CN114384495A - 一种高精度片上光学波束形成网络 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于波分复用的高精度片上光学波束形成网络，应用于微波光子雷达，由分束器、第一阵列波导光栅、延时线阵列、第二阵列波导光栅和耦合光栅依次连接形成；阵列波导光栅由相邻波导间具有恒定长度差的波导阵列和连接在两端的输入平板波导和输出平板波导构成，延时线阵列由延时线硅波导直线部分和延时线硅波导弯曲部分连接形成；本发明为进一步提高片上光学波束形成网络的集成化水平和微波光子雷达的性能，提出了一种基于波分复用技术的高精度多波长片上光学波束形成网络，以实现微波光子雷达多波束、大角度范围扫描。
Description
技术领域
本发明涉及微波光子学技术领域，具体涉及一种基于波分复用技术的片上光学波束形成网络。
背景技术
传统相控阵雷达受限于“电子瓶颈”，相控阵波束形成网络在宽带会发生“波束倾斜”效应，而只限制在窄带中应用。高性能雷达普遍要求有较高的带宽、精确的波束指向性、高灵敏度和波束扫描快而准。突破传统电域技术，应用微波光子学领域知识，解决目前射频带宽等系列问题已是研究的热点与趋势。
随着信息领域的发展，尤其是对宽带信号传输、处理和接收的需求，微波光子学学科领域的研究越来越受到关注，并得到飞速的发展。其中，基于光控相控阵天线的微波光子波束形成网络，因具备带宽宽、扫描速度快、抗干扰能力强、多波束、等功能及特点，可以广泛应用于雷达、通信等领域。光真时延迟技术是电域真时延迟技术的发展，是解决相控阵波束“孔径效应”问题的关键技术手段。
同光纤可调延时线相比，硅基集成光波导延时芯片尺寸更小、损耗更低、性能更稳定，更利于光学波束形成网络的集成化及信号的快速处理。集成光波导延时线是光学波束形成网络芯片中的基本单元，其空间波束数量、波束扫描精度、波束形成延时步进、波束扫描角度等技术指标的控制与微波光子系统的性能特性息息相关。
发明内容
为了进一步提高片上光学波束形成网络的集成化水平和微波光子雷达的性能，本发明提出了一种基于波分复用技术的高精度多波长片上光学波束形成网络，以实现微波光子雷达多波束、大角度范围扫描。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种高精度片上光学波束形成网络，由分束器、第一阵列波导光栅、延时线阵列、第二阵列波导光栅和耦合光栅依次连接形成光电通路；所述的分束器为多模干涉耦合器，用于激发出相互干涉的多个导模；所述的第一阵列波导光栅和第二阵列波导光栅均由相邻波导间具有恒定长度差的波导阵列以及连接在波导阵列两端的输入平板波导和输出平板波导构成，输入平板波导和输出平板波导分别用于连接N个输入波导和N个输出波导；所述的延时线阵列由延时线硅波导直线部分和延时线硅波导弯曲部分连接形成，用于使同一波束不同波长光载波之间产生等步长的延时间隔；一束多波长入射光进入分束器分为多路，经过第一阵列波导光栅解复用为多个波长的信号分别进入延时间隔相等的延时线阵列，经过延时的光载波在第二阵列波导光栅重新复用为一束多波长光，复用后的多波长激光从耦合光栅出射进入后续信号处理模块。
所述的一种高精度片上光学波束形成网络，其分束器为5级级联的多模干涉耦合器，将输入的中心波长1550nm，频率间隔100GHz的多波长激光等比例分成32路，每1路包括16个波长，每一路多波长激光通过阵列波导数为56的第一阵列波导光栅，解复用为16个信道单一波长的激光，16个信道单一波长的激光分别经过长度间隔为112μm的延时波导，产生延时间隔为1ps光学波束，经过延时的16个信道单一波长的激光在第二阵列波导光栅处再次复用为一束多波长激光。
所述的一种高精度片上光学波束形成网络，其延时线阵列为基于片上波导采用硅基CMOS工艺制作而成的条形波导，所述的延时线硅波导弯曲部分截面宽度小于延时线硅波导直线部分。
本发明的有益效果是：本发明为进一步提高片上光学波束形成网络的集成化水平和微波光子雷达的性能，提出了一种基于波分复用技术的高精度多波长片上光学波束形成网络，以实现微波光子雷达多波束、大角度范围扫描。
附图说明
图1为本发明的结构框图；
图2为本发明阵列波导光栅的结构框图；
图3为单一波束对应的阵列波导光栅和延迟线阵列结构图。
各附图标记为：1—分束器，2—第一阵列波导光栅，21—输入波导，22—输出波导，23—输入平板波导，24—输出平板波导，25—波导阵列，3—延时线阵列，4—第二阵列波导光栅，5—耦合光栅。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细说明。
本方案提出了一种基于波分复用技术的高精度多波长片上光学波束形成网络，其主要结构包括分束器1、第一阵列波导光栅2、延时线阵列3、第二阵列波导光栅4和耦合光栅5，以如附图1所示方式依次相接形成光电通路。
工作原理是：一束多波长入射光进入分束器1，根据光学波束形成网络对波束数量N的需求分为N路，之后经过第一阵列波导光栅2解复用为M个波长的信号分别进入延时间隔相等的延时线阵列3，经过延时的光载波在第二阵列波导光栅4重新复用为一束多波长光，并从耦合光栅5出射进入后续信号处理模块。
