CN104991395A - 基于硅基微盘谐振腔的光子射频移相器 - Google Patents

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Abstract

一种基于硅基微盘谐振腔的光子射频移相器，包括：OCS信号发生系统、功率调制系统、硅基微盘谐振腔和信号处理分析系统，其中：OCS信号发生系统产生的OCS信号与功率调制系统产生的泵浦控制光信号耦合后输入硅基微盘谐振腔，硅基微盘谐振腔输出RF信号进入信号处理分析系统进行处理分析；本发明采用的微盘谐振腔几乎不受内壁散射损耗，具有更高的品质因数，可用于实现更大的相移调节范围。

Description

基于硅基微盘谐振腔的光子射频移相器
技术领域
本发明涉及的是一种微波通信领域的技术，具体是一种基于硅基微盘谐振腔的光子射频移相器。
背景技术
在微波和毫米波通信系统中，由于高速数据承载在高频毫米波上，传输过程会引起较为严重的多径衰落和交叉干扰，通过控制接收天线阵列的相位变化可以有效解决这一问题，这就需要用到高速射频移相器。此外，射频移相器还是雷达系统中相控阵天线的基本单元，在射频相位阵列波束成形和电子战等领域具有十分重要的意义。
传统的射频移相器主要基于开关线以及微波集成电路等技术，这些技术存在体积大、工作频率低、相移调节慢以及复杂度高等缺点，难以满足未来宽带无线接入网和高速信息电子战的实际需求。相比传统的电子技术，光子射频移相器具有信号处理速率快、传输损耗低、精度高、相移范围大、不受电磁干扰等优点。在此基础上，基于硅基集成光子器件的光子射频移相器还可进一步降低器件体积、重量和生产成本，并实现移相器阵列的大规模片上集成。
经过对现有技术的检索发现，中国专利文献号CN101799608A，公布日2010.8.11，公开了一种基于硅基微环谐振腔的电控宽带光子射频移相器，包括：载波抑制光双边带产生系统、硅基微环谐振腔系统、电压源和测量系统，所述的载波抑制光双边带产生系统包括：可调激光器、射频信号发生器、马赫曾德调制器和光放大器；所述的硅基微环谐振腔系统包括：硅基微环谐振腔和微波探针，其中的硅基微环谐振腔包括：电极、半径相等的两个硅基微环和直波导，所述的测量系统包括：光放大器、可调窄带滤波器，光检测器和示波器。但该技术对各个器件谐振峰的对准有着严格的要求，考虑到级联微环中由热效应引起的不同波长漂移，对准后的频谱也很难保持。
发明内容
本发明针对现有技术存在的上述不足，提出一种基于硅基微盘谐振腔的光子射频移相器，几乎不受内壁散射损耗，具有更高的品质因数，也就是更窄的滤波带宽，可用于实现更大的相移调节范围。
本发明是通过以下技术方案实现的：
本发明包括：OCS信号发生系统、功率调制系统、硅基微盘谐振腔和信号处理分析系统，其中：OCS信号发生系统产生的OCS信号与功率调制系统产生的泵浦控制光信号耦合后输入硅基微盘谐振腔，硅基微盘谐振腔输出RF信号(射频信号)进入信号处理分析系统进行处理分析。
所述的OCS信号发生系统包括：依次相连的可调激光器、OCS信号产生模块、掺铒光纤放大器、可调滤波器和偏振控制器。
所述的功率调制系统包括：依次相连的可调激光器、掺铒光纤放大器、可调滤波器、偏振控制器和可调光衰减器。
所述的硅基微盘谐振腔包括：微盘和与微盘耦合的直波导。
所述的微盘直径为10μm。
所述的微盘与直波导间定向耦合器的长度为1μm。
所述的信号处理分析系统包括：并联的光谱分析仪和信号观测模块。
所述的信号观测模块包括：依次相连的掺铒光纤放大器、可调滤波器、光放大器和示波器。
技术效果
与现有技术相比，本发明采用微盘谐振腔代替已有的微环谐振腔，实现了40GHzRF信号在0～6.1rad相移范围内的移相，避免了内壁散射损耗，获得更窄的滤波带宽，可用于实现更大的相移调节范围。
附图说明
图1为本发明示意图；
图中：1为可调激光器，2为OCS信号产生模块，3为掺铒光纤放大器，4为可调滤波器，5为偏振控制器，6为可调光衰减器，7为耦合器，8为待测器件，9为分束器，10为光谱分析仪，11为光放大器，12为示波器；
图2为微盘谐振腔示意图；
图3为微盘谐振腔频谱图；
图中：(a)为谐振峰附近的归一化功率传输谱图和相位响应谱图，(b)为工作原理示意图；
图4为待测器件示意图；
图中：(a)为制备待测器件的金相显微照片；(b)为待测器件扫描频谱图；
图5为实验结果图；
图中：(a)为待测器件产生的40GHzOCS信号光谱；(b)为移相前后RF信号波形图；(c)为相移与控制光功率的关系图。
