摘要 摘要 光纖延遲線( o p t i c a lf i b e rd e l a yl i n e ) 具有體積小、重量輕、帶寬寬，損耗低、 抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用到光控相控陣?yán)走_(dá)、衛(wèi)星天線以及通信等領(lǐng)域。 高精度、小體積、大動態(tài)范圍的光纖延遲線成為現(xiàn)今應(yīng)用領(lǐng)域急需突破的關(guān)鍵技 術(shù)。 介紹了光纖延遲線的原理，并分析了國內(nèi)外發(fā)展情況。對旁路結(jié)構(gòu)和差分結(jié) 構(gòu)兩種典型的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行了研究，選擇了具有損耗小、高精度優(yōu)點(diǎn)的差分結(jié)構(gòu)。 分析了光開關(guān)狀態(tài)差所帶來誤差的影響不可忽視，發(fā)現(xiàn)了不同的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)帶來的 光開關(guān)狀態(tài)差的影響不盡相同。在m a t l a b 環(huán)境下，建立了光纖延遲線的模型， 并在5 b i t 光纖延遲線所有的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中選出了光開關(guān)狀態(tài)影響最小的一種結(jié)構(gòu)， 仿真證明，當(dāng)光開關(guān)誤差小于l p s 時，延遲誤差優(yōu)于2 p s 。設(shè)計(jì)了一種基于磁光開 關(guān)和單模光纖的5 b i t 高精度光纖延遲線。對光纖延遲線關(guān)鍵部件進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)， 分析了各類光開關(guān)的性能，最終選擇了體積小并且切換速度快的磁光開關(guān)。 分析了光學(xué)測量法和矢量網(wǎng)絡(luò)分析的幾種測量方法的優(yōu)缺點(diǎn)，選擇了精度較 高且測量方便簡單的頻域法，用光收發(fā)模塊和4 0 g h z 矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀搭建了光纖 延遲線的測量平臺，測量精度可達(dá)l p s 。在高精度光纖連接技術(shù)的研究中，使用工 裝夾具能夠很好的提高光纖的切割精度，采用光纖自動熔接加監(jiān)測的技術(shù)，實(shí)現(xiàn) 連接精度優(yōu)于l p s 。 實(shí)現(xiàn)了磁光開關(guān)的高速驅(qū)動電路與控制電路，完成了5 b i t 光纖延遲線的電路 的控制，實(shí)驗(yàn)證明磁光開關(guān)的切換速度優(yōu)于2 0 1 t s 。 最后采用優(yōu)化的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，用磁光開關(guān)和單模光纖構(gòu)建了5 b i t 光纖延遲線， 實(shí)驗(yàn)研究證明當(dāng)步進(jìn)為l o o p s 時，3 2 種狀態(tài)中，光纖延遲線的最大延遲誤差優(yōu)于 2 9 8 p s ，損耗的一致性優(yōu)于0 5 5 d b ，對光纖延遲線進(jìn)行了溫度特性的實(shí)驗(yàn)研究，結(jié) 果表面，在同一狀態(tài)下不同溫度間的損耗值的最大差異為0 3 2 d b 。 關(guān)鍵詞：光纖延遲線，精度，光開關(guān)，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) a b s t r a c t a b s t r a c t i nc o m p a r i s o nw i t he l e c t r i cd e l a yl i n e ，o p t i c a lf i b e r d e l a yl i n e s ( o f d l ) h a v em a n y a d v a n t a g e s ，s u c h 嬲，s m a l ls i z e ，l o ww e i g h t ，b r o a db a n d w i d t h ，n os u s c e p t i b i l i t yt o e l e c t r o m a g n e t i ci n t e r f e r e n c e ，a n ds q u i n t f r e ea r r a ys t e e r i n g o f d la r ei n s t a l l e do rt o b ei n s t a l l e do nr a d a rs t a t i o n s ，s a t e l l i t e sa n dc o m m u n i c a t i o n sf i e l d t h eo f d lw h i c hh a s l l i g hp r e c i s i o n ，s m a l ls i z ea n dh i 曲d y n a m i cr a n g ei su r g e n t l yn e e d e di nt h ef i e l do f a p p l i c a t i o n t h e p r i n c i p l eo fo f d l i si n t r o d u c e da n dt h ed e v e l o p i n gs i t u a t i o nw h i c hi sa th o m e a n da b r o a di sa n a l y z e d i nt h ed e s i g no ft o p o l o g i c a ls t r u c t u r e s ，t w os t r u c t u r e sa r e c o m p a r e d ，b e c a m et h es t r u c t u r eo fb y p a s sc a n n o th a v es m a l ld e l a ys t e pa n di sh a r dt o r e a c hh i g hp r e c i s i o n , s ow ec h o o s et h ed