CN107861194A - 一种n通道m位集成光波导可调谐延迟线 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种N通道M位集成光波导可调谐延迟线，主要应用于相控阵雷达领域，针对延迟线存在的延时精度不高，体积和重量均较大，空间利用率不高，延迟线的重构性小，延迟不可调的问题，本申请通过将MZI光开光单元和延迟线单元相间级联形成M位的可调谐光波导延迟线，并基于热光效应，通过控制施加在光开关电极上的功率，改变两干涉臂上光波的相位关系，实现不同路径的选择，选择不同的延迟线单元，进而选择不同的延迟时间，延时精度Δt达到皮秒量级，满足了雷达工作频率越来越高的要求；通过调节延迟线单元的外圆弧波导与内圆弧波导的长度差来调整延迟量实现延迟量可调谐，本申请满足了雷达工作频率日益增长的需求，具有广泛的应用前景。

Description

一种N通道M位集成光波导可调谐延迟线
技术领域
本发明属于相控阵雷达领域，特别涉及一种平面光波导的N通道M位集成光波导可调谐延迟线技术。
背景技术
可调谐光延迟线主要用于信号的同步与缓存，信号处理与微波光子系统，光相干断层成像技术以及相控阵雷达中的波束形成技术。可调谐光延迟线是相控阵雷达中的关键器件，传统的相控阵雷达由于孔径效应和孔径渡越时间的限制，很难在大扫描角下实现大瞬时带宽，通过利用可调谐光延迟线，可以在大扫描角下实现大瞬时带宽，同时在提高雷达的分辨率，识别能力，解决多目标成像等方面具有优势。随着雷达工作频率的增加，所需要的延时步长越来越小，光纤的精确切割已经难以达到要求，随着集成光学的不断发展，集成光波导的制作工艺越来越先进和成熟，且制作材料也多样化，由于光波导延迟线通过采用光刻技术，延时精度可以达到皮秒量级，而这一精度刚好满足雷达工作频率越来越高的要求。
发明内容
为解决上述技术问题，本申请提出一种N通道M位集成光波导可调谐延迟线，采用光实时延时单元取代基于纯电的实时延时单元，解决了传统相控阵雷达的两大技术瓶颈，即瞬时大带宽的制约和波束偏斜的问题，使得光控相控阵天线系统具有重量更轻，体积小，集成度高，具有可重构性，空间利用率高，功耗低，成本低，抗电磁干扰能力强等优点。
本发明采用的技术方案为：一种N通道M位集成光波导可调谐延迟线，N和M均为自然数，各单通道包括：输入通道、输出通道、M个延迟线单元和M+1个光开关单元，输入通道与输出通道之间的M个延迟线单元和M+1个光开关单元相间排列；还包括：输入直波导，转换光传输方向的半圆弧波导，以及连接输入直波导和半圆弧的弯曲波导；
所述半圆弧波导的另一端接第一个光开关单元的第一输入端，所述第一个光开关单元的第二输入端置空；所述第一个光开关单元的第一输出端接第一延迟线单元的内圆弧波导，所述光开关单元的第二输出端接第一延迟线单元的外圆弧波导；
所述第M+1个光开关单元的第一输入端接第M个延迟线单元的内圆弧波导，所述第M+1个光开关单元的第二输入端接第M各延迟线单元的外圆弧波导；
M大于1时，所述第i个光开关单元的第一输入端接第i-1个延迟线单元的内圆弧波导，所述第i个光开关单元的第二输入端接第i-1个延迟线单元的内圆弧波导，所述第i个光开关单元的第一输出端接第i个延迟线单元的内圆弧波导，所述第i个光开关单元的第二输出端接第i延迟线单元的内圆弧波导；
其中，1<i≤M。
进一步地，所述各光开关单元为MZI结构，包括：两个输入端口、两条干涉臂以及两个输出端口；连接于两个输入端口与两条干涉臂之间的输入定向耦合器、连接于两个输出端口与两条干涉臂之间的输出定向耦合器；还包括设置于两条干涉臂各自正上方的金属电极；所述各金属电极的左右两侧设置有空气槽。
更进一步地，所述金属电极的电阻率大于金属引脚与金属引线的电阻率，所述金属引脚和金属引线的宽度大于金属电极的宽度。
进一步地，所述光开关单元与延迟线单元均为单模波导。
进一步地，所述各延迟线单元的外圆弧波导为延迟线，内圆弧波导为参考延迟线，对应延迟线单元外圆弧波导和内圆弧波导的长度差为该延迟线单元的延迟量。
