CN114217293A - 光控多波束形成网络芯片及网络 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种光控多波束形成网络芯片及网络，芯片包括第一波分复用器和MxN路延迟线，每一路延迟线均与第一波分复用器连接，每一路延迟线均包括一级延迟线和Sagnac环，一级延迟线的一端与第一波分复用器连接；第一波分复用器用于将MxN个不同波长的光信号分成MxN路，并将每路光信号输入到对应的一级延迟线中；一级延迟线的另一端与该路延迟线的Sagnac环连接，Sagnac环用于实现光信号顺时针和逆时针正反两路传输回路，并将光信号传输回一级延迟线；一级延迟线还用于接收Sagnac环传输回的光信号后传输给第一波分复用器，第一波分复用器还用于将MxN路具有延时差的光信号合束。本发明有效避免片上波导交叉的问题，芯片面积尺寸小、易于扩展。

Description

光控多波束形成网络芯片及网络

技术领域

本发明涉及光子集成延时芯片技术领域，尤其涉及一种光控多波束形成网络芯片及网络。

背景技术

基于光子真延时技术的光控波束形成网络在相控阵雷达领域具有重要的应用价值，能够有效地解决基于电移相器的传统相控阵存在的波束倾斜等问题，同时具备低损耗、大带宽、小体积重量、抗电磁干扰等技术优势。

目前，光子真延时技术的实现逐步从基于光纤等分立器件的系统逐步过渡到基于光开关、微环、光栅等片上器件的系统，通过对光开关、微环以及光栅等片上光子器件的调谐实现延时量的调节。然而基于上述方法实现光控波束形成网络时，在片上不可避免地会引入网络中波导的交叉(如图1所示的Rotman透镜型光控多波束形成网络芯片和图2所示的可调光延迟线型光控多波束形成网络芯片)，对波束形成网络的损耗和串扰带来一定的影响。尤其是在多波束形成的需求下，一般是通过规模复制的方式来实现多个波束，在阵元数和波束数量增多的情况下，波导交叉数量大幅度增加，恶化了系统性能，大大限制了扩展性，不易于集成和扩展。

发明内容

有鉴于此，本发明实施例提供了一种光控多波束形成网络芯片及网络，以解决现有技术中多波束形成网络中存在的交叉问题以及扩展受限等问题。

本发明第一方面，提供了一种光控多波束形成网络芯片，包括：第一波分复用器和MxN路延迟线，每一路延迟线均与所述第一波分复用器连接，

每一路延迟线均包括一级延迟线和Sagnac环，所述一级延迟线的一端与所述第一波分复用器连接；所述第一波分复用器用于将MxN个不同波长的光信号分成MxN路，并将每路光信号输入到对应的一级延迟线中；所述一级延迟线的另一端与该路延迟线的Sagnac环连接，所述Sagnac环用于实现光信号顺时针和逆时针正反两路传输回路，并将光信号传输回一级延迟线；所述一级延迟线还用于接收Sagnac环传输回的光信号后传输给第一波分复用器，第一波分复用器还用于将MxN路具有延时差的光信号合束；

其中M、N为自然数，分别对应于波束数和相控阵天线阵元数。

进一步地，所述Sagnac环包括1x2耦合器和二级延迟线，1x2耦合器分别与一级延迟线和二级延迟线连接。

进一步地，各路延迟线的延时量为：

其中，τ_i表示延时量，θ表示波束指向角度，d表示天线阵元间距，c表示光速。

进一步地，所述一级延迟线为开关型光延迟线或微环型光延迟线。

进一步地，所述二级延迟线为开关型光延迟线或微环型光延迟线。

进一步地，所述第一波分复用器为波导阵列光栅或级联不等臂马赫-增德尔型干涉仪。

进一步地，所述1x2耦合器为MMI耦合器或定向耦合器。

本发明第二方面，提供一种光控多波束形成网络，包括多波长激光器、电光调制器、环形器、第二波分复用器、光电探测器、相控阵天线、芯片控制电路和第一方面所述的光控多波束形成网络芯片，

