0 引言
相控阵天线技术(PAA)自20世纪70年代开始应用以来,在雷达领域以其独特的优势占据重要的地位,但其射频电子波束形成机构体积和重量均较大,限制了它的广泛应用。特别在机载和星载应用中,必须寻求体积更小、重量更轻的相控阵雷达。上世纪90年代以来,光实时延时技术(OTTD,Optical True Time Delay)全面成熟,逐渐被应用于光控相控阵天线(OCPAA)。应用于光控相控阵天线的光实时延时技术的主要技术思想是:电信号的频率相对于光频来说极低,可以将它加载到光波上,再对这个加载了电信号的光波进行延时,然后用光探测器将电信号提取出来,提取出的电信号与调制前的电信号除了在相位上有了一定的延时外,其他特征完全相同,具有这样处理流程的实时延时(TTD)系统被称之为OTTD系统.
光延时技术与相控阵天线技术的融合,解决了传统相控阵雷达的两大技术瓶颈,即瞬时大带宽的制约及波束偏斜问题。在光控相控阵天线系统中采用光实时延时单元取代基于纯电的实时延时单元,使得OCPAA系统具有重量轻、体积小、功耗低、抗电磁干扰能力强和成本低等优点。此外,光实时延时技术在光交换技术及无线通信技术中都有广泛的应用前景。
1 光实时延时技术的理论基础
时延是信号以一定速度通过波导的必然结果。对于光延迟线,延迟时间τ为
式中,L是光波传输通过的介质长度,Vg是相应的相速度。光纤是最具吸引力的介质,此外,自由空间及平面光波导也可作为传输介质。不考虑自由空间作为介质的情况,受色散的影响,光的传播速度是波长的函数。
由式(1)可知,要想得到不同的延时,可以通过三种方式获得:其一,光源的波长固定,改变介质长度;其二,介质长度固定,改变光源的波长;其三,介质长度和光源波长同时改变。对方式一,时延的变化Δτ为
式中,D为色散系数,它是波长的函数,显然,具有大色散系数的色散元件对于获得大的时延是有利的。应用在相控阵雷达的光实时延时的技术方案已经有很多,下面分析一些典型的技术方案.
2 光纤型光实时延时技术
基于光纤的OTTD技术是研究的最早的技术方案,传统的光纤型OTTD是通过选择不同的光纤路径来获得若干离散的时延值,传输路径可分固定路径式和动态配置式两种。
2.1 传统固定路径式
文献[1]中首次提出的光控相阵雷达就是采用的传统固定路径式光纤延时技术。如图1所示,它包含了8段特定长度的光纤和8只光源,工作时通过偏置开关的配置选通其中一特定的光源,电信号被调制到这个光源上,再通过一个8∶1的光合路器把光送到光探测器,最后恢复出电信号。光纤长度的差值取决于天线的孔径和最大的转向角,23个分离的延时状态刚好提供了3 bit的分辨率,主辐射波瓣可以被指向8个方向中的任意一个,光纤的路径越多,分辨率也越高
显然,该方案的扩展性较差,无法满足大阵元、高分辨率要求的应用。此外光源与时延路径的1∶1配置也极大增加了系统的复杂性,提高了系统的成本。这种结构一般被称为PADEL结构(ParallelFiber Optical Delay Line)。
2.2 动态配置式
这种方案应用的比较广泛[2-3],如图2所示,固定波长的激光被电信号调制后送入光开关,光开关之间通过光纤连接,若干个光开关采用级联的方式,这就是所谓的BIFODEL结构(Binary Fiber OpticDelay Line)。
如图2所示,以一个5 bit的OTTD为例,前后两光开关之间的两段光纤长度分别相差τ,2τ,4τ,8τ和16τ,通过对各光开关状态的配置,可得到32种(25=32)不同的时间延时。
2.2.1 拓扑结构的问题
