CN112787204A - 基于片上集成系统的光电振荡器及生成微波信号的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于片上集成系统的光电振荡器及生成微波信号的方法，涉及微波光子信号产生领域，包括：光输入单元，其用于输出第一频率的第一光信号以及第二频率的第二光信号。用于构成光电混合谐振腔的光电循环回路，其包括基于片上集成系统的光力谐振模块，所述光电循环回路用于接收并调制所述第一光信号，所述光力谐振模块用于使调制后的所述第一光信号通过谐振产生声子信号，且还通过所述声子信号调制所述光电循环回路接收的所述第二光信号并输出，以在所述光电循环回路中循环。本发明中的基于片上集成系统的光电振荡器能够实现较大的片上延时。

Description

基于片上集成系统的光电振荡器及生成微波信号的方法

技术领域

本发明涉及微波光子信号产生领域，具体涉及一种基于片上集成系统的光电振荡器及生成微波信号的方法。

背景技术

随着通信速率和通信容量的不断提升，通信所采用的微波信号频段也在不断提高。然而，受制于电子器件处理速度和高频微波信号传输损耗的影响，微波技术在向高频拓展的过程中遇到了较大的阻力。微波光子学利用光子技术来产生、处理和传输微波信号，借助于光子技术高速、大带宽和低传输损耗等优点，可以有效地解决微波技术向高频拓展的问题。

微波信号产生是微波光子学的重要研究内容，也是通信系统中的重要组成部分，而微波信号的质量直接影响了系统的性能，如无线通信系统的通信速率与数据容量、雷达系统的探测精度与探测距离以及传感系统的灵敏度等。

光电振荡器是一种光电混合谐振腔，可以在不降低所产生信号的质量的基础上实现高频的微波信号。目前成熟的光电振荡器一般都需要一段长光纤作为延时储能器件来提升所产生信号的质量，但长光纤较大的体积限制了光电振荡器的使用场景。而基于片上集成器件的光电振荡器由于很难实现较大的片上延时，所产生的微波信号的质量也受到限制。因此，基于片上集成器件实现高质量高频微波信号的光电振荡器是亟待解决的问题。

发明内容

针对现有技术中存在的缺陷，本发明第一方面提供一种能够实现较大的片上延时的基于片上集成系统的光电振荡器。

为达到以上目的，本发明采取的技术方案是：

一种基于片上集成系统的光电振荡器，包括：

光输入单元，其用于输出第一频率的第一光信号以及第二频率的第二光信号；

用于构成光电混合谐振腔的光电循环回路，其包括基于片上集成系统的光力谐振模块，所述光电循环回路用于接收并调制所述第一光信号，所述光力谐振模块用于使调制后的所述第一光信号通过谐振产生声子信号，且还通过所述声子信号调制所述光电循环回路接收的所述第二光信号并输出，以在所述光电循环回路中循环。