i f f e r e n c es t r u c t u r e t h ee r r o rc a u s e db ya l l o p t i c a ls w i t c hi sa n a l y z e d ，a n dw ef i n dt h a td i f f e r e n tt o p o l o g i c a ls t r u c t u r e sh a v e d i f f e r e n ti n f l u e n c e si nt h ep r e c i s i o no fo f d l t h es o f t w a r em a t l a bi su s e dt og e tt h e b e s tt o p o l o g i c a ls t r u c t u r e ，b ys i m u l a t i n g , w h e nt h ee r r o rc a u s e db ya no p t i c a ls w i t c hi s l p s ，t h ep r e c i s i o no fo p t i c a lf i b e rd e l a yl i n ec a nr e a c h2 p s ，a n dt h i sm e t h o dc a l lb e a p p l i e dt oa n yb i to f d lw i ma r b i t r a r yo p t i c a ls w i t c h e s i nt h ec h o i c eo ft h ek e y c o m p o n e n t ，a l lo ft h eo p t i c a ls w i t c h e sa r ec o m p a r e da n dw ec h o o s em a g n e t oo p t i c a l s w i t c hw h i c hh a ss m a l ls i z ea n dh i 曲s p e e d i nt h er e s e a r c ho fm e t h o do fm e a s u r e m e n tf o rh i 曲p r e c i s i o n , m a n yw a y sa r e a n a l y z e di n c l u d i n go p t i c a lm e a s u r e m e n ta n dv e c t o rn e t w o r ka n a l y z e r w ec h o o s et h e v e c t o rn e t w o r ka n a l y z e rt om e a s u r et h el e n g t ho ft h e 硒a n dt h em e t h o di sb a s e do n f r e q u e n c yd o m a i nm e t h o d ，t h a th a sh i g hp r e c i s i o na n di se a s yt om e a s u r ef o ru s i nt h e r e s e a r c ho fc o n n e c t i o nm e t h o df o ro p t i c a lf i b e r , b yu s i n gt h ew o r kf i x t u r ea n di nt h e s t a t eo fm o n i t o r i n g , w eg e tg o o dr e s u l ti nc u t t i n gt h ef i b e ra n dt h ep r e c i s i o nc a l lr e a c h l p s t h ed r i v ec i r c u i ta n ds t e e r i n gc i r c u i tw h i c hh a v eh i g hs p e e dw e r ef i n i s h e d ，a n dt h e 5 b i ts t e e r i n gc i r c u i ti sp r o v e ds t a b l e b ym e a s u r i n g , t h es w i t c h i n gt i m eo ft h em a g n e t o o p t i c a ls w i t c hi sl e s st h a n2 0 p s n a b s t r a c t a tl a s t , t h eo p t i m a ls t r u c t u r ei su s e d t h em a g n e t oo p t i c a ls w i t c h e sa n ds i n g l e m o d ef i b e ra r eu s e dt ob u i l da5 b i to f d l b ym e a s u r i n g , w h e nt h es t e pl e n g t hi s10 0 p s ， t h ep r e c i s i o no ft h ef i b e rd e l a yl i n ew a sb e t t e rt h a n2 9 8 p s ，a n dt h ef l a t n e s so ft h el o s si s a b o u t0 5 5 d b i nt h es a m es t a t e , t h eb i g g e s td i f f e r e n c eo fl o s si s0 3 2 d ba td i f f e r e n t t e m p e r a t u r e s k e y w o r d s ：o p t i c a lf i b e rd e l a yl i n e , p r e c i s i o n ，o p t i c a ls w i t c h , t o p o l o g i cs t r u c t u r e i i i 縮略語 a p c c d o w i l l d m e m s o f d l o t d r o 冊 p d l 強(qiáng) s o a 縮略語 a i 珂ep h y s i c sc o n t a c t c y l i n d r i cd i e l e c f i co p t i c a lw a v e g u i d e i n s e r t i o nl o