光開關切換延時線自動標定與控制系統

陳逸飛， 史上清， 惲斌峰

（東南大學 電子科學與工程學院 先進光子學中心，江蘇 南京 210096）

1 引 言

基于微波光子技術的光控波束形成網絡（Optical Beamforming Network， OBFN）［1-4］在新一代相控陣雷達系統、無線通信等領域具有廣闊的應用前景，相較于采用電移相器進行相位調控的電學波束形成網絡，OBFN通常采用可調光延時線對各通道的相位進行調控［5-9］，具有瞬時帶寬大、損耗低、抗電磁干擾能力強的優(yōu)勢［10］，并且可以有效解決“波束斜視”效應［11］，大大降低了器件與系統的尺寸和功耗，提升了穩(wěn)定性。其中，一種廣泛報道的基于光程切換的集成可調光延時線為光開關切換光波導延時線（Optical Switched Delay Line， OSDL），通過改變各光開關的狀態(tài)（“直通”或“交叉”）［12］，控制光信號沿不同長度的路徑傳輸，從而實現延時調節(jié)［13］。OSDL中各光開關的狀態(tài)由加載在光開關上的功率決定，為了實現延時調節(jié)，需要對OSDL中各光開關的控制電壓進行標定［14］。已報道的OSDL驅動電壓自動標定與控制系統［15-16］需要多通道光功率計和可編程電壓源，對包含多通道OSDL的集成OBFN芯片而言，這會極大增加標定成本和時間［17］。因此，小型化、多通道、低成本、易擴展的OSDL自動標定與控制系統是OBFN芯片邁向實用的關鍵。

小型光功率計通過光電探測器和跨阻放大器協同工作實現光功率到電壓幅值的轉換，光電探測器可使用基于硅鍺或銦鎵砷的PIN，APD，MSM等實現，跨阻放大器可基于電阻［18］、偽電阻［19］、電容反饋［20］、共柵極［20］和反相器［21-22］等實現。其中，基于電阻的跨阻放大器線性度較高，因其調試方便而被廣泛應用于板級電路［23-24］，后幾種跨阻放大器在帶寬、增益等方面進行了優(yōu)化，但拓撲結構復雜且制作成本高，更適合用于集成方案。小型可編程電壓源一般基于數模轉換器［25］或數字電位器［26］并加以放大、濾波和反饋電路等實現［27-28］。目前，將小型光功率計和可編程電壓源結合構建OSDL標定與控制系統鮮有報道。為了實現OSDL自動標定與控制系統的小型化、多通道、低成本且易擴展，本文采用銦鎵砷PIN型光電探測器陣列、基于電阻的跨阻放大器、多通道模數/數模轉換芯片以及單片機設計制作了OSDL自動標定與控制系統，并基于該系統對5-bit硅基OSDL芯片進行了自動標定與控制實驗。實驗結果表明，該系統標定精度高、成本低、擴展性強，具有很好的應用價值。

2 系統架構

本文提出的OSDL自動標定與控制系統鏈路如圖1（a）所示。其中，硅基OSDL結構如圖1（b）所示，每級2×2馬赫-曾德熱光開關的兩個輸出端口分別連接固定長度的參考光波導和相應不同長度的延時光波導。通過對每個熱光開關OSn（n=0，1，2，…，N）上的移相器PSn（n=0，1，2，…，N）施加不同的驅動電壓，改變兩臂相位差，切換光開關狀態(tài)來選擇不同的光路，從而產生不同的延時，級聯N+1個光開關可以產生2N種延時。為了標定延時線中每個光開關的“直通”和“交叉”電壓，在每個光開關輸出端連接的參考波導處設計了基于定向耦合器的光功率探測端口TPn（n=0，1，2，…，N-1）。

圖1 光開關切換延時芯片結構及其驅動電壓自動標定與控制系統框圖Fig.1 Block diagram of OSDL chip architecture with automatic calibration and control system

