卿 翔, 陈福深, 杨拥军
（电子科技大学 宽带光纤传输与通信网技术教育部重点实验室，四川 成都610054）
【摘要】介绍了光纤延迟线的优点和发展现状，对光纤延迟线做了原理分析，并且对4个4×4光开关和光纤构成的6位可变光纤延迟线做了模型建立和仿真计算。结果表明，通过合理控制16个光开关阵列中信号延时路径未经过的8个光开关，使串扰信号不经过主信道，直接输出到未使用的输出端口的方法，可以达到有效提高可变光纤延迟线延时精度的目的。
关 键 词 光纤延迟线; 串扰; 消光比; 光开关
Study of an Improvement on 6-Bit Variable Optical Fiber Delay Lines Precision
Qing Xiang Chen Fushen Yang Yongjun
(Key Laboratory of Broadband Optical Fiber Transmission and Communication Networks, UEST of China Chengdu 610054)
Abstract The advantage of optical delay line is introduced at the beginning, then, the principle of optical delay line is analyzed. The simulated model based on the 6-Bit variable optical fiber delay lines composed of four 4×4 switches is calculated. The results indicate extinction ratios and precision of time delay unit are effectively increased by configuring eight switches not required for the main path to route crosstalk light to the unused ports at the output.
Key words optical fiber delay lines; crosstalk; extinction ratio; optical switch
1 引言
当今，延迟线已经广泛应用于信号处理、雷达和电子对抗等领域，比如，信号处理需要的单元延迟设备就是一种存储器，动目标显示(MIT)中必须有延迟线——又一种存储器，电子对抗中需要把信号存储一定时间再进行处理，如把接受对方的雷达信号延迟一定的时间再发出去，就完成了欺骗式干扰。在我们最关心的通信和军事应用方面，传统的金属波导和同轴电缆由于在体积、重量、抗电磁干扰能力、串扰及损耗等方面有许多不足，已经无法满足实际应用的需要，而以光纤作为传输介质具有质量轻、物理尺寸小、机械灵活性好、抗电磁干扰(EMI)和电磁脉冲干扰(EMP)能力强且几乎没有损耗等固有的优点，因此以光纤和波导构成的光纤延迟线在雷达和电子对抗中，就拥有了更广泛的应用前景[1]。而在延迟线的实际应用当中，常常根据情况的不同，对信号有不同的延时时间长短的需求。这样，单一、固定的延迟线就不能满足这种要求。基于此，可以使用光开关来选择延时光纤的长短的方法来得到可变的光纤延迟线。
2 光纤延迟线的原理
图1为光纤延迟线单元示意图。射频电信号输入激光二极管(LD)，LD将输入射频电信号变换成该信号调制的光信号，通过光接头耦合进光纤。光电检测器(PD)将射频调制的光信号再变换为原来的射频电信号。输出的射频电信号的频谱完全和输入射频电信号的频谱相同，只是用光纤作为介质延迟了一段时间，也就是说，射频信号瞬时存储在光纤延迟线单元中，存储的时间的长短与光纤的长度成正比，这就是光纤延迟线的原理。
当光波在光纤中以速度v传播的时候，延时的长短正比于光纤的长度L，那么特定长度L的光纤产生的时延可以表示为：
上式中， n为波长为 λ的光波在光纤中的折射率，c为光波在自由空间中的传播速度。由△t的表达式，我们可以看出，延时时间的长短是与光纤长度L成正比例的，只要能改变光纤的长度，或者通过光波导开关选择不同长度的光纤，就能实现不同的延时时间[2]。
3 6位可变双向延时单元设计
本文仿真计算的6位光波导延时单元，由控制LiNbO3衬底上的波导定向耦合器开关状态来选择不同的延时路径，从而构成一种6位0~63τ共64种不同时延的可变双向延时单元。 系统如图2所示，延时单元由两块LiNbO3衬底构成，每块衬底上分别有两个4×4定向耦合器光开关，每一个定向耦合器由一个偏置电极和一个开关电极控制，通过对开关电极电压的控制来达到开关“开”或“关”的目的。
该系统工作在1.3微米波长，并且采用TM保偏光纤将4×4光开关连接起来，光纤长度精确地切割成能产生τ=240 ps延时光纤长度的整数倍，光纤长度误差控制在理论值±0.8 mm以内，在将光纤和衬底上开关波导耦合以前，先测量其消光比和长度。实现0~63τ中任何一种延时，光信号都只能经过唯一可选择的路径，该路径需要对16个定向耦合器光开关中的8个进行“开”或“关”的配置，以实现所需求的延时[3～7]。延时路径、光纤长度与理论延时三者之间对应关系如表1所示。
光信号在6位延时单元中传输时，每个定向耦合器开关产生的串扰在该延时单元中会继续传输，有可能在后面的开关中又耦合到主信道中来，而这些串扰信号经过了一系列不同的波导或光纤，因此会产生不同的时延，这样就会引起延时单元输出端消光比的降低；同时，具有不同延时的串扰信号耦合到主信道中，也会在时域上使主信号脉冲展宽，脉冲顶点发生偏移，从而降低延时的精度。我们可以通过对光信号未经过的8个剩下的光开关进行“开”或“关”的选择，来使串扰信号不经过主信道，从其他路径输出到剩下的没有使用的输出端口，这样就可以有效地增加的消光比，并且提高延迟单元延时的精度。
4 系统仿真与结果分析
该6位可变光纤延迟线采用Virtual Photonics公司的光子传输组件(Photonic Transmission Design Suite, PTDS)进行仿真计算，仿真模型如图3所示。
