提高可變光纖延遲線精度技術方法

　　1 引言

　　當今，延遲線已經廣泛應用于信號處理、雷達和電子對抗等領域，比如，信號處理需要的單元延遲設備就是一種存儲器，動目標顯示(MIT)中必須有延遲線——又一種存儲器，電子對抗中需要把信號存儲一定時間再進行處理，如把接受對方的雷達信號延遲一定的時間再發(fā)出去，就完成了欺騙式干擾。在我們最關心的通信和軍事應用方面，傳統(tǒng)的金屬波導和同軸電纜由于在體積、重量、抗電磁干擾能力、串擾及損耗等方面有許多不足，已經無法滿足實際應用的需要，而以光纖作為傳輸介質具有質量輕、物理尺寸小、機械靈活性好、抗電磁干擾(EMI)和電磁脈沖干擾(EMP)能力強且?guī)缀鯖]有損耗等固有的優(yōu)點，因此以光纖和波導構成的光纖延遲線在雷達和電子對抗中，就擁有了更廣泛的應用前景[1]。而在延遲線的實際應用當中，常常根據情況的不同，對信號有不同的延時時間長短的需求。這樣，單一、固定的延遲線就不能滿足這種要求?；诖耍梢允褂霉忾_關來選擇延時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制的光信號，通過光接頭耦合進光纖。光電檢測器(PD)將射頻調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延遲了一段時間，也就是說，射頻信號瞬時存儲在光纖延遲線單元中，存儲的時間的長短與光纖的長度成正比，這就是光纖延遲線的原理。

　　當光波在光纖中以速度v傳播的時候，延時的長短正比于光纖的長度L，那么特定長度L的光纖產生的時延可以表示為：

　　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的表達式，我們可以看出，延時時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，或者通過光波導開關選擇不同長度的光纖，就能實現不同的延時時間[2]。

　　3 6位可變雙向延時單元設計

　　本文仿真計算的6位光波導延時單元，由控制LiNbO3襯底上的波導定向耦合器開關狀態(tài)來選擇不同的延時路徑，從而構成一種6位0~63τ共64種不同時延的可變雙向延時單元。 系統(tǒng)如圖2所示，延時單元由兩塊LiNbO3襯底構成，每塊襯底上分別有兩個4×4定向耦合器光開關，每一個定向耦合器由一個偏置電極和一個開關電極控制，通過對開關電極電壓的控制來達到開關“開”或“關”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光開關連接起來，光纖長度精確地切割成能產生τ=240 ps延時光纖長度的整數倍，光纖長度誤差控制在理論值±0.8 mm以內，在將光纖和襯底上開關波導耦合以前，先測量其消光比和長度。實現0~63τ中任何一種延時，光信號都只能經過唯一可選擇的路徑，該路徑需要對16個定向耦合器光開關中的8個進行“開”或“關”的配置，以實現所需求的延時[3～7]。延時路徑、光纖長度與理論延時三者之間對應關系如表1所示。

　　光信號在6位延時單元中傳輸時，每個定向耦合器開關產生的串擾在該延時單元中會繼續(xù)傳輸，有可能在后面的開關中又耦合到主信道中來，而這些串擾信號經過了一系列不同的波導或光纖，因此會產生不同的時延，這樣就會引起延時單元輸出端消光比的降低；同時，具有不同延時的串擾信號耦合到主信道中，也會在時域上使主信號脈沖展寬，脈沖頂點發(fā)生偏移，從而降低延時的精度。我們可以通過對光信號未經過的8個剩下的光開關進行“開”或“關”的選擇，來使串擾信號不經過主信道，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的精度。

　　4 系統(tǒng)仿真與結果分析

　　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)進行仿真計算，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-Z鈮酸鋰調制器，10 GHz高斯脈沖信號作為調制信號，經過6位延時單元，最后將輸出信號分別進行頻域和時域分析。我們選擇經過“0”延時路徑的光信號從延時單元輸入到輸出端之間的時間差作為我們的參考值，如圖4中A所示。后面所有的延時τ～63τ都是相對于該“0”延時路徑的相對時延，圖4中B分別是相對于“0”延時路徑經過8τ、16τ和48τ延時后得到的仿真圖形。

　　從仿真圖形和參數中也可以計算出，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的損耗和波導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誤差為12.8 ps，延時誤差主要由光纖長度的切割精度、定向耦合器光開關的兩臂不等長和串擾信號的反饋耦合引起。延時光纖長度的切割精度和定向耦合器開關兩臂的不等長與器件制作的工藝有關，而我們可以采用控制未經過光信號的8個光開關的“開”、“關”狀態(tài)，使串擾信號輸出到未使用的輸出端口的方法，來降低串擾信號對主信號的影響。

　　通過對主信號未經過的8個光開關的狀態(tài)進行多次組合，得到多組不同的仿真結果，我們可以從結果中看到在主信號經過的路徑中離信號的輸出端口越近的光開關產生的串擾，對主信號的延時精度影響最大，因此在采用該方法的時候，我們遵循優(yōu)先使離輸出端口越近的光開關產生的串擾輸出到未使用端口的原則，即當前面和后面的光開關產生的串擾輸出到未使用的端口路徑出現沖突的時候，我們優(yōu)先保證使后面的串擾信號不經過主信道，輸出到未使用的端口（如表2，分別列出了在實現0τ、8τ、16τ和48τ延時的情況下，光開關對主信號和串擾信號的路徑選擇）。

　　圖5是光信號經過8τ延時路徑，沒有采用控制串擾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的曲線，從圖上我們可以看到，經過8τ延時路徑的期望延時是1920 ps，改進后的延時值與期望延時之間的誤差是6.1 ps，而初始延時與期望延時的誤差是14.3 ps。因此，綜合τ～63τ共64種延時的數據，可以得出采用控制未經過光信號的8個光開關的“開”、“關”狀態(tài)，使串擾信號輸出到未使用的輸出端口的方法，減小了串擾信號在時域上對主信號脈沖展寬，頂點發(fā)生偏移的影響，平均延時誤差從原來的12.8 ps下降到了7.9 ps，，從而有效地提高了延時的精度。

　　5 結 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)的電延遲線具有質量輕、物理尺寸小、機械靈活性好、抗電磁干擾和電磁脈沖干擾能力強且?guī)缀鯖]有損耗等優(yōu)點的基礎上，對4個4×4光開關構成的6位光纖延遲線進行了理論分析和系統(tǒng)仿真，得出了如下幾點結論：

　　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的控制，選擇不同的延時路徑，具備了0～63τ共64種雙向可變延時的功能。

　　2) 提出通過控制16個光開關中未經過光信號的8個光開關，使串擾信號不經過主信道，直接輸出到未使用的輸出端口的方法，達到了增加延時精度的目的，平均延時誤差從12.8 ps下降為7.9 ps。

　　3) 仿真結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，為將來進一步做實驗性器件提供了充分的理論基礎。