s s l a s e rd i o d e m i c r oe l e c t r om e c h a n i c a ls y s t e m s o p t i c a lf i b e rd e l a yl i n e o p t i c a lt i m ed o m f i nr e f l e c t o m e t r y 哪i c a lt u r et i m ed e l a y p h o t 0d i o d e r a d i of r e q u e n c y s e m i c o n d u c t o ro p t i c a la m p l i f i e r 角度物理接觸 原主介質(zhì)光波導(dǎo) 插入損耗 激光二極管 微電機(jī)械系統(tǒng) 光纖延遲線 光時域反射計(jì) 光實(shí)時延時 光電二極管 射頻、無線電頻率 半導(dǎo)體光放大器 獨(dú)創(chuàng)性聲明 本人聲明所呈交的學(xué)位論文是本人在導(dǎo)師指導(dǎo)下進(jìn)行的研究工 作及取得的研究成果。據(jù)我所知，除了文中特別加以標(biāo)注和致謝的地 方外，論文中不包含其他人已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的研究成果，也不包含 為獲得電子科技大學(xué)或其它教育機(jī)構(gòu)的學(xué)位或證書而使用過的材料。 與我一同工作的同志對本研究所做的任何貢獻(xiàn)均已在論文中作了明 確的說明并表示謝意。 簽名：卑_ 曼l日期：1 年歲月2 7 日 關(guān)于論文使用授權(quán)的說明 本學(xué)位論文作者完全了解電子科技大學(xué)有關(guān)保留、使用學(xué)位論文 的規(guī)定，有權(quán)保留并向國家有關(guān)部門或機(jī)構(gòu)送交論文的復(fù)印件和磁 盤，允許論文被查閱和借閱。本人授權(quán)電子科技大學(xué)可以將學(xué)位論文 的全部或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫進(jìn)行檢索，可以采用影印、縮印或 掃描等復(fù)制手段保存、匯編學(xué)位論文。 ( 保密的學(xué)位論文在解密后應(yīng)遵守此規(guī)定) 簽名：j 崢 導(dǎo)師簽名： 日日 第一章緒論 1 1 光纖延遲線 第一章緒論 光導(dǎo)纖維( 簡稱光纖) 是一種傳導(dǎo)光波的原主介質(zhì)光波導(dǎo)( c y l i n d r i cd i e l e c t i e o p t i c a lw a v e g u i d e ) ，該波導(dǎo)結(jié)構(gòu)約束光波形態(tài)的電磁能量于波導(dǎo)之中，并引導(dǎo)電磁 能量沿光纖的軸向傳播，簡單地說光纖就是用來導(dǎo)光的透明介質(zhì)纖維。 我們知道，現(xiàn)代相控陣?yán)走_(dá)的信號饋送已成為設(shè)計(jì)師的難題，僅就移相器的 控制線而言，每個t r 組件中的移相器至少要1 1 根控制線( n 為移相器位數(shù)) ，其 指令形式是n 位并行的二進(jìn)制字。某些類型的數(shù)字移相器，對每一位還要求一根 輔助控制線，這樣控制線的數(shù)量還要加倍，對超大型相控陣天線，t r 組件數(shù)量達(dá) 1 0 3 1 0 4 個，故采用傳統(tǒng)的金屬傳輸線將是非常困難的，甚至在某些情況下已變得 不可斛。近幾年來，由光纖傳輸線代替了波導(dǎo)、同軸線和微帶線。光纖的引入給 相控陣?yán)走_(dá)帶來了明顯的優(yōu)點(diǎn)：光纖體積小、質(zhì)量輕、強(qiáng)度好、成本低。其直徑 僅1 2 5 t m ，與細(xì)同軸線相比可縮小體積一倍以上，其質(zhì)量至少可降至l 8 以下， 光纖的相對拉力強(qiáng)度大于7 0 4 x 1 0 4 k g c m 2 ，其最小彎曲半徑可小于2 5 4 c m ，光纖 的市場價格僅為同軸線的1 5 以下。光纖還有優(yōu)良的電學(xué)性能，如大帶寬、高隔離 度、損耗小等，光纖實(shí)現(xiàn)的調(diào)制帶寬可高達(dá)1 0 0 g h z 。目前使用的1 3 1 0 n m 和1 5 5 0 n m 兩床后的帶寬和就有2 0 t h z ，如果消除o h 一吸收峰，長波長串口的可用帶寬可以 到5 0 t h z ，從1 1 0 0 n m 到1 7 0 0 n m 的帶寬更寬達(dá)1 4 0 t h z 。下一代相控陣?yán)走_(dá)內(nèi)部 互連的信號總衰減要求小于1 0 d b ，光纖損耗小的優(yōu)點(diǎn)極為有利，其典型損耗小于 0 5 d b k m 。相控陣天線還要求組件傳輸間的距離小于6 0 d b ，對金屬傳輸線非常困 難，而光纖可大于1 0 0 d b ，這就帶來了光纖引入相控陣天線的另一重要優(yōu)點(diǎn)，即避 免了電磁干擾( e m i ) ，對于存在大量電磁信號的相控陣天線，電磁干擾常成為困擾 設(shè)計(jì)師的難題。光纖的上述優(yōu)點(diǎn)使它對雷達(dá)的遙控、運(yùn)輸以及空間應(yīng)用也都帶來 了明顯優(yōu)點(diǎn)，光纖及其子系統(tǒng)正在成為新一代相控陣?yán)走_(dá)( 也包含其他雷達(dá)、通 信和電子戰(zhàn)應(yīng)用) 的必不可少的組成部分。隨著技術(shù)的發(fā)展，光纖引入相控陣不 僅僅是代替金屬傳輸線，而且具有可完成信號分配、波束形成與控制等功能。因 此光纖作為光控相控陣?yán)走_(dá)系統(tǒng)的物理傳輸媒介，有著巨大的優(yōu)越性。 電子科技大學(xué)碩士學(xué)位論文 雷達(dá)基站和指揮中心之間有大量的信息傳輸，若用電纜傳輸，其重量和成本 都比較高，改用光纖傳輸后，不僅重量和成本下降，并且電磁兼容性有明顯提高。 另外，反輻射導(dǎo)彈可以根據(jù)通信和雷達(dá)天線的輻射信號來摧毀發(fā)射天線。而雷達(dá) 天線是個輻射源，它是敵方襲擊的目標(biāo)，在常規(guī)戰(zhàn)術(shù)雷達(dá)中，用同軸電纜連接雷 達(dá)天線和控制中心，由于電纜的損耗較大，天線和控制中心的距離不可能拉開很 遠(yuǎn)，因此，一旦天線遭到反輻射導(dǎo)彈的襲擊，控制中心就可能被摧毀，指揮和操 縱人員的安全就得不到保證。