陳逸飛， 史上清， 惲斌峰

（東南大學(xué) 電子科學(xué)與工程學(xué)院 先進(jìn)光子學(xué)中心，江蘇 南京 210096）

1 引 言

基于微波光子技術(shù)的光控波束形成網(wǎng)絡(luò)（Optical Beamforming Network， OBFN）［1-4］在新一代相控陣?yán)走_(dá)系統(tǒng)、無線通信等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景，相較于采用電移相器進(jìn)行相位調(diào)控的電學(xué)波束形成網(wǎng)絡(luò)，OBFN通常采用可調(diào)光延時線對各通道的相位進(jìn)行調(diào)控［5-9］，具有瞬時帶寬大、損耗低、抗電磁干擾能力強(qiáng)的優(yōu)勢［10］，并且可以有效解決“波束斜視”效應(yīng)［11］，大大降低了器件與系統(tǒng)的尺寸和功耗，提升了穩(wěn)定性。其中，一種廣泛報(bào)道的基于光程切換的集成可調(diào)光延時線為光開關(guān)切換光波導(dǎo)延時線（Optical Switched Delay Line， OSDL），通過改變各光開關(guān)的狀態(tài)（“直通”或“交叉”）［12］，控制光信號沿不同長度的路徑傳輸，從而實(shí)現(xiàn)延時調(diào)節(jié)［13］。OSDL中各光開關(guān)的狀態(tài)由加載在光開關(guān)上的功率決定，為了實(shí)現(xiàn)延時調(diào)節(jié)，需要對OSDL中各光開關(guān)的控制電壓進(jìn)行標(biāo)定［14］。已報(bào)道的OSDL驅(qū)動電壓自動標(biāo)定與控制系統(tǒng)［15-16］需要多通道光功率計(jì)和可編程電壓源，對包含多通道OSDL的集成OBFN芯片而言，這會極大增加標(biāo)定成本和時間［17］。因此，小型化、多通道、低成本、易擴(kuò)展的OSDL自動標(biāo)定與控制系統(tǒng)是OBFN芯片邁向?qū)嵱玫年P(guān)鍵。

小型光功率計(jì)通過光電探測器和跨阻放大器協(xié)同工作實(shí)現(xiàn)光功率到電壓幅值的轉(zhuǎn)換，光電探測器可使用基于硅鍺或銦鎵砷的PIN，APD，MSM等實(shí)現(xiàn)，跨阻放大器可基于電阻［18］、偽電阻［19］、電容反饋［20］、共柵極［20］和反相器［21-22］等實(shí)現(xiàn)。其中，基于電阻的跨阻放大器線性度較高，因其調(diào)試方便而被廣泛應(yīng)用于板級電路［23-24］，后幾種跨阻放大器在帶寬、增益等方面進(jìn)行了優(yōu)化，但拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)復(fù)雜且制作成本高，更適合用于集成方案。小型可編程電壓源一般基于數(shù)模轉(zhuǎn)換器［25］或數(shù)字電位器［26］并加以放大、濾波和反饋電路等實(shí)現(xiàn)［27-28］。目前，將小型光功率計(jì)和可編程電壓源結(jié)合構(gòu)建OSDL標(biāo)定與控制系統(tǒng)鮮有報(bào)道。為了實(shí)現(xiàn)OSDL自動標(biāo)定與控制系統(tǒng)的小型化、多通道、低成本且易擴(kuò)展，本文采用銦鎵砷PIN型光電探測器陣列、基于電阻的跨阻放大器、多通道模數(shù)/數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片以及單片機(jī)設(shè)計(jì)制作了OSDL自動標(biāo)定與控制系統(tǒng)，并基于該系統(tǒng)對5-bit硅基OSDL芯片進(jìn)行了自動標(biāo)定與控制實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)標(biāo)定精度高、成本低、擴(kuò)展性強(qiáng)，具有很好的應(yīng)用價(jià)值。

2 系統(tǒng)架構(gòu)

本文提出的OSDL自動標(biāo)定與控制系統(tǒng)鏈路如圖1（a）所示。其中，硅基OSDL結(jié)構(gòu)如圖1（b）所示，每級2×2馬赫-曾德熱光開關(guān)的兩個輸出端口分別連接固定長度的參考光波導(dǎo)和相應(yīng)不同長度的延時光波導(dǎo)。通過對每個熱光開關(guān)OSn（n=0，1，2，…，N）上的移相器PSn（n=0，1，2，…，N）施加不同的驅(qū)動電壓，改變兩臂相位差，切換光開關(guān)狀態(tài)來選擇不同的光路，從而產(chǎn)生不同的延時，級聯(lián)N+1個光開關(guān)可以產(chǎn)生2N種延時。為了標(biāo)定延時線中每個光開關(guān)的“直通”和“交叉”電壓，在每個光開關(guān)輸出端連接的參考波導(dǎo)處設(shè)計(jì)了基于定向耦合器的光功率探測端口TPn（n=0，1，2，…，N-1）。

