CN105425033B

CN105425033B - 一种包含双环耦合硅基光子芯片的微波光子频率测量系统

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Publication number: CN105425033B
Application number: CN201510966713.8A
Authority: CN
Inventors: 桂林; 裴璇
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2015-12-22
Filing date: 2015-12-22
Publication date: 2017-05-03
Anticipated expiration: 2035-12-22
Also published as: CN105425033A

Abstract

本发明提供了一种双波长的微波光子频率测量装置，以及一种微波光子频率测量装置的校正方法和基于此装置的微波频率测量方法。在微波光子频率测量装置中，本发明采用独特的双环耦合硅基光子芯片结构，可以形成两个不同深度的透射谱线。该系统采用一定的校准方法，预先得到微波频率和两个电光探测器光功率比值的函数，测量过程中，得到两个电光探测器光功率比值后，直接采用查表法得到微波频率。该系统将多个光学器件集成在硅基光学芯片上，从整体上减小了设备的体积，提高系统的整体可靠性。

Description

一种包含双环耦合硅基光子芯片的微波光子频率测量系统

技术领域

本发明涉及微波测量系统，特别涉及微波光子学领域的微波频率测量。

背景技术

人类社会的发展使得人类对信息技术的依赖逐渐增加，针对高频微波信号的处理技术越来越受到人们的关注。这种需求在民用方面表现为：高频微波信号处理对高速通信和精密电子测量设备至关重要；在军事应用中表现为：对战场环境中某些微波频段信号的处理，能够帮助军方对特定目标实施搜索、跟踪、识别、截获以及武器制导等应用。因此，高频微波信号处理是整个信息技术发展中的关键环节。

随着微波频率逐步提高，传统的电学方法在处理40GHz以上高频微波信号时受到了越来越大的限制。近年来，随着光电子学和光通信技术的迅速发展，以及微波信号产生和处理等方面的需求，一个崭新的交叉学科——微波光子学随之形成。利用光学方法进行微波频率测量是微波光子学领域的重要问题，当前的微波光子学研究，更多的考虑光波和微波相互作用原理，其验证性实验多采用光纤器件和分立光学器件，而这些器件有着不可集成、易受外界环境影响等致命弱点，难以在未来应用中保持稳定性能，并实现低成本。例如文献1和2所述方法，均是利用分立的光学器件完成相关微波频率测量的。利用集成光学器件的研究成果，设计小尺寸、可调谐、低成本的微波光子频率测量系统是当前的一个重要课题。该课题涉及到微波光子学与集成光学两个不同领域。

集成光子器件是光电子领域的一项关键技术。由于技术的发展，人们在硅基材料构成的光学芯片上已经可以制作出光耦合器、光分束器、光滤波器等无源光学器件，或是光调制器、电光开关等有源光学器件。由于采用绝缘衬底上硅(Silicon-On-Insulator，SOI)技术的硅基集成器件能够很好的与CMOS工艺相兼容，因此硅基器件便于大规模生产且具有成本优势，人们希望将光互联设备、光通信和光网络中的某些器件集成在单个硅基光学芯片上，最终实现片上光网络(network on chip，NOC)，从而使集成光学回路(Photonicintegrated circuits，PIC)像集成电路一样，能够提供成本较低、功耗较小且性能稳定的光模块资源，应用在未来信息传输和信息处理当中。

和光通信领域一样，微波光子学这个新兴的领域也希望将光子器件集成化，从而更好的完成微波光子频率测量等功能。文献3和4提出了基于硅基光子器件实现微波光子测频的装置和方法，这些方案将微波光子测频系统的集成度大大的提高了，从而更加容易在实际中应用。文献3采用马赫-泽德干涉仪(Mach-Zehnder interferometer，MZI)结构的光调制器和光栅器件的集成来完成微波光子滤波，如图1所示；而文献4采用的是包含两个输出端口的单个微环器件完成微波光子滤波，如图2所示。