由于光纖傳輸具有損耗低，頻帶寬等固有特點(diǎn)，用 于光纖連接雷達(dá)天線和雷達(dá)控制中心，從而可使兩者的距離從原來用同軸電纜 3 0 0 m 以內(nèi)擴(kuò)大到( 2 5 ) k m 。而且信號在傳輸過程中無輻射，也有利于反輻射導(dǎo) 彈的襲擊。因此，用光纖傳輸系統(tǒng)取代同軸電纜，來連接雷達(dá)天線和雷達(dá)控制中 心，傳遞雷達(dá)信號是非常理想的【2 】。 光纖在相控陣?yán)走_(dá)中的應(yīng)用主要是光纖延遲線信號處理。先進(jìn)的高分辨率雷 達(dá)要求損耗低、時間帶寬積大的延遲器進(jìn)行信號處理。光纖延遲線具有損耗低( 在 ( 1 1 0 ) g h z 頻段內(nèi)，單位延遲時間的損耗僅為0 4 d b p s o 1 d b p s ) 、時間帶寬 積大( 達(dá)1 0 4 - - - 1 0 6 ) 、帶寬寬( 1 0 g h z ) 等優(yōu)點(diǎn)【3 1 ，實(shí)現(xiàn)彼此跟蹤的延遲線相當(dāng)容易， 而且能封裝成小型的封裝盒。光纖技術(shù)在相控陣?yán)走_(dá)的應(yīng)用還包括用光纖延遲線 在光控相控陣?yán)走_(dá)波束形成所需要的相移【4 】【5 】【6 】【7 】【8 】；在電光相控陣發(fā)射機(jī)中采用光 學(xué)進(jìn)行波束形成，用光纖技術(shù)進(jìn)行天線的靈活遙控等。 由此可見，光纖延遲線已是一種新型的微波頻率信號處理器件，較之其他延 遲線信號處理器件更加優(yōu)越。它能實(shí)現(xiàn)寬的帶寬，尺寸較小，損耗低，溫度穩(wěn)定 性好。特別是光纖延遲線具有與頻率無關(guān)的恒定單位延時損耗，尤其適用于寬帶 信號處理。 1 2 光纖延遲線的基本原理 光纖延遲，是指光信號經(jīng)過一定長度的光纖傳輸后所產(chǎn)生的時間延遲。光纖 延遲線( o p t i c a lf i b e rd e l a yl i n e ) ，廣義上是指任何具有時間延遲功能的傳輸光信 號的光纖或無源光纖網(wǎng)絡(luò)【9 1 。這里我們提到的光纖延遲線是狹義的，它主要是指包 含有光源、調(diào)制器、傳輸光纖和光電探測器等具有信號延遲功能的光纖組合器件。 2 第一章緒論 光纖 圖1 - 1 光纖延遲線示意圖 最簡單的光纖延遲線如圖1 1 所示，將微波射頻信號輸入到調(diào)制器，激光器發(fā) 出的光信號受到調(diào)制，成為載有外界調(diào)制信息的光信號，然后耦合到具有時間延 遲功能的光纖媒介中，經(jīng)由光電探測器檢測后再轉(zhuǎn)換成與調(diào)制信號相同的射頻信 號輸出。延遲光纖的作用就是傳輸光信號，輸出射頻信號可以認(rèn)為是經(jīng)過光纖延 遲了信號，在此過程中，光波為外界射頻信號的載體，光纖則是光信號的延遲介 質(zhì)。 根據(jù)光纖傳輸理論，光在光纖介質(zhì)中的傳播速度為v 的話，那么其表達(dá)式可 以寫為 1 ，= 二( 1 1 ) 刀 式中，1 1 為傳輸光波的波長為九時，光纖纖芯的折射率，c 為光波在自由空間 中的傳播速度。當(dāng)廣播在光纖中以速度v 傳播的時候，長度為l 的光纖產(chǎn)生的延 時可以表示為 ：一l：一lnat ( 1 。2 ) = 一= 【一) ， c 由缸的表達(dá)式( 1 2 ) ，我們可以看出延時時間的長短是與光纖長度l 和光纖 折射率n 成正比的。 1 3 光實(shí)時延遲能解決“波束偏斜”現(xiàn)象 現(xiàn)今機(jī)載或星載雷達(dá)系統(tǒng)對帶寬和穩(wěn)定性的要求越來越高，使得傳統(tǒng)的機(jī)械 掃描天線逐漸被相控陣控天線取代。后者每一個天線陣元的發(fā)射相位和幅值都可 以單獨(dú)控制，因而可以方便而快速的形成波束。 傳統(tǒng)的相控陣控天線，其陣元的相位由電子移相器或者電子延時器控制，但 3 電子科技大學(xué)碩士學(xué)位論文 是，隨著對系統(tǒng)帶寬和抗電磁干擾性能的要求越來越高，下一代的相控陣天線必 定是使用光學(xué)實(shí)時延時技術(shù)【1 0 1 ( o t t d ) 。 為簡單起見，考慮一個一維的相控線陣，則其遠(yuǎn)場輻射在中方向的分布為： e ，f ) = a 。e x p ( i 顫。棚t ) e x p i ( v 。+ n k 。d s i n ) 】 ( 1 - 3 ) n - - - 0 其中，為陣元數(shù)，d 為陣元間隔，彳n 為第n 個陣元的幅值，c o m 為微波角頻 率，玨皿c 為微波波數(shù)，為第療個陣元輻射的相移， 痧為波束相對線陣法線 方向的方向。由( 1 3 ) 可以看出，相控天線的遠(yuǎn)場輻射波束指向可以由各陣元的 相移控制，比如，若把波束指向咖方向，各陣元的相移滿足下式( 1 4 ) 即可： 緲。= 一n k 。d s i no ( 1 - 4 ) 如果微波中心角頻率t o m 不變對應(yīng)于不變，則對( 2 - 4 ) 兩邊取微分，得到： ：一t a i l 哦f 壘1 ( 1 5 ) 可以看出，如果微波角頻率偏移a c o r , ，則波束指向偏移，換句話說，對于 一個寬帶系統(tǒng)，其各個頻率分量的波束指向會有偏移，這就是所謂的“波束偏斜” 現(xiàn)象【i l 】。 t t d 技術(shù)的出現(xiàn)就是為了在寬帶系統(tǒng)中消除偏斜現(xiàn)象。在光學(xué)t t d 中，若要 波束指向咖，則對第，1 個陣元輻射引入延時“( 咖) t 。( o ) = 比( o ) c = n d s i n o c ( 1 6 ) 因此，對于任意的微波角頻率0 9 m ，第九個陣元輻射的相移為： y 。= - t 。( o ) = 一n d t o 。s i n o o c = 一擰出。s i no ( 1 - 7 ) 注意到屯( o ) 與c o m 無關(guān)，并且通過比較( 1 7 ) 與( 1 4 ) ，可以看出，使用t t d 技術(shù)就可以避免波束偏斜現(xiàn)副1 2 1 。 1 4 國外光纖延遲線的發(fā)展情況 光控相控陣?yán)走_(dá)從上個世紀(jì)9 0 年代以來，得到了廣泛的研究，建立了各種波 段的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，由于受當(dāng)時器件水平和造價等因素的限制，到目前為止，采用完 4 第一章緒論 全的光控技術(shù)的相控陣?yán)走_(dá)實(shí)用系統(tǒng)尚未見正式的報道。