CN108964772B - 可重构集成微波光子射频前端器件 - Google Patents

可重构集成微波光子射频前端器件 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种可重构集成微波光子射频前端器件，包括上行链路和下行链路，上行链路和下行链路共用光载波，用于实现一体化的微波光子信号产生及处理；其中，上行链路包括第一光有源器件、第一光无源器件、第二光功分器和第一校正算法单元；下行链路，包括第二光有源器件、第二光无源器件、第四光功分器和第二校正算法单元。本发明所提出的集成射频前端器件具有复杂度低、操作简单、可重构性强、高密度集成等优点。

Description

可重构集成微波光子射频前端器件
技术领域
本发明属于光信号处理和集成微波光子学领域，具体涉及一种可重构集成微波光子射频前端器件。
背景技术
随着通信系统容量需求及未来业务的不断扩展，射频前端需要具备处理高频率、多频段宽带信号的收发能力以及灵活可重配置能力。然而传统的射频前端使用电子器件在处理高频、宽带信号方面的能力明显不足，也解决不了多通道、多频段、多功能的需求。如何解决传统微波技术带来的难题，提供高性能一体化的射频前端，微波光子技术为解决这个问题提供一个新的思路。
微波光子技术是一种融合微波技术和光子技术的交叉学科，在光频域实现对高频、宽带微波信号的产生、处理、传输及接收，具有带宽大、传输损耗低以及抗电磁干扰等优点，其在未来的5G移动通信、超宽带无线接入网、多波束光控相控阵雷达、电子战系统以及卫星通信中有着广泛的应用前景。尽管基于分立元件的射频前端技术研究取得飞速发展，在实用化方面获得一系列成果，然而存在体积大、功耗高、成本高以及多通道一致性差等不足。
集成微波光子技术具有体积小、重量轻、功耗低等优点，是解决基于分立器件微波光子射频前端实用化问题的关键，也是微波光子学的重要发展方向。目前世界上很多国家的研究小组都对集成微波光子射频前端技术进行着专门研究，包括意大利的CNIT，西班牙的瓦伦西亚理工大学，加拿大的渥太华大学，美国的UCSB和MIT等，韩国、日本的一些高校和各国的通信公司。在国内很多单位的光通信研究组也都在集成微波光子射频前端器件的研究上取得很好地成果。
目前报道的集成微波光子射频前端器件的主要局限在于：芯片结构复杂，对于不同功能的切换或不同频段的调控参数较多，无法实现关键参数的快速重构；同时，采用集成功能芯片实现微波信号的本振、通道资源共享，任意频段的变频和路由能力不足，无法真正意义上架构集成微波光子射频前端。
发明内容
(一)要解决的技术问题
为了应对集成射频前端的重大需求，解决目前射频前端复杂度高、无法快速重构、变频和路由能力不足以及集成度低等问题，本发明提出一种可重构集成微波光子射频前端器件。
(二)技术方案
本发明的一方面提供一种可重构集成微波光子射频前端器件，包括上行链路和下行链路，上行链路和下行链路共用光载波，用于实现一体化的微波光子信号产生及处理；其中，
所述上行链路，包括第一光有源器件、第一光无源器件、第二光功分器和第一校正算法单元；第一光无源器件接收第一光有源器件输出的第一光载波，经调制产生上变频信号，上变频信号进入第二光功分器进行功率调节后通过第一校正算法单元对第一光有源器件进行反馈控制；第一光无源器件的第一光载波分为两路，其中一路光载波进入下行链路；
所述下行链路，包括第二光有源器件、第二光无源器件、第四光功分器和第二校正算法单元；第二光无源器件接收第二光有源器件输出的第二光载波，经调制产生下变频信号，下变频信号进入第四光功分器进行功率调节后通过第二校正算法单元对第二光有源器件进行反馈控制；第二光无源器件的第二光载波分为两路，其中一路光载波进入上行链路。
其中，所述第一光有源器件，为第一可调谐激光器，用于实现激光器工作频率的改变。
