CN113991266A - 一种输出功率恒定的宽带微波光子移相器 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种输出功率恒定的宽带微波光子移相器，能够实现单个紧凑微环结构下对高频宽带微波信号在大于360°范围内连续移相的功能，降低了调谐难度；同时，移相过程中输出微波信号功率可保持恒定，增加了实用性；移相器的工作频率上限仅由探测器带宽与移相器自由光谱区范围决定，工作带宽大；此外，本发明无需使用可调谐激光器，只需通过热光调制改变谐振器谐振波长即可改变光载波信号在谐振谱中的相对位置，达到移相功能，可降低成本。

Description

一种输出功率恒定的宽带微波光子移相器

技术领域

本发明属于硅基光电子学与微波光子学领域，尤其涉及一种输出功率恒定的宽带微波光子移相器。

背景技术

微波移相器是相控阵雷达、干涉式天线阵、卫星通信等系统中的核心关键部件，它的工作带宽、移相范围、移相精度、插入损耗等指标直接影响系统的整体性能。例如，在相控阵雷达系统中，通过利用移相器阵列可灵活控制雷达的扫描角度，但受限于电子瓶颈，传统微波移相器存在带宽小，移相范围有限，抗干扰性差等问题，限制了相控阵雷达系统的目标探测和识别能力。

微波光子移相器是一种全新的微波信号相位调控技术，它通过采用高线性度电光调制技术将待处理微波信号上变频到光域，利用各类新型光子器件及光学技术对调制后的光信号进行移相处理，最后通过光电转换实现光波移相到微波移相的线性映射和转换。相比于传统的微波移相器，微波光子移相器具有工作带宽大、移相范围大、调谐速度快、抗电磁干扰能力强等显著优势。然而，现有微波光子移相器方案大都基于离散光电器件实现，仍然存在体积大、功耗高、系统复杂、成本高等不足。

近年来，高速发展的光子集成技术为微波光子移相器的小型化、芯片化创新发展提供了关键技术支撑。芯片化的微波光子移相器不仅能够减小系统尺寸，降低功耗和成本，同时片上微纳米级尺寸波导结构可显著增强光、电、热等物理场之间的相互作用和耦合，有望进一步提升微波光子移相器的各项性能指标。

目前，硅基光子平台是最具潜力的光电子集成平台之一，它具有独特而均衡的优势：1)硅基光子平台与互补金属氧化物半导体(Complementary-metal-oxide-semiconductor,CMOS)工艺技术兼容，易于实现大规模光子线路制造以及可与电子线路混合集成。2)硅与二氧化硅之间的大折射率差可保证硅光器件的低损耗和结构紧凑性；3)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。因此，硅基集成光子技术是实现微波光子移相器系统小型化、芯片化创新发展最具潜力的解决范式。

在硅基集成微波光子系统中，由于微环谐振器可在微米量级超紧凑物理结构中实现高精细光相位调控，成为了微波光子移相器系统中的关键组成部件。然而，由于相位响应范围有限，单个微环谐振器难以实现360°范围内的移相，并且，插入损耗会随着相移量变大而逐渐增大，因此会降低微波光子移相器系统的信噪比和稳定度。虽然新型的级联微环结构可以解决移相范围有限的问题，但是仍然存在相位调谐困难，微环单元之间热串扰等问题。因此，如何实现360°移相范围内输出功率恒定且易于调谐的集成微波光子移相器芯片是一个亟待解决的问题。

发明内容

为解决上述问题，本发明提供一种输出功率恒定的宽带微波光子移相器，通过提出一种全新的片上反馈耦合式微环谐振腔结构，结合外差混频探测机理，实现光波移相到微波移相的线性映射和转换，该方案能够实现单个紧凑微环结构下对高频宽带微波信号在大于360°范围内连续移相，且移相过程中输出微波信号的功率可保持恒定。

一种输出功率恒定的宽带微波光子移相器，包括硅基集成光子芯片与片外模块，其中，硅基集成光子芯片包括微环谐振腔1、第一微纳金属加热电极4、第二微纳金属加热电极5以及顺次连接的输入光栅耦合器6、U型波导2、萨格纳克环3、输出光栅耦合器7，片外模块包括激光器、电光调制器、环形器以及光电探测器；

