提高可變光纖延遲線精度技術(shù)方法

　　1 引言

　　當(dāng)今，延遲線已經(jīng)廣泛應(yīng)用于信號(hào)處理、雷達(dá)和電子對(duì)抗等領(lǐng)域，比如，信號(hào)處理需要的單元延遲設(shè)備就是一種存儲(chǔ)器，動(dòng)目標(biāo)顯示(MIT)中必須有延遲線——又一種存儲(chǔ)器，電子對(duì)抗中需要把信號(hào)存儲(chǔ)一定時(shí)間再進(jìn)行處理，如把接受對(duì)方的雷達(dá)信號(hào)延遲一定的時(shí)間再發(fā)出去，就完成了欺騙式干擾。在我們最關(guān)心的通信和軍事應(yīng)用方面，傳統(tǒng)的金屬波導(dǎo)和同軸電纜由于在體積、重量、抗電磁干擾能力、串?dāng)_及損耗等方面有許多不足，已經(jīng)無(wú)法滿足實(shí)際應(yīng)用的需要，而以光纖作為傳輸介質(zhì)具有質(zhì)量輕、物理尺寸小、機(jī)械靈活性好、抗電磁干擾(EMI)和電磁脈沖干擾(EMP)能力強(qiáng)且?guī)缀鯖](méi)有損耗等固有的優(yōu)點(diǎn)，因此以光纖和波導(dǎo)構(gòu)成的光纖延遲線在雷達(dá)和電子對(duì)抗中，就擁有了更廣泛的應(yīng)用前景[1]。而在延遲線的實(shí)際應(yīng)用當(dāng)中，常常根據(jù)情況的不同，對(duì)信號(hào)有不同的延時(shí)時(shí)間長(zhǎng)短的需求。這樣，單一、固定的延遲線就不能滿足這種要求?；诖耍梢允褂霉忾_(kāi)關(guān)來(lái)選擇延時(shí)光纖的長(zhǎng)短的方法來(lái)得到可變的光纖延遲線。

　　2 光纖延遲線的原理

　　圖1為光纖延遲線單元示意圖。射頻電信號(hào)輸入激光二極管(LD)，LD將輸入射頻電信號(hào)變換成該信號(hào)調(diào)制的光信號(hào)，通過(guò)光接頭耦合進(jìn)光纖。光電檢測(cè)器(PD)將射頻調(diào)制的光信號(hào)再變換為原來(lái)的射頻電信號(hào)。輸出的射頻電信號(hào)的頻譜完全和輸入射頻電信號(hào)的頻譜相同，只是用光纖作為介質(zhì)延遲了一段時(shí)間，也就是說(shuō)，射頻信號(hào)瞬時(shí)存儲(chǔ)在光纖延遲線單元中，存儲(chǔ)的時(shí)間的長(zhǎng)短與光纖的長(zhǎng)度成正比，這就是光纖延遲線的原理。

　　當(dāng)光波在光纖中以速度v傳播的時(shí)候，延時(shí)的長(zhǎng)短正比于光纖的長(zhǎng)度L，那么特定長(zhǎng)度L的光纖產(chǎn)生的時(shí)延可以表示為：

　　上式中， n為波長(zhǎng)為 λ的光波在光纖中的折射率，c為光波在自由空間中的傳播速度。由△t的表達(dá)式，我們可以看出，延時(shí)時(shí)間的長(zhǎng)短是與光纖長(zhǎng)度L成正比例的，只要能改變光纖的長(zhǎng)度，或者通過(guò)光波導(dǎo)開(kāi)關(guān)選擇不同長(zhǎng)度的光纖，就能實(shí)現(xiàn)不同的延時(shí)時(shí)間[2]。

　　3 6位可變雙向延時(shí)單元設(shè)計(jì)

　　本文仿真計(jì)算的6位光波導(dǎo)延時(shí)單元，由控制LiNbO3襯底上的波導(dǎo)定向耦合器開(kāi)關(guān)狀態(tài)來(lái)選擇不同的延時(shí)路徑，從而構(gòu)成一種6位0~63τ共64種不同時(shí)延的可變雙向延時(shí)單元。 系統(tǒng)如圖2所示，延時(shí)單元由兩塊LiNbO3襯底構(gòu)成，每塊襯底上分別有兩個(gè)4×4定向耦合器光開(kāi)關(guān)，每一個(gè)定向耦合器由一個(gè)偏置電極和一個(gè)開(kāi)關(guān)電極控制，通過(guò)對(duì)開(kāi)關(guān)電極電壓的控制來(lái)達(dá)到開(kāi)關(guān)“開(kāi)”或“關(guān)”的目的。