所述多波长激光器用于产生MxN个不同波长的光信号，

所述电光调制器用于将微波信号调制到光信号上、并将调制后的光信号传输给环形器，

所述环形器用于将光信号传输给光控多波束形成网络芯片，并将所述光控多波束形成网络芯片处理的具有延时差的MxN个不同波长的光信号传输给第二波分复用器，

所述芯片控制电路与所述光控多波束形成网络芯片连接，

所述第二波分复用器用于将MxN个不同波长的光信号分成N路并分别传输给对应的光电探测器，

所述光电探测器用于将光信号转换为电信号后传输给相控阵天线，

所述相控阵天线用于发射所述电信号。

进一步地，所述环形器和所述第二波分复用器之间连接有光纤放大器。

本发明第三方面，提供一种光控多波束形成网络，包括N个相控阵天线阵元、N个多波长激光器、N个电光调制器、第三波分复用器、环形器、第四波分复用器、N个光电探测器、数据处理单元、芯片控制电路和第一方面所述的光控多波束形成网络芯片，

相控阵天线用于接收电信号并将N个不同的电信号传输给对应的电光调制器，

所述多波长激光器用于产生N路包含M个波长的光信号，

所述电光调制器用于将电信号的信息调制到光信号上、并将光信号传输给第三波分复用器，

所述第三波分复用器用于将调制后的光信号合束后传输给环形器，

所述环形器将合束光信号传输给光控多波束形成网络芯片，并将光控多波束形成网络芯片处理的具有延时差的MxN个不同波长的光信号传输给第四波分复用器，

所述光控多波束形成网络芯片与芯片控制电路连接，

所述第四波分复用器用于将具有延时差的MxN个不同波长的光信号分成N路并分别传输给对应的光电探测器；

所述光电探测器用于将光信号转换为电信号后传输给数字处理单元。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

本发明由Sagnac环实现传输回路，重复利用了第一波分复用器和一级延迟线，有效地减小了版图尺寸，使得芯片面积尺寸更小；同时基于波分复用的芯片架构能够有效避免片上波导交叉的问题，减小通道间串扰和损耗；能够满足多阵元多波束的波束形成系统需求，尤其是在阵元数和通道数较多的情况下，具备良好的可扩展性。

附图说明

在下面结合附图对于示例性实施例的描述中，本公开的更多细节、特征和优点被公开，在附图中：

图1示出了现有的Rotman透镜型光控多波束形成网络芯片的结构示意图；

图2示出了现有的可调光延迟线型光控多波束形成网络芯片的结构示意图；

图3示出了根据本公开示例性实施例的光控多波束形成网络芯片的结构示意图；

图4示出了根据本公开示例性实施例的开关型光延迟线的结构示意图；

图5示出了根据本公开示例性实施例的微环型光延迟线的结构示意图；

图6示出了根据本公开示例性实施例的光控多波束形成网络的结构示意图；

图7示出了根据本公开另一示例性实施例的光控多波束形成网络的结构示意图。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本公开的实施例。虽然附图中显示了本公开的某些实施例，然而应当理解的是，本公开可以通过各种形式来实现，而且不应该被解释为限于这里阐述的实施例，相反提供这些实施例是为了更加透彻和完整地理解本公开。应当理解的是，本公开的附图及实施例仅用于示例性作用，并非用于限制本公开的保护范围。

应当理解，本公开的方法实施方式中记载的各个步骤可以按照不同的顺序执行，和/或并行执行。此外，方法实施方式可以包括附加的步骤和/或省略执行示出的步骤。本公开的范围在此方面不受限制。

本文使用的术语“包括”及其变形是开放性包括，即“包括但不限于”。术语“基于”是“至少部分地基于”。术语“一个实施例”表示“至少一个实施例”；术语“另一实施例”表示“至少一个另外的实施例”；术语“一些实施例”表示“至少一些实施例”。其他术语的相关定义将在下文描述中给出。需要注意，本公开中提及的“第一”、“第二”等概念仅用于对不同的装置、模块或单元进行区分，并非用于限定这些装置、模块或单元所执行的功能的顺序或者相互依存关系。

