CN109361136B - 一种高速更新微波任意波形的发生系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种高速更新微波任意波形的发生系统，光源、光子集成芯片和光电探测器；光子集成芯片包括若干个集成波形发生单元和一个集成波形选择单元，光源与集成波形发生单元的输入端通过光纤相连，集成波形发生单元的输出端通过光波导与集成波形选择单元的输入端相连，集成波形选择单元的输出端通过光纤与光电探测器的输入端相连。本发明通过光子集成方案实现微波任意波形发生，利用多个集成波形发生单元扩展波形种类，利用集成波形选择单元实现波形的高速更新，解决了现有技术中成本高、尺寸大、功耗高、波形种类较少、波形更新速率较低等问题。

Description

一种高速更新微波任意波形的发生系统
技术领域
本发明涉及微波光子学和集成光学技术领域，尤其是一种高速更新微波任意波形的发生系统。
背景技术
基于光子学的微波任意波形发生技术目前已受到广泛关注。与传统的电子学方法相比，光子学方法可以摆脱电子瓶颈的限制，能够产生高载频、大带宽的微波信号，在脉冲压缩雷达、超宽带和多数据无线通信等领域中具有重要的应用前景。
实际应用需求对微波波形提出较高的要求，包括丰富的波形种类、高波形更新速率、小尺寸、低成本、低功耗、高稳定性等。目前常见的基于光子学的微波波形发生方案大多采用分立光学元件或者光纤器件实现，在成本、尺寸、功耗、稳定性等方面受到限制，难以满足实际应用的需求。在上述方面，光子集成技术具有独特的优势。
目前基于光子集成技术产生的微波波形主要采用片上光谱整形和片外波长-时间映射的方案产生。这类方案首先采用波导布拉格光栅、微环谐振腔等结构对宽带光源进行光谱整形，然后利用单模光纤、色散补偿光纤、啁啾光纤光栅等片外色散器件通过波长-时间映射获得特定的光学波形。由于采用了片外色散器件，整个系统尺寸仍然较大。另外有人提出基于微环谐振腔和片上延时线的方案产生可重构的微波波形，不仅减小了尺寸，而且实现了微波波形振幅的高速改变，更新速率达到纳秒量级。然而该方案对微波波形瞬时频率的调谐采用热光效应实现，调谐速度较低，导致真正可实现纳秒级高速更新的微波波形种类相对有限。另外，在上述方案中，微波波形的种类主要取决于光谱整形器件的可调谐特性，更新速率则取决于光谱整形器件的调谐速率，因此当前针对微波波形发生方案的研究主要集中于光谱整形器件。随着光子集成技术的发展与成熟，各种光子集成器件的性能不断提高，充分开发利用各种光子集成器件在任意波形发生中的潜力十分必要。综上所述，探索微波任意波形发生的一种新型结构体系，使之同时具备多种波形发生能力和高速更新能力，具有重要的现实意义。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于，提供一种高速更新微波任意波形的发生系统，能够解决现有技术中成本高、尺寸大、功耗高、波形种类较少、波形更新速率较低等问题。
为解决上述技术问题，本发明提供一种高速更新微波任意波形的发生系统，包括：光源、光子集成芯片和光电探测器；光子集成芯片包括若干个集成波形发生单元和一个集成波形选择单元，光源与集成波形发生单元的输入端通过光纤相连，集成波形发生单元的输出端通过光波导与集成波形选择单元的输入端相连，集成波形选择单元的输出端通过光纤与光电探测器的输入端相连；集成波形发生单元合并光学波形并将其输出至集成波形选择单元，集成波形选择单元将若干个光学波形选择性地输出，输出的光学波形通过光电探测器实现光电转换之后获得微波波形。
优选的，集成波形发生单元包括光谱整形器、光学延时线和光合束器；光源经过光谱整形器使不同的光谱分量实现分离，不同的光谱分量通过不同长度的光学延时线实现不同的延时，最后经过光合束器实现合并，在时域获得特定的光学波形。
优选的，光源为宽谱脉冲激光光源。
优选的，光谱整形器包括一个输入直波导、与输入直波导相耦合的若干个直径不同的微环谐振腔以及与每个微环谐振腔分别耦合的若干个输出波导。
优选的，光学延时线由若干直波导和若干弯曲波导组成，不同长度的光学延时线提供不同的延时。
优选的，集成波形选择单元采用光开关实现，光开关采用Y分支、定向耦合器、多模干涉、马赫泽德干涉仪结构实现，通过外加控制信号，利用电光效应、热光效应、声光效应、载流子色散效应改变光波导的有效折射率，从而实现光学波形信号的选择。
本发明的有益效果为：本发明通过光子集成方案实现微波任意波形发生，利用多个集成波形发生单元扩展波形种类，利用集成波形选择单元实现波形的高速更新，解决了现有技术中成本高、尺寸大、功耗高、波形种类较少、波形更新速率较低等问题。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
图2为本发明实施例中所采用的光波导横截面示意图。
图3为本发明实施例中所采用的任意波形发生单元结构示意图。
图4为本发明实施例中所采用的波形选择单元结构示意图。
图5为本发明实施例中波形选择单元调制区域采用的电学结构示意图。
图6为本发明实施例中波形发生单元中半径为5μm的环形谐振腔输出频域示意图。
图7为本发明实施例中波形发生单元中半径为5μm的环形谐振腔输出时域示意图。
图8为本发明实施例中第一个波形发生单元产生的波形时域示意图。
图9为本发明实施例中第二个波形发生单元产生的波形时域示意图。
图10为本发明实施例中加载在波形选择单元调制区的电信号示意图。
图11为本发明实施例中得到的快速更新的任意波形示意图。
具体实施方式
如图1所示，一种高速更新微波任意波形的发生系统，包括：光源、光子集成芯片、光电探测器三部分；所述光子集成芯片包括若干个集成波形发生单元和一个集成波形选择单元，光源与集成波形发生单元的输入端通过光纤相连，集成波形发生单元的输出端通过光波导与集成波形选择单元的输入端相连，集成波形选择单元的输出端通过光纤与光电探测器的输入端相连；集成波形发生单元合成光学波形并将其输出至集成波形选择单元，集成波形选择单元将若干个光学波形选择性地输出，输出的光学波形通过光电探测器实现光电转换之后获得微波波形。
在本实施例中，考虑到工艺兼容性、器件集成度以及微波波形高速更新的能力，光子集成芯片采用SOI工艺实现，光波导采用脊形波导结构，其横截面如图2所示，顶层硅厚度340nm，刻蚀深度270nm，宽400nm，二氧化硅上包层厚度2μm，二氧化硅下包层厚度2μm。
在本实施例中，所述光源采用宽谱脉冲激光光源，输出光波长范围1500nm～1600nm，重复频率100MHz。
在本实施例中，共包含2个集成波形发生单元。每个所述集成波形发生单元由光谱整形器、光学延时线、光合束器组成，如图3所示。其中光谱整形器包括一个输入直波导、与输入直波导相耦合的4个直径不同的微环谐振腔以及与每个微环谐振腔分别耦合的4个输出波导。为了使不同的光谱分量实现有效的分离，4个微环谐振腔直径分别采用5，5.01，5.02，5.03μm，波导与微环谐振腔之间的耦合采用过耦合方式。4个输出波导与4个不同长度的波导延时线相连，并通过3个Y分支型光合束器合并，与集成波形选择单元的一个输入端相连。波导延时线的长度依赖于目标波形。在本实施例中，通过设计第一个集成波形发生单元的波导延时线的长度，第二个集成波形发生单元的波导延时线的长度，可以获得一个频率上升的啁啾波形和一个频率下降的啁啾波形。
在本实施例中，为实现波形信号的高速更新，所述集成波形选择单元采用2×2定向耦合器型电光开关实现，如图4所示。调制臂采用pin结型电学结构，结构如图5所示，考虑到损耗和调制效果等因素，掺杂区到脊波导中心的距离选为0.7μm，掺杂区为重掺杂，两个掺杂区的掺杂浓度都为1×1019/cm3。
本发明所提供的集成高速更新微波任意波形发生方案的工作原理如下：宽谱脉冲激光信号通过光纤耦合进入光子集成芯片的输入端，在输入直波导上单模传输，并与微环谐振腔发生耦合。4个微环谐振腔具有不同的直径，因此具有不同的中心波长。于是输入光信号中不同的光谱分量耦合进入不同的微环谐振腔，并在不同的输出波导上耦合输出。图6所示为与半径为5μm的环形谐振腔相耦合的输出波导的输出光谱，其时域波形如图7所示，该时域波形由一系列功率依次减小的短脉冲序列组成，图中虚线描绘出其波形包络。每个时域波形经过不同长度的波导延时线获得不同的延时量，通过光合束器进行合并，组成一个光学波形。本发明实例中包含的两个集成波形发生单元输出的光学波形分别如图8、图9所示。
两个不同的光学波形分别进入2×2定向耦合器型电光开关的两个输入端，在如图10所示的电信号的控制下，两个光学波形能够选择性地由波形选择单元的输出端输出，如图11所示。经过光电探测器后，光电探测器对光学波形进行包络检波，即可输出以纳秒级速率高速更新的微波波形。

