CN113992274B - 硅基集成高精度射频信号稳相传输芯片、发送端及系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种硅基集成高精度射频信号稳相传输芯片、发送端及系统，通过在硅基光子芯片上集成高速电光调制器、高速光移相器、微盘滤波器、高速光电探测器等光电器件，将稳相传输系统集成化、芯片化，缩小系统体积的同时也降低了功耗、节约了成本；采用滤波性能更好的前置、后置微盘滤波器以及相应的连接波导，构成微波光子移相器，实现对射频信号的主动相位补偿。在本地发送端设置PID控制器，远处接收端设置Sagnac环，构成稳相传输系统的闭环反馈控制回路，实现射频信号的稳相传输。

Description

硅基集成高精度射频信号稳相传输芯片、发送端及系统
技术领域
本发明涉及集成光电子学技术领域，具体涉及一种硅基集成高精度射频信号稳相传输芯片、发送端及系统。
背景技术
随着雷达系统、深空探测网络、甚长基线干涉测量(VLBI)等先进科学技术领域的快速发展，高精度、低损耗、大区域射频信号稳相传输成为了支撑相关研究领域创新和取得突破的关键技术。相比于传统的电缆传输、无线传输等方法，基于光纤的射频信号稳相传输技术具有大带宽、低损耗、高可靠性、抗电磁干扰等显著优势，成为了最具潜力的技术解决范式。光纤射频传输面临的关键问题是光纤的传输延时易受温度、应变、振动等环境因素影响，从而导致传输后信号的延时和相位不稳定。因此，补偿光纤链路中传输信号的相位抖动，是实现高精度射频信号稳相传输的关键。
目前，射频信号稳相传输技术主要包含被动式稳相传输技术和主动式稳相传输技术。被动式稳相传输技术基于相位共轭原理，通过在电域或者光域实现信号混频，消除由于环境扰动带来的信号相位抖动。该方法简单易行，无需构成反馈回路，但是信号混频过程中会造成信号噪声叠加，从而降低传输信号的短期稳定性。主动式稳相传输技术基于往返相位校正原理，利用压控振荡器、光/电延迟线、微波移相器等主动补偿器件，通过构建反馈控制回路，实现对射频信号相位抖动的主动补偿。主动式稳相传输技术作为经典的稳相手段，其技术原理简单，具有较高的相位抖动补偿精度，并且可实现宽带射频信号的稳相传输，因此引起了学术界和产业界的广泛关注。
目前，现有的射频信号稳相传输系统均基于离散光电器件封装实现，因此存在体积大、成本高、功耗高、结构复杂等问题。近年来，随着光子集成技术的快速发展，集成化、芯片化成为了射频信号稳相传输技术发展的必然趋势。通过利用现代高精细光子集成技术实现多个关键光电器件的系统集成，有望显著减小射频信号稳相传输系统的尺寸、降低成本和功耗、提高系统的稳定性。目前，硅基光子平台是最有前景的光电集成平台之一，它具有独特而均衡的优势：硅基光子工艺与现有CMOS平台兼容，因此存在光电混合单片集成的潜在优势；硅与二氧化硅存在大折射率差，保证硅波导器件传输性能优异和结构紧凑；硅基光子系统全要素可集成度高，目前已经证实了除高性能激光源以外的高速电光调制器、高速光电探测器、光耦合器、光反射镜、光滤波器等多种关键集成光电器件，这些高性能的硅基集成光电器件为射频信号稳相传输系统的小型化和芯片化提供了可能。然而，目前基于硅基集成光电器件的芯片化射频信号稳相传输系统尚未被报道。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种硅基集成高精度射频信号稳相传输芯片、发送端及系统，将稳相传输系统集成化、芯片化，采用由前置微盘滤波器、高速光移相器、后置微盘滤波器组成的微波光子移相器对光载波的相位调节，实现对射频信号的主动相位补偿，与传统的光纤延迟线相位补偿相比，其响应速度更快，精度更高。
为了解决上述技术问题，本发明是这样实现的：
一种硅基集成射频信号稳相传输系统的发送端芯片，包括：第一光栅耦合器、高速电光调制器、第一1×2光分束器、第二光栅耦合器、第一高速光电探测器和微波光子移相器；
微波光子移相器包括前置微盘滤波器、高速光移相器、后置微盘滤波器；
第一光栅耦合器与高速电光调制器的光输入端口连接；高速电光调制器的输出端与前置微盘滤波器的input端连接；前置微盘滤波器的drop端通过波导与高速光移相器的输入端相连，后置微盘滤波器的add端通过波导与高速光移相器的输出端相连；前置微盘滤波器的through端与后置微盘滤波器的input端通过波导连接；
