基于光子谐振环的波束形成网络研究

李亚明，李　晶

(中国电子科技集团公司第五十四研究所，河北 石家庄 050081)



基于光子谐振环的波束形成网络研究

李亚明，李晶

(中国电子科技集团公司第五十四研究所，河北 石家庄 050081)

摘要现代相控阵雷达对小重量、低损耗和低成本持续要求，同时获得宽角扫描时的大即时带宽和无波束偏斜扫描，针对上述要求，对基于微环谐振腔的连续可调的时间延迟网络进行了研究。为了实现最少延迟单元，研究了二进制树形拓扑结构和单边带抑制强度直接调制、双周期群延迟响应直接探测机制。作为特例，对于8单元的一维线阵进行了具体设计。设计结果显示，该网络具有显著的大带宽2GHz，最大延迟时间400ps，延迟抖动小于0.15倍的环周延迟。

关键词微波光子学；集成光学；光学谐振环；真时间延迟

0引言

随着相控阵雷达在各个应用领域的蓬勃发展[1-2]，传统相控阵雷达的波束形成方式逐渐显现出自身的一些弊端[3-4]：比如体积大、重量重、不适于机载和星载等应用；由于孔径效应和渡越时间的影响，使得信号的瞬时带宽受到限制[5-6]。采用真时间延迟技术(True Time Delay，TTD)可以实现宽带、宽扫描角相控阵系统。随着与CMOS工艺兼容的基于硅基光子学的片上光互连技术的不断进步和发展，片上光学器件性能不断提升，可实现激光器、电光调制器、无源波导光网络以及光电探测器集成到一起形成单片集成光链路[7-8]。利用片上光互连技术架构，以微波光子学为发展方向的单片光TTD技术应势而生。波导微环谐振器利用其对光波的谐振效应，可使光波在环形腔内多次循环传输从而对光波产生一定的延时。文献[7-9]通过合理设计微环谐振器结构和级联一定数目的微环谐振器可以实现对延时量的精确控制，在基于集成光学的光控宽带波束形成技术领域发挥重大的作用。相比于传统的相控阵技术，该技术具有明显优势：光载波频率相对于射频带宽极高，即用光学的窄带宽处理传统电学里的大带宽，使得链路具有稳定的传输特性，可以实现波束大角无偏斜扫描[10]；单片光TTD技术采用的光电子器件体积小、重量轻，具有较低的传输损耗，抗电磁干扰和电磁脉冲，解决了宽带相控阵雷达机载重量的限制[11-12]。针对TTD的技术优势，对用于波束形成的基于微环谐振腔的真时间延迟网络进行了研究。不同于载波载入技术，波束形成网络采用了单边带抑制强度直接调制、双周期群延迟响应直接探测机制，克服谐振腔带宽限制和大延迟网络时的退相干限制。作为一个具体应用特例，对具有8个单元的一维线性阵列进行了设计。

1器件结构及工作原理

1.1单谐振环结构

可调延迟单元结构如图1所示。控制MZI某一臂上相位延迟时间(虚线框内)，可获得等效耦合系数的控制。而通过调整谐振腔和波导之间的耦合系数即可实现延迟时间大小的调整。

图1　延迟可调微环延迟单元

MZI耦合器结构中，两侧定向耦合器结构相同，耦合系数相等。设计使其耦合系数为0.5，即3 dB功率分束时，相应的可调延迟单元的延迟响应函数τ为：

式中，Ω为归一化频率；κe=cos2(Δφ/2)为等效耦合系数；φ和φ对应图1中的附加相位；r为损耗因子。T=ngL/c为周循环时间延迟值，ng为群折射率，L为微环周长。

可调延迟单元有效耦合系数及延迟时间控制如图2所示。

图2　可调延迟单元有效耦合系数及延迟时间控制

当控制图1中MZI区的φ附加相位(移相可通过热光或等离子色散效应产生)时，整个谐振环的等效耦合系数有如图2(a)所示的变化。当相位控制在0～2π变化时，耦合系数在最大值1和最小值0之间交替响应变化。通过控制等效耦合系数，可实现单环状态时带内频率的真时间延迟，如图2(b)所示。在图2(b)中的插图是在不同耦合系数时各频率对应的延迟时间。随着延迟时间的增加，延时误差范围内的带宽变小。为了保证延时范围内的带宽，可采用不同谐振频率的微环级联的拓扑结构。