但隨著光電子技術(shù)和光 電集成技術(shù)的迅猛發(fā)展，該項(xiàng)技術(shù)進(jìn)入實(shí)際工程應(yīng)用將指日可待。 在國外，從上世紀(jì)8 0 年代開始，便有人提出將光技術(shù)應(yīng)用于相控陣?yán)走_(dá)。上 世紀(jì)9 0 年代以來，光纖技術(shù)的軍事應(yīng)用受到美、歐等國軍方的重視。在美國，三 軍光纖技術(shù)開發(fā)活動由三軍光纖協(xié)調(diào)委員會進(jìn)行組織，2 l 世紀(jì)的今天，美國國防 部已把“光子學(xué)、光電子學(xué) 列為2 0 1 0 年十大國防技術(shù)中的一項(xiàng)，其中光纖技術(shù) 占據(jù)著舉足輕重的地位。 從光纖延遲線的誕生到現(xiàn)在，國外在此方面的研究取得了長足的進(jìn)步，在9 0 年代美國休斯公司用了數(shù)目龐大的器件第一次用實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了用光控延時技術(shù)可以 實(shí)現(xiàn)相控陣?yán)走_(dá)的寬帶寬角掃描，用激光二極管控制光路，如圖1 - 2 】：整個裝置 包含8 根光纖延時線，延時的大小分別為t o + h 0 + 7 t ，這樣就構(gòu)成了一個 3 b i t 的延時結(jié)構(gòu)，延遲線上的激光二極管前都有一個偏執(zhí)開關(guān)，通過它來控制激光 二極管的開啟與關(guān)閉，當(dāng)其中一個激光二極管開啟時，其它的激光二極管都應(yīng)該 是關(guān)閉的，調(diào)制信號獲得一固定的延時，然后這8 根光纖和耦合器相連，通過光電 探測器得到射頻信號的輸出，這一結(jié)構(gòu)能夠在1 1 1 g h z 的微波頻率范圍內(nèi)應(yīng)用。 偏置控制 8 ：1 旱犁 信 出 俱置徑制 圖l - 2 激光二極管控制的光纖延遲線 2 0 0 3 年，韓國s o o n g s i l 大學(xué)采用m e m s 光開關(guān)和光纖完成了最小延遲1 2 p s ， 最大誤差為0 2 p s 的光纖延遲線【1 4 1 ，如圖1 - 3 所示，實(shí)驗(yàn)報道一個單波長2 通道3 b i t 的t 1 d 系統(tǒng)。該系統(tǒng)i 強(qiáng)調(diào)制頻率為x 波段，延時范圍3 6 - - - 4 8 p s ，最小延時1 2 p s ， 最大延時誤差0 2 p s ，對應(yīng)的角度誤差0 8 4 。這種結(jié)構(gòu)的缺點(diǎn)就是m e m s 光開關(guān) 的速度比較慢，選擇速度較快的磁光開關(guān)會是一種更好的方案，但是磁光開關(guān)價 5 電子科技大學(xué)碩士學(xué)位論文 格和體積上要比m e m s 高。 圖1 3 韓國s o o n g i l 提出的基于m e m s 的t t d 示意圖 2 0 0 5 年n i c h o l a si d a d a m o p o u l o s 設(shè)計(jì)了圖卜4 的7 b i t 光波導(dǎo)延遲線【i 引，它采用 了s o a 開關(guān)它的優(yōu)點(diǎn)是控制非常簡單，只需要控制驅(qū)動電流，同時此開關(guān)具有高 消光比與偏振無關(guān)的特性，可以減小串?dāng)_，它的插入損耗也很低，并且具有n s 級的 極快的響應(yīng)速度，并且能對損耗進(jìn)行一定程度的補(bǔ)償。對于光纖長度的控制的精 確性，這里用到了o p t i f l e x 技術(shù)，其精確度可以達(dá)至l j p s 量級。這種結(jié)構(gòu)里面采用的 技術(shù)都已經(jīng)相對比較成熟，因此在一定程度上減少成本【l 引。 廠義 廠- 圖1 - 47 b i t 光波導(dǎo)延遲線 2 0 0 6 年k r z y s z t o fm m a d z i a ra n dj a r o s t a wd a w i d c z y k t 17 1 提出了圖1 5 的結(jié)構(gòu)， 它是采用色散光纖實(shí)現(xiàn)延時的一種結(jié)構(gòu)，由激光器產(chǎn)生的光波通過光電調(diào)制器被 微波信號調(diào)制后，經(jīng)過光分束器后進(jìn)入到不同的光纖，每一路光纖都是由一段高 色散光纖和零色散光纖組成，只是各路中色散光纖和零色散光線的比例不一樣的。 6 第一章緒論 選定中心波長，此后的各路的光纖延時相等，此時天線陣列產(chǎn)生的波平面與陣列 面是垂直的。當(dāng)按照一定規(guī)律改變進(jìn)入延時結(jié)構(gòu)的光載波的波長時，各路光信號 的傳播時間就發(fā)生改變，因此可以得到不同的延時差，從而控制波束的掃描方向， 因?yàn)槠溲舆t時間可以實(shí)現(xiàn)連續(xù)變化，所以其掃描角度也是連續(xù)的。 可調(diào)激 二1 f 巴瞅兀t、 c 光器 1 i n l 二二_ 調(diào)制器l ， 光 j l 分 l 二j 束 器 - - ，- - d p 激波信號輸入，尹* l 、i ，r， l d 圖1 5 色散光纖延遲結(jié)構(gòu) 2 0 0 6 年m a g g i ey i h o n gc h e n 等人在集成光波導(dǎo)上設(shè)計(jì)了一個4 b i t x 4 b i t 的 2 dp a a 光纖延遲結(jié)構(gòu)【1 8 】，如圖1 6 所示：實(shí)現(xiàn)了從0 1 7 5 p s 延遲，延遲步長為 1 1 6 p s ，最大誤差為其延遲值的1 4 ，采用的波導(dǎo)開關(guān)為t i l l 型，開關(guān)時間為2 m s 。 此結(jié)構(gòu)適用于x b a n d 雷達(dá)。 m u x d m u x ：、r a v e l e n g mm u l t i l 。