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北京錦坤科技有限公司

1.3本論文主要研究內(nèi)容

本論文的主要研究內(nèi)容為光纖延遲線環(huán)境適應(yīng)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(yīng)性研究和光纖延遲線輻照適應(yīng)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(nèi)外光纖延遲線研究及應(yīng)用動態(tài)和空間環(huán)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(guān)的狀態(tài)誤差；設(shè)計光纖延遲線的拓撲結(jié)構(gòu)并優(yōu)化；選擇*拓撲結(jié)構(gòu)研制5-bit 光纖延遲線。

第三章為光纖延遲線溫度適應(yīng)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(guān)的損耗-溫度特性。結(jié)合光纖和磁光開關(guān)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(yīng)性理論分析。分析空間環(huán)境中光學(xué)材料的輻照效應(yīng)、色心形成和延遲線輻照表現(xiàn)；分析硅材料的色心動力學(xué)模型；分析光纖的輻照特性；結(jié)合光纖和色心動力學(xué)分析5-bit光纖延遲線的輻照特性。
第五章為光纖延遲線環(huán)境適應(yīng)性實驗研究。搭建溫度和輻照測試方案，對光纖、磁光開關(guān)、5-bit 光纖延遲線、光纖分路器和波分復(fù)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(guān)重要的作用，目前工程上現(xiàn)有的延遲測量技術(shù)有：光頻域反射法、光時域反射法、光學(xué)干涉法、基于矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的群時延法和相位法。光頻域發(fā)射法的測量精度比較高，能達到皮秒級，但是技術(shù)不成熟，商業(yè)化產(chǎn)品較少。光時域反射法在光纖通信工程領(lǐng)域應(yīng)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(xué)干涉法測量精度高，但是平臺搭建困難，使用復(fù)雜，無法測量較長的光纖延遲。基于矢網(wǎng)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(shù)，群時延法測量延遲時延遲讀數(shù)穩(wěn)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(wǎng)絡(luò)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(wǎng)絡(luò)分析儀一般都是應(yīng)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(xiàn)光信號與電信號的相互切換，如圖2-1 所示。矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的PORT1 端口發(fā)射出微波電信號，經(jīng)過電光調(diào)制器后，調(diào)制器將電信號加載到可調(diào)諧光源發(fā)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(wǎng)絡(luò)分析儀，矢網(wǎng)對此電信號進行分析和計算。基于實驗室現(xiàn)有的條件，測量所選的儀器為：40G光強度調(diào)制器、40G 矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀（Anritsu 37369D）、40G 光接收模塊和可調(diào)諧光源。

基于矢網(wǎng)的相位法時間延遲測量的原理：在歸“0”化校準的矢網(wǎng)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(wǎng)絡(luò)分析儀的相位顯示范圍為?-180度～+180度，在測量時，如果矢網(wǎng)顯示的值是N°，那么其相位值可能為360°×n+N°（n 為整數(shù)），對此，可以通過一個偏置補償?shù)姆绞秸页鲞@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(shù)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(wǎng)測量中，可以通過矢網(wǎng)中給測量回路引入L’，通過嘗試改變L’的數(shù)值直到矢網(wǎng)上的相位差值此時，L的數(shù)值就可以由矢網(wǎng)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(wǎng)絡(luò)分析儀所選用的相位誤差一般為?0.5°，則對應(yīng)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(xiàn)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(shù)據(jù)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(guān)選擇與狀態(tài)誤差分析
2.2.1 光開關(guān)選擇
目前研究的bit 光纖延遲線都是基于光開關(guān)和光纖的級聯(lián)，本節(jié)器件的選擇也就針對光開關(guān)的選擇和光纖的選擇。光開關(guān)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(guān)切換光路示意圖。2×2光開關(guān)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(guān)只有交叉一種切換方式。