圖1 光開關(guān)切換延時芯片結(jié)構(gòu)及其驅(qū)動電壓自動標(biāo)定與控制系統(tǒng)框圖Fig.1 Block diagram of OSDL chip architecture with automatic calibration and control system

OSDL芯片的自動標(biāo)定與控制系統(tǒng)由多通道光功率計(jì)模塊、多通道電壓輸出模塊以及單片機(jī)模塊3部分組成，如圖1（c）所示。光開關(guān)切換延時線芯片中N個測試端口TPn耦合出的光由多通道光功率計(jì)模塊接收，經(jīng)光電探測器將光信號轉(zhuǎn)化為光電流，再經(jīng)跨阻放大器（Transimpedance Amplifier， TIA）將光電流轉(zhuǎn)換為電壓信號，最后由模數(shù)轉(zhuǎn)換器（Analog to Digital Converter， ADC）測量電壓并將數(shù)據(jù)傳輸給單片機(jī)，根據(jù)單片機(jī)中存儲的電壓-光功率標(biāo)定關(guān)系可計(jì)算出輸入光的功率值；多通道電壓輸出模塊由數(shù)模轉(zhuǎn)換器（Digital to Analog Converter， DAC）和同向放大電路組成，可由單片機(jī)控制實(shí)現(xiàn)0～10 V的高精度、高穩(wěn)定直流電壓輸出，用于對光開關(guān)切換延時線芯片中各光開關(guān)的驅(qū)動；單片機(jī)調(diào)度多通道光功率計(jì)模塊和多通道電壓輸出模塊協(xié)同工作，并實(shí)現(xiàn)與上位機(jī)程序間的通信。

該系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)以下功能：（1）通過單片機(jī)控制多通道電壓輸出模塊掃描驅(qū)動電壓，同時控制多通道光功率計(jì)模塊接收光功率，可以得到每個光開關(guān)驅(qū)動電壓與輸出端口光功率的關(guān)系曲線，從而通過上位機(jī)程序?qū)γ總€光開關(guān)的“直通”和“交叉”驅(qū)動電壓進(jìn)行標(biāo)定；（2）對標(biāo)定得到的每個光開關(guān)的“直通”和“交叉”電壓進(jìn)行存儲，自動給出芯片各延時狀態(tài)（路徑）對應(yīng)的光開關(guān)驅(qū)動電壓組合表，并存儲；（3）根據(jù)用戶選擇的延時路徑，查找光開關(guān)驅(qū)動電壓組合表，并根據(jù)該驅(qū)動電壓組合表控制多通道電壓輸出模塊輸出相應(yīng)的電壓組合，以控制延時線中所有光開關(guān)，實(shí)現(xiàn)OSDL芯片延時路徑的選擇。

3 系統(tǒng)硬件和軟件設(shè)計(jì)

3.1 硬件設(shè)計(jì)

3.1.1 多通道光功率計(jì)模塊

多通道光功率計(jì)模塊由光電探測器（Photodetector， PD），TIA和ADC三個部分組成［24］。

PD將光功率轉(zhuǎn)換為光電流。本系統(tǒng)中采用的PD型號是Beijing Lightsensing 公司的In-GaAs-PIN型探測器（LSIPD-L1），具有低噪聲和高響應(yīng)度的特點(diǎn)，工作波段為800～1 700 nm，標(biāo)稱在波長1 550 nm的響應(yīng)度R=0.9 A/W，工作在光電導(dǎo)模式下的暗電流為0.1 nA，光伏模式下的暗電流為1 nA。

TIA負(fù)責(zé)將PD輸出光電流信號轉(zhuǎn)換為電壓信號。對于實(shí)驗(yàn)室研發(fā)的硅基OSDL芯片，當(dāng)測試系統(tǒng)中激光器的輸出功率為13 dBm時，根據(jù)OSDL中各個器件單元的插損，預(yù)估各探測端口的輸出光功率約為-50～-10 dBm，使用Thorlabs PM320E光功率計(jì)測試得到的光功率范圍與預(yù)期相符合，則對應(yīng)PD轉(zhuǎn)換的光電流約為9 nA～90 μA。因此，跨阻放大電路需滿足大增益與低噪聲的要求。由于光開關(guān)標(biāo)定過程中使用直流光，因此跨阻放大電路的帶寬要求不高。綜上，基于高精電阻和低噪聲運(yùn)放設(shè)計(jì)跨阻放大電路［19］，運(yùn)放芯片選型為ADI公司的ADA4530，其偏置電流標(biāo)稱最大值為20 fA，均方根噪聲標(biāo)稱值為根據(jù)統(tǒng)計(jì)規(guī)律和經(jīng)驗(yàn)公式［29］，電噪聲峰峰值約為均方根噪聲的6.6倍，即92.4 nV。

