CN114614897B - 基于时域串并转换的高速微波光子信号处理方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于时域串并转换的高速微波光子信号处理方法，通过探测调制将高速微波信号转化为高速光学信号；利用芯片集成光路对高速光学信号进行间隔采样，将时域串联高速信号转换为时域并联低速信号；并行处理多路信号并利用时域合成方法将时域低速并联信号还原为时域串联高速信号；利用光生微波源实将高速光学信号还原为高速微波信号。本发明有效利用了芯片集成光路在构建超大规模光电信息系统方面的技术优势，提出“光域换电域”、“空间换时间”的设计思路，能够有效解决传统电子系统在处理高速微波信号面临的“电子瓶颈”、通过时域串并转换实现全光信号处理能力的成倍提升，实现微波光子学对电光互联高速通信系统的赋能升级。

Description

基于时域串并转换的高速微波光子信号处理方法

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，具体是指一种通过高速信号间隔采样、多路信号并行处理、低速信号时域合成等步骤实现高速微波光子信号处理的方法，尤其涉及一种基于时域串并转换的高速微波光子信号处理方法、系统及存储介质。

背景技术

随着5G通信技术的迅速发展，毫米波、亚毫米波甚至是太赫兹波的开发利用已成必然。然而，受限于电子渡越时间引发的“电子瓶颈”，传统电子器件及电子系统难以适应超高频微波产生、传输、处理需求。近年来，研究人员另辟蹊径，采用光子学原理和手段解决上述问题，并由此衍生出一门新的交叉学科——微波光子学。微波光子系统具有体积小、重量轻、能耗低、带宽大、灵活可控、抗电磁干扰等优点，能够有效克服“电子瓶颈”，为超宽带无线接入、超高频微波收发、微波光子雷达、微波光子探测等应用奠定坚实基础。

在无线通信领域，微波光子学最大的贡献点在于提供了一种高速信号处理思路，即将高速微波信号调制在光载波上并通过全光信号处理系统加以处理。一方面，光载波本振频率远高于微波本振频率，能够通过单一光载波承载多路微波信号；另一方面，得益于光电器件制备工艺的日趋成熟，全光信号处理系统性能也有了质的飞升，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。

发明内容

基于现有技术的问题，本发明要解决的技术问题是如何通过微波探测、光学调制等手段将电域信号转换为光域信号；利用芯片集成光路对光学进行间隔采样，将时域串联的高速信号转换为时域并联的低速信号；利用多套芯片集成信息处理模块对多路低速信号进行并行处理；利用芯片集成时域合成系统将多路低速信号还原为高速信号；利用全光驱动微波源将光域信号转换为电域信号。

为了达到上述效果，本发明提供的基于时域串并转换的高速微波光子信号处理方法，包括以下步骤：

步骤一、电光信号转换，将电域信号转换为光域信号；

步骤二、时域串并转换，将时域串联高速信号转换为时域并联低速信号、对时域并联低速信号进行并行处理、通过时域合成将处理后的时域并联低速信号还原为时域串联高速信号；

步骤三、光电信号转换，将光域信号转换为电域信号，以微波光子信号处理系统为黑箱实现高速微波信号处理。

优选的，上述步骤一通过微波探测、光学调制等手段将电域信号转换为光信号。

优选的，上述步骤二通过芯片集成光路将时域串联高速信号转换为时域并联低速信号、对时域并联低速信号进行并行处理、通过时域合成将处理后的时域并联低速信号还原为时域串联高速信号。

优选的，上述步骤三通过光电探测、微波调制或全光驱动微波源，将光域信号转换为电域信号，以微波光子信号处理系统为黑箱实现高速微波信号处理。

优选的，上述方法具体包括：

S101、将微波信号转换为光学信号，通过微波探测产生的电学信号控制激光光源或光学调制器产生光学信号，或直接用微波信号控制激光光源或光学调制器产生光学信号；

S102、按照时域串联高速信号、时域并联低速信号、多路并行信号处理、时域并联低速信号、时域串联高速信号的顺序步骤完成高速光学信号的处理工作，即通过低速互斥采样信号和光开关将一路高速光学信号按序拆分成多路低速光学信号，利用多套全光信号处理系统并行处理低速光学信号，利用定向耦合器组成的时序合成器将多路低速光学信号还原为一路高速光学信号；

S103、将光学信号转换为微波信号，即通过光电探测产生的电学信号控制微波源或微波调制器产生微波信号，或直接用光学信号控制光生微波源产生微波信号。

优选的，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、高效无损地传输光场、作为非线性介质产生非线性效应。