　　該系統(tǒng)工作在1.3微米波長(zhǎng)，并且采用TM保偏光纖將4×4光開(kāi)關(guān)連接起來(lái)，光纖長(zhǎng)度精確地切割成能產(chǎn)生τ=240 ps延時(shí)光纖長(zhǎng)度的整數(shù)倍，光纖長(zhǎng)度誤差控制在理論值±0.8 mm以內(nèi)，在將光纖和襯底上開(kāi)關(guān)波導(dǎo)耦合以前，先測(cè)量其消光比和長(zhǎng)度。實(shí)現(xiàn)0~63τ中任何一種延時(shí)，光信號(hào)都只能經(jīng)過(guò)唯一可選擇的路徑，該路徑需要對(duì)16個(gè)定向耦合器光開(kāi)關(guān)中的8個(gè)進(jìn)行“開(kāi)”或“關(guān)”的配置，以實(shí)現(xiàn)所需求的延時(shí)[3～7]。延時(shí)路徑、光纖長(zhǎng)度與理論延時(shí)三者之間對(duì)應(yīng)關(guān)系如表1所示。

　　光信號(hào)在6位延時(shí)單元中傳輸時(shí)，每個(gè)定向耦合器開(kāi)關(guān)產(chǎn)生的串?dāng)_在該延時(shí)單元中會(huì)繼續(xù)傳輸，有可能在后面的開(kāi)關(guān)中又耦合到主信道中來(lái)，而這些串?dāng)_信號(hào)經(jīng)過(guò)了一系列不同的波導(dǎo)或光纖，因此會(huì)產(chǎn)生不同的時(shí)延，這樣就會(huì)引起延時(shí)單元輸出端消光比的降低；同時(shí)，具有不同延時(shí)的串?dāng)_信號(hào)耦合到主信道中，也會(huì)在時(shí)域上使主信號(hào)脈沖展寬，脈沖頂點(diǎn)發(fā)生偏移，從而降低延時(shí)的精度。我們可以通過(guò)對(duì)光信號(hào)未經(jīng)過(guò)的8個(gè)剩下的光開(kāi)關(guān)進(jìn)行“開(kāi)”或“關(guān)”的選擇，來(lái)使串?dāng)_信號(hào)不經(jīng)過(guò)主信道，從其他路徑輸出到剩下的沒(méi)有使用的輸出端口，這樣就可以有效地增加的消光比，并且提高延遲單元延時(shí)的精度。

　　4 系統(tǒng)仿真與結(jié)果分析

　　該6位可變光纖延遲線采用Virtual Photonics公司的光子傳輸組件　　(Photonic Transmission Design Suite, PTDS)進(jìn)行仿真計(jì)算，仿真模型如圖3所示。

　　在本仿真系統(tǒng)中，采用1.3 µm波長(zhǎng)，能量為1mW連續(xù)波激光器作為光源，高速M(fèi)-Z鈮酸鋰調(diào)制器，10 GHz高斯脈沖信號(hào)作為調(diào)制信號(hào)，經(jīng)過(guò)6位延時(shí)單元，最后將輸出信號(hào)分別進(jìn)行頻域和時(shí)域分析。我們選擇經(jīng)過(guò)“0”延時(shí)路徑的光信號(hào)從延時(shí)單元輸入到輸出端之間的時(shí)間差作為我們的參考值，如圖4中A所示。后面所有的延時(shí)τ～63τ都是相對(duì)于該“0”延時(shí)路徑的相對(duì)時(shí)延，圖4中B分別是相對(duì)于“0”延時(shí)路徑經(jīng)過(guò)8τ、16τ和48τ延時(shí)后得到的仿真圖形。

　　從仿真圖形和參數(shù)中也可以計(jì)算出，延遲單元的平均插入損耗為-19.9 dB，其主要是由定向耦合器光開(kāi)關(guān)的損耗和波導(dǎo)與光纖的耦合損耗引起。延遲單元的仿真值與期望的理論值之間平均延時(shí)誤差為12.8 ps，延時(shí)誤差主要由光纖長(zhǎng)度的切割精度、定向耦合器光開(kāi)關(guān)的兩臂不等長(zhǎng)和串?dāng)_信號(hào)的反饋耦合引起。延時(shí)光纖長(zhǎng)度的切割精度和定向耦合器開(kāi)關(guān)兩臂的不等長(zhǎng)與器件制作的工藝有關(guān)，而我們可以采用控制未經(jīng)過(guò)光信號(hào)的8個(gè)光開(kāi)關(guān)的“開(kāi)”、“關(guān)”狀態(tài)，使串?dāng)_信號(hào)輸出到未使用的輸出端口的方法，來(lái)降低串?dāng)_信號(hào)對(duì)主信號(hào)的影響。

