【word】 多抽头宽带光纤延迟线的设计与分析

【word】 多抽头宽带光纤延迟线的设计与分析 多抽头宽带光纤延迟线的设计与分析 第27卷第1期 2012年2月 光电技术应用 ELECTRO—OPTICTECHN0LOGYAPPLICATION VO1.27.No.1 February,2012 ? 光电器件与材料? 多抽头宽带光纤延迟线的设计与分析 李希明,黄鹏飞 (中国电子科技集团公司第三十四研究所,广西桂林541004) 摘要:提出一种具有实用价值的步进延迟可调的多抽头宽带光纤延迟线.首先简要介绍了光纤延迟线的优点, 和基本结构,分析了光纤延迟线的增益,带宽,动态范围和失真指标,着重分析了多抽头宽带光纤延迟线的光纤分配网络的设计 和实现.最后对设计的多抽头宽带光纤延迟线进行了测试,给出了测试方法和测试结果,并将它同国际,国内其他同类产品做了 对比,描述了它的应用前景和应用领域. 关键词:宽带光纤延迟线;光纤;激光器;多抽头 中图分类号:TN812;TN929.11文献码:A文章编 号:1673—1255(2012)01—0045—04 Multi-tappedWidebandOpticalFiberDelayLine rning.HUANGPeng—fei LIXi— fThe3ResearchInstituteofChinaElectronicsTechnologyGroupCorporationfCETC),Guilin541004,China) Abstract:Themulti—tappedwidebandopticalfiberdelaylinewiththepracticalvalueandtheadjustablestep delayisintroduced.Firstly,theadvantage,workingprincipleandbasicstructureofopticalfiberdelaylineareintro— duced.Thenthegain,bandwidth,dynamicrangeanddistortionindexoftheopticalfiberdelaylineareanalyzed, andthedesignandimplementationoftheopticalfiberdistributionnetworkarediscussed.Finally,the multi-mappedwidebandopticalfiberdelaylineistested,andthetestmethodandresultaregiven.The multi—mappedwidebandopticalfiberdelaylineisalsocomparedwithotherintemationalanddomesticproducts anditsapplicationprospectandapplicationfieldaredescribed. Keywords:widebandopticalfiberdelayline;opticalfiber;laser;multi-tap 延迟线作为一种重要的信号暂存设备,广泛应 用于信号处理,雷达和电子对抗等领域.最早投入 使用的延迟线有声面波(SAW)延迟线,电荷耦合 器件(CCD)延迟线和同轴线延迟线等,但随着信号的 工作频率和带宽的拓宽,系统对延迟线的损耗,时间带 宽积(?B)的要求越来越高,上述的各种延迟线的性 能,已经逐渐不能满足系统的要求,而由光纤和光电器 件组成的光纤延迟线就可以很好地满足这些要求. 光纤的延迟损耗很低,并且损耗跟频率无关,这 一 点是其他延迟线无法做到的.单模光纤延迟线的 单位延迟时间损耗小(大约为0.08dB/txs),时间带宽 积大(可达10),带宽很宽(可达100GHz)等优点,且 动态范围大,三阶交调信号小,并且能封装进一个小 型的屏蔽盒内,占用空间很小,对实现整个信号处理 系统的小型化和机动l生很有好处. 现阶段投入使用的光纤延迟线大多是窄带的, 只满足某个频带的需求,如S波段光纤延迟线,K波 段光纤延迟线等,本光纤延迟线是作为一种宽带,通 用性器件而研制的,它可以覆盖从P波段到Ku波段 的所有频段,另外配上特殊定制的多抽头光纤,可以 提供给客户一个全频带的,步进的,延迟时间可控的 通用模块. 收稿日期:2012—02—10 作者简介:李希明(1982一),男,助理工程师,主要研究方向为微波光纤 通信,高速数据光纤传输 光电技术应用第27卷 1光纤延迟线工作原理和结构 光在真空中的传播速度为3×10m/s,光纤的纤 芯折射率为/7,,光纤的长度为,光纤延迟时间为 tr=/’t1L/c(1) 当n=1.5时,光纤的延迟约为5Ixs/km. 由此可以得出,改变光纤的长度可以调整信号 延迟时间,其最大信号延迟时间取决于光纤的衰减, 通常对于普通的G.652光纤,最大延迟时间可以达到 200-300txs. 