1.2多谐振环级联结构

对于多微环级联，带内平均延迟时间、波纹最大振幅、带宽和级联微环数量相互制约，如图3所示，各级联微环延迟时间均设置为6倍环周期T。延迟单元带宽随着波纹振幅变大而增加，允许的延迟误差越大，带宽越大；相同抖动幅度下，增加微环可以显著增加整个延迟单元的带宽。由图3可知，三环到双环比单环到双环带宽增加大，因为与双环相比，中间环具有相对大的耦合系数，相对小的群延迟响应，根据带宽峰值延迟制约关系，三环比双环更有利于增加延迟单元带宽。对于级联更多微环的延迟单元，在相同延时量的前提下，带宽与微环数目近似成正比。

图3　级联不同微环时带宽和延迟抖动

由上述分析可知，当固定时间延迟时，如果要增加微环带宽，就需要增加级联微环数量，增加微环的控制单元数，为了优化波束形成网络中微环延迟单元数量，可采用单边带调制，减小网络带宽需求；在单边带调制中，由于仍然需要波束形成网络带宽大于射频信号低端频率与光载波频率差，为进一步优化网络中的微环延迟响应，使光载波和低频第一边带分别位于微环延迟线中不同延迟周期中，如图4所示。

图4　波束形成网络链路工作原理

由于边带和载波需要处在不同的周期，因此频率可扩展性变差，对于较小的RF输入，需要较小的FSR，而FSR反比于微环周延时或微环周长，即要求微环周长较大，会一定程度降低芯片集成度。在系统设计中，基于控制简单可靠、控制单元少的思路，优先采用调制器单边带强度直接调制，双周期群延迟响应直接探测RoF链路。

2仿真结果及分析

对于8单元一维线阵(阵元间距为对应于中心频率的半波长)的二进制波束形成网络特例，设计波束形成网络的延迟补偿、时间抖动和带宽可以实现如下指标：

天线工作频率：12～14GHz；

最大延迟时间：400ps(对应±60°扫描延迟)；

FSR/T(周延迟)：13GHz；

延迟抖动：<0.15T[ps]；

根据二进制树形非对称结构，第1台阶延迟时间为56ps，第2台阶为第1台阶延迟时间的2倍，即112ps，第3台阶为第1台阶延迟时间的4倍，即224ps。由于第1台阶延迟量小于周延迟量，因此，带宽足够大。延迟单元谐振频率等于光载波频率和第1低频边带中心频率，微环周长满足L=mngλ，m为正整数，ng为群折射率。

第2台阶和第3台阶延迟时间和带宽如图5所示。从图5中可以看出，当第2台阶微环延迟单元为2时，在延迟最大值112ps和带宽2GHz下，延迟抖动为8.5ps，<0.15T的要求。根据前面的带宽、延迟时间和延迟抖动的分析，对于延迟单元，可通过增加微环延迟单元数目增加系统带宽，第3台阶需增加为3个。对于3阶级联延迟单元，在延迟最大值224ps和2GHz带宽下，延迟抖动为5.4ps，满足小于0.15T的要求。需要指出的是，根据前面分析，延迟时间、延迟抖动和带宽相互制约，因此可适当增加延迟抖动接近0.15T，以获得>2GHz的系统带宽。综上分析，对于延迟单元的FSR=13GHz、光载波波长为1.55μm的波束形成网络，第1、第2和第3台阶的谐振单元分别为单环、双环和三环，延迟时间和带宽，以及延迟抖动满足了系统要求。

图5　第2台阶和第3台阶延迟时间和带宽

3结束语

在分析时间连续可调光子谐振环基本工作原理基础上，研究了级联光子谐振环在带内平均延迟时间、波纹最大振幅、带宽和级联微环数量之间相互限制。在一定的谐振腔带宽下，保证直接调制和探测的光链路机制，为获取最小的谐振腔数，提出了单边带抑制调制、载波和边带位于不同延迟周期的链路机制。该机制避免了载波的分离和载入，简化了网络结构。针对中心频率13GHz的8元一维线阵，对真时间延迟网络进行了详细的设计研究。研究结果表明，该波束形成网络具有连续可调的时间延迟响应、大带宽和较小的抖动误差。该网络时间连续可调、精度高、控制简单和抗电磁干扰，具有巨大应用潜力。

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doi:10.3969/j.issn.1003-3106.2016.07.02

收稿日期：2016-03-18

基金项目：国家自然科学基金资助项目(61308061)。

中图分类号TN256

文献标志码A

文章编号1003-3106(2016)07-0005-03

作者简介

李亚明男，(1985—)，博士，工程师。主要研究方向：微波光子学与微波射频技术。

李晶女，(1981—)，博士，工程师。主要研究方向：激光通信技术。

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：李亚明,李晶.基于光子谐振环的波束形成网络研究[J].无线电工程,2016,46(7):5-7，97.