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北京錦坤科技有限公司

1.3本論文主要研究內容

本論文的主要研究內容為光纖延遲線環境適應性及精度研究。主要包括研制高精度5-bit 光纖延遲線、光纖延遲線溫度適應性研究和光纖延遲線輻照適應性研究。
*章為緒論。主要介紹光纖延遲線、課題背景及研究意義、國內外光纖延遲線研究及應用動態和空間環境特定及航天器受到的影響。第二章為高精度光纖延遲線研制。搭建了高精度光纖延遲線實驗平臺；分析光開關的狀態誤差；設計光纖延遲線的拓撲結構并優化；選擇*拓撲結構研制5-bit 光纖延遲線。

第三章為光纖延遲線溫度適應性理論分析。分析光纖延遲-溫度特性；從三個方面因素分析磁光開關的損耗-溫度特性。結合光纖和磁光開關分析5-bit 光纖延遲線的溫度特性。第四章為光纖延遲線輻照適應性理論分析。分析空間環境中光學材料的輻照效應、色心形成和延遲線輻照表現；分析硅材料的色心動力學模型；分析光纖的輻照特性；結合光纖和色心動力學分析5-bit光纖延遲線的輻照特性。
第五章為光纖延遲線環境適應性實驗研究。搭建溫度和輻照測試方案，對光纖、磁光開關、5-bit 光纖延遲線、光纖分路器和波分復用器進行溫度和輻照測試。

第二章高精度光纖延遲線研制

基于課題的需要，本章將主要研制一條5-bit 光纖延遲線，延遲步進為10ps，延遲范圍為0~310ps。

2.1 高精度光纖延遲線實驗平臺搭建
光纖延遲線研制過程中，光纖延遲時間的測量對光纖延遲線精度有著至關重要的作用，目前工程上現有的延遲測量技術有：光頻域反射法、光時域反射法、光學干涉法、基于矢量網絡分析儀的群時延法和相位法。光頻域發射法的測量精度比較高，能達到皮秒級，但是技術不成熟，商業化產品較少。光時域反射法在光纖通信工程領域應用廣泛，而且使用方法簡單，但是測量精度太差，zui高
只能達到納秒級。光學干涉法測量精度高，但是平臺搭建困難，使用復雜，無法測量較長的光纖延遲。基于矢網的群時延法和相位法是目前光纖延遲線時間延遲的主流技術，群時延法測量延遲時延遲讀數穩定性較好，但精度要低于相位法測量。

綜合以上的幾種延遲測量方法，基于矢量網絡分析儀的相位法延遲測量具有測量精度、測量平臺搭建簡單等特點。以下將介紹基于該種時間延遲測量方法的平臺搭建。

矢量網絡分析儀一般都是應用在電信號的測量，如果將其用于光信號的測量，就必須要實現光信號與電信號的相互切換，如圖2-1 所示。矢量網絡分析儀的PORT1 端口發射出微波電信號，經過電光調制器后，調制器將電信號加載到可調諧光源發出的光信號上，完成了由電信號到光信號的切換。光載波在待測延遲線中傳輸后到達光接收模塊，模塊中的光電探測器將光載波信號還原成電信號，完成了由光信號到電信號的切換。電信號由PORT2 端口進入矢量網絡分析儀，矢網對此電信號進行分析和計算。基于實驗室現有的條件，測量所選的儀器為：40G光強度調制器、40G 矢量網絡分析儀（Anritsu 37369D）、40G 光接收模塊和可調諧光源。

基于矢網的相位法時間延遲測量的原理：在歸“0”化校準的矢網分析儀測量回路中，插入一個電長度為L 的器件，其在測量回路中引起的相位變化為

(2-1)

上式中，λ為信號波長（λ＝c/f，c 為光速，f 為測量頻率).矢量網絡分析儀的相位顯示范圍為?-180度～+180度，在測量時，如果矢網顯示的值是N°，那么其相位值可能為360°×n+N°（n 為整數），對此，可以通過一個偏置補償的方式找出這個n 值求得相位。由公式(2-1)可知：

    (2-2)

式(2-2)中，t 為引入電長度為L 的時間延遲，如果在公式(2-2)中加入一個常數L’，使得(L’-L)/c=0，那么L 的值就可以由L’直接給出。在基于矢網測量中，可以通過矢網中給測量回路引入L’，通過嘗試改變L’的數值直到矢網上的相位差值此時，L的數值就可以由矢網中引入的 L’直接讀出。如圖2-2 所示為高精度延遲測量平臺實物圖，40GHz 的矢量網絡分析儀所選用的相位誤差一般為?0.5°，則對應的長度測量誤差為±0.01mm，時間測量誤差為0.05ps，滿足延遲線研制的需要。

基于高精度延遲測量平臺下，測試實驗室光纖切割精度和整個研制平臺延遲誤差容量。光纖切割上，采用千分尺作為測量手段，理論誤差為0~0.01mm，精度0~0.05ps。現基于此種研制平臺下，測試平臺的單點光纖延遲研制精度，如表2-1所示，單點延遲為40ps、50ps 的光纖的實際研制測量延遲值。由表2-1 的數據可知，基于此種方式搭建的光纖延遲線研制平臺，研制出單點延遲光纖的延遲精度為±0.1ps。

