6-Bit可變光纖延遲線精度技術(shù)的研究

1 引言 
　　當(dāng)今，延遲線已經(jīng)廣泛應(yīng)用于信號處理、雷達(dá)和電子對抗等
領(lǐng)域，比如，信號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，電子對抗中需
要把信號存儲(chǔ)一定時(shí)間再進(jìn)行處理，如把接受對方的雷達(dá)信號延
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
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(EM
P)能力強(qiáng)且?guī)缀鯖]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，對信號有不同的延時(shí)時(shí)間長短的需求。這樣，單
一、固定的延遲線就不能滿足這種要求。基于此，可以使用光開關(guān)來選擇延時(shí)光纖的長短的方法來得到可
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。射頻電信號輸入激光二極管(LD)，LD將輸入射頻電信號變換成該信號調(diào)
制的光信號，通過光接頭耦合進(jìn)光纖。光電檢測器(PD)將射頻調(diào)制的光信號再變換為原來的射頻電信號。
輸出的射頻電信號的頻譜完全和輸入射頻電信號的頻譜相同，只是用光纖作為介質(zhì)延遲了一段時(shí)間，也就
是說，射頻信號瞬時(shí)存儲(chǔ)在光纖延遲線單元中，存儲(chǔ)的時(shí)間的長短與光纖的長度成正比，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)的長短正比于光纖的長度L，那么特定長度L的光纖產(chǎn)生的時(shí)
延可以表示為：
　　上式中， n為波長為 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)間的長短是與光纖長度L成正比例的，只要能改變光纖的長度，或者通過光波導(dǎo)
開關(guān)選擇不同長度的光纖，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)定向耦合器開關(guān)狀態(tài)來選擇不同的延
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定向耦合器光開關(guān)，每一個(gè)定向耦合器由一個(gè)偏置電極和一
個(gè)開關(guān)電極控制，通過對開關(guān)電極電壓的控制來達(dá)到開關(guān)“開”或“關(guān)”的目的。
　　該系統(tǒng)工作在1.3微米波長，并且采用TM保偏光纖將4×4光開關(guān)連接起來，光纖長度精確地切割成能產(chǎn)
生τ=240 ps延時(shí)光纖長度的整數(shù)倍，光纖長度誤差控制在理論值±0.8 mm以內(nèi)，在將光纖和襯底上開關(guān)波
導(dǎo)耦合以前，先測量其消光比和長度。實(shí)現(xiàn)0~63τ中任何一種延時(shí)，光信號都只能經(jīng)過唯一可選擇的路
徑，該路徑需要對16個(gè)定向耦合器光開關(guān)中的8個(gè)進(jìn)行“開”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、光纖長度與理論延時(shí)三者之間對應(yīng)關(guān)系如表1所示。
　　光信號在6位延時(shí)單元中傳輸時(shí)，每個(gè)定向耦合器開關(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
在后面的開關(guān)中又耦合到主信道中來，而這些串?dāng)_信號經(jīng)過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)_信號耦合到主信道中，
也會(huì)在時(shí)域上使主信號脈沖展寬，脈沖頂點(diǎn)發(fā)生偏移，從而降低延時(shí)的精度。我們可以通過對光信號未經(jīng)
過的8個(gè)剩下的光開關(guān)進(jìn)行“開”或“關(guān)”的選擇，來使串?dāng)_信號不經(jīng)過主信道，從其他路徑輸出到剩下的
沒有使用的輸出端口，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 S
uite, 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，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 GH
z高斯脈沖信號作為調(diào)制信號，經(jīng)過6位延時(shí)單元，最后將輸出信號分別進(jìn)行頻域和時(shí)域分析。我們選擇經(jīng)
過“0”延時(shí)路徑的光信號從延時(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都是相對于該“0”延時(shí)路徑的相對時(shí)延，圖4中B分別是相對于“0”延時(shí)路徑經(jīng)過8
τ、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 p
s，延時(shí)誤差主要由光纖長度的切割精度、定向耦合器光開關(guān)的兩臂不等長和串?dāng)_信號的反饋耦合引起。延
時(shí)光纖長度的切割精度和定向耦合器開關(guān)兩臂的不等長與器件制作的工藝有關(guān)，而我們可以采用控制未經(jīng)
過光信號的8個(gè)光開關(guān)的“開”、“關(guān)”狀態(tài)，使串?dāng)_信號輸出到未使用的輸出端口的方法，來降低串?dāng)_信
號對主信號的影響。
　　通過對主信號未經(jīng)過的8個(gè)光開關(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
看到在主信號經(jīng)過的路徑中離信號的輸出端口越近的光開關(guān)產(chǎn)生的串?dāng)_，對主信號的延時(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)_信號不經(jīng)過主信道，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，光開關(guān)對主信號和串?dāng)_信號的路徑選擇）。
　　圖5是光信號經(jīng)過8τ延時(shí)路徑，沒有采用控制串?dāng)_信號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)過光信號的8個(gè)光開關(guān)的“開”、“關(guān)”狀態(tài)，使串?dāng)_信號
輸出到未使用的輸出端口的方法，減小了串?dāng)_信號在時(shí)域上對主信號脈沖展寬，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
　　本文在介紹了光纖延遲線原理和光纖延遲線相對與傳統(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]有損耗等優(yōu)點(diǎn)的基礎(chǔ)上，對4個(gè)4×4光開關(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，可以通過對延遲單元中定向耦合器光開關(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) 提出通過控制16個(gè)光開關(guān)中未經(jīng)過光信號的8個(gè)光開關(guān)，使串?dāng)_信號不經(jīng)過主信道，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)，為將來進(jìn)一步做實(shí)
驗(yàn)性器件提供了充分的理論基礎(chǔ)。