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2.3 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.3.1 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)分析

上一節(jié)討論中發(fā)現(xiàn)光開中存在著通道時(shí)間延遲，而且不同狀態(tài)下的通道時(shí)間延遲不一致。這種不一致給延遲線帶來多大影響，上一節(jié)中給出的是光開關(guān)的差分組合結(jié)構(gòu)，結(jié)果顯示在理論情況下BIT 延遲線的延遲精度取決于光開關(guān)內(nèi)部的各通道時(shí)間延遲。為了消除這種通道時(shí)間延遲不一致給延遲線帶來的影響，本節(jié)將分析另一種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

如圖 2-5 所示，為兩個(gè)光開光的旁路組合形成的 2-bit 延遲線，延遲步進(jìn)為△t，光開關(guān)1的 IN1端口與其OUT1端口相連，插入時(shí)間延遲△t；光開關(guān)2的IN1端口與其OUT1端口相連，插入時(shí)間延遲2△t，假設(shè)光開關(guān)1的OUT2端口和光開關(guān)2的IN2端口的綜合尾纖為L(zhǎng)1；光開關(guān)1的IN1端口與其OUT1 端口的綜合尾纖為L(zhǎng)2；光開關(guān)2的IN1端口與其OUT1端口的綜合尾纖為L(zhǎng)3。光開關(guān)的各狀態(tài)的通道延遲分別為△τbar22，△τcross12和△τcross21，由此光路 2-bit 光纖延遲線各狀總的理論延遲時(shí)間：

將處理后的式子帶入延遲線的四種狀態(tài)下，得到得到新的延遲線，見表2-3。

由表2-3 可知，旁路結(jié)構(gòu)的2-bit 光纖延遲線的各狀態(tài)的延遲時(shí)間比為：0:1:2:3，誤差為0，此結(jié)構(gòu)可*抵消了光開光帶來的狀態(tài)差。在實(shí)際的研制過程中，要想得到延遲為0，△t，2△t和3△t的延遲，則只需對(duì)△t和2△t基準(zhǔn)光纖的長(zhǎng)度進(jìn)行修正（加入補(bǔ)償光纖）就行。修正后的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2-6。

上面討論了光開光的旁路組合結(jié)構(gòu)，分析可知，這種結(jié)構(gòu)通過對(duì)基準(zhǔn)光纖長(zhǎng)度進(jìn)行補(bǔ)償可以消除由于光開光的通道延遲不一致帶來的延遲誤差。不僅如此，此種結(jié)構(gòu)在實(shí)現(xiàn)同樣BIT 的情況下能少使用一個(gè)光開光，使結(jié)構(gòu)更加緊湊，還降低了成本。但是這種受限于光纖的彎曲半徑，在保證光纖彎曲損耗不大的情況下，光纖的彎曲半徑不能小于3cm，因此給延遲線帶來了zui小步進(jìn)為500ps 左右。這種情況下，500ps 的zui小步進(jìn)不能滿足課題要求。

2.3.2 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)優(yōu)化
考慮到光開光的狀態(tài)誤差和課題5-bit光纖延遲線的zui小步進(jìn)要求，本文對(duì)初始的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)做一些改進(jìn)。如圖2-7 所示為改進(jìn)后的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖，延遲線由兩個(gè)1×2 和4 個(gè)2×2 的光開關(guān)組成，各狀態(tài)點(diǎn)的基準(zhǔn)延遲為Δt、2Δt、4Δt、8Δt 和16Δt。

用兩個(gè)1×2 的光開關(guān)代替2×2 光開關(guān)是為了進(jìn)一步減小2×2 光開關(guān)狀態(tài)誤差對(duì)延遲線精度的影響。雖然1×2 光開關(guān)僅有的兩個(gè)狀態(tài)也可能通道延遲不一致，但是這種不一致可以通過在尾纖加入補(bǔ)償光纖進(jìn)行彌補(bǔ)，使得兩個(gè)狀態(tài)的通道延遲相等，即：t11=t12。如圖2-8 所示。

2×2 光開光內(nèi)部存在著四種狀態(tài)的通道延遲，而且都不一定相等，這樣的不確定性給設(shè)計(jì)出的延遲線精度誤差帶來了不可控性。為了盡量減少光開關(guān)四種狀態(tài)通道延遲的不確定性，在2×2 光開關(guān)的三個(gè)端口上加入補(bǔ)償光纖，使得三種狀態(tài)的通道延遲相等，只有一種狀態(tài)不等。如圖2-9 所示，在IN 1、OUT 1 和OUT 2端口上加入了補(bǔ)償光纖，使：t12=t22=t21=a，t11=b,由式(2-12) 可知，

△τ=b-a=-0.8ps。光開關(guān)經(jīng)過補(bǔ)償光纖處理后，雖然還不能具體的得出各狀態(tài)的通道延遲值，但是能得到各狀態(tài)通道延遲差值，且這種差值是固定的，不隨補(bǔ)償光纖的長(zhǎng)度而定。

