CN107966765A - 大范围连续可调光纤延迟线装置 - Google Patents

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应康
程楠
杨飞
蔡海文
桂有珍
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    • G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/24—Coupling light guides
    • G02B6/26—Optical coupling means
    • G02B6/28—Optical coupling means having data bus means, i.e. plural waveguides interconnected and providing an inherently bidirectional system by mixing and splitting signals
    • G02B6/2804—Optical coupling means having data bus means, i.e. plural waveguides interconnected and providing an inherently bidirectional system by mixing and splitting signals forming multipart couplers without wavelength selective elements, e.g. "T" couplers, star couplers
    • G02B6/2861—Optical coupling means having data bus means, i.e. plural waveguides interconnected and providing an inherently bidirectional system by mixing and splitting signals forming multipart couplers without wavelength selective elements, e.g. "T" couplers, star couplers using fibre optic delay lines and optical elements associated with them, e.g. for use in signal processing, e.g. filtering

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Abstract

一种大范围连续可调光纤延迟线装置，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；在所述的绕线柱上设有供光纤缠绕的凹槽，所述的光纤缠绕在该绕线柱上，所述的绕线柱为中空圆柱形，所述的半导体制冷器置于其中空内，通过施加电流对光纤进行加热和制冷，所述的绕线柱封装在所述的外层金属壳内，在该外层金属壳和光纤之间还设有隔热片，所述的散热片设置在半导体制冷器外端，且裸露在外层金属壳外，所述的热敏电阻紧贴散热片。本发明可以实现大范围的连续可调的光延迟量，并且具有精度高，响应速度快，结构紧凑，成本低等优势。

Description

大范围连续可调光纤延迟线装置
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***、光纤传感与光学测量***、光纤通信***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***、光纤传感与光学测量***、光纤通信***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***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***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***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；
在所述的绕线柱上设有供光纤缠绕的凹槽，所述的光纤缠绕在该绕线柱上，所述的绕线柱为中空圆柱形，所述的半导体制冷器置于其中空内，通过施加电流对光纤进行加热和制冷，所述的绕线柱封装在所述的外层金属壳内，在该外层金属壳和光纤之间还设有隔热片，用于光纤的保温，所述的散热片设置在半导体制冷器外端，且裸露在外层金属壳外，所述的热敏电阻紧贴散热片，用于探测散热片的温度。
所述的散热片为齿状的金属材料，用于对半导体制冷器进行散热。
所述的隔热片为耐高温绝热材料。
所述的的绕线柱由圆柱状的铝质金属制成，表面加工有可释放形变应力的凹槽。
与在先技术相比，本发明具有以下优点和积极效果：
1、与在先技术[1]相比，本发明的大范围连续可调光纤延迟线装置通过改变光纤温度来控制光学时延量，可以实现光学时延的连续高精度大范围可调。
2、与在先技术[2]相比，本发明的大范围连续可调光纤延迟线装置通过采用半导体热电致冷器在光纤环的内圈加热与散热的方式，在提高了加热和制冷效率的同时降低了整个装置对光纤绕制工艺和***装配工艺的要求。另外该装置将散热片置于光纤环内部，提高了整个延迟线的空间利用率，大幅减小了整个装置的体积，并且通过结构的设计使整体易于通过风冷实现散热。
附图说明
图1是本发明大范围连续可调光纤延迟线装置的***图。
图2是本发明大范围连续可调光纤延迟线装置的封装图。
具体实施方式
下面结合实例和附图对本发明进行进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。
先请参阅图1，图1是本发明大范围连续可调光纤延迟线装置的***图。由图可见，本发明大范围连续可调光纤延迟线装置，包括绕线柱1、光纤2、外层封装金属块3、半导体热电制冷器4、隔热片5、散热片6、热敏电阻7。所述的绕线柱1由圆柱状的铝质金属组成，上面具有加工有可释放形变应力的槽。所述的光纤2均匀缠绕在绕线柱1上，所述的半导体制冷器4位于散热片6与绕线柱1之间，所述的散热片6为齿状的金属材料组成，用于将半导体制冷器4进行良好散热。所述的隔热片5为耐高温的绝热材料制成，处于外层封装金属3与光纤2之间，用于光纤2的保温。所述的热敏电阻7紧贴散热片6，用于探测散热片6的温度。当装置工作时，通过给半导体制冷器4通过电流，半导体制冷器4可以对光纤进行加热或制冷来改变光纤2的温度，进而改变整个***的时延，同时通过散热片6对整个装置实现散热。
本发明的大范围连续可调光纤延迟线装置通过采用半导体热电致冷器在光纤环内圈加热与散热的方式。在提高了加热和制冷效率的同时降低了整个装置对光纤绕制工艺和***装配工艺的要求。另外该装置将散热片置于光纤环内部，提高了整个延迟线的空间利用率，大幅减小了整个装置的体积，并且通过结构的设计使整体易于散热。进一步提升装置性能，更好的满足相关工程应用的需要。本发明可广泛应用于时间频率传递比对***、光纤传感与光学测量***、光纤通信***等领域。

Claims (4)

1.一种大范围连续可调光纤延迟线装置，其特征在于，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；
在所述的绕线柱上设有供光纤缠绕的凹槽，所述的光纤缠绕在该绕线柱上，所述的绕线柱为中空圆柱形，所述的半导体制冷器置于其中空内，通过施加电流对光纤进行加热和制冷，所述的绕线柱封装在所述的外层金属壳内，在该外层金属壳和光纤之间还设有隔热片，所述的散热片设置在半导体制冷器外端，且裸露在外层金属壳外，所述的热敏电阻紧贴散热片。
2.根据权利要求1所述的大范围连续可调光纤延迟线装置，其特征在于，所述的散热片为齿状的金属材料，用于对半导体制冷器进行散热。
3.根据权利要求1所述的大范围连续可调光纤延迟线装置，其特征在于，所述的隔热片为耐高温绝热材料。
4.根据权利要求1-3任一所述的大范围连续可调光纤延迟线装置，其特征在于，所述的的绕线柱由圆柱状的铝质金属制成，表面加工有可释放形变应力的凹槽。
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