CN115021828B - 微波光子接收装置和信号调制方法 - Google Patents
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Abstract
本申请提供一种微波光子接收装置和信号调制方法。本申请提供的微波光子接收装置使用第一环形谐振器对第一分布反馈激光器引入光子‑光子共振效应，提高了第一分布反馈激光器的调制带宽，实现了第一分布反馈激光器对高频微波信号的直接调制，避免了调制器的使用，使装置体积小，功耗低；使用第二环形谐振器对第二分布反馈激光器引入自注入锁定效应压窄了第二分布反馈激光器的线宽，降低了光锁相环对于环路延迟的要求；通过使用锁相模块对第一分布反馈激光器和第二分布反馈激光器实现载波锁相，大大提高链路增益与信噪比；使用氮化硅波导作为硅基外腔实现低传输损耗，氮化硅波导与激光器有高模式匹配度，可以极大降低激光器与硅基外腔的耦合损耗。
Description
技术领域
本申请涉及微波光子学技术，尤其涉及一种微波光子接收装置和信号调制方法。
背景技术
随着数据量的快速增长，传统微波接收机对于大带宽高频段的微波信号接收与处理已经到达瓶颈。为了突破微波器件的带宽限制，微波光子接收机被认为是最佳的解决方案，它把高频微波信号下变频到中频信号进行后续处理。
目前，现有的微波光子接收机多是由基于外部调制器的分立器件组成，由激光器产生的光载波分成两个支路，分别通过两个调制器，分别调制本振光信号与接收的高频微波信号，之后再采用微波光子滤波器进行滤波，最后合波通过光电探测器进行探测，高频微波信号就可以下变频为中频信号。
然而，发明人发现现有技术中至少存在如下技术问题：已知的微波光子接收机由于调制器的存在不仅体积庞大，由调制器引入的插入损耗还会降低整个链路的射频增益。
发明内容
本申请提供一种微波光子接收装置和信号调制方法，用以解决微波光子接收机体积庞大、射频增益低的问题。
第一方面，本申请提供一种微波光子接收装置，所述微波光子接收装置包括：
第一分布反馈激光器(distributed feedback laser，DFB激光器)、第二分布反馈激光器、硅基外腔、锁相模块和第一光电探测器；
硅基外腔内设有第一环形谐振器、第二环形谐振器、第一合波分波模块、第二合波分波模块、第三合波分波模块、第四合波分波模块、第一滤波模块和第二滤波模块；第一分布反馈激光器和第二分布反馈激光器与硅基外腔耦合；
其中，第一分布反馈激光器的输入端接入高频微波信号，第一分布反馈激光器的输出端与第一合波分波模块的输入端连接，第一合波分波模块的输出端与第一环形谐振器的输入端和下载端分别连接，其中输入端连接直通端，下载端连接上传端；第二分布反馈激光器的输出端与第二合波分波模块的输入端连接，第二合波分波模块的输出端与第二环形谐振器的输入端和下载端分别连接，输入端连接直通端，下载端连接上传端；第一环形谐振器的直通端与第二环形谐振器的直通端共同连接第三合波分波模块的输入端，第三合波分波模块的输出端连接锁相模块的输入端，锁相模块的输出端与第二环形谐振器的热电极连接；第一环形谐振器的上传端与第一滤波模块的输入端连接；第二环形谐振器的上传端与第二滤波模块的输入端连接；第一滤波模块的输出端和第二滤波模块的输出端合并连接第四合波分波模块的输入端，第四合波分波模块的输出端连接第一光电探测器的输入端。
在一种可能的实现方式中，锁相模块包括：第二光电探测器、放大模块、鉴相器和滤波模块；
其中，第二光电探测器的输出端连接放大模块的输入端，放大模块的输出端连接鉴相器的输入端，鉴相器的输出端连接滤波模块的输入端，滤波模块的输出端连接第二环形谐振器的热电极。
在一种可能的实现方式中，放大模块为低噪声放大器；滤波模块为环路滤波器。
在一种可能的实现方式中，微波光子接收装置还包括：第一移相器和第二移相器；
其中，第一移相器设置在第一分布反馈激光器与第一合波分波模块之间；第二移相器设置在第二分布反馈激光器与第二合波分波模块之间。
在一种可能的实现方式中，第一合波分波模块、第二合波分波模块、第三合波分波模块、第四合波分波模块为多模干涉器。
在一种可能的实现方式中，第一滤波模块和第二滤波模块为微环滤波器。