l e xe f ，d e m 、1 t i p i e xe f p t t d ：p i ：o 辱 e m t m a b l at f u e t i m ec t e l j r 圖1 6 基于光波導(dǎo)的2 dp a a 系統(tǒng) 1 5 國內(nèi)光纖延遲線的發(fā)展情況 2 0 0 5 年，哈爾濱工程大學(xué)與中電4 4 所合作，用電光開關(guān)和單模光纖研制的5 位光纖延遲線，最大偏差為8 1 6 p s t l 9 1 。2 0 0 6 年，浙江大學(xué)用磁光開關(guān)和單模光纖 研制成4 b i t 光纖延遲線，它的單態(tài)最大誤差為3 p s 2 0 1 。圖1 7 表示的2 0 0 6 年華東 7 電子科技大學(xué)碩士學(xué)位論文 電子研究所研制的5 位光纖延遲線組件，微波信號通過單刀8 擲r f 開關(guān)，對8 只 激光器之一進(jìn)行調(diào)制，該激光器將微波信號變成光信號，光信號再被耦合進(jìn)入4 x 8 光纖耦合器，經(jīng)耦合器分束后，光信號入射到探測器上，通過單刀4 擲r f 開關(guān)接 通4 個探測器中的一個，就能輸出可選擇3 2 種延遲之一的r f 信號，該系統(tǒng)的最 大延遲誤差為3 0 p s t 2 。2 0 0 8 年上海交通大學(xué)，設(shè)計(jì)的快速程控光纖延遲線，利用 對光纖拉伸的工藝，實(shí)現(xiàn)了最小的延時間隔為l p s ，3 x 3 的光纖延時系統(tǒng)誤差在1 0 以內(nèi)【捌。 1 互匹卜 移萇壩0 器 h 要乎 _ 二卜亙?nèi)找?單 1 要乎 單 刀1 耍巫卜 耍丑一刀 8瑁1 互乎4 擲 h 夏乎 擲 開 亟匭乎1 亙丑一 開 關(guān) 亟互卜 關(guān) 咽弋耍匝卜 1 亞巫 亙口一 書 塑匝卜 出 圖l - 7 五位光纖延遲線 通過上面的介紹可知，國內(nèi)在光纖延遲線方面的研究比國外晚了很多，僅有 國內(nèi)部分研究所，和部分高校進(jìn)行過光纖延遲線的研究。但是這些研究主要集中 在純粹的光開關(guān)和光纖構(gòu)成的延遲線這一方面，并且研究的成果大多體積大、功 耗大、精度低，而基本沒有在集成光波導(dǎo)延遲線或者光纖和波導(dǎo)作為混合延遲線 方面的研究。因此，國內(nèi)在光纖延遲線方面還有很多工作要做，特別是在應(yīng)用領(lǐng) 域急需的高精度、小體積大動態(tài)范圍的光纖延遲線成了目前研究的重點(diǎn)。 1 6 光纖延遲線的發(fā)展趨勢 從近幾年的研究發(fā)現(xiàn)，光纖延遲線的發(fā)展趨勢有以下的幾個特點(diǎn)： ( 1 ) 光實(shí)時延遲線用于相控陣天線的技術(shù)問世已2 0 余年，在這2 0 多年內(nèi)， 新的技術(shù)方案不斷地出現(xiàn)，一方面說明光實(shí)時延遲線的技術(shù)具有十分誘人的特性 8 第一章緒論 和美好的應(yīng)用前景，另一方面也說明了實(shí)時延遲線技術(shù)在處在發(fā)展階段，還有大 量的研發(fā)工作要做。 ( 2 ) 近幾年研究的熱點(diǎn)逐漸轉(zhuǎn)向體積小，重量輕，延遲精度更高的集成光波 導(dǎo)方向，光子晶體光纖在光波導(dǎo)延遲線中的應(yīng)用其報道也很頻繁。 ( 3 ) 2 d 的p a a 系統(tǒng)研究的報道也逐漸增多 ( 4 ) 小延時系統(tǒng)中，連續(xù)延時的丌d 成為研究的熱點(diǎn)。目前已做到百皮秒量 級。 ( 5 ) 依靠器件性能的提高，比如制造開關(guān)速度更快，體積更小的的磁光開關(guān)， 隨著激光技術(shù)的進(jìn)步，采用體積小，功耗低，性能更加優(yōu)良的激光器，如光纖激 光器，以及增加波長可調(diào)激光器的可調(diào)波長數(shù)，縮小波長間隔，增加波長的穩(wěn)定 性等等。 從上面的分析可知，雖然有新的光纖延遲線類型在不斷出現(xiàn)，但是高精度是 其圍繞發(fā)展的核心，所以制作高精度的光纖延遲線對我們來說顯得尤其重要。 1 7 本文主要研究工作 本文研究分析并完成了一種高精度、小體積、高速的光纖延遲線的研制。主 要包括高精度光纖延遲線的設(shè)計(jì)與仿真，高精度光纖延遲線測量方法的研究，高 精度光纖延遲線連接技術(shù)的研究，如何實(shí)現(xiàn)小體積和高速的要求，光收發(fā)模塊的 理論研究，最后通過實(shí)驗(yàn)完成了5 b i t 高精度光纖延遲線的研制。 首先，文章了介紹了光纖延遲線的應(yīng)用背景及國內(nèi)外的發(fā)展情況，介紹了光 纖延遲的工作原理，對光纖延遲線進(jìn)行了分類，分析了光纖延遲線的發(fā)展趨勢。 然后，分析了光開關(guān)存在狀態(tài)差并且會對光纖延遲線的精度產(chǎn)生影響，發(fā)現(xiàn) 不同的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)對于光纖延遲線精度的影響是不同的，所以在m a t l a b 環(huán)境下， 建立了光開關(guān)的模型，可以對任意結(jié)構(gòu)的光開關(guān)和任意b i t 的光纖延遲線進(jìn)行結(jié) 構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，對5 b i t 光纖延遲線的仿真，結(jié)果證明優(yōu)化后的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)能夠很大的 提高光纖延遲線的精度。 接下來，為了完成高精度、小體積、高速的光纖延遲線實(shí)物的研制，對各種 光開關(guān)進(jìn)行了比較，選擇了速度快、體積小的磁光開關(guān)。在測量方法的分析后， 9 電子科技大學(xué)碩士學(xué)位論文 選擇了矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀中的群延時法來對光纖延遲線進(jìn)行高精度測量。在高精度 光纖延遲線連接技術(shù)上，選用了穩(wěn)定可靠，并且損耗小的固定熔接法，采用工裝 夾具和光纖熔接機(jī)對其進(jìn)行高精度的切割和熔接。 然后，為了得到完全透明的信號傳輸，對光纖延遲線的收發(fā)模塊進(jìn)行了理論 分析。 最后，完成了由磁光開關(guān)和單模光纖構(gòu)成的5 b i t 光纖延遲線模塊，實(shí)驗(yàn)測 試結(jié)果表明，模塊的體積小，速度快，精度高，損耗小且一致性好。 