光纤延迟线按照功能可以分解成:光发射模块, 光接收模块和光纤分配网络.其中光发射模块由 DFB激光器,自动光功率控制(APC),自动温度控制 电路(ATC),低噪声宽带放大电路,阻抗匹配电路和 光隔离器构成;光接收模块由光电探测器,低噪声宽 带放大电路,阻抗匹配电路和滤波电路组成;光纤分 配网络由带抽头的光纤和光开关组成,其原理框图 如图1所示. 光发射模块 光接收模块 控 制 接 口 图1多抽头宽带光纤延迟线原理框图 在发射光端机,光端机通过调制激光器的工作 电流的方式将输入射频信号调制到光载波上,输出 光信号的强度随着输入信号电平的变化而变化.另 外,由于DFB激光器对温度变化比较敏感,为了保证 光信号功率的平稳输出,必须在光发射模块中增加 自动光功率控制电路(APC)和自动温度控制电路 (ATC). 激光器输出的调制光信号经过光隔离器进人光 纤,经过光纤分配网络的传输,信号产生了延迟.通 过对光开关的控制,选择一路延迟后的光信号进入 光接收机,光电探测器将光信号转换成电信号,经过 放大,阻抗匹配和滤波电路后输出.输出射频信号 的频谱与输入信号的频谱保持一致. 2设计与分析 实用性是一个设计是否具有生命力的关键因 素,这也是多抽头宽带光纤延迟线在设计之初时最 看重的指标,所有预设的性能指标均以满足实用化 为前提.光纤延迟线一般有如下指标:带宽,电平损 耗,最大输入电平,最大延迟时间,延时步进时间,步 进位数,延时精度.其中,带宽指标设定为100MHz, 18GHz,覆盖P波段到Ku波段,基本满足现阶段的需 求;增益指标为一8dB,根据使用环境的要求可以变 动;最大输入电平指标与激光器密切相关,一般为10 dBm;另外最大延迟时间,延时步进时间和步进位数 决定于用户需求,此处设定为最大延迟时间:0.16 ms,延时步进时间:40txs,步进位数:4. 2.1增益 光纤延迟线的损耗可以按照结构分为3个变量: 发射机效率,接收机效率和光路损耗 =rl-rxrl~rlF(2) 式中,I]TX是在输入射频电流转换成光功率的模型 中,整个发射机的效率,包括放大器和匹配网络;叼Rx 是在调制光功率转换成射频输出电流的模型中,整 个接收机的效率;叩,是光路损耗. 根据实践,DFB激光器和光电探测器造成的电 平损耗大约为39dB,为了补偿这个损耗,必须在激 光器前面或探测器后面加上放大器.在设计时需要 考虑放大器的位置分布,因为放大器的位置会极大 地影响链路的噪声指标和失真指标. 光纤分配网络的损耗包括光纤损耗,各个光接 头的损耗,各个抽头的分光损耗,光开关的插人损耗 等.这些参数可以使用仪器直接测量,得到光路损 耗参数,7,.利用电路和光路的损耗参数可以得到 整个链路的损耗. 第1期李希明等:多抽头宽带光纤延迟线的设计与分析47 2-2带宽 光纤延迟线的传输带宽受到激光器带宽,放大 电路带宽,阻抗匹配电路带宽,光接收电路带宽和光 纤散射的限制.阻抗匹配电路,光接收电路和光纤 散射都具有足够的带宽余量,对带宽指标的影响不 大.相对而言,低噪声放大电路和激光器的带宽指 标基本上决定了整个光纤延迟线的带宽指标. 在本设计中,光发射机的激光器选择ORTEL公 司的1541C,光接收机的探测器选用ORTEL公司的 2516B,他们的带宽均在18GHz以上,满足设计要 求.低噪声放大电路选择宽带放大电路,为了获得 最佳的频率响应曲线,针对激光器和低噪声放大电 路的频率响应曲线设计一个频响补偿电路是十分必 要的,降低低频信号的响应度,提高高频信号的响应 度,尽量使得频率响应曲线做到最平坦. 2.3动态范围和失真 底部噪声电平决定了链路的最小可检测射频信 号,激光器和放大器的非线性特性限制了可传输的 最大射频信号.最大信号和最小信号之差就是系统 的动态范围指标,一般来说,这个指标是以dB为计量 单位的.当链路传输一个单音信号时,这时对其他 信号的干扰很小,可以用1dB压缩点来描述最大输 入信号幅度.当链路传输很多个信号时,这时候使 用三阶截止点来计算无失真最大输入信号. 2.4光纤网络设计 光纤分配网络主要由带抽头的光纤和N:1光开 关组成,光信号经过不同抽头输入到光开关中,通过 外部控制,选择输出某个光信号. 光纤方面采用长飞公司生产的G.652光纤,它是 标准单模光纤,可以通过熔接,制作成一根带多个抽 头的光纤. 光开关采用中国电科34所生产的FSWlxN—SM/ MM型单模光开关,它既可以通过手动按钮控制输 出,又可以通过RS232接口遥控输出,实现一体化,自 动化控制.它的主要指标为:波长850,1310,1550 nm,插入损耗?O.5dB,重复性??O.75dB,寿命? 10次,回波损耗I>50dB(单模)?25dB多模,串 音?一70dB,切换时间?1Oms. 