在一种可能的实现方式中，第一环形谐振器和第二环形谐振器的结构相同；第一环形谐振器和第二环形谐振器中心对称设置。
在一种可能的实现方式中，硅基外腔为氮化硅波导。
第二方面，本申请提供一种信号调制方法，信号调制方法应用到如上述的微波光子接收装置，包括：
第一分布反馈激光器接收输入的高频微波信号，第一分布反馈激光器和第一环形谐振器共同对高频微波信号进行调制得到调制光信号，如下：第一分布反馈激光器的部分输出光信号被第一环形谐振器的外腔反射回到第一分布反馈激光器的内部，当第一分布反馈激光器与第一环形谐振器反射回部分输出光信号的相位匹配时，在高频段激发光子-光子共振，使得第一分布反馈激光器的调制带宽提高，以对高频微波信号进行调制得到调制光信号；
第二分布反馈激光器的部分输出光信号被第二环形谐振器的外腔反射回到第二分布反馈激光器的内部，当第二分布反馈激光器与所述第二环形谐振器反射回部分输出光信号的相位匹配，且第二环形谐振器反射回的部分输出光信号的强度提升至预设强度时引发自注入锁定效应，以压窄第二分布反馈激光器的线宽至kHz量级；
第一分布反馈激光器将调制光信号通过第一合波分波模块被平均分成两路：第一调制光信号和第二调制光信号；第二分布反馈激光器发出本振光信号，并通过第二合波分波模块被平均分成两路：第一本振光信号和第二本振光信号；
第一分布反馈激光器将所述第一调制光信号依次经输入端、直通端传输至所述第三合波分波模块；第二分布反馈激光器将所述第一本振光信号依次经输入端、直通端输至第三合波分波模块；第三合波分波模块对第一调制光信号和第一本振光信号进行合波后传输至锁相模块；锁相模块根据合波后的第一调制光信号和第一本振光信号输出驱动电压信号至第二环形谐振器的热电极，第二环形谐振器根据驱动电压信号改变第二分布反馈激光器输出光的频率与相位，实现第二分布反馈激光器载与第一分布反馈激光器载的载波锁相；
在第一分布反馈激光器与第二分布反馈激光器载波锁相的同时，第一环形谐振器将第二调制光信号经下载端、上传端传输至第一滤波模块，第一滤波模块对第二调制光信号进行滤波后输出至第四合波分波模块；第二环形谐振器将第二本振光信号经下载端、上传端传输至第二滤波模块，第二滤波模块对第二本振光信号进行滤波后输出至第四合波分波模块；第四合波分波模块将滤波过后的第一调制光信号和滤波后的第二本振光信号合波后输出至第一光电探测器，第一光电探测器将滤波过后的第一调制光信号和滤波后的第二本振光信号转化为中频信号进行输出。
在一种可能的实现方式中，锁相模块包括：第二光电探测器、放大模块、鉴相器和滤波模块；其中，光电探测器的输出端连接放大模块的输入端，放大模块的输出端连接鉴相器的输入端，鉴相器的输出端连接所述滤波模块的输入端，滤波模块的输出端连接第二环形谐振器的热电极；锁相模块根据合波后的第一调制光信号和第一本振光信号输出驱动电压信号至所述第二环形谐振器的热电极，第二环形谐振器根据驱动电压信号改变所述第二分布反馈激光器输出光的频率与相位，实现第二分布反馈激光器载与第一分布反馈激光器载的载波锁相包括：
第二光电探测器根据合波后的第一调制光信号和第一本振光信号输出差频电信号至放大模块；放大模块对差频电信号进行放大输出至鉴相器；鉴相器将放大后的差频电信号与参考信号进行比较产生相位误差信号，并将相位误差信号输出至滤波模块；滤波模块将相位误差信号滤除高频信号后转化为驱动电压信号输出至第二环形谐振器的热电极；
热电极接收所述驱动电压信号后发热，使得硅基外腔的温度发生变化，根据热光效应，硅基外腔的折射率随温度变化而改变；随着硅基外腔的折射率变化，第二环形谐振器的谐振频率随之变化；随着第二环形谐振器的谐振频率变化，第二分布反馈激光器输出的调制光信号的频率和相位发生变化，追踪第一分布反馈激光器输出的本振光信号的频率和相位，以完成与第一分布反馈激光器的载波锁相。
