CN112468256B - 基于波分复用的色散与非色散器件级联大型光真延时网络 - Google Patents

Abstract

本发明提出的一种基于波分复用的色散与非色散器件级联大型光真延时网络，包括多波长光源、电光调制单元和色散与非色散器件级联真延时单元；多波长光源包含多个波长间隔相等的光波分量；色散与非色散器件级联真延时单元由级联的可编程色散器件矩阵和可编程非色散器件阵列以及波长解复用器组成；可编程色散器件矩阵包括间隔设置的多个色散控制器和色散器件；可编程非色散器件阵列具有多个通路，第一个通路内仅设有非色散器件，其余通路均分别包括间隔设置的多个延时控制器和非色散器件。本发明利用波分复用，在减少波分复用对载波波长数量要求的同时增加真延时网络通道数，在低系统复杂度的情况下获得高通道一致性、低延时误差的真延时网络。

Description

基于波分复用的色散与非色散器件级联大型光真延时网络

技术领域

本发明涉及微波光子，光控波束赋形技术领域，具体涉及一种基于波分复用的色散与非色散器件级联大型光真延时网络。

背景技术

雷达天线的扫描技术有着重要的军用、民用价值。人们起初采用机械式雷达，通过转动机械结构实现雷达扫描，但机械结构在扫描速度、稳定性、体积等方面存在明显劣势，随着技术发展，逐步被相控阵技术所取代。相控阵技术利用各子阵信号之间的干涉，形成稳定、可控制的波束指向。相控阵天线作为一种可以实现波束定向扫描的天线结构，有着扫描速度高、支持多波束同时扫描和支持复杂波形控制等诸多优点，因而被广泛应用于电子战、通信与导航之中。传统的微波相控阵天线利用微波移相器实现各子阵信号的相位控制，由于移相器提供的相移固定，信号中的不同频率分量所获得的延时量不同，导致传统微波相控阵天线受制于波束倾斜等问题，在工作带宽、扫描角度等方面具有明显劣势。真延时(True Time Delay,TTD)是一种对抗波束倾斜的有效方法，信号通过真延时模块后各频率分量获得相同的延时，从而使各频率分量的干涉极大指向角相同，避免了传统相控阵天线出现不同频率分量形成的波束在空间中的弥散(即波束倾斜)的问题。

用光子学方法实现真延时的具体过程是将微波信号调制到光载波上，经过真延时模块后再通过光电转换得到获得延时的微波信号。光真延时方案具有低损耗、小重量、宽带宽角等优势，引发研究者极大兴趣。光真延时方案当前的两大技术路径分别为：

(1)改变光程：此方案又可以细分为改变光的传播路径长度或改变光传播介质的折射率，其结果均是改变光程，改变光传播获得的延时，进而使调制到光载波上的微波信号获得延时。

(2)复用多个不同波长的光载波：利用不同波长的光获得的延时不同的特点，使调制到光载波上的微波信号获得不同的延时量。

然而，现有的光控真延时网络存在结构复杂、体积大、复用与解复用能力不足、通道间一致性差、通道间相对延时误差控制困难等问题，滞塞了光控真延时方案向多通道、大规模方向发展的步伐，而实现多通道、大规模的真延时网络是大型光控相控阵天线的基础。具体地说，目前常见的光真延时方案有集成方案(如集成微环、集成布拉格光栅)、空间光学方案、光纤光栅等，这些方案各有长处，但缺点不容忽视。集成方案体积小，但在工作带宽、延时量、损耗方面仍与分立器件系统有较大差距；空间光学方案体积庞大，与使用光纤的系统相比劣势明显；光纤光栅是目前市面上延时器件常采用的方案，技术成熟，但在搭建多通道大规模系统时存在系统体积过大，通道间一致性差、通道间相对延时误差大的问题。在使用色散器件或非色散器件实现大规模真延时的系统中，受限于各通道之间的不一致性，多通道真延时非常难实现，延时量也受器件体积约束。

由此可见，为了将大规模光控真延时方案付诸实用，找到结构简单、延时控制准确、通道间一致性好的多通道、大规模光控真延时方案具有重要意义。

发明内容

针对现有光控真延时网络存在的问题，本发明提出了一种新颖的多通道大规模真延时网络结构，通过对级联的可编程色散矩阵与可编程非色散阵列的合理设计，利用波分复用，在减少波分复用对载波波长数量要求的同时增加真延时网络通道数，可减小光控相控阵天线系统体积、增大光控相控阵天线规模。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

