CN114337842B - 偏振可编程多功能微波光子信号处理方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种偏振可编程多功能微波光子信号处理方法，在单一芯片并联制备码型转换器、非线性波长转换器、高速调制器、波分复用器、光学反码器、光学采样器等各种功能器件，通过偏振旋转器、偏振分束器等光电器件控制信号光场传输路径使其按需通过不同器件，通过多芯片级联或单芯片时分复用，实现偏振可编程多功能微波光子信号处理。本发明为标准化微波光子信号处理系统提供了可行设计方案，能够通过统一结构的微波光子信号处理芯片按需执行各种功能，为逻辑可编程、可软件定义的微波光子信号处理系统研发提供重要解决方案。
Description
技术领域
本发明属于集成光学、光通信与微波光子学的交叉学科领域，具体是指一种利用偏振分束器和偏振旋转器切换信号光场传输光路、利用单一集成芯片实现多种微波光子信号处理功能自由切换的方法，尤其涉及一种偏振可编程多功能微波光子信号处理方法、系统及存储介质。
背景技术
微波光子信号处理系统是通过光学手段实现电学信号处理的系统，主要通过自由空间光路或全光纤光路实现，携带信息的光场在自由空间或光纤内传输，通过外接电路控制光电器件实现光场调控。然而，自由空间光路和全光纤光路面临系统体积大、稳定性差、协调控制困难、升级换代速率慢等诸多问题，难以在实验室外环境展开大规模应。更重要的是，各光电器件松耦合的集成方式严重增加了控制电路的设计难度。另一方面，得益于光电器件制备工艺的日趋成熟，以芯片集成光路为实现方式的全光信号处理系统具有体积小、功耗低、性能稳定、批量制备等优势，能够实现高速宽带、多自由度复用、多路并行信号处理功能，为芯片集成微波光子系统研发奠定了坚实的技术基础。
现阶段，微波光子信号处理只能基于单个或分立器件实现特定的功能，缺乏标准化系统结构用以实现各种功能的整合集成和可编程式调整。
发明内容
基于现有技术的问题，本发明要解决的技术问题：如何在单一芯片制备集成多个分立器件，各器件通过控制电压调节并执行不同功能，利用可编程逻辑信号驱动偏振旋转器控制信号光场偏振态使其沿不同路径传输并通过不同器件，通过多芯片级联或单芯片复用实现微波光子信号处理功能的灵活切换。
针对现有技术中存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种偏振可编程多功能微波光子信号处理方法，水平线偏振的信号光通过信号光栅输入波导，通过偏振旋转器旋转偏振态使其按需沿水平方向或垂直方向偏振并从偏振分束器的不同端输出，通过级联偏振旋转器、偏振分束器选择将信号光场经过四个不同的光学路径中，在单一芯片上制备集成多个器件，通过外接偏置电压实现各器件的独立控制和功能实现；利用偏振旋转器控制信号光场偏振态、利用级联偏振分束器将不同偏振态信号光场按序切换到不同器件所在的光学路径，将信号光场从特定端口导出，实现可自由切换的特定一种微波光子信号处理功能；通过级联多套芯片或者使信号反复多次通过同一芯片，以实现多种微波光子信号处理功能的混合复用。
优选的，在上述四条光学路径上分别制备基于四波混频效应的非线性波长转换或非线性多点广播器、基于马赫增特干涉仪的强度调制器、微环滤波器和RZ-NRZ转码器以及基于级联微环腔的宽带波分复用器。
优选的，通过所述各光学路径的信号光场受到各功能器件的作用，产生时域或频域变化并从右侧输出。
优选的，通过芯片集成光路标准制备工艺制备各器件波导结构，各器件通过由偏振分束器和偏振旋转器控制的偏振选择光路连接，制备光栅耦合器将信号光场和用于非线性波长转换等功能的泵浦光场导入或导出芯片。
优选的，在单一芯片并联制备码型转换器、非线性波长转换器、高速调制器、波分复用器、光学反码器、光学采样器等各种功能器件，通过偏振旋转器、偏振分束器等光电器件控制信号光场传输路径使其按需通过不同器件，通过多芯片级联或单芯片时分复用，实现偏振可编程多功能微波光子信号处理。
优选的，上述方法包括：
