CN113900282A - 一种硅基集成宽带高速可调谐微波光子移相器芯片 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种硅基集成宽带高速可调谐微波光子移相器芯片，在单个芯片上集成了高速电光调制器、可调谐微盘光滤波器、光移相器、高速光电探测器等多个核心关键光电器件，并提出融合等离子体色散效应和热光效应的复合光相位调控机制，对快速光移相器进行电光与热光调制，可实现对宽带射频信号相位在360°大范围内的高速、精细调节。

Description

一种硅基集成宽带高速可调谐微波光子移相器芯片
技术领域
本发明属于硅基光电子学与微波光子学领域，尤其涉及一种硅基集成宽带高速可调谐微波光子移相器芯片。
背景技术
随着相控阵雷达系统、电子对抗、卫星通信系统等先进科学技术领域的快速发展，微波光子移相器作为一种重要微波信号光学处理器件，引起了国内外各个研究团队和国防部门的广泛关注，它通过利用现代光子器件和光学技术在光域对微波信号进行相位控制和处理，具有高频宽带、大范围移相、低输出功率抖动、体积小、质量轻、抗电磁干扰等显著优势，成为了未来高频宽带微波移相技术最具潜力的解决方式。
目前，微波光子移相器的实现方式主要包括光学真时延、矢量和技术、外差混频技术等。基于光学真时延的微波光子移相器，能够克服传统电学移相器波束偏斜问题，但其结构复杂，相位调节精度较低。矢量和技术通过改变两路叠加信号的强度和相位信息，可以实现合成微波信号相位的灵活调控，但是存在移相范围受限和输出射频功率波动较大等问题。外差混频技术通过改变光载波和调制边带之间的相位差，利用高速光电探测器进行光电转换，实现光信号相位变化到微波信号相位变化的线性映射，可以实现360度范围内相移连续调控。目前，现有微波光子移相器方案大都基于分立光电子器件实现，存在结构复杂、体积大、功耗高、稳定性差等问题，限制了其在大规模相控阵系统等场景中的应用。
随着超大规模、超精细光子集成技术的快速发展，集成化、芯片化成为微波光子移相器的必然发展趋势。通过在单个芯片上高密度集成电光调制器、光移相器、光电探测器等核心关键光电器件，可显著减小微波光子系统体积、降低功耗和成本、提高系统可靠性。同时，超精细微纳波导结构可以增强光、电、热等多维物理场之间的相互作用，可实现片上光域内对微波信号相位的精细敏捷调控。
目前，主流光子集成工艺平台包括氮化硅(Si3N4)、Ⅲ-Ⅴ族磷化铟(InP) 和硅基光子(SiP)三类。其中，硅基光子平台具有独特而均衡的优势：硅与二氧化硅间的大折射率差能够保证硅光器件的性能和结构紧凑性；硅基光子系统全要素集成度高，目前已证明了除高性能激光器外的全系统硅基光电子有源与无源器件集成；硅基光电子技术工艺与现有互补-金属-氧化物半导体工艺技术兼容，易于实现大规模光子线路制造与同电子线路混合集成。
目前，主流的硅基微波光子移相器大都基于外差混频架构实现，采用微环谐振腔、微盘谐振腔、波导布拉格光栅、硅基光波导等结构实现光波移相，利用光电转换技术实现光波移相到微波移相的线性映射。然而，现有方案大都基于单一的电光或者热光调谐机制，难以实现微波信号相位的大范围、高速、精细调控，而且主要聚焦于无源光波移相单元的研究，存在集成度低等不足。
发明内容
为解决上述问题，本发明提供一种硅基集成宽带高速可调谐微波光子移相器芯片，能够实现对宽带射频信号相位在360°范围内的高速精细调制。
一种硅基集成宽带高速可调谐微波光子移相器芯片，包括电光调制器2、第一微盘滤波器3、第二微盘滤波器4、光移相器5、1×2光耦合器6以及光电探测器8；其中，所述光移相器5由基于等离子体色散效应的电光调制区与基于热光效应的热光调制区构成；
所述电光调制器2用于根据自身加载的射频信号对外部输入的连续光信号进行单边带调制，得到单边带调制信号；所述第一微盘滤波器3用于分离单边带调制信号中的光载波分量和正一阶边带分量，其中，光载波分量进入光移相器5，并由光移相器5通过等离子体色散效应与热光效应分别进行电光调制与热光调制，得到加载了移相量
Figure RE-GDA0003404647830000031
