在光學(xué)測量與光纖傳感領(lǐng)域，光延遲線（OpticalDelayLine）是一項關(guān)鍵技術(shù)，尤其在時域低相干干涉儀中扮演著核心角色。

一、技術(shù)背景與現(xiàn)有局限

低相干干涉儀廣泛應(yīng)用于薄膜厚度測量、光纖傳感、生物醫(yī)學(xué)成像等領(lǐng)域，其核心機制是通過在參考光與測量光之間引入可控的光程差（即延遲），并探測干涉信號的變化來實現(xiàn)高精度測量。傳統(tǒng)光延遲線常采用移動反射鏡、光纖拉伸或聲光調(diào)制等方式實現(xiàn)光程調(diào)節(jié)，但這些方法往往存在響應(yīng)速度慢、非線性強、結(jié)構(gòu)復(fù)雜或引入額外色散等問題。

例如，早期基于旋轉(zhuǎn)平行面多邊形的延遲線設(shè)計雖能實現(xiàn)較快的光程調(diào)制，但其光程變化呈現(xiàn)顯著非線性，導(dǎo)致干涉信號帶寬需求高，系統(tǒng)檢測難度大。此外，光束在多邊形材料中傳播時，因材料色散導(dǎo)致不同波長光程差異增大，影響干涉圖質(zhì)量，尤其在寬帶光源系統(tǒng)中更為明顯。

因此，開發(fā)一種具備高線性度、高速調(diào)制、低色散影響且結(jié)構(gòu)緊湊的光延遲線，成為光學(xué)測量與光纖系統(tǒng)設(shè)計中的重要課題。

二、旋轉(zhuǎn)多邊形光延遲線的創(chuàng)新設(shè)計

光延遲線（LR）在傳統(tǒng)旋轉(zhuǎn)多邊形結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上進行了重要改進，其核心創(chuàng)新在于采用雙光束差分調(diào)制機制，通過同一測量光束分束后，分別經(jīng)多邊形不同面（或同一面不同入射角）調(diào)制，再經(jīng)反射器返回并合成，最終通過兩路光程差實現(xiàn)延遲量的精確控制。

2.1 系統(tǒng)構(gòu)成與工作原理

該光延遲線主要包括以下組件：

• 旋轉(zhuǎn)多邊形：通常為四、六或八面體，由光學(xué)玻璃、硅等高折射率材料制成，面間平行且可高速旋轉(zhuǎn)。

• 第一與第二反射器：固定位置的高反射鏡，用于將調(diào)制后的光束原路返回。

• 編碼與解碼分離器：通常采用光纖耦合器或分束器，實現(xiàn)光束的分束與合束。

• 寬譜光源：如超發(fā)光二極管（SLED），用于提供低相干光。

• 檢測器單元：接收干涉信號并進行處理。

工作流程簡述：

1. 寬譜光源發(fā)出的光束經(jīng)編碼分離器分為測量光束與參考光束。

2. 測量光束照射待測物體后反射，與參考光束一同進入解碼分離器，分為兩路子光束（Li1與Li2）。

3. 兩路子光束以不同入射角射入旋轉(zhuǎn)多邊形，經(jīng)內(nèi)部折射后分別射向?qū)?yīng)反射器，反射后再次穿過多邊形并返回解碼分離器。

4. 由于多邊形旋轉(zhuǎn)導(dǎo)致兩路光程隨時間變化，其光程差（即延遲量）被調(diào)制。

5. 返回的兩路光束在解碼分離器處合束并發(fā)生干涉，干涉信號由檢測器接收并處理，提取出與物體距離或厚度相關(guān)的信息。

2.2 雙光束差分調(diào)制的優(yōu)勢

與傳統(tǒng)單光束調(diào)制相比，雙光束設(shè)計帶來以下顯著提升：

1. 延遲量倍增：兩路光束的光程變化方向相反，其光程差為兩者之和，從而在相同多邊形尺寸與轉(zhuǎn)速下，實現(xiàn)兩倍于傳統(tǒng)設(shè)計的延遲范圍。

