CN103580752B - 光学真延时装置及光控波束形成网络系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种光学真延时（OTTD）装置及光控波束形成网络系统，其中，该OTTD装置包括：上级延时单元，包括第一级光分束器和设置有光纤光栅的N条上级延时线，其中N条上级延时线的每一条被配置成一端从第一级光分束器接收调制后的光载波；以及分别通过光环行器与N条上级延时线的每一条的另一端相对应耦合的N个下级延时单元，其中每个下级延时单元包括第二级光分束器和设置有色散光纤和/或补偿光纤的M条下级延时线，其中M条下级延时线的每一条被配置成一端通过光环行器及第二级光分束器从对应的上级延时线接收光载波；以及其中，M和N为正整数，光载波在相邻两条上级延时线之间的延时差Δτ1_i为光载波在相邻两条下级延时线之间的延时差Δτ_i的M倍。

Description

光学真延时装置及光控波束形成网络系统

技术领域

本发明涉及通信领域，具体地，涉及一种光学真延时装置及方法。

背景技术

光控波束形成网络（OBFN）因其具有体积小、损耗低、抗电磁干扰等特点，在微波电子学中占有重要地位。OBFN中是通过对各阵元延时的设计来实现对波束扫描方向的控制的，因此，延时模块是OBFN的核心技术。延时模块中的真延时（TTD）模块（或装置）由于其可以克服宽带微波信号下传统相移技术引起的波束偏斜问题，而成为OBFN领域的研究热点。

现有技术中提供有一种基于光纤光栅的光学真延时（OTTD）模块，但是由于光栅重叠问题，该模块无法支持大于3GHz的高频信号。另一种基于色散介质的OTTD模块使用了啁啾光纤光栅，但是啁啾光纤光栅的抖动问题也影响了它的应用。目前国内外提出的基于光子晶体光纤的OTTD模块，具有光子晶体光纤长/光源多的弊端。随着通道增多，光源的数量也增多，光纤的长度成倍的增加，耗资巨大。

针对上述问题，现有技术中尚无解决方案。

发明内容

本发明的目的是提供一种光学真延时（OTTD）装置和一种光控波束形成网络（OBFN）系统以至少解决现有技术中存在的上述问题。

为了实现上述目的，根据本发明的一个方面，提供了一种光控波束形成网络（OBFN）中使用的光学真延时（OTTD）装置，其中，该OTTD装置包括：上级延时单元，包括第一级光分束器和设置有光纤光栅的N条上级延时线，其中该N条上级延时线的每一条被配置成一端从所述第一级光分束器接收调制后的光载波；以及分别通过光环行器与所述N条上级延时线的每一条的另一端相对应耦合的N个下级延时单元，其中每个所述下级延时单元包括第二级光分束器和设置有色散光纤和/或补偿光纤的M条下级延时线，其中该M条下级延时线的每一条被配置成一端通过所述光环行器及所述第二级光分束器从对应的上级延时线接收所述光载波；以及其中，M和N为正整数，所述光载波在相邻两条上级延时线之间的延时差Δτ1_i为所述光载波在相邻两条下级延时线之间的延时差Δτ_i的M倍。

进一步地，所述光纤光栅为以下至少之一者：光纤布拉格光栅（FBG）、高斯型光栅以及取样光栅。

进一步地，所述光纤光栅为光纤布拉格光栅（FBG），其中，所述N条上级延时线的每一条上对应于扫描方向为0°的波长λ₀的FBG的光栅位置相同，并且第k+1条上级延时线中波长λ_i的FBG的光栅位置d_i(k+1)与第k条上级延时线上波长λ_i的FBG的光栅位置d_ik符合以下关系：d_i(k+1)＝d_ik+Δd_i，其中Δd_i为波长λ_i的FBG的位置增量，i为整数，1≤k≤M，以及Δd_i＝McΔτ_i/2n_eff。其中，c为光速，n_eff为所述FBG的有效折射率。

进一步地，所述N条上级延时线的每一条上的FBG数量相同。

进一步地，所述N条上级延时线的每一条上的FBG数量依据需要扫描的角度的数量来设置。

进一步地，所述下级延时单元中的第j条下级延时线由长度为(j-1)L₀的色散光纤和长度为(M-j)L_SMF的补偿光纤组成，其中，j为整数，1≤j≤M，并且满足n_SMF(λ₀)L_SMF＝n(λ₀)L₀，其中L₀为所述色散光纤的单位长度，L_SMF为所述补偿光纤的长度，n_SMF(λ₀)为所述补偿光纤在波长λ₀的折射率以及n(λ₀)为所述色散光纤在波长λ₀的折射率。