本发明提出的一种基于波分复用的色散与非色散器件级联大型光真延时网络，设该网络能实现Kbit延时控制，其特征在于，包括多波长光源、电光调制单元和色散与非色散器件级联真延时单元，其中：

所述多波长光源，包含N个波长间隔相等的光波分量，以实现波长复用，N为正整数；

所述电光调制单元，包括电光调制器，利用该电光调制器将射频信号源调制到所述多波长光源输出的光载波上；

所述色散与非色散器件级联真延时单元，由级联的可编程色散器件矩阵和可编程非色散器件阵列，以及波长解复用器组成；其中：

所述可编程色散器件矩阵，包括间隔设置的(K+1)个色散控制器和K个色散器件，第一个色散控制器的输入端与所述电光调制器的输出端连接，各相邻的两色散控制器之间分别通过一个色散器件连接；通过所述可编程色散器件矩阵使各光波分量获得等间隔的延时差；

所述可编程非色散器件阵列，具有M个通路，第一个通路内仅设有非色散器件，其余通路均分别包括间隔设置的(K+1)个延时控制器和K个非色散器件，各相邻的两延时控制器之间分别通过一个非色散器件连接；M个通路的输入端同时与所述可编程色散器件阵列中的最后一个色散控制器的输出端连接；所述可编程非色散器件阵列中第一个通路到第M个通路引入的延时量以等间隔增大，且相邻两通路的延时差等于复用光信号中第一个波长分量与第N个波长分量所获得的延时差；

所述波长解复用器，与所述可编程非色散器件阵列中各通路的输出端连接，用于将所述非色散器件阵列的每一路输出光信号进行解复用，获得N×M通道且各相邻通道延时差相等的带载信号。

进一步地，所述色散控制器和延时控制器均采用光开关，且所述可编程非色散器件阵列中各通路内光开关的选通状态均与所述可编程色散器件矩阵中相应光开关的选通状态相同；所述可编程色散器件矩阵中除最后一个光开关的选通设置为“0”外，其余光开关的选通在“0”和“1”中任意选择。

本发明的特点及有益效果如下：

本发明将射频信号通过电光调制器调制到N个波长光源上，利用多波长光信号带载射频信号进行传输。光信号通过色散与非色散器件级联真延时单元内中的可编程色散器件矩阵与M路可编程非色散器件阵列后，得到N×M通道信号输出。此N×M通道获得延时的射频信号可作为相控阵天线馈源，通过对色散与非色散器件级联真延时单元进行编程控制，可以实现大规模波束扫描。

本发明能够解决现有真延时网络方案存在的规模难以做大、通道一致性差、结构复杂的问题，通过对级联的可编程色散矩阵与可编程非色散阵列的合理设计，利用波分复用，在减少波分复用对载波波长数量要求的同时增加真延时网络通道数，这将减小光控相控阵天线系统体积、增大光控相控阵天线规模，扩展应用范围，具有很大的实用意义。

本发明可实现N×M通道真延时网络。显然，在允许的信号幅值衰减范围内，本发明所提出结构的通道数随多波长光源包含的波长分量数量N、色散与非色散器件级联真延时单元级数、可编程非色散器件阵列路数M的增加而快速增加，有利于在低系统复杂度的情况下获得高通道一致性、低延时误差的大规模、多通道真延时网络，进而获得结构简单、控制简单的光控相控阵。

附图说明

图1是本发明提出的一种基于波分复用及色散与非色散器件级联的大规模光真延时网络的结构示意图。

图2是本发明的一种实施例的结构示意图，该实施例是一个能够实现6bit延时控制的64通道真延时网络。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步的详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施方式仅仅用以解释本发明，并不限定本发明的保护范围。

