CN107247381B - 一种硅基集成任意波形信号发生器 - Google Patents

一种硅基集成任意波形信号发生器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种硅基集成任意波形信号发生器，激光器用于产生激光载波；偏振控制器用于控制激光载波的偏振态；分光模块用于将激光载波从一束分成多束；调制模块用于对分光模块输出的多束激光载波进行调制；模式复用器用于将多束激光载波耦合至多模波导，产生任意波形光信号；探测器用于将多模波导输出的任意波形光信号转换成电信号。本发明利用硅波导的模式正交性实现任意波形合成；利用硅光芯片的高折射率差和易集成性，将部分或全部部件集成在硅光芯片上，相对于传统的微波光子学任意波形生成器，其尺寸大大缩小，降低了制造成本，提高了稳定性和可携带型。

Description

一种硅基集成任意波形信号发生器
技术领域
本发明涉及微波光子领域与集成光学技术领域，尤其涉及一种硅基集成任意波形信号发生器。
背景技术
近年来，利用光子技术来进行微波信号处理的微波光子学越来越受到人们的关注，比如基于光子技术处理信号的雷达、射频通信、电子测试、任意信号产生等领域。利用光载体进行微波信号的处理具有高带宽，低损耗，速度快，抗电磁干扰强等优势。
任意波形发生器是一种能产生正弦波、方波、三角波等标准信号的微波源，这些标准信号在各种民用或军用领域发挥着重要作用，比如说雷达探测所采用的三角波信号。由于传统电学领域所采用生成三角波的数字频率合成技术或波形存储直读技术所生成的三角波的中心频率和带宽(几个GHz)远远小于利用微波光子学所产生的三角波的中心频率和带宽(几十GHz到上百GHz)，越来越多的基于微波光子学的任意波形生成方案被提出。然而，这些方案大都是基于分立光学器件的设计和组合，其稳定性和可携带型都有一定问题。
发明内容
(一)要解决的技术问题
有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种硅基集成的用于生成任意波形信号的任意波形发生器。
(二)技术方案
本发明提供了一种硅基集成任意波形信号发生器，包括：激光器，用于产生激光载波；偏振控制器，用于控制所述激光载波的偏振态；分光模块，用于将所述激光载波从一束分成多束；调制模块，用于对所述分光模块输出的多束激光载波进行调制；模式复用器，用于将所述多束激光载波耦合至多模波导，产生任意波形光信号；探测器，用于将多模波导输出的任意波形光信号转换成电信号。
在一些实施例中，所述分光模块包括n-1路1×2多模干涉光耦合器；对于每路1×2多模干涉光耦合器，其输入端连接上一路1×2多模干涉光耦合器的第二输出端，其第一输出端连接调制模块，其第二输出端连接下一路调制模块的输入端；其中，第一路1×2多模干涉光耦合器的输入端连接偏振控制器；第n-1路1×2多模干涉光耦合器的第一输出端和第二输出端均连接调制模块。
在一些实施例中，所述调制模块包括n个调制支路；对于第一至第n-1调制支路，其分别对应连接第一至第n-1路1×2多模干涉光耦合器的第一输出端；第n调制支路连接第n-1路1×2多模干涉光耦合器的第二输出端。
在一些实施例中，每个所述调制支路包括：马赫曾德电光调制器，用于将微波信号调制到激光；相位延迟器，用于调节激光的相位差；可调谐光衰减器，用于调节激光的强度。
在一些实施例中，所述马赫曾德电光调制器为双臂驱动马赫曾德电光调制器，包括上臂和下臂，每个臂包括一驱动电极，所述上臂的驱动电极连接有光相位延迟器，所述光相位延迟器连接有直流电源；微波信号经功分器分为两路，其中一路直接连接所述上臂，另一路经电相位延迟器连接至所述下臂。
在一些实施例中，所述多模波导分为n段；第一段多模波导，用于第一调制支路输出的激光以第一模式传播；第二段多模波导，用于第二调制支路输出的激光以第二模式传播，并与第一模式传播的激光合并；以此类推，第n段多模波导，用于第n调制支路输出的激光以第n模式传播，与第一、第二直至第n-1模式传播的激光合并，耦合为任意波形光信号。
在一些实施例中，所述第一模式为横电场基模，所述第二模式为横电场一阶模，所述第n模式为横电场n-1阶模。