第一1×2光分束器的三个端口分别与后置微盘滤波器的through端、第二光栅耦合器的一端和第一高速光电探测器的输入端连接。
进一步地，高速电光调制器将芯片外部输入的光信号调制为单边带调制光信号，并输出单边带调制光信号通过前置微盘滤波器，完成单边带调制光信号的光载波与一阶边带的分离；高速光移相器根据外部相位误差信号对所述光载波产生移相量，对光载波进行相位调节，获得移相后的光载波，移相后的光载波与一阶边带通过后置微盘滤波器进行合束，得到移相后的单边带调制光信号。
进一步地，高速光移相器为脊型波导结构，脊型波导包括电光调制区和热光调制区；
电光调制区采用离子注入形式在脊波导中形成侧向PN结；热光调制区为在脊型波导区域上方覆盖金属加热电极。
一种硅基集成射频信号稳相传输系统的本地发送端，包括激光器、射频信号合成器、射频功分器、射频鉴相器和PID控制器以及发送端芯片；
激光器产生的光信号由第一光栅耦合器耦合入射至发送端芯片；
射频信号合成器产生的射频信号由射频功分器分成两路，一路注入到高速电光调制器的电输入接口，另一路通过射频传输线注入到射频鉴相器的LO输入端；射频鉴相器的RF输入端与第一高速光电探测器输出端连接，接收带有相位抖动的射频信号；
射频鉴相器的输出端连接PID控制器，PID控制器的输出端与高速光移相器的电极连接。
一种硅基集成高精度射频信号稳相传输系统，包括远处接收端和本地发送端；本地发送端与远处接收端通过传输光纤连接；
本地发送端用于将射频信号调制为单边带调制光信号并发射至远处接收端，同时接收从远处接收端反射的带有相位抖动的单边带调制光信号，将其解调为射频信号后进行鉴相，得到相位误差信号，经PID控制后用于反馈控制微波光子移相器移相量，完成射频信号的主动相位补偿；
远处接收端用于接收本地发送端的发射的单边带调制光信号并进行解调，得到射频信号，并将单边带调制光信号反射回本地发送端。
进一步地，远处接收端包括接收端芯片，接收端芯片包括第三光栅耦合器第二1×2光分束器、Sagnac环和第二高速光电探测器；
本地发送端发射的单边带调制光信号被第二1×2光分束器分成两路，一路被Sagnac环反射，经过传输光纤返回本地发送端，另一路进入第二高速光电探测器，通过光电转换，输出相位稳定的射频信号。
有益效果：
(1)一种硅基集成的高精度射频信号稳相传输系统，通过在单个硅基光子芯片即上集成高速电光调制器、高速光移相器、微盘滤波器、高速光电探测器等光电器件，作为发送端芯片，将稳相传输系统集成化、芯片化，缩小系统体积的同时也降低了功耗、节约了成本；采用微波光子移相器对光载波的相位调节，在光域实现对射频信号的主动相位补偿，同时与传统的光纤延迟线相位补偿相比，其响应速度更快，精度更高。
(2)高速光移相器为脊型波导结构，通过在脊型波导不同区域设置PN结和微纳金属加热电级，从而能够结合热光效用和等离子色散效应，通过复合光相位调控机制，实现对光载波的低速大范围和快速高精细相位调控，兼顾对射频信号缓慢大范围相位变化与快速小范围相位抖动的补偿，增加本系统的环境适用性。
(3)基于往返校正原理，远处接收端芯片的Sagnac环反射光信号给本地发送端，并结合光信号在传输光纤中往返传输由于环境变化引起的相位抖动，返回的光信号转化为带有相位扰动的射频信号后，与原始待传输射频信号进行鉴相，获得相位误差信号，从而反馈微波光子移相器，补偿相位扰动，实现射频信号的稳相传输。
(4)本地发送端设置PID控制器，通过PID控制算法对相位误差信号进行实时校正，提供反馈控制信号至高速光移相器，控制高速光移相器对光载波的移相量，构成稳相传输系统的闭环反馈控制回路，实现高精度相位补偿，提高系统稳定性与可靠性。
附图说明
图1为本发明提供的硅基集成高精度射频信号稳相传输系统的结构框图；
图2为本地发送端的结构示意图；
图3为发送端芯片不同位置光信号的频谱示意图；
图4为远处接收端的结构示意图。
其中，1-激光器，2-第一光栅耦合器，3-高速电光调制器，4-射频信号合成器，5-射频功分器，6-射频鉴相器，7-前置微盘滤波器，8-高速光移相器，9-后置微盘滤波器，10-第一1×2光分束器，11-第二光栅耦合器，12-第一高速光电探测器，13-PID控制器，14-第三光栅耦合器，15-第二1×2光分束器，16-Sagnac环，17-第二高速光电探测器。
