CN113382322A

CN113382322A - 一种基于光开关的收发可切换波束形成芯片

Info

Publication number: CN113382322A
Application number: CN202110632300.1A
Authority: CN
Inventors: 恽斌峰; 林冬冬; 胡国华; 崔一平
Original assignee: Southeast University
Current assignee: Southeast University
Priority date: 2021-06-07
Filing date: 2021-06-07
Publication date: 2021-09-10
Anticipated expiration: 2041-06-07
Also published as: CN113382322B

Abstract

本发明公开了一种基于光开关的收发可切换波束形成芯片。所述芯片包括N个光输入端口，N个光电探测器，N个光开关，N‑1个可调光延时线，分束/合束器。本发明利用2×2光开关的路径选择性，当光载微波信号从芯片左侧第一光输入端口输入时，通过第一、第二、第三、第四、至第N光开关选择对应路径可以实现波束的发射功能；当光载微波信号从芯片右侧第二、第三、第四、至第N光输入端口输入时，通过第一、第二、第三、第四、至第N光开关选择对应路径可以实现波束的接收功能。该芯片可实现具有大带宽、避免波束斜视效应、抗电磁干扰的微波光子波束发射与波束接收。

Description

一种基于光开关的收发可切换波束形成芯片

技术领域

本发明属于集成光子技术和微波光子技术领域，涉及一种基于光开关的收发可切换波束形成芯片。

背景技术

波束形成技术在雷达和无线通信领域有着广泛的应用，通过控制天线单元间的相位，可以实现天线阵列发射和接收波束的扫描，从而在特定方向收发微波信号并改善信噪比。传统电子相控阵天线系统，波束形成一般采用电学移相器方案，会产生宽带信号收发导致的所谓波束“斜视”效应；也可采用电学延时波导方案，但通常其具有损耗较大、带宽窄的不足。同时，电学移相器和电学延时波导都易受电磁干扰。为了解决这些问题，随着集成光子技术和微波光子技术的发展，具有大带宽、无波束“斜视”效应、且抗电磁干扰的基于可调光延时线的波束形成芯片逐渐成为研究热点。

目前，基于可调光延时线的波束形成芯片在应用于发射端和接收端时，结构通常是不同的。在实际应用中，需要对波束发射和波束接收芯片的结构进行分别设计制作，导致芯片尺寸大、成本高。若同一块芯片能实现波束发射和波束接收的动态可切换，则可以有效解决这些不足。

发明内容

针对现有技术的以上问题或改进需求，本发明提供了一种基于光开关的收发可切换波束形成芯片，实现大带宽、无波束“斜视”效应、且抗电磁干扰的同时，实现波束发射与波束接收功能的可切换。

本发明所述一种基于光开关的收发可切换波束形成芯片，具体通过以下技术方案实现：利用2×2光开关的路径切换功能，选择芯片上不同的光输入端口和不同的波导传输路径，在芯片上实现波束发射和波束接收功能的可切换。当光载微波信号从芯片左侧的第一光输入端口输入时，第一光开关设置为交叉态，光载微波信号经过分束器分成N-1路进入第一、第二、第三、至第N-1可调光延时线进行对应的延时处理，第二、第三、第四、至第N光开关设置为直通态，各通道延时后的光载微波信号便会进入片上的第二、第三、第四、至第N光电探测器下变频至微波信号输出，以实现波束发射功能；当N-1通道的光载微波信号从芯片右侧的第二、第三、第四、至第N光输入端口输入时，第二、第三、第四、至第N光开关设置为交叉态，N-1路光载微波信号进入第一、第二、第三、至第N-1可调光延时线进行对应的延时处理，然后通过合束器合束，第一光开关设置为直通态，合束后的光载微波信号便会进入片上的第一光电探测器下变频至微波信号输出，以实现波束接收功能；

根据上述发明思路，一种基于光开关的收发可切换波束形成芯片，其特征在于包括：第一光输入端口(1)、第二光输入端口(2)、第三光输入端口(3)、第四光输入端口(4)、第N光输入端口(5)、第一光电探测器(6)、第二光电探测器(7)、第三光电探测器(8)、第四光电探测器(9)、第N光电探测器(10)、第一光开关(11)、第二光开关(12)、第三光开关(13)、第四光开关(14)、第N光开关(15)、第一可调光延时线(16)、第二可调光延时线(17)、第三可调光延时线(18)、第N-1可调光延时线(19)、分束/合束器(20)；其中：

