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1.3本論文主要研究?jī)?nèi)容

本論文的主要研究?jī)?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(guó)內(nèi)外光纖延遲線研究及應(yīng)用動(dòng)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(shí)驗(yàn)平臺(tái)；分析光開(kāi)關(guān)的狀態(tài)誤差；設(shè)計(jì)光纖延遲線的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)并優(yōu)化；選擇*拓?fù)浣Y(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(gè)方面因素分析磁光開(kāi)關(guān)的損耗-溫度特性。結(jié)合光纖和磁光開(kāi)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(dòng)力學(xué)模型；分析光纖的輻照特性；結(jié)合光纖和色心動(dòng)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(shí)驗(yàn)研究。搭建溫度和輻照測(cè)試方案，對(duì)光纖、磁光開(kāi)關(guān)、5-bit 光纖延遲線、光纖分路器和波分復(fù)用器進(jìn)行溫度和輻照測(cè)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(jìn)為10ps，延遲范圍為0~310ps。

2.1 高精度光纖延遲線實(shí)驗(yàn)平臺(tái)搭建
光纖延遲線研制過(guò)程中，光纖延遲時(shí)間的測(cè)量對(duì)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(cè)量技術(shù)有：光頻域反射法、光時(shí)域反射法、光學(xué)干涉法、基于矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的群時(shí)延法和相位法。光頻域發(fā)射法的測(cè)量精度比較高，能達(dá)到皮秒級(jí)，但是技術(shù)不成熟，商業(yè)化產(chǎn)品較少。光時(shí)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(jiǎn)單，但是測(cè)量精度太差，zui高
只能達(dá)到納秒級(jí)。光學(xué)干涉法測(cè)量精度高，但是平臺(tái)搭建困難，使用復(fù)雜，無(wú)法測(cè)量較長(zhǎng)的光纖延遲?；谑妇W(wǎng)的群時(shí)延法和相位法是目前光纖延遲線時(shí)間延遲的主流技術(shù)，群時(shí)延法測(cè)量延遲時(shí)延遲讀數(shù)穩(wěn)定性較好，但精度要低于相位法測(cè)量。

綜合以上的幾種延遲測(cè)量方法，基于矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的相位法延遲測(cè)量具有測(cè)量精度、測(cè)量平臺(tái)搭建簡(jiǎn)單等特點(diǎn)。以下將介紹基于該種時(shí)間延遲測(cè)量方法的平臺(tái)搭建。

矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀一般都是應(yīng)用在電信號(hào)的測(cè)量，如果將其用于光信號(hào)的測(cè)量，就必須要實(shí)現(xiàn)光信號(hào)與電信號(hào)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(hào)，經(jīng)過(guò)電光調(diào)制器后，調(diào)制器將電信號(hào)加載到可調(diào)諧光源發(fā)出的光信號(hào)上，完成了由電信號(hào)到光信號(hào)的切換。光載波在待測(cè)延遲線中傳輸后到達(dá)光接收模塊，模塊中的光電探測(cè)器將光載波信號(hào)還原成電信號(hào)，完成了由光信號(hào)到電信號(hào)的切換。電信號(hào)由PORT2 端口進(jìn)入矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀，矢網(wǎng)對(duì)此電信號(hào)進(jìn)行分析和計(jì)算?；趯?shí)驗(yàn)室現(xiàn)有的條件，測(cè)量所選的儀器為：40G光強(qiáng)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(shí)間延遲測(cè)量的原理：在歸“0”化校準(zhǔn)的矢網(wǎng)分析儀測(cè)量回路中，插入一個(gè)電長(zhǎng)度為L(zhǎng) 的器件，其在測(cè)量回路中引起的相位變化為

(2-1)