以上方案的基本原理和分立的光学器件进行微波光子测频的原理基本类似，都是采用两个光电探测器上的功率比率和微波频率之间的关系，来反推原始微波频率，但是它们采用光子集成的方法实现了微波光子频率测量系统的部分光学器件，从整体上减小了设备的体积，提高系统的整体可靠性。然而，从技术层面上说，上述方案还存在一些需要解决的问题：

1)方案中最终得到微波的频率，都需要结合由光学滤波器结构决定的一个比率函数A(f)，在实际测量时，另A(f_m)＝A1，通过数据采集与处理单元的计算，从而反推出当前的微波频率f_m。A(f_m)往往是一个复杂的函数关系，它由多个器件参数决定，而这些器件参数是可能随着外界环境的变化而改变，如果仅仅根据静态的器件参数来确定微波频率，会导致很大的测量误差。因此，每间隔一段时间，需要引入系统的校准过程。

2)集成光子器件对外界环境较为敏感，为保证测量过程中器件参数变化缓慢，仍需要温度控制器等装置来保持芯片的温度稳定。

本发明将提出一种双波长的微波光子频率测量装置，并提出相关的装置校正方法和微波频率的测量方法。在未来的微波光子系统中，为了减小设备体积，逐步引入集成光学器件是一种重要的技术路线，而集成光学器件的具体设计和结构，也将和微波光子系统的性能密切相关。因此，结合微波光子学功能的集成光学器件将是未来重要的研究内容，例如，微波光子测频集成光学器件。

参考文献：

1.Xihua Zou，Wangzhe Li，Wei Pan，Bin Luo，Lianshan Yan，and Jianping Yao，“Photonic approach to the measurement of time-difference-of-arrival andangle-of arrival of a microwave signal，”Opt.Lett.，37(4)：755-757(2012).

2.Manik Attygalle，and David B.Hunter，“Improved Photonic Technique fbrBroadband Radio-Frequency Measurement，”IEEE Photon.Technol.Lett，，21(4)：206-208(2009).

3.专利：潘时龙，一种基于光子集成回路的微波频率瞬时测量装置及方法，授权号：CN 102156221 B。

4.专利：韩秀友，一种光子集成微波频率测量系统及方法，授权号：CN 102628893B。

发明内容：

针对背景技术中的需求，本发明的目的在于提供一种双波长的微波光子频率测量装置，以及一种微波光子频率测量装置的校正方法和基于此装置的微波频率测量方法。

本发明提供的微波频率测量系统，其基本结构如图3所示，包括：连续双波长可调谐激光光源(10)，用于提供微波光子系统用的基本光源；硅基光子芯片(20)，该芯片包含电光调制功能；温度控制器(25)，用来控制硅基光子芯片的温度，保证相关光滤波器的性能稳定；电极(30)，用于将微波放大器输出微波信号加载到硅基光子芯片的光调制单元上；微波天线(40)，用来接收微波信号；微波放大器(50)，用于将微波天线接收到的微波信号放大；直流电源(55)，用来提供硅基光子芯片上光调制器模块的直流偏置电压；光电探测器1(60)，用来接收光调制后的一个激光波长的信号光功率；光电探测器2(70)，用来接收光调制后的另一个激光波长的信号光功率；数据采集与处理单元(80)，用来对光电探测器1和光电探测器2测量得到的光功率值进行分析，并最终得到所测微波频率；存储器(90)，用来存储相关数据以计算微波频率；连接光纤(95)，用来连接硅基光子芯片与连续双波长可调谐激光光源，同时连接光电探测器1和光电探测器2。

