CN110176709A - 集成傅里叶域锁模光电振荡器及应用和通讯系统 - Google Patents

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Abstract

一种集成傅里叶域锁模光电振荡器及应用和通讯系统，涉及微波光子学技术领域。集成傅里叶域锁模光电振荡器包括光电子芯片和电子芯片，所述光电子芯片包括通过光波导连接的激光器、调制器、光陷波滤波器以及光电探测器；所述电子芯片包括通过共面微波波导连接的电放大器和功分器。本发明通过将傅里叶域锁模光电振荡器所需的全部器件集成于芯片上，大大缩小了其体积、重量和功耗；可实现可调谐的扫频微波信号输出；提高了输出信号的扫频速度；可应用于雷达和通信系统中。

Description

集成傅里叶域锁模光电振荡器及应用和通讯系统
技术领域
本发明涉及微波光子学技术领域，具体涉及一种集成傅里叶域锁模光电振荡器及应用和通讯系统，可作为集成化小型微波光子信号源，产生频率宽带可调的扫频微波信号。
背景技术
光电振荡器是光电混合的自激振荡回路，借助超高品质因数的谐振腔，可产生具有极低相位噪声的微波信号，是雷达、现代仪器和通信网络等系统理想的微波信号源。一个典型的光电振荡器系统主要包括激光器、电光调制器、延时单元、光放大器、光电探测器和电放大器等核心器件，这些器件构成一闭合的反馈系统，当环路增益大于损耗时，可自激振荡产生微波信号。然而，现有的光电振荡器系统大多由分立的器件组成，在体积、功耗、稳定性和成本等方面相比电子器件处于劣势，因此集成化光电振荡器是提高其竞争力的关键之一。而集成光电子技术的不断发展，为集成化光电振荡器的实现提供了必要条件。
另一方面，传统的光电振荡器只能自激振荡产生单频微波信号，不能产生扫频微波信号。这是因为传统的光电振荡器在尝试进行扫频操作时，新的模式需要重新从噪声开始起振，需要一定的模式建立时间，因此传统的光电振荡器不能产生连续的扫频信号。近期，我们提出了通过采用傅里叶域锁模技术，即在光电振荡器中加入一个扫频的滤波器，并将滤波器的扫频周期和光电振荡器环路的延时同步，可突破传统光电振荡器中模式建立时间的限制，使光电振荡器产生扫频的微波信号。然而，目前的傅里叶域锁模光电振荡器仍是基于分立的器件搭建，其体积和功耗等较大。
发明内容
有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种集成傅里叶域锁模光电振荡器及应用和通讯系统，以期至少部分地解决上述提及的技术问题中的至少之一。
作为本发明的一个方面，提供了一种集成傅里叶域锁模光电振荡器，包括光电子芯片和电子芯片，其特征在于：
所述光电子芯片包括通过光波导连接的激光器、调制器、光陷波滤波器以及光电探测器，其中：
激光器，用于产生光信号；
调制器，用于对光信号进行相位调制，产生光载波和上、下两个边带；
光陷波滤波器，用于滤除相位调制的一个边带，得到等效强度调制的光信号；
光电探测器，用于将探测到的所述等效强度调制的光信号转换为电信号；
其中，所述激光器、调制器、光陷波滤波器和光电探测器一起构成了一个基于相位调制和相位调制到强度调制转换的微波光子滤波器，该微波光子滤波器通过周期性地改变激光器的发光波长或光陷波滤波器的滤波位置实现通频带的扫频；
所述电子芯片包括通过共面微波波导连接的电放大器和功分器，其中：
电放大器，用于将所述光电探测器探测到的所述电信号进行放大；
功分器，用于将放大后的所述电信号分为两路，一路作为扫频微波信号输出，另一路反馈到调制器，构成闭合的光电振荡器环路。
作为本发明的第二个方面，还提供了上述的集成傅里叶域锁模光电振荡器在雷达或通讯系统中的应用。
作为本发明的第三个方面，还提供了一种通讯系统，包括上述的集成傅里叶域锁模光电振荡器，用于作为扫频微波信号源。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
