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2.3 拓撲結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.3.1 拓撲結(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間延遲，而且不同狀態(tài)下的通道時間延遲不一致。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)部的各通道時間延遲。為了消除這種通道時間延遲不一致給延遲線帶來的影響，本節(jié)將分析另一種拓撲結(jié)構(gòu)。

如圖 2-5 所示，為兩個光開光的旁路組合形成的 2-bit 延遲線，延遲步進為△t，光開關(guān)1的 IN1端口與其OUT1端口相連，插入時間延遲△t；光開關(guān)2的IN1端口與其OUT1端口相連，插入時間延遲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L1；光開關(guān)1的IN1端口與其OUT1 端口的綜合尾纖為L2；光開關(guān)2的IN1端口與其OUT1端口的綜合尾纖為L3。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△t和2△t基準光纖的長度進行修正（加入補償光纖）就行。修正后的拓撲結(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)通過對基準光纖長度進行補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)在實現(xiàn)同樣BIT 的情況下能少使用一個光開光，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小步進為500ps 左右。這種情況下，500ps 的zui小步進不能滿足課題要求。

2.3.2 拓撲結(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小步進要求，本文對初始的拓撲結(jié)構(gòu)做一些改進。如圖2-7 所示為改進后的拓撲結(jié)構(gòu)圖，延遲線由兩個1×2 和4 個2×2 的光開關(guān)組成，各狀態(tài)點的基準延遲為Δt、2Δt、4Δt、8Δt 和16Δt。

用兩個1×2 的光開關(guān)代替2×2 光開關(guān)是為了進一步減小2×2 光開關(guān)狀態(tài)誤差對延遲線精度的影響。雖然1×2 光開關(guān)僅有的兩個狀態(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償光纖進行彌補，使得兩個狀態(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)的三個端口上加入補償光纖，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，不隨補償光纖的長度而定。

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)通道延遲時間差被抵消，正反放置對延遲無影響，設(shè)計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5-bit 延遲線延遲誤差影響作分析。

如圖2-11 所示，四個2×2 光開關(guān)的編號為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，光信號在各個光開關(guān)的通道延遲，見表2-4。

有四個2×2 的光開關(guān)，對應(yīng)的光開光組合狀態(tài)數(shù)就有16 個，分別為0000~1111。當一個光開關(guān)的狀態(tài)為“0”時（正向放置），各通道對應(yīng)延遲時間為：N=T=a,N=b,當一個光開關(guān)的狀態(tài)為“1”時（反向放置），各通道對應(yīng)延遲時間為：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光開關(guān)的通道延遲之和：t=t1+t2+t3+t4。以此計算方式，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，當光開關(guān)的放置狀態(tài)為“0101”、“0110”、“1001”和“1010”時，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大理論誤差能達到 4△t，而且這種zui大誤差還會隨著光開關(guān)級聯(lián)個數(shù)的增加而增加，可見對光開關(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撲結(jié)構(gòu)。

2.4 研制結(jié)果
確定好5-bit 光纖延遲線的拓撲結(jié)構(gòu)，對此結(jié)構(gòu)的延遲線進行制作，測得延遲線數(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量技術(shù)，搭建了基于矢網(wǎng)的相位法測量的光纖延遲線研制實驗平臺，對單點光纖延遲線的研制精度能達到±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)誤差對設(shè)計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)延遲誤差對延遲線的影響，對延遲線的
拓撲結(jié)構(gòu)進行了分析、設(shè)計和優(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2×2 光開關(guān)和2 個1×2 光開關(guān)的差分組合，對光開關(guān)進行了預(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2×2 光開關(guān)放置狀態(tài)為“0101”、“0110”、“1001”和“1010”時，延遲線的zui大理論誤差為zui小。在基于*的拓撲結(jié)構(gòu)下，成功研制了步進為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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