在本发明提供的测量系统中，核心的部分是硅基光子芯片(20)，我们采用了集光调制与光滤波为一体的结构，其构成如图4所示，包括光纤到芯片的输入耦合器(110)，用于将光纤输出的光信号耦合进入硅基光子芯片；硅基MZI光调制器模块(120)，用来将输入的两个波长的激光进行电光调制；双环耦合硅基光子滤波模块(130)，用来产生两个深度不同的透射光谱线；硅基波分复用模块(140)，用来分离两个调制后的光波；输出耦合器1(150)，用于将硅基光子芯片输出的光信号耦合进入光电探测器1；输出耦合器2(160)，用于将硅基光子芯片输出的光信号耦合进入光电探测器2。硅基光子芯片(20)中除了集成硅基MZI光调制器模块(120)和硅基波分复用模块(140)外，还使用了关键部分双环耦合硅基光子滤波模块(130)，该模块的透射谱线不同于已有的单个微环的透射谱线，因此，本方案与文献4的方案有本质差别，而包含两个环波导和两个2×2光学定向耦合器的双环耦合硅基光子滤波器的透射谱线可调谐，相对于单环结构有显著优点，这部分内容将在实施例中阐述。

在本发明提供的测量系统中，微波放大器(50)为可调谐装置，可以根据需要来调谐放大器增益，用来保证加载到硅基光子芯片上的微波信号功率在允许的范围内。例如，射频信号的功率需要在[-10dBm，0dBm]的范围内，如果微波天线端接收到的射频信号功率在-30dBm，则可以将微波放大器的增益调谐至20dB，微波天线端接收到的射频信号功率在-10dBm，则可以将微波放大器的增益调谐至10dB，从而保证射频信号的功率在[-10dBm，0dBm]的范围内。

考虑到该系统为测量系统，为保证精度，必须定时提供系统校准过程，其方法如下：

a)在未加载微波信号时，校正该系统对各个波长的功率响应，得到该硅基光子芯片的静态透射光谱曲线；

b)根据静态透射光谱曲线选定两个波长λ₁和λ₂，作为激光器的两个工作波长；

c)将某个频率f的微波信号调制到硅基光子芯片上，同时记录两个光电探测器的功率，用λ₂的功率除以λ₁的功率，得到比值A(f)；

d)在[0，f_m]的范围内改变微波信号频率f，重复完成c)，得到不同微波频率的比值A(f)，并将其存储于存储器中，其中，f_m为该系统的最大测量频率。

在这些步骤中，前两步是关键步骤，其中，a)步骤中硅基光子芯片的静态透射光谱曲线可以按照如下方法得到：

1)开启连续双波长可调谐激光光源的一个波长，在其可调谐范围内连续变化激光器波长；

2)记录不同波长时光电探测器1的光功率和光电探测器2的光功率；

3)将不同波长时光电探测器1的光功率和光电探测器2的光功率求和，则得到硅基光子芯片的静态透射光谱曲线。

而b)步骤中，激光器的两个工作波长可以通过如下方法得到：

1)通过静态透射光谱曲线得到最小值对应的波长λ₁，作为激光器的一个波长；

2)得到另外一个极小值对应的波长λ₃；

3)以λ₃为基准，在λ₁波长的反方向上移动Δλ＝f₀ λ₃ ²/V时，将对应的波长λ₂作为激光器的另一个波长，其中f₀为该系统可以测量的微波频率的最大值，V为介质中的光速。

