CN110687518B - 一种片上集成平衡探测接收系统和方法 - Google Patents

一种片上集成平衡探测接收系统和方法 Download PDF

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Abstract

本申请公开了一种片上集成平衡探测接收系统和方法，包括：光学天线透镜获取空间光，通过光纤发送至集成光栅阵列；集成光栅阵列将空间光耦合进硅基波导发送至多模干涉耦合器阵列；波导端面耦合器获取本振光，耦合进硅基波导，发送至多模干涉耦合器阵列；多模干涉耦合器阵列对信号光和本振光进行干涉混频，得到第一输出光和第二输出光，发送至波导平衡探测器阵列；波导平衡探测器阵列对第一输出光和第二输出光进行光电转换和中频探测，得到第一中频电信号和第二中频电信号，发送至信号处理模块；信号处理模块对第一中频电信号和第二中频电信号进行处理，获取信号信息。光路复杂度低、探测视场大、调节难度低、稳定性高、结构简单、体积小，功耗小。

Description

一种片上集成平衡探测接收系统和方法
技术领域
本申请涉及相干探测技术领域，尤其涉及一种片上集成平衡探测接收系统和方法。
背景技术
相干探测技术不仅具有探测能力强、转换增益高、滤波性能好、稳定性高等特点，还能探测信号的振幅、强度、相位等信息，被广泛应用于微弱信号的检测领域。但由于普通相干探测的参考光功率利用率低、噪声大等原因，使得相干探测在某些领域不能满足对探测范围、探测精度和灵敏度的要求，平衡探测应运而生。
平衡探测是在同一个探测系统中，放置两组探测器件，分别将参考光和信号光输入到光电二极管中，将光信号转化为电信号，然后经过减法器运算，从而输出外差信号。自平衡探测技术发现以来，在美国、德国等国家已发展较为成熟，并已广泛应用到科研生产中。美国Discovery Semiconductors公司研发的1550nm平衡外差探测器件，在相干光纤数字通信系统的应用中，中频分辨率小于1Hz，实现了信噪比的提高和参考光的有效利用。近年来，国内也逐渐开始将平衡探测技术应用到激光测风雷达系统、相干差分吸收激光雷达系统和近红外激光相干干涉系统中。但是，现阶段，国内对平衡探测研究还不深入，例如光路实现方法复杂、探测视场小、没有相关实验来进一步提高平衡探测的信噪比等。
传统的平衡探测系统多利用空间分立器件(如空间镜头、空间偏振器件等)搭建，体积大，结构复杂、功耗大、调试不方便。
综上所述，需要提供一种光路复杂度低、探测视场大、体积小，结构简单、功耗小、调试方便的探测接收系统和方法。
发明内容
为解决以上问题，本申请提出了一种片上集成平衡探测接收系统和方法。
一方面，本申请提出一种片上集成平衡探测接收系统，包括：
光学天线透镜，用于获取空间光，通过光纤发送至集成光栅阵列；
集成光栅阵列，通过硅基波导与多模干涉耦合器阵列相连，用于将所述空间光耦合进硅基波导，发送至多模干涉耦合器阵列；
波导端面耦合器，通过硅基波导与多模干涉耦合器阵列相连，用于获取本振光，将所述本振光耦合进硅基波导，发送至多模干涉耦合器阵列；
多模干涉耦合器阵列，通过硅基波导与波导平衡探测器阵列相连，用于对接收到的信号光和本振光进行干涉混频，得到第一输出光和第二输出光，发送至波导平衡探测器阵列；
波导平衡探测器阵列，用于分别对第一输出光和第二输出光进行光电转换和中频探测，得到第一中频电信号和第二中频电信号，发送至信号处理模块；
信号处理模块，用于对所述第一中频电信号和第二中频电信号进行处理，获取信号信息；
所述光学天线透镜、集成光栅阵列、波导端面耦合器、多模干涉耦合器阵列、波导平衡探测器阵列和信号处理模块使用CMOS工艺进行互联。
优选地，所述光学天线透镜为衍射微透镜阵列，具体用于将空间光聚焦于焦平面处，成阵列像，获取空间光。
优选地，所述光纤包括：多芯光纤或光纤束。
