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

一、技術(shù)背景與現有局限

低相干干涉儀廣泛應用于薄膜厚度測量、光纖傳感、生物醫學(xué)成像等領(lǐng)域，其核心機制是通過(guò)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(lái)實(shí)現高精度測量。傳統光延遲線(xiàn)常采用移動(dòng)反射鏡、光纖拉伸或聲光調制等方式實(shí)現光程調節，但這些方法往往存在響應速度慢、非線(xiàn)性強、結構復雜或引入額外色散等問(wèn)題。

例如，早期基于旋轉平行面多邊形的延遲線(xiàn)設計雖能實(shí)現較快的光程調制，但其光程變化呈現顯著(zhù)非線(xiàn)性，導致干涉信號帶寬需求高，系統檢測難度大。此外，光束在多邊形材料中傳播時(shí)，因材料色散導致不同波長(cháng)光程差異增大，影響干涉圖質(zhì)量，尤其在寬帶光源系統中更為明顯。

因此，開(kāi)發(fā)一種具備高線(xiàn)性度、高速調制、低色散影響且結構緊湊的光延遲線(xiàn)，成為光學(xué)測量與光纖系統設計中的重要課題。

二、旋轉多邊形光延遲線(xiàn)的創(chuàng )新設計

光延遲線(xiàn)（LR）在傳統旋轉多邊形結構基礎上進(jìn)行了重要改進(jìn)，其核心創(chuàng )新在于采用雙光束差分調制機制，通過(guò)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）調制，再經(jīng)反射器返回并合成，最終通過(guò)兩路光程差實(shí)現延遲量的精確控制。

2.1 系統構成與工作原理

該光延遲線(xiàn)主要包括以下組件：

• 旋轉多邊形：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。

• 第一與第二反射器：固定位置的高反射鏡，用于將調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(shí)現光束的分束與合束。

• 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(jìn)行處理。

工作流程簡(jiǎn)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(jìn)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多邊形，經(jīng)內部折射后分別射向對應反射器，反射后再次穿過(guò)多邊形并返回解碼分離器。

4. 由于多邊形旋轉導致兩路光程隨時(shí)間變化，其光程差（即延遲量）被調制。

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 雙光束差分調制的優(yōu)勢

與傳統單光束調制相比，雙光束設計帶來(lái)以下顯著(zhù)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速下，實(shí)現兩倍于傳統設計的延遲范圍。

2. 高線(xiàn)性度響應：通過(guò)合理設置入射角，使光程差隨旋轉角度近似線(xiàn)性變化（如文末圖3曲線(xiàn)所示），降低信號檢測帶寬需求，提升系統信噪比與測量穩定性。

3. 色散自補償效應：由于兩路光束在多邊形中傳播的光程相近且對稱(chēng)，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(zhù)降低色散引入的測量誤差。

三、系統集成與擴展應用

3.1 集成激光干涉儀進(jìn)行實(shí)時(shí)計量

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

3.2 在光學(xué)測量裝置中的應用

該光延遲線(xiàn)可嵌入各類(lèi)低相干干涉儀系統，用于：

• 薄膜厚度測量：如半導體晶圓、光學(xué)鍍層、生物薄膜等。

• 光纖傳感：用于分布式應變、溫度、振動(dòng)傳感系統。

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

3.3 與光開(kāi)關(guān)系統的協(xié)同潛力

在光通信系統中，光開(kāi)關(guān)負責光路的選擇與調度，常需快速、精確的光程調整功能。本光延遲線(xiàn)的高速、線(xiàn)性調制特性，可為其提供高效的光程管理能力，適用于：

• 可調光延遲模塊：用于光纖測試、信道同步、延時(shí)均衡等場(chǎng)景。

• 動(dòng)態(tài)光路控制系統：在光交換節點(diǎn)中實(shí)現靈活的光程配置。

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

四、技術(shù)參數與性能示例

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

• 延遲調制范圍：可達20mm以上（傳統設計約為10mm）

• 測量頻率：每轉16次采樣（每面兩次），即1.6kHz

• 線(xiàn)性度：光程差變化呈現良好線(xiàn)性（見(jiàn)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(jìn)一步增大，尤其適合近紅外波段系統。

基于旋轉多邊形與雙光束差分調制的新型光延遲線(xiàn)設計，其在延遲量、線(xiàn)性度、色散控制與系統集成方面均表現出顯著(zhù)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(kāi)關(guān)、可調延遲模塊、光纖傳感等光通信設備提供了新的技術(shù)選項。

圖1 現有技術(shù)基于旋轉多邊形的延遲線(xiàn)示意圖

圖2  光延遲線(xiàn)與低相干干涉儀集成系統示意圖

圖3 光程差隨入射角變化曲線(xiàn)對比

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