本发明所采用的微波光子频率测量方法与以往系统的方法也不相同，包括如下步骤：

1.将连续双波长可调谐激光光源的波长调谐至λ₁和λ₂，将两路激光的光功率调节到近似相等；

2.接收待测微波，将待测微波信号调制到硅基光子芯片的硅基MZI光调制器模块上；

3.同时记录两个光电探测器的功率，用λ₂的功率除以λ₁的功率，得到此输入微波频率下的比值A1；

4.在记录A(f)曲线的存储器中查找数值A1，当找到A1时，读取A1对应的频率，即为当前的微波频率f_m；

5.定时按照前面所述方法进行该系统的校准。

本发明的各个方面将通过下文中的具体实施例的说明而更加清晰。

附图说明

根据下面结合附图的示例性实施方式的详细描述，本发明的上述和其他目的、特征和优势将变得明显，在附图中：

图1是文献3中提出的基于硅基集成芯片的微波光子测频方案。

图2是文献4中提出的利用包含微环的硅基集成芯片进行微波光子测频的方案。

图3是本发明提出的利用双环耦合硅基光子芯片进行微波光子测频的方案示意图。

图4是本发明提供的双环耦合硅基光子芯片基本结构图。

图5是双环耦合谐振腔的透射曲线实例图：(a)高精确度小量程情况(b)低精确度大量程情况。

具体实施方式

1，本发明中硅基光子芯片的一个具体实施例：

在该硅基芯片中，光纤到芯片的输入耦合器(110)、输出耦合器1(150)和输出耦合器2(160)均可以采用光栅耦合的形式，一边连接着硅基SOI波导，一边连接着光纤，能够将光纤中的光学模式转换为硅基SOI波导中的光学模式。三个光学耦合器的尺寸较大，在毫米量级。

在核心芯片部分，硅基MZI光调制器模块(120)和硅基波分复用模块(140)采用常规设计，双环耦合硅基光子滤波模块(130)由一个直波导和两个环波导构成。其中，直波导和环波导的耦合系数δ₁，两个环波导之间的2×2耦合器的耦合系数δ₂。其中，δ_i和κ_i为两个2×2光学耦合器的波导耦合系数和交叉波导耦合系数，i＝1，2。当δ₁＝0.93且δ₂＝0.9时，该双环耦合硅基光子滤波模块(130)的透射谱线如图5(a)所示；当δ₁＝0.85且δ₂＝0.9时，该双环耦合硅基光子滤波模块(130)的透射谱线如图5(b)所示。在上述仿真图中，波导损耗为1dB/mm，两个环的周长近似的相等，均等于100微米，两环的长度差为0.05微米。在这两幅图中，两个未调制信号的激光器波长分别位于A点和B点，A点的激光在调制微波信号后，光功率增加，相当于调制后光信号的一阶边带通过了光滤波器，而载波则被抑制了；B点的激光在调制微波信号后，光功率减弱了，相当于调制后光信号的一阶边带被抑制了，而载波通过了光滤波器。在光调制之后，载波的分量逐步减弱，而边带的分量逐步增强，而边带增强的量和调制的微波频率有关，因此，该器件可以用来测量微波频率。在图5(a)中，由于光滤波器边缘比较陡峭，因此，它测量精度较高，而测量范围较小，其测量范围仅为20GHz；而在图5(b)中，由于光滤波器边缘比较平缓，因此，它测量精度较低，而测量范围较大，其测量范围可以达到50GHz。

由于输入的两个光波长上的光功率可能不同，所以测量时要尽可能的保证两路激光器输出光功率相等。

在系统校准中，测量硅基光子芯片(20)的静态透射光谱曲线是基础，它决定着系统的测量准确性。在每次校准过程后，测量得到的A(f)曲线保存在存储器中，每次测量过程中仅仅计算两个光电探测器测量得到的功率比值，之后用查表法得到微波信号的频率数值。

当然，本发明还可有其他多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员可根据本发明做出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

本领域普通技术人员可以理解上述方法中的全部或部分步骤。在不出现逻辑冲突的情况下，上述实施例中的耦合系数和环波导尺寸可以改变，因此可以根据测量需求所需要的精确度和量程，来设计该硅基光子芯片(20)，从而使系统具有更大的灵活性。

