基于光子諧振環的波束形成網絡研究

李亞明，李　晶

(中國電子科技集團公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081)

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基于光子諧振環的波束形成網絡研究

李亞明，李晶

(中國電子科技集團公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081)

摘要現代相控陣雷達對小重量、低損耗和低成本持續要求，同時獲得寬角掃描時的大即時帶寬和無波束偏斜掃描，針對上述要求，對基于微環諧振腔的連續可調的時間延遲網絡進行了研究。為了實現最少延遲單元，研究了二進制樹形拓撲結構和單邊帶抑制強度直接調制、雙周期群延遲響應直接探測機制。作為特例，對于8單元的一維線陣進行了具體設計。設計結果顯示，該網絡具有顯著的大帶寬2GHz，最大延遲時間400ps，延遲抖動小于0.15倍的環周延遲。

關鍵詞微波光子學；集成光學；光學諧振環；真時間延遲

0引言

隨著相控陣雷達在各個應用領域的蓬勃發展[1-2]，傳統相控陣雷達的波束形成方式逐漸顯現出自身的一些弊端[3-4]：比如體積大、重量重、不適于機載和星載等應用；由于孔徑效應和渡越時間的影響，使得信號的瞬時帶寬受到限制[5-6]。采用真時間延遲技術(True Time Delay，TTD)可以實現寬帶、寬掃描角相控陣系統。隨著與CMOS工藝兼容的基于硅基光子學的片上光互連技術的不斷進步和發展，片上光學器件性能不斷提升，可實現激光器、電光調制器、無源波導光網絡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架構，以微波光子學為發展方向的單片光TTD技術應勢而生。波導微環諧振器利用其對光波的諧振效應，可使光波在環形腔內多次循環傳輸從而對光波產生一定的延時。文獻[7-9]通過合理設計微環諧振器結構和級聯一定數目的微環諧振器可以實現對延時量的精確控制，在基于集成光學的光控寬帶波束形成技術領域發揮重大的作用。相比于傳統的相控陣技術，該技術具有明顯優勢：光載波頻率相對于射頻帶寬極高，即用光學的窄帶寬處理傳統電學里的大帶寬，使得鏈路具有穩定的傳輸特性，可以實現波束大角無偏斜掃描[10]；單片光TTD技術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，解決了寬帶相控陣雷達機載重量的限制[11-12]。針對TTD的技術優勢，對用于波束形成的基于微環諧振腔的真時間延遲網絡進行了研究。不同于載波載入技術，波束形成網絡采用了單邊帶抑制強度直接調制、雙周期群延遲響應直接探測機制，克服諧振腔帶寬限制和大延遲網絡時的退相干限制。作為一個具體應用特例，對具有8個單元的一維線性陣列進行了設計。

1器件結構及工作原理

1.1單諧振環結構

可調延遲單元結構如圖1所示。控制MZI某一臂上相位延遲時間(虛線框內)，可獲得等效耦合系數的控制。而通過調整諧振腔和波導之間的耦合系數即可實現延遲時間大小的調整。

圖1　延遲可調微環延遲單元

MZI耦合器結構中，兩側定向耦合器結構相同，耦合系數相等。設計使其耦合系數為0.5，即3 dB功率分束時，相應的可調延遲單元的延遲響應函數τ為：

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

可調延遲單元有效耦合系數及延遲時間控制如圖2所示。

圖2　可調延遲單元有效耦合系數及延遲時間控制

當控制圖1中MZI區的φ附加相位(移相可通過熱光或等離子色散效應產生)時，整個諧振環的等效耦合系數有如圖2(a)所示的變化。當相位控制在0～2π變化時，耦合系數在最大值1和最小值0之間交替響應變化。通過控制等效耦合系數，可實現單環狀態時帶內頻率的真時間延遲，如圖2(b)所示。在圖2(b)中的插圖是在不同耦合系數時各頻率對應的延遲時間。隨著延遲時間的增加，延時誤差范圍內的帶寬變小。為了保證延時范圍內的帶寬，可采用不同諧振頻率的微環級聯的拓撲結構。