一些实施例中，所述光电循环回路还包括单边带信号调制模块、光环形器、光学滤波模块、光电探测器、射频放大模块和射频耦合器；

所述单边带信号调制模块的光输入端和光输出端分别与所述光输入单元和光力谐振模块相连，用于接收并调制所述第一光信号；

所述光环形器包括第一端口、第二端口和第三端口，所述第一端口用于与所述光输入单元相连，所述第二端口与所述光力谐振模块相连，所述第三端口与所述光学滤波模块相连；

所述光学滤波模块用于接收调制后的所述第二光信号，并与所述光电探测器的光学输入端口相连；

所述光电探测器的射频输出端口与所述射频放大模块相连；

所述射频放大模块与所述射频耦合器的输入端口相连；

所述射频耦合器包括第一输出端口和第二输出端口，所述第一输出端口与所述单边带信号调制模块的射频输入端口相连，所述第二输出端口作为信号源输出。

一些实施例中，所述光力谐振模块包括依次连接的第一光波导、第一耦合器、第一光力谐振腔、声子波导、第二光力谐振腔、第二耦合器和第二光波导；

所述第一光波导用于接收调制后的所述第一光信号，所述第一耦合器用于将调制后的所述第一光信号耦合进所述第一光力谐振腔，以产生所述声子信号；

所述第二光波导用于接收所述第二光信号，所述第二耦合器用于将所述第二光信号耦合进所述第二光力谐振腔；

所述第二光力谐振腔用于接收通过所述声子波导传输的所述声子信号，以使所述声子信号对第二光信号进行调制；

所述第二耦合器还用于将调制后的所述第二光信号输出到第二光波导。

一些实施例中，所述第一光波导的输入端和第二光波导的输出端上设有耦合光栅。

一些实施例中，所述第二光力谐振腔包括用于进行模式选择的机械模。

一些实施例中，所述光力谐振模块为光子晶体结构。

一些实施例中，所述光输入单元为单光源设备，并分成两路以输出所述第一光信号和第二光信号。

一些实施例中，所述光输入单元包括：

第一光输入模块，其用于输出所述第一光信号；

第二光输入模块，其用于输出所述第二光信号。

本发明第二方面提供一种生成高质量高频微波信号的方法。

为达到以上目的，本发明采取的技术方案是：

一种利用上述基于片上集成系统的光电振荡器生成微波信号的方法，该方法包括以下步骤：

利用光输入单元分别输出第一频率的第一光信号以及第二频率的第二光信号；

利用光电循环回路接收并调制所述第一光信号；

通过光力谐振模块进行谐振，使调制后的所述第一光信号产生声子信号，并通过所述声子信号调制所述光电循环回路接收的所述第二光信号并输出，以在所述光电循环回路中循环，并生成微波信号。

一些实施例中，所述光力谐振模块包括依次连接的第一光波导、第一耦合器、第一光力谐振腔、声子波导、第二光力谐振腔、第二耦合器和第二光波导；

所述通过光力谐振模块进行谐振，使调制后的所述第一光信号产生声子信号，并通过所述声子信号调制所述光电循环回路接收的所述第二光信号并输出，以在所述光电循环回路中循环，并生成微波信号，包括：

利用第一光波导接收调制后的所述第一光信号，并通过所述第一耦合器将调制后的所述第一光信号耦合进所述第一光力谐振腔，以产生所述声子信号；

利用第二光波导接收所述第二光信号，并通过所述第二耦合器将所述第二光信号耦合进所述第二光力谐振腔；

利用第二光力谐振腔接收通过所述声子波导传输的所述声子信号，以使所述声子信号对第二光信号进行调制；

再利用所述第二耦合器将调制后的所述第二光信号输出到第二光波导，以在所述光电循环回路中循环，并生成微波信号。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

本发明中的基于片上集成系统的光电振荡器，其包括光输入单元和光电循环回路，光电循环回路包括基于片上集成系统的光力谐振模块，光电循环回路用于接收并调制第一光信号，光力谐振模块用于使调制后的第一光信号通过谐振产生声子信号，且还通过声子信号调制第二光信号并输出，以在回路中循环。通过将调制后的第一光信号转换为声子信号在声子波导中传输，由于声子的群速度远慢于光信号，因此在声子波导中传输时能得到较大的片上延时，并在此基础上产生高质量的微波信号。此外，通过第二光力谐振腔的机械模进行滤波，可以对光电振荡器的复合腔中的固有模式进行筛选，减少模式竞争，提升所产生信号的边摸抑制比。

附图说明

图1为本发明实施例中基于片上集成系统的光电振荡器的结构框图；

图2为本发明实施例中光力谐振模块的结构框图；

图3为本发明实施例中光电振荡器中利用等效微波光子滤波器进行选模的原理示意图；

图4为本发明实施例中生成微波信号的方法的流程图；

图5为图4中步骤S3的流程图。

图中：100-第一光输入模块，200-单边带信号调制模块，300-光力谐振模块，310-第一光波导，320-第一耦合器，330-第一光力谐振腔，340-声子波导，350-第二光力谐振腔，360-第二耦合器，370-第二光波导，400-第二光输入模块，500-光环形器，600-光学滤波模块，700-光电探测器，800-射频放大模块，900-射频耦合器。

具体实施方式

为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

参见图1所示，本发明实施例提供一种基于片上集成系统的光电振荡器，其包括光输入单元和用于构成光电混合谐振腔的光电循环回路。

光输入单元用于输出第一频率的第一光信号以及第二频率的第二光信号。值得说明的是，光输入单元可以是单光源设备，并分成两路以输出所述第一光信号和第二光信号。也可以包括两个光源：第一光输入模块100和第二光输入模块400。其中，第一光输入模块100用于输出第一频率的第一光信号。第二光输入模块400用于输出第二频率的第二光信号。此外，第一频率和第二频率的大小可以相等，也可以不相等，本实施例在此不做限制。

优选地，第一光输入模块100和第二光输入模块400均包括激光器。进一步地，第一光输入模块和第二光输入模块还包括偏振控制器和光衰减器。

光电循环回路包括基于片上集成系统的光力谐振模块300，光电循环回路用于接收并调制第一光信号，光力谐振模块300用于使调制后的第一光信号通过谐振产生声子信号，且还通过声子信号调制接收的第二光信号并输出，以在所述光电循环回路中循环。