进一步地，所述色散光纤包括以下至少之一者：光子晶体光纤或色散补偿光纤。

进一步地，所述光环行器为三端光环行器。

根据本发明的另一个方面，还提供了一种使用光学真延时（OTTD）装置的光控波束形成网络（OBFN）系统，其中，该OBFN系统还包括：可调激光器、偏振控制器、光电调制器以及光电探测器，其中所述可调激光器，被配置成产生单一波长的光；所述光电调制器，经由所述偏振控制器从所述可调激光器接收所述单一波长的光作为光载波，所述光电调制器被配置成将输入的无线电频率信号调制到所述光载波上，输出调制后的光载波到所述第一级光分束器；以及所述光电探测器，与所述M条下级延时线的每一条的另一端相耦合，被配置成将所述无线电频率信号从所述光载波中解调。

通过上述技术方案，每一条上级延时线通过单条光纤光栅能够控制多条下级延时线的延时，进而控制相控阵中多个阵元的延时，减小因光纤光栅的制作精度不高造成的扫描角度的误差；同时，采用上级延时线控制多条下级延时线的控制方式，能够减少光纤光栅的使用；采用色散光纤与补偿光纤相组合的方式，能够减少延时线使用的光纤长度。

本发明的其他特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。

附图说明

附图是用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本发明，但并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1是根据本发明实施方式的光学真延时（OTTD）装置示意图；

图2是根据本发明实施方式的光控波束形成网络（OBFN）系统示意图；

图3是根据现有技术的辐射阵元微波信号远场辐射强度极坐标图；以及

图4是根据本发明实施方式的辐射阵元微波信号远场辐射强度极坐标图。

具体实施方式

从背景技术的介绍中可以看出现有技术中提出的基于光子晶体光纤的OTTD模块，具有光子晶体光纤长/光源多的弊端。随着通道增多，光源的数量也增多，光纤的长度成倍的增加，耗资巨大。

在相控阵天线中，各辐射阵元之间均匀排列，相邻阵元的间距为Λ，微波（或光波）频率为f_m，微波波长为λ_m，θ为微波信号的辐射方向或扫描角度，c为光速。其中，相邻阵元的间距通常为：辐射方向θ与相邻阵元的延时差Δτ的关系满足因此，要控制OBFN系统中微波信号辐射方向的关键就是控制相邻阵元信号的延时差Δτ。对于确定的微波频率f_m，不同的延时差Δτ将对应不同的辐射方向θ。本发明中，将利用分立的光纤光栅（例如，均匀布拉格光纤光栅（FBG））和色散光纤（例如，高色散光纤（HDF））组成与阵元数相匹配的延时线来共同产生相邻阵元的延时差Δτ。

下面对本发明的原理进行说明。载有无线电频率信号的光波通过布拉格光栅棱镜会产生延时差Δτ1。FBG具有滤波的特性，它对其布拉格波长附近的光具有优秀的反射特性，反射率高达99%以上，而对于非布拉格波长附近的光则具有优秀的透射特性，透射率也可以达到99%以上。因此，可以利用相同布拉格波长的光纤光栅摆放在不同延时线的不同位置，造成该波长的光在不同延时线的不同位置反射，即可以在不同延时线中产生不同的延时。若FBG摆放的位置合理，即可以在相邻的延时线中产生相等的延时差Δτ1。为使某一波长λ₀的光波通过延时线产生的延时差Δτ1为零，该波长的布拉格光栅应位于所有延时线的同一位置（例如，距离延时线的光波入射端相同的位置）。由于这种产生延时的延时线在本发明中处于光载波先经过的路经，所以可以把每一个延时线，叫做一条上级延时线。