本申请提供的微波光子接收装置和信号调制方法，其中微波光子接收装置，本申请提供的微波光子接收装置不采用调制器对高频微波信号进行下变频，而是使用两个分布反馈激光器、两个环形谐振器以及锁相模块实现对高频微波信号的下变频。通过第一环形谐振器对第一分布反馈激光器引入光子-光子共振效应，显著提高了第一分布反馈激光器的调制带宽，使得调制带宽超过20GHz，覆盖Ku波段，激光器的调制带宽增大后，接收的微波高频信号可以直接调制在第一分布反馈激光器上，避免了调制器的使用。且激光器与硅基外腔直接耦合，混合集成，使得本申请的微波光子接收装置具有体积小，功耗低等优势。通过使用锁相模块对第一分布反馈激光器和第二分布反馈激光器实现载波锁相，第二分布反馈激光器作为本振激光器，本振光具有极高功率，大大提高链路增益与信噪比。第二环形谐振器对第二分布反馈激光器引入自注入锁定效应，压窄了第二分布反馈激光器的线宽，降低了锁相模块对于环路延迟的要求；窄线宽的第二分布反馈激光器作为本振光激光器用于增加变频增益，本振光具有极高功率，可大大提高链路增益与信噪比。激光器与硅基外腔直接耦合，混合集成，通过使用氮化硅波导作为硅基外腔实现低损耗，氮化硅波导与激光器有高模式匹配度，极大降低激光器与硅基外腔的耦合损耗。
附图说明
此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本申请的实施例，并与说明书一起用于解释本申请的原理。
图1为本申请实施例提供的微波光子接收装置的模块结构示意图；
图2为本申请实施例提供的微波光子接收装置工作流程中的频谱图；
图3为本申请实施例提供的锁相模块的模块结构示意图；
图4为本申请实施例提供的另一种微波光子接收装置的模块结构示意图。
通过上述附图，已示出本申请明确的实施例，后文中将有更详细的描述。这些附图和文字描述并不是为了通过任何方式限制本申请构思的范围，而是通过参考特定实施例为本领域技术人员说明本申请的概念。
具体实施方式
这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本申请相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本申请的一些方面相一致的装置和方法的例子。
现有技术中，微波光子接收装置利用调制器对高频微波信号进行接收和调制，使高频微波信号下变频为中频信号。但是这种微波光子接收装置由于调制器的存在不仅体积庞大，还容易收到外部环境如温度、震动等的扰动；并且调制器还会引入插入损耗，降低整个链路的射频增益。
为了解决上述技术问题，本发明提出一种微波光子接收装置和信号调制方法，在微波光子接收装置中设置两个分布反馈激光器，其中第一分布反馈激光器作为调制激光器，第二分布反馈激光器作为本振激光器；通过设置第一环形谐振器引入光子-光子共振效应，显著提高第一分布反馈激光器的调制带宽，使得高频微波信号可以在没有调制器的情况下进行直接调制；通过锁相模块对第一分布反馈激光器和第二分布反馈激光器实现载波锁相，第二分布反馈激光器作为本振激光器，本振光具有极高功率，大大提高链路增益与信噪比；通过设置第二环形谐振器对第二分布反馈激光器引入自注入锁定效应，压窄了第二分布反馈激光器的线宽，降低了锁相模块对于环路延迟的要求。同时由于避免了调制器的使用，使得本申请的微波光子接收装置具有体积小，功耗低的优势。
参考图1，图1示出了本申请实施例提供的微波光子接收装置的模块结构示意图。为了便于说明，仅示出了于本申请相关的部分，该微波光子接收装置100包括：
第一分布反馈激光器101、第二分布反馈激光器108、硅基外腔113、锁相模块105和第一光电探测器112。
硅基外腔113内设有第一环形谐振器103、第二环形谐振器106、第一合波分波模块102、第二合波分波模块107、第三合波分波模块104、第四合波分波模块111、第一滤波模块109和第二滤波模块110。第一分布反馈激光器101和第二分布反馈激光器108与硅基外腔113耦合。