具体实施方式
下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
实施例1
如图1所示，本实施例包括：OCS信号发生系统、功率调制系统、硅基微盘谐振腔和信号处理分析系统，其中：OCS信号发生系统产生的OCS信号与功率调制系统产生的泵浦控制光信号耦合后输入硅基微盘谐振腔，硅基微盘谐振腔输出RF信号(射频信号)进入信号处理分析系统进行处理分析。
所述的OCS信号发生系统与功率调制系统通过耦合器7耦合。
所述的OCS信号发生系统包括：依次相连的可调激光器1、OCS信号产生模块2、掺铒光纤放大器3、可调滤波器4和偏振控制器5。
所述的功率调制系统包括：依次相连的可调激光器1、掺铒光纤放大器3、可调滤波器4、偏振控制器5和可调光衰减器6。
如图2所示，所述的硅基微盘谐振腔包括：微盘和与微盘耦合的直波导。
所述的微盘直径为10μm。
所述的微盘与直波导间定向耦合器的长度为1μm。
所述的信号处理分析系统包括：并联的光谱分析仪10和信号观测模块。
所述的信号观测模块包括：依次相连的掺铒光纤放大器3、可调滤波器4、光放大器11和示波器12。
所述的微盘谐振腔输出的光信号通过分束器9分别输入频谱分析模块和信号观测模块。
如图3(a)所示，为微盘谐振腔在1559.54nm处由相同谐振模式引起的另一谐振峰，待测器件8的插入损耗为11dB。
如图3(b)所示，已知谐振腔谐振峰附近的频域传输函数可表示为：
T M D R ( f ) = j 4 π τ ( f - f 0 ) + ( 1 + κ ) j 4 π τ ( f - f 0 ) + ( 1 + κ ) = A M D R ( f ) exp [ jΦ M D R ( f ) ] - - - ( 1 )
其中：TMDR(f)为传输函数，f为频率变量，f0为谐振频率，τ为单圈传输时间，l为单圈传输损耗，κ为微盘与直波导间的功率耦合系数，AMDR(f)和ΦMDR(f)分别表示传输函数TMDR(f)的幅度和相位。
当κ≥l时，微盘谐振腔工作在过耦合状态，其相位响应在谐振峰附近有～2π的相位变化。对于含有频率为f1和f2的两个光谐波分量的输入光，其光场可表示为：
其中：Ai(i＝1，2)和分别表示两个谐波分量f1和f2的幅度和初始相位。
(2)式中的光信号经PD平方律检波后产生的RF信号可表示为：
其中：fRF＝|f1－f2|为两个谐波分量f1和f2的频率间隔。
光信号通过微盘谐振腔后的输出光可表示为：
(4)式中的光信号经过PD拍频后得到的输出RF信号可表示为：
由(5)式可知，微盘谐振腔在两个谐波分量f1和f2波长处相位响应的差异被转化到产生RF信号的相位上。当谐振波长从λ1变为λ2时，产生RF信号的相移由0变为2π。
本实施例采用OCS信号发生系统产生的OCS信号作为两个谐波分量f1和f2的光输入信号。两个谐波分量f1和f2间的频率间距为40GHz，中心光载波的抑制比大于20dB。
如图4所示，本实施例中测得整合微盘谐振腔的待测器件8在1548.92nm处一个谐振峰的扫描频谱，其3‐dB带宽为0.04nm，相应的品质因数为4*104，陷波深度为5dB。
如图5所示，所述的OCS信号发生系统产生OCS信号的载波波长为1549.18nm，位于谐振波长1548.92nm右侧。
由于硅材料的热非线性效应，当控制光位于微盘谐振腔的谐振峰附近时，会引起谐振波长的红移。
如图5(b)所示，所述的泵浦控制光波长为1559.56nm，位于另一谐振波长1559.54nm右侧，使红移时有更多的控制光进入微盘谐振腔。
所述的功率调制系统产生的连续光在经掺铒光纤放大器3放大后作为泵浦控制光，通过可调光衰减器6调节其功率，产生RF信号的相移会发生相应变化，得到初始RF信号经过π移相和6.1rad移相后的RF输出信号，移相后的RF信号仍然保持着与初始RF信号的高相似度。
当进入待测器件8前的泵浦控制光功率为15dB时，可以得到6.1rad的最大相移。除去11dBm的插入损耗，进入待测器件8时的光功率约为4dBm。
本实施例实现了40GHzRF信号在0～6.1rad相移范围内的移相，但最大相移范围受限于光控谐振波长的移动范围，可采用微加热器或掺杂电极调节谐振峰，以得到更大的移相范围。
相比于已有的基于微环谐振腔的光子射频移相器，本实施例的移相范围提升约30％并接近2π，实验结果证明了基于硅基微盘谐振腔的光子射频移相器的有效性。
所述的微盘谐振腔几乎不受内壁散射损耗，具有更高的品质因数，因而可用于实现更大的相移调节范围。