已通过上级延时线的光载波再通过高色散光纤组时会产生延时差Δτ2。高色散光纤具有高色散的性质，高色散使得波长不同的两束光经过同一段高色散光纤的时间不同，因而可以用来产生延时。不同波长的两束光通过同一高色散光纤产生的延时差为Δτ2，满足λ₁，λ₂为波长不同的两束光的波长，D(λ)为波长λ的光纤色散值，L为光纤的长度。在不同延时线中，高色散光纤的长度依次成整数倍的增加，可以使不同波长的光在相邻的延时线中产生不同的延时差Δτ2。为使某一波长λ₀的光波通过延时线产生的延时差Δτ2为零，延时线上应铺设用于补偿光程的单模光纤，使λ₀通过每个延时线的光程一致。这样一组延时线，可以组成以一个延时结构，因在本发明中处于光载波路经的后段，所以称为下级延时结构。

本发明结构中将上述两种（上级和下级）结构级联在一起，使每一个光纤光栅延时线（上级延时线）后面都级联相同的一组高色散光纤延时线（下级延时线），即每一个上级延时线后级联一个下级延时结构。通过延时线来产生延时差。这样每一条上级延时线控制着多个阵元，阵元数为下级延时单元的延时线数目M。上级延时线产生的延时差Δτ1较大，为相邻阵元要求的延时差Δτ的M数倍。下级延时结构中产生的延时差Δτ2较小，为相邻阵元要求的延时差Δτ。这样级联之后，每条下级延时线的延时差均为Δτ。Δτ将随着光载波波长的不同而有所不同，扫描角度也通过光载波波长的不同而得到控制。

以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。

图1是根据本发明实施方式的光学真延时（OTTD）装置示意图。如图1所示，根据本发明实施方式的一种光控波束形成网络（OBFN）中使用的光学真延时（OTTD）装置包括：上级延时单元110，包括第一级光分束器111和设置有光纤光栅的N条上级延时线，其中该N条上级延时线的每一条被配置成一端从所述第一级光分束器111接收调制后的光载波；以及分别通过光环行器120与所述N条上级延时线的每一条的另一端相对应（例如，一一对应）耦合的N个下级延时单元130，其中每个所述下级延时单元130包括第二级光分束器131和设置有色散光纤和/或补偿光纤的M条下级延时线，其中该M条下级延时线的每一条被配置成一端通过所述光环行器及所述第二级光分束器从对应的上级延时线接收所述光载波；以及其中，M和N为正整数，所述光载波在相邻两条上级延时线之间的延时差Δτ1_i为所述光载波在相邻两条下级延时线之间的延时差Δτ_i的M倍。

通过上述技术方案，每一条上级延时线通过单条光纤光栅能够控制多条下级延时线的延时，进而控制相控阵中多个阵元的延时，减小因光纤光栅的制作精度不高造成的扫描角度的误差；同时，采用上级延时线控制多条下级延时线的控制方式，能够减少光纤光栅的使用；采用色散光纤与补偿光纤相组合的方式，能够减少延时线使用的光纤长度。

优选地，所述光纤光栅可以为：光纤布拉格光栅（FBG）、高斯型光栅以及取样光栅。结合光纤光栅的性质，本领域技术人员可以知晓，本发明提供的OTTD装置中可以使用多种光纤光栅。这样，在实施本发明时就具有极大的灵活性。

优选地，所述光纤光栅为光纤布拉格光栅（FBG），其中，所述N条上级延时线的每一条上对应于扫描方向为0°的波长λ₀的FBG的光栅位置相同（例如，上级延时线的每一条上波长λ₀的FBG的光栅位置距离该上级延时线的光环行器的距离相同），并且第k+1条上级延时线中波长λ_i的FBG的光栅位置d_i(k+1)与第k条上级延时线上波长λ_i的FBG的光栅位置d_ik符合以下关系：d_i(k+1)＝d_ik+Δd_i，其中Δd_i为波长λ_i的FBG的位置增量，i为整数，1≤k≤M，以及Δd_i＝McΔτ_i/2n_eff。其中，c为光速，n_eff为所述FBG的有效折射率。优选地，所述N条上级延时线的每一条上的FBG数量相同。并且，所述N条上级延时线的每一条上的FBG数量依据需要扫描的角度的数量来设置。例如，在扫描间隔为5°，扫描范围为±45°时，扫描的角度数量为19个，则N条上级延时线的每一条上的FBG数量可以是19个。