Claims (5)

1.一种高速更新微波任意波形的发生系统，其特征在于，包括：光源、光子集成芯片和光电探测器；光子集成芯片包括若干个集成波形发生单元和一个集成波形选择单元，光源与集成波形发生单元的输入端通过光纤相连，集成波形发生单元的输出端通过光波导与集成波形选择单元的输入端相连，集成波形选择单元的输出端通过光纤与光电探测器的输入端相连；集成波形发生单元合并光学波形并将其输出至集成波形选择单元，集成波形选择单元将若干个光学波形选择性地输出，输出的光学波形通过光电探测器实现光电转换之后获得微波波形；集成波形选择单元采用光开关实现，光开关采用Y分支、定向耦合器、多模干涉、马赫泽德干涉仪结构实现，通过外加控制信号，利用电光效应、热光效应、声光效应、载流子色散效应改变光波导的有效折射率，从而实现光学波形信号的选择。
2.如权利要求1所述的高速更新微波任意波形的发生系统，其特征在于，集成波形发生单元包括光谱整形器、光学延时线和光合束器；光源经过光谱整形器使不同的光谱分量实现分离，不同的光谱分量通过不同长度的光学延时线实现不同的延时，最后经过光合束器实现合并，在时域获得特定的光学波形。
3.如权利要求2所述的高速更新微波任意波形的发生系统，其特征在于，光源为宽谱脉冲激光光源。
4.如权利要求2所述的高速更新微波任意波形的发生系统，其特征在于，光谱整形器包括一个输入直波导、与输入直波导相耦合的若干个直径不同的微环谐振腔以及与每个微环谐振腔分别耦合的若干个输出波导。
5.如权利要求2所述的高速更新微波任意波形的发生系统，其特征在于，光学延时线由若干直波导和若干弯曲波导组成，不同长度的光学延时线提供不同的延时。
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