CN108521304B - 一种超大微波延时器件 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种超大微波延时器件，该器件包括：第一和第二光学耦合器、第一和第二光学带通滤波器、光延时单元及光电探测器。第一光学耦合器的两个输出端依次同第一和第二光学带通滤波器连接，第二光学带通滤波器的输出端同光延时单元的输入端连接，第二光学耦合器的两个输入端依次同第一光学带通滤波器和光延时单元连接。本发明利用两个带通滤波器分别对一个一阶边带和光载波进行选择滤波，光载波或某一个一阶边带经过延时波导延时后通过第二光耦合器耦合输出。设光延时单元引入延时为Δt，该延时器件输出的拍频信号经历的延时为(ω/Ω)Δt，即拍频信号的延时增大至光载波延时的ω/Ω倍。由于光波比微波频率高4个数量级，因此微波可获得超大延时。

Description

一种超大微波延时器件
技术领域
本发明属于光学及微波技术领域，更具体地，涉及一种超大微波延时器件。
背景技术
微波延时广泛应用于电子、通信、信号处理等领域，是其中关键部件之一。目前在微波频段尤其是毫米波段实现超大延时(几十ns，等效长度近一百倍波长)难度非常大，应用传统的电缆延时，插入损耗非常大且体积庞大，根本难以利用。然而在实际应用中仍有类似超大延时的需求，比如在光电振荡器(OEO)中，为减小OEO输出微波信号的相位噪声，就需要一个超大的微波延时，目前所实现的OEO主要采用长光纤进行延时，长光纤引起OEO的体积增加，这无疑增加了控制系统的控制难度，同时影响了便携性。由于高Q的微腔可以实现微波光子信号的延时，因此采用超高Q值微腔代替长光纤，实现集成化的OEO成为可能。目前的高Q微腔得到的微波延时还是太小，导致OEO的相位噪声较差，因此片上超大的延时(微秒量级)成为亟待解决的问题。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，为了解决片上微波延时小的缺陷，本发明提供了一种超大微波延时器件，采用中心波长分别为载波波长和±1阶边带波长的光学带通滤波器对调制信号进行滤波，并对其中一个带通滤波器输出信号进行延时后同另一个带通滤波器进行合束，实现低损耗超长延时。作为本发明优选的方案，本发明提供一种基于高Q微环结合延时波导实现低损耗超长延时的解决方案。
为实现上述目的，本发明提供一种超大微波延时器件，包括：
第一光学耦合器，用于对调制信号进行分束；
第一光学带通滤波器，其输入端同第一光学耦合器的第一输出端连接，用于提取调制信号中载波信号或者±1阶边带中一个边带信号；
第二光学带通滤波器，其输入端同第一光学耦合器的第二输出端连接，用于提取调制信号中±1阶边带中一个边带信号或者载波信号，且同第一光学带通滤波器提取信号不同；
光延时单元，其输入端同第二光学带通滤波器的输出端连接，对第二光学带通滤波器提取的信号进行延时处理；
第二光学耦合器，其第一输入端同第一光学带通滤波器的输出端连接，其第二输入端同光延时单元的输出端连接，用于对延时处理后的信号和第一光学带通滤波器提取的信号进行合束处理；
光电探测器，其输入端同第二光学耦合器的输出端连接，用于将合束后信号进行拍频处理输出微波电信号。
优选地，所述超大微波延时器件为集成芯片结构；第一光学带通滤波器为第一微环，第二光学带通滤波器为第二微环第二光学耦合器为片上光学耦合器；
第一微环的下载端作为第一光学带通滤波器的输出端，第二微环的下载端作为第二光学带通滤波器的输出端，第一微环直通端的输出端同第二微环直通端的输入端连接，第一微环直通端的输入端同第一耦合光栅输出端连接的，第一微环通过第一耦合光栅接收调制信号，第二微环通过第一微环接收调制信号，片上光学耦合器通过第二耦合光栅将合束处理后信号传输至光电探测器。