OSDL芯片的自動標定與控制系統由多通道光功率計模塊、多通道電壓輸出模塊以及單片機模塊3部分組成，如圖1（c）所示。光開關切換延時線芯片中N個測試端口TPn耦合出的光由多通道光功率計模塊接收，經光電探測器將光信號轉化為光電流，再經跨阻放大器（Transimpedance Amplifier， TIA）將光電流轉換為電壓信號，最后由模數轉換器（Analog to Digital Converter， ADC）測量電壓并將數據傳輸給單片機，根據單片機中存儲的電壓-光功率標定關系可計算出輸入光的功率值；多通道電壓輸出模塊由數模轉換器（Digital to Analog Converter， DAC）和同向放大電路組成，可由單片機控制實現0～10 V的高精度、高穩(wěn)定直流電壓輸出，用于對光開關切換延時線芯片中各光開關的驅動；單片機調度多通道光功率計模塊和多通道電壓輸出模塊協同工作，并實現與上位機程序間的通信。

該系統可以實現以下功能：（1）通過單片機控制多通道電壓輸出模塊掃描驅動電壓，同時控制多通道光功率計模塊接收光功率，可以得到每個光開關驅動電壓與輸出端口光功率的關系曲線，從而通過上位機程序對每個光開關的“直通”和“交叉”驅動電壓進行標定；（2）對標定得到的每個光開關的“直通”和“交叉”電壓進行存儲，自動給出芯片各延時狀態(tài)（路徑）對應的光開關驅動電壓組合表，并存儲；（3）根據用戶選擇的延時路徑，查找光開關驅動電壓組合表，并根據該驅動電壓組合表控制多通道電壓輸出模塊輸出相應的電壓組合，以控制延時線中所有光開關，實現OSDL芯片延時路徑的選擇。

3 系統硬件和軟件設計

3.1 硬件設計

3.1.1 多通道光功率計模塊

多通道光功率計模塊由光電探測器（Photodetector， PD），TIA和ADC三個部分組成［24］。

PD將光功率轉換為光電流。本系統中采用的PD型號是Beijing Lightsensing 公司的In-GaAs-PIN型探測器（LSIPD-L1），具有低噪聲和高響應度的特點，工作波段為800～1 700 nm，標稱在波長1 550 nm的響應度R=0.9 A/W，工作在光電導模式下的暗電流為0.1 nA，光伏模式下的暗電流為1 nA。

TIA負責將PD輸出光電流信號轉換為電壓信號。對于實驗室研發(fā)的硅基OSDL芯片，當測試系統中激光器的輸出功率為13 dBm時，根據OSDL中各個器件單元的插損，預估各探測端口的輸出光功率約為-50～-10 dBm，使用Thorlabs PM320E光功率計測試得到的光功率范圍與預期相符合，則對應PD轉換的光電流約為9 nA～90 μA。因此，跨阻放大電路需滿足大增益與低噪聲的要求。由于光開關標定過程中使用直流光，因此跨阻放大電路的帶寬要求不高。綜上，基于高精電阻和低噪聲運放設計跨阻放大電路［19］，運放芯片選型為ADI公司的ADA4530，其偏置電流標稱最大值為20 fA，均方根噪聲標稱值為根據統計規(guī)律和經驗公式［29］，電噪聲峰峰值約為均方根噪聲的6.6倍，即92.4 nV。

ADC將TIA輸出的電壓信號進行采樣量化，并將結果傳輸給單片機處理與存儲。因PD和TIA轉換出的電壓是直流信號，所以ADC芯片的主要參數只需關注測量范圍、分辨率、積分非線性誤差（Integral Nonlinearity， INL）和微分非線性誤差（Differential Nonlinearity， DNL）。因此，ADC芯片選型為ADI公司的LTC2408，具有8通道24 bit分辨率，標稱INL為33.5 LSB，在5 V參考電壓、偽差分信號輸入的條件下，其采樣量化輸出的結果波動為10 μV。

圖2為光功率計模塊的設計原理。ADC芯片的采樣量化值與輸入光功率的關系為：

圖2 光功率計模塊原理Fig. 2 Schematic diagram of optical power meter module

式中：Qsam是ADC的采樣量化結果，Popt是輸入的光功率，R=0.9 A/W，表示PD的響應度，Rf為跨阻的阻值，VADC_ref=5 V，表示ADC的參考電壓，n=24，表示ADC的分辨率。

