CN108845390B - 反射型微环谐振器、多波长光延时器、光子波束成形芯片 - Google Patents

反射型微环谐振器、多波长光延时器、光子波束成形芯片 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种反射型微环谐振器。其包括一个上下载型微环谐振器，所述上下载型微环谐振器包括微环以及与微环耦合的信道波导；在所述上下载型微环谐振器的下载端设置有光反射结构；该反射型微环谐振器还包括耦合控制模块，用于对微环与信道波导之间耦合量进行控制以使得反射型微环谐振器中的两个方向谐振光的群延时状态满足快慢光对消条件。本发明还公开了一种多波长光延时器、一种光子波束成形方法以及一种光子波束成形芯片。本发明可实现宽带光真延时，且延时量可灵活调整。

Description

反射型微环谐振器、多波长光延时器、光子波束成形芯片
技术领域
本发明涉及一种微环谐振器，属于微波光子学技术领域。
背景技术
近年来，随着半导体技术、信号处理技术和光电子技术的进展，特别是半导体光电子集成技术的迅速发展，作为光电技术重要组成的光波束成形技术在集成微波光子学中也得到了应用。所谓光波束成形，就是应用光子学的手段来实现对波束的控制，即将射频信号调制到光载波上，然后在光波段实现对波束的控制，最后解调出射频信号，馈送到天线。整个系统中，对波束指向进行控制是在光波段进行的，所以叫做光波束成形系统。
相比于传统的波束成形手段，光波束成形技术具有明显的优势。首先，光载波的频率较高，信号带宽相对于光载波而言相当小，从而线路的传输稳定性较高；其次，采用光域真延时技术代替传统的电域移相器，可以使得波束指向与信号的频率无关，从而解决了波束偏移的问题；第三、光路具有较强的抗电磁干扰能力，较低的电磁辐射，提高了卫星的保密性；第四、目前通过光学技术已经能够实现40G以上的微波信号处理，可以满足Ka波段的工作需求，相关光电器件成熟。
光子波束成形技术通过在光域控制微波信号的相位来控制天线的波束形成和波束扫描，其核心技术在光域为微波信号相位的控制。相对于传统的采用移相器控制相位的技术而言，光延时器对于不同频率的信号其波束指向不变因而不会出现“波束倾斜”问题，大大增加了系统的瞬时带宽，增加了波束指向的精确性。目前，光延时器方案按原理划分主要包括两类：基于选择物理长度型和基于慢光型。基于选择物理长度型：即通过改变实际的物理长度实现真延时。利用波导光开关选择不同的路径可以实现不同的延时，由于是选择实际的物理路径，该方案虽然带宽较大但是无法连续调节，级联数量少调节范围、调节精度都受限，级联数量大系统复杂、响应速度下降。基于慢光型即采用光微环谐振器之类的谐振器件，通过其慢光效应实现光的延时。由于其结构简单同时可以实现连续可控的光延时因而受到广泛研究和应用。但是传统的光微环谐振器其群延时响应为洛伦兹型，其带宽较窄。通过采用串联或并联微环的方案可以提高其带宽，实现平坦群延时响应，但同时也大大增加了系统的复杂度，控制难度以及成本功耗。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术不足，提供一种反射型微环谐振器，其可实现宽带光真延时，且延时量可灵活调整。
本发明具体采用以下技术方案解决上述技术问题：
一种反射型微环谐振器，包括一个上下载型微环谐振器，所述上下载型微环谐振器包括微环以及与微环耦合的信道波导；在所述上下载型微环谐振器的下载端设置有光反射结构；该反射型微环谐振器还包括耦合控制模块，用于对微环与信道波导之间耦合量进行控制以使得反射型微环谐振器中的两个方向谐振光的群延时状态满足快慢光对消条件。
为了便于对谐振频率进行调整，进一步地，所述反射型微环谐振器还包括用于对腔内谐振频率进行控制的谐振频率控制模块。