优选地，超大微波延时器件还包括第一光学相移器和第二光学相移器，第一光学相移器平铺于第一微环波导上方，第二光学相移器平铺于第二微环波导上方，第一光学相移器改变第一微环的谐振波长，第二光学相移器改变第二微环的谐振波长。
优选地，通过调节第一光学相移器让第一微环提取出±1阶边带信号中一个边带信号，通过调节第二光学相移器让第二微环提取出载波信号。
优选地，第一光学相移器和第二光学相移器均采用加热电极、PN结或光力结构。
优选地，还包括：用于发射连续光作为光载波的激光器、对用于光载波偏振态进行调节的第一偏振控制器、电光调制器及第二偏振控制器，电光调制器的载波输入端同第一偏振控制器的输出端连接，电光调制器的输出端同第二偏振控制器的输入端连接；
电光调制器的微波输入端用于接收微波信号，微波信号经过电光调制器调制后输出±1阶边带，调制信号经过第二偏振控制器输入到延时芯片。
优选地，所述的光波导材料为：SOI基、有机聚合物、氮化硅、氮氧化硅、氧化硅或二氧化硅。
优选地，所述波导结构为：条波导、脊波导、狭缝波导或表面等离子体波导。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：
1、本发明提供的超大延时器件，采用中心波长分别为载波波长和±1阶边带波长的光学带通滤波器对调制信号进行滤波，并对其中一个带通滤波器输出信号进行延时后同另一个带通滤波器进行合束，并对合束信号进行拍频处理，使得拍频信号经历的延时为(ω/Ω)Δt，即得到的拍频信号的延时增大为光延时单元延时的ω/Ω倍，实现低损耗超长延时。
2、本发明提供的超大微波延时芯片，由于采用采用两个高Q微环谐振器分别对调制后-1阶边带和光载波进行选择滤波，光载波经过延时波导延时后与-1阶边带通过片上光学耦合器耦合输出，输出信号作拍频处理，光信号转换为微波电信号，实现微波信号的延时是光载波信号延时104倍以上。
3、本发明提供的超大微波延时芯片,可将外部的激光器、调制器与探测器共同集成到芯片上，实现单片集成，减小器件尺寸，增加稳定性，降低成本。
4、本发明提供的超大微波延时芯片，由于载波信号强度远大于±1阶边带强度，对载波信号进行延时处理，有效降低±1阶边带衰减强度，提高延时芯片输出微波信号强度。
附图说明
图1为本发明提供超大微波延时器件的系统结构图；
图2为本发明提供的超大微波延时芯片实施例中片上器件的结构示意图；
图3为本发明提供的超大微波延时芯片中微环单元结构示意图；
图4为本发明提供的超大微波延时芯片另一实施例的结构示意图；
图5为本发明提供的微波延时的原理图；
图6为本发明提供的微波延时的仿真结果图；图6(a)为波长为1550nm附近一束光波，图6(b)为在波长为1550nm附近的另一束光波，图6(c)为对图6(b)所示光波进行延时后的光波，图6(d)为对图6(a)所示光波和图6(b)所示光波进行拍频后的光波，图6(e)为对图6(a)所示光波和图6(c)所示光波进行拍频后的光波；
其中，1-1为激光器，1-2为第一偏振控制器，1-3为电光调制器，1-4为微波源，1-1-1为第二偏振控制器，1-5为第一光学耦合器，1-6为第一光学带通滤波器，1-7为第二光学带通滤波器，1-8为光延时单元，1-9为第二光学耦合器，1-10为光电探测器，1为第一耦合光栅，2为第一微环的输入端，3为第一微环，4为第一光学相移器，5为第一微环直通端的输出端，5为第二光学相移器，6为第二微环的输入端，7为第二微环，8为第二光学相移器，9为第二微环下载端输出端，10为螺旋延时波导，11为第一微环下载端输出端，12为片上片上片上光学耦合器，13为第二耦合光栅。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