實驗室制備的5-bit OSDL有6個光開關需要標定和驅動控制。因此，對制作的六通道光功率計模塊進行了標定和測試，結果如圖3所示。在跨阻Rf=25 kΩ時，實驗得到了光功率計模塊中6個通道在不同輸入光功率下的ADC量化值，如圖3（a）所示，由式（1）可知，ADC的采樣量化值與輸入光功率是線性關系，所以圖中的橫縱坐標均使用線性單位。標定后選取標定范圍內不同于標定點的光功率值進行準確性復測，結果如圖3（b）所示，采用Thorlabs公司的PM320E光功率計作為標準，圖中橫坐標為PM320E測得的激光器輸出的光功率，縱坐標為采用所制作光功率計模塊測得的激光功率與PM320E測得的激光功率之差。結果表明，所制作的六通道光功率計模塊可以實現-53～-7.7 dBm的光功率測量，且全范圍內功率測量結果與Thorlabs的PM320E光功率計測量結果相差小于0.5 dB。該光功率計模塊的探測范圍已實現了對功率探測需求范圍的覆蓋，足夠實現對OSDL芯片的標定。

圖3 多通道光功率模塊計標定和準確性測試結果Fig.3 Calibration and accuracy test results of multi-channel optical power meter module

3.1.2 多通道電壓輸出模塊

多通道電壓輸出模塊由DAC和同向放大電路組成。DAC芯片選用ADI的AD5676，具有8通道和16 bit的精度，由ADR4550提供5 V參考電壓，DAC的輸出電壓可表示為：

根據式（2），VDAC_ref=5 V，n=16，DAC可直接輸出0～5 V的電壓，但是通常硅基熱光開關需要0～10 V的驅動電壓，因此需要將DAC輸出電壓放大2倍。同向放大電路的運放芯片選型為低噪聲運放OPA2211。電路使用4層布線設計，即信號-接地-電源-信號的層級設計。該電壓輸出模塊的穩(wěn)定性測試結果如圖4所示，在1小時的持續(xù)測試中，該電壓輸出模塊在0～10 V輸出電壓內的波動小于±0.5 mV。

圖4 多通道電壓輸出模塊的輸出穩(wěn)定性測試結果Fig.4 Voltage output stability test of multi-channel optical power meter module

3.1.3 單片機模塊

單片機選型為STM32F407ZGT6，該型號具有168 MHz的工作頻率，1 MB片上存儲，滿足系統設計需求，且較多的引腳具備很好的擴展性。圖5的通信接口示意圖中展示了OSDL自動標定與控制系統中各模塊之間的通信連接。其中單片機與ADC芯片、DAC芯片的通信連接均使用SPI通信；單片機和上位機的通信連接使用串口通信。

圖5 通信接口示意圖Fig.5 Schematic of communication interface

3.2 軟件設計

3.2.1 單個光開關電壓標定

單個光開關的開關電壓標定流程如圖6所示。單片機控制多通道電壓輸出模塊對光開關的驅動電壓進行掃描，20 mV的掃描電壓步進精度已滿足標定精度的需要，同時多通道光功率計模塊對該光開關后的對應探測端口TPn的光功率進行監(jiān)測，從而得到探測端口光功率與光開關驅動電壓的關系。其中，監(jiān)測光功率最大值和最小值對應的驅動電壓即為該光開關的“交叉”或“直通”狀態(tài)電壓。

圖6 單個光開關的驅動電壓標定流程Fig.6 Flow chart of driving voltage calibration for single optical switch

3.2.2 多通道OSDL芯片標定與控制

多通道OSDL標定和控制流程如圖7所示。首先對各通道延時線的光開關驅動電壓進行標定，存儲各通道延時線上每個光開關的“交叉”和“直通”狀態(tài)電壓；根據延時線結構，定制每個延時通道的每個延時狀態(tài)對應的光開關驅動電壓組合表。根據該表，可以得到指定延時線通道在指定延時狀態(tài)下各光開關的驅動電壓，通過單片機控制多通道電壓輸出模塊向指定延時線通道輸出對應的驅動電壓，即可實現對指定延時通道延時狀態(tài)的控制。重復上述流程即可實現多個延時線通道的控制。

圖7 多通道光開關切換延時線芯片標定和指定延時線通道控制流程Fig.7 Flow chart of multi-channel OSDL chip calibration and specified channel control

4 系統測試

OSDL自動標定與控制實驗系統如圖8所示。多通道光功率計模塊、多通道電壓輸出模塊、單片機模塊和電源模塊都通過銅柱固定在亞克力底板上，OSDL模塊中的光功率探測端口與多通道光功率計模塊的光纖端口相接，光開關驅動電極通過轉接電路與多通道電壓輸出模塊的輸出端口相接，溫控模塊［30］通過轉接電路與光開關切換延時線模塊相接。