ADC將TIA輸出的電壓信號進(jìn)行采樣量化，并將結(jié)果傳輸給單片機(jī)處理與存儲。因PD和TIA轉(zhuǎn)換出的電壓是直流信號，所以ADC芯片的主要參數(shù)只需關(guān)注測量范圍、分辨率、積分非線性誤差（Integral Nonlinearity， INL）和微分非線性誤差（Differential Nonlinearity， DNL）。因此，ADC芯片選型為ADI公司的LTC2408，具有8通道24 bit分辨率，標(biāo)稱INL為33.5 LSB，在5 V參考電壓、偽差分信號輸入的條件下，其采樣量化輸出的結(jié)果波動為10 μV。

圖2為光功率計(jì)模塊的設(shè)計(jì)原理。ADC芯片的采樣量化值與輸入光功率的關(guān)系為：

圖2 光功率計(jì)模塊原理Fig. 2 Schematic diagram of optical power meter module

式中：Qsam是ADC的采樣量化結(jié)果，Popt是輸入的光功率，R=0.9 A/W，表示PD的響應(yīng)度，Rf為跨阻的阻值，VADC_ref=5 V，表示ADC的參考電壓，n=24，表示ADC的分辨率。

實(shí)驗(yàn)室制備的5-bit OSDL有6個光開關(guān)需要標(biāo)定和驅(qū)動控制。因此，對制作的六通道光功率計(jì)模塊進(jìn)行了標(biāo)定和測試，結(jié)果如圖3所示。在跨阻Rf=25 kΩ時，實(shí)驗(yàn)得到了光功率計(jì)模塊中6個通道在不同輸入光功率下的ADC量化值，如圖3（a）所示，由式（1）可知，ADC的采樣量化值與輸入光功率是線性關(guān)系，所以圖中的橫縱坐標(biāo)均使用線性單位。標(biāo)定后選取標(biāo)定范圍內(nèi)不同于標(biāo)定點(diǎn)的光功率值進(jìn)行準(zhǔn)確性復(fù)測，結(jié)果如圖3（b）所示，采用Thorlabs公司的PM320E光功率計(jì)作為標(biāo)準(zhǔn)，圖中橫坐標(biāo)為PM320E測得的激光器輸出的光功率，縱坐標(biāo)為采用所制作光功率計(jì)模塊測得的激光功率與PM320E測得的激光功率之差。結(jié)果表明，所制作的六通道光功率計(jì)模塊可以實(shí)現(xiàn)-53～-7.7 dBm的光功率測量，且全范圍內(nèi)功率測量結(jié)果與Thorlabs的PM320E光功率計(jì)測量結(jié)果相差小于0.5 dB。該光功率計(jì)模塊的探測范圍已實(shí)現(xiàn)了對功率探測需求范圍的覆蓋，足夠?qū)崿F(xiàn)對OSDL芯片的標(biāo)定。

圖3 多通道光功率模塊計(jì)標(biāo)定和準(zhǔn)確性測試結(jié)果Fig.3 Calibration and accuracy test results of multi-channel optical power meter module

3.1.2 多通道電壓輸出模塊

多通道電壓輸出模塊由DAC和同向放大電路組成。DAC芯片選用ADI的AD5676，具有8通道和16 bit的精度，由ADR4550提供5 V參考電壓，DAC的輸出電壓可表示為：

根據(jù)式（2），VDAC_ref=5 V，n=16，DAC可直接輸出0～5 V的電壓，但是通常硅基熱光開關(guān)需要0～10 V的驅(qū)動電壓，因此需要將DAC輸出電壓放大2倍。同向放大電路的運(yùn)放芯片選型為低噪聲運(yùn)放OPA2211。電路使用4層布線設(shè)計(jì)，即信號-接地-電源-信號的層級設(shè)計(jì)。該電壓輸出模塊的穩(wěn)定性測試結(jié)果如圖4所示，在1小時的持續(xù)測試中，該電壓輸出模塊在0～10 V輸出電壓內(nèi)的波動小于±0.5 mV。