如图1所示超大微波延时器件的系统结构图，超大微波延时器件包括激光器1-1、第一偏振控制器1-2、电光调制器1-3，激光器1-1的输出端同第一偏振控制器1-2的输入端连接，第一偏振控制器1-2的输出端同电光调制器1-3的输入端连接。激光器1-1发射连续光作为光载波然后通过第一偏振控制器1-2输入到电光调制器1-3中，其中第一偏振控制器1-2用于调节光载波偏振态，使得调制效率最佳；微波源1-4发射一个微波信号加载到电光调制器1-3中得到±1阶边带。
超大微波延时器件还包括第一光学耦合器1-5、第一光学带通滤波器1-6、第二光学带通滤波器1-7、光延时单元1-8、第二光学耦合器1-9、光电探测器1-10，第一光学带通滤波器1-6的输入端同第一光学耦合器1-5的第一输出端连接，第二光学带通滤波器1-7的输入端同第一光学耦合器1-5的第二输出端连接，光延时单元1-8的输入端同第二光学带通滤波器1-7的输出端连接，第二光学耦合器1-9的第一输入端同光学带通滤波器1-5的第一输出端连接，第二光学耦合器1-9的第二输入端同光延时单元1-8的输出端连接，光电探测器1-10的输入端同第二光学耦合器1-9的输出端连接。
经过电光调制器1-3输出的调制信号通过第一光学耦合器1-5分成两路，分别利用第一光学带通滤波器1-6和第二光学带通滤波器1-7滤出载波信号或±1阶边带中的一个边带信号，第一光学带通滤波器1-6滤出信号和第二光学带通滤波器1-7滤出信号不同。按照本发明的一种情况，第一光学耦合器1-5上臂输出信号通过第一光学带通滤波器1-6滤出-1阶边带，下臂输出信号通过第二光学带通滤波器1-7滤出载波信号再经过光延时单元1-8对载波信号引入一个延时，第一光学耦合器1-5上下臂两路信号通过第二光学耦合器1-9实现合波之后再通过光电探测器1-10进行拍频处理，将输出光信号转换为微波电信号。
工作中，利用第一光学带通滤波器1-6对调制后-1阶边带进行选择滤波，利用第二光学带通滤波器1-6对调制后的光载波进行选择滤波，滤出的光载波经过光延时单元1-8得到固定延时为Δt，经第二光学耦合器1-9输出后的拍频信号经历的延时为(ω/Ω)Δt，其中，ω为光载波频率；Ω为拍频信号频率，即得到的拍频信号的延时增大为光载波延时的ω/Ω倍。由于光波比微波频率高4个数量级，因此可获得超大的微波时间延时。
本发明实施例提供超大微波延时芯片，超大微波延时芯片包括片上结构和光电调制器，片上结构和光电调制器集成于芯片，片上结构的结构示意图如图2所示，片上结构包括第一耦合光栅1、第二耦合光栅13、第一微环3、第二微环7、第一光学相移器4、第二光学相移器8、延时波导10和片上光学耦合器12；其中，第一微环3、第二微环7、延时波导10和片上光学耦合器12依次为图1中第一光学带通滤波器1-6、第二光学带通滤波器1-7、光延时单元1-8、第二光学耦合器1-9的具体实现方式。
其中，第一耦合光栅1与第一微环3直通端的输入端2相连，第一微环3直通端的输出端5与第二微环7直通端的输入端6相连，第一微环3的下载端11与片上光学耦合器12第一输入端相连，第二微环7的下载端9通过延时波导10同片上光学耦合器12第二输入端相连，片上光学耦合器12的输出端与第二耦合光栅13相连。
如图3所示，第一微环3和第一微环7是上传下载型微环，该微环的波导都是超低损耗波导，目的是减小波导损耗，增大微环Q值，可以对调制信号的边带和载波更好地滤波。第一光学相移器4平铺于第一微环3波导上方，第二光学相移器8平铺于第二微环7波导上方，通过调节第一光学相移器4改变第一微环3的谐振波长，通过调节第二光学相移器8改变第二微环7的谐振波长，以调整拍频信号的频率，实现所述微波延时的频率可调。
第一微环3和第二微环7用来滤出调制信号的边带或载波，且第一微环3滤出信号和第二微环7滤出信号不同。在本实施例中，利用第一微环3滤出±1阶边带中的某一个信号，第二微环7滤出载波信号，延时波导10用对第二微环7滤出的信号引入一个延时。