具体实施方式
下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。
如图1所示，一种硅基集成高精度射频信号稳相传输系统，包括本地发射端、传输光纤和远处接收端。本地发送端用于将射频信号调制为单边带调制光信号并发射至远处接收端，同时接收远处接收端反射回来的单边带调制光信号，通过鉴相、PID控制算法对微波光子移相器的移相量进行反馈控制，实现射频信号的主动相位补偿；远处接收端用于接收本地发送端发射的单边带调制光信号并进行解调，得到原始的射频信号，并将部分单边带调制光信号反射回本地发送端，实现反馈。
如图2所示，本地发送端包括激光器1、射频信号合成器4、射频功分器5、射频鉴相器6、PID控制器13以及发送端芯片。发送端芯片包括第一光栅耦合器2、高速电光调制器3、第一1×2光分束器10、第二光栅耦合器11和微波光子移相器；微波光子移相器包括前置微盘滤波器7、高速光移相器8、后置微盘滤波器9以及相应连接波导；
其中，采用前置微盘滤波器7、高速光移相器8、后置微盘滤波器9和相应连接波导共同组成的微波光子移相器，从而实现射频信号的相位补偿，与传统的采用光纤延迟线实现相位补偿的方式相比，响应速度更快，精度更高。
如图2所示，第一光栅耦合器2与高速电光调制器3的光输入端口连接，高速电光调制器3的输出端分别与第一1×2光分束器(10)和前置微盘滤波器7的input端连接。前置微盘滤波器7和后置微盘滤波器9分别位于高速光移相器8的两侧，前置微盘滤波器7的drop端与后置微盘滤波器9的add端通过连接波导与高速光移相器8的输入输出端相连，前置微盘滤波器7的through端与后置微盘滤波器9的input端通过连接波导连接，后置微盘滤波器9的through端与1×2光分束器10连接。
激光器1产生的频率为fc的单频光信号由第一光栅耦合器2耦合进发送端芯片，随后入射到高速电光调制器3的光输入端口。射频信号合成器4产生的频率为fm的射频信号由射频功分器5分成两路，一路注入到电光调制器3的电输入接口，另一路入射到射频鉴相器6的LO端口。
高速电光调制器3用于将射频信号调制到光域，输出单边带调制光信号；单边带调制信号通过连接波导入射至前置微盘滤波器7的input端。
通过调节高速电光调制器3的直流偏置电压以及加载至高速电光调制器3的上下两臂的射频输入信号相位差，使其产生单边带调制光信号，光载波和一阶边带的频率分别为fc和fc+fm。高速电光调制器3产生的单边带调制光信号入射到前置微盘滤波器7中。前置微盘滤波器7的谐振波长可以表示为
其中，R和neff分别为前置微盘滤波器的半径和有效折射率。前置微盘滤波器带有金属微纳加热电极，通过利用热光效应调节前置微盘滤波器的谐振波长，使得光载波fc从drop端输出，而一阶边带fc+fm从through端输出。
单边带调制光信号通过前置微盘滤波器7后，完成单边带调制光信号的光载波与一阶边带的分离，光载波入射到高速光移相器8中，高速光移相器8对光载波进行相位调节，获得移相后的光载波。
高速光移相器8为脊型波导结构，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。电光调制区采用离子注入形式在脊波导中形成侧向PN结。热光调制区通过在该波导区域上方覆盖金属加热电极对脊型波导实现热光调制。进一步，在电光调制区与热光调制区上方还包括相应正负电极。对电光调制区和热光调制区上方正负电极施加直流电压控制信号，可实现结合热光效应和等离子色散效应的复合光相位调控机制，实现对光载波的低速大范围和快速高精细相位调控，从而分别补偿传输光纤周围温度变化和环境扰动对传输射频信号的影响。单一依靠热光效应调节相位，其调相范围大，但是只适合扰动慢的情况，但实际过程中，扰动快的情况也是存在的，因此本发明结合引入电光调制区，结合等离子色散效应能够实现扰动快的情况下的相位调节，且精度也更高。
移相后的光载波与一阶边带通过后置微盘滤波器9进行合束，得到移相后的单边带调制光信号。后置微盘滤波器9也带有金属微纳加热电极，用于调节后置微盘滤波器9的谐振波长。
合束后的单边带调制光信号经过第一1×2光分束器10后由第二光栅耦合器11耦合进入传输光纤。
