[发明专利]一种光学延迟测量方法及装置

说明书

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系统进行延迟测量，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。

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；