具体而言，本实施例中的光电循环回路还包括单边带信号调制模块200、光环形器500、光学滤波模块600、光电探测器700、射频放大模块800和射频耦合器900。

其中，单边带信号调制模块200用于接收并调制第一光信号。当光输入单元包括第一光输入模块100和第二光输入模块400两个光源时，单边带信号调制模块200的光输入端与第一光输入模块100相连，单边带信号调制模块200的光输出端与光力谐振模块300相连。优选地，单边带信号调制模块200可以是双驱动马赫曾德尔调制器，或由相位调制器与光学带通滤波器构成。

光环形器500包括第一端口、第二端口和第三端口，三个端口在图中分别对应1、2和3。第一端口与第二光输入模块400相连，第二端口与光力谐振模块300相连，第三端口与光学滤波模块600相连。

光学滤波模块600用于接收调制后的第二光信号，并与光电探测器700的光学输入端口相连。光电探测器700的射频输出端口与射频放大模块800相连。射频放大模块800与射频耦合器900的输入端口相连。射频耦合器900包括第一输出端口和第二输出端口，第一输出端口与单边带信号调制模块200的射频输入端口相连，第二输出端口作为信号源输出。优选地，光学滤波模块600为光学带通滤波器。射频放大模块800可以由一个或多个低噪声射频放大器构成。

作为一个优选地实施方式，参见图2所示。光力谐振模块300包括依次连接的第一光波导310、第一耦合器320、第一光力谐振腔330、声子波导340、第二光力谐振腔350、第二耦合器360和第二光波导370。

第一光波导310用于接收调制后的第一光信号，第一耦合器320用于将调制后的第一光信号耦合进第一光力谐振腔330，以产生声子信号。

第二光波导370用于接收第二光信号，第二耦合器360用于将第二光信号耦合进第二光力谐振腔350。第二光力谐振腔350用于接收通过声子波导340传输的声子信号，以使声子信号对第二光信号进行调制。第二耦合器360还用于将调制后的第二光信号输出到第二光波导370。其中，第二光力谐振腔350还包括用于进行模式选择的机械模。

值得说明的是，光力谐振模块300是片上系统，光电振荡器的其它模块可以是片上系统，也可以是分立器件。当其它模块为片上系统时，调制后的第一光信号通过光波导与光力谐振模块300中的第一光波导310连接，第二光波导370的输出也通过光波导与片上光环形器500的第二端口连接。当其它模块为分立器件时，此时，在第一光波导310的输入端和第二光波导370的输出端上设有耦合光栅，调制后的第一光信号输入耦合光纤后，通过耦合光栅后输入到光力谐振模块300中的第一光波导310，第二光波导370的输出通过耦合光栅输出到耦合光纤，再与光环形器500的第二端口连接。

可以理解的是，由单边带信号调制模块200、光力谐振模块300、光环形器500、光学滤波模块600、光电探测器700、射频放大模块800和射频耦合器900构成了闭合环路，相当于一个光电混合谐振腔，通过改变射频放大模块的增益，可以使得环路中的增益大于损耗，满足光电振荡器的起振条件。

参见图3所示，图3中横坐标ω为频率，纵坐标P为功率。由于第二光力谐振腔350中的机械模本身具有模式选择的作用，相当于一个等效的微波光子滤波器，因此在环路中可以对光电混合谐振腔中的固有模式进行选择，从而让被选择的模式在环路的不断循环中得到远高于其他固有模式的功率，从而实现微波信号的输出。

下面对本发明的工作原理进行介绍：

第一光输入模块100产生频率为ω₁的第一光信号，输入到单边带信号调制模块200中，并被单边带信号调制模块200射频输入端口中输入的微波信号所调制，调制后的第一光信号进入光力谐振模块300中，第二光输入模块400产生频率为ω₂的第二信号光，进入光环形器500的第一端口，并从第二端口输出进入光力谐振模块300中。第二信号光在光力谐振模块300中被调制后输出到光环形器500的第二端口，从第三端口输出到光学滤波模块600中，滤出ω₂附近的光信号，经过滤波的信号进入光电探测器700中经过拍频得到微波信号，经过射频放大模块800放大之后，一部分微波信号经过射频耦合器900输出到单边带信号调制模块200中，对第一信号光进行调制，另一部分微波信号作为信号源输出。