S101、各功能器件的设计、制备和独立控制，在单一芯片上制备集成多个器件，通过外接偏置电压实现各器件的独立控制和功能实现；
S102、偏振选择光路的设计、制备和独立控制，利用偏振旋转器控制信号光场偏振态，利用级联偏振分束器将不同偏振态信号光场按序切换到不同器件所在的光学路径，将信号光场从特定端口导出，实现可自由切换的特定一种微波光子信号处理；
S103、芯片复用，即通过级联多套芯片，或者使信号反复多次通过同一芯片，实现多种微波光子信号处理功能的混合复用。
优选的，上述方法包括：
S201、通过芯片集成光路标准制备工艺制备各器件波导结构，各器件通过由偏振分束器和偏振旋转器控制的偏振选择光路连接，制备光栅耦合器将信号光场和用于非线性波长转换等功能的泵浦光场导入或导出芯片；
S202、通过芯片集成电路标准工艺制备偏振选择光路和各器件的控制电极，利用集成导线将控制电极与外接电路相连；
S203、将数字逻辑化的控制电压通过外接电路加载到偏振选择光路和各器件的移相器上，通过控制偏振选择光路实现信号光场传输路径的灵活切换和多次传输，实现不同器件组合而成的偏振可编程多功能微波光子信号处理。
优选的，通过电极控制偏振旋转器，使信号光场从不同光学路径上的不同功能器件一次或多次通过，按照逻辑定义→偏置电压分布→光学路径→不同器件→多次通过后的多种功能组合的顺序实现从数学逻辑(输入量)到微波光子信号处理具体功能(输出量)的转换。
一种实现上述偏振可编程多功能微波光子信号处理方法的系统，包括码型转换器、非线性波长转换器、高速调制器、波分复用器、光学反码器、光学采样器、偏振旋转器以及偏振分束器，还包括功能器件设计制备和独立控制模块、偏振选择光路设计制备和独立控制模块和芯片复用模块，其中，
功能器件设计制备和独立控制模块，用于在单一芯片上制备集成多个器件，通过外接偏置电压实现各器件的独立控制和功能实现；
偏振选择光路设计制备和独立控制模块，用于利用偏振旋转器控制信号光场偏振态，利用级联偏振分束器将不同偏振态信号光场按序切换到不同器件所在的光学路径，将信号光场从特定端口导出，实现可自由切换的特定一种微波光子信号处理；
芯片复用模块，用于通过级联多套芯片，或者使信号反复多次通过同一芯片，实现多种微波光子信号处理功能的混合复用。
一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现上述方法。
一种计算机程序产品，包括计算机程序/指令，该计算机程序/指令被处理器执行时实现上述方法的步骤。
与现有技术相比，本发明具有以下优势：
1、本发明提出的偏振可编程多功能微波光子信号处理方法能够通过统一设计制备的芯片实现多种不同功能的任意切换，极大提升了微波光子信通信号处理能力；
2、本发明提出逻辑可编程微波光子信号处理概念，即为数字逻辑和具体的微波光子信号处理功能之间建立了编译对应关系，为精确化、标准化、多元化微波光子信息系统发展奠定基础；
3、本发明可为标准化光电器件设计和软件定义微波光子芯片开发提供了成熟的解决方案。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1示出了本发明偏振可编程多功能微波光子信号处理工作原理示意图。
具体实施方式
下面将详细描述本发明的各个方面的特征和示例性实施例，为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细描述。应理解，此处所描述的具体实施例仅被配置为解释本发明，并不被配置为限定本发明。对于本领域技术人员来说，本发明可以在不需要这些具体细节中的一些细节的情况下实施。下面对实施例的描述仅仅是为了通过示出本发明的示例来提供对本发明更好的理解。
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