圖8 光開關切換延時線自動標定與控制實驗系統Fig.8 Experimental setup of automatic calibration and control of OSDL chip

4.1 OSDL芯片自動標定

所設計的自動標定與控制系統5-bit OSDL如圖9所示。設置激光波長λ=1 560 nm，功率設置為13 dBm。將5-bit OSDL芯片中的探測端口TPn接入多通道光功率計模塊，將控制光開關狀態(tài)的電極接入多通道電壓輸出模塊，按照圖6中的標定流程，根據探測端口的光功率監(jiān)測結果，判斷前一級光開關的狀態(tài)，得到圖10所示的光開關驅動電壓和對應探測端口的光功率關系。光開關OS0～OS5的消光比分別為35.7，27.7，28.1，24.4，26.8，32.5 dB，根據圖10（a）～10（f）中光功率的最大值和最小值所對應的電壓，OS0～OS5光開關的“交叉”和“直通”電壓標定結果如表1所示。

表1 光開關的“交叉”和“直通”狀態(tài)驅動電壓標定結果Tab.1 Calibration results of driving voltages of optical switches in cross and through states（V）

圖9 5-bit光開關切換延時線結構Fig.9 Structure of 5-bit optical switching delay line

圖10 5-bit光開關切換延時線標定中6個光開關驅動電壓與測試端口光功率的實驗測量結果Fig.10 Measured results of optical power and driving voltage of 6 optical switches in 5-bit OSDL chip calibration

4.2 系統標定準確性檢驗

為檢驗硬件系統的標定精度，本文對比了所設計的系統和商用分立儀器分別控制單個光開關所得到的消光比，結果為35.7 dB和37.7 dB，說明本文提出的系統標定精度與商用儀器接近。

為檢驗光開關電壓標定的準確性，在使用所設計系統的標定和控制下，對OSDL芯片32種延時狀態(tài)下輸出端口Out2的輸出光譜進行測量。圖11（a）～11（d）中分別展示了0ΔL，10ΔL，20ΔL和31ΔL這4種典型延時狀態(tài)下Out2端口的輸出光譜?？梢钥闯?，在波長1 558～1 561 nm，延時線輸出光譜的波動小于1 dB，表明5-bit OSDL芯片上各光開關都工作在目標狀態(tài)下，殘余的光譜抖動主要是芯片上的光柵耦合器以及由于制作誤差引起的光開關消光比不足導致的。

圖11 四種延時狀態(tài)下5-bit光開關切換延時線芯片的透射光譜測試結果Fig.11 Measured transmission spectra of 5-bit OSDL in four different delay states

基于光矢量網絡分析方案［31］，分別采用所設計的系統和商用分立儀器標定的光開關電壓值對5-bit OSDL芯片的32種延時狀態(tài)進行了測試，結果分別如圖12（a）和圖12（b）所示，測試得到的5-bit OSDL的延時步進分別為3.110 9 ps/state和3.062 0 ps/state，兩者非常吻合。

圖12 兩種系統標定后5-bit光開關切換延時線芯片的延時量測量結果Fig.12 Measured delay time of 5-bit OSDL chip calibrated by two systems

根據光開關消光比、透射光譜和延時量的測試結果，可知本文提出的自動標定與控制系統對OSDL芯片進行標定和控制的效果與商用儀器基本相同。

5 結 論

本文設計的光開關切換延時線自動標定與控制系統包含三部分：多通道光功率計模塊、多通道電壓輸出模塊和單片機模塊。多通道光功率計模塊實現了多通道高精度光功率測量，測量范圍為-53～-7.7 dBm，測量誤差小于0.5 dB；多通道電壓輸出模塊實現了多通道0～10 V高精度高穩(wěn)定性的直流電壓輸出，輸出電壓波動小于±0.5 mV；單片機模塊協調多通道光功率計模塊和多通道電壓輸出模塊實現光開關切換延時線的自動標定與控制功能，并負責與上位機的通信。采用該自動標定與控制系統對5-bit OSDL芯片進行了標定與控制，芯片透射光譜在波長1 558～1 561 nm的波動小于1 dB，延時量測量結果為3.110 9 ps/state，與商用儀器標定所測得的3.062 0 ps/state基本相同。實驗結果表明，該系統標定精度高、成本低、擴展性強，具有廣闊的應用前景。