为了更好地理解本发明，以下详细阐述本发明提出的一种基于波分复用的色散与非色散器件级联大型光真延时网络的应用实例。

参见图1，本发明的一种基于波分复用的K bit色散与非色散器件级联大型光真延时网络包括多波长光源①、电光调制单元②和色散与非色散器件级联真延时单元③。其中：

多波长光源①，包含N(N的取值需考虑波分复用器的复用和解复用能力、以及系统规模等因素，具体可根据实际使用需求确定)个波长间隔相等的光波分量，用于实现波长复用；多波长光源可由N根光频梳构成，也可由N路可调谐激光器和N路波分复用器相配合构成。关于光频梳的类型，优选克尔梳，梳齿重复频率高达几十GHz至几THz，实现克尔梳的结构有多种，目前文献报道中常见的有如微环腔、微盘腔和微球腔等。若选用可调谐激光器与波分复用器的组合，考虑到系统性能、系统体积等因素，优选线宽在100KHz以下，波长调谐范围>20nm，且连续可调的半导体激光器及密集光波分复用器(DWDM)。

电光调制单元②，包括电光调制器EOM，利用该电光调制器EOM将射频信号源调制到多波长光源①输出的光载波上，在选择电光调制器时应保证其调制带宽符合所要加载的微波信号频率的要求。

色散与非色散器件级联真延时单元③，由级联的可编程色散器件矩阵和可编程非色散器件阵列，以及波长解复用器WDM组成。其中：

可编程色散器件矩阵采用光开关与色散补偿光纤(DCF)组合的方式构成，包含共第一光轴间隔设置的(K+1)个色散控制器和K段长度不同的色散补偿光纤，其中，K的值决定了此色散器件阵列的延时控制精细程度，第一个色散控制器的输入端与电光调制器EOM的输出端连接，各相邻的两色散控制器之间分别通过一段色散补偿光纤(DCF)连接，且各段色散补偿光纤的长度均不相同，沿第一个色散控制器至最后一个色散控制器方向各段色散补偿光纤的长度分别为，2^KL，2^K-1L，…，L，其中L为后续相控阵天线单元中各子阵馈源之间期望获得的最小延时差所对应的色散光纤长度。对该色散补偿光纤的最小长度L做进一步说明：对于一个K bit真延时网络，若设计后续相控阵波束扫描角度为±θ，相控阵天线各相邻子阵间距为d，空间中电磁波波速为c，则两个相邻子阵馈源之间能提供的延时差Δτ至少应满足：Δτ＝2·d·sinθ/c，则此延时控制矩阵的最小延时控制精度应为Δτ/2^K；延时控制器的控制状态由全0切换到到最低位置1时，代表其接入一段长度为L的色散补偿光纤；延时控制器的控制状态每增加‘1’，代表其接入的色散补偿光纤长度增加L；根据所选用的色散补偿光纤的色散参量D₁、色散斜率D₂，及前述最小延时控制精度，可以计算出色散补偿光纤长度公差L。所述色散补偿光纤还可由啁啾光纤光栅、光学谐振腔或光子晶体等色散器件替换，其光学物理参数应满足整个网络的最小延时控制精度要求。

可编程非色散器件阵列具有M个通路，第一通路为一路单模光纤，其余通路内均分别间隔设有(K+1)个延时控制器，各相邻的两延时控制器之间分别通过一段单模光纤连接，且各段单模光纤的长度均不相同，各通路中沿第一个延时控制器至最后一个延时控制器方向各段单模光纤的长度分别为2^KR，2^K-1R，…，R，R的长度对应于可编程色散器件矩阵接入长度为L的DCF时，第一个波长分量与第N个波长分量所获得的延时之差。需要说明的是，当可编程色散器件矩阵中色散控制器的控制状态确定后，可编程非色散器件阵列中每一路延时控制器的控制状态也相应确定了，即所有延时控制器矩阵的控制状态是相同的。可编程非色散器件阵列各通路的输入端同时与可编程色散器件阵列中的最后一个色散控制器输出端连接，各通路的输出端分别通过一个波长解复用器WDM将非色散器件阵列的每一路输出光信号进行解复用，获得N×M通道且各相邻通道延时差相等的带载信号。后续可以通过光电探测器(PD)，得到各相邻通道延时间隔相等的射频信号。所述单模光纤可由集成光波导或空间光学元件等非色散器件替换。