其中，第一分布反馈激光器101的输入端接入高频微波信号，第一分布反馈激光器101的输出端与第一合波分波模块102的输入端连接，第一合波分波模块102的输出端与第一环形谐振器103的输入端和下载端分别连接，其中输入端连接直通端，下载端连接上传端。第二分布反馈激光器108的输出端与第二合波分波模块107的输入端连接，第二合波分波模块107的输出端与第二环形谐振器106的输入端和下载端分别连接，输入端连接直通端，下载端连接上传端。第一环形谐振器103的直通端与第二环形谐振器106的直通端共同连接第三合波分波模块104的输入端，第三合波分波模块104的输出端连接锁相模块105的输入端，锁相模块105的输出端与第二环形谐振器106的热电极连接。第一环形谐振器103的上传端与第一滤波模块109的输入端连接。第二环形谐振器106的上传端与第二滤波模块110的输入端连接。第一滤波模块109的输出端和第二滤波模块110的输出端合并连接第四合波分波模块111的输入端，第四合波分波模块111的输出端连接第一光电探测器112的输入端。
其中，第一分布反馈激光器101、第二分布反馈激光器108与硅基外腔的连接方式为直接端面耦合，空间对准。
第一合波分波模块102、第一环形谐振器103、第一滤波模块109以及第三合波分波模块104，它们同在硅基外腔内，它们之间的连接是光波导连接。同理，第二合波分波模块107、第二环形谐振器106、第二滤波模块110以及第三合波分波模块104，它们同在硅基外腔内，它们之间的连接是光波导连接。
第四合波分波模块111和第一光电探测112之间采用光纤连接，第四合波分波模块104输出的光信号进入第一光电探测器112转化为电信号进行输出。
第三合波分波模块104和锁相模块105之间采用光纤连接，第三合波分波模块104输出的光信号进入锁相模块后转化为电信号，电信号输出至第二环形谐振器106的热电极上。
在本实施例中，第一分布反馈激光器和第二分布反馈激光器可以是任意型号的DFB激光器。第一分布反馈激光器作为调制激光器，第二分布反馈激光器作为本振激光器。
在本实施例中，第一光电探测器用于将光信号转化为电信号，锁相模块也用于将光信号转化为电信号。
在本实施例中，第一环形谐振器和第二环形谐振器为微环谐振器(Micro-RingResonator，MRR)，MRR成本低、结构紧凑、集成度高、插入损耗小、串扰低；MRR所用的材料选自Si3N4、Si/SiO2、Ta2O5/SiO2、GaAs/AlGaAs、GaInAsP/InP、聚合物等材料。
本申请实施例提供的微波光子接收装置的工作流程如下：
第一分布反馈激光器101接收输入的高频微波信号，第一分布反馈激光器101和第一环形谐振器103共同对高频微波信号进行调制得到调制光信号，如下：第一分布反馈激光器101的部分输出光信号被第一环形谐振器103的外腔反射回到第一分布反馈激光器101的内部，当第一分布反馈激光器101与第一环形谐振器103反射回部分输出光信号的相位匹配时，在高频段激发光子-光子共振，使得第一分布反馈激光器101的调制带宽提高，以对高频微波信号进行调制得到调制光信号。
第二分布反馈激光器108的部分输出光信号被第二环形谐振器106的外腔反射回到第二分布反馈激光器108的内部，当第二分布反馈激光器108与第二环形谐振器106反射回部分输出光信号的相位匹配，且第二环形谐振器反射回的部分输出光信号的强度提升至预设强度时引发自注入锁定效应，以压窄第二分布反馈激光器108的线宽至kHz量级。此处提升至预设强度是指：第二环形谐振器反射回的部分输出光信号的强度超过第二分布反馈激光器输出光信号强度的10％。
第一分布反馈激光器101将调制光信号通过第一合波分波模块114被平均分成两路：第一调制光信号和第二调制光信号。第二分布反馈激光器108发出本振光信号，并通过第二合波分波模块107被平均分成两路：第一本振光信号和第二本振光信号。
第一分布反馈激光器101将第一调制光信号依次经输入端、直通端传输至第三合波分波模块104。第二分布反馈激光器108将第一本振光信号依次经输入端、直通端输至第三合波分波模块104。第三合波分波模块104对第一调制光信号和第一本振光信号进行合波后传输至锁相模块105。锁相模块105根据合波后的第一调制光信号和第一本振光信号输出驱动电压信号至第二环形谐振器106的热电极，第二环形谐振器106根据驱动电压信号改变第二分布反馈激光器108输出光的频率与相位，实现第二分布反馈激光器载108与第一分布反馈激光器101的载波锁相。