在该种OTTD方案中,拓扑结构主要有两种方式,一是差分结构,见图2,另外一种是旁路结构。在旁路结构中,延迟光纤跨接在同一个光开关的一对输入输出端口,这种方式结构比较紧凑,一个5bit延迟单元只需要用5只光开关。另外,可以在延迟光纤中加入一段光纤,以便对光开关不同状态引起的误差进行补偿。这种结构的缺点也很突出,一是最小延迟由于结构上的因素不能做的很小,再就是由于每只光开关都需要通过两次,所以带来的插损比较大。
在差分结构中,不象旁路结构最终只能是由一个端口信号输入,一个端口信号输出,而是在任意一个给定的差分结构中均有4种情况:1进3出,1进4出,2进3出和2进4出,这里假设1、2为光开关的入端,3、4为光开关的出端。4种情况所带来的误差情况不尽相同。所以,需要考虑差分结构中哪种结构由于光开关的状态误差所带来的影响最小,这是进行拓扑结构优化设计时的一个重要考虑因素。
2.2.2 光开关的问题
在这种延时方案中,光开关起着重要的作用,光开关的体积、切换速度、插损和隔离度等指标制约着延时单元的应用。目前的光开关可以由若干种技术路径实现,包括MEMS光开关、电光开关和磁光开关等。
2.3 改进的固定路径式
这种类型的方案可以看成是由传统固定路径式发展起来的,文献[4]给出了一种典型结构,见图3,激光器阵列被一可调激光器(TLS)所取代,通过一分束器,把被调制了的光信号分到若干路由色散光纤和非色散光纤组成的光纤链路。各光纤链路中,色散光纤和非色散光纤的长度各异,而色散光纤的色散系数大约为-100 ps/(km·nm),显然光波长的改变对各链路的延时的改变各不相同。
显然,对于某个波长λ0,可以通过调整每段光纤链路中两种光纤的比例,使得各路延迟一致,当光波长小于λ0时,各路的延时会增加;当光波长大于λ0时,各路的延时会减小。从而实现了波束的连续扫描。
该方案中,光延时由公式(3)决定,对于TLS来说,波长的变化范围Δλ是一定的,所以,起主要作用的是色散系数D,显然色散系数越大,需要的光纤长度越短,系统体积越小。普通光纤的色散系数大约为17 ps/(nm·km),所以大色散系数的光纤的获得成为问题的关键。
光子晶体光纤(PCF)的大色散特性很好地解决了这个问题,文献[5]中的方案与文献[4]中的基本类似,参见图3,仅仅是色散光纤和非色散光纤被高色散的光子晶体光纤和朗讯的TrueWave单模光纤取代。PCF的色散系数为- 630 ps/(nm·km),是普通商用色散光纤的6倍多。大色散光纤还可以使用高阶模色散补偿光纤,其色散系数大概是普通色散光纤的4倍。此外,还可以利用阵列波导光栅(AWG)的波长敏感特性,配合TLS的波长选择,实现几段封闭光纤段的任意选择,这就是基于AWG的环回OTTD技术[6]。它可以看成是另一类改进的基于光纤和光波导技术混合的固定路径OTTD技术。
2.4 小结
基于光纤的光实时延时技术是研究的最多、应用的最广泛的OTTD技术。这类技术中,需要对光纤的长度精确地控制以保证延时精度。在光控相控雷达中,随着工作频段的向上推移,延时步长随之下降,系统对光延时的精度提出了越来越高的要求。此外,利用光开关和光纤构建的多比特光延迟线系统,由于光开关内部不同通道固有的光程差所带来的影响,从理论上说很难消除或补偿,也将极大地影响延时的精度,所以提高光延时精度唯一可行的办法是采用以集成光波导技术为核心的新型光延时技术。
3 光纤光栅型光实时延时技术
基于光纤光栅的OTTD在上世纪90年代中后期,随着光纤光栅技术的成熟受到了极大重视。光纤光栅可以通过对纤芯折射率的周期性调制来实现,使用在OTTD技术的光纤光栅一般有光纤布拉格光栅(FBG)和线性啁啾布拉格光纤光栅(LCFBG)两类。
3.1 基于FBG的OTTD技术