其中，所述第一光无源器件包括第一光功分器、第一电光调制器、第一光滤波器、第一光耦合器和第一光电探测器；
所述第一光功分器，用于接收第一可调谐激光器输出的第一光载波，并将第一光载波等分为两路，其中一路光载波进入第一电光调制器，另一路光载波进入下行链路；
所述第一电光调制器，通过高频信号端口接收微波基带信号，微波基带信号用以调制接收自第一光功分器的一路光载波，调制后的光载波包括上行链路光载波、上行链路正一阶边带和上行链路负一阶边带；
所述第一光滤波器，用于滤除接收自第一电光调制器的上行链路光载波和上行链路负一阶边带，输出上行链路正一阶边带；
所述第一光耦合器，用于耦合接收自第一光滤波器的上行链路正一阶边带和接收自下行链路的第二光载波；
所述第一光电探测器，用于实现对上行链路正一阶边带和下行链路的第二光载波的相干拍频，并产生上变频信号。
其中，所述第二光有源器件为第二可调谐激光器，用于实现激光器工作频率的改变。
其中，所述第二光无源器件包括第三光功分器、第二电光调制器、第二光滤波器、第二光耦合器和第二光电探测器；
所述第三光功分器，用于接收第二可调谐激光器输入的第二光载波，并将第二光载波等分为两路，其中一路光载波进入第二电光调制器，另一路光载波进入上行链路中的所述第一光耦合器；
所述第二电光调制器，通过高频信号端口接收上行链路产生的上变频信号，利用该上变频信号对接收自第三光功分器的一路光载波进行调制，调制后的光载波包括下行链路光载波、下行链路正一阶边带和下行链路负一阶边带；
所述第二光滤波器，用于滤除接收自第二电光调制器的下行链路光载波和下行链路负一阶边带，输出下行链路正一阶边带；
所述第二光耦合器，用于耦合接收自第二光滤波器的下行链路正一阶边带和接收自上行链路中第一光功分器进入下行链路的第一光载波；
所述第二光电探测器，用于实现对下行链路正一阶边带和上行链路的第一光载波的相干拍频，并产生下变频信号。
其中，所述第二光功分器，按照一定的比例对上变频信号进行功率调节，调节后的上变频信号进入第一校正算法单元；
所述第四光功分器，按照一定的比例对下变频信号进行功率调节，调节后的下变频信号进入第二校正算法单元。
其中，所述第二光功分器，按照一定的比例对上变频信号进行功率调节，调节后的上变频信号进入第一校正算法单元，具体为：所述第二光功分器，按照1∶9的比例调节对上变频信号进行功率调节，10％的上变频信号进入第一校正算法单元。
所述第四光功分器，按照一定的比例对下变频信号进行功率调节，调节后的下变频信号进入第二校正算法单元，具体为：所述第四光功分器，按照1∶9的比例调节对下变频信号进行功率调节，10％的下变频信号进入第二校正算法单元。
其中，所述微波基带信号与下变频信号频率相等。
其中，所述第一光有源器件和第二光有源器件均为铟磷基有源器件。
其中，所述第一光无源器件和第二光无源器件均为硅基无源器件。
(三)有益效果
本发明的可重构集成微波光子射频前端器件具有的积极效果在于：
(1)本发明的可重构集成微波光子射频前端器件，其中激光器是在铟磷基上设计制备而成，光功分器、电光调制器、光滤波器、光耦合器、光探测器是在硅基上制备而成，硅基和铟磷基混合集成，解决不同材料制备工艺兼容性且集成度低的问题。
(2)本发明的可重构集成微波光子射频前端器件，铟磷基激光器和硅基光功分器之间波导模式耦合上，采用两种波导分别设计和制备的方式，利用倏逝波耦合技术，优化波导结构，实现不同材料波导之间的高效耦合，实现波导模式匹配。
(3)本发明的可重构集成微波光子射频前端器件，采用自适应反馈校正技术，从上变频信号中提取幅度、相位信息，进行鉴频/鉴相，进而反馈控制上行链路的激光器输出的频率和相位，同样，下变频信号通过反馈控制下行链路的激光器输出的频率和相位，下行链路接收上变频信号调制，两个模式协同操作，实现以及主、从动运转，实现光模式协同。上/下行链路共用光载波，实现一体化微波信号产生与处理，通过控制激光器的驱动电流实现关键参数可重构，改变激光器频率，实现任意波段的微波信号的产生及处理，解决变频和路由能力不足的问题。