通過對光開關(guān)兩種方式的切換，可實現(xiàn)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(guān)是重要的光學(xué)器件。目前光開關(guān)的種類很多，有以下幾種類型[24]：機械光開關(guān)、波導(dǎo)光開關(guān)、電
光空間光開關(guān)、磁光開關(guān)、聲光開關(guān)和MEMS光開關(guān)等。機械光開關(guān)是利用機械的位移實現(xiàn)光路的切換。波導(dǎo)光開關(guān)是利用相鄰波導(dǎo)之間的相互耦合的物理現(xiàn)象，通過施加一定的電壓，改變波導(dǎo)之間的耦合系數(shù)，實現(xiàn)光信號在光波導(dǎo)之間的切換。電光空間開關(guān)是是利用電光晶體的電光效應(yīng)改變光路，實現(xiàn)對光路的切換。磁光開關(guān)是利用磁光晶體的旋光效應(yīng)改變光路實現(xiàn)光開關(guān)的功能。聲光開關(guān)是利
用聲波作用在晶體上改變不同光路的屬性，實現(xiàn)對光路的切換。MEMS 光開關(guān)是利用微機電制成的機械式微型光開關(guān)，在電信號的作用下實現(xiàn)微型光學(xué)反射鏡的反轉(zhuǎn)或位移，從而改變光路的屬性，實現(xiàn)開關(guān)功能。表2-2 所示為幾種光開關(guān)性能的對比情況。

基于課題的需要，在選擇光開關(guān)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(dǎo)體開關(guān)和電光開關(guān)的切換速度比較快，但是電光開關(guān)的插損和體積都比較大，半導(dǎo)體開關(guān)功耗大易發(fā)熱，都不適合課題的要求。MENS 開關(guān)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(guān)的開關(guān)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(guān)的特點和課題的需要，選擇磁光開關(guān)作為延遲線所需光開關(guān)，光纖為普通的單模光纖G.652 和G.657。

2.2.2 光開關(guān)狀態(tài)誤差分析
光信號在光開關(guān)中傳輸肯定會有時間延遲，這種時間延遲會不會對設(shè)計出來的光纖延遲線有影響，下面做討論。2×2光開關(guān)有兩種切換方式：直通和交叉。現(xiàn)在假設(shè)光開關(guān)直通狀態(tài)下，光開關(guān)由INT1 切換到OUT 1 時，光信號在光開關(guān)中的傳輸時間為△τbar11；光開關(guān)由INT2切換到OUT2時，光信號在光開關(guān)中的傳輸時間為△τbar22。光開關(guān)在交叉狀態(tài)時，光開關(guān)由INT1切換到OUT2時，光信號在光開關(guān)中的傳輸時間為△τcross12；光開關(guān)由INT 2切換到OUT 1時，光信號在光開關(guān)中的傳輸時間為△τcross21。

為了方便討論，假設(shè)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(yīng)的延遲狀態(tài)為 00、01、10 和 11。
如圖2-4 所示為2-bit 延遲線各狀態(tài)對應(yīng)光路圖，光開關(guān)1 和光開關(guān)2 的綜合尾纖為1 L ，光開關(guān)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(tài)“00”時：

（2-3）

狀態(tài)“01”時：

將狀態(tài)“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(tài)對應(yīng)光路圖

做一個理想的假設(shè)：假設(shè)光開關(guān)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(fā)現(xiàn)延遲線4種狀態(tài)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(guān)內(nèi)各切換通道延遲時間相等時，光開關(guān)的通道延遲時間對BIT 延遲線的延遲精度無影響。光開關(guān)內(nèi)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(shù)和開關(guān)內(nèi)部光路特點。在現(xiàn)有的測量技術(shù)下，很難測量出光開關(guān)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(guān)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(shù)據(jù)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(guān)尾纖延遲。設(shè)2×2 光開關(guān)四個端口對應(yīng)的尾纖分別為：Lin1、Lin2、Lout1和Lout2。測得光開關(guān)尾纖延遲與光開關(guān)4 種狀態(tài)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(guān)內(nèi)部通道延遲不一致。根據(jù)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(xù)！