　　通過(guò)對(duì)主信號(hào)未經(jīng)過(guò)的8個(gè)光開(kāi)關(guān)的狀態(tài)進(jìn)行多次組合，得到多組不同的仿真結(jié)果，我們可以從結(jié)果中看到在主信號(hào)經(jīng)過(guò)的路徑中離信號(hào)的輸出端口越近的光開(kāi)關(guān)產(chǎn)生的串?dāng)_，對(duì)主信號(hào)的延時(shí)精度影響最大，因此在采用該方法的時(shí)候，我們遵循優(yōu)先使離輸出端口越近的光開(kāi)關(guān)產(chǎn)生的串?dāng)_輸出到未使用端口的原則，即當(dāng)前面和后面的光開(kāi)關(guān)產(chǎn)生的串?dāng)_輸出到未使用的端口路徑出現(xiàn)沖突的時(shí)候，我們優(yōu)先保證使后面的串?dāng)_信號(hào)不經(jīng)過(guò)主信道，輸出到未使用的端口（如表2，分別列出了在實(shí)現(xiàn)0τ、8τ、16τ和48τ延時(shí)的情況下，光開(kāi)關(guān)對(duì)主信號(hào)和串?dāng)_信號(hào)的路徑選擇）。

　　圖5是光信號(hào)經(jīng)過(guò)8τ延時(shí)路徑，沒(méi)有采用控制串?dāng)_信號(hào)輸出到未使用的輸出端口的方法和采用該種方法后得到的兩組具有不同延時(shí)的曲線，從圖上我們可以看到，經(jīng)過(guò)8τ延時(shí)路徑的期望延時(shí)是1920 ps，改進(jìn)后的延時(shí)值與期望延時(shí)之間的誤差是6.1 ps，而初始延時(shí)與期望延時(shí)的誤差是14.3 ps。因此，綜合τ～63τ共64種延時(shí)的數(shù)據(jù)，可以得出采用控制未經(jīng)過(guò)光信號(hào)的8個(gè)光開(kāi)關(guān)的“開(kāi)”、“關(guān)”狀態(tài)，使串?dāng)_信號(hào)輸出到未使用的輸出端口的方法，減小了串?dāng)_信號(hào)在時(shí)域上對(duì)主信號(hào)脈沖展寬，頂點(diǎn)發(fā)生偏移的影響，平均延時(shí)誤差從原來(lái)的12.8 ps下降到了7.9 ps，，從而有效地提高了延時(shí)的精度。

　　5 結(jié) 束 語(yǔ)

　　本文在介紹了光纖延遲線原理和光纖延遲線相對(duì)與傳統(tǒng)的電延遲線具有質(zhì)量輕、物理尺寸小、機(jī)械靈活性好、抗電磁干擾和電磁脈沖干擾能力強(qiáng)且?guī)缀鯖](méi)有損耗等優(yōu)點(diǎn)的基礎(chǔ)上，對(duì)4個(gè)4×4光開(kāi)關(guān)構(gòu)成的6位光纖延遲線進(jìn)行了理論分析和系統(tǒng)仿真，得出了如下幾點(diǎn)結(jié)論：

　　1) 本文仿真的6位光纖延遲線，可以通過(guò)對(duì)延遲單元中定向耦合器光開(kāi)關(guān)的控制，選擇不同的延時(shí)路徑，具備了0～63τ共64種雙向可變延時(shí)的功能。

　　2) 提出通過(guò)控制16個(gè)光開(kāi)關(guān)中未經(jīng)過(guò)光信號(hào)的8個(gè)光開(kāi)關(guān)，使串?dāng)_信號(hào)不經(jīng)過(guò)主信道，直接輸出到未使用的輸出端口的方法，達(dá)到了增加延時(shí)精度的目的，平均延時(shí)誤差從12.8 ps下降為7.9 ps。

　　3) 仿真結(jié)果與理論分析值吻合較好，得到了此種6位光纖延遲線幾樣主要的參數(shù)，為將來(lái)進(jìn)一步做實(shí)驗(yàn)性器件提供了充分的理論基礎(chǔ)。