(1)本发明提供的傅里叶域锁模光电振荡器将所需的全部器件集成于芯片上，大大缩小了其体积、重量和功耗；可通过控制激光器的发光波长或光陷波滤波器滤波位置的变化，改变微波光子滤波器的通频带的变化，实现可调谐的扫频微波信号输出；具有较短的环路长度，由于其输出扫频信号的扫频速度与信号的环腔延时同步，因此通过集成提高了输出信号的扫频速度。
(2)本发明提供的集成傅里叶域锁模光电振荡器作为集成化的扫频微波信号源，为雷达或通讯系统提供理想的微波信号源，并且体积小、功耗低和成本低。
(3)本发明提供的通讯系统，该通讯系统具有理想的微波信号源，大大提高通讯质量，并且体积小、功耗低和成本低。
附图说明
图1是本发明实施例集成傅里叶域锁模光电振荡器的结构示意图；
图2是本发明实施例的快速调谐的微波光子滤波器工作原理示意图。
【附图标记说明】
图中：1-激光器；2-相位调制器；3-光陷波滤波器；4-光电探测器；5-电放大器；6-功分器。
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。
为提高傅里叶域锁模光电振荡器的稳定性，降低其体积、功耗和成本，本发明提出了一种集成傅里叶域锁模光电振荡器，作为集成化的扫频微波信号源，可应用于雷达及通信系统等领域中。
请参阅图1所示，根据本发明的一些实施例，提供了一种集成傅里叶域锁模光电振荡器，包括光电子芯片和电子芯片；光电子芯片包括通过光波导连接的激光器1、调制器、光陷波滤波器3以及光电探测器4；电子芯片包括通过共面微波波导连接的电放大器5和功分器6，其中：
激光器1，用于产生光信号；
调制器，用于对光信号进行相位调制，产生光载波和上、下两个边带；
光陷波滤波器3，用于滤除相位调制的一个边带，得到等效强度调制的光信号；
光电探测器4，用于将探测到的等效强度调制的光信号转换为电信号；
电放大器5，连接至光电探测器4，用于将探测到的电信号进行放大；
功分器6，连接至调制器，将放大后的电信号分为两路，一路作为信号输出，另一路反馈到调制器，构成闭合的光电振荡器环路；
其中，激光器1、调制器、光陷波滤波器3和光电探测器4一起构成了一个基于相位调制和相位调制到强度调制转换的微波光子滤波器，该微波光子滤波器的通频带可通过周期性的改变激光器1的发光波长或光陷波滤波器3的滤波位置实现周期性快速调谐，即实现微波光子滤波器的扫频。
所述微波光子滤波器通频带的变化周期(即扫频周期)与信号在光电振荡器环路中传输一周的延时匹配，以实现傅里叶域锁模条件：
nT＝Tr；
其中，n是正整数，T是微波光子滤波器的变化周期，Tr是信号在光电振荡器环路中传输一周的延时。
本发明提供的傅里叶域锁模光电振荡器，将激光器1、调制器、光陷波滤波器3以及光电探测器4之间通过光波导连接，并集成到光电子芯片上，将光电探测器4、电放大器5、功分器6以及调制器之间通过共面微波波导连接，且电放大器5和功分器6集成到电子芯片上，即将所需的光电子器件与微波器件集成于芯片上，大大缩小了其体积、重量和功耗；可通过控制激光器1的发光波长或光陷波滤波器3滤波位置的变化，改变微波光子滤波器的通频带的变化，实现可调谐的扫频微波信号输出；具有较短的环路长度，由于其输出扫频信号的扫频速度与信号的环腔延时同步，因此通过集成提高了输出信号的扫频速度。可作为集成化宽带可调的扫频微波光子信号源，产生宽带可调的快速啁啾微波信号，应用于雷达和通信系统中。
在不同的实施例中，调制器采用相位调制器2或偏振调制器，优选为相位调制器2，用于对光信号进行相位调制，产生光载波和上、下两个边带。
进一步的，傅里叶域锁模光电振荡器还包括光放大器，所述光放大器用于将信号放大，以促进起振；所述光放大器设置于调制器和光电探测器4之间，并集成到光电子芯片上。
进一步的，傅里叶域锁模光电振荡器还包括延时单元，所述延时单元用于提高环路的品质因数；所述延时单元设置于调制器和光电探测器4之间，并集成到光电子芯片上。
进一步的，傅里叶域锁模光电振荡器还包括光耦合器，所述光耦合器用于输出扫频信号；所述光耦合器设置于调制器和光电探测器4之间，并集成到光电子芯片上。