所述微环谐振腔1与U型波导2耦合构成反馈耦合式微环谐振腔；U型波导2上方覆盖第一微纳金属加热电极4，微环谐振腔1上方覆盖第二微纳金属加热电极5，且U型波导2与微环谐振腔1上半部分的半周长弯曲波导构成马赫-曾德尔干涉仪(Mach–ZehnderInterferometer，MZI)结构的两条干涉臂；基于片上热光效应，通过在微环谐振腔1上方的第二微纳金属加热电极5上加载第二驱动电压信号，反馈耦合式微环谐振腔的谐振波长可以被随之调节，通过在U型波导2上方的微纳金属加热电极4上加载第一驱动电压信号，可改变U型波导引入相位，MZI结构两条干涉臂之间的相位差可以被随之调节；

所述激光器输出的光信号经过电光调制器产生单边带调制信号，并由环形器II端口输出至输入光栅耦合器6；单边带调制信号经过反馈耦合式微环谐振腔后，其光载波分量引入可调相位变化，；移相后的单边带调制信号经过萨格纳克环3后分成两路，其中一路光信号由输出光栅耦合器7直接输出到系统外部，另一路光信号经过反射后再次通过反馈耦合式微环谐振器，由输入光栅耦合器6输出至片外环形器，再通过环形器III端口入射至光电探测器，其光载波分量与一阶边带拍频产生相位可控的微波信号，实现光波移相到微波移相的线性映射和转换。

进一步地，U型波导2与微环谐振腔1耦合构成的反馈耦合式微环谐振腔中的振幅传递函数为：

其中，

为微环谐振腔1的光振幅传输系数，a＝e^-αL为U型波导2的光振幅传输系数，α为波导损耗系数，L₀为微环谐振腔1的周长，L为U型波导1的长度，

为微环谐振腔1的引入相位，

为U型波导2的引入相位，λ为波长，n_eff为硅波导有效折射率。

进一步地，所述塞格纳克环3将单边带调制信号分为两部分，一部分光信号通过输出光栅耦合器7后，输入芯片外部的光谱分析仪中，用于实现硅基集成光子芯片工作状态的实时监测；另一部分光信号在反馈耦合式微环谐振腔中往返传输，其透射谱为：

其中，k₁、t₁分别为萨格纳克环3的定向耦合器耦合系数和传输系数，a₁为光信号在萨格纳克环3中传输时的振幅传输系数，

为萨格纳克环3中弯曲波导的引入相位。

进一步地，所述硅基集成光子芯片中的各器件通过条形波导连接，片外模块中的各器件通过光纤连接。

进一步地，单边带调制信号的获取方法为：

调节电光调制器的偏置电压与输入的微波信号相位，从而将待移相的微波信号调制到光载波上。

有益效果：

1、本发明提供一种输出功率恒定的宽带微波光子移相系统，能够实现单个紧凑微环结构下对高频宽带微波信号在大于360°范围内连续移相的功能，降低了调谐难度；同时，移相过程中输出微波信号功率可保持恒定，增加了实用性；移相器的工作频率上限仅由探测器带宽与移相器自由光谱区范围决定，工作带宽大；此外，本发明无需使用可调谐激光器，只需通过热光调制改变谐振器谐振波长即可改变光载波信号在谐振谱中的相对位置，达到移相功能，可降低成本。

2、本发明提供一种输出功率恒定的宽带微波光子移相器，通过热光效应改变U型波导引入的相位变化，改变MZI结构两臂之间的相位差，等效于改变U型波导与微环间的耦合状态，可在保持谐振波长不变的情况下调节反馈耦合式微环谐振腔谐振峰的消光比，减小移相后光载波的功率变化，从而实现输出功率恒定的微波信号相位调谐。

3、本发明提供一种输出功率恒定的宽带微波光子移相器，移相后的单边带调制光信号经萨格纳克环分为两路后由透射端和反射端输出，光信号的往返传输加强了光信号与反馈耦合式谐振腔结构之间的相互作用，从而增大光信号的移相范围，最终实现大于360°范围内微波信号相位的灵活精细调控。

