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光纖延遲線環(huán)境適應(yīng)性及精度研究4

來源:北京錦坤科技有限公司   2016年05月20日 10:27  

北京錦坤科技有限公司

2.3 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計

2.3.1 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)分析

上一節(jié)討論中發(fā)現(xiàn)光開中存在著通道時間延遲,而且不同狀態(tài)下的通道時間延遲不一致。這種不一致給延遲線帶來多大影響,上一節(jié)中給出的是光開關(guān)的差分組合結(jié)構(gòu),結(jié)果顯示在理論情況下BIT 延遲線的延遲精度取決于光開關(guān)內(nèi)部的各通道時間延遲。為了消除這種通道時間延遲不一致給延遲線帶來的影響,本節(jié)將分析另一種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

如圖 2-5 所示,為兩個光開光的旁路組合形成的 2-bit 延遲線,延遲步進(jìn)為△t,光開關(guān)1的 IN1端口與其OUT1端口相連,插入時間延遲△t;光開關(guān)2的IN1端口與其OUT1端口相連,插入時間延遲2△t,假設(shè)光開關(guān)1的OUT2端口和光開關(guān)2的IN2端口的綜合尾纖為L1;光開關(guān)1的IN1端口與其OUT1 端口的綜合尾纖為L2;光開關(guān)2的IN1端口與其OUT1端口的綜合尾纖為L3。光開關(guān)的各狀態(tài)的通道延遲分別為△τbar22,△τcross12和△τcross21,由此光路 2-bit 光纖延遲線各狀總的理論延遲時間:

將處理后的式子帶入延遲線的四種狀態(tài)下,得到得到新的延遲線,見表2-3。

由表2-3 可知,旁路結(jié)構(gòu)的2-bit 光纖延遲線的各狀態(tài)的延遲時間比為:0:1:2:3,誤差為0,此結(jié)構(gòu)可*抵消了光開光帶來的狀態(tài)差。在實際的研制過程中,要想得到延遲為0,△t,2△t和3△t的延遲,則只需對△t和2△t基準(zhǔn)光纖的長度進(jìn)行修正(加入補(bǔ)償光纖)就行。修正后的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2-6。

上面討論了光開光的旁路組合結(jié)構(gòu),分析可知,這種結(jié)構(gòu)通過對基準(zhǔn)光纖長度進(jìn)行補(bǔ)償可以消除由于光開光的通道延遲不一致帶來的延遲誤差。不僅如此,此種結(jié)構(gòu)在實現(xiàn)同樣BIT 的情況下能少使用一個光開光,使結(jié)構(gòu)更加緊湊,還降低了成本。但是這種受限于光纖的彎曲半徑,在保證光纖彎曲損耗不大的情況下,光纖的彎曲半徑不能小于3cm,因此給延遲線帶來了zui小步進(jìn)為500ps 左右。這種情況下,500ps 的zui小步進(jìn)不能滿足課題要求。

2.3.2 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)優(yōu)化
考慮到光開光的狀態(tài)誤差和課題5-bit光纖延遲線的zui小步進(jìn)要求,本文對初始的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)做一些改進(jìn)。如圖2-7 所示為改進(jìn)后的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖,延遲線由兩個1×2 和4 個2×2 的光開關(guān)組成,各狀態(tài)點的基準(zhǔn)延遲為Δt、2Δt、4Δt、8Δt 和16Δt。

用兩個1×2 的光開關(guān)代替2×2 光開關(guān)是為了進(jìn)一步減小2×2 光開關(guān)狀態(tài)誤差對延遲線精度的影響。雖然1×2 光開關(guān)僅有的兩個狀態(tài)也可能通道延遲不一致,但是這種不一致可以通過在尾纖加入補(bǔ)償光纖進(jìn)行彌補(bǔ),使得兩個狀態(tài)的通道延遲相等,即:t11=t12。如圖2-8 所示。

2×2 光開光內(nèi)部存在著四種狀態(tài)的通道延遲,而且都不一定相等,這樣的不確定性給設(shè)計出的延遲線精度誤差帶來了不可控性。為了盡量減少光開關(guān)四種狀態(tài)通道延遲的不確定性,在2×2 光開關(guān)的三個端口上加入補(bǔ)償光纖,使得三種狀態(tài)的通道延遲相等,只有一種狀態(tài)不等。如圖2-9 所示,在IN 1、OUT 1 和OUT 2端口上加入了補(bǔ)償光纖,使:t12=t22=t21=a,t11=b,由式(2-12) 可知,

△τ=b-a=-0.8ps。光開關(guān)經(jīng)過補(bǔ)償光纖處理后,雖然還不能具體的得出各狀態(tài)的通道延遲值,但是能得到各狀態(tài)通道延遲差值,且這種差值是固定的,不隨補(bǔ)償光纖的長度而定。