需要注意，本公开中提及的“一个”、“多个”的修饰是示意性而非限制性的，本领域技术人员应当理解，除非在上下文另有明确指出，否则应该理解为“一个或多个”。

本公开实施方式中的多个装置之间所交互的消息或者信息的名称仅用于说明性的目的，而并不是用于对这些消息或信息的范围进行限制。

本发明实施例针对于N个阵元、M个波束的波束形成需求提供了一种光控多波束形成网络芯片，如图3所示，包括：第一波分复用器和MxN路延迟线，每一路延迟线均与第一波分复用器连接，每一路延迟线均包括一级延迟线和Sagnac环，一级延迟线的一端与第一波分复用器连接，第一波分复用器用于将MxN个不同波长的光信号分成MxN路，并将每路光信号输入到对应的一级延迟线中，一级延迟线的另一端与该路延迟线的Sagnac环连接，Sagnac环用于实现光信号顺时针和逆时针正反两路传输回路，Sagnac环内产生顺时针和逆时针的传输光场，有效避免片上交叉。Sagnac环还将光信号传输回一级延迟线，一级延迟线还用于接收Sagnac环传输回的光信号后传输给第一波分复用器，第一波分复用器还用于将MxN路具有延时差的光信号合束后向芯片外传输；其中M、N为自然数，M和N分别对应于波束数量和相控阵天线阵元数。N和M的数值可根据具体需要设置，能够满足多阵元多波束的波束形成系统需求，尤其是在阵元数和通道数较多的情况下，具备良好的可扩展性。

在接收光信号和发射光信号时均利用第一波分复用器和一级延迟线，重复利用了第一波分复用器和一级延迟线，有效地减小了版图尺寸，使得芯片面积尺寸更小。

在本实施例中，Sagnac环包括1x2耦合器和二级延迟线，1x2耦合器分别与一级延迟线和二级延迟线连接。1x2耦合器接收一级延迟线延时后的光信号后，将一路分成两路，使得两路分别顺时针和逆时针传输经过二级延迟线进行延时，然后再经1x2耦合器传输回一级延迟线。一级延迟线负责实现较大的真延时，二级延迟线负责实现较小的真延时，可以有效地减小版图占用面积，进一步减小芯片面积。

各路延迟线的延时量为：

其中，τ_i表示延时量，θ表示波束指向角度，d表示天线阵元间距，c表示光速。

在一些可选实施例中，一级延迟线为开关型光延迟线或微环型光延迟线，也可以为其它具备互易性的延迟线结构。二级延迟线为开关型光延迟线或微环型光延迟线，也可以为其它具备互易性的延迟线结构。开关型光延迟线的结构如图4所示，微环型光延迟线的结构如图5所示。

在一些可选实施例中，第一波分复用器为波导阵列光栅或级联不等臂马赫-增德尔型干涉仪，其功能可以实现将多波长光源产生的λ₁₁,λ₁₂,…,λ_1M,λ₂₁,λ₂₂,…,λ_2M,…,λ_NM等MxN个不同波长的光信号分成MxN路，输入到不同的一级延迟线中。

在一些可选实施例中，1x2耦合器为MMI耦合器(Multi-Mode InterferenceCoupler，MMlCoupler)或者定向耦合器。

本发明实施例还提供一种光控多波束形成网络，该网络适用于相控阵雷达的发射系统，如图6所示，包括多波长激光器、电光调制器、环形器、第二波分复用器、光电探测器、相控阵天线、芯片控制电路和上述实施例所述的光控多波束形成网络芯片。

多波长激光器用于产生λ₁₁,λ₁₂,…,λ_1M,λ₂₁,λ₂₂,…,λ_2M,…,λ_NM等MxN个不同波长的光信号。

电光调制器用于将微波信号调制到光信号上、并将调制后的光信号传输给环形器，可以采用强度调制等方式。

环形器用于将光信号传输给光控多波束形成网络芯片，并将光控多波束形成网络芯片处理的具有延时差的MxN个不同波长的光信号传输给第二波分复用器。

芯片控制电路与光控多波束形成网络芯片连接，λ₁₁,λ₂₁,λ₃₁,…,λ_N1分别对应于第一个波束的N个阵元，通过对应路径的延迟线控制切换延时量，各条路径的延时量为