2.2 光開關選擇與狀態誤差分析
2.2.1 光開關選擇
目前研究的bit 光纖延遲線都是基于光開關和光纖的級聯，本節器件的選擇也就針對光開關的選擇和光纖的選擇。光開關是一種具有一個或多個可選擇的傳輸窗口，可對光傳輸線路或集成光路中的光信號進行相互或邏輯操作的器件[23]，如圖 2-3所示是1×2和2×2的光開關切換光路示意圖。2×2光開關有兩種切換方式：由 INT 1 切換到 OUT 1或由 INT 2切換到OUT 2 的方式稱為直通（bar）；由INT 1 切換到OUT 2 或INT 2 切換到OUT 1 的方式稱為交叉(cross)。1×2光開關只有交叉一種切換方式。

通過對光開關兩種方式的切換，可實現光信號的不同路徑傳輸，所以在bit 光纖延遲線研制中，光開關是重要的光學器件。目前光開關的種類很多，有以下幾種類型[24]：機械光開關、波導光開關、電
光空間光開關、磁光開關、聲光開關和MEMS光開關等。機械光開關是利用機械的位移實現光路的切換。波導光開關是利用相鄰波導之間的相互耦合的物理現象，通過施加一定的電壓，改變波導之間的耦合系數，實現光信號在光波導之間的切換。電光空間開關是是利用電光晶體的電光效應改變光路，實現對光路的切換。磁光開關是利用磁光晶體的旋光效應改變光路實現光開關的功能。聲光開關是利
用聲波作用在晶體上改變不同光路的屬性，實現對光路的切換。MEMS 光開關是利用微機電制成的機械式微型光開關，在電信號的作用下實現微型光學反射鏡的反轉或位移，從而改變光路的屬性，實現開關功能。表2-2 所示為幾種光開關性能的對比情況。

基于課題的需要，在選擇光開關時主要從以下的幾個重要特點考慮：快速的切換速度、小體積和低損耗。在切換速度方面，半導體開關和電光開關的切換速度比較快，但是電光開關的插損和體積都比較大，半導體開關功耗大易發熱，都不適合課題的要求。MENS 開關雖然體積和插損不是很大，但是切換速度不能滿足課題的要求。磁光開關的開關速度為μs 級，體積很小，而且插損也不是很大。綜合各個光開關的特點和課題的需要，選擇磁光開關作為延遲線所需光開關，光纖為普通的單模光纖G.652 和G.657。

2.2.2 光開關狀態誤差分析
光信號在光開關中傳輸肯定會有時間延遲，這種時間延遲會不會對設計出來的光纖延遲線有影響，下面做討論。2×2光開關有兩種切換方式：直通和交叉。現在假設光開關直通狀態下，光開關由INT1 切換到OUT 1 時，光信號在光開關中的傳輸時間為△τbar11；光開關由INT2切換到OUT2時，光信號在光開關中的傳輸時間為△τbar22。光開關在交叉狀態時，光開關由INT1切換到OUT2時，光信號在光開關中的傳輸時間為△τcross12；光開關由INT 2切換到OUT 1時，光信號在光開關中的傳輸時間為△τcross21。

為了方便討論，假設一個簡單的 2-bit延遲線，延遲步進為△τ，延遲時間分別為 0、△τ、2△τ和3△τ ，對應的延遲狀態為 00、01、10 和 11。
如圖2-4 所示為2-bit 延遲線各狀態對應光路圖，光開關1 和光開關2 的綜合尾纖為1 L ，光開關2 和光開光3 的綜合尾纖為2 L。由此光路可以得到2-bit光纖延遲線各狀總的理論延遲時間：狀態“00”時：

（2-3）

狀態“01”時：

將狀態“00”的延遲作歸“0”處理，可得延遲線相對延遲值，如表2-3 所示。

               2-4 2-bit 光纖延遲線各狀態對應光路圖

做一個理想的假設：假設光開關切換不同通道時，其通道延遲時間相等，即

將(2-7)代入到表 2-3 中，發現延遲線4種狀態的理論相對延遲值分別為0、△τ、2△τ和3△τ ，誤差為零。由此可見，當光開關內各切換通道延遲時間相等時，光開關的通道延遲時間對BIT 延遲線的延遲精度無影響。光開關內部通道延遲時間的大小和延遲一致性，取決于光開光提供商的研制技術和開關內部光路特點。在現有的測量技術下，很難測量出光開關各通道的延遲時間，但是可以通過測量來驗證所選用的光開關的通道延遲是否一致。

測量光開光通道延遲一致性時，測量的數據會引入兩部分延遲，一部分為光開光的通道延遲，另一部分為光開關尾纖延遲。設2×2 光開關四個端口對應的尾纖分別為：Lin1、Lin2、Lout1和Lout2。測得光開關尾纖延遲與光開關4 種狀態下的通道延遲之和分別為t11 、t22 、t12 和t21。

由式(2-12)可知，所選用的磁光開關內部通道延遲不一致。根據表2-3 的延遲誤差，當光開光的通道里的誤差不一致時，將直接影響到bit 光纖延遲線的延遲精度。

待續！