优选的，上述微波信号与光学信号转换实现有效信号从微波载波到光波载波主要通过微波探测产生电学信号控制激光光源产生光学信号，或通过微波探测产生电学信号控制通过光学调制器的光学载波产生光学信号，或直接用微波信号控制激光光源产生光学信号，或直接用微波信号控制光学调制器产生光学信号。

优选的，上述微波信号与光学信号转换实现从光波载波到微波载波的转换主要通过光电探测产生电学信号控制微波源产生微波信号，或通过光电探测产生电学信号控制微波调制器产生微波信号，直接用光学信号控制光生微波源产生微波信号。

一种实现如上述基于时域串并转换的高速微波光子信号处理方法的系统，包括微波探测器、光电探测器、通信波段激光光源或高速光学调制器、掺铒光纤放大器(EDFA)、光栅耦合器、芯片集成波导、级联光学分束器、反码器、芯片集成移相器、干涉仪、时序合成器、光学定向耦合器、高速微波源，

利用微波探测器探测高速微波信号并生成电学信号，将此电学信号加载到通信波段激光光源或高速光学调制器上，生成高速光学信号；利用掺铒光纤放大器(EDFA)进行功率放大；

低速光学信号通过光栅耦合器耦合进入芯片集成波导，通过级联光学分束器等比例分至四条光学路径；将重复频率的采样信号通过芯片集成移相器加载到马赫增特干涉仪，获得四路信号；四条光学路径控制波形不同，各路信号互不相同；

通过反码器对低速信号做取非运算，即通过芯片集成移相器控制参考光相位，使信号光和参考光相位相反、干涉相消；

四路低速光学信号通过时序合成器按序合成为一路高速光学信号，即通过光学定向耦合器将四路信号合束到同一光学路径，通过传输波导长度精准设计实现时间序列的精准调控，已经过反码处理的时域并联低速光学信号被还原为时域串联的高速光学信号，通过光栅耦合器导出；

利用光电探测器探测光学信号并生成电学信号，将此电学信号加载到高速微波源，即生成反码操作后的高速微波信号。

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。

与现有技术相比，本发明提出“光域换电域”、“空间换时间”的设计思路，能够有效解决传统电子系统在处理高速微波信号面临的“电子瓶颈”、通过时域串并转换实现全光信号处理能力的成倍提升，实现微波光子学对电光互联高速通信系统的赋能升级，为超宽带无线接入、超高频微波收发、微波光子雷达、微波光子探测等应用奠定坚实基础。

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示出了本发明基于时域串并转换的高速微波光子信号处理方法的流程示意图。

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。

本发明提供一种基于时域串并转换的高速微波光子信号处理方法的实施例，包括以下步骤：

步骤一、电光信号转换，将电域信号转换为光域信号；

步骤二、时域串并转换，将时域串联高速信号转换为时域并联低速信号、对时域并联低速信号进行并行处理、通过时域合成将处理后的时域并联低速信号还原为时域串联高速信号；

步骤三、光电信号转换，将光域信号转换为电域信号，以微波光子信号处理系统为黑箱实现高速微波信号处理。

在一些实施例中，步骤一通过微波探测、光学调制等手段将电域信号转换为光域信号。

在一些实施例中，步骤二通过芯片集成光路将时域串联高速信号转换为时域并联低速信号、对时域并联低速信号进行并行处理、通过时域合成将处理后的时域并联低速信号还原为时域串联高速信号。

在一些实施例中，步骤三通过光电探测、微波调制或全光驱动微波源，将光域信号转换为电域信号，以微波光子信号处理系统为黑箱实现高速微波信号处理。

在一些实施例中，方法具体包括：

S101、将微波信号转换为光学信号，通过微波探测产生的电学信号控制激光光源或光学调制器产生光学信号，或直接用微波信号控制激光光源或光学调制器产生光学信号；

S102、按照时域串联高速信号、时域并联低速信号、多路并行信号处理、时域并联低速信号、时域串联高速信号的顺序步骤完成高速光学信号的处理工作，即通过低速互斥采样信号和光开关将一路高速光学信号按序拆分成多路低速光学信号，利用多套全光信号处理系统并行处理低速光学信号，利用定向耦合器组成的时序合成器将多路低速光学信号还原为一路高速光学信号；

S103、将光学信号转换为微波信号，即通过光电探测产生的电学信号控制微波源或微波调制器产生微波信号，或直接用光学信号控制光生微波源产生微波信号。

在一些实施例中，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、高效无损地传输光场、作为非线性介质产生非线性效应。

在一些实施例中，微波信号与光学信号转换实现有效信号从微波载波到光波载波主要通过微波探测产生电学信号控制激光光源产生光学信号，或通过微波探测产生电学信号控制通过光学调制器的光学载波产生光学信号，或直接用微波信号控制激光光源产生光学信号，或直接用微波信号控制光学调制器产生光学信号。

