一种提高6-Bit可变光纤延迟线精度技术的研究

　　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。