北京锦坤科技有限公司

1.3本论文主要研究内容

本论文的主要研究内容为光纤延迟线环境适应性及精度研究。主要包括研制高精度5-bit 光纤延迟线、光纤延迟线温度适应性研究和光纤延迟线辐照适应性研究。
*章为绪论。主要介绍光纤延迟线、课题背景及研究意义、国内外光纤延迟线研究及应用动态和空间环境特定及航天器受到的影响。第二章为高精度光纤延迟线研制。搭建了高精度光纤延迟线实验平台；分析光开关的状态误差；设计光纤延迟线的拓扑结构并优化；选择*拓扑结构研制5-bit 光纤延迟线。

第三章为光纤延迟线温度适应性理论分析。分析光纤延迟-温度特性；从三个方面因素分析磁光开关的损耗-温度特性。结合光纤和磁光开关分析5-bit 光纤延迟线的温度特性。第四章为光纤延迟线辐照适应性理论分析。分析空间环境中光学材料的辐照效应、色心形成和延迟线辐照表现；分析硅材料的色心动力学模型；分析光纤的辐照特性；结合光纤和色心动力学分析5-bit光纤延迟线的辐照特性。
第五章为光纤延迟线环境适应性实验研究。搭建温度和辐照测试方案，对光纤、磁光开关、5-bit 光纤延迟线、光纤分路器和波分复用器进行温度和辐照测试。

第二章高精度光纤延迟线研制

基于课题的需要，本章将主要研制一条5-bit 光纤延迟线，延迟步进为10ps，延迟范围为0~310ps。

2.1 高精度光纤延迟线实验平台搭建
光纤延迟线研制过程中，光纤延迟时间的测量对光纤延迟线精度有着至关重要的作用，目前工程上现有的延迟测量技术有：光频域反射法、光时域反射法、光学干涉法、基于矢量网络分析仪的群时延法和相位法。光频域发射法的测量精度比较高，能达到皮秒级，但是技术不成熟，商业化产品较少。光时域反射法在光纤通信工程领域应用广泛，而且使用方法简单，但是测量精度太差，zui高
只能达到纳秒级。光学干涉法测量精度高，但是平台搭建困难，使用复杂，无法测量较长的光纤延迟。基于矢网的群时延法和相位法是目前光纤延迟线时间延迟的主流技术，群时延法测量延迟时延迟读数稳定性较好，但精度要低于相位法测量。

综合以上的几种延迟测量方法，基于矢量网络分析仪的相位法延迟测量具有测量精度、测量平台搭建简单等特点。以下将介绍基于该种时间延迟测量方法的平台搭建。

矢量网络分析仪一般都是应用在电信号的测量，如果将其用于光信号的测量，就必须要实现光信号与电信号的相互切换，如图2-1 所示。矢量网络分析仪的PORT1 端口发射出微波电信号，经过电光调制器后，调制器将电信号加载到可调谐光源发出的光信号上，完成了由电信号到光信号的切换。光载波在待测延迟线中传输后到达光接收模块，模块中的光电探测器将光载波信号还原成电信号，完成了由光信号到电信号的切换。电信号由PORT2 端口进入矢量网络分析仪，矢网对此电信号进行分析和计算。基于实验室现有的条件，测量所选的仪器为：40G光强度调制器、40G 矢量网络分析仪（Anritsu 37369D）、40G 光接收模块和可调谐光源。

基于矢网的相位法时间延迟测量的原理：在归“0”化校准的矢网分析仪测量回路中，插入一个电长度为L 的器件，其在测量回路中引起的相位变化为

(2-1)

上式中，λ为信号波长（λ＝c/f，c 为光速，f 为测量频率).矢量网络分析仪的相位显示范围为?-180度～+180度，在测量时，如果矢网显示的值是N°，那么其相位值可能为360°×n+N°（n 为整数），对此，可以通过一个偏置补偿的方式找出这个n 值求得相位。由公式(2-1)可知：

    (2-2)

式(2-2)中，t 为引入电长度为L 的时间延迟，如果在公式(2-2)中加入一个常数L’，使得(L’-L)/c=0，那么L 的值就可以由L’直接给出。在基于矢网测量中，可以通过矢网中给测量回路引入L’，通过尝试改变L’的数值直到矢网上的相位差值此时，L的数值就可以由矢网中引入的 L’直接读出。如图2-2 所示为高精度延迟测量平台实物图，40GHz 的矢量网络分析仪所选用的相位误差一般为?0.5°，则对应的长度测量误差为±0.01mm，时间测量误差为0.05ps，满足延迟线研制的需要。

基于高精度延迟测量平台下，测试实验室光纤切割精度和整个研制平台延迟误差容量。光纤切割上，采用千分尺作为测量手段，理论误差为0~0.01mm，精度0~0.05ps。现基于此种研制平台下，测试平台的单点光纤延迟研制精度，如表2-1所示，单点延迟为40ps、50ps 的光纤的实际研制测量延迟值。由表2-1 的数据可知，基于此种方式搭建的光纤延迟线研制平台，研制出单点延迟光纤的延迟精度为±0.1ps。