本发明的核心部分为色散与非色散器件级联真延时单元③，其中，利用可编程色散器件矩阵使各光波分量获得等间隔的延时差，延时差大小可由色散量控制器实现接近连续控制。可编程非色散器件阵列是多路非色散器件的组合。在非色散器件中，所有光波分量及其上携带的射频信号将经历相同的延时，故可以实现在时间上对光信号的整体延时。包含N个光波分量的复用光信号分入M路非色散器件，每一路光信号获得一定的延时，最终实现非色散器件阵列中第一路到第M路引入的延时量以等间隔增大，且相邻两路的延时差等于复用光信号中第1个波长分量与第N个波长分量所获得的延时差。随后，将非色散器件阵列的每一路输出光信号解复用，并进行光电探测，其结果是获得N×M通道延时差相等的射频信号。这些射频信号将作为相控阵天线的N×M个阵元的馈源，在色散控制器的辅助下实现波束扫描。

以下介绍本发明的实施例：

实施例1：

图2是本发明的一种实施例，能够实现K＝6bit延时控制的64通道真延时网络。其具体结构描述如下：

多波长光源①采用N＝16个输出光波长等间隔的可调谐半导体激光器，其输出的等间隔光波长分别为λ₁，λ₂，…，λ₁₆，控制各可调谐半导体激光器输出光功率相等。16路激光输入一个16通道波分复用器WDM，通过波分复用成为一路包含λ₁，λ₂，…，λ₁₆波长分量的多波长光源。

在电光调制单元②中，射频信号源经过电光调制器被调制到多波长光源①输出的光载波上，获得已调信号。

在可编程色散矩阵中，色散控制器由7个光开关组成的光开关矩阵构成，并使用色散补偿光纤(DCF)作为色散器件。6段不同长度的DCF连接在光开关之间的一条通路上，6段DCF的长度分别为32L，16L，8L，4L，2L，L，其中L为相控阵各子阵馈源之间期望获得的最小延时差所对应的色散光纤长度。在DCF中，设光波传播一段距离S，由色散引入的相位延迟

可以表示为：

上式是将传播常数在ω₀处做泰勒展开获得的，ω是带载光波频率，ω₀是根据所给的光纤色散参量参数值对应的频率来确定的光波频率；其中，β₂，β₃分别为选用的色散补偿光纤的色散参量(单位为：ps²/km)和三阶色散参量(单位为：ps³/km)，常用的色散参量D(常见单位有：ps/nm/km)表示为D＝-2πcβ₂/λ²，常用的相对色散斜率参量RDS(单位为：nm^-1)可以表示为RDS＝-4πcβ₃/(λ₀β₂)，上述参数均可以通过测量得到，也可以从所选色散补偿光纤的参数手册中获得，此处不赘述。光信号在DCF中传播的距离由色散控制器的控制状态决定，例如，当色散控制器的前六个开关状态为000111时，光信号在DCF中传播的距离S＝7L。

则由于色散的存在，光信号获得的延时Δτ可以表示为：

其中，β₂，β₃分别为选用的色散补偿光纤的色散参量和三阶色散参量，可以通过测量得到，此处不赘述。各光开关的选通为0或1，通过控制光开关选通来控制光信号在色散补偿光纤中传播的长度，使不同的光波分量获得不同延时量。需要说明的是，在光波长等间隔的情况下，从延时Δτ的表达式中可以看出，不同波长分量获得的延时量也是等间隔的。第1至6个开关的选通可以在111111到000000任意选择，实现6bit延时量控制；第7个光开关常置为0，其作用相当于耦合器。通过可编程色散矩阵，各相邻光波长分量获得了值为Δτ的延时差，Δτ的实际值与色散补偿光纤长度、色散补偿光纤色散参量及其他相关的参数有关。

可编程非色散阵列，由光开关与单模光纤组成，共分为4个通路，每个通路的作用是给进入此通路的各波长分量提供相同的延时，且每相邻通路提供的延时量之间有固定的延时差，即每一路的非色散器件提供的延时量是不同的。其中，通路a为普通单模光纤，通路b、c、d内均设有延时控制器，由3路开关组、每组7个光学开关组成，每一路的开关数量必须与可编程色散矩阵中的开关数量相同，但各路光开关中连接的单模光纤长度不同。通路b在通路a提供的延时量的基础上，向16个波长分量提供大小为16Δτ的延时量；通路c在通路a提供的延时量的基础上，向16个波长分量提供大小为32Δτ的延时量；通路d在通路a提供的延时量的基础上，向16个波长分量提供大小为48Δτ的延时量。在可编程非色散阵列每一路的末端用16通道波分复用器进行解复用，并通过光电探测器拍频得到获得延时的射频信号。最终获得16×4＝64个带有等间隔延时差的射频信号。