在本发明提供的实施例中，片上光学耦合器12采用1×2分光器，可以但不限于是多模干涉耦合器或Y分支耦合器。
如图4所示，本发明提供的超大微波延时芯片系统结构示意图，超大微波延时芯片系统包括激光器1-1、第一偏振控制器1-2、电光调制器1-3、第二偏振控制器1-1-1、超大微波延时芯片及光电探测器1-10；其中，第一偏振控制器1-2与激光器1-1相连，电光调制器1-3载波输入端与第一偏振控制器1-2相连，第二偏振控制器1-1-1与电光调制器1-3输出端相连，延时芯片的输入端与第二偏振控制器1-1-1输出端相连，光电探测器1-3与延时芯片的输出端相连。
激光器1-1发射连续光作为光载波然后通过第一偏振控制器1-2输入到电光调制器1-3中，其中，第一偏振控制器1-2用于调节光载波偏振态，使得调制效率最佳；电光调制器1-3的输出信号再通过第二偏振控制器1-1-1输入到延时芯片中，本实施例中，电光调制器1-3为相位调制器，相位调制器用于对经过偏振态调整后的光载波进行调制，其产生幅度、相位相同的+1阶上边带与-1阶边带，实现微波信号到光信号的转换；第二偏振控制器1-1-1用于调节经过电光调制器调制后信号的偏振态使得通过第一耦合光栅1的耦合损耗最小；调制信号在延时芯片中进行信号处理之后输入到光电探测器1-10中进行拍频处理，将输出光信号转换为微波电信号，实现的微波延时是光载波信号延时104倍。
如图5所示该延时方案的工作原理，利用第一微环3的下载端11的带通滤波特性对调制后-1阶边带进行选择滤波，利用第一微环7的下载端9的带通滤波特性对调制后的光载波进行选择滤波，滤出的光载波经过螺旋延时波导10得到固定延时为Δt，经片上光学耦合器输出后的信号再通过光电探测器进行拍频处理，得到的微波信号经历的延时为(ω/Ω)Δt，其中，ω为光载波频率；Ω为拍频信号频率，即得到的拍频信号的延时增大为光载波延时的ω/Ω倍。由于光波比微波频率高4个数量级，因此微波信号可获得超大的时间延时。
对于相位调制的信号，光载波和-1阶边带的光场表达式分别为
e0＝J0(m)cos(ω0t) (1)
e-1＝J-1(m)cos[(ω0-Ω)t] (2)
其中，m为相位调制器的调制指数，ω0和Ω分别为光载波和微波信号角频率，J0和J-1分别表示0阶和-1阶第一类贝塞尔函数。设载波经过螺旋延时波导的长度为L，且波导的有效折射率为neff，那么根据等式(1)，载波经过延时波导传输后可表示为：
其中，neffL/c为螺旋延时波导对载波引入的延时量。根据等式(2)和(3)，将经过延时后的载波与边带合波，合波后的光场可以表示为
将等式(4)中光场输入到光电探测器进行光电转换，忽略直流分量，可得到输出微波信号的电场
从等式(5)可以看到，对光载波引入的延时量为neffL/c，载波和边带拍频所得到微波信号的延时增大为光载波延时量的ω0/Ω倍。通常采用的通信波长为1550nm附近，频率约为1.94×1014Hz，如果产生10GHz的微波信号，那么微波信号的延时量被放大为光载波延时量的1.94×104倍。
仿真结果如图6所示。图6(a)和(b)所示分别为在波长为1550nm附近的两束频率相差10GHz的光波，频率分别为1.94×1014Hz和1.9401×1014Hz，这两束光波拍频产生的微波信号的时域波形如图6(d)所示，可以看到产生的频率为10GHz的微波信号初相位为0。如果将图6(b)所示波形引入的延时量为2.58×10-15s，即2.58fs，得到的光波信号时域波形如图6(c)所示。将图6(a)和图6(c)所示光波通过拍频产生如图6(e)所示波形，可以看到产生的10GHz的微波信号的延时大小为5×10-11s，即50ps。因此，在光域内引入了2.58fs的延时，对应的微波信号发生了50ps的延时，微波信号的延时量为光域延时的1.94×104倍，与等式(5)的结论相符。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种超大微波延时器件，其特征在于，包括：