在一些实施例中，所述分光模块、调制模块、模式复用器和探测器集成于硅光芯片。
在一些实施例中，所述激光器和偏振控制器集成于硅光芯片，或者分立于硅光芯片外，通过光纤相连。
在一些实施例中，所述分光模块包括1×n的多模干涉耦合器。
(三)有益效果
由上述方案可以看出，本发明利用硅波导的模式正交性实现任意波形合成；利用硅光芯片的高折射率差和易集成性，将部分或全部部件集成在硅光芯片上，相对于传统的微波光子学任意波形生成器，其尺寸大大缩小，降低了制造成本，提高了稳定性和可携带型。
附图说明
图1是本发明实施例硅基集成任意波形信号发生器的结构示意图。
图2是本发明实施例双臂驱动马赫曾德调制器的结构示意图。
图3是本发明实施例硅基集成任意波形信号发生器的另一结构示意图。
【符号说明】
1-激光器；2-偏振控制器；3、7-1×2多模干涉光耦合器；4、8、11-马赫曾德电光调制器；5、9、12-相位延迟器；6、10、13-可调谐光衰减器；14-模式复用器；15-探测器；16-功分器；17-驱动电极；18-光相位延迟器；19-电相位延迟器。
具体实施方式
近年来广泛研究的硅基光子集成技术和硅基模分复用为在硅光芯片上直接合成任意波形提供了一种解决方案，本发明基于此，提供了一种硅基集成的用于生成任意波形信号的任意波形发生器。
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。
如图1所示，本发明实施例的硅基集成任意波形信号发生器，包括：激光器1、偏振控制器2、分光模块、调制模块、模式复用器14和探测器15。
激光器1用于产生激光载波。偏振控制器2用于控制激光载波的偏振态。分光模块用于将一个输入光按比例分束为多个输出光，其将偏振控制器2输出的激光载波从一束分成多束。调制模块分别对分光模块输出的每束激光载波进行调制，生成多束已调激光。模式复用器14将多束已调激光耦合至多模波导，产生任意波形光信号；探测器15用于将多模波导输出的任意波形光信号转换成对应波形的电信号。
本实施例中，激光器1产生线偏振激光，该线偏振激光作为载波供后续调制模块进行调制。进一步地，如图1所示，本实施例的分光模块包括多路1×2多模干涉光耦合器3、7，其中，除第一路和最后一路1×2多模干涉光耦合器外，对于每路1×2多模干涉光耦合器，其输入端连接上一路1×2多模干涉光耦合器的第二输出端，其第一输出端连接调制模块，其第二输出端连接下一路调制模块的输入端；第一路1×2多模干涉光耦合器的输入端连接偏振控制器2，用以接收偏振控制器2输出的激光载波；最后一路1×2多模干涉光耦合器的第一输出端和第二输出端均连接调制模块。
本实施例的调制模块包括多个调制支路，分别对应连接分光模块的多个输出端，用以接收分光模块输出的多束激光载波。
对于本实施例的任意波形信号发生器，当调制模块包括n个调制支路时，分光模块应包括n-1个1×2多模干涉光耦合器。第一调制支路连接第一路1×2多模干涉光耦合器的第一输出端，第二调制支路连接第二路1×2多模干涉光耦合器的第一输出端，以此类推，第n-1调制支路连接第n-1路1×2多模干涉光耦合器的第一输出端，第n调制支路连接第n-1路1×2多模干涉光耦合器的第二输出端；第一路1×2多模干涉光耦合器的第二输出端连接第二路1×2多模干涉光耦合器的输入端，第二路1×2多模干涉光耦合器的第二输出端连接第三路1×2多模干涉光耦合器的输入端，以此类推，从而实现n-1个1×2多模干涉光耦合器将输入激光载波分束为n路输出激光载波，并由对应的n个调制支路对激光载波进行调制。在本实施例中n为大于等于2的自然数，即任意波形信号发生器至少包括1个1×2多模干涉光耦合器和两个调制支路；1×2多模干涉光耦合器优选按照1∶1的比例进行分光。
进一步地，如图1所示，本实施例调制模块的每个调制支路包括马赫曾德电光调制器、相位延迟器和可调谐光衰减器。
马赫曾德电光调制器4、8、11接收微波信号，将微波信号作为调制信号调制激光载波。相位延迟器5、9、12接收马赫曾德电光调制器4、8、11输出的已调激光，调节激光的相位，以调节n个调制支路的已调激光之间的相位差。可调谐光衰减器6、10、13接收相位延迟器5、9、12输出的已调激光，对已调激光的强度进行调节，并输出至模式复用器14。