进一步地，所述输入定向耦合器与输出定向耦合器各自包含一对输入弯曲波导与一对输出弯曲波导；输入定向耦合器还包括连接于该输入定向耦合器的一对输入弯曲波导与一对输出弯曲波导之间的输入定向耦合核心部分；输出定向耦合器还包括连接于该输出定向耦合器的一对输入弯曲波导与一对输出弯曲波导之间的输出定向耦合核心部分。
进一步地，所述延迟线单元采用芯层和包层折射率差为0.75％的SiO2材料实现。
进一步地，所述延迟线单元采用芯层和包层折射率差为1.5％的SiO2材料实现时。
进一步地，所述延迟线单元采用芯层为Si3N4与包层为SiO2的材料实现。
本发明的有益效果：本申请的一种N通道M位集成光波导可调谐延迟线，包括：M个延迟线单元和M+1个光开关单元，M个延迟线单元和M+1个光开关单元相间排列继承于同一个芯片上，基于热光效应，通过控制施加在光开关电极上的功率，改变两干涉臂上光波的相位关系，实现不同路径的选择，选择不同的延迟线单元，进而选择不同的延迟时间，最长延迟时间为(1+2+…+2M-1)Δt，延时精度Δt可以达到皮秒量级，而这一精度刚好满足雷达工作频率越来越高的要求，同时解决了传统相控阵雷达的两大技术瓶颈，即瞬时大带宽的制约和波束偏斜的问题，本发明延迟可调谐，延迟精度高，转换速度快，体积小，集成度高，具有可重构性，功耗低，重量更轻，成本低，防电磁干扰能力强，大瞬时带宽，具有实际的应用价值。
附图说明
图1为单通道光实时延时光波导延迟线的拓扑结构示意图；
图2为低功耗的1位光波导延迟线单元结构示意图；
图3为带有空气槽的MZI光开关结构示意图；
其中，3为延迟线单元，2为光开关单元，6为输入直波导，4为半圆弧，5为弯曲波导，21为MZI输入端口，22为金属引脚，23为输入定向耦合器，24为干涉臂，25为金属引线，26为输出定向耦合器，27为输出端口，28为金属电极，29为空气槽；231为输入定向耦合器的核心部分，232和233分别为输入定向耦合器23的输入和输出弯曲波导，261为输出定向耦合器的核心部分，262和263分别为输出定向耦合器26的输入和输出弯曲波导。
具体实施方式
为便于本领域技术人员理解本发明的技术内容，下面结合附图对本发明内容进一步阐释。
本申请的一种N通道M位集成光波导可调谐延迟线，N和M均为自然数，各单通道包括：输入通道、输出通道、M个延迟线单元3和M+1个光开关单元2，如图1所示输入通道与输出通道之间的M个延迟线单元3和M+1个光开关单元2相间排列，如图2所示还包括：输入直波导6，转换光传输方向的半圆弧4，以及连接输入直波导6和半圆弧4的弯曲波导5；所述半圆弧4的另一端接第一个光开关单元2的第一输入端，所述第一个光开关单元2的第二输入端置空。
第一个光开关单元2的第一输出端271接第一延迟线单元3的内圆弧波导，所述光开关单元2的第二输出端272接第一延迟线单元3的外圆弧波导；所述第M+1个光开关单元2的第一输入端211接第M延迟线单元的内圆弧波导，所述第M+1个光开关单元2的第2输入端212接第M延迟线单元的外圆弧波导；当M大于1时，所述第i(1<i≤M)个光开关单元2的第一输入端211接第i-1延迟线单元的内圆弧波导，所述第i(1<i≤M)个光开关单元2的第二输入端212接第i-1延迟线单元的内圆弧波导，所述第i(1<i≤M)个光开关单元2的第一输出端271接第i延迟线单元的内圆弧波导，所述第i(1<i≤M)个光开关单元2的第二输出端272接第i延迟线单元的内圆弧波导。
延迟线单元3是本申请可调谐延迟线的核心部分，延迟线单元3直接决定了延迟的精度以及器件的集成度，光开关单元2是实现可变延迟的基础，光开关单元2的性能决定了延迟的精度和切换的速度。延迟线单元3和光开关单元2均为单模波导1。以下将对延迟线单元3和光开关单元2进行详细介绍：