Claims (7)

1.一种基于硅基微盘谐振腔的光子射频移相器，其特征在于，包括：OCS信号发生系统、功率调制系统、硅基微盘谐振腔和信号处理分析系统，其中：OCS信号发生系统产生的OCS信号与功率调制系统产生的泵浦控制光信号耦合后输入硅基微盘谐振腔，硅基微盘谐振腔输出RF信号进入信号处理分析系统进行处理分析，硅基微盘谐振腔包括：微盘和与微盘耦合的直波导。
2.根据权利要求1所述的基于硅基微盘谐振腔的光子射频移相器，其特征是，所述的OCS信号发生系统包括：依次相连的可调激光器、OCS信号产生模块、掺饵光纤放大器、可调滤波器和偏振控制器。
3.根据权利要求1所述的基于硅基微盘谐振腔的光子射频移相器，其特征是，所述的功率调制系统包括：依次相连的可调激光器、掺饵光纤放大器、可调滤波器、偏振控制器和可调光衰减器。
4.根据权利要求1所述的基于硅基微盘谐振腔的光子射频移相器，其特征是，所述的微盘直径为10μm。
5.根据权利要求4所述的基于硅基微盘谐振腔的光子射频移相器，其特征是，所述的微盘与直波导间定向耦合器的长度为1μm。
6.根据权利要求1所述的基于硅基微盘谐振腔的光子射频移相器，其特征是，所述的信号处理分析系统包括：并联的频谱分析模块和信号观测模块。
7.根据权利要求1所述的基于硅基微盘谐振腔的光子射频移相器，其特征是，所述的RF输出信号表达式为：
其中：Ai(i＝1，2)和分别表示两个谐波分量f1和f2的幅度和初始相位，AMDR(f)和ΦMDR(f)分别表示传输函数的幅度和相位，fRF＝|f1－f2|为两个谐波分量f1和f2的频率间隔。
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