(4)本发明的可重构集成微波光子射频前端器件，可重构性强，有效地降低了后端信号处理的复杂度，并且提高集成微波光子射频前端器件的集成密度。
附图说明
图1是本发明的一实施例的可重构集成微波光子射频前端器件结构图；
图2是本发明的一实施例的微波信号上变频原理示意图；
图3是本发明的一实施例的微波信号下变频原理示意图。
具体实施方式
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。
为了应对一体化射频前端的重大需求，解决目前射频前端复杂度高、可重构性差、集成度低等问题，本发明提出一体化可重构集成微波光子射频前端器件，所提方案上下行链路共用光载波，实现一体化射频前端，实现任意波段的微波信号的产生及处理，提高集成微波光子射频前端器件的集成度。
图1是本发明的一实施例的可重构集成微波光子射频前端器件结构图，如图1所示，该可重构集成微波光子射频前端器件，包括上行链路和下行链路，上行链路和下行链路共用光载波，用于实现一体化的微波光子信号产生及处理。
上行链路，包括第一光有源器件、第一光无源器件、第二光功分器7-1和第一校正算法单元8-1。其中，第一光有源器件，为第一可调谐激光器1-1，用于实现激光器工作频率的改变。第一光无源器件包括第一光功分器2-1、第一电光调制器3-1、第一光滤波器4-1、第一光耦合器5-1和第一光电探测器6-1。
下行链路，包括第二光有源器件、第二光无源器件、第四光功分器7-2和第二校正算法单元8-2。其中，第二光有源器件，为第二可调谐激光器1-2，用于实现激光器工作频率的改变。第二光无源器件包括第三光功分器2-2、第二电光调制器3-2、第二光滤波器4-2、第二光耦合器5-2和第二光电探测器6-2。
第一光功分器2-1，用于接收第一可调谐激光器1-1输出的第一光载波，并将第一光载波等分为两路，其中一路光载波进入第一电光调制器3-1，另一路光载波进入下行链路的第二光耦合器5-2。第一电光调制器3-1，通过高频信号端口接收微波基带信号，微波基带信号用以调制接收自第一光功分器2-1的一路光载波，调制后的光载波包括上行链路光载波、上行链路正一阶边带和上行链路负一阶边带。第一光滤波器4-1，用于滤除接收自第一电光调制器3-1的上行链路光载波和上行链路负一阶边带，输出上行链路正一阶边带。第一光耦合器5-1，用于耦合接收自第一光滤波器4-1的上行链路正一阶边带和接收自下行链路的第二光载波。第一光电探测器6-1，用于实现对上行链路正一阶边带和下行链路的第二光载波的相干拍频，并产生上变频信号，输出的上变频信号通过微波天线向自由空间辐射。第二光功分器7-1，按照1∶9的比例调节对上变频信号进行功率调节，10％的上变频信号进入第一校正算法单元8-1。第一校正算法单元8-1对第一可调谐激光器1-1进行反馈控制，形成反馈校正闭环回路，采用自适应反馈校正技术，从上变频信号中提取幅度、相位信息，进行鉴频/鉴相，进而反馈控制上行链路的激光器输出的频率和相位。
第三光功分器2-2，用于接收第二可调谐激光器1-2输入的第二光载波，并将第二光载波等分为两路，其中一路光载波进入第二电光调制器3-2，另一路光载波进入上行链路中的第一光耦合器5-1。第二电光调制器3-2，通过高频信号端口接收上行链路产生的上变频信号，利用该上变频信号对接收自第三光功分器2-2的一路光载波进行调制，调制后的光载波包括下行链路光载波、下行链路正一阶边带和下行链路负一阶边带。第二光滤波器4-2，用于滤除接收自第二电光调制器3-2的下行链路光载波和下行链路负一阶边带，输出下行链路正一阶边带。第二光耦合器5-2，用于耦合接收自第二光滤波器4-2的下行链路正一阶边带和接收自上行链路中第一光功分器2-1进入下行链路的第一光载波。第二光电探测器6-2，用于实现对下行链路正一阶边带和上行链路的第一光载波的相干拍频，并产生下变频信号。所述第四光功分器7-2，按照1∶9的比例调节对下变频信号进行功率调节，10％的下变频信号进入第二校正算法单元8-2。第二校正算法单元8-2对第二可调谐激光器1-2进行反馈控制，形成反馈校正闭环回路，采用自适应反馈校正技术，从下变频信号中提取幅度、相位信息，进行鉴频/鉴相，进而反馈控制下行链路的激光器输出的频率和相位。
