光开关切换延时线自动标定与控制系统

陈逸飞， 史上清， 恽斌峰

（东南大学 电子科学与工程学院 先进光子学中心，江苏 南京 210096）

1 引 言

基于微波光子技术的光控波束形成网络（Optical Beamforming Network， OBFN）［1-4］在新一代相控阵雷达系统、无线通信等领域具有广阔的应用前景，相较于采用电移相器进行相位调控的电学波束形成网络，OBFN通常采用可调光延时线对各通道的相位进行调控［5-9］，具有瞬时带宽大、损耗低、抗电磁干扰能力强的优势［10］，并且可以有效解决“波束斜视”效应［11］，大大降低了器件与系统的尺寸和功耗，提升了稳定性。其中，一种广泛报道的基于光程切换的集成可调光延时线为光开关切换光波导延时线（Optical Switched Delay Line， OSDL），通过改变各光开关的状态（“直通”或“交叉”）［12］，控制光信号沿不同长度的路径传输，从而实现延时调节［13］。OSDL中各光开关的状态由加载在光开关上的功率决定，为了实现延时调节，需要对OSDL中各光开关的控制电压进行标定［14］。已报道的OSDL驱动电压自动标定与控制系统［15-16］需要多通道光功率计和可编程电压源，对包含多通道OSDL的集成OBFN芯片而言，这会极大增加标定成本和时间［17］。因此，小型化、多通道、低成本、易扩展的OSDL自动标定与控制系统是OBFN芯片迈向实用的关键。

小型光功率计通过光电探测器和跨阻放大器协同工作实现光功率到电压幅值的转换，光电探测器可使用基于硅锗或铟镓砷的PIN，APD，MSM等实现，跨阻放大器可基于电阻［18］、伪电阻［19］、电容反馈［20］、共栅极［20］和反相器［21-22］等实现。其中，基于电阻的跨阻放大器线性度较高，因其调试方便而被广泛应用于板级电路［23-24］，后几种跨阻放大器在带宽、增益等方面进行了优化，但拓扑结构复杂且制作成本高，更适合用于集成方案。小型可编程电压源一般基于数模转换器［25］或数字电位器［26］并加以放大、滤波和反馈电路等实现［27-28］。目前，将小型光功率计和可编程电压源结合构建OSDL标定与控制系统鲜有报道。为了实现OSDL自动标定与控制系统的小型化、多通道、低成本且易扩展，本文采用铟镓砷PIN型光电探测器阵列、基于电阻的跨阻放大器、多通道模数/数模转换芯片以及单片机设计制作了OSDL自动标定与控制系统，并基于该系统对5-bit硅基OSDL芯片进行了自动标定与控制实验。实验结果表明，该系统标定精度高、成本低、扩展性强，具有很好的应用价值。

2 系统架构

本文提出的OSDL自动标定与控制系统链路如图1（a）所示。其中，硅基OSDL结构如图1（b）所示，每级2×2马赫-曾德热光开关的两个输出端口分别连接固定长度的参考光波导和相应不同长度的延时光波导。通过对每个热光开关OSn（n=0，1，2，…，N）上的移相器PSn（n=0，1，2，…，N）施加不同的驱动电压，改变两臂相位差，切换光开关状态来选择不同的光路，从而产生不同的延时，级联N+1个光开关可以产生2N种延时。为了标定延时线中每个光开关的“直通”和“交叉”电压，在每个光开关输出端连接的参考波导处设计了基于定向耦合器的光功率探测端口TPn（n=0，1，2，…，N-1）。

图1 光开关切换延时芯片结构及其驱动电压自动标定与控制系统框图Fig.1 Block diagram of OSDL chip architecture with automatic calibration and control system

