基于色散光纖棱鏡的光控多波束接收技術(shù)研究

范晶晶，林桂道

(中國船舶重工集團公司第七二三研究所，江蘇 揚州225101)

0 引 言

隨著科技的發(fā)展，戰(zhàn)場電磁環(huán)境變得日益復雜，呈現(xiàn)了頻譜覆蓋范圍寬、信號密度大、瞬時帶寬寬等特點，這些電磁環(huán)境對電子戰(zhàn)系統(tǒng)設(shè)備的截獲、識別等能力提出了更高的要求。傳統(tǒng)的相控陣天線在寬角度掃描的情況下，受波束指向傾斜及天線孔徑渡越時間的影響，很難獲得大的瞬時信號帶寬，基于光真延時的波束形成技術(shù)可克服傳統(tǒng)相控陣波束傾斜和孔徑渡越等難題。目前，光真延時波束形成技術(shù)的應用主要集中于基于改變光纖物理長度的光控波束形成技術(shù)和基于色散光纖棱鏡的光控波束形成技術(shù)。相比而言，后者具有延時精度高、光纖長度控制精度要求低、結(jié)構(gòu)簡單、工程性好等特點，自提出以來受到了廣泛關(guān)注[1-3]。

在基于色散光纖棱鏡的光控波束形成技術(shù)中，當延時及波長間隔一定時，所用光纖的長度與光纖的色散系數(shù)成反比。設(shè)計時為了減小設(shè)備體積及外部環(huán)境的影響，通常需要減少使用光纖的長度，故采用的光纖從色散系數(shù)小的普通單模光纖[2-3]到大色散系數(shù)的色散補償光纖[1]，最后到色散系數(shù)更高的光子晶體光纖[4]。但隨著光纖色散系數(shù)的提高，其色散系數(shù)隨波長的變化也由原來的相對平坦變得陡峭，如果仍采用參考波長處的色散系數(shù)進行設(shè)計，將引入很大的延時誤差。本文從一款商用色散補償光纖的色散斜率入手，分析色散光纖的色散斜率對光波束形成質(zhì)量的影響，為光源波長的選擇提供依據(jù)。同時，為驗證基于色散光纖棱鏡的光控多波束接收技術(shù)的溫度環(huán)境適應性，理論分析了溫度對基于色散產(chǎn)生的延時的影響，并開展了實驗驗證。在光纖中的傳輸速度不同，進而產(chǎn)生一定的延時差。設(shè)光纖的長度為L，相鄰通道的光載波的波長間隔為Δλ，光纖的色散系數(shù)為D(λ)，則該相鄰通道經(jīng)過光纖傳輸后產(chǎn)生的延時差Δτ為：

當相控陣天線陣面需要接收指向角為θ的波束時，則色散光纖棱鏡中色散光纖的長度滿足下式即可：

1 基于色散光纖棱鏡的多波束接收技術(shù)

1.1 光纖色散延時原理

由于光纖色散效應的影響，不同波長的光載波

式中：c為光在真空中的傳播速度；d為天線陣面相鄰單元的間距。

1.2 系統(tǒng)組成和工作原理

圖1 基于色散光纖棱鏡的多波束接收系統(tǒng)原理框圖

圖1所示為基于色散光纖棱鏡的光控多波束接收系統(tǒng)原理框圖，系統(tǒng)由激光器陣列(各激光器波長不同)、電光調(diào)制器陣列(馬赫曾德爾調(diào)制器MZM)、波分復用器、摻鉺光纖放大器(EDFA)、光分路器、色散光纖棱鏡、光電探測器陣列等組成。針對M個射頻接收通道，激光器陣列采用M個激光器用于產(chǎn)生M路不同波長的光載波，電光調(diào)制器陣列采用M個電光調(diào)制器用于將射頻接收通道的M路射頻信號調(diào)制到光載波上。波分復用器將經(jīng)過調(diào)制的光信號復用到一根光纖傳輸，光信號經(jīng)摻鉺光纖放大器放大后進入光分路器。光分路器將復用的光信號等功率分配到色散光纖棱鏡中，色散光纖棱鏡由N路不同長度的色散光纖構(gòu)成，每一路里相鄰波長的光信號之間產(chǎn)生與某一波束方向相對應的延時間隔，光電探測器將每一路的光信號再轉(zhuǎn)化為射頻信號，因此，每一路可形成一個波束方向的接收波束，N路最終形成N個接收波束。

2 色散光纖色散斜率對多波束接收性能的影響

由前述光纖色散延時原理可知，不同長度的色散光纖可形成不同的接收角度，圖2展示了采用3種不同色散系數(shù)的光纖形成不同波束接收角時所需的光纖長度。圖中3種光纖分別為普通單模光纖、色散補償光纖和光子晶體光纖，波長1 550 nm處的色散系數(shù)分別為17 ps/nm/km、200 ps/nm/km、600 ps/nm/km，計算時天線陣列通道間距為8.33 mm，波長間隔為0.8 nm。從圖2可以看出，隨著接收角度的增大，所需光纖的長度也在增大，同一接收角度下，色散系數(shù)越大，所需光纖的長度越短。例如，在接收角度為90°時，普通單模光纖需要2.04 km，色散補償光纖需要0.17 km，而光子晶體光纖僅需0.058 km。因此，為了減少系統(tǒng)體積，應盡量選用色散系數(shù)大的光纖，但由于光子晶體光纖的制作工藝及普通單模光纖的熔接工藝較為復雜，因而色散補償光纖成為了色散光纖棱鏡中常用的器件。下面以一款商用色散補償光纖為例，分析色散光纖色散斜率對多波束接收性能的影響。