的光载波分量；移相后的光载波分量经由第二微盘滤波器4输出后，与所述正一阶边带分量合束，得到合束光信号；第一微盘滤波器3与第二微盘滤波器4的谐振频率均与光载波分量的载波频率相同；
所述1×2光耦合器6用于按照设定分光功率比将合束光信号分为第一支路和第二支路，其中，第一支路用于对外输出，第二支路用于输入光电探测器8 中进行拍频，得到加载了移相量
Figure RE-GDA0003404647830000032
的射频信号后再对外输出。
进一步地，一种硅基集成宽带高速可调谐微波光子移相器芯片，还包括第一垂直光栅耦合器1与第二垂直光栅耦合器7；
外部输入的连续光信号通过第一垂直光栅耦合器1耦合入射到电光调制器 2；所述第一支路通过第二垂直光栅耦合器7输出，并用于监控微波光子移相器芯片的工作状态。
进一步地，所述光移相器5为脊型波导，该脊型波导由电光调制区与热光调制区组成，其中，电光调制区为采用离子注入的形式在脊型波导中形成的侧向PN结，且PN结上还设置有正电极和负电极，热光调制区为在脊型波导上方覆盖金属加热电极而形成，且金属加热电极上也设置有正电极和负电极。
进一步地，所述侧向PN结由掺杂P区、掺杂N区、重掺杂P区、重掺杂N区组成。
进一步地，通过向侧向PN结上的正电极和负电极、金属加热电极上设置的正电极和负电极施加不同的电压信号，使得PN结有源区内载流子浓度和金属加热电极下方的脊型波导温度均发生变化，进而发生等离子体色散效应与热光效应，改变电光调制区与热光调制区的波导折射率。
进一步地，所述电光调制器2、第一微盘滤波器3、第二微盘滤波器4、光移相器5、1×2光耦合器6以及光电探测器8之间通过条形波导连接。
进一步地，所述第一微盘滤波器3与第二微盘滤波器4为脊型微盘结构。
有益效果：
1、本发明提供一种硅基集成宽带高速可调谐微波光子移相器芯片，在单个芯片上集成了高速电光调制器、可调谐微盘光滤波器、光移相器、高速光电探测器等多个核心关键光电器件，并提出融合等离子体色散效应和热光效应的复合光相位调控机制，对快速光移相器进行电光与热光调制，可实现对宽带射频信号相位在360°大范围内的高速、精细调节。
2、本发明提出的一种硅基集成宽带高速可调谐微波光子移相器芯片，集成了除激光器以外、包括调制器在内的所有光模块，集成度高，可靠性好，并且制造成本低。
3、本发明提出的一种硅基集成宽带高速可调谐微波光子移相器芯片，该移相器中的波分复用/解波分复用结构采用了超小尺寸微盘谐振器实现，使得整个集成系统结构更简单紧凑。
附图说明
图1为本发明提供的一种硅基集成宽带高速可调谐微波光子移相器芯片结构框图；
图2为一种硅基集成宽带高速可调谐微波光子移相器芯片的移相过程频谱示意图；
图3为本发明提供的电光调制区剖面示意图；
图4为本发明提供的热光调制区剖面示意图；
1-第一垂直光栅耦合器，2-电光调制器，3-第一微盘滤波器，4-第二微盘滤波器，5-光移相器，6-1×2光耦合器，7-第二垂直光栅耦合器，8-光电探测器， 10-第一垂直光栅耦合器的输出端，11-第一微盘滤波器的输入端，12-第一微盘滤波器的下载端，13-第二微盘滤波器的上传端，14-第一微盘滤波器的直通端， 15-第二微盘滤波器的直通端，16-脊型波导，17-正电极，18-负电极，19-重掺杂 P区，20-掺杂P区，21-掺杂N区，22-重掺杂N区，23-脊型波导。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本申请方案，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。
如图1所示，一种硅基集成宽带高速可调谐微波光子移相器芯片，包括第一垂直光栅耦合器1、电光调制器2、第一微盘滤波器3、第二微盘滤波器4、光移相器5、1×2光耦合器6、第二垂直光栅耦合器7以及光电探测器8；其中，所述光移相器5由基于等离子体色散效应的电光调制区与基于热光效应的热光调制区构成；同时，各器件间通过条形波导进行连接。
外部输入的连续光信号通过第一垂直光栅耦合器1耦合入射到电光调制器 2；所述电光调制器2用于根据自身加载的射频信号对外部输入的连续光信号进行单边带调制，得到单边带调制信号；其中，连续光信号经单边调制后，单边带调制信号Ei(t)在端口11处可表示为如下光载波分量与正1阶边带分量形式：