优选地，所述耦合控制模块包括一组热光控制器。
在以上技术方案基础上，基于相同的发明思路还可以得到以下技术方案：
一种多波长光延时器，包括级联的至少两个如上任一技术方案所述反射型微环谐振器，各反射型微环谐振器具有不同的谐振频率。
为了提高集成度和光传输效率，优选地，每个反射型微环谐振器的输出信道波导与下一级反射型微环谐振器的输入信道波导复用。
一种光子波束成形芯片，其上集成有如上任一技术方案所述多波长光延时器。
一种光子波束成形方法，将射频信号调制于多个波长不同的光载波，产生多路光载射频信号；利用如上任一技术方案所述多波长光延时器为所述多路光载射频信号引入不同的延时，然后光电转换为带有不同延时的多路电信号，分别输入各个阵元进行发射。
进一步地，通过调整多波长光延时器各反射型微环谐振器中的微环与信道波导之间耦合量，使得相邻信道的延时差相等，从而实现波束指向。
进一步地，通过调整多波长光延时器各反射型微环谐振器中的微环与信道波导之间耦合量，来调整相邻信道的延时差，以实现波束的扫描。
相比现有技术，本发明技术方案具有以下有益效果：
本发明所提出的反射型微环谐振器结构，首次采用快慢光的叠加效应实现宽带可调光真延时，与传统微环谐振器相比带宽更大且结构简单，并且通过耦合控制模块调节耦合系数，该宽带延时量可以实现连续调节。
本发明所提出的多波长光延时器，基于多反射型微环谐振器结构级联结构，利用不同反射型微环谐振器对谐振波长的选择性，使得不同波长的光信号传输路径不同，从而可在各输出端口获得不同的延时量信号；同时级联微环延时量的叠加效应提升了整个系统的最大延时量。
本发明光子波束成形方法利用上述多波长光延时器对不同波长光载波引入不同的延时量，并且延时量可灵活调整，从而灵活便捷地实现波束指向和扫描。
附图说明
图1为反射型微环谐振器一个具体实施例的结构示意图；
图2为反射型微环谐振器可调宽带群延时原理示意图；
图3为多波长光延时器一个具体实施例的结构示意图；
图4为图3所示多波长光延时器的具体原理示意图；
图5为图3所示多波长光延时器的延时-带宽关系图。
附图标记：
1、上下载型微环谐振器，2、热光控制器，3、反射镜。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案进行详细说明：
针对现有微环谐振器所存在的带宽过小的问题，本发明提出了一种反射型微环谐振器结构，首次采用快慢光的叠加效应实现宽带可调光真延时，与传统微环谐振器相比带宽更大且结构简单，并且宽带延时量可以实现连续调节。
图1显示了本发明反射型微环谐振器的一个具体实施例，如图1所示，其包括上下载型微环谐振器1，上下载型微环谐振器1包括微环以及与微环耦合的信道波导(包括上载信道波导和下载信道波导)；如图1所示，在上下载型微环谐振器1的下载端设置有反射镜3，在上载信道波导和下载信道波导上以及微环上设置有多个热光控制器。
如图1所示，光信号经多个热光控制器2上载信道波导的输入端口输入，在微环中产生谐振，谐振光信号经下载信道波导输出，在下载端被反射镜3反射进微环再次进行谐振，此时反射式微环谐振器可以看成是一个逆时针谐振的微环和一个顺时针谐振微环的级联；当两次谐振的光分别处于慢光和快光时，通过信道波导上的热光控制器对微环与信道波导之间耦合系数进行控制，可使得两个方向谐振光的群延时状态满足快慢光对消条件，此时同一频率处的光正负群延时相互对消，最终输出具有大带宽延时响应的光信号，并且可实现工作频段信号延时量的连续可调。微环上的热光控制器用于对腔内谐振频率进行控制调整，以对反射型微环谐振器的工作频段进行调整。
由微环经典理论公式推导易知输出端口响应为：
I＝|E|2 (2)
