二耦合器连接，将有时间差的两路光脉冲合为一路。若延迟线延迟为t₀，则未被延迟的激光光束信号与经过延迟线的激光光束信号间距为t₀。同理，若需要将激光光束脉冲延迟N倍，则选择1*N第一光纤耦合器、N*1第二光纤耦合器和N-1个延迟线。

该路经过延迟的激光光束脉冲输入自相关仪，调整自相关仪光路，直到出现自相关信号。由于自相关仪转动臂连续改变光程通过其绕轴心转动实现，其光程改变是非线性的。而光程差改变处于线性区间时，自相关主峰关于中心线对称性最好，因此调整自相关仪固定臂并观察主峰波形到左右对称，如图3（a）为经过调整的对称自相关波形，相对于图3（b），其对称性明显更好。

由于自相关仪将输入光分为两路，一路光程不变，而另一路连续改变光程，进行光程差连续扫描，如图2所示，当两路光程差为t₀和-t₀时，有一半的脉冲在晶体中产生二倍频效应，而当光程差为0时，所有脉冲都在晶体中产生二倍频效应。即得到如图4所示的三个左右对称，且主相关峰强度为次相关峰两倍的测量结果。测量三个自相关峰峰值两两位置相对时间间隔ΔT, 根据公式（1）

（1）

实施例二：本装置中包括7个延迟线，第一光纤耦合器是1*8光纤耦合器，第二光纤耦合器是8*1光纤耦合器。脉冲激光器输入光经过第一光纤耦合器平均分为8路，其中第一路接第二光纤耦合器第一路输入端，第一光纤耦合器第二路到第二光纤耦合器第八路分别接延迟线进行延迟控制，之后再使用8*1光纤耦合器将有时间差的8路光脉冲合为一路。若延迟线延迟为t₀，则未被延迟的激光光束信号与经过延迟线的激光光束信号间距依次为t₀、2t₀、3t₀、4t₀、5t₀、6t₀、7t₀。

经过第二光纤耦合器的激光光束脉冲输入自相关仪，调整自相关仪光路，直到出现自相关信号。由于自相关仪转动臂连续改变光程通过其绕轴心转动实现，其光程改变是非线性的。而光程差改变处于线性区间时，自相关主峰关于中心线对称性最好，因此调整自相关仪固定臂并观察主峰波形到左右对称。

由于自相关仪将输入光分为两路，一路光程不变，而另一路连续改变光程，进行光程差连续依次扫描，当两路光程差为7t₀、6t₀、5t₀、4t_0、3t₀、2t₀、t₀、-t₀、-2t₀、-3t_0、-4t_0、-5t_0、-6t_0、-7t₀时，分别有1/8、2/8、3/8、4/8、5/8、6/8、7/8、7/8、6/8、5/8、4/8、3/8、2/8、1/8的脉冲在晶体中产生二倍频效应，而当光程差为0时，所有脉冲都在晶体中产生二倍频效应。即得到15个左右对称，其相对强度为1/8：2/8：3/8：4/8：5/8：6/8：7/8：1：7/8：6/8：5/8：4/8：3/8：2/8：1/8。测量15个自相关峰峰值两两位置相对时间间隔ΔT, 根据公式（1）得到延迟时间δt：

（1）

本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。

Claims

1.一种光学延迟测量方法，其特征在于包括：

步骤1：脉冲激光器输出激光光束；

步骤3：通过第二光纤耦合器将上述N路信号合成为一路信号，所述N路光束信号延迟时间依次为

，且

Figure 201310518331X100001DEST_PATH_IMAGE004

小于自相关仪时间量程一半，所述N>1；

Figure 201310518331X100001DEST_PATH_IMAGE006

个自相关峰，所述

个自相关峰强度比值为；

Figure 201310518331X100001DEST_PATH_IMAGE010

（1）

2.根据权利要求1所述的一种光学延迟测量方法，其特征在于所述步骤2具体包括：

3.根据权利要求2所述的一种光学延迟测量方法，其特征在于所述延迟线装置包括N-1个延迟线，所述第N-1延迟线输入端与第一光纤耦合器第N输出端口连接，第N-1延迟线输出端与第二光纤耦合器第N输入端连接。

4.根据权利要求3所述的一种光学延迟测量方法，其特征在于所述第一光纤耦合器1*N光纤耦合器，第二光纤耦合器都是N*1光纤耦合器，延迟线个数为N-1。

5.根据权利要求3所述的一种光学延迟测量方法，其特征在于所述延迟线个数是1到7，N-1的个数1到7。

6.基于根据权利要求1所述的一种光学延迟测量方法的延迟装置，其特征在于包括：

脉冲激光器，用于输出激光光束；

，且

小于自相关仪时间量程一半，所述N>1；

自相关仪，用于接收第二光纤耦合器输出的光束信号，进行光束信号调节及测试，并测得自相关峰峰值两两位置相对时间间隔δT；

，计算得到延迟时间δt。

7.根据权利要求6所述的一种光学延迟测量装置，其特征在于所述延迟线装置包括N-1个延迟线，所述第N-1延迟线输入端与第一光纤耦合器第N-1输出端口连接，第N-1延迟线输出端与第二光纤耦合器第N-1输入端连接，所述延迟线控制端与处理器输出端连接。

8.根据权利要求6所述的一种光学延迟测量装置，其特征在于所述第一光纤耦合器第一路输出端口的光束信号输入到第二光纤耦合器第一路输入端口；第一光纤耦合器第二输出端口…第一光纤耦合器第N输出端口输出的光束信号，分别通过延迟线装置进行信号延迟控制，并分别对应输出至第二光纤耦合器第二输入端口…第二光纤耦合器第N输入端口；第二光纤耦合器输出端口输出光束信号经过自相关仪进行调节及测试。

9.根据权利要求6所述的一种光学延迟测量装置，其特征在于所述第一光纤耦合器、第二光纤耦合器都是1*N光纤耦合器，延迟线个数为N-1。

10.根据权利要求6所述的一种光学延迟测量装置，其特征在于所述延迟线个数是1到7 时，所述N-1范围是1到7。