李亞明，李　晶

(中國電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081)

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基于光子諧振環(huán)的波束形成網(wǎng)絡(luò)研究

李亞明，李晶

(中國電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081)

摘要現(xiàn)代相控陣?yán)走_(dá)對小重量、低損耗和低成本持續(xù)要求，同時(shí)獲得寬角掃描時(shí)的大即時(shí)帶寬和無波束偏斜掃描，針對上述要求，對基于微環(huán)諧振腔的連續(xù)可調(diào)的時(shí)間延遲網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行了研究。為了實(shí)現(xiàn)最少延遲單元，研究了二進(jìn)制樹形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和單邊帶抑制強(qiáng)度直接調(diào)制、雙周期群延遲響應(yīng)直接探測機(jī)制。作為特例，對于8單元的一維線陣進(jìn)行了具體設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)結(jié)果顯示，該網(wǎng)絡(luò)具有顯著的大帶寬2GHz，最大延遲時(shí)間400ps，延遲抖動(dòng)小于0.15倍的環(huán)周延遲。

關(guān)鍵詞微波光子學(xué)；集成光學(xué)；光學(xué)諧振環(huán)；真時(shí)間延遲

0引言

隨著相控陣?yán)走_(dá)在各個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域的蓬勃發(fā)展[1-2]，傳統(tǒng)相控陣?yán)走_(dá)的波束形成方式逐漸顯現(xiàn)出自身的一些弊端[3-4]：比如體積大、重量重、不適于機(jī)載和星載等應(yīng)用；由于孔徑效應(yīng)和渡越時(shí)間的影響，使得信號的瞬時(shí)帶寬受到限制[5-6]。采用真時(shí)間延遲技術(shù)(True Time Delay，TTD)可以實(shí)現(xiàn)寬帶、寬掃描角相控陣系統(tǒng)。隨著與CMOS工藝兼容的基于硅基光子學(xué)的片上光互連技術(shù)的不斷進(jìn)步和發(fā)展，片上光學(xué)器件性能不斷提升，可實(shí)現(xiàn)激光器、電光調(diào)制器、無源波導(dǎo)光網(wǎng)絡(luò)以及光電探測器集成到一起形成單片集成光鏈路[7-8]。利用片上光互連技術(shù)架構(gòu)，以微波光子學(xué)為發(fā)展方向的單片光TTD技術(shù)應(yīng)勢而生。波導(dǎo)微環(huán)諧振器利用其對光波的諧振效應(yīng)，可使光波在環(huán)形腔內(nèi)多次循環(huán)傳輸從而對光波產(chǎn)生一定的延時(shí)。文獻(xiàn)[7-9]通過合理設(shè)計(jì)微環(huán)諧振器結(jié)構(gòu)和級聯(lián)一定數(shù)目的微環(huán)諧振器可以實(shí)現(xiàn)對延時(shí)量的精確控制，在基于集成光學(xué)的光控寬帶波束形成技術(shù)領(lǐng)域發(fā)揮重大的作用。相比于傳統(tǒng)的相控陣技術(shù)，該技術(shù)具有明顯優(yōu)勢：光載波頻率相對于射頻帶寬極高，即用光學(xué)的窄帶寬處理傳統(tǒng)電學(xué)里的大帶寬，使得鏈路具有穩(wěn)定的傳輸特性，可以實(shí)現(xiàn)波束大角無偏斜掃描[10]；單片光TTD技術(shù)采用的光電子器件體積小、重量輕，具有較低的傳輸損耗，抗電磁干擾和電磁脈沖，解決了寬帶相控陣?yán)走_(dá)機(jī)載重量的限制[11-12]。針對TTD的技術(shù)優(yōu)勢，對用于波束形成的基于微環(huán)諧振腔的真時(shí)間延遲網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行了研究。不同于載波載入技術(shù)，波束形成網(wǎng)絡(luò)采用了單邊帶抑制強(qiáng)度直接調(diào)制、雙周期群延遲響應(yīng)直接探測機(jī)制，克服諧振腔帶寬限制和大延遲網(wǎng)絡(luò)時(shí)的退相干限制。作為一個(gè)具體應(yīng)用特例，對具有8個(gè)單元的一維線性陣列進(jìn)行了設(shè)計(jì)。

1器件結(jié)構(gòu)及工作原理

1.1單諧振環(huán)結(jié)構(gòu)

可調(diào)延遲單元結(jié)構(gòu)如圖1所示?？刂芃ZI某一臂上相位延遲時(shí)間(虛線框內(nèi))，可獲得等效耦合系數(shù)的控制。而通過調(diào)整諧振腔和波導(dǎo)之間的耦合系數(shù)即可實(shí)現(xiàn)延遲時(shí)間大小的調(diào)整。