所述第一、第二、第三、第四、至第N光输入端口用于将芯片外的光载微波信号耦合进芯片，所述第一、第二、第三、第四、至第N光电探测器用于将芯片处理后的光载微波信号下变频，转换为微波信号；

所述第一、第二、第三、第四、至第N光开关采用MZI型结构，由两个2×2光学分束器作为输入和输出，两条直波导作为MZI结构两臂，其中一臂上设置光学移相器用于控制光开关的直通/交叉状态以选择不同路径，每个光开关有4个端口，分别为左上、左下、右上、右下端口，定义若光从左向右传输，则左上至右下、左下至右上为交叉态，左上至右上、左下至右下为直通态；若光从右向左传输，则右上至左下、右下至左上为交叉态，右上至左上、右下至左下为直通态；

所述第一、第二、第三、至第N-1可调光延时线用于对多通道的光载微波信号进行对应的延时，可采用基于色散调谐的可调光延时线或基于波导长度切换结构的可调光延时线；

所述分束/合束器，当光载微波信号从芯片左侧向右侧传输时，作为分束器使用；当光载微波信号从芯片右侧向左侧传输时，作为合束器使用。

进一步的，所述第一、第二、第三、第四、至第N光开关的光学移相器采用芯片材料的热光效应、电光效应或等离子色散效应来实现。

进一步的，所述第一、第二、第三、至第N-1通道的可调光延时线采用基于色散调谐的可调光延时线或基于波导长度切换结构的可调光延时线来实现。

进一步的，所述收发可切换波束形成芯片可采用以下材料体系制作：绝缘体上硅、绝缘体上铌酸锂、氮化硅、有机聚合物、氮氧化硅、二氧化硅。

进一步的，分束/合束器、光开关、光学延时线、光电探测器共同集成到芯片上。

有益效果：本发明提供的微波光子波束形成芯片，可在实现大带宽、无波束“斜视”效应、且抗电磁干扰的同时，实现波束发射与波束接收功能的可切换。

附图说明

图1为本发明提供的基于光开关的收发可切换波束形成芯片的结构示意图。

图2中(a)为一种波导长度切换的可调光延时线，基于光开关切换光波导结构，(b)为一个基于光开关切换光波导结构的5bit可调光延时线的延时调节示意图。

图3中(a)为一种色散调谐的可调光延时线，基于级联微环结构，(b)为一个基于级联四微环结构的可调光延时线的延时调节示意图。

图4为各通道延时量与发射/接收角度的关系示意图。

图5为本发明提供的基于光开关的收发可切换波束形成芯片用于波束发射时的链路结构与芯片光路示意图，芯片中光路用箭头标出。

图6为本发明提供的基于光开关的收发可切换波束形成芯片用于波束接收时的链路结构与芯片光路示意图，芯片中光路用箭头标出。

具体实施方式

为了使本发明的目的、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。

图1为本发明提供的基于光开关的收发可切换波束形成芯片的结构示意图，包括第一、第二、第三、第四、至第N光输入端口，第一、第二、第三、第四、至第N光电探测器，第一、第二、第三、第四、至第N光开关，第一、第二、第三、至第N-1可调光延时线，分束/合束器。所述第一、第二、第三、第四、至第N光开关采用MZI型可调耦合器结构，由两个2×2光学分束器作为输入和输出，两条直波导作为MZI结构两臂，其中一臂上设置光学移相器用于控制光开关的直通/交叉状态以选择不同路径。每个光开关有4个端口，分别为左上、左下、右上、右下端口，定义若光从左向右传输，则左上至右下、左下至右上为交叉态，左上至右上、左下至右下为直通态；若光从右向左传输，则右上至左下、右下至左上为交叉态，右上至左上、右下至左下为直通态。

