CN109946515B - 一种集成光波导微波频率测量芯片及其系统和测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种集成光波导微波频率测量芯片及其系统和测量方法，属于微波频率测量技术领域。本发明利用基片的电光效应将待测信号加载到光波上，通过调整波长可调激光器的输出波长使两个波导微环谐振器的谐振波长重合，此时使用两个光电探测器将两个微环谐振器输出的加载有微波信号的光信号转换为电信号，再使用电信号处理单元进行采集计算两输出电信号的比值，便可得出待测微波频率。本发明克服了传统微波频率测量系统结构复杂、体积大、误差大等问题，具有集成度高、结构简单、使用方便的优点。
Description
技术领域
本发明涉及一种集成光波导微波频率测量芯片及其系统和测量方法，属于微波频率测量技术领域。
背景技术
微波频率测量技术是电子对抗、航空航天、通信等领域的一项重要技术。随着微波/毫米波技术的不断发展，对测量频率范围和准确度要求越来越高。例如现代雷达电子战要求能够测量的频率覆盖0.5GHz到18GHz甚至更高频率。受限于模数转换速率和瞬时带宽，传统的电子测频技术已经无法满足频率测量发展的需求。
基于微波光子学的频率测量技术具有测频范围宽、实时性强、抗电磁干扰能力强等优点，成为近年来国内外在微波频率测量领域的研究热点，目前已经产生一系列的技术方案和研究成果。总的来看，可将以光子技术为基础的微波频率测量技术分为两大类，一类是以光调制器、光滤波器、偏振控制器、光电探测器等光电子器件为基础的分立式光子微波频率测量技术；另一类是以集成光电子技术为基础的集成式光子微波频率测量技术。相比之下，分立式光子微波频率测量技术结构复杂、体积大、操作复杂，而集成式光子微波频率测量技术具有体积小、性能稳定、实用性好等特点，具有广阔的应用前景。
近年来，文献“Burla M,Wang X,Li M,et al.Wideband dynamic microwavefrequency identification system using a low-power ultracompact siliconphotonic chip[J].Nature Communications,2016,7:13004.”中报道了一种基于集成波导光栅的微波频率测量技术，但本质上仅对频率测量系统中的光信号处理部分进行了集成，微波信号加载部分依然使用独立的电光调制器，集成度有待进一步提升。
文献“Liu L,Jiang F,Yan S,et al.Photonic measurement of microwavefrequency using a silicon microdisk resonato r[J].Optics Communications,2015,335(335):266-270.”中也报道了一种集成波导微环谐振器的微波频率测量技术，但任然仅对光信号处理部分进来了集成，测量系统还需要使用电光相位调制器、光滤波器等分立的光学元件，系统集成度不高。
为了克服现有微波光子测频技术存在的不足，本发明将提供一种将微波信号加载、光信号处理集成在一片基片上微波测频芯片及系统。
发明内容
本发明的目的在于采用集成光电子的工艺技术，提供一种单片集成光波导微波信号测量芯片，实现微波信号加载与光信号处理的单片集成，克服现有技术结构复杂、体积大、实用性差的缺点。
本发明采用的技术方案如下：一种集成光波导微波频率测量芯片包括：具有电光效应的基片以及在具有电光效应的基片表面采用微光学与微电子工艺技术制作第一直波导、Y形分支光波导、第二直波导、第三直波导、第一环形光波导、第二环形光波导、两根水平条形电极、两根竖直条形电极；
其中第一直波导两侧设置两根横向条形电极，同时两根水平条形电极的一端与分别与两根竖直条形电极的一端连接在一起，构成微波信号加载部分；