优选地，所述集成光栅阵列包括多个耦合光栅，其中每个所述耦合光栅通过硅基波导与多模干涉耦合器阵列中的一个多模干涉耦合器相连。
优选地，所述耦合光栅之间的间距小于等于10μm。
优选地，所述多模干涉耦合器包括两个输入和两个输出，所述多模干涉耦合器的分束比为1:1。
优选地，所述第一输出光和所述第二输出光的横向中心间距为100微米至500微米，且所述第一输出光和所述第二输出光的相位存在180°的相移。
优选地，所述波导平衡探测器阵列包括多个波导平衡探测器，其中，每个波导平衡探测器与多模干涉耦合器阵列中的一个多模干涉耦合器相连。
优选地，所述信号处理模块包括：
差分放大器，用于对所述第一中频电信号和所述第二中频电信号进行差分运算，得到差分信号；
带通滤波器，用于对所述差分信号进行滤波，得到滤波信号；
放大器，用于对所述滤波信号进行幅值放大，得到放大信号；
数据采集卡，用于对所述放大信号进行采集，将采集到的信号发送至处理器；
处理器，用于对所述采集到信号进行解算，得到信号信息。
第二方面，本申请提出一种片上集成平衡探测接收方法，包括：
光学天线透镜获取空间光，通过光纤发送至集成光栅阵列；
集成光栅阵列将空间光耦合进硅基波导，发送至多模干涉耦合器阵列；
波导端面耦合器将本振光耦合进硅基波导，发送至多模干涉耦合器阵列；
多模干涉耦合器阵列对接收到的信号光和本振光进行干涉混频，得到第一输出光和第二输出光，分别发送至波导平衡探测器阵列；
波导平衡探测器阵列分别对第一输出光和第二输出光进行光电转换和中频探测，得到第一中频电信号和第二中频电信号，发送至信号处理模块；
信号处理模块对所述第一中频电信号和第二中频电信号进行处理，获取信号信息。
本申请的优点在于：使用光学天线透镜获取空间光，通过光纤束或多芯光纤发送至集成光栅阵列，光路复杂度低、探测视场大；通过多模干涉耦合器阵列对信号光和本振光进行干涉混频，大幅度降低了系统体积和调节难度，提升了系统稳定性；利用硅基波导器件取代传统分立光学元件或光纤器件，可以实现全集成的测距微系统，并且通过CMOS工艺进行集成，结构简单，体积小，功耗小。
附图说明
通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选事实方案的目的，而并不认为是对本申请的限制。而且在整个附图中，用同样的参考符号表示相同的部件。在附图中：
图1是本申请提供的一种片上集成平衡探测接收系统的示意图；
图2是本申请提供的一种片上集成平衡探测接收系统的结构示意图
图3是本申请提供的一种片上集成平衡探测接收系统的光学天线透镜通过光纤束或多芯光纤与集成光栅阵列连接的示意图；
图4是本申请提供的一种片上集成平衡探测接收系统的CMOS工艺排布示意图；
图5是本申请提供的一种片上集成平衡探测接收方法的步骤示意图；
附图标记说明
1光学天线透镜 2光纤
3集成光栅阵列 31耦合光栅
4硅基波导 5波导端面耦合器
6多模干涉耦合器阵列 61多模干涉耦合器
7波导平衡探测器阵列 71波导平衡探测器
8信号处理模块 800差分放大器
801带通滤波器 802放大器
803数据采集卡 804处理器
具体实施方式
下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施方式。虽然附图中显示了本公开的示例性实施方式，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施方式所限制。相反，提供这些实施方式是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。
根据本申请的实施方式，提出一种片上集成平衡探测接收系统，如图1所示，包括：
光学天线透镜，用于获取空间光，通过光纤发送至集成光栅阵列；
集成光栅阵列，通过硅基波导与多模干涉耦合器阵列相连，用于将空间光耦合进硅基波导，发送至多模干涉耦合器阵列；