上式中，λ為信號(hào)波長(zhǎng)（λ＝c/f，c 為光速，f 為測(cè)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(cè)量時(shí)，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(duì)此，可以通過(guò)一個(gè)偏置補(bǔ)償?shù)姆绞秸页鲞@個(gè)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(zhǎng)度為L(zhǎng) 的時(shí)間延遲，如果在公式(2-2)中加入一個(gè)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(cè)量中，可以通過(guò)矢網(wǎng)中給測(cè)量回路引入L’，通過(guò)嘗試改變L’的數(shù)值直到矢網(wǎng)上的相位差值此時(shí)，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(cè)量平臺(tái)實(shí)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(duì)應(yīng)的長(zhǎng)度測(cè)量誤差為±0.01mm，時(shí)間測(cè)量誤差為0.05ps，滿(mǎn)足延遲線研制的需要。

基于高精度延遲測(cè)量平臺(tái)下，測(cè)試實(shí)驗(yàn)室光纖切割精度和整個(gè)研制平臺(tái)延遲誤差容量。光纖切割上，采用千分尺作為測(cè)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(tái)下，測(cè)試平臺(tái)的單點(diǎn)光纖延遲研制精度，如表2-1所示，單點(diǎn)延遲為40ps、50ps 的光纖的實(shí)際研制測(cè)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(tái)，研制出單點(diǎn)延遲光纖的延遲精度為±0.1ps。

2.2 光開(kāi)關(guān)選擇與狀態(tài)誤差分析
2.2.1 光開(kāi)關(guān)選擇
目前研究的bit 光纖延遲線都是基于光開(kāi)關(guān)和光纖的級(jí)聯(lián)，本節(jié)器件的選擇也就針對(duì)光開(kāi)關(guān)的選擇和光纖的選擇。光開(kāi)關(guān)是一種具有一個(gè)或多個(gè)可選擇的傳輸窗口，可對(duì)光傳輸線路或集成光路中的光信號(hào)進(jìn)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(kāi)關(guān)切換光路示意圖。2×2光開(kāi)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(chēng)為直通（bar）；由INT 1 切換到OUT 2 或INT 2 切換到OUT 1 的方式稱(chēng)為交叉(cross)。1×2光開(kāi)關(guān)只有交叉一種切換方式。

通過(guò)對(duì)光開(kāi)關(guān)兩種方式的切換，可實(shí)現(xiàn)光信號(hào)的不同路徑傳輸，所以在bit 光纖延遲線研制中，光開(kāi)關(guān)是重要的光學(xué)器件。目前光開(kāi)關(guān)的種類(lèi)很多，有以下幾種類(lèi)型[24]：機(jī)械光開(kāi)關(guān)、波導(dǎo)光開(kāi)關(guān)、電
光空間光開(kāi)關(guān)、磁光開(kāi)關(guān)、聲光開(kāi)關(guān)和MEMS光開(kāi)關(guān)等。機(jī)械光開(kāi)關(guān)是利用機(jī)械的位移實(shí)現(xiàn)光路的切換。波導(dǎo)光開(kāi)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(guò)施加一定的電壓，改變波導(dǎo)之間的耦合系數(shù)，實(shí)現(xiàn)光信號(hào)在光波導(dǎo)之間的切換。電光空間開(kāi)關(guān)是是利用電光晶體的電光效應(yīng)改變光路，實(shí)現(xiàn)對(duì)光路的切換。磁光開(kāi)關(guān)是利用磁光晶體的旋光效應(yīng)改變光路實(shí)現(xiàn)光開(kāi)關(guān)的功能。聲光開(kāi)關(guān)是利
用聲波作用在晶體上改變不同光路的屬性，實(shí)現(xiàn)對(duì)光路的切換。MEMS 光開(kāi)關(guān)是利用微機(jī)電制成的機(jī)械式微型光開(kāi)關(guān)，在電信號(hào)的作用下實(shí)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(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)功能。表2-2 所示為幾種光開(kāi)關(guān)性能的對(duì)比情況。

基于課題的需要，在選擇光開(kāi)關(guān)時(shí)主要從以下的幾個(gè)重要特點(diǎn)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(kāi)關(guān)和電光開(kāi)關(guān)的切換速度比較快，但是電光開(kāi)關(guān)的插損和體積都比較大，半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)功耗大易發(fā)熱，都不適合課題的要求。MENS 開(kāi)關(guān)雖然體積和插損不是很大，但是切換速度不能滿(mǎn)足課題的要求。磁光開(kāi)關(guān)的開(kāi)關(guān)速度為μs 級(jí)，體積很小，而且插損也不是很大。綜合各個(gè)光開(kāi)關(guān)的特點(diǎn)和課題的需要，選擇磁光開(kāi)關(guān)作為延遲線所需光開(kāi)關(guān)，光纖為普通的單模光纖G.652 和G.657。