1 0 第二章光纖延遲線的原理 第二章光纖延遲線的原理 2 1 光纖延遲線的分類 自1 9 8 4 年e g s h e e h a n 等提出在相控陣天線上使用光延遲線控制波束指向【2 3 】 以來，出現(xiàn)很多種光延遲方法的提出。從光載波角度出發(fā)，這些方法主要可以分 為兩類，第一類是離散型，即通過控制光信號經(jīng)歷不同的光程，得到不同的延遲。 第二種為連續(xù)型，即利用不同頻率的光在高色散光學(xué)元件中經(jīng)歷不同的光程特性， 從而產(chǎn)生不同的延遲【2 4 】。 2 1 1離散型 這一類光纖延遲線主要是通過改變物理長度來實(shí)現(xiàn)延遲的不同的光的延遲， 也是最早用來實(shí)現(xiàn)光延遲的類型。這種類型的光纖一般的結(jié)構(gòu)如圖2 1 所示，激光 器發(fā)出固定波長的光信號，通過光路控制器通過不同的光路，由于不同光路間的 光纖長度是不同的，所以最后就得到了不同的延遲時間，最早的光路控制器是由 光電二極管構(gòu)成。 l 1 光 ( ) l 2 光 路路 格 l 3 控j l 制制 器 l 4 器 圖2 - 1 離散型光纖延遲線結(jié)構(gòu) 隨著光學(xué)技術(shù)的發(fā)展，各種結(jié)構(gòu)和類型的光開關(guān)的出現(xiàn)就隨之取代了上面激 光二極管的作用，由于光開關(guān)加上光纖延遲線結(jié)構(gòu)緊湊，系統(tǒng)穩(wěn)定，構(gòu)成簡單成 了現(xiàn)階段使用最多的光纖延遲結(jié)構(gòu)。1 9 9 6 年美國空軍r o m e 試驗(yàn)室做出5 b i t 的 延遲線【2 5 1 ，并應(yīng)用在l 波段的雷達(dá)上，在掃描角為- - + 6 0 。時，雷達(dá)實(shí)現(xiàn)了7 0 0 m h z 的瞬時帶寬。 電子科技大學(xué)碩士學(xué)位論文 2 1 2 連續(xù)型 它是利用不同頻率的光在光學(xué)元件中經(jīng)歷不同的光程的特性，產(chǎn)生不同的延 時。下面的兩種類型為其中的代表。 啁啾光纖光柵型 1 9 9 7 年j l c o r r a l ，等人提出用啁啾光纖光柵作為光延遲結(jié)構(gòu)【2 6 1 ，如圖2 2 ， 可調(diào)諧激光器發(fā)出波長為 ，五，五。 的波長的激光，根據(jù)啁啾光柵的原理和功能， 不同波長的光波分別在啁啾光纖光柵不同的位置點(diǎn)反射回來。因此，波長不同的 光波就具有了不同的延時，改變多波長激光器的波長就可得到所需延時，并可實(shí) 現(xiàn)連續(xù)調(diào)諧。它的優(yōu)點(diǎn)是由于光柵的高色散系數(shù)特性，對于系統(tǒng)中由色散引起的 光脈沖的展寬有一定的補(bǔ)償作用。缺點(diǎn)同樣也是由光柵的特性帶來的，由于信號 在光纖光柵中反射的位置呈線性關(guān)系，間隔不大，所以實(shí)現(xiàn)的可變延時范圍較小。 在已有的報道中，此系統(tǒng)能達(dá)到的精度為5 p s 左右。 圖2 - 2 啁啾光纖光柵延遲結(jié)構(gòu) 色散光纖型 另一種被廣泛研究的可得到連續(xù)延遲的光纖延遲線為色散光纖型，如圖2 3 所示它主要由可調(diào)激光器和色散光纖構(gòu)成，其延時變化為公式( 2 1 ) a t = d a 2 a l( 2 1 ) 其中d 為色散光纖的色散系數(shù)，l 為相鄰兩段色散光纖的長度差，入為 和中心波長的光譜間隔。通過改變可調(diào)激光器的波長，由公式( 2 - 1 ) 可知經(jīng)過各 個光路的延時會發(fā)生變化，變化的大小和波長變化的大小以及色散光纖的色散值 相關(guān)，一般的商用色散光纖在1 5 5 0 n m 處的色散為- - 9 8 p s n m k m ，而高色散光子晶 1 2 第二章光纖延遲線的原理 體光纖( h d p c f ) 在1 5 5 0 n m 處的色散為6 0 0 p s n m 虹，它在t r d 中的應(yīng)用【2 7 】使 得光纖需要的光纖長度更短，延遲時間更長，使得系統(tǒng)重量變輕，體積減少，結(jié) 構(gòu)更加緊湊。 1 l 1 i 1 0l 2i n l l 可調(diào)激光器卜一光 l 3l 分 l 束 l 4f 器 色散光纖j 圖2 - 3 色散光纖型 其他類型 用于光纖延遲線還有其它類型【2 8 】【2 9 】【3 0 】【3 1 】【3 2 】【3 3 3 4 1 ，例如m s r a s r a s 等人【3 5 】 報道采用四級環(huán)形諧振腔級聯(lián)實(shí)現(xiàn)了0 - - 一3 2 0p s 的連續(xù)可變時延，最大時延相當(dāng)于 長6 5 6 c r n 、有效折射率1 4 6 的波導(dǎo)產(chǎn)生的時延。平面波導(dǎo)環(huán)形諧振腔的優(yōu)點(diǎn)在 于采用平面波導(dǎo)技術(shù)，易于與其它器件實(shí)現(xiàn)集成。如圖2 - 4 所示。 相移器 2 1 3 集成光波導(dǎo)型 圖2 4 級聯(lián)環(huán)形諧振腔構(gòu)成的光延遲結(jié)構(gòu) 隨著雷達(dá)工作頻率的增加，所需要的延時步長越來越小，因?yàn)楣饫w的切割的 精度有限，隨著集成光學(xué)的不斷發(fā)展，集成光波導(dǎo)除了以上光纖所具備的一切優(yōu) 點(diǎn)之外，它還能使重量更輕、體積更小、延時精度更高( p s 量級) ，光波導(dǎo)的延遲 精度是由制作工藝決定的，可以達(dá)到p s 量級，制作光波導(dǎo)延遲線的材料有g(shù) a a s ，s i 1 3 電子科技大學(xué)碩士學(xué)位論文 和有機(jī)聚合物【3 6 】【3 7 】【3 8 】等。集成光波導(dǎo)主要在于光波導(dǎo)開關(guān)和波導(dǎo)延遲線的設(shè) 計(jì)。 2 0 0 4 2 0 0 5 年，美國o m e g ao p t i c s 公司和德克薩斯大學(xué)a u s t i n 分校共同提出 一種基于熱光效應(yīng)開關(guān)的聚合物o t t d 方案【3 9 1 。其結(jié)構(gòu)示意圖如圖2 5 所示。它 描述的是單片波導(dǎo)上集成t i r 波導(dǎo)光開關(guān)和二進(jìn)制設(shè)置的波導(dǎo)延時線。