光纤网络的设计关系到信号延迟时间,延迟步 进时间,步进延时精度等至关重要的参数,步进延时 精度由光纤熔接的工艺精度决定,经实践,在最优情 况下,光纤熔接的精度约为1mm,光纤延迟线的步进 延时精度约为5ps.由于光纤延迟线的精度的一致 性很好,在定型后,可以为每个抽头配备相对固定的 调相器来调整精度,精度可达皮秒级. 多抽头光纤延迟线,设定步进位数为m;进入光 纤分配网络的光功率为P,单位为dBm;假定所有抽 头的间距相等为L,可设定抽头之间的光纤衰减为a, 单位为dB;各个抽头的分光比为1:n,从图1可以得 出,抽头1的分光比为抽头2的分光比为…,抽 头的光功率直接输出,不需分光.为保证从光接收 机输出的电信号电平一致,必须保证从光纤网络输 入到光接收机的光信号的功率一致,考虑到光纤网 络各个组件的性质,只要保证每个抽头的输出光功 率一致就可以了,那么现在可以得到以下公式. 各个抽头的输出光功率为 P1~--P,+101g . 1(3) P2P一口+10lg n~l一口+10lgn?+1,(4) × 咒1+1 Pro-1P—m—1)口+10lgn2×..?× m一2 7zm一2+1 + (5) 10lg Pm一+101gl×X--.Xj (6) P1=P2=P3=…=P(7) 光纤延迟线一般会要求如下指标:工作频率,最 大延时时间,步进时延,时延精度等指标,根据这些 指标,下列参数可以确定. 根据最大延时时间除以时延步进就可以得到抽 头数量m;由时延步进指标就可以得到光纤延迟线的 步进长度,再乘上单位长度的光纤衰减,G.652光纤 在1550nm处的单位光衰减为0.25dB&m,可以得到 抽头间光纤衰减a的具体值;在代人需要的抽头数目 m,就可以通过式(3),式(7)计算出每个抽头的分光 比及光纤总衰减等指标.据此制作就可以获得所需 的光纤分布网络. 光电技术应用第27卷 假设现在需要一个光纤延迟线,要求最大延时 时间为0.16ms,步进时延为40s.这样的话,经过 初步计算,它的时延网络的抽头数目为4,光纤的步 进长度为40Izs/5(I~s/km)=8(km),抽头间光纤衰减 a=8~0.25=2dB,将这些参数代人上述公式,可以得到 结果 .厂厂.,] ,z1=10加I10?I10加+1l+1l?8.079,L/J 旦,,旦, ,z2=10ml10+1l一4.079, 旦 :10加?1. 585(8) 所以,抽头1的分光比为1:8.079,抽头2的分光 比为1:4.097,抽头3的分光比为1:1.585. 根据计算所得结果,可以十分精确地控制各个 抽头的分光比,生产出符合要求的光纤网络. 2.5设计总述 综合考虑上述指标,在电路设计中最具难度的 是带宽指标,为了达到18GHz这个指标,除了选择合 适的器件外,还必须采用各种补偿电路,补偿系统整 个链路的频率响应平坦度,增益,平坦度等指标.另 外须设计好各个模块间的阻抗匹配电路,在满足其 他指标的前提下尽量减少它对系统噪声性能的影 响.光纤分配网络的设计难点在于各个延时信号的 输出信号幅度的一致性和延时精度的保证. 3试验验证 将设备连接,使用光功率计测量光发射机的输 出光功率为9.3dBm,光纤分配网络的每个抽头输出 的光信号损耗约为11.6dBm,实际测试结果见表1 (注:选择不同抽头输出,输出光功率略有不同).从 图表可以看出,各个延时信号的输出幅度基本保持 一 致,在信号处理端不需要额外进行信号电平的调 整,杜绝了信号在电平调整过程中带来的延时时间 误差. 表1不同抽头输出的光功率 延时时间测量现在一般采用脉冲信号发生器和 高速示波器来测试,将射频信号发生器输出的射频 信号通过分路器一分为二,一路输入光纤延迟线,另 外一路输入高速示波器通道1,将光纤延迟线输出的 信号送人高速示波器的通道2,通过测量示波器屏幕 上2个信号的时间差就可得到信号延时时间的指标. 这里采用安捷伦公司的81130脉冲信号发生器 和力科公司的SDA18000高速示波器测试出各个抽 头的延时时间,经测量,各个抽头的延时为40,80, 120,160/zs,步进延时精度在100ps左右. 延迟线的带宽指标可以用矢量网络分析仪直82dB 图2延迟线的带内平坦度测试 最终测试的系统带宽为100MHz,18GHz,输入 1dB压缩点典型值为13dBm,最大延时时间为0.16 ms,步进延时为4Os,步进延时精度为100ps,切换 时间?10ms.由于延迟线的延时精度是由光纤的 熔接工艺决定,在更高要求下,延时精度可以做到5 ps左右. 4结束语 现在国内和国际上投入实用的光纤延迟线一般 为固定延时产品,步进延时和延时精度可调产品大 多停留在实验室内,可靠性不高并且成本很高,极少 用在中.本设计可以在线控制输出多个延 时信号,并且它每个延时信号的输出电平基本一致, 在信号处理端不需要额外进行信号电平的调整,杜 绝了信号在电平调整过程中带来的延时时间误差. 多抽头宽带光纤延迟线可以通过更改光端机工作带 (下转第75页)