在光力谐振模块300中，第一信号光通过第一光波导310进入到第一耦合器320，将经过调制的第一光信号耦合到第一光力谐振腔330中，调制后的第一光信号作为泵浦在第一光力谐振腔330中激发斯托克斯波，斯托克斯波与第一光信号的频率间隔为ω₃，并会对频率为ω₄＝ω₁-ω₃的信号进行放大。当第一光力谐振腔330的模式与被放大的频率ω₄重合时，可以产生经过放大的声子信号，声子信号随后通过声子波导340进行传播。此时调制后的第一光信号被转换为声子信号传输，由于声子的群速度远慢于光信号，因此在声子波导中传输时能得到较大的片上延时。频率为ω₂的第二信号光进入光力谐振模块300的第二光波导370中，随后通过第二耦合器360耦合到第二光力谐振腔350中。在第二光力谐振腔350中，第二光信号被声子波导340传输过来的声子信号所调制，并对第二光力谐振腔350中的机械模进行放大。调制后的第二光信号通过第二耦合器360耦合到第二光波导370，进入到光环形器500微波信号中，以在所述光电循环回路中循环。

综上所述，本发明中的基于片上集成系统的光电振荡器，其包括光输入单元和光电循环回路，光电循环回路包括基于片上集成系统的光力谐振模块，光电循环回路用于接收并调制第一光信号，光力谐振模块用于使调制后的第一光信号通过谐振产生声子信号，且还通过声子信号调制第二光信号并输出，以在回路中循环。通过将调制后的第一光信号转换为声子信号在声子波导中传输，由于声子的群速度远慢于光信号，因此在声子波导中传输时能得到较大的片上延时，并在此基础上产生高质量的微波信号。此外，通过第二光力谐振腔的机械模进行滤波，可以对光电振荡器的复合腔中的固有模式进行筛选，减少模式竞争，提升所产生信号的边摸抑制比。

与之对应的是，参见图4所示，本发明实施例还提供一种利用上述基于片上集成系统的光电振荡器生成微波信号的方法，该方法包括以下步骤：

S1.利用光输入单元分别输出第一频率的第一光信号以及第二频率的第二光信号；

S2.利用光电循环回路接收并调制所述第一光信号；

S3.通过光力谐振模块进行谐振，使调制后的所述第一光信号产生声子信号，并通过所述声子信号调制所述光电循环回路接收的所述第二光信号并输出，以在所述光电循环回路中循环，并生成微波信号。

作为一个优选地实施方式，所述光力谐振模块包括依次连接的第一光波导、第一耦合器、第一光力谐振腔、声子波导、第二光力谐振腔、第二耦合器和第二光波导。

参见图5所示，所述通过光力谐振模块进行谐振，使调制后的所述第一光信号产生声子信号，并通过所述声子信号调制所述光电循环回路接收的所述第二光信号并输出，以在所述光电循环回路中循环，并生成微波信号，包括：

S31.利用第一光波导接收调制后的所述第一光信号，并通过所述第一耦合器将调制后的所述第一光信号耦合进所述第一光力谐振腔，以产生所述声子信号。

S32.利用第二光波导接收所述第二光信号，并通过所述第二耦合器将所述第二光信号耦合进所述第二光力谐振腔。

S33.利用第二光力谐振腔接收通过所述声子波导传输的所述声子信号，以使所述声子信号对第二光信号进行调制。

S34.再利用所述第二耦合器将调制后的所述第二光信号输出到第二光波导，以在所述光电循环回路中循环，并生成微波信号。

进一步地，第二光力谐振腔包括用于进行模式选择的机械模，由于第二光力谐振腔350中的机械模本身具有模式选择的作用，相当于一个等效的微波光子滤波器，因此在环路中可以对光电混合谐振腔中的固有模式进行选择，从而让被选择的模式在环路的不断循环中得到远高于其他固有模式的功率，从而实现微波信号的输出。

综上所述，本发明中的生成微波信号的方法，其通过将调制后的第一光信号转换为声子信号在声子波导中传输，由于声子的群速度远慢于光信号，因此在声子波导中传输时能得到较大的片上延时，并在此基础上产生高质量的微波信号。此外，通过第二光力谐振腔的机械模进行滤波，可以对光电振荡器的复合腔中的固有模式进行筛选，减少模式竞争，提升所产生信号的边摸抑制比。

在本申请的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

需要说明的是，在本申请中，诸如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上所述仅是本申请的具体实施方式，使本领域技术人员能够理解或实现本申请。对这些实施例的多种修改对本领域的技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本申请的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本申请将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文申请的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (10)