在本仿真系统中，采用1.3 µm波长，能量为1mW连续波激光器作为光源，高速M-Z铌酸锂调制器，10 GHz高斯脉冲信号作为调制信号，经过6位延时单元，最后将输出信号分别进行频域和时域分析。我们选择经过“0”延时路径的光信号从延时单元输入到输出端之间的时间差作为我们的参考值，如图4中A所示。后面所有的延时τ～63τ都是相对于该“0”延时路径的相对时延，图4中B分别是相对于“0”延时路径经过8τ、16τ和48τ延时后得到的仿真图形。
从仿真图形和参数中也可以计算出，延迟单元的平均插入损耗为-19.9 dB，其主要是由定向耦合器光开关的损耗和波导与光纤的耦合损耗引起。延迟单元的仿真值与期望的理论值之间平均延时误差为12.8 ps，延时误差主要由光纤长度的切割精度、定向耦合器光开关的两臂不等长和串扰信号的反馈耦合引起。延时光纤长度的切割精度和定向耦合器开关两臂的不等长与器件制作的工艺有关，而我们可以采用控制未经过光信号的8个光开关的“开”、“关”状态，使串扰信号输出到未使用的输出端口的方法，来降低串扰信号对主信号的影响。
通过对主信号未经过的8个光开关的状态进行多次组合，得到多组不同的仿真结果，我们可以从结果中看到在主信号经过的路径中离信号的输出端口越近的光开关产生的串扰，对主信号的延时精度影响最大，因此在采用该方法的时候，我们遵循优先使离输出端口越近的光开关产生的串扰输出到未使用端口的原则，即当前面和后面的光开关产生的串扰输出到未使用的端口路径出现冲突的时候，我们优先保证使后面的串扰信号不经过主信道，输出到未使用的端口（如表2，分别列出了在实现0τ、8τ、16τ和48τ延时的情况下，光开关对主信号和串扰信号的路径选择）。
图5是光信号经过8τ延时路径，没有采用控制串扰信号输出到未使用的输出端口的方法和采用该种方法后得到的两组具有不同延时的曲线，从图上我们可以看到，经过8τ延时路径的期望延时是1920 ps，改进后的延时值与期望延时之间的误差是6.1 ps，而初始延时与期望延时的误差是14.3 ps。因此，综合τ～63τ共64种延时的数据，可以得出采用控制未经过光信号的8个光开关的“开”、“关”状态，使串扰信号输出到未使用的输出端口的方法，减小了串扰信号在时域上对主信号脉冲展宽，顶点发生偏移的影响，平均延时误差从原来的12.8 ps下降到了7.9 ps，，从而有效地提高了延时的精度。
5 结束语
本文在介绍了光纤延迟线原理和光纤延迟线相对与传统的电延迟线具有质量轻、物理尺寸小、机械灵活性好、抗电磁干扰和电磁脉冲干扰能力强且几乎没有损耗等优点的基础上，对4个4×4光开关构成的6位光纤延迟线进行了理论分析和系统仿真，得出了如下几点结论：
1) 本文仿真的6位光纤延迟线，可以通过对延迟单元中定向耦合器光开关的控制，选择不同的延时路径，具备了0～63τ共64种双向可变延时的功能。
2) 提出通过控制16个光开关中未经过光信号的8个光开关，使串扰信号不经过主信道，直接输出到未使用的输出端口的方法，达到了增加延时精度的目的，平均延时误差从12.8 ps下降为7.9 ps。
3) 仿真结果与理论分析值吻合较好，得到了此种6位光纤延迟线几样主要的参数，为将来进一步做实验性器件提供了充分的理论基础。
参考文献
[1] 潘仲琦, 张汉一, 郭奕理等. 光波技术在天线雷达领域的应用[J]. 激光与红外, 1997, 27(4): 200-204.
[2] Gerd Keiser著. 光纤通信(第三版)[M]. 李玉权, 崔敏, 蒲涛等译. 北京：电子工业出版社, 2002.
[3] E. Ackerman, S. Wanuga, D. Kasemset, W. Minfor, N.Thorsten, and J. Watson. Integrated 6-Bit photonic true-time-delay unit for lightweight 3-6 GHz radar beamformer [J]. IEEE MTT-S Dig, 1992: 681-684.
[4] Christian Schaffer. Influence of Crosstalk in Switchable Optical Time-Delay Networks for Microwave Array Antennas [J]. IEEE transactions on microwave theory and techniques, 1997, 45(8): 1519-1521.
[5] P. J. Legg, D. K. Hunter, I. Andonovic and P. E. Barnsley. Inter-channel crosstalk phenomena in optical time division multiplexed switching networks [J]. IEEE Photon Technology Letters, 1994, 5(6): 661-663.
[6] Borja Vidal, Daniel Madrid, Juan Luis Corral, Valentin Polo, Alejandro Martinez, Jan Hendrik den Besten, Francisco Soares, Javier Marti, Meint K. Smit. Photonic True-Time Delay Beamformer for Broadband Wireless Access Networks at 40GHz Band [J]. IEEE MTT-S Digest, 2002: 1949-1952.
[7] Kohji HORIKAWA, Ikuo Ogawa, Hiroyo OGAWA, and Tsutomu KITOH. Photonics Switched True Time Delay Beam Forming Network Integrated on Silica Waveguide Circuits [J]. IEEE MTT-S Digest, 1995: 65-68.
基金项目：国防科技重点实验室基金项目（编号：51437040105DZ02）
作者简介：
卿 翔（1980－），男，四川德阳人，2002年毕业于电子科技大学光电信息学院，获工学学士学位，现为成都电子科技大学通信与工程学院光学工程专业硕士研究生，研究方向为集成光学器件和光纤通信技术。