延迟线单元3的工作原理为：如图1和图2所示，延迟线单元3外圆弧波导为延迟线，内圆弧波导为参考延迟线，延迟量由外圆弧波导(上波导)和内圆弧波导(下波导)的长度差来决定，当构成器件的光波导具有完全相同的结构参数时，延迟量Δt将由下式给出
其中，neff为波导有效折射率，ΔL为单级延迟线上下两路光波导的长度差，c为真空中光速。根据延迟量Δt计算公式，要实现特定的精确延迟需要精确地计算neff与ΔL。
假设信号的工作中心频率为f0，根据该信号中心频率来计算延迟步进，信号周期为1/f0，因此对于M bit的延迟线，其最小延迟步进时间Δt＝1/(f0×2M)。根据单模波导的有效折射率neff，利用延迟量Δt计算公式可得出为延迟线单元3可实现的最大延迟量2M-1Δt(＝1/f0/2)对应的延迟线上下两路光波导的长度差ΔL。获得这一长度差后，便可从弯曲损耗及器件集成度两个方面入手，对ΔL的实现方式进行研究，尤其需要考虑扩展至如图1所示的M bit单通道集成芯片的可行性分析。
本申请的光开关单元2采用MZI结构，如图3所示本申请的MZI光开关单元2包括：两个输入端口21、输入定向耦合器23的一对输出弯曲波导233与一对输入弯曲波导232、连接这一对输入弯曲波导232和一对输出弯曲波导233的输入定向耦合器23的核心部分231、两条干涉臂24、输出定向耦合器26的一对输入弯曲波导262与一对输出弯曲波导263、连接这一对输入弯曲波导262和一对输出弯曲波导263的输出定向耦合器26的核心部分261以及两个输出端口27；还包括设置于两条干涉臂各自正上方的金属电极28、分别连接于金属电极28两端的金属引线25以及金属引脚22，所述金属电极28与金属引脚22通过金属引线25相连接；为了降低损耗，金属电极28和金属引线25与金属引脚22采用不同的金属材料，金属电极28的电阻率大于金属引脚22和金属引线25的电阻率，并且如图3所示，金属引脚22和金属引线25的宽度大于金属电极28的宽度；本申请通过在金属电极28两侧制作空气槽29来进一步降低功耗。
MZI光开关单元的工作原理为：以第一个MZI光开关单元为例，输入波导中的基模(从第一个光开关单元2的第一输入端212输入)，在经过输入定向耦合器23后，产生两束相位相差π/2，振幅相同的基模光波进入两干涉臂24中传输；当金属电极28上未加功率上，两束光波进入输出定向耦合器26前的相位差不变；当来自干涉臂24的两束光波在输出定向耦合器26处各产生两束相位差为π/2，输出端口272的两束光波振幅相同，相位差为π；到达输出端口271的两束光相位相同，振幅相同，与输入光的相位相差π/2，则输出波导中，输出端口272的两束光干涉相消，输出端口271的两束光干涉相长，输出波导中实现输出端口271输出；
当对干涉臂上的电极施加功率，通过热光效应，实现干涉臂上π相位的相位变化，则在输出波导中，输出端口272的两束光干涉相长，输出端口271的两束光干涉相消，输出波导中实现输出端口272的输出，从而通过在电极上施加功率实现路径的选择，当与延迟线相间级联时，实现对不同延迟路径的选择，进而调谐不同的延迟时间。本申请中金属电极材料的电阻率大于金属引线与金属引脚的材料的电阻率，降低了光开关单元的功耗。
由于硅基二氧化硅材料的制备及其光波导的制作工艺比较成熟，其器件的制备通过调整芯层和包层的折射率差Δn来调整器件的结构参数。
输入弯曲波导232、262与输出弯曲波导233、263，以及半圆弧波导4、外圆弧波导和内圆弧波导各自的半径的取值根据实际情况确定；当本申请的可调谐延迟线采用芯层和包层折射率差为0.75％的SiO2材料实现时，输入弯曲波导232、262与输出弯曲波导233、263，以及半圆弧波导4、外圆弧波导和内圆弧波导各自的半径中最小的半径可取值为5mm；当本申请的可调谐延迟线还可采用芯层和包层折射率差为1.5％的SiO2材料实现，输入弯曲波导232、262与输出弯曲波导233、263，以及半圆弧波导4、外圆弧波导和内圆弧波导各自的半径中最小的半径可取值最小为2mm。当本申请的可调谐延迟线也可采用芯层为Si3N4和包层为SiO2材料实现，输入弯曲波导232、262与输出弯曲波导233、263，以及半圆弧波导4、外圆弧波导和内圆弧波导各自的半径中最小的半径可取值为0.08mm。