本发明提供了一种偏振可编程多功能微波光子信号处理方法的实施例，水平线偏振的信号光通过信号光栅输入波导，通过偏振旋转器旋转偏振态使其按需沿水平方向或垂直方向偏振并从偏振分束器的不同端输出，通过级联偏振旋转器、偏振分束器选择将信号光场经过四个不同的光学路径中，在单一芯片上制备集成多个器件，通过外接偏置电压实现各器件的独立控制和功能实现；利用偏振旋转器控制信号光场偏振态、利用级联偏振分束器将不同偏振态信号光场按序切换到不同器件所在的光学路径，将信号光场从特定端口导出，实现可自由切换的特定一种微波光子信号处理功能；通过级联多套芯片或者使信号反复多次通过同一芯片，以实现多种微波光子信号处理功能的混合复用。
在一些实施例中，在四条光学路径上分别制备基于四波混频效应的非线性波长转换或非线性多点广播器、基于马赫增特干涉仪的强度调制器、微环滤波器和RZ-NRZ转码器以及基于级联微环腔的宽带波分复用器。
在一些实施例中，通过所述各光学路径的信号光场受到各功能器件的作用，产生时域或频域变化并从右侧输出。
在一些实施例中，通过芯片集成光路标准制备工艺制备各器件波导结构，各器件通过由偏振分束器和偏振旋转器控制的偏振选择光路连接，制备光栅耦合器将信号光场和用于非线性波长转换等功能的泵浦光场导入或导出芯片。
在一些实施例中，在单一芯片并联制备码型转换器、非线性波长转换器、高速调制器、波分复用器、光学反码器、光学采样器等各种功能器件，通过偏振旋转器、偏振分束器等光电器件控制信号光场传输路径使其按需通过不同器件，通过多芯片级联或单芯片时分复用，实现偏振可编程多功能微波光子信号处理。
本发明提供了一种偏振可编程多功能微波光子信号处理方法的实施例，包括：
S101、各功能器件的设计、制备和独立控制，在单一芯片上制备集成多个器件，通过外接偏置电压实现各器件的独立控制和功能实现；
S102、偏振选择光路的设计、制备和独立控制，利用偏振旋转器控制信号光场偏振态，利用级联偏振分束器将不同偏振态信号光场按序切换到不同器件所在的光学路径，将信号光场从特定端口导出，实现可自由切换的特定一种微波光子信号处理；
S103、芯片复用，即通过级联多套芯片，或者使信号反复多次通过同一芯片，实现多种微波光子信号处理功能的混合复用。
本发明提供了一种偏振可编程多功能微波光子信号处理方法的实施例，包括：
S201、通过芯片集成光路标准制备工艺制备各器件波导结构，各器件通过由偏振分束器和偏振旋转器控制的偏振选择光路连接，制备光栅耦合器将信号光场和用于非线性波长转换等功能的泵浦光场导入或导出芯片；
S202、通过芯片集成电路标准工艺制备偏振选择光路和各器件的控制电极，利用集成导线将控制电极与外接电路相连；
S203、将数字逻辑化的控制电压通过外接电路加载到偏振选择光路和各器件的移相器上，通过控制偏振选择光路实现信号光场传输路径的灵活切换和多次传输，实现不同器件组合而成的偏振可编程多功能微波光子信号处理。
如图1所示，展示了一种偏振可编程多功能微波光子信号处理系统结构原理：水平线偏振的信号光通过信号光栅输入波导、通过偏振旋转器旋转偏振态使其按需沿水平方向或垂直方向偏振并从偏振分束器的不同端输出，通过级联偏振旋转器、偏振分束器可选择将信号光场通过四个不同的光学路径中；
在四条光学路径上分别制备：
(1)基于四波混频效应的非线性波长转换或非线性多点广播器；
(2)基于马赫增特干涉仪的强度调制器；
(3)微环滤波器和RZ-NRZ转码器；
(4)基于级联微环腔的宽带波分复用器。
通过各光学路径的信号光场受到各功能器件的作用，产生时域或频域变化并从右侧输出。图1中，底部外接电路共有12个外接电极，从左往右分别为1-12号外接电极。上述过程中，第1-3和第10-12号外接电极的精确控制能使信号光场通过不同光学路径，第4-9号外接电极则控制各功能器件。图1中展示了一种芯片复用方法，即将右侧下输出端口同左下输入端口相连，两者皆为垂直偏振，通过控制可使信号光场多次通过芯片并实现不同功能的自由切换，以图示为例，当通过此芯片的次数为N时，能够实现的微波光子信号处理功能种类为4N。
在实施例中，芯片复用方法包括：
(1)通过信号光栅输入多波长信号光场，按照需要同步通过不同的光学路径和功能器件；