从而获得对应指向的波束形成；λ₁₂,λ₂₂,λ₃₂,…,λ_N2分别对应于第二个波束的N个阵元，以此类推，λ_1M,λ_2M,λ_3M,…,λ_NM分别对应于第M个波束的N个阵元。

第二波分复用器用于将MxN个不同波长的光信号分成N路并分别传输给对应的光电探测器，第二波分复用器可以为波导阵列光栅或级联不等臂马赫-增德尔型干涉仪，第二波分复用器可以实现将λ₁₁,λ₁₂,…,λ_1M,λ₂₁,λ₂₂,…,λ_2M,…,λ_NM等MxN个不同波长的光信号分成N路，第一路包含λ₁₁,λ₁₂,…,λ_1M等M个波长的光信号，第二路包含λ₂₁,λ₂₂,…,λ_2M等M个波长的光信号，以此类推。

光电探测器用于将光信号转换为电信号后传输给相控阵天线，相控阵天线用于发射电信号。

在一些可选实施例中，环形器和第二波分复用器之间连接有光纤放大器，相控阵天线与光电探测器之间也可以接入放大器，对信号进行放大。

本发明实施例还提供一种光控多波束形成网络，该网络适用于接收系统，如图7所示，包括N个相控阵天线阵元、N个多波长激光器、N个电光调制器、第三波分复用器、环形器、第四波分复用器、N个光电探测器、数据处理单元、芯片控制电路和上述实施例所述的光控多波束形成网络芯片。

相控阵天线用于接收电信号并将N个不同的电信号传输给对应的电光调制器。

多波长激光器用于产生N路包含M个波长的光信号，第一路为λ₁₁,λ₁₂,…,λ_1M,第二路为λ₂₁,λ₂₂,…,λ_2M,以此类推。

电光调制器用于将电信号的信息调制到光信号上、并将光信号传输给第三波分复用器。

第三波分复用器用于将调制后的光信号合束后传输给环形器，第三波分复用器可以为波导阵列光栅或级联不等臂马赫-增德尔型干涉仪。

环形器将合束光信号传输给光控多波束形成网络芯片，并将光控多波束形成网络芯片处理的具有延时差的MxN个不同波长的光信号传输给第四波分复用器。

光控多波束形成网络芯片与芯片控制电路连接。

第四波分复用器用于将具有延时差的MxN个不同波长的光信号分成N路并分别传输给对应的光电探测器；第四波分复用器可以为波导阵列光栅或级联不等臂马赫-增德尔型干涉仪。第四波分复用器可以实现将λ₁₁,λ₁₂,…,λ_1M,λ₂₁,λ₂₂,…,λ_2M,…,λ_NM等MxN个不同波长的光信号分成N路，第一路包含λ₁₁,λ₁₂,…,λ_1M等M个波长的光信号，第二路包含λ₂₁,λ₂₂,…,λ_2M等M个波长的光信号，以此类推。

光电探测器用于将光信号转换为电信号后传输给数字处理单元，N个光电探测器将N个波束形成后的电信号传输给数字处理单元，数字处理单元接收信号进行处理，完成接收。

综上所述，本发明实施例提出了一种光控多波束形成网络芯片，相较于传统光控多波束形成芯片，该芯片的架构有效避免片上交叉，减小通道间串扰和损耗，面积尺寸更小。该芯片可用于发射系统或接收系统的波束形成组件中，能够满足多阵元多波束的波束形成系统需求。主要面向相控阵雷达、电子对抗系统等场景应用。

虽然结合附图描述了本发明的实施例，但是本领域技术人员可以在不脱离本发明的精神和范围的情况下作出各种修改和变型，这样的修改和变型均落入由所附权利要求所限定的范围之内。

Claims (10)