Ei(t)＝A0exp(jω0t)+A1[j(ω0+ωRF)t]
式中，A0、A1分别为连续光载波分量与正一阶边带分量的振幅，ω0、ωRF分别为光载波分量与正一阶边带分量的频率。
单边带调制光信号在条形波导中传播，经过第一微盘滤波器3；通过热光或电光调节第一微盘滤波器3，使第一微盘滤波器3的谐振频率与光载波分量的频率一致，进而实现单边带调制信号中的光载波分量和正一阶边带分量的分离；其中，光载波分量从第一微盘谐振器3的下载端口12进入光移相器5，并由光移相器5通过等离子体色散效应与热光效应分别进行电光调制与热光调制，引入移相量
Figure RE-GDA0003404647830000061
得到加载了移相量
Figure RE-GDA0003404647830000062
的光载波分量，并传输至第二微盘滤波器4 的上传端13；假设不考虑微盘谐振器引入的固定相移，在上传端13处光载波分量场强表达式可写为：
Figure RE-GDA0003404647830000063
式中，α10为第一微盘滤波器在频率ω0处的幅度响应。
移相后的光载波分量经由第二微盘滤波器4耦合至端口15处，与所述正一阶边带分量合束，得到合束光信号；第二微盘滤波器4的谐振频率也可通过热光或电光调节，使其与光载波分量频率一致，也就是说，第一微盘滤波器3与第二微盘滤波器4的谐振频率均与光载波分量的载波频率相同。
需要说明的是，正一阶边带分量频率远离第一/二微盘滤波器谐振频率，不会与其发生耦合，由端口11直接通过条形波导传输至端口15处，且正一阶边带分量与引入移相量的光载波分量合束后，场强表达式为：
Figure RE-GDA0003404647830000064
上式中，αm0与αm1m＝1或2分别表示第m微盘滤波器在频率ω0与ω0+ωRF处的幅度响应。
所述1×2光耦合器6用于按照设定分光功率比将合束光信号分为第一支路和第二支路，其中，第一支路通过第二垂直光栅耦合器7输出硅基微波光子移相器芯片外，并用于监控微波光子移相器芯片的工作状态；第二支路用于输入光电探测器8中进行拍频，得到加载了移相量
Figure RE-GDA0003404647830000071
的射频信号后再对外输出。其中，加载移相量的射频信号表达式为：
Figure RE-GDA0003404647830000072
式中R是光电探测器8响应度。通过调节光移相器5引入的相位变化
Figure RE-GDA0003404647830000073
可改变射频信号的相位，从而实现射频信号的移相功能。芯片中各端口处频谱示意图如图2所示。
优选地，所述1×2光耦合器可为定向耦合器，其分光功率比为5：95。
需要说明的是，高速电光调制器的工作模式由其自身所加载的偏置电压与射频输入信号控制。通过调节直流偏置电压以及两路射频输入信号的相位差，可以实现不同工作模式的切换，进而可以实现射频输入信号由电域到光域的映射，产生单边带调制信号。
上述方案中，第一、第二微盘滤波器均采用脊型微盘结构。与微环结构相比，其尺寸超小、光模场能量损耗低、Q值高，并且能够实现标准工艺下的侧向PN结制造，可通过等离子体色散效应或热光效应对其谐振频率进行调制，使谐振频率与载波频率一致。进一步，光载波分量从第一微盘滤波器3的下载端 12输出，通过快速光移相器5移相后，由第二微盘滤波器4的上传端13输入至自身的直通端15，与分别通过第一微盘滤波器输入端11与直通端口14、第二微盘滤波器输入端与直通端口15的正一阶边带分量合束，实现光信号的波分复用/解复用。
上述方案中，如图3、图4所示，快速光移相器5由脊型波导16构成。其中，该脊型波导分为两部分：基于等离子体色散效应的电光调制区与基于热光效应的热光调制区。如图3所示，电光调制区通过在脊型波导16中采用离子注入的形式形成侧向PN结，且PN结上还设置有正电极17和负电极18。同时，该PN结由重掺杂P区19、掺杂P区20、掺杂N区21、重掺杂N区23组成。热光调制区采用在脊型波导区域上方覆盖金属加热电极23的方式对脊型波导16实现热光调制，且金属加热电极22上也设置有正电极17和负电极18。
