高精度光延迟线设计及应用研究

摘要

光延迟技术在相控阵雷达光移相网络中的应用解决了传统相控阵天线的孔径效应和波束偏斜现象问题，突破了电子波束形成系统工作频率和带宽的限制。光延迟技术的延时精度和损耗一致性影响波束形成的指向精度和抗干扰性能，是其关键技术指标。基于光纤、高色散光纤以及光纤光栅等的延迟技术方案由于延时精度、系统结构、体积和成本等方面的限制不能满足相控阵天线在更高工作频率、更高精度、更大带宽、更小体积重量等方面的发展要求。而基于硅基光波导的光延迟技术由于波导工艺的优势不仅具有精度高、体积小、重量轻等特点，还具有结构紧凑、稳定性好、便于规模制造等优势，是目前最具有应用发展潜力的光延迟技术平台。
　　本文在基于硅基光波导的高精度、小体积、低损耗延迟方案结构设计方面做了一定的研究。为基于螺旋形硅基光波导和Y分支光波导的延迟技术方案设计提供了一定的理论基础、可供参考的设计方法以及可供参考的延迟技术方案。
　　本文首先在光控相控阵雷达中的光延迟技术应用背景下，介绍了几种典型的光延迟技术方案和光延迟技术的发展状况，并基于硅基光波导延迟技术方案在精度、体积、结构、成本等方面的优势介绍了硅基光波导的一些现状。然后在相控阵波束形成理论和统计理论基础上，分析了光延迟技术的延时精度和损耗一致性对相控阵天线波束形成的指向精度和电平性能的影响。然后介绍了等效折射率法的理论分析方法和有限差分束传播法的数值分析方法以及透明边界条件，在此基础上应用Rsoft和Matlab软件仿真分析了SOI、Si3N4脊形波导以及SiO2矩形波导的结构参数及材料参数对弯曲辐射损耗的影响，分析了脊形弯曲波导结构参数对色散的影响，以及平行同向传输的SOI、Si3N4脊形波导和SiO2矩形波导间隔对其耦合长度的影响。最后在以上基础上完成了一个基于螺旋形Si3N4脊形光波导延迟线和级联Y分支光波导结构的2bit高精度无源光延迟技术方案设计，并给出了具体的结构参数，螺旋形波导中心半径为2mm，螺旋中心外波导间隔为6μm，螺旋形波导中心弯曲损耗为0.2dB，Y分支光波导损耗共3dB，在1550nm波长处的色散值为3.147ps/nm.km，各通道不仅具有良好的损耗一致性，而且利用波导光刻技术其延时精度可达亚ps级别，延时5ns的延迟线长0.7571m占用面积仅98.5mm2，3m长的延迟线也只需206.6mm2的面积。

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第一章 绪论

1.1 光延迟技术的应用背景

1.2 光延迟技术的分类

1.3 光延迟技术的发展情况

1.4 高精度光延迟技术

1.5 本文的主要贡献与创新

1.6 本文的结构安排

第二章 高精度光实时延迟关键技术分析

2.1 相位误差和幅度误差

2.2 延时误差对波束性能的影响

2.3 损耗一致性对波束性能的影响

2.4 本章小结

第三章 光波导理论基础

3.1 光波导的波动方程与色散方程

3.2等效折射率法和单模传输条件分析

3.3 光波导的数值模拟方法

3.4 本章小结

第四章 光波导的设计与仿真

4.1 光波导的材料和结构

4.2 仿真模型的分析与建立

4.3 弯曲光波导的损耗仿真分析

4.4 弯曲光波导的色散仿真分析

4.5 平行同向光波导的耦合仿真分析

4.6 本章小结

第五章 光波导延迟线的设计

5.1 光波导延迟线的材料

5.2 光波导的截面结构尺寸

5.3 光波导延迟线的结构

5.4 螺旋形光波导的曲率半径

5.5 螺旋中心外的波导间隔

5.6 光波导延迟路径的选择

5.7 本章小结

第六章 总结与展望

致谢

参考文献