在一些实施例中，将激光器1、调制器、光陷波滤波器3和光电探测器4一起集成到磷化铟衬底上，形成光电子芯片，结构简单，易于实现，大大缩小了其体积、重量和功耗。
在其他实施例中，还可将激光器1集成到磷化铟衬底上，调制器、光陷波滤波器3和光电探测器4一起集成到硅基衬底上，磷化铟衬底和硅基衬底通过混合集成形成光电子芯片，集合了磷化铟衬底可有源集成以及硅基衬底小尺寸、低损耗的优势，可以降低产生的扫频微波信号的噪声。
在其他实施例中，还可将激光器1、调制器和光电探测器4一起集成到磷化铟衬底上，光陷波滤波器3和延时单元一起集成到氮化硅衬底上，磷化铟衬底和氮化硅衬底通过混合集成形成光电子芯片，集合了磷化铟衬底可有源集成以及氮化硅衬底小尺寸、低损耗的优势，可以降低产生的扫频微波信号的噪声。
进一步的，所述光陷波滤波器3为带宽低至几十MHz量级的相移布拉格光栅、微环谐振器、法布里-帕罗谐振器或基于受激布里渊散射效应的光滤波器中的任意一种。
进一步的，如图1所示，所述光电振荡器环路为单环路，但是可以理解，光电振荡器环路还可实现为双环路或多环路的方式。
在一些实施例中，将光电子芯片和电子芯片通过金丝键合的方式连接在一起，并固定在同一导热基底上，拆装简单，易于实现。
根据本发明的一些实施例，还提供了一种通讯系统，包括本发明提供的集成傅里叶域锁模光电振荡器，作为扫频微波信号源。能够大大提高通讯质量，并且体积小、功耗低和成本低。
下面结合附图及具体实施方式对本发明做进一步的详细描述。
如图1所示，集成傅里叶域锁模光电振荡器主要包括：1个激光器1、1个相位调制器2、1个光陷波滤波器3、1个光电探测器4、1个电放大器5以及1个功分器6；其中，1个激光器1、1个相位调制器2、1个光陷波滤波器3以及1个光电探测器4之间通过光波导连接，并集成到磷化铟或硅基衬底上，形成光电子芯片；其中，1个光电探测器5、1个电放大器6、1个功分器7以及1个相位调制器2之间通过共面微波波导连接，且电放大器6和功分器7集成到P型半导体衬底上，形成电子芯片；其中，光电子芯片和电子芯片通过金丝键合的方式连接在一起，并固定于同一导热基底上。
在本实施例中，集成傅里叶域锁模光电振荡器工作过程为：激光器1发出的光信号进入相位调制器2中发生相位调制，调制后包含载波和两个调制边带。由相位调制的特性可知，载波和两个调制边带的拍频信号相互抵消，因此无法在光电探测器4中还原微波信号。当其中一个调制边带落入光陷波滤波器3时，该边带被抑制。载波和另外一个调制边带在探测器中拍频可还原相应频率的微波信号。这就构成了一个等效的微波光子滤波器，其传输响应为带通形状。微波光子滤波器的中心频率等于激光器1的光载波与光陷波滤波器3的中心频率差。因此，通过快速改变激光器1的波长或光陷波滤波器3的陷波位置，可以实现快速调谐的微波光子滤波器。如图2所示为当-1阶边带被抑制时，通过快速改变激光器的波长实现快速调谐的微波光子滤波器的原理示意图。
傅里叶域锁模条件为：快速调谐微波光子滤波器的调谐周期与信号在光电振荡器环腔内传输一周的时间同步，即：
nT＝Tr；
其中，n是正整数，T是微波光子滤波器的变化周期，Tr是信号在光电振荡器环路中传输一周的延时。
当满足傅里叶域锁模条件时，信号在光电振荡器传输一周回到微波光子滤波器时滤波器刚好调谐到了同样的位置，因此，整个扫频范围内不同频率的微波信号能同时在腔内振荡，光电振荡器可自激振荡产生扫频微波信号。
在扫频过程中，不同频率的微波信号不需要经历从噪声中建立并达到稳态的过程，因此扫频速度非常快。扫频信号的时频变化由快速调谐微波光子滤波器控制，所以扫频信号是相位连续的，这极大地降低了扫频过程中的噪声。可以产生低相噪、宽带和快速啁啾的扫频微波信号。且扫频输出信号具有可调谐性，扫频中心频率和带宽可通过改变微波光子滤波器的通频带调节。
此外，上述对各元件和方法的定义并不仅限于实施方式中提到的各种具体结构、形状或方式，本领域的普通技术人员可对其结构进行简单地熟知地替换，如：可将功分器6和电放大器5的位置互换；可将相位调制器2更换为偏振调制器；可在光电子芯片中加入光放大器对信号进行放大；可在光电子芯片中再加入一段或多段延时单元以增加环路的品质因数；可在光电子芯片中加入光耦合器以输出扫频光信号；可将光电子芯片上的各个器件集成到不同的衬底或材料上；可将光电振荡器的单环路替换为多环路等。附图中所示的器件数量、形状及尺寸可依据实际情况而进行修改，且器件的配置可能更为复杂。