(2)通过非线性多点广播将信号光场转移至多个闲频光场，按照需要同步通过不同的光学路径和功能器件；
(3)将输出光栅和同一芯片的输入光栅或另一芯片的输入光栅相连，通过调节泵浦光场，使携带信息的光场波长按序自由调谐，通过多芯片级联或单芯片多次运用实现不同功能的自由切换，当通过芯片次数为N时，能够实现的微波光子信号处理功能种类为4N。
本发明提供了一种偏振可编程多功能微波光子信号处理方法的实施例，在单一芯片并联制备码型转换器、非线性波长转换器、高速调制器、波分复用器、光学反码器、光学采样器等各种功能器件，通过偏振旋转器、偏振分束器等光电器件控制信号光场传输路径使其按需通过不同器件，通过多芯片级联或单芯片时分复用，实现偏振可编程多功能微波光子信号处理。
在一些实施例中，芯片集成功能器件通过芯片集成光路标准工艺制备、具备一定的结构设计自由度、能够高效无损地传输光场、能够通过改变波导折射率调节参数。
在一些实施例中，调节参数的原理包括但不限于热光效应、电光效应、光电效应等，功能包括但不限于非线性波长转换、非线性多点广播、光开关、带通滤波、带阻滤波、码型转换等。
在一些实施例中，所用材料平台包括但不限于绝缘体上硅、载氢非晶硅、氮化硅、碳化硅、硫系玻璃、三五族铝镓砷、三五族磷化铟等，既可采用单一材料集成方法，也可采用多材料混合集成方法。
在一些实施例中，芯片集成逻辑电路通过芯片集成电路标准工艺制备、具备一定的结构设计自由度、能够改变滤波器结构中传输波导的折射率以实现滤波器中心波长调谐、能够通过控制电极-集成导线-引脚电极连接到外接逻辑电路、能够接收不同强度偏置电压，不限制控制电极、集成导线、引脚电极的结构尺寸和布线参数，不限制接口定义原则和逻辑编译方式。
在一些实施例中，偏振可编程微波光子信号处理通过电极控制偏振旋转器，可使信号光场从不同光学路径上的不同功能器件一次或多次通过，能够按照逻辑定义→偏置电压分布→光学路径→不同器件→多次通过后的多种功能组合的顺序实现从数学逻辑(输入量)到微波光子信号处理具体功能(输出量)的转换；可编程输入量可以为二进制逻辑、离散逻辑或连续变量，不限定编程语言、接口定义和编译法则。
本发明还提供一种计算机可读存储介质的实施例，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现上述方法。
本发明还提供一种计算机程序的实施例，该程序被处理器执行时实现上述方法。
与现有技术相比，本发明具有以下优势：
首先，传统微波光子信号处理系统只能执行特定的功能，对器件的性能参数、前后顺序有着严格的要求，本发明提出的偏振可编程多功能微波光子信号处理方法能够通过统一设计制备的芯片实现多种不同功能的任意切换，极大提升了微波光子信通信号处理能力；
其次，本发明提出逻辑可编程微波光子信号处理概念，即为数字逻辑和具体的微波光子信号处理功能之间建立了编译对应关系，为精确化、标准化、多元化微波光子信息系统发展奠定基础。
此外，本发明可为标准化光电器件设计和软件定义微波光子芯片开发提供了解决方案。
为了描述的方便，描述以上装置时以功能分为各种单元分别描述。当然，在实施本申请时可以把各单元的功能在同一个或多个软件和/或硬件中实现。
本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
本申请可以在由计算机执行的计算机可执行指令的一般上下文中描述，例如程序模块。一般地，程序模块包括执行特定任务或实现特定抽象数据类型的例程、程序、对象、组件、数据结构等等。也可以在分布式计算环境中实践本申请，在这些分布式计算环境中，由通过通信网络而被连接的远程处理设备来执行任务。在分布式计算环境中，程序模块可以位于包括存储设备在内的本地和远程计算机存储介质中。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
在一个典型的配置中，计算设备包括一个或多个处理器(CPU)、输入/输出接口、网络接口和内存。