據(jù)報道實(shí) 驗(yàn)結(jié)果是一個2 b i t 的波導(dǎo)光開光和波導(dǎo)延時線組合，光開光的驅(qū)動功率為1 3 0 r o w ， 開光速率為4 m s 。可提供的延時值為0 ，3 7 8 ，1 6 0 4 和1 9 9 2 p s 這種結(jié)構(gòu)在光波導(dǎo) 延遲線上采用了1 8 0 度彎曲的技術(shù)，由于彎曲半徑小于一定的值時，彎曲損耗就 會以指數(shù)增長，彎曲半徑的數(shù)值是個關(guān)鍵參數(shù)，采用b e a m p r o p 軟件技術(shù)可以對其 進(jìn)行模擬仿真得到所需要的彎曲半徑，然后再在其左右根據(jù)實(shí)際測量的情況來選 取最合適的值。系統(tǒng)的損耗值由光波導(dǎo)的彎曲損耗，光波導(dǎo)和光開關(guān)的耦合損耗 以及路徑損耗構(gòu)成，開關(guān)在n o n s w i t c h i n gs t a t e 的損耗為1 5 d b ，在s w i t c h i n gs t a t e 時 為2 0 d b 。采用此結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)在波長1 5 5 0 n m 時總的損耗為0 9 d b c r n 。該系統(tǒng)適用 于x q ( 8 5 0 g h z ) 的頻段的雷達(dá)。 圖2 - 5 熱光開關(guān)聚合物o t t d 2 0 0 4 年，他們發(fā)表了一種基于摻廚聚合物波導(dǎo)( e a p w ) 的行波放大，用于補(bǔ) 償功率損耗的結(jié)構(gòu)【刪( 如圖2 6 所示) 。實(shí)驗(yàn)裝置泵浦波長為9 7 4 n m ，波導(dǎo)中傳播的 信號波長為1 5 5 0 n m ，泵浦能量為7 5 m w ，在2 c m 的長度上可獲得0 5 d b 的增益。 1 4 第二章光纖延遲線的原理 ( b ) 圖2 - 6 ( a ) 多個級聯(lián)結(jié)構(gòu)示意圖；( b ) 基于e a p w 的行波放大結(jié)構(gòu)示意圖 2 1 4 2 d 光纖延遲結(jié)構(gòu) 近年來的另外的一個研究熱點(diǎn)就是p a a 的2 d 掃描中光纖延遲結(jié)構(gòu)的研究。 2 0 0 7 年b y u n g - m i nj u n g 等人設(shè)計(jì)了一種基于m e m s 光開關(guān)的2 d 光控相控陣?yán)?達(dá)系統(tǒng)【4 1 1 ，如圖2 7 所示，它由一個多波長光源，若干2 x 2 m e m s 光開關(guān)構(gòu)成， 在1 0 g h z 的頻段上搭建了一個2 b i tx 4 b i t 的光纖延遲結(jié)構(gòu)，在x 方向上的延遲步 長為1 2 p s ，在y 方向上的延遲步長為6 p s ，延遲誤差為2 8 p s 。 圖2 7 基于m e m s 的2 dp a a 系統(tǒng) 上面介紹的是幾類延遲方法中比較典型的結(jié)構(gòu)，下面的表2 1 對其優(yōu)缺點(diǎn)作了 比較。從表2 1 可知，上面幾種類型的光纖延遲線各有其優(yōu)缺點(diǎn)，從實(shí)用話角度來 看，連續(xù)型光纖延遲線對器件和環(huán)境的要求很高，并且延遲范圍小，而光波導(dǎo)延 1 5 電子科技大學(xué)碩士學(xué)位論文 遲線雖然體積小，但是它的損耗限制了它的實(shí)用話，所以目前研究實(shí)用性最高的 高精度離散型光纖延遲線對我國應(yīng)用領(lǐng)域技術(shù)的發(fā)展顯得相當(dāng)重要。 表2 1 延遲種類的優(yōu)缺點(diǎn)比較 類型優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn) 結(jié)構(gòu)簡單，延遲范圍單位延遲值比較大，b i t 數(shù) 離散型 和延遲值可以做到很大越大其損耗也會隨之增大，掃描 的角度是離散的值 單位延遲值比較小，對光源的依賴性比較大，性 連續(xù)型 可以實(shí)現(xiàn)連續(xù)的掃描能的穩(wěn)定性取決于光源可調(diào)激 光器的波長穩(wěn)定性，延遲范圍不 大 集成光波導(dǎo)型體積小，重量輕，延其性能主要依賴于光波導(dǎo) 遲精度比較高的制造工藝，損耗大。 2 d 掃描型可以實(shí)現(xiàn)2 d 范圍內(nèi)結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，成本也隨之 的掃描增大，2 維掃描時間一致性不是 很好 2 2 本章小結(jié) 根據(jù)光纖延遲線延遲方式的不同，對光纖延遲線種類進(jìn)行了劃分，介紹它們 的延時原理，分析和比較了它們的優(yōu)缺點(diǎn)和實(shí)用性，為后面選擇實(shí)用性最高的高 精度離散型光纖延遲線奠定基礎(chǔ)。 1 6 第三章高精度光纖延遲線的設(shè)計(jì)與仿真 第三章高精度光纖延遲線的設(shè)計(jì)與仿真 3 1 光開關(guān)狀態(tài)誤差的分析 從圖3 - 1 中可以看出2 x 2 光開關(guān)有直通和交叉2 種狀態(tài)，在直通狀態(tài)中有k 川 和k 絲兩個通道，在交叉狀態(tài)中有。：和k ：兩個通道，其中o 。中下標(biāo)b a r 表 示光開關(guān)的直通狀態(tài)，而1 l 表示從進(jìn)端口1 輸入信號，從出端口l 輸出信號，而 k 表示在光開關(guān)的直通狀態(tài)下，光從進(jìn)端口l 到出端口1 所需要的時間，o ：表 示光從進(jìn)端口2 到出端口2 所需要的時間，同理，o 礎(chǔ)表示在光開關(guān)的交叉狀態(tài) 下，光從進(jìn)端口l 到出端口2 所需要的時間，k m 表示在光開關(guān)的交叉狀態(tài)下， 光從進(jìn)端口2 到出端口1 所需要的時間。通過控制光開關(guān)的直通和交叉狀態(tài)，可 以得到4 個延遲時間，設(shè)t 1 ，t 2 和t 3 分別對應(yīng)于“1 ，“2 ”和“3 相對 于“o ”延時路徑的理論延時值啪1 。 “o ”態(tài)延遲光路“l(fā) ”態(tài)延遲光路 “2 ”態(tài)延遲光路“3 ”態(tài)延遲光路 圖3 12 - b 1 t 光纖延遲線的4 種狀態(tài) 在理想的情況下，假設(shè)光通過光