波导端面耦合器，通过硅基波导与多模干涉耦合器阵列相连，用于获取本振光，将本振光耦合进硅基波导，发送至多模干涉耦合器阵列；
多模干涉耦合器(Multimode Interference，MMI)阵列，通过硅基波导与波导平衡探测器阵列相连，用于对接收到的信号光和本振光进行干涉混频，得到第一输出光和第二输出光，发送至波导平衡探测器阵列；
波导平衡探测器阵列，用于分别对第一输出光和第二输出光进行光电转换和中频探测，得到第一中频电信号和第二中频电信号，发送至信号处理模块；
信号处理模块(Signal Processor，SP)，用于对第一中频电信号和第二中频电信号进行处理，获取信号信息；
光学天线透镜、集成光栅阵列、波导端面耦合器、多模干涉耦合器阵列、波导平衡探测器阵列和信号处理模块使用CMOS工艺进行互联。
光学天线透镜为衍射微透镜阵列，具体用于将空间光聚焦于焦平面处，成阵列像，获取空间光。
光纤包括：多芯光纤或光纤束。
集成光栅阵列包括多个耦合光栅，其中每个所述耦合光栅通过硅基波导与多模干涉耦合器阵列中的一个多模干涉耦合器相连。
耦合光栅之间的间距小于等于10μm。
多模干涉耦合器包括两个输入和两个输出，所述多模干涉耦合器的分束比为1:1。
第一输出光和所述第二输出光的横向中心间距为100微米至500微米，且第一输出光和第二输出光的相位存在180°的相移。
波导平衡探测器阵列包括多个波导平衡探测器，其中，每个波导平衡探测器与多模干涉耦合器阵列中的一个多模干涉耦合器相连。
如图2所示，信号处理模块包括：
差分放大器，用于对第一中频电信号和第二中频电信号进行差分运算，得到差分信号；
带通滤波器，用于对差分信号进行滤波，得到滤波信号；
放大器，用于对滤波信号进行幅值放大，得到放大信号；
数据采集卡，用于对放大信号进行采集，将采集到的信号发送至处理器；
处理器，用于对采集到信号进行解算，得到信号信息。
空间回波信号是被目标物体反射或散射到光学天线透镜中的空间光信号。
信号信息包括：被探测目标的距离、速度等信息。
使用频域处理对采集到的信号进行解算。
频域处理包括：傅里叶变换和小波变换等算法。
集成光栅阵列是集成空间光耦合光栅阵列，由耦合光栅阵列集成组成，阵列规模为N×M，可以根据需要进行设计。集成光栅阵列的总体尺寸由耦合光栅阵列规模大小决定。
N和M可以是相同或不同的整数。
单个耦合光栅的边长，优选地，可以为30μm，宽度可根据光汇聚光斑直径(几十微米量级)进行设定。
波导平衡探测器阵列包括多个波导平衡探测器单元，阵列规模为N×M。其中，每个波导平衡探测器单元包括两个锗硅PIN探测器器件。
硅基芯片包括：集成光栅阵列、波导端面耦合器、多模干涉耦合器阵列、波导平衡探测器阵列和信号处理模块。
光学天线透镜是基于二元光学设计制作的衍射微透镜阵列。
基于CMOS工艺流片，对波导平衡探测器阵列与信号处理模块进行集成设计，实现系统的高度光电集成。
如图3所示，光学天线透镜上的透镜阵列将空间光聚焦于焦平面处，成阵列像，获取空间光。将获取到的阵列像空间光通过多芯光纤或光纤束发送至与各光纤芯或各光纤相连的集成光栅阵列中的各耦合光栅。
集成空间光耦合光栅阵列与多芯光纤或光纤束互联，可实现多个瞬时视场下空间光束向硅基芯片的高效耦合。
下面，对本申请的集成光栅阵列、波导端面耦合器、多模干涉耦合器阵列、波导平衡探测器阵列和信号处理模块之间的连接进行进一步的说明。
如图2、图3和图4所示，集成光栅阵列中的各耦合光栅将空间光耦合进硅基波导，发送至与其相连的多模干涉耦合器阵列。
波导端面耦合器通过硅基波导与多模干涉耦合器阵列中的多模干涉耦合器相连。将获取到的本振光耦合进硅基波导，发送至与其相连的多模干涉耦合器。
每个多模干涉耦合器对各自接收到的信号光和本振光进行干涉混频，得到第一输出光和第二输出光，通过两个硅基波导，分别发送至与其相连的波导平衡探测器阵列中的波导平衡探测器单元的两个输入。