第一光学耦合器(1-5)，用于对调制信号进行分束；
第一光学带通滤波器(1-6)，其输入端同第一光学耦合器(1-5)的第一输出端连接，用于提取调制信号中载波信号或者±1阶边带中一个边带信号；
第二光学带通滤波器(1-7)，其输入端同第一光学耦合器(1-5)的第二输出端连接，用于提取调制信号中±1阶边带中一个边带信号或者载波信号，且同第一光学带通滤波器(1-6)提取信号不同；
光延时单元(1-8)，其输入端同第二光学带通滤波器(1-7)的输出端连接，对第二光学带通滤波器(1-7)提取的信号进行延时处理；
第二光学耦合器(1-9)，其第一输入端同第一光学带通滤波器(1-6)的输出端连接，其第二输入端同光延时单元(1-8)的输出端连接，用于对延时处理后的信号和第一光学带通滤波器(1-6)提取的信号进行合束处理；
光电探测器(1-10)，其输入端同第二光学耦合器(1-9)的输出端连接，用于将合束后信号进行拍频处理输出微波电信号。
2.如权利要求1所述的超大微波延时器件，其特征在于，所述超大微波延时器件为集成芯片结构；第一光学带通滤波器(1-6)为第一微环(3)，第二光学带通滤波器(1-7)为第二微环(7)，第二光学耦合器(1-9)为片上光学耦合器(12)；
第一微环(3)的下载端作为第一光学带通滤波器(1-6)的输出端，第二微环(7)的下载端作为第二光学带通滤波器(1-7)的输出端，第一微环(3)直通端的输出端同第二微环(7)直通端的输入端连接，第一微环(3)直通端的输入端同第一耦合光栅(1)输出端连接的，第一微环(3)通过第一耦合光栅(1)接收调制信号，第二微环(7)通过第一微环(3)接收调制信号，片上光学耦合器(12)通过第二耦合光栅(13)将合束处理后信号传输至光电探测器(1-10)。
3.如权利要求2所述的超大微波延时器件，其特征在于，超大微波延时器件还包括第一光学相移器(4)和第二光学相移器(8)，第一光学相移器(4)平铺于第一微环(3)波导上方，第二光学相移器(8)平铺于第二微环(7)波导上方，第一光学相移器(4)改变第一微环(3)的谐振波长，第二光学相移器(8)改变第二微环(7)的谐振波长。
4.如权利要求3所述的超大微波延时器件，其特征在于，通过调节第一光学相移器(4)让第一微环(3)提取出±1阶边带信号中一个边带信号，通过调节第二光学相移器(8)让第二微环(7)提取出载波信号。
5.如权利要求2至4任一项所述的超大微波延时器件，其特征在于，所述第一光学相移器(4)和第二光学相移器(8)均采用加热电极、PN结或光力结构。
6.如权利要求1至4任一项所述的超大微波延时器件，其特征在于，还包括：用于发射连续光作为光载波的激光器(1-1)、对用于光载波偏振态进行调节的第一偏振控制器(1-2)、电光调制器(1-3)及第二偏振控制器(1-1-1)，电光调制器(1-3)的载波输入端同第一偏振控制器(1-2)的输出端连接，电光调制器(1-3)的输出端同第二偏振控制器(1-1-1)的输入端连接；
电光调制器(1-3)的微波输入端用于接收微波信号，微波信号经过电光调制器(1-3)调制后输出±1阶边带，调制信号经过第二偏振控制器(1-1-1)输入到延时芯片。
7.如权利要求3所述的超大微波延时器件，其特征在于，所述波导材料为：SOI基、有机聚合物、氮化硅、氮氧化硅、氧化硅或二氧化硅。
8.如权利要求3所述的超大微波延时器件，其特征在于，所述波导结构为：条波导、脊波导、狭缝波导或表面等离子体波导。
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