Claims

1.一种微波频率测量系统，包括：

连续双波长可调谐激光光源，用于提供微波光子系统用的基本光源；

硅基光子芯片，该芯片包含电光调制功能，同时包含双环耦合硅基光子滤波模块，该模块由一个直波导和两个环波导构成；

其中，直波导和环波导的耦合系数δ1，两个环波导之间的2×2耦合器的耦合系数δ2，该模块用来产生两个深度不同的透射光谱线；

温度控制器，用来控制硅基光子芯片的温度，保证相关光滤波器的性能稳定；

电极，用于将微波放大器输出微波信号加载到硅基光子芯片的光调制单元上；

微波天线，用来接收微波信号；

微波放大器，用于将微波天线接收到的微波信号放大；

直流电源，用来提供硅基光子芯片上光调制器模块的直流偏置电压；

光电探测器1，用来接收光调制后的一个激光波长的信号光功率；光电探测器2，用来接收光调制后的另一个激光波长的信号光功率；

连接光纤，用来连接硅基光子芯片与连续双波长可调谐激光光源，同时连接硅基光子芯片与光电探测器1，以及连接硅基光子芯片与光电探测器2；

数据采集与处理单元，用来对光电探测器1和光电探测器2测量得到的光功率值进行分析，并最终得到所测微波频率；

存储器，用来存储相关数据以计算微波频率。

2.如权利要求1所述的微波频率测量系统，其特征在于：

所述硅基光子芯片的构成如下：

硅基MZI光调制器模块，用来将输入的两个波长的激光进行电光调制；

双环耦合硅基光子滤波模块，用来产生两个深度不同的透射光谱线；

硅基波分复用模块，用来分离两个调制后的光波；

光纤到芯片的输入耦合器，用于将光纤输出的光信号耦合进入硅基光子芯片；

输出耦合器1，用于将硅基光子芯片输出的光信号耦合进入光电探测器1；

输出耦合器2，用于将硅基光子芯片输出的光信号耦合进入光电探测器2。

3.如权利要求1所述的微波频率测量系统，其特征在于：

微波放大器为可调谐装置，可以根据需要来调谐放大器增益，用来保证加载到硅基光子芯片上的微波信号功率在允许的范围内。

4.一种如权利要求1所述的微波光子频率测量系统的校准方法，包括如下步骤：

d)在[0,f_m]的范围内改变微波信号频率f，重复完成c)，得到不同微波频率的比值A(f)，并将其存储于存储器中，其中，f_m为该系统的最大测量范围。

5.如权利要求4所述的微波光子频率测量系统的校准方法，其特征在于：

硅基光子芯片的静态透射光谱曲线可以按照如下方法得到：

a)开启连续双波长可调谐激光光源的一个波长，在其可调谐范围内连续变化激光器波长；

b)记录不同波长时光电探测器1的光功率和光电探测器2的光功率；

c)将不同波长时光电探测器1的光功率和光电探测器2的光功率求和，则得到硅基光子芯片的静态透射光谱曲线。

6.如权利要求4所述的微波光子频率测量系统的校准方法，其特征在于：

激光器的两个工作波长可以通过如下方法得到：

a)通过静态透射光谱曲线得到最小值对应的波长λ₁，作为激光器的一个波长；

b)得到另外一个极小值对应的波长λ₃；

c)以λ₃为基准，在λ₁波长的反方向上移动时，将对应的波长λ₂作为激光器的另一个波长，其中f₀为该系统可以测量的微波频率的最大值，V为介质中的光速。

7.一种如权利要求1所述的微波光子频率测量系统的微波光子频率测量方法，包括如下步骤：

a)将连续双波长可调谐激光光源的波长调谐至λ₁和λ₂，将两路激光的光功率调节到近似相等；

b)接收待测微波，将待测微波信号调制到硅基光子芯片的硅基MZI光调制器模块上；

c)同时记录两个光电探测器的功率，用λ₂的功率除以λ₁的功率，得到此输入微波频率下的比值A1；

d)在记录A(f)曲线的存储器中查找数值A1，当找到A1时，读取A1对应的频率，即为当前的微波频率f_m；

e)定时按照权利要求4所述方法进行该系统的校准。