以折射率差Δn＝0.75％的光波导为例，由于光波导马赫-曾德尔(M-Z)干涉仪光开关2的优异性能，本发明采用该结构可实现低损耗、低功耗和高消光比可调谐光波导延迟线。
本申请的一种N通道M位集成光波导可调谐延迟线中各单通道的输入通道之间或输出通道之间的间距可设置为127μm或250μm，便于与光纤阵列连接时每个通道均具有最好的耦合效率。
本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的权利要求范围之内。

Claims (9)

1.一种N通道M位集成光波导可调谐延迟线，N和M均为自然数，其特征在于，各单通道包括：输入通道、输出通道、M个延迟线单元和M+1个光开关单元，输入通道与输出通道之间的M个延迟线单元和M+1个光开关单元相间排列；还包括：输入直波导，转换光传输方向的半圆弧波导，以及连接输入直波导和半圆弧的弯曲波导；
所述半圆弧波导的另一端接第一个光开关单元的第一输入端，所述第一个光开关单元的第二输入端置空；所述第一个光开关单元的第一输出端接第一延迟线单元的内圆弧波导，所述光开关单元的第二输出端接第一延迟线单元的外圆弧波导；
所述第M+1个光开关单元的第一输入端接第M个延迟线单元的内圆弧波导，所述第M+1个光开关单元的第二输入端接第M各延迟线单元的外圆弧波导；
M大于1时，所述第i个光开关单元的第一输入端接第i-1个延迟线单元的内圆弧波导，所述第i个光开关单元的第二输入端接第i-1个延迟线单元的内圆弧波导，所述第i个光开关单元的第一输出端接第i个延迟线单元的内圆弧波导，所述第i个光开关单元的第二输出端接第i延迟线单元的内圆弧波导；
其中，1<i≤M。
2.根据权利要求1所述的一种N通道M位集成光波导可调谐延迟线，其特征在于，所述各光开关单元为MZI结构，包括：两个输入端口、两条干涉臂以及两个输出端口；连接于两个输入端口与两条干涉臂之间的输入定向耦合器、连接于两个输出端口与两条干涉臂之间的输出定向耦合器；还包括设置于两条干涉臂各自正上方的金属电极；所述各金属电极的左右两侧设置有空气槽。
3.根据权利要求2所述的一种N通道M位集成光波导可调谐延迟线，其特征在于，所述输入定向耦合器与输出定向耦合器各自包含一对输入弯曲波导与一对输出弯曲波导；输入定向耦合器还包括：连接于该输入定向耦合器的一对输入弯曲波导与一对输出弯曲波导之间的输入定向耦合核心部分；输出定向耦合器还包括连接于该输出定向耦合器的一对输入弯曲波导与一对输出弯曲波导之间的输出定向耦合核心部分。
4.根据权利要求3所述的一种N通道M位集成光波导可调谐延迟线，其特征在于，所述金属电极的电阻率大于金属引脚与金属引线的电阻率，所述金属引脚和金属引线的宽度大于金属电极的宽度。
5.根据权利要求1所述的一种N通道M位集成光波导可调谐延迟线，其特征在于，所述各延迟线单元的外圆弧波导为延迟线，内圆弧波导为参考延迟线，对应延迟线单元外圆弧波导和内圆弧波导的长度差为该延迟线单元的延迟量。
6.根据权利要求4所述的一种N通道M位集成光波导可调谐延迟线，其特征在于，所述光开关单元与延迟线单元均为单模波导。
7.根据权利要求6所述的一种N通道M位集成光波导可调谐延迟线，其特征在于，所述延迟线单元采用芯层和包层折射率差为0.75％的SiO2材料实现。
8.根据权利要求6所述的一种N通道M位集成光波导可调谐延迟线，其特征在于，所述延迟线单元采用芯层和包层折射率差为1.5％的SiO2材料实现时。
9.根据权利要求6所述的一种N通道M位集成光波导可调谐延迟线，其特征在于，所述延迟线单元采用芯层材料为Si3N4与包层材料为SiO2材料实现。
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