2.2 光开关选择与状态误差分析
2.2.1 光开关选择
目前研究的bit 光纤延迟线都是基于光开关和光纤的级联，本节器件的选择也就针对光开关的选择和光纤的选择。光开关是一种具有一个或多个可选择的传输窗口，可对光传输线路或集成光路中的光信号进行相互或逻辑操作的器件[23]，如图 2-3所示是1×2和2×2的光开关切换光路示意图。2×2光开关有两种切换方式：由 INT 1 切换到 OUT 1或由 INT 2切换到OUT 2 的方式称为直通（bar）；由INT 1 切换到OUT 2 或INT 2 切换到OUT 1 的方式称为交叉(cross)。1×2光开关只有交叉一种切换方式。

通过对光开关两种方式的切换，可实现光信号的不同路径传输，所以在bit 光纤延迟线研制中，光开关是重要的光学器件。目前光开关的种类很多，有以下几种类型[24]：机械光开关、波导光开关、电
光空间光开关、磁光开关、声光开关和MEMS光开关等。机械光开关是利用机械的位移实现光路的切换。波导光开关是利用相邻波导之间的相互耦合的物理现象，通过施加一定的电压，改变波导之间的耦合系数，实现光信号在光波导之间的切换。电光空间开关是是利用电光晶体的电光效应改变光路，实现对光路的切换。磁光开关是利用磁光晶体的旋光效应改变光路实现光开关的功能。声光开关是利
用声波作用在晶体上改变不同光路的属性，实现对光路的切换。MEMS 光开关是利用微机电制成的机械式微型光开关，在电信号的作用下实现微型光学反射镜的反转或位移，从而改变光路的属性，实现开关功能。表2-2 所示为几种光开关性能的对比情况。

基于课题的需要，在选择光开关时主要从以下的几个重要特点考虑：快速的切换速度、小体积和低损耗。在切换速度方面，半导体开关和电光开关的切换速度比较快，但是电光开关的插损和体积都比较大，半导体开关功耗大易发热，都不适合课题的要求。MENS 开关虽然体积和插损不是很大，但是切换速度不能满足课题的要求。磁光开关的开关速度为μs 级，体积很小，而且插损也不是很大。综合各个光开关的特点和课题的需要，选择磁光开关作为延迟线所需光开关，光纤为普通的单模光纤G.652 和G.657。

2.2.2 光开关状态误差分析
光信号在光开关中传输肯定会有时间延迟，这种时间延迟会不会对设计出来的光纤延迟线有影响，下面做讨论。2×2光开关有两种切换方式：直通和交叉。现在假设光开关直通状态下，光开关由INT1 切换到OUT 1 时，光信号在光开关中的传输时间为△τbar11；光开关由INT2切换到OUT2时，光信号在光开关中的传输时间为△τbar22。光开关在交叉状态时，光开关由INT1切换到OUT2时，光信号在光开关中的传输时间为△τcross12；光开关由INT 2切换到OUT 1时，光信号在光开关中的传输时间为△τcross21。

为了方便讨论，假设一个简单的 2-bit延迟线，延迟步进为△τ，延迟时间分别为 0、△τ、2△τ和3△τ ，对应的延迟状态为 00、01、10 和 11。
如图2-4 所示为2-bit 延迟线各状态对应光路图，光开关1 和光开关2 的综合尾纤为1 L ，光开关2 和光开光3 的综合尾纤为2 L。由此光路可以得到2-bit光纤延迟线各状总的理论延迟时间：状态“00”时：

（2-3）

状态“01”时：

将状态“00”的延迟作归“0”处理，可得延迟线相对延迟值，如表2-3 所示。

               2-4 2-bit 光纤延迟线各状态对应光路图

做一个理想的假设：假设光开关切换不同通道时，其通道延迟时间相等，即

将(2-7)代入到表 2-3 中，发现延迟线4种状态的理论相对延迟值分别为0、△τ、2△τ和3△τ ，误差为零。由此可见，当光开关内各切换通道延迟时间相等时，光开关的通道延迟时间对BIT 延迟线的延迟精度无影响。光开关内部通道延迟时间的大小和延迟一致性，取决于光开光提供商的研制技术和开关内部光路特点。在现有的测量技术下，很难测量出光开关各通道的延迟时间，但是可以通过测量来验证所选用的光开关的通道延迟是否一致。

测量光开光通道延迟一致性时，测量的数据会引入两部分延迟，一部分为光开光的通道延迟，另一部分为光开关尾纤延迟。设2×2 光开关四个端口对应的尾纤分别为：Lin1、Lin2、Lout1和Lout2。测得光开关尾纤延迟与光开关4 种状态下的通道延迟之和分别为t11 、t22 、t12 和t21。

由式(2-12)可知，所选用的磁光开关内部通道延迟不一致。根据表2-3 的延迟误差，当光开光的通道里的误差不一致时，将直接影响到bit 光纤延迟线的延迟精度。

待续！