圖4 多通道電壓輸出模塊的輸出穩(wěn)定性測試結(jié)果Fig.4 Voltage output stability test of multi-channel optical power meter module

3.1.3 單片機(jī)模塊

單片機(jī)選型為STM32F407ZGT6，該型號具有168 MHz的工作頻率，1 MB片上存儲，滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)需求，且較多的引腳具備很好的擴(kuò)展性。圖5的通信接口示意圖中展示了OSDL自動標(biāo)定與控制系統(tǒng)中各模塊之間的通信連接。其中單片機(jī)與ADC芯片、DAC芯片的通信連接均使用SPI通信；單片機(jī)和上位機(jī)的通信連接使用串口通信。

圖5 通信接口示意圖Fig.5 Schematic of communication interface

3.2 軟件設(shè)計(jì)

3.2.1 單個光開關(guān)電壓標(biāo)定

單個光開關(guān)的開關(guān)電壓標(biāo)定流程如圖6所示。單片機(jī)控制多通道電壓輸出模塊對光開關(guān)的驅(qū)動電壓進(jìn)行掃描，20 mV的掃描電壓步進(jìn)精度已滿足標(biāo)定精度的需要，同時多通道光功率計(jì)模塊對該光開關(guān)后的對應(yīng)探測端口TPn的光功率進(jìn)行監(jiān)測，從而得到探測端口光功率與光開關(guān)驅(qū)動電壓的關(guān)系。其中，監(jiān)測光功率最大值和最小值對應(yīng)的驅(qū)動電壓即為該光開關(guān)的“交叉”或“直通”狀態(tài)電壓。

圖6 單個光開關(guān)的驅(qū)動電壓標(biāo)定流程Fig.6 Flow chart of driving voltage calibration for single optical switch

3.2.2 多通道OSDL芯片標(biāo)定與控制

多通道OSDL標(biāo)定和控制流程如圖7所示。首先對各通道延時線的光開關(guān)驅(qū)動電壓進(jìn)行標(biāo)定，存儲各通道延時線上每個光開關(guān)的“交叉”和“直通”狀態(tài)電壓；根據(jù)延時線結(jié)構(gòu)，定制每個延時通道的每個延時狀態(tài)對應(yīng)的光開關(guān)驅(qū)動電壓組合表。根據(jù)該表，可以得到指定延時線通道在指定延時狀態(tài)下各光開關(guān)的驅(qū)動電壓，通過單片機(jī)控制多通道電壓輸出模塊向指定延時線通道輸出對應(yīng)的驅(qū)動電壓，即可實(shí)現(xiàn)對指定延時通道延時狀態(tài)的控制。重復(fù)上述流程即可實(shí)現(xiàn)多個延時線通道的控制。

圖7 多通道光開關(guān)切換延時線芯片標(biāo)定和指定延時線通道控制流程Fig.7 Flow chart of multi-channel OSDL chip calibration and specified channel control

4 系統(tǒng)測試

OSDL自動標(biāo)定與控制實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)如圖8所示。多通道光功率計(jì)模塊、多通道電壓輸出模塊、單片機(jī)模塊和電源模塊都通過銅柱固定在亞克力底板上，OSDL模塊中的光功率探測端口與多通道光功率計(jì)模塊的光纖端口相接，光開關(guān)驅(qū)動電極通過轉(zhuǎn)接電路與多通道電壓輸出模塊的輸出端口相接，溫控模塊［30］通過轉(zhuǎn)接電路與光開關(guān)切換延時線模塊相接。

圖8 光開關(guān)切換延時線自動標(biāo)定與控制實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)Fig.8 Experimental setup of automatic calibration and control of OSDL chip

4.1 OSDL芯片自動標(biāo)定

所設(shè)計(jì)的自動標(biāo)定與控制系統(tǒng)5-bit OSDL如圖9所示。設(shè)置激光波長λ=1 560 nm，功率設(shè)置為13 dBm。將5-bit OSDL芯片中的探測端口TPn接入多通道光功率計(jì)模塊，將控制光開關(guān)狀態(tài)的電極接入多通道電壓輸出模塊，按照圖6中的標(biāo)定流程，根據(jù)探測端口的光功率監(jiān)測結(jié)果，判斷前一級光開關(guān)的狀態(tài)，得到圖10所示的光開關(guān)驅(qū)動電壓和對應(yīng)探測端口的光功率關(guān)系。光開關(guān)OS0～OS5的消光比分別為35.7，27.7，28.1，24.4，26.8，32.5 dB，根據(jù)圖10（a）～10（f）中光功率的最大值和最小值所對應(yīng)的電壓，OS0～OS5光開關(guān)的“交叉”和“直通”電壓標(biāo)定結(jié)果如表1所示。