φ＝βL为一圈的相移，L为周长，β为传播常数，为反射镜的反射率；a为一圈的强度系数，包括传播损耗和耦合损耗，跟功率衰减系数α[1/cm]有关，a2＝exp(-αL)；tn为自耦合系数，kn为交叉耦合系数，假设没有损耗，则其中n＝1,2；TD表示群延时，Φ表示相位，ω表示角频率。
令cosφ＝x，当d2TD/dx2＝0以及x≈1时为反射式微环得到平坦群延时的临界状态，求解可得实现平坦群延时上下路耦合系数之间的理论关系为：
t2＝(1+20.2at1)/(20.2+at1) (4)
以上技术方案中，上下载型微环谐振器1的输入输出波导是平行信道结构，也可以是交叉信道结构；谐振腔可以是单微环结构，也可以是多微环结构；其中的微环形状可以是圆形、圆滑方形、跑道形等。
本实施例中的热光控制器2是通过在波导覆盖层上溅射金属制成，其原理是通过热光效应改变波导折射率，进而对耦合系数和腔内谐振频率进行控制。当然，也可以采用其它形式来对波导折射率进行调整，以实现耦合系数和腔内谐振频率的控制，例如通过线性电光效应、载流子效应改变波导折射率。
所述反光镜3可以通过在信道波导端面上涂覆反射涂层实现，也可以利用布拉格反射镜、光栅、环镜等方式实现。
反射式微环谐振器从原理上说就是一个逆时针谐振的微环通过反射与一个顺时针谐振的微环级联。由前述理论可知微环的工作状态根据耦合系数和环内损耗的关系分为三种：
当t1＞at2，即欠耦合时，直通端为负延时，表明是快光效应，而下载端有慢光效应；
当t1＝at2，即临界耦合时，直输出端场强为零，而下载端有慢光效应；
当t1<at2，即过耦合时，直输出端和下载端都有慢光效应。
对于反射式微环谐振器，如果其满足条件：t1<at2和t2＞at1，即逆时针谐振时处于过耦合工作状态的输出光具有慢光效应而反射后顺时针谐振时处于欠耦合工作状态的输出光又产生了快光效应。通过慢光效应和快光效应的叠加，由于是同一微环谐振频率相重合，逆时针较大的正延时就会对应顺时针较大的负延时，产生对消，控制耦合系数可以对这种对消进行优化，在一定带宽范围内可以得到平坦的群延时即真延时。根据公式4推导的临界条件进行微调优化可得到平坦的群延时，同时按公式4的关系同时改变上下路耦合系数，可实现该平坦群延时连续可调，部分数值结果如图2所示。
利用多个具有不同的谐振频率的反射型微环谐振器级联，可以得到本发明的多波长光延时器，其利用了不同反射型微环谐振器对谐振波长的选择性，使得不同波长的光信号传输路径不同，可将光信号中的多个不同波长分量分离出来并通过不同的端口输出，还可对每个波长光信号的延时量进行独立调节。
假如直接利用多个完整的反射型微环谐振器级联来构成多波长光延时器，由于上一级反射型微环谐振器的下载信道波导与下一级反射型微环谐振器的下载信道波导之间难以实现百分之百的耦合，会导致光信号传输效率较低，且结构更复杂。为解决这一问题，本发明进一步基于复用的思想提出了该多波长光延时器的一个优选方案，将每个反射型微环谐振器的输出信道波导与下一级反射型微环谐振器的输入信道波导复用，即相邻的两个反射型微环谐振器共用同一信道波导。图3即显示了该优选方案的一个具体实例。如图3所示，该多波长光延时器级联了3个微环半径不同的单微环的反射式微环谐振器，且相邻的两个反射型微环谐振器共用同一信道波导。微环谐振器对谐振波长具有选择性，只有当波长λ和微环半径满足λ＝2πRneff/m时，光才能发生谐振。当微环的半径不同，在每个微环中能发生谐振的光波长也不相同。该多波长光延时器由下往上三个微环谐振器的群延时响应如图4所示，4个不同波长的信号光(λ1、λ2、λ3、λ4)同时进入级联微环，波长λ1不符合第一个反射式微环谐振器的谐振条件，从直通端口输出；波长λ2、λ3、λ4符合第一个反射式微环谐振器的谐振条件，在第一个反射式微环谐振器中谐振后进入第二个反射式微环谐振器。