内存可能包括计算机可读介质中的非永久性存储器，随机存取存储器(RAM)和/或非易失性内存等形式，如只读存储器(ROM)或闪存(flash RAM)。内存是计算机可读介质的示例。
计算机可读介质包括永久性和非永久性、可移动和非可移动媒体可以由任何方法或技术来实现信息存储。信息可以是计算机可读指令、数据结构、程序的模块或其他数据。计算机的存储介质的例子包括，但不限于相变内存(PRAM)、静态随机存取存储器(SRAM)、动态随机存取存储器(DRAM)、其他类型的随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、电可擦除可编程只读存储器(EEPROM)、快闪记忆体或其他内存技术、只读光盘只读存储器(CD-ROM)、数字多功能光盘(DVD)或其他光学存储、磁盒式磁带，磁带磁磁盘存储或其他磁性存储设备或任何其他非传输介质，可用于存储可以被计算设备访问的信息。按照本文中的界定，计算机可读介质不包括暂存电脑可读媒体(transitory media)，如调制的数据信号和载波。
还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、商品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、商品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、商品或者设备中还存在另外的相同要素。
本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于系统实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述的比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。
以上所述仅为本申请的实施例而已，并不用于限制本申请。对于本领域技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的权利要求范围之内。
Claims (3)
1.一种偏振可编程多功能微波光子信号处理方法，水平线偏振的信号光通过信号光栅输入波导，通过偏振旋转器旋转偏振态使其按需沿水平方向或垂直方向偏振并从偏振分束器的不同端输出，通过级联偏振旋转器、偏振分束器可选择将信号光场通过四个不同的光学路径中；在四条光学路径上分别制备：(1)基于四波混频效应的非线性波长转换或非线性多点广播器；(2)基于马赫增特干涉仪的强度调制器；(3)微环滤波器和RZ-NRZ转码器；(4)基于级联微环腔的宽带波分复用器；利用偏振旋转器控制信号光场偏振态，利用级联偏振分束器将不同偏振态信号光场按序切换到不同器件所在的光学路径，将信号光场从特定端口导出，实现可自由切换的特定一种微波光子信号处理功能；通过级联多套芯片或者使信号反复多次通过同一芯片，以实现多种微波光子信号处理功能的混合复用；在所述四条光学路径上分别制备(1)基于四波混频效应的非线性波长转换或非线性多点广播器、(2)基于马赫增特干涉仪的强度调制器、(3)微环滤波器和(4)RZ-NRZ转码器以及基于级联微环腔的宽带波分复用器；通过芯片集成光路标准制备工艺制备各器件波导结构，各器件通过由偏振分束器和偏振旋转器控制的偏振选择光路连接，制备光栅耦合器将信号光场和用于非线性波长转换的泵浦光场导入或导出芯片。
2.根据权利要求1所述的偏振可编程多功能微波光子信号处理方法，在单一芯片并联制备码型转换器、非线性波长转换器、高速调制器、波分复用器、光学反码器和光学采样器，通过偏振旋转器和偏振分束器控制信号光场传输路径使其按需通过不同器件，通过多芯片级联或单芯片时分复用，实现偏振可编程多功能微波光子信号处理。
3.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现权利要求1或2所述方法。
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