下行链路接收上变频信号调制，两个模式协同操作，实现以及主、从动运转，实现光模式协同。上/下行链路共用光载波，实现一体化微波信号产生与处理，通过控制激光器的驱动电流实现关键参数可重构，改变激光器频率，实现任意波段的微波信号的产生及处理，解决变频和路由能力不足的问题。
其中，微波基带信号与下变频信号频率相等。
其中，第一光有源器件和第二光有源器件均为铟磷基有源器件。其中，第一光无源器件和第二光无源器件均为硅基无源器件。激光器1-1和1-2是在铟磷基上设计制备而成，光功分器2-1和2-2、电光调制器3-1和3-2、光滤波器4-1和4-2、光耦合器5-1和5-2和光探测器6-1和6-2是在硅基上制备而成。硅基和铟磷基混合集成，解决不同材料制备工艺兼容性且集成度低的问题。同时，铟磷基激光器1-1和1-2和硅基光功分器器2-1和2-2之间波导模式耦合上，采用两种波导分别设计和制备的方式，利用倏逝波耦合技术，优化波导结构，实现两种材料波导之间的高效耦合，实现波导模式匹配。
图2是本发明的一实施例的微波信号上变频原理示意图，如图2所示，第一可调谐激光器1-1输出第一光载波，其频率为fTL1；第二可调谐激光器1-2输出第二光载波，其频率为fTL2。第一可调谐激光器1-1输出的第一光载波在第一电光调制器3-1处被微波基带信号fRF调制，上行链路正一阶边带的频率为fTL1+RF，上行链路负一阶边带的频率为fTL1-RF。经过第一光滤波器4-1仅有频率为fTL1+RF的上行链路正一阶边带被保留，上行链路光载波fTL1和上行链路负一阶边带fTL1-RF被滤除。上行链路正一阶边带fTL1+RF和下行链路第二光载波fTL2在第一光电探测器6-1处相干拍频，输出频率为fTL1+RF-TL2的上变频信号。
图3是本发明的一实施例的微波信号下变频原理示意图，如图3所示，同样地，第一可调谐激光器1-1输出第一光载波，其频率为fTL1；第二可调谐激光器1-2输出第二光载波，其频率为fTL2。上行链路的上变频信号被天线接收，上变频信号频率为fTL1+RF-TL2，在第二电光调制器3-2处进行调制，其一阶边带为下行链路正一阶边带fTL1+RF和下行链路负一阶边带f2TL2-TL1+RF。经过第二光滤波器4-2仅有频率为fTL1+RF的下行链路正一阶边带保留，下行链路光载波fTL2和下行链路负一阶边带f2TL2-TL1+RF被滤除。下行链路正一阶边带fTL1+RF和上行链路光载波fTL1在第二光电探测器6-2处发生相干拍频，输出频率为fRF的下变频信号，该下变频信号与微波基带信号频率相等。
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 (8)

1.一种可重构集成微波光子射频前端器件，包括上行链路和下行链路，上行链路和下行链路共用光载波，用于实现一体化的微波光子信号产生及处理；其中，
所述上行链路，包括第一光有源器件、第一光无源器件、第二光功分器和第一校正算法单元；第一光无源器件接收第一光有源器件输出的第一光载波，经调制产生上变频信号，上变频信号进入第二光功分器进行功率调节后通过第一校正算法单元对第一光有源器件进行反馈控制；第一光无源器件的第一光载波分为两路，其中一路光载波进入下行链路；