在一些实施例中，微波信号与光学信号转换实现从光波载波到微波载波的转换主要通过光电探测产生电学信号控制微波源产生微波信号，或通过光电探测产生电学信号控制微波调制器产生微波信号，直接用光学信号控制光生微波源产生微波信号。

本发明提供一种基于时域串并转换的高速微波光子信号处理系统的实施例，包括微波探测器、光电探测器、通信波段激光光源或高速光学调制器、掺铒光纤放大器(EDFA)、光栅耦合器、芯片集成波导、级联光学分束器、反码器、芯片集成移相器、干涉仪、时序合成器、光学定向耦合器、高速微波源，

利用微波探测器探测高速微波信号并生成电学信号，将此电学信号加载到通信波段激光光源或高速光学调制器上，生成高速光学信号；利用掺铒光纤放大器(EDFA)进行功率放大；

低速光学信号通过光栅耦合器耦合进入芯片集成波导，通过级联光学分束器等比例分至四条光学路径；将重复频率的采样信号通过芯片集成移相器加载到马赫增特干涉仪，获得四路信号；四条光学路径控制波形不同，各路信号互不相同；

通过反码器对低速信号做取非运算，即通过芯片集成移相器控制参考光相位，使信号光和参考光相位相反、干涉相消；

四路低速光学信号通过时序合成器按序合成为一路高速光学信号，即通过光学定向耦合器将四路信号合束到同一光学路径，通过传输波导长度精准设计实现时间序列的精准调控，已经过反码处理的时域并联低速光学信号被还原为时域串联的高速光学信号，通过光栅耦合器导出；

利用光电探测器探测光学信号并生成电学信号，将此电学信号加载到高速微波源，即生成反码操作后的高速微波信号。

如图1所示提供了一种基于时域串并转换的高速微波光子信号处理方法的实施例，通过芯片集成微波光子信号处理系统实现40GHz高速微波信号的反码操作，具体步骤为：

(1)利用微波探测器探测40GHz高速微波信号并生成电学信号，将此电学信号加载到通信波段激光光源或高速光学调制器上，生成40GHz高速光学信号；利用掺铒光纤放大器(EDFA)进行功率放大。

(2)40GHz低速光学信号通过光栅耦合器耦合进入芯片集成波导，通过级联光学分束器等比例分至四条光学路径；将重复频率为10GHz、占空比为25％的采样信号通过芯片集成移相器加载到马赫增特干涉仪(光开关)，获得四路10GHz信号；四条光学路径控制波形不同，各路10GHz信号互不相同，以图示16位信号为例，第一光学路径提取了第3、7、11、15位信号，第二光学路径提取到了第1、5、9、13位信号，第三光学路径提取了第2、6、10、14位信号，第四光学路径提取到了第4、8、12、16位信号，此时时域串联的16位高速信号被转换为时域并联的四路4位低速信号。

(3)本示例展示了一种简单的微波光子信号处理功能，即通过反码器可对10GHz低速信号做取非运算，即通过芯片集成移相器控制参考光相位，使信号光和参考光相位相反、干涉相消；利用图中所示反码器结构还可以实现“一次一密”异或运算，即相位相反的密文信号和明文信号相互干涉。

(4)四路10GHz低速光学信号可通过时序合成器按序合成为一路40GHz高速光学信号，即通过光学定向耦合器将四路信号合束到同一光学路径，通过传输波导长度精准设计实现时间序列的精准调控，此时(已经过反码处理的)时域并联10GHz低速光学信号被还原为时域串联的40GHz高速光学信号，通过光栅耦合器导出。

(5)利用光电探测器探测40GHz光学信号并生成电学信号，将此电学信号加载到高速微波源，即生成反码操作后的40GHz高速微波信号。

本发明提供一种基于时域串并转换的高速微波光子信号处理方法的实施例，包括以下步骤：

S201、将微波信号转换为光学信号，即通过微波探测产生的电学信号控制激光光源或光学调制器产生光学信号，或直接用微波信号控制激光光源或光学调制器产生光学信号；

S202、按照时域串联高速信号→时域并联低速信号→多路并行信号处理→时域并联低速信号→时域串联高速信号的顺序完成高速光学信号的处理工作，即通过低速互斥采样信号和光开关将一路高速光学信号按序拆分成多路低速光学信号，利用多套全光信号处理系统并行处理低速光学信号，利用定向耦合器组成的时序合成器将多路低速光学信号还原为一路高速光学信号；