优选地，所述下级延时单元中的第j条下级延时线由长度为(j-1)L₀的色散光纤（例如，高色散光纤）和长度为(M-j)L_SMF的补偿光纤（例如，用于补偿光程的单模光纤）组成，其中1≤j≤M，并且满足n_SMF(λ₀)L_SMF＝n(λ₀)L₀，其中L₀为所述色散光纤的单位长度，L_SMF为所述补偿光纤的长度，n_SMF(λ₀)为所述补偿光纤在波长λ₀的折射率以及n(λ₀)为所述色散光纤在波长λ₀的折射率。其中，所述色散光纤可以是：光子晶体光纤或色散补偿光纤。光环行器可以为三端光环行器。

图2是根据本发明实施方式的光控波束形成网络（OBFN）系统示意图。如图2所示，本发明实施方式提供了一种使用上述光学真延时（OTTD）装置的光控波束形成网络（OBFN）系统，其中，该OBFN系统还包括：可调激光器（TLS）、偏振控制器（PC）、光电调制器（EOM）以及光电探测器（PD），其中所述可调激光器，被配置成产生单一波长的光；所述光电调制器，经由所述偏振控制器从所述可调激光器接收所述单一波长的光作为光载波，所述光电调制器被配置成将输入的无线电频率（RF）信号调制到所述光载波上，输出调制后的光载波到所述第一级光分束器111；以及所述光电探测器，与所述M条下级延时线的每一条的另一端相耦合，被配置成将所述无线电频率信号从所述光载波中解调。

通过本发明提供的上述系统，可调谐激光器（TLS）发出单一波长λ_i的光经过偏振控制器（PC）之后，由光电调制器（EOM）将微波信号调到光信号（或光载波）上。调制后的波长λ_i的光载波将载着微波信号进入一个1：N的光分束器（即第一级光分束器）均分为N份，再进入到N条上级延时线。在不同的上级延时线中，反射波长为λ_i的布拉格光栅的摆放位置如图2中所示。

N条上级延时线中，对应扫描方向为0°的波长λ₀的反射位置应在同一位置，使得波长λ₀的光波经过N条上级延时线所用的时间一样，即Δτ1₀＝0，记波长λ₀的布拉格光栅的位置为每条上级延时线的位置标准零。第k+1条上级延时线中波长λ_i的布拉格光栅位置d_i(k+1)与第k条上级延时线上波长λ_i的布拉格光栅位置D_ik符合关系：d_i(k+1)＝d_ik+Δd_i，Δd_i为波长λ_i的布拉格光栅的位置增量，其符号表示扫描角度的正负，其大小表示延时量的大小。当每条上级延时线控制的下级延时单元对应的辐射阵元数为M时，由Δd_i产生的延时差Δτ1_i为Δτ_i的M倍，Δτ1_i＝MΔτ_i，Δτ1_i＝2Δd_in_eff/c，所以Δd_i＝McΔτ_i/2n_eff。其中，i为整数，1≤k≤M，c为光速，n_eff为FBG的有效折射率。这样当光λ_i通过上级延时线后，相邻的延时线产生了M倍的相邻阵元需要的延时差Δτ_i。

带着上级延时线中产生的延时差Δτ1_i，每条上级延时线波长λ_i的光载波进入1：M的光分束器（即第二级光分束器），分别进入由长度为(j-1)L₀的高色散光纤（HDF）和长度为(M-j)L_SMF的普通单模光纤（SMF）（即补偿光纤）组成的下级延时单元的延时线，其中j为下级延时单元中延时线的标号，如图2所示从上到下依次增加，1≤j≤M，j为整数。为使波长λ₀的光波通过下级延时单元中产生的延时差为0，光波通过每条延时线的光程应相同，即有n_SMF(λ₀)L_SMF＝n(λ₀)L₀，那么L₀与L_SMF存在对应的关系，n_SMF(λ₀)为SMF在波长λ₀的折射率，n(λ₀)为HDF在波长λ₀的折射率。在下级延时单元中，第j+1条延时线比第j条延时线多长为L₀的HDF，而第j条延时线比第j+1条延时线多长为L_SMF的SMF。波长λ_i的光波通过长为L₀的HDF所用延时为通过长为L_SMF的SMF所用延时为则产生的延时差为 $\mathrm{\Δ\τ}{2}_i={\∫}_{{\mathrm{\λ}}_0}^{{\mathrm{\λ}}_i}D\left(\mathrm{\λ}\right)L_0\mathrm{d\λ}-{\∫}_{{\mathrm{\λ}}_0}^{{\mathrm{\λ}}_i}{D}_{\mathrm{SMF}}{L}_{\mathrm{SMF}}\mathrm{d\λ}=L_0{\∫}_{{\mathrm{\λ}}_0}^{{\mathrm{\λ}}_i}D\left(\mathrm{\λ}\right)-\frac{n\left({\mathrm{\λ}}_0\right)}{n_{\mathrm{SMF}}\left({\mathrm{\λ}}_0\right)}{D}_{\mathrm{SMF}}\mathrm{d\λ}.$ 其中D(λ)为HDF的色散，D_SMF为单模光纤的色散，单模光纤的色散一般为17ps/nm·km可以忽略。这样，只需选择合适的高色散光纤及其长度，使Δτ2_i＝Δτ_i，便可计算出每个延时线所用材料种类和长度，而这一点是很容易实现的。这样，可以实现在下级延时线中相邻延时线的延时差为Δτ_i。并能够与上级延时线相互配合实现相邻延时差为Δτ_i。