光開關(guān)的放置有兩種方法：一種正向放置，定義為光開光的“0”位放置；另一種反向放置，定義為光開關(guān)的“1”位放置。如圖2-10 所示，2×2 光開關(guān)正反放置定義圖。

處理后的1×2 光開關(guān)通道延遲時(shí)間差被抵消，正反放置對(duì)延遲無影響，設(shè)計(jì)過程中就不用考慮其狀態(tài)差。下面就2×2 光開關(guān)的正反放置對(duì)5-bit 延遲線延遲誤差影響作分析。

如圖2-11 所示，四個(gè)2×2 光開關(guān)的編號(hào)為1、2、3 和4，各狀態(tài)通道延遲關(guān)系為：t12=t22=t21=a，t11=b,假設(shè)光信號(hào)經(jīng)過光開關(guān)的下路直通，其通道延遲設(shè)為N ，上路直通延遲為N'，差通延遲為 T。由此可以得出 5-bit 光纖延遲線不同bit 狀態(tài)下，光信號(hào)在各個(gè)光開關(guān)的通道延遲，見表2-4。

有四個(gè)2×2 的光開關(guān)，對(duì)應(yīng)的光開光組合狀態(tài)數(shù)就有16 個(gè)，分別為0000~1111。當(dāng)一個(gè)光開關(guān)的狀態(tài)為“0”時(shí)（正向放置），各通道對(duì)應(yīng)延遲時(shí)間為：N=T=a,N=b,當(dāng)一個(gè)光開關(guān)的狀態(tài)為“1”時(shí)（反向放置），各通道對(duì)應(yīng)延遲時(shí)間為：N=T=a,N=b,5-bit 光纖延遲線總的理論延遲誤差就等于四個(gè)光開關(guān)的通道延遲之和：t=t1+t2+t3+t4。以此計(jì)算方式，將光開關(guān)的 0000~1111狀態(tài)分別代入到表2-3 中，可得出不同光開關(guān)放置狀態(tài)下延遲線的zui大理論誤差的值，如圖2-12 所示。

由圖2-12 分析可知，當(dāng)光開關(guān)的放置狀態(tài)為“0101”、“0110”、“1001”和“1010”時(shí)，延遲線的zui大理論誤差為zui小，誤差范圍為0～-2△τ。其他狀態(tài)的延遲線zui大理論誤差能達(dá)到 4△t，而且這種zui大誤差還會(huì)隨著光開關(guān)級(jí)聯(lián)個(gè)數(shù)的增加而增加，可見對(duì)光開關(guān)組合狀態(tài)的選擇是很有必要的。在延遲線的研制過程中，光開關(guān)的放置狀態(tài)為“0101”、“0110”、“1001”和“1010”都可作為延遲線可選拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

2.4 研制結(jié)果
確定好5-bit 光纖延遲線的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，對(duì)此結(jié)構(gòu)的延遲線進(jìn)行制作，測(cè)得延遲線數(shù)據(jù)如表2-5 所示。研制結(jié)果：延遲線的延遲誤差范圍為-1.2~1.0ps，延遲誤差均方差為0.68ps；延遲線插損均值為5.42dB，幅度一致性為0.49dB，如圖2-13所示。

2.5 本章小結(jié)
本章首先介紹了光纖延遲線的幾種測(cè)量技術(shù)，搭建了基于矢網(wǎng)的相位法測(cè)量的光纖延遲線研制實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，對(duì)單點(diǎn)光纖延遲線的研制精度能達(dá)到±0.1ps。通過多種光開關(guān)的比較，zui終選擇磁光開關(guān)作為5-bit 光纖延遲線的選用光開關(guān)，分析了光開關(guān)內(nèi)部存在著狀態(tài)延遲誤差，并指出這種狀態(tài)誤差對(duì)設(shè)計(jì)出來的延遲線的延遲精度有影響。為了盡量克服光開關(guān)狀態(tài)延遲誤差對(duì)延遲線的影響，對(duì)延遲線的
拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析、設(shè)計(jì)和優(yōu)化，發(fā)現(xiàn)旁路結(jié)構(gòu)雖然能從理論上消除光開關(guān)的狀態(tài)誤差對(duì)延遲線的精度影響，但是受限于光纖的彎曲半徑。光纖延遲線采用的結(jié)構(gòu)是4 個(gè)2×2 光開關(guān)和2 個(gè)1×2 光開關(guān)的差分組合，對(duì)光開關(guān)進(jìn)行了預(yù)處理，嘗試了改變光開關(guān)的正向放置和反向放置，得出4 個(gè)2×2 光開關(guān)放置狀態(tài)為“0101”、“0110”、“1001”和“1010”時(shí)，延遲線的zui大理論誤差為zui小。在基于*的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)下，成功研制了步進(jìn)為10ps 的高精度5-bit 光纖延遲線，延遲精度±1.1ps；誤差均方差為0.68ps；平均插損5.42 dB；幅度一致性：0.49dB。

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