圖2 不同色散系數(shù)光纖掃描角度與光纖長度的關(guān)系

首先通過光纖色散測試儀盡可能多地測試多個波長處的色散系數(shù)，然后通過高階擬合，殘差控制在±0.1 ps/nm/km，繪制其色散系數(shù)隨波長的變化曲線，如圖3所示。

圖3 色散系數(shù)隨波長變化關(guān)系圖

以48路射頻接收通道設(shè)計為例，需采用48個不同波長的激光器，若選用1 529.5 534 nm 波長(ITU標準通道中的波長)為參考波長，同時向長波長方向選用對應ITU 標準的0.8 nm 波長間隔的其它47路激光器。通過對色散系數(shù)曲線采用插值算法可得出上述48個波長處的色散系數(shù)，如圖4所示。

圖4 等波長間隔處的色散系數(shù)

假設(shè)工作頻率f為6～18 GHz，天線陣列通道間距d為8.33 mm，接收角度θ為30°，則通道間延時間隔Δτ為13.88 ps，所需色散補償光纖長度L為108.526 m。此時各通道間產(chǎn)生的延時如圖5所示。

圖5 等波長間隔產(chǎn)生的延時與通道間理論延時對比

從圖5可以看出，由于色散系數(shù)隨波長變化較大，相鄰波長間產(chǎn)生的延時間隔已遠遠大于通道間的理論延時間隔，在第48個通道處相差達15.4 ps。下面分別對理論延時和色散斜率影響下的延時產(chǎn)生的方向圖進行仿真，射頻頻率取工作頻率的上下限18 GHz和6 GHz，如圖6所示。從圖6可以看出，理論延時情況下，在掃描角度30°時可形成波束，且頻率不同時未產(chǎn)生波束傾斜現(xiàn)象，而由于色散斜率的影響，通道間產(chǎn)生了較大的延時誤差，導致波束已無法形成，且隨著工作頻率的增加，影響更加嚴重。

圖6 歸一化方向圖

因此，需要根據(jù)色散系數(shù)的變化來選擇相應波長的激光器，各通道根據(jù)色散系數(shù)變化選擇的波長與原等間隔選擇的波長比較如圖7所示。

從圖中可以看出，兩者波長最大相差約9 nm，故對于該色散補償光纖而言，由于其色散斜率較大，已不能像普通單模光纖那樣，選用等間隔波長的激光器，然后通過微調(diào)激光器波長來達到相鄰通道間延時一致的目的，在設(shè)計時就需要根據(jù)色散系數(shù)的變化選用合適波長的激光器。

3 溫度對色散光纖棱鏡波束形成性能的影響

3.1 理論分析

2路波長差引入的色散延時為：

式中：L為光纖長度；D為光纖色散系數(shù)。

求溫度對色散延時的影響，上式對溫度T求導：

光纖熱膨脹系數(shù)的典型值為5.5×10-7/℃，而色 散 系 數(shù) 隨 溫 度 的 變 化 典 型 值 為0.0 012 ps/(km·nm·℃)[5]，取 Δλ=0.8 nm，D=200 ps/nm/km，L=1 km，代入上式得：從上述理論分析中可以看出，溫度對兩波長間的相對延時的影響可忽略不計。

3.2 實驗驗證

為了簡化驗證實驗，本實驗只選取2個波長，通過測試它們在不同溫度下的相對延時變化情況來驗證波束形成時的穩(wěn)定性，實驗框圖如圖8所示。

實驗時將色散光纖置于溫度箱內(nèi)，溫度箱的溫度分別設(shè)為-10℃、0℃、10℃、20℃、30℃，10℃，并在各自溫度下保持30 min，目的是為了使色散光纖溫度與溫度箱的溫度達到平衡狀態(tài)，然后用示波器測試各溫度下2路信號的相對延時。最后又回到10℃，是為了驗證其重復性，測試結(jié)果如表1所示。

表1 不同溫度下兩路信號之間的相對延時

光纖的溫度延時性能約為40 ps/km/℃，因此，基于改變光纖物理長度的光真延時波束形成技術(shù)容易受到溫度的影響。而從表1可以看出，基于色散延時的2路信號之間的相對延時沒有變化，從而驗證了基于色散棱鏡光控波束形成技術(shù)具有良好的溫度環(huán)境穩(wěn)定性。

4 結(jié)束語

本文介紹了基于色散光纖棱鏡的光控多波束接收技術(shù)，對色散光纖色散斜率對光波束形成的影響進行了分析，對于色散斜率變化較大的色散補償光纖，在設(shè)計時就需要根據(jù)色散系數(shù)的變化選用合適波長的激光器。如果通道過多，將導致難以根據(jù)ITU 標準來選擇相應波長的激光器，一定程度上將限制通道的數(shù)量。因此，色散光纖的選擇要綜合考慮通道數(shù)、色散系數(shù)大小、色散斜率等因素。另外，從理論和實驗驗證上可以看出，相比于基于改變光纖物理長度的光控波束形成技術(shù)，基于色散光纖棱鏡的光控波束形成技術(shù)具有良好的溫度環(huán)境穩(wěn)定性。