OSDL芯片的自动标定与控制系统由多通道光功率计模块、多通道电压输出模块以及单片机模块3部分组成，如图1（c）所示。光开关切换延时线芯片中N个测试端口TPn耦合出的光由多通道光功率计模块接收，经光电探测器将光信号转化为光电流，再经跨阻放大器（Transimpedance Amplifier， TIA）将光电流转换为电压信号，最后由模数转换器（Analog to Digital Converter， ADC）测量电压并将数据传输给单片机，根据单片机中存储的电压-光功率标定关系可计算出输入光的功率值；多通道电压输出模块由数模转换器（Digital to Analog Converter， DAC）和同向放大电路组成，可由单片机控制实现0～10 V的高精度、高稳定直流电压输出，用于对光开关切换延时线芯片中各光开关的驱动；单片机调度多通道光功率计模块和多通道电压输出模块协同工作，并实现与上位机程序间的通信。

该系统可以实现以下功能：（1）通过单片机控制多通道电压输出模块扫描驱动电压，同时控制多通道光功率计模块接收光功率，可以得到每个光开关驱动电压与输出端口光功率的关系曲线，从而通过上位机程序对每个光开关的“直通”和“交叉”驱动电压进行标定；（2）对标定得到的每个光开关的“直通”和“交叉”电压进行存储，自动给出芯片各延时状态（路径）对应的光开关驱动电压组合表，并存储；（3）根据用户选择的延时路径，查找光开关驱动电压组合表，并根据该驱动电压组合表控制多通道电压输出模块输出相应的电压组合，以控制延时线中所有光开关，实现OSDL芯片延时路径的选择。

3 系统硬件和软件设计

3.1 硬件设计

3.1.1 多通道光功率计模块

多通道光功率计模块由光电探测器（Photodetector， PD），TIA和ADC三个部分组成［24］。

PD将光功率转换为光电流。本系统中采用的PD型号是Beijing Lightsensing 公司的In-GaAs-PIN型探测器（LSIPD-L1），具有低噪声和高响应度的特点，工作波段为800～1 700 nm，标称在波长1 550 nm的响应度R=0.9 A/W，工作在光电导模式下的暗电流为0.1 nA，光伏模式下的暗电流为1 nA。

TIA负责将PD输出光电流信号转换为电压信号。对于实验室研发的硅基OSDL芯片，当测试系统中激光器的输出功率为13 dBm时，根据OSDL中各个器件单元的插损，预估各探测端口的输出光功率约为-50～-10 dBm，使用Thorlabs PM320E光功率计测试得到的光功率范围与预期相符合，则对应PD转换的光电流约为9 nA～90 μA。因此，跨阻放大电路需满足大增益与低噪声的要求。由于光开关标定过程中使用直流光，因此跨阻放大电路的带宽要求不高。综上，基于高精电阻和低噪声运放设计跨阻放大电路［19］，运放芯片选型为ADI公司的ADA4530，其偏置电流标称最大值为20 fA，均方根噪声标称值为根据统计规律和经验公式［29］，电噪声峰峰值约为均方根噪声的6.6倍，即92.4 nV。

ADC将TIA输出的电压信号进行采样量化，并将结果传输给单片机处理与存储。因PD和TIA转换出的电压是直流信号，所以ADC芯片的主要参数只需关注测量范围、分辨率、积分非线性误差（Integral Nonlinearity， INL）和微分非线性误差（Differential Nonlinearity， DNL）。因此，ADC芯片选型为ADI公司的LTC2408，具有8通道24 bit分辨率，标称INL为33.5 LSB，在5 V参考电压、伪差分信号输入的条件下，其采样量化输出的结果波动为10 μV。

图2为光功率计模块的设计原理。ADC芯片的采样量化值与输入光功率的关系为：

图2 光功率计模块原理Fig. 2 Schematic diagram of optical power meter module

式中：Qsam是ADC的采样量化结果，Popt是输入的光功率，R=0.9 A/W，表示PD的响应度，Rf为跨阻的阻值，VADC_ref=5 V，表示ADC的参考电压，n=24，表示ADC的分辨率。