光纤布拉格光栅的光栅周期与折射率的调制深度均为常数,一般周期为几百纳米,具有较高的反射率和较窄的反射带宽,所以每个FBG对一特定的波长会强烈地反射,而其他波长的信号则透过,也即FBG对波长有强烈的选择性。如果在一个光纤上做上多个分离的FBG,每个FBG对应一特定的波长,利用这个原理就可以获得离散的多个时延值[7]。如图4所示,每个光栅Gi对特定的波长λi反射,并且基准态时间τ0为
其中,Λ0为第一级光栅的距离,n为光纤的相对折射率,c是真空中的光速。
图中各光栅的距离按照指数式递增,即Λ0,2Λ0,22Λ0,…,2n-1Λ0。环形器把反射回的光送入下一级光开关。通过对光开关的选择,相邻光通道的相对时延τPDM可表示为:
式中,Si=0或者1,为第i个光开关的状态。由式(5)可以看出,时延τPDM以τ0为步长,在0到(2n-1)τ0间变化。通过波长的变化,还可以得到其他组延时值。
需要注意,光栅的反射率正比于光栅的长度,反射率越高,光栅的长度也需要越长,与此同时,光栅的带宽反比于光栅的长度,所以一个高反射率的光栅其光谱宽度受到限制,这也就限制了光栅的反射率的提高。
3.2 基于LCFBG的OTTD技术
啁啾布拉格光栅(CFBG)的周期不是常数而是沿轴向变化的,按照周期的变化规律分为线性啁啾和非线性啁啾光纤光栅两种,在OTTD技术中,一般采用线性啁啾光栅(LCFBG)。啁啾光栅的实质是多个不同周期的光栅组合,而不同周期的光栅对应于不同的反射波长,因此,啁啾光栅具有较宽的带宽。同时,沿光纤的轴向,对于不同的波长的反射,其反射位置是随着波长线性变化的,因此只要光源波长的调谐能力足够精细,基于LCFBG的可以认为是连续变化的延迟线[8]。
如图5示,N个仅能够窄带调谐的可调激光器经过合波后,通过外调制器被同一电信号所调制,然后送入环形器端口一,在其端口二处外接一几厘米的线性啁啾光栅,由线性啁啾光栅的特性可知,光波反射点的位置与波长呈线性关系,即波长越短,反射的距离越近,时延也就越小。最终,被延时了的合波光通过解复用器被分送到对应的端口,再经过O/E变换,分配给天线阵元。显然,通过TLS的波长调谐,可以使PAA形成相应的扫描波束。
3.3 小结
光纤光栅的大色散能力、紧凑的结构等优点使得其在OTTD技术上得到了广泛的应用,业已经成OTTD中的一个热点。需要指出的是光纤光栅在OTTD中的使用一般需要可调谐光源、可调谐滤波器或波分复用器件的配合,这使得整个结构复杂,控制困难,成本居高不下,限制了它在OTTD技术中的推广。为此,近年来,业界就此展开了一些有针对性的工作,包括采用温度[9]或者应变[10]来控制光纤光栅,以获得连续的时延。
4 光波导型光实时延时技术
基于光波导的OTTD技术,相比采用光纤的技术来说,由于波导的制备工艺采用的是光刻技术,所以可以实现高精度的延时,目前可以到亚皮秒量级。利用平面光波导技术,易于实现与光开关、调制器等其他器件的一体化设计,从而实现更为紧凑的光实时延迟组件。光波导也易于大规模制造,降低了OTTD技术的使用成本。缺点是器件的插入损
耗和串扰都较大。
一般来说,基于集成光波导的OTTD技术与基于光纤的基本原理一致,只是把光纤换成了波导,把分离的光开关或调制器集成到同一基片上,其主要区别在于集成光波导的材料。近几年来,不同的材料都被采用,包括Silica材料、SOI材料、Ⅲ-Ⅴ族半导体材料和聚合物材料。随着光刻技术和波导制作工艺的不断进步,传统的LiNbO3光波导由于其自身的损耗系数较大,逐渐被聚合物材料所代替。聚合物波导由于可以生长在任何基底上,所以使得制造成本更为便宜,更容易与PAA中的其他元件,如激光器、调制器和探测器集成。聚合物波导材料的折射率可以在一个大范围内改变,从而在耦合损耗和波导弯曲损耗上取得平衡。此外,聚合物材料的热光系数比SiO2材料的高一个数量级,而其热导率又远小于Si材料和SiO2材料,这些特性使得由聚合物制成的热光开关在功耗上要优于基于硅材料或氧化物材料的器件。