第一直波导的输出端与Y形分支光波导输入端连接在一起，从而通过Y形分支光波导将加载有微波信号的光载波分成两部分；第二直波导和第三直波导的输入端分别与Y形分支光波导的两个分支波导连接在一起；
第一环形光波导和第二环形光波导分别设置在靠近第三直波导和第二直波导的一侧，形成两个微环谐振器，即为光信号处理部分；
所述的具有电光效应的基片可以为电光晶体如铌酸锂，也可以为电光聚合物如氮氧化硅；
所述的第一环形光波导和第二环形光波导半径不相等。
本发明提供的集成光波导微波频率测量系统包括：
波长可调激光器，用于为测量系统提供光载波，通过调节激光器的输出波长使两个微环谐振器的谐振波长重合；
保偏光纤，用于将波长可调激光器输出光输送到微波频率测量芯片；
单模光纤，用于将微波频率测量芯片第二直波导和第三直波导输出光分别输送到第二光电探测器和第一光电探测器；
第一光电探测器和第二光电探测器，用于将测量芯片输出的光信号转换为电信号；
传输电缆，用于将第一光电探测器和第二光电探测器输出的电信号输送到电信号处理单元；
电信号处理单元，用于采集第一光电探测器和第二光电探测器输出的电信号，并通过计算得出被测微波信号的频率。
本发明提供的集成光波导微波频率测量方法包括如下具体步骤：
1)微波信号通过微波频率测量芯片上的两根竖直条形电极接入，并在两根水平条形电极之间形成感应电压，从而利用基片的电光效应，该感应电压对波导中的光载波产生调制作用，即将待测微波信号加载到光波上，产生载波以及两个幅度相等相位相反的一阶边带；
2)调整波长可调激光器的输出波长，使得第一环形光波导与第三直波导构成的微环谐振器的谐振波长，以及第二环形光波导与第二直波导构成另一个微环谐振器的谐振波长重合；
3)电信号处理单元采集第一光电探测器输出电信号和第二光电探测器输出电信号，并计算得出二者的比值ACF为
式(1)和式(2)中Hk(k＝1,2)分别表示测量芯片上两个微环谐振器的传输函数，n为光波导的有效折射率，Rk,γk分别为微环谐振器的半径和损耗因子，tk为环形光波导与直波导之间的传输系数，λ为两个微环谐振器的谐振波长，fc和fm分别为光载波频率和待测微波信号频率。
4)采用电信号处理单元计算得出的ACF值，与预先标定的ACF与已知微波频率之间的对应关系曲线相对照，即可得出被测微波信号的频率。
本发明的有益效果是：
1)本发明设计了一种新结构，采用微光学与微电子的工艺技术将微波信号加载以及光信号处理集成在同一片基片上，极大地减小了测量系统的体积与复杂程度，提高了系统的实用性；
2)采用微环谐振器作为信号处理单元的微波信号频率测量系统，测量范围与谐振器的自由光谱范围成正比关系，本发明采用微光学的制作工艺技术可以将微环谐振器的半径做到几百甚至几十微米，由此可获得几十到上百GHz的自由光谱区，因此极大地提高了系统的测量范围；
3)通过采用调整激光器输出波长的办法将两个微环谐振器的谐振频率重合在一起，保证了两光电探测器输出信号的比值ACF仅与被测微波信号的频率有关，而已激光器的输出光功率、微波信号的功率无光，如此避免了测量结果受激光器输出光功率以及微波信号功率不稳定的影响。
附图说明
图1是本发明提供的一种集成光波导微波信号频率测量芯片结构示意图；
图2是应用本发明提供的一种集成光波导微波信号频率测量芯片测量微波频率的系统实施框图；
图3所示为实施例中两个微环谐振器的输出光谱；
图4所示为实施例中两个光电探测器输出信号的比值ACF与被测微波信号频率之间的对应关系曲线图；
图1至图2中各标号为：1-基片，2-第一直波导，3-Y形分支光波导，4-第二直波导，5-第三直波导，6-第一环形光波导，7-第二环形光波导，8-水平条形电极，9-竖直条形电极，10-波长可调激光器，11-保偏光纤，12-单模光纤，13-第一光电探测器，14-第二光电探测器，15-传输电缆，16-电信号处理单元。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。
