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2.3 拓扑结构设计

2.3.1 拓扑结构分析

上一节讨论中发现光开中存在着通道时间延迟，而且不同状态下的通道时间延迟不一致。这种不一致给延迟线带来多大影响，上一节中给出的是光开关的差分组合结构，结果显示在理论情况下BIT 延迟线的延迟精度取决于光开关内部的各通道时间延迟。为了消除这种通道时间延迟不一致给延迟线带来的影响，本节将分析另一种拓扑结构。

如图 2-5 所示，为两个光开光的旁路组合形成的 2-bit 延迟线，延迟步进为△t，光开关1的 IN1端口与其OUT1端口相连，插入时间延迟△t；光开关2的IN1端口与其OUT1端口相连，插入时间延迟2△t，假设光开关1的OUT2端口和光开关2的IN2端口的综合尾纤为L1；光开关1的IN1端口与其OUT1 端口的综合尾纤为L2；光开关2的IN1端口与其OUT1端口的综合尾纤为L3。光开关的各状态的通道延迟分别为△τbar22，△τcross12和△τcross21，由此光路 2-bit 光纤延迟线各状总的理论延迟时间：

将处理后的式子带入延迟线的四种状态下，得到得到新的延迟线，见表2-3。

由表2-3 可知，旁路结构的2-bit 光纤延迟线的各状态的延迟时间比为：0:1:2:3，误差为0，此结构可*抵消了光开光带来的状态差。在实际的研制过程中，要想得到延迟为0，△t，2△t和3△t的延迟，则只需对△t和2△t基准光纤的长度进行修正（加入补偿光纤）就行。修正后的拓扑结构如图2-6。

上面讨论了光开光的旁路组合结构，分析可知，这种结构通过对基准光纤长度进行补偿可以消除由于光开光的通道延迟不一致带来的延迟误差。不仅如此，此种结构在实现同样BIT 的情况下能少使用一个光开光，使结构更加紧凑，还降低了成本。但是这种受限于光纤的弯曲半径，在保证光纤弯曲损耗不大的情况下，光纤的弯曲半径不能小于3cm，因此给延迟线带来了zui小步进为500ps 左右。这种情况下，500ps 的zui小步进不能满足课题要求。

2.3.2 拓扑结构优化
考虑到光开光的状态误差和课题5-bit光纤延迟线的zui小步进要求，本文对初始的拓扑结构做一些改进。如图2-7 所示为改进后的拓扑结构图，延迟线由两个1×2 和4 个2×2 的光开关组成，各状态点的基准延迟为Δt、2Δt、4Δt、8Δt 和16Δt。

用两个1×2 的光开关代替2×2 光开关是为了进一步减小2×2 光开关状态误差对延迟线精度的影响。虽然1×2 光开关仅有的两个状态也可能通道延迟不一致，但是这种不一致可以通过在尾纤加入补偿光纤进行弥补，使得两个状态的通道延迟相等，即：t11=t12。如图2-8 所示。

2×2 光开光内部存在着四种状态的通道延迟，而且都不一定相等，这样的不确定性给设计出的延迟线精度误差带来了不可控性。为了尽量减少光开关四种状态通道延迟的不确定性，在2×2 光开关的三个端口上加入补偿光纤，使得三种状态的通道延迟相等，只有一种状态不等。如图2-9 所示，在IN 1、OUT 1 和OUT 2端口上加入了补偿光纤，使：t12=t22=t21=a，t11=b,由式(2-12) 可知，

△τ=b-a=-0.8ps。光开关经过补偿光纤处理后，虽然还不能具体的得出各状态的通道延迟值，但是能得到各状态通道延迟差值，且这种差值是固定的，不随补偿光纤的长度而定。

光开关的放置有两种方法：一种正向放置，定义为光开光的“0”位放置；另一种反向放置，定义为光开关的“1”位放置。如图2-10 所示，2×2 光开关正反放置定义图。

处理后的1×2 光开关通道延迟时间差被抵消，正反放置对延迟无影响，设计过程中就不用考虑其状态差。下面就2×2 光开关的正反放置对5-bit 延迟线延迟误差影响作分析。

如图2-11 所示，四个2×2 光开关的编号为1、2、3 和4，各状态通道延迟关系为：t12=t22=t21=a，t11=b,假设光信号经过光开关的下路直通，其通道延迟设为N ，上路直通延迟为N'，差通延迟为 T。由此可以得出 5-bit 光纤延迟线不同bit 状态下，光信号在各个光开关的通道延迟，见表2-4。

有四个2×2 的光开关，对应的光开光组合状态数就有16 个，分别为0000~1111。当一个光开关的状态为“0”时（正向放置），各通道对应延迟时间为：N=T=a,N=b,当一个光开关的状态为“1”时（反向放置），各通道对应延迟时间为：N=T=a,N=b,5-bit 光纤延迟线总的理论延迟误差就等于四个光开关的通道延迟之和：t=t1+t2+t3+t4。以此计算方式，将光开关的 0000~1111状态分别代入到表2-3 中，可得出不同光开关放置状态下延迟线的zui大理论误差的值，如图2-12 所示。

由图2-12 分析可知，当光开关的放置状态为“0101”、“0110”、“1001”和“1010”时，延迟线的zui大理论误差为zui小，误差范围为0～-2△τ。其他状态的延迟线zui大理论误差能达到 4△t，而且这种zui大误差还会随着光开关级联个数的增加而增加，可见对光开关组合状态的选择是很有必要的。在延迟线的研制过程中，光开关的放置状态为“0101”、“0110”、“1001”和“1010”都可作为延迟线可选拓扑结构。

2.4 研制结果
确定好5-bit 光纤延迟线的拓扑结构，对此结构的延迟线进行制作，测得延迟线数据如表2-5 所示。研制结果：延迟线的延迟误差范围为-1.2~1.0ps，延迟误差均方差为0.68ps；延迟线插损均值为5.42dB，幅度一致性为0.49dB，如图2-13所示。

2.5 本章小结
本章首先介绍了光纤延迟线的几种测量技术，搭建了基于矢网的相位法测量的光纤延迟线研制实验平台，对单点光纤延迟线的研制精度能达到±0.1ps。通过多种光开关的比较，zui终选择磁光开关作为5-bit 光纤延迟线的选用光开关，分析了光开关内部存在着状态延迟误差，并指出这种状态误差对设计出来的延迟线的延迟精度有影响。为了尽量克服光开关状态延迟误差对延迟线的影响，对延迟线的
拓扑结构进行了分析、设计和优化，发现旁路结构虽然能从理论上消除光开关的状态误差对延迟线的精度影响，但是受限于光纤的弯曲半径。光纤延迟线采用的结构是4 个2×2 光开关和2 个1×2 光开关的差分组合，对光开关进行了预处理，尝试了改变光开关的正向放置和反向放置，得出4 个2×2 光开关放置状态为“0101”、“0110”、“1001”和“1010”时，延迟线的zui大理论误差为zui小。在基于*的拓扑结构下，成功研制了步进为10ps 的高精度5-bit 光纤延迟线，延迟精度±1.1ps；误差均方差为0.68ps；平均插损5.42 dB；幅度一致性：0.49dB。

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