4.1 基于BIFODEL结构的波导光实时延时技术该结构中,一般是把分离的光纤和光开关以集成一体的光波导和光开关所替代[11],少数情况也有保留光纤,仅仅把若干个光开关集成在一起的情况。
文献[11]报道了美国TEXAS大学YihongChen等人的工作,他们利用聚合物制作了延时光波导与光开关一体的OTTD。其中,制作了切换速度为1 ms的热光开关,开关在直通状态下损耗是1.5dB,在交叉状态下损耗为0.5 dB,开关的串扰大约是-28 dB,而光波导延迟线的损耗是0.9 dB/cm。在该项目中,波导芯层和包层材料的折射率分别为1.534和1.525。利用此OTTD模块做了一个X波段、1 bit演示系统,时延为88.9 ps。该课题组在2005至2007年还陆续报道了基于类似结构的一系列工作[12-14]。
2007年,他们实现了一个基于聚合物的4 bit的集成模块,包括了低损耗的无源聚合物波导及5个级联的2×2热光开关。16种延迟的范围为0~177 ps,模块的整个插损为14.9 dB,偏振相关损耗为0.64 dB,热光开关的切换速度为1.5~2 ms。
4.2 基于新型结构的波导光实时延时技术
近年来,除了开展了基于传统结构的集成光波导OTTD技术的研究外,此外,针对一些新结构还开展了一系列的工作,特别在具有增益功能的波导OTTD技术的研究引人注目[15]。同时,为了获得连续延时,基于波导全息光栅的OTTD技术也得到了发展[16-17]。如图6所示,波导全息条的厚度分别是h,h+Δh,…,h+nΔh,全息光栅作在每个波导全息条的顶部,每个光栅的结构是完全一样的。对于垂直入射的光来说,条内的折射角是相同的,相邻全息条的时延ΔT由式(6)决定:
式中,n是玻璃的相对折射率,Δh是相邻全息条的厚度差,c是光速,θ是波长为λ的光在玻璃中的折射角。
显然,随着波长的变化,折射角θ可以连续变化,因此时延可以连续变化。
4.3 小结
基于集成光波导的光实时延时技术是目前最有潜力的一个技术平台,目前最主要的研究热点包括:波导的结构、损耗、色散、制作材料和制作工艺。在插入损耗、串扰及偏振相关性等几个指标上,基于集成光波导的OTTD技术仍然有很大的需要改进的空间。
5 结束语
OTTD技术新的研究领域,除了上文提到的连续光实时延时技术外,可以满足相控阵雷达多波束形成网络的OTTD技术,以及满足2D PAA的OTTD技术也是研究热点[13,18]。从报道的文献中可以看到,目前采用色散元件的OTTD技术是主流,传统的基于光开关加延迟光纤的结构少有报道。
随着材料的发展,色散元件的色散系数越大,系统的体积和重量越小,从高阶模色散光纤到光子晶体光纤在OTTD中的应用都表明这个趋势。随着FBG、CFG和TLS等相关器件技术的进步,OTTD的指标,如延时步长、延时的动态范围、延时的可调性上都会有长足的进步。
此外,对于波导延迟线而言,前面研究的比较多的是离散的光波导延时线结构,也就是光波导延迟线加光波导开关的结构,目前研究重点已经开始转移到连续的光波导延迟线的研究上。在波导材料方面,由于目前波导的损耗较大,未来的发展必然是采用损耗更低的波导材料。
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作者简介:史双瑾(1969-),男,博士,讲师,主要从事光电子技术及光通信方面的研究。