附图说明

图1为本发明提供的输出功率恒定的宽带微波光子移相器的结构框图；

图2为本发明提供的通过热光效应调节U型波导有效折射率，等效于改变U型波导长度对应移相器的透射谱与相位谱；

图3为本发明提供的通过热光效应调节微环谐振腔有效折射率，等效于改变微环半径对应移相器的透射谱；

图4为本发明提供的通过热光效应调节微环谐振腔有效折射率，等效于改变微环半径对应移相器的相位谱；

图5为本发明提供的通过热光效应调节微环谐振腔有效折射率，光载波与一阶边带信号在移相过程中所处位置；

图6为移相器加载40GHz微波信号时，通过热光效应调节微环有效折射率，等效于不同微环半径下的微波信号时域波形；

图7为移相器加载40GHz微波信号时，通过热光效应调节微环有效折射率，等效于不同微环半径下的微波信号功率变化图；

图8为在加载16-60GHz微波信号时，通过热光效应改变微环有效折射率，等效于改变微环半径对应的相移量；

1-微环谐振腔、2-U型波导、3-萨格纳克环、4-第一微纳金属加热电极、5-第二微纳金属加热电极、6-输入光栅耦合器、7-输出光栅耦合器。

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。

本发明提出一种输出功率恒定的宽带微波光子移相器，通过提出一种全新的片上反馈耦合式微环谐振腔结构，结合外差混频探测机理，实现光波移相到微波移相的线性映射和转换。通过将U型波导与微环谐振腔耦合，构成马赫-曾德尔干涉仪MZI结构，调谐MZI臂长引入相位差，改变U型波导与微环谐振腔间的耦合状态，实现对谐振腔幅度响应特性的灵活调控，从而保证移相器输出微波功率恒定。通过在U型波导一端连接萨格纳克环，实现光信号在反馈耦合式微环谐振腔中的往返传输，加强光信号与谐振腔物理结构之间的相互作用，从而增大光信号的移相范围，最终实现大于360°范围内微波信号相位的灵活精细调控。

具体的，如图1所示，一种输出功率恒定的宽带微波光子移相器，包括实现光域移相操作的硅基集成光子芯片以及实现电光调制与光电探测的片外模块，其中，硅基集成光子芯片包括微环谐振腔1、两个微纳金属加热电极以及顺次连接的输入光栅耦合器6、U型波导2、萨格纳克环3、输出光栅耦合器7，片外模块包括激光器、电光调制器、环形器以及光电探测器；同时，微环谐振腔与U型波导耦合构成反馈耦合式微环谐振腔，且硅基集成光子芯片中的各器件通过条形波导连接，片外模块中的各器件通过光纤连接。片外光信号通过光纤耦合注入硅基集成光子芯片。所述片外器件也可通过异质集成和硅基集成的方式集成于同一芯片。

上述方案中，片外激光器输出的连续光信号通过加载了输入微波信号与偏置电压的电光调制器2后产生单边带调制信号。该单边带信号由片外环形器Ⅰ端口输入，Ⅱ端口输出，经过输入光栅耦合器6耦合入射至硅基集成光子芯片。其单边带调制信号可表示为光载波与正1阶边带形式：

E_in(t)＝A₀exp(jω₀t)+A₁[j(ω₀+ω_RF)t]

式中，A₀、A₁、分别为连续光载波信号与正一阶边带振幅，ω₀、ω_RF为载波信号与加载微波信号频率，其中ω₀接近反馈耦合式微环谐振腔谐振频率，ω_RF远离其谐振频率。

单边带调制光信号在条形波导中传播，经过反馈耦合式微环谐振腔后，对其中的光载波分量引入可调相位变化。移相后的单边带调制信号经过萨格纳克环3后分成两路，其中一路信号由输出光栅耦合器7直接输出到光谱分析仪中，用于实现移相器芯片工作状态的实时监测。另一路光信号经过反射后再次入射到反馈耦合式微环谐振器中，并由输入光栅耦合器6输出至片外，其输出光信号可表示为：

其中，

为反馈耦合式微环谐振器在载波处引入的移相量，A'₀与A₁'分别为载波与一阶边带信号振幅。

进一步地，所述光信号经过环形器Ⅱ端口至Ⅲ端口输出并入射至光电探测器，载波与一阶边带拍频产生相位灵活可控的微波信号，其表达式为：

式中R是光电探测器响应度。

通过调节载波处引入的移相量

可调谐拍频生成的微波信号相位，实现对微波信号的移相功能。同时，通过调节输出载波振幅A'₀，可调谐输出微波信号功率，实现稳定功率微波信号输出。

上述方案中，通过精细调节电光调制器的偏置电压与输入微波信号相位，可实现单边带调制，从而将待处理微波信号调制到光载波上。

上述方案中，微环谐振腔1与U型波导2耦合构成反馈耦合式微环谐振腔；U型波导2与微环谐振腔1上半部分的半周长弯曲波导构成MZI的两条干涉臂，其输出透射谱在谐振波长处呈现洛伦兹凹陷，相位谱在谐振波长附近存在相位突变。进一步，所述微环谐振腔结构与U型波导区域上方分别覆盖有第二微纳金属加热电极5(图1中的圆形虚线框)、第一微纳金属加热电极4(图1中的U形虚线框)，同时，两个微纳金属加热电极上还设置有相应的正负电极。