圖1　延遲可調(diào)微環(huán)延遲單元

MZI耦合器結(jié)構(gòu)中，兩側(cè)定向耦合器結(jié)構(gòu)相同，耦合系數(shù)相等。設(shè)計(jì)使其耦合系數(shù)為0.5，即3 dB功率分束時(shí)，相應(yīng)的可調(diào)延遲單元的延遲響應(yīng)函數(shù)τ為：

式中，Ω為歸一化頻率；κe=cos2(Δφ/2)為等效耦合系數(shù)；φ和φ對應(yīng)圖1中的附加相位；r為損耗因子。T=ngL/c為周循環(huán)時(shí)間延遲值，ng為群折射率，L為微環(huán)周長。

可調(diào)延遲單元有效耦合系數(shù)及延遲時(shí)間控制如圖2所示。

圖2　可調(diào)延遲單元有效耦合系數(shù)及延遲時(shí)間控制

當(dāng)控制圖1中MZI區(qū)的φ附加相位(移相可通過熱光或等離子色散效應(yīng)產(chǎn)生)時(shí)，整個(gè)諧振環(huán)的等效耦合系數(shù)有如圖2(a)所示的變化。當(dāng)相位控制在0～2π變化時(shí)，耦合系數(shù)在最大值1和最小值0之間交替響應(yīng)變化。通過控制等效耦合系數(shù)，可實(shí)現(xiàn)單環(huán)狀態(tài)時(shí)帶內(nèi)頻率的真時(shí)間延遲，如圖2(b)所示。在圖2(b)中的插圖是在不同耦合系數(shù)時(shí)各頻率對應(yīng)的延遲時(shí)間。隨著延遲時(shí)間的增加，延時(shí)誤差范圍內(nèi)的帶寬變小。為了保證延時(shí)范圍內(nèi)的帶寬，可采用不同諧振頻率的微環(huán)級聯(lián)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

1.2多諧振環(huán)級聯(lián)結(jié)構(gòu)

對于多微環(huán)級聯(lián)，帶內(nèi)平均延遲時(shí)間、波紋最大振幅、帶寬和級聯(lián)微環(huán)數(shù)量相互制約，如圖3所示，各級聯(lián)微環(huán)延遲時(shí)間均設(shè)置為6倍環(huán)周期T。延遲單元帶寬隨著波紋振幅變大而增加，允許的延遲誤差越大，帶寬越大；相同抖動(dòng)幅度下，增加微環(huán)可以顯著增加整個(gè)延遲單元的帶寬。由圖3可知，三環(huán)到雙環(huán)比單環(huán)到雙環(huán)帶寬增加大，因?yàn)榕c雙環(huán)相比，中間環(huán)具有相對大的耦合系數(shù)，相對小的群延遲響應(yīng)，根據(jù)帶寬峰值延遲制約關(guān)系，三環(huán)比雙環(huán)更有利于增加延遲單元帶寬。對于級聯(lián)更多微環(huán)的延遲單元，在相同延時(shí)量的前提下，帶寬與微環(huán)數(shù)目近似成正比。

圖3　級聯(lián)不同微環(huán)時(shí)帶寬和延遲抖動(dòng)

由上述分析可知，當(dāng)固定時(shí)間延遲時(shí)，如果要增加微環(huán)帶寬，就需要增加級聯(lián)微環(huán)數(shù)量，增加微環(huán)的控制單元數(shù)，為了優(yōu)化波束形成網(wǎng)絡(luò)中微環(huán)延遲單元數(shù)量，可采用單邊帶調(diào)制，減小網(wǎng)絡(luò)帶寬需求；在單邊帶調(diào)制中，由于仍然需要波束形成網(wǎng)絡(luò)帶寬大于射頻信號低端頻率與光載波頻率差，為進(jìn)一步優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)中的微環(huán)延遲響應(yīng)，使光載波和低頻第一邊帶分別位于微環(huán)延遲線中不同延遲周期中，如圖4所示。

圖4　波束形成網(wǎng)絡(luò)鏈路工作原理

由于邊帶和載波需要處在不同的周期，因此頻率可擴(kuò)展性變差，對于較小的RF輸入，需要較小的FSR，而FSR反比于微環(huán)周延時(shí)或微環(huán)周長，即要求微環(huán)周長較大，會(huì)一定程度降低芯片集成度。在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，基于控制簡單可靠、控制單元少的思路，優(yōu)先采用調(diào)制器單邊帶強(qiáng)度直接調(diào)制，雙周期群延遲響應(yīng)直接探測RoF鏈路。

2仿真結(jié)果及分析

對于8單元一維線陣(陣元間距為對應(yīng)于中心頻率的半波長)的二進(jìn)制波束形成網(wǎng)絡(luò)特例，設(shè)計(jì)波束形成網(wǎng)絡(luò)的延遲補(bǔ)償、時(shí)間抖動(dòng)和帶寬可以實(shí)現(xiàn)如下指標(biāo)：