通过上级时延单元和下级时延单元，波长λ_i的光载波被成功均分为N·M份，并在相邻下级延时线中产生了Δτ_i的延时差。然后，进入光电探测器（PD）。最后，将微波信号从光载波中解调出来，再通过阵列天线辐射到预定的方向。

下面结合图3和图4通过举例来说明本发明的特点和效果。图3是根据现有技术的辐射阵元微波信号远场辐射强度极坐标图。图4是根据本发明实施方式的辐射阵元微波信号远场辐射强度极坐标图。

本发明提供的上述方案与现有技术相比，首先，在条件相同的情况下，提高了延时精度。例如，对于频率为40GHz的微波信号，实现5度步长的扫描需要1.09ps的时延差(Δτ_i＝sinθ/2f_m，θ=5°，f_m＝40GHz)，对于频率为100GHz的微波信号，需要0.44ps的时延差Δτ_i＝sinθ/2f_m，θ=5°，f_m＝100GHz)。目前，限制时延精度的主要因素是TTD系统的时延抖动，均匀的光纤光栅没有时延抖动，但是对光栅的定位精度要求高，而在光栅实际制作中存在定位不准的问题，这直接影响扫描方面的准确度。传统的光栅阵列的排列方式对FBG的位置要求非常严格，光纤光栅定位的误差δ(Δd_i)与信号扫描角度的误差δ(θ_i)存在关系其中f_m为微波的频率，θ_i为信号扫描的角度。例如，频率为40GHz的微波信号在普通光纤中，要求FBG的位置差为：0.87mm，当位置精度为0.1mm时，60°波束指向的偏差为8.97°，这是一个比较大的误差。而通过本发明提供的光栅排列方式将放松此要求，使扫描角度的误差变为当M=4时，同等条件下，波束指向的偏差降为2.2°。也就是说，当下级延时单元中包含的下级延时线数为M时，δ(Δd_i)造成的误差由原来的一个辐射阵元承担到本发明中M个阵元承担，从数学上降低了误差造成的影响，从而提高了准确度。

图3和图4示出了频率为f_m＝40GHz，FBG的制作精度为δ(Δd)＝10^-1mm，辐射阵元为20个的微波信号远场辐射强度极坐标图，其中图3为根据现有技术的传统结构辐射阵元的效果，图4为根据本发明的辐射阵元的效果。扫描范围为±60°，扫描间隔为5°，辐射图本应为25个峰。由于制作精度的问题，在图3中只有23个峰，其中50°和55°的峰值重合。而图4中有25个峰，说明在制作精度没有提高的情况下，使用本发明提供的方案，提高了扫描的准确度。

另一方面，使用本发明提供的技术方案，能够减少使用光纤的长度。传统的延时模块，当控制阵元增多时，每条光纤的长度成倍的增加。而在本发明中采用一条上级延时线对应控制一个下级延时单元的形式，减少了系统直接控制的阵元数，这就减小了光纤的长度。以光纤的色散D=500ps/km/nm为例，40GHz时，如果波长间隔为1nm，那么1000个阵元中1000条光纤长度依次为：2m,4m,6m，...,2000m。加上每根延时线的补偿光纤，总的光纤长度为1000根2000m的光纤。光纤的长度过长不利于集成于实际的应用。本发明通过巧妙的上下级设置，解决了这个问题。将FBG和高色散光纤(HDF)结合，实现结构紧凑的无抖动的高精度时延模块。在与上面的举例相同的情况下，若M=5，则只需要色散光纤的长度为2m,4m,6m,8m,10m各200根。加上补偿光纤的长度，则仅需要1000根10m长的光纤。而上级时延线的光纤长度可以非常短，这样就大大减少了光纤的使用长度，有利于节能减排及高度集成化。