也就是说，在正负电极上加载控制电信号，微纳金属发热导致硅材料温度变化，可通过热光效应实现对硅基波导材料折射率的调制。U型波导与微环形成的两个耦合区域(图1所示的两个矩形虚线区域)中，两耦合系数相等，表示为k，两传输系数相等，表示为t，处于弱耦合状态(k²<<t²)，省略与k相关项，所述反馈耦合式微环谐振腔的振幅传递函数为：

其中，

为微环谐振腔1的光振幅传输系数，a＝e^-αL为U型波导2的光振幅传输系数，α为波导损耗系数，L₀为微环周长，L为U型波导长度。

分别为微环与U型波导引入相位，λ为波长，n_eff为硅波导有效折射率。基于反馈耦合式微环谐振腔的输出透射谱在谐振波长处呈现洛伦兹凹陷，相位谱在谐振波长附近存在相位突变，本发明通过调谐反馈耦合式谐振腔的谐振波长λ，改变所述单边带调制信号光载波分量处于谐振腔光谱的相对位置，从而改变载波信号相位；同时通过调谐U型波导引入相位，可在保持谐振波长不变的情况下调节反馈耦合式微环谐振腔谐振峰的消光比，减小移相后光载波的功率变化，最终使输出微波功率恒定。

需要说明的是，本发明的谐振腔的谐振条件为

谐振波长与微环引入相位变化有关。基于片上热光效应，通过改变微纳金属加热电极的驱动电压信号，可改变硅基波导材料的有效折射率。通过热光效应调节反馈耦合式微环谐振腔的谐振波长，使单边带调制光信号的载波位于谐振器光谱谐振区域内的不同位置，同时保持一阶边带信号远离谐振峰，使得载波信号相位改变时一阶边带的相位保持不变，实现对光载波的相位调制。利用热光效应调节U型波导的有效折射率，即改变U型波导引入的相位变化，改变MZI结构两臂之间的相位差，等效于改变U型波导与微环谐振腔1间的耦合状态，可在保持谐振波长不变的情况下调节反馈耦合式微环谐振腔谐振峰的消光比，减小移相后光载波的功率变化，从而实现输出功率恒定的微波信号相位调谐。

在上述方案中，所述萨格纳克环3由定向耦合器和连接定向耦合器两个输出端口的弯曲波导组成，移相后的单边带调制光信号经萨格纳克环3分为两路后由透射端和反射端输出。所述透射端输出光信号由另一个光栅耦合器7直接输出到光谱分析仪中，用于实现移相器芯片工作状态的实时监测。所述反射端输出光信号再次通过反馈耦合式微环谐振腔，实现光信号在谐振腔中的往返传输，其透射谱为：

其中，k₁,t₁分别为萨格纳克环3中定向耦合器耦合系数和传输系数，a₁为光信号在萨格纳克环3中传输时的振幅传输系数，

为萨格纳克环3中弯曲波导引入相移。光信号的往返传输加强了光信号与反馈耦合式谐振腔结构之间的相互作用，从而增大光信号的移相范围，最终实现大于360°范围内微波信号相位的灵活精细调控。

图2为仿真微环半径为9.9981um时，对U型波导进行热光调制，改变折射率，等效于波导长度从63.125um变为63.25um时对应透射谱与相位谱的变化情况，可见移相器的谐振波长基本保持不变，随着波导长度增加，透射谱消光比减小，相位谱谱线斜率减小。

图3至图5分别为仿真U型波导长度为63.125um时，对微环进行热光调制，改变折射率，等效于微环半径从9.9981um变为10.0019um时透射谱与相位谱的变化情况，以及载波与一阶边带在移相过程中所处位置。可见随着微环半径增加，移相器谐振波长红移，透射谱与相位谱谱线形状均保持不变。通过调节移相器谐振波长可实现单边带光信号载波相对位置的变化，从而改变载波相位，而一阶边带信号由于远离谐振峰，相位基本保持不变。