实施例1：如图1所示，本发明所提供的述集成光波导微波信号测量芯片为：在具有电光效应的基片1表面采用微光学与微电子工艺技术制作第一直波导2、Y形分支光波导3、第二直波导4、第三直波导5、第一环形光波导6、第二环形光波导7、两根水平条形电极8、两根竖直条形电极9，形成由微波信号加载部分、Y形分支光波导部分和光信号处理部分。
在第一直波导2两侧设置两根水平条形电极8，同时两根水平条形电极8的一端与分别与两根竖直条形电极9的一端连接在一起，在两根水平条形电极8之间形成调制电压，从而对波导中传输的光波产生调制作用，即将待测微波信号加载到光载波上构成微波信号加载部分；
第一直波导2的输出端与Y形分支光波导3的输入端连接在一起，从而通过Y形分支光波导3将加载有微波信号的光载波分成两部分；第二直波导4和第三直波导5分别与Y分支光波导3的两个分支波导连接在一起。
第一环形光波导6设置在靠近第三直波导5的一侧，与第三直波导5构成一个微环谐振器；第二环形光波导7设置在靠近第二直波导4的一侧，与第二直波导4构成另一个微环谐振器。
其中具有电光效应的基片1可以为电光晶体如铌酸锂，也可以为电光聚合物如氮氧化硅。
第一环形光波导6和第二环形光波导7半径不相等。
利用上述芯片形成的微波频率测量系统如图2所示，包括：
波长可调激光器10，用于为测量系统提供光载波，通过调节激光器的输出波长可以使两个微环谐振器的谐振波长重合；
保偏光纤11，用于将波长可调激光器输出光输送到微波频率测量芯片；
单模光纤12，用于将微波频率测量芯片的第二直波导4和第三直波导5输出光分别输送到第二光电探测器14和第一光电探测器13；
第一光电探测器13和第二光电探测器14，用于将测量芯片输出的光信号转换为电信号；
传输电缆15，用于将第一光电探测器13和第二光电探测器14输出的电信号输送到电信号处理单元16；
电信号处理单元16，用于采集第一光电探测器13和第二光电探测器14输出的电信号，并通过计算得出被测微波信号的频率；
利用上述系统进行微波频率测量的方法为：
1)微波信号通过微波频率测量芯片上的两根竖直条形电极9接入，并在两根水平条形电极8之间形成感应电压，从而利用基片1的电光效应，该感应电压对波导中的光载波产生调制作用，即将待测微波信号加载到光波上，产生载波以及两个幅度相等相位相反的一阶边带；
2)调整波长可调激光器10的输出波长，使得第一环形光波导6与第三直波导5构成微的环谐振器的谐振波长，以及第二环形光波导7与第二直波导4构成的另一个微环谐振器的谐振波长重合；
3)电信号处理单元16采集第一光电探测13器输出的电信号和第二光电探测器14输出电信号，并计算得出二者的比值ACF为
式(1)和式(2)中Hk(k＝1,2)分别表示测量芯片上两个微环谐振器的传输函数，n为光波导的有效折射率，Rk,γk分别为微环谐振器的半径和损耗因子，tk为环形光波导与直波导之间的传输系数，λ为两个微环谐振器的谐振波长，fc和fm分别为光载波和待测微波信号频率。
4)采用电信号处理单元16计算得出的ACF值，与预先标定的ACF与已知微波频率之间的对应关系曲线相对照，即可得出被测微波信号的频率。
如图3所示为实施例中两个为环谐振器的输出光谱，其中设计两个微环谐振器的半径为R1＝400μm，R2＝600μm，损耗因子γ1＝γ2＝0.66，传输因子t1＝t2＝0.63。从图3中可以得出，调整波长可调激光器10的输出波长为1549.875nm，便可使得两个微波谐振器的谐振波长重合。此时计算得出两个光电探测器输出信号的比值ACF与被测微波信号频率之间的对应关系曲线如图4所示，从图4中可以得出，在0Hz到32.5GHz频率范围内，ACF与待测频率存在一一对应的关系。因此实际测量时，采用电信号处理单元16计算得出第一光电探测器13和第二光电探测器14输出信号的比值ACF，再与预先标定的ACF与已知微波频率之间的对应关系曲线相对照，即可得出被测微波信号的频率。