波长λ2不符合第二个反射式微环谐振器的谐振条件，从第二个反射式微环谐振器的直通端口输出；波长λ3、λ4符合第二个反射式微环谐振器的谐振条件，在第二个反射式微环谐振器中谐振后进入第三个反射式微环谐振器。以此类推，波长λ3、λ4在经过第三个和第四个反射式微环谐振器的谐振后，分别从第三个反射式微环谐振器的直通端口和下载端口输出。由于波长λ2、λ3、λ4的光信号在多波长光延时器中所经历的路径不同，因此每个端口输出的光信号的延时量均不同，如图5所示各个通道的延时量成递增变化，其差值均可以调节并且延时量与带宽成反比。
该多波长光延时器可用于光子波束成型，具体而言，将射频信号调制于多个波长不同的光载波，产生多路光载射频信号；利用如上所述多波长光延时器为所述多路光载射频信号引入不同的延时，然后光电转换为带有不同延时的多路电信号，分别输入各个阵元进行发射；并可通过调整多波长光延时器各反射型微环谐振器中的微环与信道波导之间耦合量，使得相邻信道的延时差相等，从而实现波束指向；通过调整多波长光延时器各反射型微环谐振器中的微环与信道波导之间耦合量，来调整相邻信道的延时差，以实现波束的扫描。
考虑到现有光子波束成形技术一般通过分立器件搭建基于光纤的延时线系统，存在体积大、光纤连接稳定性差等缺点。由于本发明多波长光延时器是由一系列反射式微环谐振器级联而成，为了提高集成度及便于应用，可利用现代半导体工艺将本发明多波长光延时器集成于一个芯片上，从而制作出性能稳定、集成度高、体积小的光子波束成形芯片，以满足未来移动设备、星载/机载等无线应用领域中高速率、高容量、小型化、低功耗的要求。

Claims (9)

1.一种反射型微环谐振器，包括一个上下载型微环谐振器，所述上下载型微环谐振器包括微环以及与微环耦合的信道波导；其特征在于，在所述上下载型微环谐振器的下载端设置有光反射结构；该反射型微环谐振器还包括耦合控制模块，用于对微环与信道波导之间耦合量进行控制以使得反射型微环谐振器中的两个方向谐振光的群延时状态满足快慢光对消条件；所述上下载型微环谐振器的上下路耦合系数之间满足以下关系以实现平坦群延时：
t2＝(1+20.2at1)/(20.2+at1)
式中，t1和t2分别为上载和下载波导与环腔耦合的自耦合系数，a为微环谐振器一圈的强度系数。
2.如权利要求1所述反射型微环谐振器，其特征在于，还包括用于对腔内谐振频率进行控制的谐振频率控制模块。
3.如权利要求1所述反射型微环谐振器，其特征在于，所述耦合控制模块包括一组热光控制器。
4.一种多波长光延时器，其特征在于，包括级联的至少两个如权利要求1～3任一项所述反射型微环谐振器，各反射型微环谐振器具有不同的谐振频率。
5.如权利要求4所述多波长光延时器，其特征在于，每个反射型微环谐振器的输出信道波导与下一级反射型微环谐振器的输入信道波导复用。
6.一种光子波束成形芯片，其特征在于，其上集成有如权利要求4或5所述多波长光延时器。
7.一种光子波束成形方法，其特征在于，将射频信号调制于多个波长不同的光载波，产生多路光载射频信号；利用如权利要求4或5所述多波长光延时器为所述多路光载射频信号引入不同的延时，然后光电转换为带有不同延时的多路电信号，分别输入各个阵元进行发射。
8.如权利要求7所述方法，其特征在于，通过调整多波长光延时器各反射型微环谐振器中的微环与信道波导之间耦合量，使得相邻信道的延时差相等，从而实现波束指向。
9.如权利要求7所述方法，其特征在于，通过调整多波长光延时器各反射型微环谐振器中的微环与信道波导之间耦合量，来调整相邻信道的延时差，以实现波束的扫描。
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