天線工作頻率：12～14GHz；

最大延遲時(shí)間：400ps(對應(yīng)±60°掃描延遲)；

FSR/T(周延遲)：13GHz；

延遲抖動(dòng)：<0.15T[ps]；

根據(jù)二進(jìn)制樹形非對稱結(jié)構(gòu)，第1臺階延遲時(shí)間為56ps，第2臺階為第1臺階延遲時(shí)間的2倍，即112ps，第3臺階為第1臺階延遲時(shí)間的4倍，即224ps。由于第1臺階延遲量小于周延遲量，因此，帶寬足夠大。延遲單元諧振頻率等于光載波頻率和第1低頻邊帶中心頻率，微環(huán)周長滿足L=mngλ，m為正整數(shù)，ng為群折射率。

第2臺階和第3臺階延遲時(shí)間和帶寬如圖5所示。從圖5中可以看出，當(dāng)?shù)?臺階微環(huán)延遲單元為2時(shí)，在延遲最大值112ps和帶寬2GHz下，延遲抖動(dòng)為8.5ps，<0.15T的要求。根據(jù)前面的帶寬、延遲時(shí)間和延遲抖動(dòng)的分析，對于延遲單元，可通過增加微環(huán)延遲單元數(shù)目增加系統(tǒng)帶寬，第3臺階需增加為3個(gè)。對于3階級聯(lián)延遲單元，在延遲最大值224ps和2GHz帶寬下，延遲抖動(dòng)為5.4ps，滿足小于0.15T的要求。需要指出的是，根據(jù)前面分析，延遲時(shí)間、延遲抖動(dòng)和帶寬相互制約，因此可適當(dāng)增加延遲抖動(dòng)接近0.15T，以獲得>2GHz的系統(tǒng)帶寬。綜上分析，對于延遲單元的FSR=13GHz、光載波波長為1.55μm的波束形成網(wǎng)絡(luò)，第1、第2和第3臺階的諧振單元分別為單環(huán)、雙環(huán)和三環(huán)，延遲時(shí)間和帶寬，以及延遲抖動(dòng)滿足了系統(tǒng)要求。

圖5　第2臺階和第3臺階延遲時(shí)間和帶寬

3結(jié)束語

在分析時(shí)間連續(xù)可調(diào)光子諧振環(huán)基本工作原理基礎(chǔ)上，研究了級聯(lián)光子諧振環(huán)在帶內(nèi)平均延遲時(shí)間、波紋最大振幅、帶寬和級聯(lián)微環(huán)數(shù)量之間相互限制。在一定的諧振腔帶寬下，保證直接調(diào)制和探測的光鏈路機(jī)制，為獲取最小的諧振腔數(shù)，提出了單邊帶抑制調(diào)制、載波和邊帶位于不同延遲周期的鏈路機(jī)制。該機(jī)制避免了載波的分離和載入，簡化了網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。針對中心頻率13GHz的8元一維線陣，對真時(shí)間延遲網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行了詳細(xì)的設(shè)計(jì)研究。研究結(jié)果表明，該波束形成網(wǎng)絡(luò)具有連續(xù)可調(diào)的時(shí)間延遲響應(yīng)、大帶寬和較小的抖動(dòng)誤差。該網(wǎng)絡(luò)時(shí)間連續(xù)可調(diào)、精度高、控制簡單和抗電磁干擾，具有巨大應(yīng)用潛力。

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doi:10.3969/j.issn.1003-3106.2016.07.02

收稿日期：2016-03-18

基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(61308061)。

中圖分類號TN256

文獻(xiàn)標(biāo)志碼A

文章編號1003-3106(2016)07-0005-03

作者簡介

李亞明男，(1985—)，博士，工程師。主要研究方向：微波光子學(xué)與微波射頻技術(shù)。

李晶女，(1981—)，博士，工程師。主要研究方向：激光通信技術(shù)。

Study on Beamforming Network Based on Optical Ring-resonator

LI Ya-ming,LI Jing

(The54thResearchInstituteofCECT,ShijiazhuangHeibei050081,China)

AbstractThe modern phase-arrayed radar is required to have such characteristics as light weight,low loss,reduced cost as well as free beam squinting and large instantaneous bandwidth when scanning large angle.In view of these requirements,this paper studies a time continuously tunable beamforming network based on micro-ring resonator.For minimum time delay element,the binary tree topology structure,single sideband suppression intensity direct modulation and dual-period group delay response direct detection mechanisms are discussed.As an example,the 8-element one-dimensional linear array is designed in detail.The design results show that this network has large bandwidth of 2GHz and maximum time delay of 400ps with delay jitter of less than 0.15times of FSR.

Key wordsmicrowave photonics;integrated optics;optical ring resonator;true time delay

引用格式：李亞明,李晶.基于光子諧振環(huán)的波束形成網(wǎng)絡(luò)研究[J].無線電工程,2016,46(7):5-7，97.