在第一分布反馈激光器101与第二分布反馈激光器108载波锁相的同时，第一环形谐振器103将第二调制光信号经下载端、上传端传输至第一滤波模块109，第一滤波模块109对第二调制光信号进行滤波后输出至第四合波分波模块111。第二环形谐振器106将第二本振光信号经下载端、上传端传输至第二滤波模块110，第二滤波模块110对第二本振光信号进行滤波后输出至第四合波分波模块111。第四合波分波模块111将滤波过后的第一调制光信号和滤波后的第二本振光信号合波后输出至第一光电探测器112，第一光电探测器112将滤波过后的第一调制光信号和滤波后的第二本振光信号转化为电信号进行输出，实现从高频微波信号的下变频，得到中频信号。
为了避免调制器的使用，本申请实施例中的信号调制方法采用的是直接调制的方法，即将高频微波信号直接调制在激光器上，这就需要激光器具有足够高的调制带宽。目前商用DFB激光器的调制带宽一般为几GHz，无法满足直接调制的需求，为提高激光器的调制带宽，采用第一环形谐振器103的外腔对第一分布反馈激光器101引入光子-光子共振效应，具体如下：第一分布反馈激光器101的部分输出光信号被第一环形谐振器103的外腔反射回到第一分布反馈激光器101的内部，完成第一环形谐振器103对第一分布反馈激光器101的光反馈，光反馈通过如下过程实现：第一环形谐振器103的外腔可以看作一个反射镜，将第一分布反馈激光器101的部分输出光信号进行反射。第一环形谐振器103反射的这部分光信号通过第一环形谐振器101的下载端和输入端输入到第一合波分波模块102，第一合波分波模块102进行合波后输入到第一分布反馈激光器101，实现第一环形谐振器103对第一分布反馈激光器101的光反馈，当第一分布反馈激光器101与第一环形谐振器103反射回部分输出光信号的相位匹配时，在高频段激发光子-光子共振，第一分布反馈激光器101的直接调制带宽因此能够得到提升，覆盖至Ku波段。
要实现第二分布反馈激光器108与第一分布反馈激光器101的载波锁相，整个链路的光的线宽越窄越好，线宽越窄，实现锁相越容易，锁相的精度也会越高。该实施例中，由于采用了锁相模块105，第二分布反馈激光器108作为本振激光器，其线宽应尽量压窄以降低对环路延迟的要求，本申请中第二环形谐振器106对第二分布反馈激光器108引入自注入锁定效应，抑制了第二分布反馈激光器108内的频率噪声，第二分布反馈激光器108的输出线宽可以显著压窄至kHz量级。
该实施例中，采用第二环形谐振器106对第二分布反馈激光器108引入自注入锁定效应，具体如下：第二分布反馈激光器108的部分输出光信号被第二环形谐振器106的外腔反射回到第二分布反馈激光器108的内部，完成第二环形谐振器106对第二分布反馈激光器108的光反馈，光反馈通过如下过程实现：第二环形谐振器106的外腔可以看作一个反射镜，将第二分布反馈激光器108的部分输出光信号进行反射。第二环形谐振器106反射的这部分光信号通过第二环形谐振器106的下载端和输入端输入到第二合波分波模块107，第二合波分波模块107进行合波后输入到第二分布反馈激光器108，实现第二环形谐振器106对第二分布反馈激光器108的光反馈。当第二分布反馈激光器108的波长在第二环形谐振器106的谐振波长3dB带宽范围内，并且第二环形谐振器106反射回的部分输出光信号的强度提升至超过第二分布反馈激光器108输出光信号强度的10％时引发自注入锁定效应，引发自注入锁定效应，第二分布反馈激光器108处于自注入锁定态，抑制了第二分布反馈激光器108内的频率噪声，第二分布反馈激光器108的输出线宽可以显著压窄至kHz量级。
图2示出了本申请实施例提供的微波光子接收装置工作流程中的频谱图，为了便于说明，仅示出了与本申请相关的部分，详述如下：
其中，图2中的A为第一调制光信号和第二调制光信号的光信号频率，图2中的B为第一本振光信号和第二本振光信号的光信号频率，图2中的C为第四合波分波模块111输出的光信号频率，图2中的D为第一光电探测器输出的信号频率。