实验室制备的5-bit OSDL有6个光开关需要标定和驱动控制。因此，对制作的六通道光功率计模块进行了标定和测试，结果如图3所示。在跨阻Rf=25 kΩ时，实验得到了光功率计模块中6个通道在不同输入光功率下的ADC量化值，如图3（a）所示，由式（1）可知，ADC的采样量化值与输入光功率是线性关系，所以图中的横纵坐标均使用线性单位。标定后选取标定范围内不同于标定点的光功率值进行准确性复测，结果如图3（b）所示，采用Thorlabs公司的PM320E光功率计作为标准，图中横坐标为PM320E测得的激光器输出的光功率，纵坐标为采用所制作光功率计模块测得的激光功率与PM320E测得的激光功率之差。结果表明，所制作的六通道光功率计模块可以实现-53～-7.7 dBm的光功率测量，且全范围内功率测量结果与Thorlabs的PM320E光功率计测量结果相差小于0.5 dB。该光功率计模块的探测范围已实现了对功率探测需求范围的覆盖，足够实现对OSDL芯片的标定。

图3 多通道光功率模块计标定和准确性测试结果Fig.3 Calibration and accuracy test results of multi-channel optical power meter module

3.1.2 多通道电压输出模块

多通道电压输出模块由DAC和同向放大电路组成。DAC芯片选用ADI的AD5676，具有8通道和16 bit的精度，由ADR4550提供5 V参考电压，DAC的输出电压可表示为：

根据式（2），VDAC_ref=5 V，n=16，DAC可直接输出0～5 V的电压，但是通常硅基热光开关需要0～10 V的驱动电压，因此需要将DAC输出电压放大2倍。同向放大电路的运放芯片选型为低噪声运放OPA2211。电路使用4层布线设计，即信号-接地-电源-信号的层级设计。该电压输出模块的稳定性测试结果如图4所示，在1小时的持续测试中，该电压输出模块在0～10 V输出电压内的波动小于±0.5 mV。

图4 多通道电压输出模块的输出稳定性测试结果Fig.4 Voltage output stability test of multi-channel optical power meter module

3.1.3 单片机模块

单片机选型为STM32F407ZGT6，该型号具有168 MHz的工作频率，1 MB片上存储，满足系统设计需求，且较多的引脚具备很好的扩展性。图5的通信接口示意图中展示了OSDL自动标定与控制系统中各模块之间的通信连接。其中单片机与ADC芯片、DAC芯片的通信连接均使用SPI通信；单片机和上位机的通信连接使用串口通信。

图5 通信接口示意图Fig.5 Schematic of communication interface

3.2 软件设计

3.2.1 单个光开关电压标定

单个光开关的开关电压标定流程如图6所示。单片机控制多通道电压输出模块对光开关的驱动电压进行扫描，20 mV的扫描电压步进精度已满足标定精度的需要，同时多通道光功率计模块对该光开关后的对应探测端口TPn的光功率进行监测，从而得到探测端口光功率与光开关驱动电压的关系。其中，监测光功率最大值和最小值对应的驱动电压即为该光开关的“交叉”或“直通”状态电压。

图6 单个光开关的驱动电压标定流程Fig.6 Flow chart of driving voltage calibration for single optical switch

3.2.2 多通道OSDL芯片标定与控制

多通道OSDL标定和控制流程如图7所示。首先对各通道延时线的光开关驱动电压进行标定，存储各通道延时线上每个光开关的“交叉”和“直通”状态电压；根据延时线结构，定制每个延时通道的每个延时状态对应的光开关驱动电压组合表。根据该表，可以得到指定延时线通道在指定延时状态下各光开关的驱动电压，通过单片机控制多通道电压输出模块向指定延时线通道输出对应的驱动电压，即可实现对指定延时通道延时状态的控制。重复上述流程即可实现多个延时线通道的控制。

图7 多通道光开关切换延时线芯片标定和指定延时线通道控制流程Fig.7 Flow chart of multi-channel OSDL chip calibration and specified channel control

4 系统测试

OSDL自动标定与控制实验系统如图8所示。多通道光功率计模块、多通道电压输出模块、单片机模块和电源模块都通过铜柱固定在亚克力底板上，OSDL模块中的光功率探测端口与多通道光功率计模块的光纤端口相接，光开关驱动电极通过转接电路与多通道电压输出模块的输出端口相接，温控模块［30］通过转接电路与光开关切换延时线模块相接。