1.2多諧振環級聯結構

對于多微環級聯，帶內平均延遲時間、波紋最大振幅、帶寬和級聯微環數量相互制約，如圖3所示，各級聯微環延遲時間均設置為6倍環周期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；相同抖動幅度下，增加微環可以顯著增加整個延遲單元的帶寬。由圖3可知，三環到雙環比單環到雙環帶寬增加大，因為與雙環相比，中間環具有相對大的耦合系數，相對小的群延遲響應，根據帶寬峰值延遲制約關系，三環比雙環更有利于增加延遲單元帶寬。對于級聯更多微環的延遲單元，在相同延時量的前提下，帶寬與微環數目近似成正比。

圖3　級聯不同微環時帶寬和延遲抖動

由上述分析可知，當固定時間延遲時，如果要增加微環帶寬，就需要增加級聯微環數量，增加微環的控制單元數，為了優化波束形成網絡中微環延遲單元數量，可采用單邊帶調制，減小網絡帶寬需求；在單邊帶調制中，由于仍然需要波束形成網絡帶寬大于射頻信號低端頻率與光載波頻率差，為進一步優化網絡中的微環延遲響應，使光載波和低頻第一邊帶分別位于微環延遲線中不同延遲周期中，如圖4所示。

圖4　波束形成網絡鏈路工作原理

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反比于微環周延時或微環周長，即要求微環周長較大，會一定程度降低芯片集成度。在系統設計中，基于控制簡單可靠、控制單元少的思路，優先采用調制器單邊帶強度直接調制，雙周期群延遲響應直接探測RoF鏈路。

2仿真結果及分析

對于8單元一維線陣(陣元間距為對應于中心頻率的半波長)的二進制波束形成網絡特例，設計波束形成網絡的延遲補償、時間抖動和帶寬可以實現如下指標：

天線工作頻率：12～14GHz；

最大延遲時間：400ps(對應±60°掃描延遲)；

FSR/T(周延遲)：13GHz；

延遲抖動：<0.15T[ps]；

根據二進制樹形非對稱結構，第1臺階延遲時間為56ps，第2臺階為第1臺階延遲時間的2倍，即112ps，第3臺階為第1臺階延遲時間的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，微環周長滿足L=mngλ，m為正整數，ng為群折射率。

第2臺階和第3臺階延遲時間和帶寬如圖5所示。從圖5中可以看出，當第2臺階微環延遲單元為2時，在延遲最大值112ps和帶寬2GHz下，延遲抖動為8.5ps，<0.15T的要求。根據前面的帶寬、延遲時間和延遲抖動的分析，對于延遲單元，可通過增加微環延遲單元數目增加系統帶寬，第3臺階需增加為3個。對于3階級聯延遲單元，在延遲最大值224ps和2GHz帶寬下，延遲抖動為5.4ps，滿足小于0.15T的要求。需要指出的是，根據前面分析，延遲時間、延遲抖動和帶寬相互制約，因此可適當增加延遲抖動接近0.15T，以獲得>2GHz的系統帶寬。綜上分析，對于延遲單元的FSR=13GHz、光載波波長為1.55μm的波束形成網絡，第1、第2和第3臺階的諧振單元分別為單環、雙環和三環，延遲時間和帶寬，以及延遲抖動滿足了系統要求。

圖5　第2臺階和第3臺階延遲時間和帶寬

3結束語

在分析時間連續可調光子諧振環基本工作原理基礎上，研究了級聯光子諧振環在帶內平均延遲時間、波紋最大振幅、帶寬和級聯微環數量之間相互限制。在一定的諧振腔帶寬下，保證直接調制和探測的光鏈路機制，為獲取最小的諧振腔數，提出了單邊帶抑制調制、載波和邊帶位于不同延遲周期的鏈路機制。該機制避免了載波的分離和載入，簡化了網絡結構。針對中心頻率13GHz的8元一維線陣，對真時間延遲網絡進行了詳細的設計研究。研究結果表明，該波束形成網絡具有連續可調的時間延遲響應、大帶寬和較小的抖動誤差。該網絡時間連續可調、精度高、控制簡單和抗電磁干擾，具有巨大應用潛力。

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doi:10.3969/j.issn.1003-3106.2016.07.02

收稿日期：2016-03-18

基金項目：國家自然科學基金資助項目(61308061)。

中圖分類號TN256

文獻標志碼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：微波光子學與微波射頻技術。

李晶女，(1981—)，博士，工程師。主要研究方向：激光通信技術。

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.基于光子諧振環的波束形成網絡研究[J].無線電工程,2016,46(7):5-7，97.