在上述方案中，探测器拍频输出移相后的微波信号可用示波器观察其时域图像，如图6至图7所示，为仿真当射频输入信号为40GHz时对微环进行热光调制改变折射率，等效于不同微环半径下的微波信号时域波形图与功率变化图。可见，当微环半径由9.9981um变为10.0019um时，相移为486°，同时射频功率变化范围<1.2dB，能够实现大于360°移相范围内输出功率恒定的微波信号，并且移相范围为在27°～436°时移相范围内输出功率变化<1dB。图8所示为仿真当射频输入信号为16GHz～60GHz时通过热光效应调节微环有效折射率，等效于改变微环半径对应的相移量，可见移相范围均大于415°。并且移相信号频率上限由反馈耦合式微环谐振腔的自由光谱区范围和光电探测器带宽决定，工作带宽大。

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 (5)

1.一种输出功率恒定的宽带微波光子移相器，其特征在于，包括硅基集成光子芯片与片外模块，其中，硅基集成光子芯片包括微环谐振腔(1)、第一微纳金属加热电极(4)、第二微纳金属加热电极(5)以及顺次连接的输入光栅耦合器(6)、U型波导(2)、萨格纳克环(3)、输出光栅耦合器(7)，片外模块包括激光器、电光调制器、环形器以及光电探测器；

所述微环谐振腔(1)与U型波导(2)耦合构成反馈耦合式微环谐振腔；U型波导(2)上方覆盖第一微纳金属加热电极(4)，微环谐振腔(1)上方覆盖第二微纳金属加热电极(5)，且U型波导(2)与微环谐振腔(1)上半部分的半周长弯曲波导构成MZI结构的两条干涉臂；基于片上热光效应，通过在微环谐振腔(1)上方的第二微纳金属加热电极(5)上加载第二驱动电压信号，反馈耦合式微环谐振腔的谐振波长可以被随之调节，通过在U型波导(2)上方的第一微纳金属加热电极(4)上加载第一驱动电压信号，MZI结构两条干涉臂之间的相位差可以被随之调节；

所述激光器输出的光信号经过电光调制器调制后产生单边带调制信号，并由环形器II端口输出至输入光栅耦合器(6)，经过反馈耦合式微环谐振腔后，其光载波分量引入可调相位变化，移相后的单边带调制信号经过萨格纳克环(3)后被分成两路，其中一路光信号由输出光栅耦合器(7)直接输出到芯片外部，另一路光信号经过反射后再次通过反馈耦合式微环谐振器，由输入光栅耦合器(6)输出至片外环形器，再通过环形器III端口入射至光电探测器，其光载波分量与一阶边带拍频产生相位可控的微波信号，实现光波移相到微波移相的线性映射和转换。

2.如权利要求1所述的一种输出功率恒定的宽带微波光子移相器，其特征在于，U型波导(2)与微环谐振腔(1)耦合构成的反馈耦合式微环谐振腔中的振幅传递函数为：

其中，

为微环谐振腔(1)的光振幅传输系数，a＝e^-αL为U型波导(2)的光振幅传输系数，α为波导损耗系数，L₀为微环谐振腔(1)的周长，L为U型波导(1)的长度，

为微环谐振腔(1)的引入相位，

为U型波导(2)的引入相位，λ为波长，n_eff为硅波导有效折射率。

3.如权利要求1所述的一种输出功率恒定的宽带微波光子移相器，其特征在于，所述萨格纳克环(3)将单边带调制信号分为两部分，一部分光信号通过输出光栅耦合器(7)后，输入到芯片外部的光谱分析仪中，用于实现硅基集成光子芯片工作状态的实时监测；另一部分光信号在反馈耦合式微环谐振腔中往返传输，其透射谱为：

其中，k₁、t₁分别为萨格纳克环(3)的定向耦合器耦合系数和传输系数，a₁为光信号在萨格纳克环(3)中传输时的振幅传输系数，

为萨格纳克环(3)中弯曲波导的引入相位。

4.如权利要求1所述的一种输出功率恒定的宽带微波光子移相系统，其特征在于，所述硅基集成光子芯片中的各器件通过条形波导连接，片外模块中的各器件通过光纤连接。

5.如权利要求1所述的一种输出功率恒定的宽带微波光子移相器，其特征在于，单边带调制信号的获取方法为：

调节电光调制器的偏置电压与输入的微波信号相位，从而将待移相的微波信号调制到光载波上。

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