64个带有等间隔延时差的射频信号作为馈源连接到相控阵天线④上，可以实现6bit，64通道的可编程光控相控阵天线。

实施例2：

多波长光源可以由光频梳及波形控制器实现，其余部分与实施例1相同，此处不再赘述。

综上所述，相比于过去的光控真延时网络，本发明跳出多波长光源数量、波分复用与解复用能力的限制，创新地将色散器件与非色散器件结合，组成色散与非色散器件级联真延时单元，利用波分复用，在减少波分复用对载波波长数量要求的同时增加真延时网络通道数，获得了结构简单、通道一致性高的多通道大规模真延时网络。以本发明提出的真延时网络的输出射频信号作为馈源，可以支持大规模光控相控阵天线。得益于天然的低系统复杂度的优势，它能够扩展光控相控阵天线的应用范围。

以上示意性地对本发明及其实施方式进行了描述，该描述没有限制性，附图中所示的也只是本发明的实施方式之一，实际并不局限于此。所以，如果本领域的普通技术人员受其启示，在不脱离本发明创造宗旨的情况下，不经创造性地设计出与该技术方案相似的方式及实施例，均应属于本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种基于波分复用的色散与非色散器件级联大型光真延时网络，设该网络能实现Kbit延时控制，其特征在于，包括多波长光源、电光调制单元和色散与非色散器件级联真延时单元，其中：

所述多波长光源，包含N个波长间隔相等的光波分量，以实现波长复用，N为正整数；

所述电光调制单元，包括电光调制器，利用该电光调制器将射频信号源调制到所述多波长光源输出的光载波上；

所述色散与非色散器件级联真延时单元，由级联的可编程色散器件矩阵和可编程非色散器件阵列，以及波长解复用器组成；其中：

所述可编程色散器件矩阵，包括间隔设置的(K+1)个色散控制器和K个色散器件，第一个色散控制器的输入端与所述电光调制器的输出端连接，各相邻的两色散控制器之间分别通过一个色散器件连接；通过所述可编程色散器件矩阵使各光波分量获得等间隔的延时差；

所述可编程非色散器件阵列，具有M个通路，第一个通路内仅设有非色散器件，其余通路均分别包括间隔设置的(K+1)个延时控制器和K个非色散器件，各相邻的两延时控制器之间分别通过一个非色散器件连接；M个通路的输入端同时与所述可编程色散器件矩阵中的最后一个色散控制器的输出端连接；所述可编程非色散器件阵列中第一个通路到第M个通路引入的延时量以等间隔增大，且相邻两通路的延时差等于复用光信号中第一个波长分量与第N个波长分量所获得的延时差；

所述波长解复用器，与所述可编程非色散器件阵列中各通路的输出端连接，用于将所述非色散器件阵列的每一路输出光信号进行解复用，获得N×M通道且各相邻通道延时差相等的带载信号。

2.根据权利要求1所述的色散与非色散器件级联大型光真延时网络，其特征在于，所述多波长光源由N根光频梳构成，或者由N路可调谐激光器和N路波分复用器相配合构成。

3.根据权利要求1所述的色散与非色散器件级联大型光真延时网络，其特征在于，所述色散控制器和延时控制器均采用光开关，且所述可编程非色散器件阵列中各通路内光开关的选通状态均与所述可编程色散器件矩阵中相应光开关的选通状态相同；所述可编程色散器件矩阵中除最后一个光开关的选通设置为“0”外，其余光开关的选通在“0”和“1”中任意选择。

4.根据权利要求1所述的色散与非色散器件级联大型光真延时网络，其特征在于，所述色散器件采用色散补偿光纤、啁啾光纤光栅、光学谐振腔或光子晶体。

5.根据权利要求1所述的色散与非色散器件级联大型光真延时网络，其特征在于，所述非色散器件采用单模光纤、集成光波导或空间光学元件。

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