图8 光开关切换延时线自动标定与控制实验系统Fig.8 Experimental setup of automatic calibration and control of OSDL chip

4.1 OSDL芯片自动标定

所设计的自动标定与控制系统5-bit OSDL如图9所示。设置激光波长λ=1 560 nm，功率设置为13 dBm。将5-bit OSDL芯片中的探测端口TPn接入多通道光功率计模块，将控制光开关状态的电极接入多通道电压输出模块，按照图6中的标定流程，根据探测端口的光功率监测结果，判断前一级光开关的状态，得到图10所示的光开关驱动电压和对应探测端口的光功率关系。光开关OS0～OS5的消光比分别为35.7，27.7，28.1，24.4，26.8，32.5 dB，根据图10（a）～10（f）中光功率的最大值和最小值所对应的电压，OS0～OS5光开关的“交叉”和“直通”电压标定结果如表1所示。

表1 光开关的“交叉”和“直通”状态驱动电压标定结果Tab.1 Calibration results of driving voltages of optical switches in cross and through states（V）

图9 5-bit光开关切换延时线结构Fig.9 Structure of 5-bit optical switching delay line

图10 5-bit光开关切换延时线标定中6个光开关驱动电压与测试端口光功率的实验测量结果Fig.10 Measured results of optical power and driving voltage of 6 optical switches in 5-bit OSDL chip calibration

4.2 系统标定准确性检验

为检验硬件系统的标定精度，本文对比了所设计的系统和商用分立仪器分别控制单个光开关所得到的消光比，结果为35.7 dB和37.7 dB，说明本文提出的系统标定精度与商用仪器接近。

为检验光开关电压标定的准确性，在使用所设计系统的标定和控制下，对OSDL芯片32种延时状态下输出端口Out2的输出光谱进行测量。图11（a）～11（d）中分别展示了0ΔL，10ΔL，20ΔL和31ΔL这4种典型延时状态下Out2端口的输出光谱。可以看出，在波长1 558～1 561 nm，延时线输出光谱的波动小于1 dB，表明5-bit OSDL芯片上各光开关都工作在目标状态下，残余的光谱抖动主要是芯片上的光栅耦合器以及由于制作误差引起的光开关消光比不足导致的。

图11 四种延时状态下5-bit光开关切换延时线芯片的透射光谱测试结果Fig.11 Measured transmission spectra of 5-bit OSDL in four different delay states

基于光矢量网络分析方案［31］，分别采用所设计的系统和商用分立仪器标定的光开关电压值对5-bit OSDL芯片的32种延时状态进行了测试，结果分别如图12（a）和图12（b）所示，测试得到的5-bit OSDL的延时步进分别为3.110 9 ps/state和3.062 0 ps/state，两者非常吻合。

图12 两种系统标定后5-bit光开关切换延时线芯片的延时量测量结果Fig.12 Measured delay time of 5-bit OSDL chip calibrated by two systems

根据光开关消光比、透射光谱和延时量的测试结果，可知本文提出的自动标定与控制系统对OSDL芯片进行标定和控制的效果与商用仪器基本相同。

5 结 论

本文设计的光开关切换延时线自动标定与控制系统包含三部分：多通道光功率计模块、多通道电压输出模块和单片机模块。多通道光功率计模块实现了多通道高精度光功率测量，测量范围为-53～-7.7 dBm，测量误差小于0.5 dB；多通道电压输出模块实现了多通道0～10 V高精度高稳定性的直流电压输出，输出电压波动小于±0.5 mV；单片机模块协调多通道光功率计模块和多通道电压输出模块实现光开关切换延时线的自动标定与控制功能，并负责与上位机的通信。采用该自动标定与控制系统对5-bit OSDL芯片进行了标定与控制，芯片透射光谱在波长1 558～1 561 nm的波动小于1 dB，延时量测量结果为3.110 9 ps/state，与商用仪器标定所测得的3.062 0 ps/state基本相同。实验结果表明，该系统标定精度高、成本低、扩展性强，具有广阔的应用前景。