[发明专利]一种高精度N-bit可调光延时器

说明书

本发明提供了一种高精度N‑bit可调光延时器，主要由光开关芯片、准直透镜阵列、自由空间延时模块、输入输出光纤pigtail、底座组成。其中光开关芯片为多个光开关单元的阵列集成，自由空间延时模块实现多级延时单元的一体化，通过透镜阵列实现两者的高效耦合，最终可实现ps级步长，10‑bit以上的可调光延时器。本发明具有延时精度高、带宽大、体积小、重量轻、易于工艺实现等优点，非常适合光控相控阵雷达系统，特别是机载、星载雷达等领域的应用。

技术领域

本发明涉及光电器件技术领域，特别涉及一种高精度可调谐光延时器。

背景技术

在相控阵雷达系统中，传统电域相控阵天线的移相器配置和微波信号频率有关，这使其瞬时带宽很窄。为实现相控阵雷达的大瞬时带宽，应采用真延时(True Time Delay)技术来代替电域移相器。传统的TTD是由波导或同轴电缆构成，这种对微波信号直接延迟的方法受电回路密度的限制，所构造的时延网络体积庞大而笨重、信号损耗高，无论在性能还是工程上都不具备实用性。将微波信号调制到光上，用光波导做延时回路，即光学真延时技术(OTTD)，器件具有体积小、重量轻、带宽大、传输稳定、无相互辐射干扰的优势，是微波光子学的重要研究领域。

为使天线扫描方向可调，光延时器必须延时长度可调；而为保证天线扫描角度的高分辨率，光延时器的调谐步长应足够小。为满足高波段雷达应用，对于步进式可调光延时器，延时步进一般需达到ps量级，此时可认为这是一种“准连续”的可调光延时器。

目前可调光延时器的实现方案有多种，主要包括“光开关+延迟线”、光学谐振腔、啁啾光栅、光子晶体等。光学谐振腔、啁啾光栅、光子晶体这些方案可以实现光延时的连续调谐，但都属谐振结构，光信号延迟的性能受限于谐振结构本身固有的延迟-带宽积，它们的带宽都比较窄，不能满足宽带雷达的应用需求。“光开关+延迟线”方案可以实现大带宽，但属于步进式可调光延时技术，为了满足高波段雷达应用，它必须延时步长足够小，延时精度足够高。

“光开关+光纤延时”方案是经典的步进式可调光延时技术，但受光纤加工精度限制，延时精度只能做到0.01ns左右，仅适合S波段等低频段应用，且受分立光纤器件的体积重量限制，器件很难实现集成化和小型化，限制了它在机载/星载等领域的应用。

一种新兴技术是“光开关+光波导延时”片上集成的可调光延时技术，其延时精度可达到0.1ps以下，可满足高波段雷达应用的延时精度要求，但它在工艺实现上还存在一些问题。若采用亚微米级的小尺寸波导制作，有波导光传输损耗较大、芯片与光纤的耦合效率较低、延时路径精确控制困难、以及芯片性能对工艺敏感性高等问题；若采用微米级的大尺寸波导，波导的弯曲半径则较大，可实现的延时器bit数较少，不能满足应用需求。此外，片上集成的多bit光延时器，由于材料折射率的温度相关性，温度变化导致的延时变化量很容易与延时步进相当甚至超出延时步进，因而器件必须要有温控措施。总之，目前片上集成的“光开关+光波导延时”可调光延时技术离实用化还存在较远距离。

发明内容

本发明的目的就是针对现有技术的不足，提出一种高精度可调光延时器，它的延时调谐步长可达1ps，延时精度可达0.1ps，同时具有带宽大、体积小、调谐速度快、易于工艺实现等优点，能够满足光控相控阵宽带雷达的应用需求。

本发明公开的技术方案如下：

采用二进制“光开关+光延时”拓扑结构，器件主要由光开关芯片、准直透镜阵列、自由空间延时模块、输入输出光纤Pigtail、底座组成。对于N-bit可调光延时器，光开关芯片需包含N+1个光开关单元，自由空间延时模块需构造出N个自由空间延时单元，各级延时单元包含两个延时通道，分别与光开关单元的两个输入/输出口相连，每一级延时单元中两个延时通道的延时长度差呈2倍关系递增。光信号由光纤输入，经第1个光开关单元时进行延时路径选择，选择进入第1级延时单元的某个延时通道，再经第2个光开关单元选择第2级延时通道，依次类推，直至经过第N级延时通道，然后经过第N+1个光开关单元切换至输出端，光信号经延时后从光纤输出。