1.一种基于片上集成系统的光电振荡器，其特征在于，包括：

光输入单元，其用于输出第一频率的第一光信号以及第二频率的第二光信号；

用于构成光电混合谐振腔的光电循环回路，其包括基于片上集成系统的光力谐振模块，所述光电循环回路用于接收并调制所述第一光信号，所述光力谐振模块用于使调制后的所述第一光信号通过谐振产生声子信号，且还通过所述声子信号调制所述光电循环回路接收的所述第二光信号并输出，以在所述光电循环回路中循环。

2.如权利要求1所述的基于片上集成系统的光电振荡器，其特征在于，

所述光电循环回路还包括单边带信号调制模块、光环形器、光学滤波模块、光电探测器、射频放大模块和射频耦合器；

所述单边带信号调制模块的光输入端和光输出端分别与所述光输入单元和光力谐振模块相连，用于接收并调制所述第一光信号；

所述光环形器包括第一端口、第二端口和第三端口，所述第一端口用于与所述光输入单元相连，所述第二端口与所述光力谐振模块相连，所述第三端口与所述光学滤波模块相连；

所述光学滤波模块用于接收调制后的所述第二光信号，并与所述光电探测器的光学输入端口相连；

所述光电探测器的射频输出端口与所述射频放大模块相连；

所述射频放大模块与所述射频耦合器的输入端口相连；

所述射频耦合器包括第一输出端口和第二输出端口，所述第一输出端口与所述单边带信号调制模块的射频输入端口相连，所述第二输出端口作为信号源输出。

3.如权利要求2所述的基于片上集成系统的光电振荡器，其特征在于：

所述光力谐振模块包括依次连接的第一光波导、第一耦合器、第一光力谐振腔、声子波导、第二光力谐振腔、第二耦合器和第二光波导；

所述第一光波导用于接收调制后的所述第一光信号，所述第一耦合器用于将调制后的所述第一光信号耦合进所述第一光力谐振腔，以产生所述声子信号；

所述第二光波导用于接收所述第二光信号，所述第二耦合器用于将所述第二光信号耦合进所述第二光力谐振腔；

所述第二光力谐振腔用于接收通过所述声子波导传输的所述声子信号，以使所述声子信号对第二光信号进行调制；

所述第二耦合器还用于将调制后的所述第二光信号输出到第二光波导。

4.如权利要求3所述的基于片上集成系统的光电振荡器，其特征在于：

所述第一光波导的输入端和第二光波导的输出端上设有耦合光栅。

5.如权利要求3所述的基于片上集成系统的光电振荡器，其特征在于：所述第二光力谐振腔包括用于进行模式选择的机械模。

6.如权利要求1所述的一种基于片上集成系统的光电振荡器，其特征在于：所述光力谐振模块为光子晶体结构。

7.如权利要求1所述的基于片上集成系统的光电振荡器，其特征在于，所述光输入单元为单光源设备，并分成两路以输出所述第一光信号和第二光信号。

8.如权利要求1所述的基于片上集成系统的光电振荡器，其特征在于，所述光输入单元包括：

第一光输入模块，其用于输出所述第一光信号；

第二光输入模块，其用于输出所述第二光信号。

9.一种利用权利要求1所述的基于片上集成系统的光电振荡器生成微波信号的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

利用光输入单元分别输出第一频率的第一光信号以及第二频率的第二光信号；

利用光电循环回路接收并调制所述第一光信号；

通过光力谐振模块进行谐振，使调制后的所述第一光信号产生声子信号，并通过所述声子信号调制所述光电循环回路接收的所述第二光信号并输出，以在所述光电循环回路中循环，并生成微波信号。

10.如权利要求9所述的生成微波信号的方法，其特征在于，所述光力谐振模块包括依次连接的第一光波导、第一耦合器、第一光力谐振腔、声子波导、第二光力谐振腔、第二耦合器和第二光波导；

所述通过光力谐振模块进行谐振，使调制后的所述第一光信号产生声子信号，并通过所述声子信号调制所述光电循环回路接收的所述第二光信号并输出，以在所述光电循环回路中循环，并生成微波信号，包括：

利用第一光波导接收调制后的所述第一光信号，并通过所述第一耦合器将调制后的所述第一光信号耦合进所述第一光力谐振腔，以产生所述声子信号；

利用第二光波导接收所述第二光信号，并通过所述第二耦合器将所述第二光信号耦合进所述第二光力谐振腔；

利用第二光力谐振腔接收通过所述声子波导传输的所述声子信号，以使所述声子信号对第二光信号进行调制；

再利用所述第二耦合器将调制后的所述第二光信号输出到第二光波导，以在所述光电循环回路中循环，并生成微波信号。

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