2. 高線性度響應(yīng)：通過合理設(shè)置入射角，使光程差隨旋轉(zhuǎn)角度近似線性變化（如文末圖3曲線所示），降低信號檢測帶寬需求，提升系統(tǒng)信噪比與測量穩(wěn)定性。

3. 色散自補償效應(yīng)：由于兩路光束在多邊形中傳播的光程相近且對稱，材料色散對兩者的影響高度一致，在差分信號中得以抵消，顯著降低色散引入的測量誤差。

三、系統(tǒng)集成與擴展應(yīng)用

3.1 集成激光干涉儀進行實時計量

為提高延遲量的控制精度，該系統(tǒng)還可集成激光干涉儀單元（IL），通過引入高相干激光作為計量光束，實時監(jiān)測并校準(zhǔn)光程差變化。激光計量信號與低相干干涉信號通過波分復(fù)用器分離，分別由計量檢測器與主檢測器處理，實現(xiàn)納米級精度的延遲量閉環(huán)控制。

3.2 在光學(xué)測量裝置中的應(yīng)用

該光延遲線可嵌入各類低相干干涉儀系統(tǒng)，用于：

• 薄膜厚度測量：如半導(dǎo)體晶圓、光學(xué)鍍層、生物薄膜等。

• 光纖傳感：用于分布式應(yīng)變、溫度、振動傳感系統(tǒng)。

• 光學(xué)相干斷層掃描（OCT）：在醫(yī)療成像中實現(xiàn)高分辨率深度掃描。

3.3 與光開關(guān)系統(tǒng)的協(xié)同潛力

在光通信系統(tǒng)中，光開關(guān)負(fù)責(zé)光路的選擇與調(diào)度，常需快速、精確的光程調(diào)整功能。本光延遲線的高速、線性調(diào)制特性，可為其提供高效的光程管理能力，適用于：

• 可調(diào)光延遲模塊：用于光纖測試、信道同步、延時均衡等場景。

• 動態(tài)光路控制系統(tǒng)：在光交換節(jié)點中實現(xiàn)靈活的光程配置。

我們廣西科毅光通信科技有限公司在光開關(guān)與光纖模塊研發(fā)中，正積極探索此類高性能光延遲技術(shù)的集成應(yīng)用，以提升產(chǎn)品在高速光網(wǎng)絡(luò)中的適應(yīng)性與可靠性。

四、技術(shù)參數(shù)與性能示例

以八邊形玻璃多邊形（面間距10cm，折射率n≈1.5）為例，在100Hz旋轉(zhuǎn)頻率下：

• 延遲調(diào)制范圍：可達(dá)20mm以上（傳統(tǒng)設(shè)計約為10mm）

• 測量頻率：每轉(zhuǎn)16次采樣（每面兩次），即1.6kHz

• 線性度：光程差變化呈現(xiàn)良好線性（見文末圖3）

• 適用光源：支持1310nm/1550nm波段，兼容硅基光學(xué)器件

若采用高折射率材料如硅（n≈3.6），在相同尺寸下延遲量可進一步增大，尤其適合近紅外波段系統(tǒng)。

基于旋轉(zhuǎn)多邊形與雙光束差分調(diào)制的新型光延遲線設(shè)計，其在延遲量、線性度、色散控制與系統(tǒng)集成方面均表現(xiàn)出顯著優(yōu)勢。該技術(shù)不僅適用于高精度低相干干涉儀，也為光開關(guān)、可調(diào)延遲模塊、光纖傳感等光通信設(shè)備提供了新的技術(shù)選項。

圖1 現(xiàn)有技術(shù)基于旋轉(zhuǎn)多邊形的延遲線示意圖

圖2  光延遲線與低相干干涉儀集成系統(tǒng)示意圖

圖3 光程差隨入射角變化曲線對比

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