上面结合附图对本发明的具体实施例作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施例，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。
Claims (2)
1.一种集成光波导微波频率测量系统，其特征在于：包括波长可调激光器(10)、保偏光纤(11)、单模光纤(12)、第一光电探测器(13)和第二光电探测器(14)、传输电缆(15)、电信号处理单元和微波频率测量芯片；
所述微波频率测量芯片包括具有电光效应的基片(1)，以及集成制作在基片(1)表面的第一直波导(2)、Y形分支光波导(3)、第二直波导(4)、第三直波导(5)、第一环形光波导(6)、第二环形光波导(7)、两根水平条形电极(8)、两根竖直条形电极(9)；
所述第一直波导(2)与Y形分支光波导(3)的输入端连接在一起；所述第二直波导(4)和第三直波导(5)分别与Y形分支光波导(3)的两个分支波导连接在一起；
所述第一环形光波导(6)设置在靠近第三直波导(5)的一侧，与第三直波导(5)构成一个微环谐振器；
所述第二环形光波导(7)设置在靠近第二直波导(4)的一侧，与第二直波导(4)构成另一个微环谐振器；
所述第一环形光波导(6)和第二环形光波导(7)的半径不相等；
所述两根水平条形电极(8)设置在第一直波导(2)的两侧，两根竖直条形电极(9)的一端分别与两根水平条形电极(8)的一端相连接，另一端用于接入待测微波信号用于在两根水平条形电极(8)之间形成感应电压，所述感应电压对波导中的光载波产生调制作用，将待测微波信号加载到光波上，产生载波以及两个幅度相等相位相反的一阶边带；
所述具有电光效应的基片(1)为电光晶体或电光聚合物；
所述波长可调激光器(10)用于为测量系统提供光载波，通过调节激光器的输出波长使两个微环谐振器的谐振波长重合；
所述保偏光纤(11)用于将波长可调激光器(10)的输出端与微波频率测量芯片的第一直波导(2)的输入端相连接；
所述单模光纤(12)用于将微波频率测量芯片的第二直波导(4)和第三直波导(5)的输出端分别与第二光电探测器(14)和第一光电探测器(13)的输入端相连接；
所述传输电缆(15)用于将第一光电探测器(13)和第二光电探测器(14)输出的电信号输入电信号处理单元(16)并通过计算二者的比值ACF，得出被测微波信号的频率。
2.一种集成光波导微波频率测量方法引用了权利要求1的一种集成光波导微波频率测量系统，其特征在于：包括如下步骤：
1)通过微波信号频率测量芯片上的竖直条形电极(9)接入待测微波信号，利用基片(1)的电光效应将微波信号调制到光载波上，产生载波以及两个幅度相等相位相反的一阶边带；
2)调整波长可调激光器(10)的输出波长，使第一环形光波导(6)与第三直波导(5)构成的微环谐振器的谐振波长，以及第二环形光波导(7)与第二直波导(4)构成的另一个微环谐振器的谐振波长重合；
3)电信号处理单元(16)采集第一光电探测器(13)和第二光电探测器(14)的输出电信号，并计算二者的比值ACF为：
其中Hk分别表示测量芯片上两个微环谐振器的传输函数，k＝(1，2)，n为光波导的有效折射率，Rk，γk分别为微环谐振器的半径和损耗因子，tk为环形光波导与直波导之间的传输系数，λ为两个微环谐振器的谐振波长，fc和fm分别为光载波频率和待测微波信号频率；
4)将电信号处理单元(16)计算得出的ACF值，与预先标定的ACF与已知微波频率之间的对应关系曲线相对照，得出被测微波信号的频率。
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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