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 (10)

1.一种集成傅里叶域锁模光电振荡器，包括光电子芯片和电子芯片，其特征在于：
所述光电子芯片包括通过光波导连接的激光器、调制器、光陷波滤波器以及光电探测器，其中：
激光器，用于产生光信号；
调制器，用于对光信号进行相位调制，产生光载波和上、下两个边带；
光陷波滤波器，用于滤除相位调制的一个边带，得到等效强度调制的光信号；
光电探测器，用于将探测到的所述等效强度调制的光信号转换为电信号；
其中，所述激光器、调制器、光陷波滤波器和光电探测器一起构成了一个基于相位调制和相位调制到强度调制转换的微波光子滤波器，该微波光子滤波器通过周期性地改变激光器的发光波长或光陷波滤波器的滤波位置实现通频带的扫频；
所述电子芯片包括通过共面微波波导连接的电放大器和功分器，其中：
电放大器，用于将所述光电探测器探测到的所述电信号进行放大；
功分器，用于将放大后的所述电信号分为两路，一路作为扫频微波信号输出，另一路反馈到调制器，构成闭合的光电振荡器环路。
2.根据权利要求1所述的集成傅里叶域锁模光电振荡器，其特征在于，所述微波光子滤波器通频带的扫频周期与信号在所述光电振荡器环路中传输一周的延时匹配，从而在所述光电振荡器环路内产生扫频微波信号：
nT＝Tr；
其中，n是正整数，T是微波光子滤波器通频带的变化周期，Tr是信号在光电振荡器环路中传输一周的延时。
3.根据权利要求2所述的集成傅里叶域锁模光电振荡器，其特征在于：所述调制器为相位调制器或偏振调制器；优选为相位调制器。
4.根据权利要求2所述的集成傅里叶域锁模光电振荡器，其特征在于：
所述集成傅里叶域锁模光电振荡器还包括光放大器，所述光放大器用于将光信号放大，以促进起振；所述光放大器设置于调制器和光电探测器之间，并集成到光电子芯片上；
所述集成傅里叶域锁模光电振荡器还包括延时单元，所述延时单元用于提供光信号传输延时，进而提高环路的品质因数；所述延时单元设置于调制器和光电探测器之间，并集成到光电子芯片上；
所述集成傅里叶域锁模光电振荡器还包括光耦合器，所述光耦合器用于输出扫频光信号；所述光耦合器设置于调制器和光电探测器之间，并集成到光电子芯片上。
5.根据权利要求4所述的集成傅里叶域锁模光电振荡器，其特征在于：
所述激光器、调制器、光陷波滤波器、延时单元和光电探测器一起集成到磷化铟衬底上，形成光电子芯片；或者
所述激光器集成到磷化铟衬底上，所述相位调制器、光陷波滤波器、延时单元和光电探测器一起集成到硅基衬底上，所述磷化铟衬底和硅基衬底通过混合集成形成光电子芯片；或者
所述激光器、相位调制器和光电探测器一起集成到磷化铟衬底上，所述光陷波滤波器和延时单元一起集成到氮化硅衬底上，所述磷化铟衬底和氮化硅衬底通过混合集成形成光电子芯片。
6.根据权利要求1所述的集成傅里叶域锁模光电振荡器，其特征在于，所述光陷波滤波器为带宽低至几十MHz量级的相移布拉格光栅、微环谐振器、法布里-帕罗谐振器或基于受激布里渊散射效应的光滤波器中的任意一种。
7.根据权利要求1所述的集成傅里叶域锁模光电振荡器，其特征在于，所述光电振荡器环路为单环路、双环路或多环路中的任意一种。
8.根据权利要求1所述的集成傅里叶域锁模光电振荡器，其特征在于，所述光电子芯片和电子芯片通过金丝键合的方式连接在一起，并固定在同一导热基底上。
9.根据权利要求1-8任一项所述的集成傅里叶域锁模光电振荡器在雷达或通讯系统中的应用。
10.一种通讯系统，其特征在于，包括权利要求1-8任一项所述的集成傅里叶域锁模光电振荡器，用于作为扫频微波信号源。
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