波导平衡探测器阵列中的波导平衡探测器单元，分别对接收到的第一输出光和第二输出光进行光电转换和中频探测，得到的第一中频电信号和第二中频电信号通过各自的输出，发送至与其相连的信号处理模块。
信号处理模块对第一中频电信号和第二中频电信号进行处理，获取信号信息。
在对信号信息进行读出时，可以对信号信息(针对特定应用，如激光雷达等)进行选通读出，实现小瞬时视场、大总体视场的探测，避免杂波干扰。
优选地，所有光电器件均通过CMOS工艺，按照图4所示的排布进行互联，实现系统芯片的三维集成。
光学天线透镜能够实现整个系统的总体视场、集成光栅阵列的光束接收角及二者之间的匹配，使得对于正入射或斜入射的平行光束，经过光学天线透镜，均能够以相似的像方视场角度范围照射到耦合光栅表面。
集成光栅阵列是基于传统耦合光栅结构和二维超材料结构进行设计的，在汇聚高斯光束的汇聚角度、末端光斑直径和现有工艺条件的基础上，通过使用遗传算法搜索最优的结构，从而确定集成光栅阵列的栅条宽度、占空比、二维波前调制单元的尺寸和排布等，能够得到较高的耦合效率。
根据本申请的实施方式，还提出一种片上集成平衡探测接收方法，如图5所示，包括：
S101，光学天线透镜获取空间光，通过光纤发送至集成光栅阵列；
S102，集成光栅阵列将空间光耦合进硅基波导，发送至多模干涉耦合器阵列；
S103，波导端面耦合器将本振光耦合进硅基波导，发送至多模干涉耦合器阵列；
S104，多模干涉耦合器阵列对接收到的信号光和本振光进行干涉混频，得到第一输出光和第二输出光，分别发送至波导平衡探测器阵列；
S105，波导平衡探测器阵列分别对第一输出光和第二输出光进行光电转换和中频探测，得到第一中频电信号和第二中频电信号，发送至信号处理模块；
S106，信号处理模块对所述第一中频电信号和第二中频电信号进行处理，获取信号信息。
本申请的系统中，使用光学天线透镜获取空间光，通过光纤发送至集成光栅阵列，光路复杂度低、探测视场大；通过多模干涉耦合器阵列对信号光和本振光进行干涉混频，大幅度降低了系统体积和调节难度，提升了系统稳定性；利用硅基波导器件取代传统分立光学元件或光纤器件，可以实现全集成的测距微系统，并且通过CMOS工艺进行集成，实现系统高度光电集成，大幅降低制作成本，结构简单，体积小，功耗小，并可实现批量化生产。采用硅基波导器件及硅基探测器件等实现平衡探测中的本振光、待测回波信号光的混频、探测，将传统基于空间或光纤分立器件的平衡探测系统芯片化，大幅提升了系统集成度。在对信号信息进行读出时，可以对信号信息(针对特定应用，如激光雷达等)进行选通读出，实现小瞬时视场、大总体视场的探测，避免杂波干扰。并且，基于集成光栅阵列、波导平衡探测器阵列和信号处理模块的选通读出，可以获得较大的总体视场和较小的瞬时视场，从而可用于实时、大范围、高精度的现场距离测量。所有光电器件均通过CMOS工艺进行互联，可高度实现系统的三维光电集成，大幅降低制作成本，并可实现批量化生产。光学天线透镜通过一根多芯光纤或光纤束与集成光栅阵列互联，大大提高了空间光至硅基波导芯片的耦合效率。并且集成光栅阵列与多芯光纤或光纤束互联，可实现多个瞬时视场下空间光束向硅基芯片的高效耦合。为了探测大视场范围的需求，结合大口径微纳光学系统、多芯光纤(或光纤束)和规模可拓展耦合光栅阵列等进行回波信号的接收，可极大地提高接收视场范围，并可实现视场范围的拓展。基于技术成熟度高的空间光-光纤及光纤-波导耦合(集成光栅阵列)方式，采用多芯光纤(或光纤束)作为大口径微纳光学系统和集成光栅阵列之间的过渡，大大提高光耦合效率。本申请的系统具有集成化程度高、探测灵敏度高、信噪比好、可拓展至超大视场等优势，可以实现激光雷达等探测系统的小型化和全固态，在实时、大范围、高精度的距离/速度测量上，具有很好的表现。
以上所述，仅为本申请较佳的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (9)

1.一种片上集成平衡探测接收系统，其特征在于，包括：