1.一种光控多波束形成网络芯片，其特征在于，包括：第一波分复用器和MxN路延迟线，每一路延迟线均与所述第一波分复用器连接，

每一路延迟线均包括一级延迟线和Sagnac环，所述一级延迟线的一端与所述第一波分复用器连接；所述第一波分复用器用于将MxN个不同波长的光信号分成MxN路，并将每路光信号输入到对应的一级延迟线中；所述一级延迟线的另一端与该路延迟线的Sagnac环连接，所述Sagnac环用于实现光信号顺时针和逆时针正反两路传输回路，并将光信号传输回一级延迟线；所述一级延迟线还用于接收Sagnac环传输回的光信号后传输给第一波分复用器，第一波分复用器还用于将MxN路具有延时差的光信号合束；

其中M、N为自然数，分别对应于波束数和相控阵天线阵元数。

2.根据权利要求1所述的光控多波束形成网络芯片，其特征在于，所述Sagnac环包括1x2耦合器和二级延迟线，1x2耦合器分别与一级延迟线和二级延迟线连接。

3.根据权利要求1或2所述的光控多波束形成网络芯片，其特征在于，各路延迟线的延时量为：

其中，τ_i表示延时量，θ表示波束指向角度，d表示天线阵元间距，c表示光速。

4.根据权利要求1所述的光控多波束形成网络芯片，其特征在于，所述一级延迟线为开关型光延迟线或微环型光延迟线。

5.根据权利要求1所述的光控多波束形成网络芯片，其特征在于，所述二级延迟线为开关型光延迟线或微环型光延迟线。

6.根据权利要求1所述的光控多波束形成网络芯片，其特征在于，所述第一波分复用器为波导阵列光栅或级联不等臂马赫-增德尔型干涉仪。

7.根据权利要求1所述的光控多波束形成网络芯片，其特征在于，所述1x2耦合器为MMI耦合器或定向耦合器。

8.一种光控多波束形成网络，其特征在于，包括多波长激光器、电光调制器、环形器、第二波分复用器、光电探测器、相控阵天线、芯片控制电路和权利要求1-7任一项所述的光控多波束形成网络芯片，

所述多波长激光器用于产生MxN个不同波长的光信号，

所述电光调制器用于将微波信号调制到光信号上、并将调制后的光信号传输给环形器，

所述环形器用于将光信号传输给光控多波束形成网络芯片，并将所述光控多波束形成网络芯片处理的具有延时差的MxN个不同波长的光信号传输给第二波分复用器，

所述芯片控制电路与所述光控多波束形成网络芯片连接，

所述第二波分复用器用于将MxN个不同波长的光信号分成N路并分别传输给对应的光电探测器，

所述光电探测器用于将光信号转换为电信号后传输给相控阵天线，

所述相控阵天线用于发射所述电信号。

9.根据权利要求8所述的光控多波束形成网络，其特征在于，所述环形器和所述第二波分复用器之间连接有光纤放大器。

10.一种光控多波束形成网络，其特征在于，包括N个相控阵天线阵元、N个多波长激光器、N个电光调制器、第三波分复用器、环形器、第四波分复用器、N个光电探测器、数据处理单元、芯片控制电路和权利要求1-7任一项所述的光控多波束形成网络芯片，

相控阵天线用于接收电信号并将N个不同的电信号传输给对应的电光调制器，

所述多波长激光器用于产生N路包含M个波长的光信号，

所述电光调制器用于将电信号的信息调制到光信号上、并将光信号传输给第三波分复用器，

所述第三波分复用器用于将调制后的光信号合束后传输给环形器，

所述环形器将合束光信号传输给光控多波束形成网络芯片，并将光控多波束形成网络芯片处理的具有延时差的MxN个不同波长的光信号传输给第四波分复用器，

所述光控多波束形成网络芯片与芯片控制电路连接，

所述第四波分复用器用于将具有延时差的MxN个不同波长的光信号分成N路并分别传输给对应的光电探测器；

所述光电探测器用于将光信号转换为电信号后传输给数字处理单元。

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