光開關(guān)的放置有兩種方法:一種正向放置,定義為光開光的“0”位放置;另一種反向放置,定義為光開關(guān)的“1”位放置。如圖2-10 所示,2×2 光開關(guān)正反放置定義圖。

處理后的1×2 光開關(guān)通道延遲時間差被抵消,正反放置對延遲無影響,設(shè)計過程中就不用考慮其狀態(tài)差。下面就2×2 光開關(guān)的正反放置對5-bit 延遲線延遲誤差影響作分析。

如圖2-11 所示,四個2×2 光開關(guān)的編號為1、2、3 和4,各狀態(tài)通道延遲關(guān)系為:t12=t22=t21=a,t11=b,假設(shè)光信號經(jīng)過光開關(guān)的下路直通,其通道延遲設(shè)為N ,上路直通延遲為N',差通延遲為 T。由此可以得出 5-bit 光纖延遲線不同bit 狀態(tài)下,光信號在各個光開關(guān)的通道延遲,見表2-4。

有四個2×2 的光開關(guān),對應(yīng)的光開光組合狀態(tài)數(shù)就有16 個,分別為0000~1111。當(dāng)一個光開關(guān)的狀態(tài)為“0”時(正向放置),各通道對應(yīng)延遲時間為:N=T=a,N=b,當(dāng)一個光開關(guān)的狀態(tài)為“1”時(反向放置),各通道對應(yīng)延遲時間為:N=T=a,N=b,5-bit 光纖延遲線總的理論延遲誤差就等于四個光開關(guān)的通道延遲之和:t=t1+t2+t3+t4。以此計算方式,將光開關(guān)的 0000~1111狀態(tài)分別代入到表2-3 中,可得出不同光開關(guān)放置狀態(tài)下延遲線的zui大理論誤差的值,如圖2-12 所示。

由圖2-12 分析可知,當(dāng)光開關(guān)的放置狀態(tài)為“0101”、“0110”、“1001”和“1010”時,延遲線的zui大理論誤差為zui小,誤差范圍為0~-2△τ。其他狀態(tài)的延遲線zui大理論誤差能達(dá)到 4△t,而且這種zui大誤差還會隨著光開關(guān)級聯(lián)個數(shù)的增加而增加,可見對光開關(guān)組合狀態(tài)的選擇是很有必要的。在延遲線的研制過程中,光開關(guān)的放置狀態(tài)為“0101”、“0110”、“1001”和“1010”都可作為延遲線可選拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

2.4 研制結(jié)果
確定好5-bit 光纖延遲線的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),對此結(jié)構(gòu)的延遲線進(jìn)行制作,測得延遲線數(shù)據(jù)如表2-5 所示。研制結(jié)果:延遲線的延遲誤差范圍為-1.2~1.0ps,延遲誤差均方差為0.68ps;延遲線插損均值為5.42dB,幅度一致性為0.49dB,如圖2-13所示。

2.5 本章小結(jié)
本章首先介紹了光纖延遲線的幾種測量技術(shù),搭建了基于矢網(wǎng)的相位法測量的光纖延遲線研制實驗平臺,對單點光纖延遲線的研制精度能達(dá)到±0.1ps。通過多種光開關(guān)的比較,zui終選擇磁光開關(guān)作為5-bit 光纖延遲線的選用光開關(guān),分析了光開關(guān)內(nèi)部存在著狀態(tài)延遲誤差,并指出這種狀態(tài)誤差對設(shè)計出來的延遲線的延遲精度有影響。為了盡量克服光開關(guān)狀態(tài)延遲誤差對延遲線的影響,對延遲線的
拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析、設(shè)計和優(yōu)化,發(fā)現(xiàn)旁路結(jié)構(gòu)雖然能從理論上消除光開關(guān)的狀態(tài)誤差對延遲線的精度影響,但是受限于光纖的彎曲半徑。光纖延遲線采用的結(jié)構(gòu)是4 個2×2 光開關(guān)和2 個1×2 光開關(guān)的差分組合,對光開關(guān)進(jìn)行了預(yù)處理,嘗試了改變光開關(guān)的正向放置和反向放置,得出4 個2×2 光開關(guān)放置狀態(tài)為“0101”、“0110”、“1001”和“1010”時,延遲線的zui大理論誤差為zui小。在基于*的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)下,成功研制了步進(jìn)為10ps 的高精度5-bit 光纖延遲線,延遲精度±1.1ps;誤差均方差為0.68ps;平均插損5.42 dB;幅度一致性:0.49dB。

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