再者，本发明中提供的技术方案中下级时延单元均为完全相同结构。这样就使设计及制作都很方便。由于下级时延单元的存在，上级时延线的数目也能够成M倍的减少。

综上，根据本发明提供的上述方案，每一条上级延时线控制着多个阵元（或下级延时线），阵元数为下级延时结构（或下级延时单元）的延时线数目M。这样，与现有技术相比，有效提高了光纤光栅的利用率，减少了光纤光栅的使用数目，成M倍的减小了由于光栅摆放位置的不精确造成的扫描角度的误差。而天线的阵元由N个下级延时单元控制，而不是现有技术的通常结构中1组色散光纤的延时系统控制，其中N为上级延时线的个数。在现有技术的通常结构中，控制的阵元数越多，要求光纤的长度也就越长。而本发明提供的OTTD装置减少了每组色散光纤的个数，也减少了每组色散光纤的长度。这对于阵元数众多的相控阵天线系统来说，节约了大量的材料。

以下通过一个具体实施例进一步说明本发明。

为方便说明，以M=2，N=2，f_m=40GHz，，扫描间隔为5°，扫描范围为±45°的实际设计数据来说明本实施例。

具体步骤如下：

1）首先，设计下级延时单元中组成下级延时线的色散光纤的长度与普通单模光的长度。

设定高色散光纤在1550附近色散为D=600ps/km*nm，虽然随波长变化略有变化，但由于涉及波长范围较短，所以可以认为色散不变。（如果需要实验验证则要先了解所用光子晶体光纤的色散性质，再具体计算确定所选反射波长。）设对应扫描角度为0°的波长在单模光纤与高色散光纤的有效折射率相同为n_eff＝1.468。设计下级延时单元中组成下级延时线的色散光纤的长度与普通单模光的长度可以如下表一，其中，设在下级延时单元中，J=1为第一条下级延时线，J=2为第二条下级延时线。

表一

	高色散光纤长度	单模光纤长度
			J=1	0m	1.8157m
J=2	1.8157m	0m

2）设计扫描角度对应的波长，中心波长与上表一致为1550nm。

根据色散光纤的D=600ps/km*nm，及色散光纤单位长度L0=1.8157m，设计对应扫描角度对应的波长如下表二。

表二

0°	5°	10°	15°	20°	25°	30°	35°	40°	45°
										1550.0	1551.0	1551.99	1552.97	1553.92	1554.85	1555.74	1556.58	1557.38	1558.11

3）最后，设计与扫描角度对应的上级时延线上光栅的位置

在光纤的效折射率为n_eff＝1.468时，相邻光栅的中心间距为3mm，则两条上级时延线上光栅的位置可以如下表三，其中，设在上级延时单元中，K=1为第一条上级延时线，K=2为第二条上级延时线。

表三

扫描角度	0°	5°	10°	15°	20°	25°	30°	35°	40°	45°
											K=1光栅位置(mm)	0.00	3.00	6.00	9.00	12.00	15.00	18.00	21.00	24.00	27.00
K＝2光栅位置(mm)	0.00	3.22	6.44	9.66	12.87	16.08	19.28	22.47	25.64	28.81

其中，负角度对应的光栅位置与正角度对应的光栅位置相对于0对称。至此设计完毕。

发明人为了实现精确、低延时抖动的真延时，创新地采用两种色散介质（光纤光栅和色散光纤）混合延时结构，提高了延时精度，降低了成本。本发明基于光纤光栅（例如FBG）和高色散光纤（HDF）的OTTD设备具有结构简单、选频特性优良、延时精度高等优点。精巧的结构使得对光纤光栅的制作要求降低，色散光纤的长度成倍的减少，极大的节约了成本，可以产生高精度大延时的OTTD模块，适用于高频信号的大角度扫描，提高了光真延时模块广泛应用的可能性。可以实现高频宽带的波束形成网络。