如图4所示，远处接收端包括接收端芯片，接收端芯片包括第三光栅耦合器14、第二1×2光分束器15、Sagnac环16和第二高速光电探测器17。本地发送端发射的单边带调制光信号经过传输光纤传输至第三光栅耦合器14，第三光栅耦合器14将其耦合进入接收端芯片，之后被第二1×2光分束器15分成两路，一路被Sagnac环16反射，经过传输光纤返回本地发送端，另一路进入第二高速光电探测器17，通过光电转换，输出相位稳定的射频信号，实现传输信号的解调接收，输出的射频信号可以表示为
Vout(t)＝RPD·V0cos(2πfmt+φfiber+θ) (2)
其中RPD为第二高速光电探测器17的响应系数，V0为输入信号幅度，φfiber为光纤周围环境变化导致的相位扰动，θ为光移相器引入的相位变化。通过PID反馈控制，使得φfiber+θ＝0。此时，输出射频信号可以表示为
Vout(t)＝R·V0cos(2πfmt) (3)
由式(3)可知，通过精确反馈控制高速光移相器的驱动电压，可以实现射频信号的高精度稳相传输。
从传输光纤返回的部分反射的单边带调制光信号经过第二光栅耦合器11重新入射到发送端芯片中，经过第一1×2光分束器10入射到第一高速光电探测器12中，单边带调制光信号在传输光纤中往返传输，受到周围环境影响会产生相位抖动，该相位抖动通过光电转换成带有相位抖动的射频信号并注入到射频鉴相器6的RF端。带有相位抖动的射频信号与射频鉴相器6的LO端口接收的来自射频功分器5的射频信号，在射频鉴相器6鉴相产生直流电压信号，即反射回的射频信号与待传输射频信号的相位误差信号。
射频鉴相器6的输出端连接PID控制器13，所述PID控制器13的输出端与高速光移相器8中的电极连接，具体信号传输为：射频鉴相器6输出的直流电压信号经过PID控制器13进行实时校正后，注入到高速光移相器8的电输入端口，构成闭环反馈控制回路。
在本发明提供的硅基集成射频信号稳相传输系统中，其信号传递过程如下：
激光器1产生的光信号由第一光栅耦合器2耦合入射至发送端芯片，通过连接波导入射到高速电光调制器3的光输入端口；射频信号合成器4产生的射频信号由射频功分器5分成两路，一路注入到所述射频鉴相器6的LO端口，另一路注入到高速电光调制器3的电输入接口。
高速电光调制器3将射频信号调制到光域，获得单边带调制光信号；单边带调制光信号分成两路，一路通过波导传输至所述第一1×2光分束器10，另一路入射至所述前置微盘滤波器7的input端。
单边带调制光信号通过前置微盘滤波器7，完成光载波与一阶边带的分离；高速光移相器8通过对光载波产生移相量，对光载波进行相位调节，获得移相后的光载波；移相后的光载波与一阶边带通过后置微盘滤波器9进行合束，得到移相后的单边带调制光信号。
第一1×2光分束器10将移相后的单边带调制光信号传输至第二光栅耦合器11，第二光栅耦合器11将移相后的单边带调制光信号耦合入射至传输光纤中，传输至远处接收端。
远处接收端的第二1×2光分束器15将单边带调制光信号分成两路，一路被Sagnac环16反射，经过传输光纤返回本地发送端的第二光栅耦合器11，另一路进入第二高速光电探测器17，通过光电转换，输出相位稳定的射频信号。
第二光栅耦合器11将单边带调制光信号耦合入射至第一1×2光分束器10，进而导入第一高速光电探测器12中；第一高速光电探测器12将单边带调制光信号解调为射频信号，射频信号为带有相位抖动的射频信号，并注入到射频鉴相器6的RF端口，第一高速光电探测器12解调得到的射频信号与射频鉴相器6的LO端口注入的射频信号进行鉴相，产生直流电压信号，即相位误差信号。
相位误差信号通过PID控制器对相位误差信号进行实时校正，得到反馈控制信号加载至高速光移相器8的正电极上，控制高速光移相器8对光载波的移相量，构成闭环反馈控制回路，实现射频信号的稳相传输。
本发明提供了一种硅基集成高精度射频信号稳相传输系统，包含本地发送端和远处接收端，本地发送端与远处接收端通过传输光纤连接。本地发送端包含发送端芯片以及片外器件，远处接收端为接收端芯片。通过创新性地提出射频信号稳相传输芯片系统物理架构，在单个硅基光子芯片上集成高速电光调制器、高速光电探测器、微盘滤波器、高速光移相器等多个关键集成光电器件，结合高精度射频鉴相和PID反馈控制技术，基于往返鉴相原理，构成闭环反馈控制回路，从而实现高频宽带射频信号稳相传输。