需要说明的是，对电光调制区与热光调制区顶部的正负电极上施加电压信号，使得电光调制区波导有源区内载流子浓度和金属加热电极下方波导温度均发生变化，根据等离子体色散效应与热光效应，对应区域脊型波导折射率也会相应改变，从而实现对其中传输的光光载波分量的相位调制。其中，电光调制区能够实现对光载波相位快速精细调制，热光调制区能够实现对光载波相位大范围调制，其相位
Figure RE-GDA0003404647830000081
在[0,2π]内连续变化，进而实现对宽带射频信号相位在大范围内的高速精细调制。
当然，本发明还可有其他多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员当然可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (7)

1.一种硅基集成宽带高速可调谐微波光子移相器芯片，其特征在于，包括电光调制器(2)、第一微盘滤波器(3)、第二微盘滤波器(4)、光移相器(5)、1×2光耦合器(6)以及光电探测器(8)；其中，所述光移相器(5)由基于等离子体色散效应的电光调制区与基于热光效应的热光调制区构成；
所述电光调制器(2)用于根据自身加载的射频信号对外部输入的连续光信号进行单边带调制，得到单边带调制信号；所述第一微盘滤波器(3)用于分离单边带调制信号中的光载波分量和正一阶边带分量，其中，光载波分量进入光移相器(5)，并由光移相器(5)通过等离子体色散效应与热光效应分别进行电光调制与热光调制，得到加载了移相量
Figure FDA0003300217420000011
的光载波分量；移相后的光载波分量经由第二微盘滤波器(4)输出后，与所述正一阶边带分量合束，得到合束光信号；第一微盘滤波器(3)与第二微盘滤波器(4)的谐振频率均与光载波分量的载波频率相同；
所述1×2光耦合器(6)用于按照设定分光功率比将合束光信号分为第一支路和第二支路，其中，第一支路用于对外输出，第二支路用于输入光电探测器(8)中进行拍频，得到加载了移相量
Figure FDA0003300217420000012
的射频信号后再对外输出。
2.如权利要求1所述的一种硅基集成宽带高速可调谐微波光子移相器芯片，其特征在于，还包括第一垂直光栅耦合器(1)与第二垂直光栅耦合器(7)；
外部输入的连续光信号通过第一垂直光栅耦合器(1)耦合入射到电光调制器(2)；所述第一支路通过第二垂直光栅耦合器(7)输出，并用于监控微波光子移相器芯片的工作状态。
3.如权利要求1所述的一种硅基集成宽带高速可调谐微波光子移相器芯片，其特征在于，所述光移相器(5)由电光调制区与热光调制区组成，其中，电光调制区为采用离子注入的形式在脊型波导中形成的侧向PN结，且PN结上还设置有正电极和负电极，热光调制区为在脊型波导上方覆盖金属加热电极而形成，且金属加热电极上也设置有正电极和负电极。
4.如权利要求3所述的一种硅基集成宽带高速可调谐微波光子移相器芯片，其特征在于，所述侧向PN结由掺杂P区、掺杂N区、重掺杂P区、重掺杂N区组成。
5.如权利要求3所述的一种硅基集成宽带高速可调谐微波光子移相器芯片，其特征在于，通过向侧向PN结上的正电极和负电极、金属加热电极上设置的正电极和负电极施加不同的电压信号，使得PN结有源区内载流子浓度和金属加热电极下方的脊型波导温度均发生变化，进而产生等离子体色散效应与热光效应，改变电光调制区与热光调制区的波导折射率。
6.如权利要求1所述的一种硅基集成宽带高速可调谐微波光子移相器芯片，其特征在于，所述电光调制器(2)、第一微盘滤波器(3)、第二微盘滤波器(4)、光移相器(5)、1×2光耦合器(6)以及光电探测器(8)之间通过条形波导连接。
7.如权利要求1所述的一种硅基集成宽带高速可调谐微波光子移相器芯片，其特征在于，所述第一微盘滤波器(3)与第二微盘滤波器(4)为脊型微盘结构。
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