S203、将光学信号转换为微波信号，即通过光电探测产生的电学信号控制微波源或微波调制器产生微波信号，或直接用光学信号控制光生微波源产生微波信号。

本发明提供一种基于时域串并转换的高速微波光子信号处理方法的实施例，将高速微波信号转换为高速光学信号，通过芯片集成光路将一路时域串联高速光学信号转换为多路时域并联低速光学信号、并行进行全光信号处理、通过时序合成将多路时域并联低速光学信号还原为时域串联高速光学信号，最后将高速光学信号转换为高速微波信号。

在一些实施例中，通过“光域换电域”、“空间换时间”的设计思路，突破传统电子系统面临的“电子瓶颈”和光学系统面临的“速率瓶颈”，成倍提升高速微波信号处理能力，为超宽带无线接入、超高频微波收发、微波光子雷达、微波光子探测等应用奠定坚实基础。

在一些实施例中，芯片集成光路由芯片集成波导构成，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、高效无损地传输光场、作为非线性介质产生非线性效应等、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、高折射率石英、三五族铝镓砷、三五族磷化铟等。

在一些实施例中，时域串并转换通过芯片集成光路将一路重复频率为R的时域串联高速信号转换为N路重复频率为R/N的时域并联低速信号，将高速信号以N位为一组，每组第1个数据按序输出为第1路低速信号，每组第2个数据按序输出为第2路低速信号，同理至每组第N各数据按序输出为第N路低速信号，可以通过主线频率为R的路径选择光路实现，也可以通过采样为R/N、占空比为1/N的光开关实现；另一方面，可通过芯片集成时序合成器将经过处理的N路重复频率为R/N的时域并联低速信号转换为一路重复频率为R的时域串联高速信号，按照时间顺序将各路信号第1位组合成第1信号组，将第2位组合成第2信号组，将各信号组按序排列即生成高速信号，实现方式包括但不限于路径选择光路或定向耦合器。

在一些实施例中，全光信号处理按照实际需求调整全光信号参数，携带信号的光学自由度包括但不限于强度、偏振、相位、时间窗位置、模场，信号处理范围包括但不限于信号调制与解调、编码自由度转换、非线性波长转换、非线性多点广播、信号码型转换与加解密、信号合并与分离、信号混叠与解析、信号探测与再生等；不限制全光信号处理具体功能、实现方式、系统结构、应用需求和作用对象。

在一些实施例中，微波信号与光学信号转换实现有效信号从微波载波到光波载波、或从光波载波到微波载波的转换；前者可通过微波探测产生电学信号控制激光光源产生光学信号，或通过微波探测产生电学信号控制通过光学调制器的光学载波产生光学信号，或直接用微波信号控制激光光源产生光学信号，或直接用微波信号控制光学调制器产生光学信号；后者可通过光电探测产生电学信号控制微波源产生微波信号，或通过光电探测产生电学信号控制微波调制器产生微波信号，直接用光学信号控制光生微波源产生微波信号；不限制微波信号与光学信号互相转换的具体技术方案，不限制激光光源、微波源、微波调制器、光学调制器的具体参数和结构特征。

与现有技术相比，本发明具有以下优势：

首先，本发明提出了“光域换电域”的设计思路，通过微波→光波→处理→光波→微波的完整流程，有效突破了传统电子器件和电子系统在处理高速微波信号时面临的“电子瓶颈”，以光学系统为抓手实现高速微波信号处理系统性能的短板补强；

其次，本发明提出“空间换时间”设计思路，有效利用了芯片集成光路在构建超大规模光电信息系统方面的技术优势，通过时域串并转换克服全光信号处理速率瓶颈，有望在现有芯片集成光学器件性能水平的基础上通过构建多路平行运转的光学信号处理子系统实现光学信号处理速度的成倍提升。

此外，本发明可通过光学信号处理系统功能追加和芯片集成光路版图重构丰富微波信号处理功能、提升微波信号处理能力，有望为模块化、精确化、标准化、多元化微波光子系统提供重要参考。

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 (2)

1.一种基于时域串并转换的高速微波光子信号处理方法，包括以下步骤：

S101、将微波信号转换为光学信号，通过微波探测产生的电学信号控制激光光源或光学调制器产生光学信号，或直接用微波信号控制激光光源或光学调制器产生光学信号；

S102、按照时域串联高速信号、时域并联低速信号、多路并行信号处理、时域并联低速信号、时域串联高速信号的顺序步骤完成高速光学信号的处理工作，即通过低速互斥采样信号和光开关将一路高速光学信号按序拆分成多路低速光学信号，利用多套全光信号处理系统并行处理低速光学信号，利用定向耦合器组成的时序合成器将多路低速光学信号还原为一路高速光学信号；

S103、将光学信号转换为微波信号，即通过光电探测产生的电学信号控制微波源或微波调制器产生微波信号，或直接用光学信号控制光生微波源产生微波信号。

2.一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所述方法。