以上的具体实施例仅描述了本发明的设计原理，该描述中的部件形状，名称可以不同，不受限制。所以，本发明领域的技术人员可以对前述实施例记载的技术方案进行修改或等同替换；而这些修改和替换未脱离本发明创造宗旨和技术方案，均应属于本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种硅基集成射频信号稳相传输系统的发送端芯片，其特征在于，包括：第一光栅耦合器(2)、高速电光调制器(3)、第一1×2光分束器(10)、第二光栅耦合器(11)、第一高速光电探测器(12)和微波光子移相器；
所述微波光子移相器包括前置微盘滤波器(7)、高速光移相器(8)、后置微盘滤波器(9)；
所述第一光栅耦合器(2)与高速电光调制器(3)的光输入端口连接；所述高速电光调制器(3)的输出端与所述前置微盘滤波器(7)的input端连接；所述前置微盘滤波器(7)的drop端通过波导与高速光移相器(8)的输入端相连，后置微盘滤波器(9)的add端通过波导与高速光移相器(8)的输出端相连；前置微盘滤波器(7)的through端与后置微盘滤波器(9)的input端通过波导连接；
所述第一1×2光分束器(10)的三个端口分别与后置微盘滤波器(9)的through端、第二光栅耦合器(11)的一端和第一高速光电探测器(12)的输入端连接。
2.如权利要求1所述的发送端芯片，其特征在于，所述高速电光调制器(3)将芯片外部输入的光信号调制为单边带调制光信号，并输出单边带调制光信号通过前置微盘滤波器(7)，完成单边带调制光信号的光载波与一阶边带的分离；高速光移相器(8)根据外部相位误差信号对所述光载波产生移相量，对所述光载波进行相位调节，获得移相后的光载波，所述移相后的光载波与一阶边带通过后置微盘滤波器(9)进行合束，得到移相后的单边带调制光信号。
3.如权利要求1所述的发送端芯片，其特征在于，所述高速光移相器(8)为脊型波导结构，所述脊型波导包括电光调制区和热光调制区；
所述电光调制区采用离子注入形式在脊波导中形成侧向PN结；所述热光调制区为在脊型波导区域上方覆盖金属加热电极。
4.一种硅基集成射频信号稳相传输系统的本地发送端，其特征在于，包括激光器(1)、射频信号合成器(4)、射频功分器(5)、射频鉴相器(6)和PID控制器(13)以及如权利要求1-3任意一项所述的发送端芯片；
所述激光器(1)产生的光信号由第一光栅耦合器(2)耦合入射至所述发送端芯片；
所述射频信号合成器(4)产生的射频信号由所述射频功分器(5)分成两路，一路注入到高速电光调制器(3)的电输入接口，另一路通过射频传输线注入到所述射频鉴相器(6)的LO输入端；所述射频鉴相器(6)的RF输入端与第一高速光电探测器(12)输出端连接，接收带有相位抖动的射频信号；
所述射频鉴相器(6)的输出端连接PID控制器(13)，所述PID控制器(13)的输出端与高速光移相器(8)的电极连接。
5.一种硅基集成射频信号稳相传输系统，其特征在于，包括远处接收端和权利要求4所述的本地发送端；所述本地发送端与远处接收端通过传输光纤连接；
所述本地发送端用于将射频信号调制为单边带调制光信号并发射至远处接收端，同时接收从远处接收端反射的带有相位抖动的单边带调制光信号，将其解调为射频信号后进行鉴相，得到相位误差信号，经PID控制后用于反馈控制微波光子移相器移相量，完成射频信号的主动相位补偿；
所述远处接收端用于接收本地发送端发射的单边带调制光信号并进行解调，得到射频信号，并将单边带调制光信号反射回本地发送端。
6.如权利要求5所述的硅基集成射频信号稳相传输系统，其特征在于，所述远处接收端包括接收端芯片；所述接收端芯片包括第三光栅耦合器(14)、第二1×2光分束器(15)、Sagnac环(16)和第二高速光电探测器(17)；
所述本地发送端发射的单边带调制光信号被第二1×2光分束器(15)分成两路，一路被Sagnac环(16)反射，经过传输光纤返回本地发送端，另一路进入第二高速光电探测器(17)，通过光电转换，输出相位稳定的射频信号。
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