在本实施例中，马赫曾德电光调制器4、8、11的调制方式为单边带调制，通过调节电信号相位延迟和光信号相位延迟来实现。参见图2，马赫曾德电光调制器优选为高速双臂驱动马赫曾德电光调制器，其包括上臂和下臂，每个臂包括一驱动电极17。输入的微波信号(RF)经功分器16分为两路，其中一路直接连接上臂，另一路经电相位延迟器19连接至下臂。上臂的驱动电极后还连接有光相位延迟器18，该光相位延迟器18连接有直流电源(DC)。
高速双臂驱动马赫曾德电光调制器采用以下方式对激光载波进行微波信号的调制：其输入端(in)输入的激光载波分为两路，分别进入上臂和下臂，微波信号等分为两路，其中一路直接加到上臂，另一路经电相位延迟器加到下臂，通过对电相位延迟器和光相位延迟器的调节，其输出端(out)产生单边带微波调制激光。
相位延迟器5、9、12利用硅光中的热光效应改变硅波导材料的折射率，折射率改变的大小可调谐，以调节已调激光的相位，使n路已调激光耦合到多模波导后的相位差为零。
可调谐光衰减器6、10、13采用马赫曾德干涉结构实现，其利用热光效应改变硅波导材料的折射率，折射率改变的大小可调谐，调节已调激光的强度，使n路已调激光的强度形成一定比例。
除模式复用器采用的多模波导外，传输波导仅支持横电场基模传输。模式复用器的多模波导分段支持不同数目的横电场模式。多模波导分为n段，分别对应n个调制支路输出的已调激光。第一段多模波导支持第一模式传输，第二段多模波导支持第一模式和第二模式传输，依次类推，第n段多模波导支持第一模式至第n模式传输。
具体来说，第一调制支路输出的已调激光在第一段多模波导以第一模式传播，第二调制支路输出的已调激光在第二段多模波导以第二模式传播，与第一模式传播的已调激光在第二段多模波导合并；以此类推；第n调制支路输出的已调激光在第n段多模波导以第n模式传播，与第一、第二、直至第n-1模式传播的已调激光在第n段多模波导合并，耦合为任意波形光信号。模式复用器利用基模波导和不同宽度的波导耦合到宽波导中产生不同模式的光，宽波导与基模波导高度，但宽波导的宽度大于基模波导，多模波导由不同宽度的波导连接形成，将n路已调激光耦合到多模波导里以不同模式传播，从而产生任意波形光信号。
优选地，上述传输模式为横电场各阶模，具体来说，第一模式为横电场基模，第二模式为横电场一阶模，依次类推，第n模式为横电场n-1阶模。
探测器15利用光吸收产生载流子，形成随激光光强变化的电流，实现将多模波导输出的光信号转换成电信号。
本实施例的任意波形信号发生器的所有部件集成一体，通过在绝缘体上加工硅材料或基于硅的衍生加工方式制备，例如混合材料加工。其中的激光器1和偏振控制器2也可以不与其他部件集成一体，而是外置分立。
虽然图1所示调制支路的马赫曾德电光调制器、相位延迟器和可调谐光衰减器为顺次相接，但本发明并不限于此，实际上，这三者的连接顺序并无限制，各自的位置可以互换，也可以是相位延迟器、可调谐光衰减器和马赫曾德电光调制器顺次相接，或者相位延迟器、马赫曾德电光调制器、可调谐光衰减器顺次相接等，均可以实现相同的功能。
分光模块还可以采用1×n的多模干涉耦合器，代替1×2多模干涉光耦合器，其同样可以实现将一束激光载波分束为n束激光载波。
以下以生成三角波为例，对本实施例的任意波形信号发生器进行进一步说明。
对一个频率为ω的三角波进行傅里叶展开，可以得到
由于频率为5ω的分量及更高频的分量，其幅值过小，因此只考虑上述展开式的前两项，也就是说在此示例中只采取两路光路来合成一个三角波。
如图3所示，一束线偏振的激光(频率为ω0)由激光器1射出。经由偏振控制器2旋转激光的偏振态，使激光耦合进硅光芯片后以横电场基模传输来降低传输损耗。偏振控制器2输出的激光进入1×2多模干涉耦合器3，等分成两束激光。一束激光进入第一调制支路的高速双臂驱动马赫曾德调制器4，调制成为频域只有一个边带且其频率为(ω0+ω或ω0-ω)的激光信号A1。另一束激光进入第二调制支路，对其进行微波频率为3ω的调制，产生一个频域只有一个边带且其频率为(ω0+3ω或ω0-3ω)的激光信号A2。激光信号A1和A2通过模式复用器14耦合到一根多模波导里，送入集成在硅光芯片上的探测器15，将光信号转换为电信号。在第二调制支路中，为了得到理想的三角波信号，利用可调谐光衰减器10对激光信号A2进行幅值调节，使其耦合到多模波导的强度为激光信号A1耦合到多模波导的强度的1/9(约-9.5dB)，再利用相位延时器9对激光信号A2的相位进行调节，使激光信号A1和A2的相位一致。