图2、图3为本发明提供的基于光开关的收发可切换波束形成芯片上可调光延时线可采用的常见结构，分别为图2(a)：一种基于波导长度切换的可调光延时线，采用开关路径切换结构；图3(a)：一种基于色散调谐的可调光延时线，采用级联微环结构。对于图2(a)的开关路径切换结构延时线，通过光开关切换波导长度，可以用n个光开关实现2^n-1个可调延时量，图2(b)展示了一个包含6个光开关的5bit光开关切换波导延时线的延时调节示意图，共可实现32个离散延时量的可调，延时调节步进为2ps。对于图3(a)的级联微环结构延时线，每个微环有2个加热电极分别用于调控微环的耦合系数和谐振波长，通过对每个微环的耦合系数和谐振波长的分别调控，可以实现较大带宽的延时连续可调，图3(b)展示了一个级联4氮化硅微环的可调延时线的延时调节示意图，实现了2GHz以上带宽的400ps延时量的连续可调。还有其他一些基于波导长度切换或基于色散调谐的可调光延时线结构，比如阵列波导光栅、光子晶体波导等，实际应用中，可根据微波频率和扫描范围及精度的具体要求来选择最合适的延时线结构。本发明提供的基于光开关的收发可切换波束形成芯片上的N-1路可调光延时线可采用这些结构对N-1通道上的光载微波信号进行对应的延时处理。波束形成系统各通道设置延时量与发射/接收角度的关系示意图如图4所示，遵循公式(1)：

其中，θ为发射/接收角，Δt为通道间延时差，c为光速，d为阵列天线间距。

图5为本发明提供的基于光开关的收发可切换波束形成芯片用于波束发射时的链路结构与芯片光路示意图。芯片外的激光器发射出一定功率的光作为光载波，进入调制器，微波信号加载在调制器上，形成光载微波信号。光载微波信号从芯片左侧第一光输入端口输入向右传输，第一光开关设置为交叉态，光载微波信号进入分束器分成N-1路，分别进入第一、第二、第三、至第N-1可调光延时线中产生发射角度所对应的延时，然后分别进入第二、第三、第四、至第N光开关，且第二、第三、第四、至第N光开关均设置为直通态，N-1路光载微波信号便会进入片上第二、第三、第四、至第N光电探测器下变频至微波信号，从而输出至芯片外的多通道阵列天线上进行波束发射。

图6为本发明提供的基于光开关的收发可切换波束形成芯片用于波束接收时的链路结构与芯片光路示意图。N-1个激光器发射一定功率的光作为N-1通道的光载波进入调制器，N-1通道阵列天线在特定角度接收到微波信号，加载到调制器上形成N-1路光载微波信号。N-1路光载微波信号从芯片右侧第二、第三、第四、至第N光输入端口输入向左传输，第二、第三、第四、至第N光开关设置为交叉态，从而N-1路光载微波信号分别进入第一、第二、第三、至第N-1可调光延时线中产生接收角度所对应的延时，随后N-1路光载微波信号进入合束器合束，第一光开关设置为直通态，从而合束后的光载微波信号进入第一光电探测器下变频至微波信号输出，实现了多通道波束接收功能。

以上所述的具体实施方法，对于本发明的目的、技术方案进行了进一步详细的说明。所应理解的是，以上所述仅为本发明方案的具体实施例，并不用于限制本发明，凡在不脱离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

1.一种基于光开关的收发可切换波束形成芯片，其特征在于包括：第一光输入端口(1)、第二光输入端口(2)、第三光输入端口(3)、第四光输入端口(4)、第N光输入端口(5)、第一光电探测器(6)、第二光电探测器(7)、第三光电探测器(8)、第四光电探测器(9)、第N光电探测器(10)、第一光开关(11)、第二光开关(12)、第三光开关(13)、第四光开关(14)、第N光开关(15)、第一可调光延时线(16)、第二可调光延时线(17)、第三可调光延时线(18)、第N-1可调光延时线(19)、分束/合束器(20)；其中：

所述第一、第二、第三、至第N-1可调光延时线用于对多通道的光载微波信号进行对应的延时处理，可采用基于色散调谐的可调光延时线或基于波导长度切换结构的可调光延时线；

2.如权利要求1所述的基于光开关的收发可切换波束形成芯片，其特征在于，所述第一、第二、第三、第四、至第N光开关的光学移相器采用芯片材料的热光效应、电光效应或等离子色散效应来实现。

3.如权利要求1所述的基于光开关的收发可切换波束形成芯片，其特征在于，所述第一、第二、第三、至第N-1通道的可调光延时线采用基于色散调谐的可调光延时线或基于波导长度切换结构的可调光延时线来实现。

4.如权利要求1所述的基于光开关的收发可切换波束形成芯片，其特征在于，所述收发可切换波束形成芯片可采用以下材料体系制作：绝缘体上硅、绝缘体上铌酸锂、氮化硅、有机聚合物、氮氧化硅、二氧化硅。

5.如权利要求1所述的基于光开关的收发可切换波束形成芯片，其特征还在于，分束/合束器、光开关、光学延时线、光电探测器共同集成到芯片上。