本发明基于均匀光纤光栅的反射特性，以及高色散光纤的色散补偿特性，在现有的光纤光栅与高色散光纤生产制作技术水平上，提供高精度真延时的真延时模块，并减少材料的使用，减少体积节约成本，可用于支持高精度大扫描角度的相控阵天线雷达、智能天线以及光载无线通信（ROF，RadioOverFiber）等系统的应用。

以上结合附图详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明的保护范围。

另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合。为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。

此外，本发明的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本发明的思想，其同样应当视为本发明所公开的内容。

Claims (9)

1.一种光控波束形成网络(OBFN)中使用的光学真延时(OTTD)装置，其特征在于，该OTTD装置包括：

上级延时单元，包括第一级光分束器和设置有光纤光栅的N条上级延时线，其中该N条上级延时线的每一条被配置成一端从所述第一级光分束器接收调制后的光载波；以及

分别通过光环行器与所述N条上级延时线的每一条的另一端相对应耦合的N个下级延时单元，其中每个所述下级延时单元包括第二级光分束器和设置有色散光纤和/或补偿光纤的M条下级延时线，其中该M条下级延时线的每一条被配置成一端通过所述光环行器及所述第二级光分束器从对应的上级延时线接收所述光载波；以及

其中，M和N为正整数，所述光载波在相邻两条上级延时线之间的延时差为所述光载波在相邻两条下级延时线之间的延时差的M倍。

2.根据权利要求1所述的OTTD装置，其特征在于，所述光纤光栅为以下至少之一者：光纤布拉格光栅(FBG)、高斯型光栅以及取样光栅。

3.根据权利要求1所述的OTTD装置，其特征在于，所述光纤光栅为光纤布拉格光栅(FBG)，其中，所述N条上级延时线的每一条上对应于扫描方向为0°的波长λ₀的FBG的光栅位置相同，并且第k+1条上级延时线中波长λ_i的FBG的光栅位置d_i(k+1)与第k条上级延时线上波长λ_i的FBG的光栅位置d_ik符合以下关系：

d_i(k+1)＝d_ik+Δd_i，其中，Δd_i为波长λ_i的FBG的位置增量，i为整数，1≤k≤M，以及

Δd_i＝McΔτ_i/2n_eff，其中，c为光速，n_eff为所述FBG的有效折射率，Δτ_i为所述光载波在相邻两条下级延时线之间的延时差。

4.根据权利要求3所述的OTTD装置，其特征在于，所述N条上级延时线的每一条上的FBG数量相同。

5.根据权利要求4所述的OTTD装置，其特征在于，所述N条上级延时线的每一条上的FBG数量依据需要扫描的角度的数量来设置。

6.根据权利要求1-5中任一项权利要求所述的OTTD装置，其特征在于，所述下级延时单元中的第j条下级延时线由长度为(j-1)L₀的色散光纤和长度为(M-j)L_SMF的补偿光纤组成，其中1≤j≤M且j为整数，并且满足n_SMF(λ₀)L_SMF＝n(λ₀)L₀，其中L₀为所述色散光纤的单位长度，L_SMF为所述补偿光纤的单位长度，n_SMF(λ₀)为所述补偿光纤在波长λ₀的折射率以及n(λ₀)为所述色散光纤在波长λ₀的折射率。

7.根据权利要求6所述的OTTD装置，其特征在于，所述色散光纤包括以下至少之一者：光子晶体光纤或色散补偿光纤。

8.根据权利要求1所述的OTTD装置，其特征在于，所述光环行器为三端光环行器。

9.一种使用根据权利要求1-8中任一项权利要求所述的光学真延时(OTTD)装置的光控波束形成网络(OBFN)系统，其特征在于，该OBFN系统还包括：可调激光器、偏振控制器、光电调制器以及光电探测器，其中

所述可调激光器被配置成产生单一波长的光；

所述光电调制器经由所述偏振控制器从所述可调激光器接收所述单一波长的光作为光载波，所述光电调制器被配置成将输入的无线电频率信号调制到所述光载波上，输出调制后的光载波到所述第一级光分束器；以及

所述光电探测器与所述M条下级延时线的每一条的另一端相耦合，被配置成将所述无线电频率信号从所述光载波中解调。