利用图2所示的双臂驱动马赫曾德调制器实现单边带调制。将一束微波信号一分为二，其中一路引入相位为的电相位延迟加在下臂，另一路直接加在上臂。上臂包括一热调光相位延迟器，可引入一个相位为θ的光相位延迟，最后对双臂驱动马赫曾德调制器输出的光做贝塞尔展开，且省略高阶项可得：
其中，E0是光的振幅，J0和J1是零阶和一阶第一类贝塞尔函数，β是相位调制系数。通过调节电相位延迟和光相位延迟，将上述表达式右边后面两项中其中一项的消去，从而实现单边带调制。
以上，对本发明的硅基集成任意波形信号发生器生成特定频率的三角波的过程进行了说明，对于其他任意波形，也可以此方式进行或以本方式的特征进行任意组合实现。对于任意波形，通过傅里叶变换成不同频率的正弦或余弦波的叠加，对各路激光信号进行不同频率的正弦或余弦微波调制，再利用多模波导合成，就可以得到任意波形的光信号，再利用片上探测器，就可以得到任意波形微波电信号。
本发明利用光波导中的模式复用和硅基集成平台实现片上集成波形发生器，提高了器件的可靠性和便携性。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种硅基集成任意波形信号发生器，包括：
激光器，用于产生激光载波；
偏振控制器，用于控制所述激光载波的偏振态；
分光模块，用于将所述激光载波从一束分成多束；
调制模块，用于对所述分光模块输出的多束激光载波进行调制；
模式复用器，用于将所述多束激光载波耦合至多模波导，产生任意波形光信号；
探测器，用于将多模波导输出的任意波形光信号转换成电信号；
所述分光模块、调制模块、模式复用器和探测器集成于硅光芯片。
2.根据权利要求1所述的硅基集成任意波形信号发生器，所述分光模块包括n-1路1×2多模干涉光耦合器；
对于每路1×2多模干涉光耦合器，其输入端连接上一路1×2多模干涉光耦合器的第二输出端，其第一输出端连接调制模块，其第二输出端连接下一路调制模块的输入端；
其中，第一路1×2多模干涉光耦合器的输入端连接偏振控制器；第n-1路1×2多模干涉光耦合器的第一输出端和第二输出端均连接调制模块。
3.根据权利要求2所述的硅基集成任意波形信号发生器，所述调制模块包括n个调制支路；
对于第一至第n-1调制支路，其分别对应连接第一至第n-1路1×2多模干涉光耦合器的第一输出端；第n调制支路连接第n-1路1×2多模干涉光耦合器的第二输出端。
4.根据权利要求3所述的硅基集成任意波形信号发生器，每个所述调制支路包括：
马赫曾德电光调制器，用于将微波信号调制到激光；
相位延迟器，用于调节激光的相位差；
可调谐光衰减器，用于调节激光的强度。
5.根据权利要求4所述的硅基集成任意波形信号发生器，所述马赫曾德电光调制器为双臂驱动马赫曾德电光调制器，包括上臂和下臂，每个臂包括一驱动电极，所述上臂的驱动电极连接有光相位延迟器，所述光相位延迟器连接有直流电源；微波信号经功分器分为两路，其中一路直接连接所述上臂，另一路经电相位延迟器连接至所述下臂。
6.根据权利要求3所述的硅基集成任意波形信号发生器，所述多模波导分为n段；
第一段多模波导，用于第一调制支路输出的激光以第一模式传播；
第二段多模波导，用于第二调制支路输出的激光以第二模式传播，并与第一模式传播的激光合并；
以此类推，第n段多模波导，用于第n调制支路输出的激光以第n模式传播，与第一、第二直至第n-1模式传播的激光合并，耦合为任意波形光信号。
7.根据权利要求6所述的硅基集成任意波形信号发生器，所述第一模式为横电场基模，所述第二模式为横电场一阶模，所述第n模式为横电场n-1阶模。
8.根据权利要求1所述的硅基集成任意波形信号发生器，所述激光器和偏振控制器集成于硅光芯片，或者分立于硅光芯片外，通过光纤连接。
9.根据权利要求1所述的硅基集成任意波形信号发生器，所述分光模块包括1×n的多模干涉耦合器。
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