光学天线透镜，用于获取空间光，通过光纤发送至集成光栅阵列；
集成光栅阵列，通过硅基波导与多模干涉耦合器阵列相连，用于将所述空间光耦合进硅基波导，发送至多模干涉耦合器阵列；其中，所述集成光栅阵列包括多个耦合光栅，其中每个所述耦合光栅通过硅基波导与多模干涉耦合器阵列中的一个多模干涉耦合器相连；
波导端面耦合器，通过硅基波导与多模干涉耦合器阵列相连，用于获取本振光，将所述本振光耦合进硅基波导，发送至多模干涉耦合器阵列；
多模干涉耦合器阵列，通过硅基波导与波导平衡探测器阵列相连，用于对接收到的信号光和本振光进行干涉混频，得到第一输出光和第二输出光，发送至波导平衡探测器阵列；波导平衡探测器阵列，用于分别对第一输出光和第二输出光进行光电转换和中频探测，得到第一中频电信号和第二中频电信号，发送至信号处理模块；
信号处理模块，用于对所述第一中频电信号和第二中频电信号进行处理，获取信号信息；
所述光学天线透镜、集成光栅阵列、波导端面耦合器、多模干涉耦合器阵列、波导平衡探测器阵列和信号处理模块使用CMOS工艺进行互联。
2.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述光学天线透镜为衍射微透镜阵列，具体用于将空间光聚焦于焦平面处，成阵列像，获取空间光。
3.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述光纤包括：多芯光纤或光纤束。
4.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述耦合光栅之间的间距小于等于10μm。
5.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述多模干涉耦合器包括两个输入和两个输出，所述多模干涉耦合器的分束比为1:1。
6.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述第一输出光和所述第二输出光的横向中心间距为100微米至500微米，且所述第一输出光和所述第二输出光的相位存在180°的相移。
7.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述波导平衡探测器阵列包括多个波导平衡探测器，其中，每个波导平衡探测器与多模干涉耦合器阵列中的一个多模干涉耦合器相连。
8.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述信号处理模块包括：
差分放大器，用于对所述第一中频电信号和所述第二中频电信号进行差分运算，得到差分信号；
带通滤波器，用于对所述差分信号进行滤波，得到滤波信号；
放大器，用于对所述滤波信号进行幅值放大，得到放大信号；
数据采集卡，用于对所述放大信号进行采集，将采集到的信号发送至处理器；
处理器，用于对所述采集到信号进行解算，得到信号信息。
9.一种片上集成平衡探测接收方法，其特征在于，包括：
光学天线透镜获取空间光，通过光纤发送至集成光栅阵列；
集成光栅阵列将空间光耦合进硅基波导，发送至多模干涉耦合器阵列；其中，所述集成光栅阵列包括多个耦合光栅，其中每个所述耦合光栅通过硅基波导与多模干涉耦合器阵列中的一个多模干涉耦合器相连；
波导端面耦合器将本振光耦合进硅基波导，发送至多模干涉耦合器阵列；
多模干涉耦合器阵列对接收到的信号光和本振光进行干涉混频，得到第一输出光和第二输出光，分别发送至波导平衡探测器阵列；
波导平衡探测器阵列分别对第一输出光和第二输出光进行光电转换和中频探测，得到第一中频电信号和第二中频电信号，发送至信号处理模块；
信号处理模块对所述第一中频电信号和第二中频电信号进行处理，获取信号信息。
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