2.2.2 光開(kāi)關(guān)狀態(tài)誤差分析
光信號(hào)在光開(kāi)關(guān)中傳輸肯定會(huì)有時(shí)間延遲，這種時(shí)間延遲會(huì)不會(huì)對(duì)設(shè)計(jì)出來(lái)的光纖延遲線有影響，下面做討論。2×2光開(kāi)關(guān)有兩種切換方式：直通和交叉?，F(xiàn)在假設(shè)光開(kāi)關(guān)直通狀態(tài)下，光開(kāi)關(guān)由INT1 切換到OUT 1 時(shí)，光信號(hào)在光開(kāi)關(guān)中的傳輸時(shí)間為△τbar11；光開(kāi)關(guān)由INT2切換到OUT2時(shí)，光信號(hào)在光開(kāi)關(guān)中的傳輸時(shí)間為△τbar22。光開(kāi)關(guān)在交叉狀態(tài)時(shí)，光開(kāi)關(guān)由INT1切換到OUT2時(shí)，光信號(hào)在光開(kāi)關(guān)中的傳輸時(shí)間為△τcross12；光開(kāi)關(guān)由INT 2切換到OUT 1時(shí)，光信號(hào)在光開(kāi)關(guān)中的傳輸時(shí)間為△τcross21。

為了方便討論，假設(shè)一個(gè)簡(jiǎn)單的 2-bit延遲線，延遲步進(jìn)為△τ，延遲時(shí)間分別為 0、△τ、2△τ和3△τ ，對(duì)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(duì)應(yīng)光路圖，光開(kāi)關(guān)1 和光開(kāi)關(guān)2 的綜合尾纖為1 L ，光開(kāi)關(guān)2 和光開(kāi)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(shí)間：狀態(tài)“00”時(shí)：

（2-3）

狀態(tài)“01”時(shí)：

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

               2-4 2-bit 光纖延遲線各狀態(tài)對(duì)應(yīng)光路圖

做一個(gè)理想的假設(shè)：假設(shè)光開(kāi)關(guān)切換不同通道時(shí)，其通道延遲時(shí)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(duì)延遲值分別為0、△τ、2△τ和3△τ ，誤差為零。由此可見(jiàn)，當(dāng)光開(kāi)關(guān)內(nèi)各切換通道延遲時(shí)間相等時(shí)，光開(kāi)關(guān)的通道延遲時(shí)間對(duì)BIT 延遲線的延遲精度無(wú)影響。光開(kāi)關(guān)內(nèi)部通道延遲時(shí)間的大小和延遲一致性，取決于光開(kāi)光提供商的研制技術(shù)和開(kāi)關(guān)內(nèi)部光路特點(diǎn)。在現(xiàn)有的測(cè)量技術(shù)下，很難測(cè)量出光開(kāi)關(guān)各通道的延遲時(shí)間，但是可以通過(guò)測(cè)量來(lái)驗(yàn)證所選用的光開(kāi)關(guān)的通道延遲是否一致。

測(cè)量光開(kāi)光通道延遲一致性時(shí)，測(cè)量的數(shù)據(jù)會(huì)引入兩部分延遲，一部分為光開(kāi)光的通道延遲，另一部分為光開(kāi)關(guān)尾纖延遲。設(shè)2×2 光開(kāi)關(guān)四個(gè)端口對(duì)應(yīng)的尾纖分別為：Lin1、Lin2、Lout1和Lout2。測(cè)得光開(kāi)關(guān)尾纖延遲與光開(kāi)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(kāi)關(guān)內(nèi)部通道延遲不一致。根據(jù)表2-3 的延遲誤差，當(dāng)光開(kāi)光的通道里的誤差不一致時(shí)，將直接影響到bit 光纖延遲線的延遲精度。

待續(xù)！