表1 光開關(guān)的“交叉”和“直通”狀態(tài)驅(qū)動電壓標(biāo)定結(jié)果Tab.1 Calibration results of driving voltages of optical switches in cross and through states（V）

圖9 5-bit光開關(guān)切換延時線結(jié)構(gòu)Fig.9 Structure of 5-bit optical switching delay line

圖10 5-bit光開關(guān)切換延時線標(biāo)定中6個光開關(guān)驅(qū)動電壓與測試端口光功率的實(shí)驗(yàn)測量結(jié)果Fig.10 Measured results of optical power and driving voltage of 6 optical switches in 5-bit OSDL chip calibration

4.2 系統(tǒng)標(biāo)定準(zhǔn)確性檢驗(yàn)

為檢驗(yàn)硬件系統(tǒng)的標(biāo)定精度，本文對比了所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)和商用分立儀器分別控制單個光開關(guān)所得到的消光比，結(jié)果為35.7 dB和37.7 dB，說明本文提出的系統(tǒng)標(biāo)定精度與商用儀器接近。

為檢驗(yàn)光開關(guān)電壓標(biāo)定的準(zhǔn)確性，在使用所設(shè)計(jì)系統(tǒng)的標(biāo)定和控制下，對OSDL芯片32種延時狀態(tài)下輸出端口Out2的輸出光譜進(jìn)行測量。圖11（a）～11（d）中分別展示了0ΔL，10ΔL，20ΔL和31ΔL這4種典型延時狀態(tài)下Out2端口的輸出光譜?？梢钥闯?，在波長1 558～1 561 nm，延時線輸出光譜的波動小于1 dB，表明5-bit OSDL芯片上各光開關(guān)都工作在目標(biāo)狀態(tài)下，殘余的光譜抖動主要是芯片上的光柵耦合器以及由于制作誤差引起的光開關(guān)消光比不足導(dǎo)致的。

圖11 四種延時狀態(tài)下5-bit光開關(guān)切換延時線芯片的透射光譜測試結(jié)果Fig.11 Measured transmission spectra of 5-bit OSDL in four different delay states

基于光矢量網(wǎng)絡(luò)分析方案［31］，分別采用所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)和商用分立儀器標(biāo)定的光開關(guān)電壓值對5-bit OSDL芯片的32種延時狀態(tài)進(jìn)行了測試，結(jié)果分別如圖12（a）和圖12（b）所示，測試得到的5-bit OSDL的延時步進(jìn)分別為3.110 9 ps/state和3.062 0 ps/state，兩者非常吻合。

圖12 兩種系統(tǒng)標(biāo)定后5-bit光開關(guān)切換延時線芯片的延時量測量結(jié)果Fig.12 Measured delay time of 5-bit OSDL chip calibrated by two systems

根據(jù)光開關(guān)消光比、透射光譜和延時量的測試結(jié)果，可知本文提出的自動標(biāo)定與控制系統(tǒng)對OSDL芯片進(jìn)行標(biāo)定和控制的效果與商用儀器基本相同。

5 結(jié) 論

本文設(shè)計(jì)的光開關(guān)切換延時線自動標(biāo)定與控制系統(tǒng)包含三部分：多通道光功率計(jì)模塊、多通道電壓輸出模塊和單片機(jī)模塊。多通道光功率計(jì)模塊實(shí)現(xiàn)了多通道高精度光功率測量，測量范圍為-53～-7.7 dBm，測量誤差小于0.5 dB；多通道電壓輸出模塊實(shí)現(xiàn)了多通道0～10 V高精度高穩(wěn)定性的直流電壓輸出，輸出電壓波動小于±0.5 mV；單片機(jī)模塊協(xié)調(diào)多通道光功率計(jì)模塊和多通道電壓輸出模塊實(shí)現(xiàn)光開關(guān)切換延時線的自動標(biāo)定與控制功能，并負(fù)責(zé)與上位機(jī)的通信。采用該自動標(biāo)定與控制系統(tǒng)對5-bit OSDL芯片進(jìn)行了標(biāo)定與控制，芯片透射光譜在波長1 558～1 561 nm的波動小于1 dB，延時量測量結(jié)果為3.110 9 ps/state，與商用儀器標(biāo)定所測得的3.062 0 ps/state基本相同。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)標(biāo)定精度高、成本低、擴(kuò)展性強(qiáng)，具有廣闊的應(yīng)用前景。