所述下行链路，包括第二光有源器件、第二光无源器件、第四光功分器和第二校正算法单元；第二光无源器件接收第二光有源器件输出的第二光载波，经调制产生下变频信号，下变频信号进入第四光功分器进行功率调节后通过第二校正算法单元对第二光有源器件进行反馈控制；第二光无源器件的第二光载波分为两路，其中一路光载波进入上行链路；
其中，所述第一光无源器件包括第一光功分器、第一电光调制器、第一光滤波器、第一光耦合器和第一光电探测器；
所述第一光功分器，用于接收第一可调谐激光器输出的第一光载波，并将第一光载波等分为两路，其中一路光载波进入第一电光调制器，另一路光载波进入下行链路；
所述第一电光调制器，通过高频信号端口接收微波基带信号，微波基带信号用以调制接收自第一光功分器的一路光载波，调制后的光载波包括上行链路光载波、上行链路正一阶边带和上行链路负一阶边带；
所述第一光滤波器，用于滤除接收自第一电光调制器的上行链路光载波和上行链路负一阶边带，输出上行链路正一阶边带；
所述第一光耦合器，用于耦合接收自第一光滤波器的上行链路正一阶边带和接收自下行链路的第二光载波；
所述第一光电探测器，用于实现对上行链路正一阶边带和下行链路的第二光载波的相干拍频，并产生上变频信号；
其中，所述第二光无源器件包括第三光功分器、第二电光调制器、第二光滤波器、第二光耦合器和第二光电探测器；
所述第三光功分器，用于接收第二可调谐激光器输入的第二光载波，并将第二光载波等分为两路，其中一路光载波进入第二电光调制器，另一路光载波进入上行链路中的所述第一光耦合器；
所述第二电光调制器，通过高频信号端口接收上行链路产生的上变频信号，利用该上变频信号对接收自第三光功分器的一路光载波进行调制，调制后的光载波包括下行链路光载波、下行链路正一阶边带和下行链路负一阶边带；
所述第二光滤波器，用于滤除接收自第二电光调制器的下行链路光载波和下行链路负一阶边带，输出下行链路正一阶边带；
所述第二光耦合器，用于耦合接收自第二光滤波器的下行链路正一阶边带和接收自上行链路中第一光功分器进入下行链路的第一光载波；
所述第二光电探测器，用于实现对下行链路正一阶边带和上行链路的第一光载波的相干拍频，并产生下变频信号。
2.根据权利要求1所述的可重构集成微波光子射频前端器件，其中，
所述第一光有源器件，为第一可调谐激光器，用于实现激光器工作频率的改变。
3.根据权利要求1所述的可重构集成微波光子射频前端器件，其中，所述第二光有源器件为第二可调谐激光器，用于实现激光器工作频率的改变。
4.根据权利要求1所述的可重构集成微波光子射频前端器件，其中，
所述第二光功分器，按照一定的比例对上变频信号进行功率调节，调节后的上变频信号进入第一校正算法单元；
所述第四光功分器，按照一定的比例对下变频信号进行功率调节，调节后的下变频信号进入第二校正算法单元。
5.根据权利要求4所述的可重构集成微波光子射频前端器件，其中，
所述第二光功分器，按照一定的比例对上变频信号进行功率调节，调节后的上变频信号进入第一校正算法单元，具体为：所述第二光功分器，按照1∶9的比例调节对上变频信号进行功率调节，10％的上变频信号进入第一校正算法单元；
所述第四光功分器，按照一定的比例对下变频信号进行功率调节，调节后的下变频信号进入第二校正算法单元，具体为：所述第四光功分器，按照1∶9的比例调节对下变频信号进行功率调节，10％的下变频信号进入第二校正算法单元。
6.根据权利要求1所述的可重构集成微波光子射频前端器件，其中，所述微波基带信号与下变频信号频率相等。
7.根据权利要求1所述的可重构集成微波光子射频前端器件，其中，所述第一光有源器件和第二光有源器件均为铟磷基有源器件。
8.根据权利要求1所述的可重构集成微波光子射频前端器件，其中，所述第一光无源器件和第二光无源器件均为硅基无源器件。
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