其中，分束器1一般为多模干涉耦合器。它的原理基于自映像效应：单基模进入宽的多模波导中激发出多个导模，它们之间相互干涉，沿波导方向，在不同周期间隔处，会输出一个或多个复制的映像，多模干涉耦合器具有尺寸小，光学带宽大，制作公差大，偏振无关等特点，同时可以通过级联多个MMI实现光功率的多通道按比例分配。
如图2所示，所述的第一阵列波导光栅2和第二阵列波导光栅4均由相邻波导间具有恒定长度差的波导阵列25和连接在波导阵列25两端的输入平板波导23和输出平板波导24构成，输入平板波导23和输出平板波导24分别用于连接N个输入波导21和N个输出波导22。
多波长输入光从输入波导21、输入平板波导23和波导阵列25组成的第一个星形耦合器的同一输入波导输入，由输入平板波导23把光功率分配到波导阵列25中，由于波导阵列25的波导长度不等，产生不同的相位延迟，在输出平板波导24中相干叠加，从而表现出光栅的功能和特性，因输出端口与波长有一一对应的关系，不同光波长组成的入射光束经阵列波导光栅传输后，依波长的不同出现在不同的波导端口上，实现解复用功能在接收端将这些不同波长的光信号分开。
延时线阵列3由延时线硅波导直线部分和延时线硅波导弯曲部分连接形成，用于使同一波束不同波长光载波之间产生等步长的延时间隔。
如图3所示，一束多波长入射光进入分束器1分为多路，经过第一阵列波导光栅2解复用为多个波长的信号分别进入延时间隔相等的延时线阵列3，经过延时的光载波在第二阵列波导光栅4重新复用为一束多波长光，复用后的多波长激光从耦合光栅5出射进入后续信号处理模块。
本发明基于波分复用技术的高精度片上光学波束形成网络，采用波分复用技术，通过与CMOS兼容的硅基工艺流程，实现高精度延时控制，有利于实现微波光子雷达多波束、大角度范围扫描特性。
例如，实现32个波束的具体实施方案为：输入光为中心波长1550nm，频率间隔100GHz的多波长激光，波长复用数量为16个。分束器1为5级级联的多模干涉耦合器，将输入光等比例分成32路，每一路包括16个波长。每一路多波长激光通过阵列波导数为56的第一阵列波导光栅2，在输出波导处解复用为16个信道单一波长的激光，如附图2所示。16个信道单一波长的激光分别经过长度间隔为112μm的延时波导，产生延时间隔为1ps光学波束。经过延时的16个信道单一波长的激光在第二阵列波导光栅4处再次复用为一束多波长激光。
延时线阵列3基于片上波导采用硅基CMOS工艺制作而成，硅波导的设计主要考虑传输损耗问题。延时线硅波导直线部分通过增大波导宽度的方式减小光在波导中传播时侧壁处的能量，以此减小波导的传输损耗。而在波导弯曲处为了避免激发高阶模式，将采用截面宽度较小的条形波导。通过精确设计延时线的长度，使同一波束不同波长光载波之间产生等步长的延时间隔。
耦合光栅5是光子电路的关键元件，解决了亚微米截面光纤和波导之间的模式不匹配问题。根据制作工艺和应用领域的不同，需要具有不同中心波长的光栅耦合器。通过结合布拉格条件和有效折射率法，改变光栅周期，光栅齿宽，刻蚀深度，入射角和填充系数等参数获得性能不同的光栅耦合器。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (3)
1.一种高精度片上光学波束形成网络，其特征在于：由分束器（1）、第一阵列波导光栅（2）、延时线阵列（3）、第二阵列波导光栅（4）和耦合光栅（5）依次连接形成；
所述的分束器（1）为多模干涉耦合器，用于激发出相互干涉的多个导模；
所述的第一阵列波导光栅（2）和第二阵列波导光栅（4）均由相邻波导间具有恒定长度差的波导阵列（25）以及连接在波导阵列（25）两端的输入平板波导（23）和输出平板波导（24）构成，输入平板波导（23）和输出平板波导（24）分别用于连接输入波导（21）和输出波导（22）；
所述的延时线阵列（3）由延时线硅波导直线部分和延时线硅波导弯曲部分连接形成，用于使同一波束不同波长光载波之间产生等步长的延时间隔；
一束多波长入射光进入分束器（1）分为多路，经过第一阵列波导光栅（2）解复用为多个波长的信号分别进入延时间隔相等的延时线阵列（3），经过延时的光载波在第二阵列波导光栅（4）重新复用为一束多波长光，从耦合光栅（5）出射。
2.根据权利要求1所述的一种高精度片上光学波束形成网络，其特征在于，所述的分束器（1）为5级级联的多模干涉耦合器，将输入的中心波长1550nm，频率间隔100GHz的多波长激光等比例分成32路，每1路包括16个波长，每一路多波长激光通过阵列波导数为56的第一阵列波导光栅（2），解复用为16个信道单一波长的激光，16个信道单一波长的激光分别经过长度间隔为112μm的延时波导，产生延时间隔为1ps光学波束，经过延时的16个信道单一波长的激光在第二阵列波导光栅（4）处再次复用为一束多波长激光。
3.根据权利要求1或2所述的一种高精度片上光学波束形成网络，其特征在于，所述的延时线阵列（3）为基于片上波导采用硅基CMOS工艺制作而成的条形波导，所述的延时线硅波导弯曲部分截面宽度小于延时线硅波导直线部分。
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