第一分布反馈激光器101作为调制激光器，假设第一分布反馈激光器101的载波频率为ω0，第一调制光信号和第二调制光信号的频率均为ω0±ωRF，第二分布反馈激光器108作为本振激光器，载波频率为ωLO，第一本振光信号和第二本振光信号的频率均为ωLO。如图2所示，第二调制光信号的频率为ω0±ωRF，第二本振光信号的频率为ωLO；第二调制光信号和第二本振光信号分别经过第一滤波模块和第二滤波模块滤波之后通过第四合波分波模块111合波。两个激光器的载波由于有外差光锁相，因此可以将本振光信号与调制光信号的频率调节到足够接近，第一光电探测器探测合波后的第二调制光信号和第二本振光信号后就可以将高频微波信号转化为中频信号，中频信号的频率为ω0+ωRF-ωLO，实现对接收到高频微波信号的下变频。
为了简化分析，将第一分布反馈激光器101和第二分布反馈激光器108的振幅均设为1，因为激光器的振幅并不会对相噪造成影响，接收到的中频信号可以表示为：
其中，分别表示了调制激光器即第一分布反馈激光器101、高频微波信号和本振激光器即第二分布反馈激光器108的相位，它们会随着时间变化。由于两个激光器的载波进行外差光锁相，可得：
其中，wref(t)和为参考信号的频率和相位。
综合以上二式，接收到的中频信号可以表示为：
因此，接收到的中频信号的相噪主要取决于参考信号的相噪，而由两个激光器引入的相噪被大大抑制。如果使用一个极低相噪的微波源作为参考信号，那么接收到的中频信号也会具有极低的相噪。
本申请的微波光子接收装置的增益：
考虑50Ω的阻抗匹配，本申请的微波光子接收装置实现高频微波信号下变频的增益可以表示为
其中，P0和PLO为分别为调制激光器即第一分布反馈激光器101和本振激光器即第二分布反馈激光器108的输出光功率，αlink为整个系统的链路损耗，包括激光器与硅基外腔113之间的耦合损耗，硅基外腔113的片内损耗，硅基外腔113和光电探测器之间的损耗。γ为光电探测器的转换效率，J1是一阶贝塞尔函数，XRF为微波信号的调制深度。
在本实施例中，第一合波分波模块102、第二合波分波模块107、第三合波分波模块104、第四合波分波模块111均为多模干涉器(multi-mode inferometer，MMI)。
多模干涉器既可以实现合波，也可以实现分波。以第一合波分波模块102为例，第一合波分波模块102的输入端与第一分布反馈激光器101的输出端连接，第一合波分波模块102的输出端与第一环形谐振器103的输入端和下载端分别连接。第一分布反馈激光器101的输出端输出光信号通过第一合波分波模块102分波成两路分别沿着第一环形谐振器103的输入端和下载端传输。第一环形谐振器103的外腔反射回的第一分布反馈激光器101的部分输出光信号沿着第一环形谐振器103的输入端和下载端传输至第一合波分波模块102实现合波，然后传输到第一分布反馈激光器101内。
本实施例中，第一滤波模块109和第二滤波模块110为微环滤波器，微环滤波器实现对第二调制光信号和第二本振光信号的滤波与处理。
本实施例中，第一环形谐振器103和第二环形谐振器108中心对称设置，第一环形谐振器103和第二环形谐振器106的结构相同。环形谐振器的下载端连接上传端，第一环形谐振器103的上传端连接到第一滤波模块109，第二环形谐振器106的上传端连接到第二滤波模块110。环形谐振器的输入端连接直通端，第一环形谐振器103和第二环形谐振器106的直通端都连接到第三合波分波模块104。
从上述实施例的描述可知，本申请提供的微波光子接收装置不采用调制器对高频微波信号进行下变频，而是使用两个分布反馈激光器、两个环形谐振器以及锁相模块实现对高频微波信号的下变频，通过第一环形谐振器对第一分布反馈激光器引入光子-光子共振效应，显著提高了第一分布反馈激光器的调制带宽，使得调制带宽超过20GHz，覆盖Ku波段，激光器的调制带宽增大后，接收的微波高频信号可以直接调制在第一分布反馈激光器上，避免了调制器的使用。且激光器与硅基外腔直接耦合，混合集成，使得本申请的微波光子接收装置具有体积小，功耗低等优势。通过使用锁相模块对第一分布反馈激光器和第二分布反馈激光器实现载波锁相，第二分布反馈激光器作为本振激光器，本振光具有极高功率，大大提高链路增益与信噪比。第二环形谐振器对第二分布反馈激光器引入自注入锁定效应，压窄了第二分布反馈激光器的线宽，降低了锁相模块对于环路延迟的要求；窄线宽的第二分布反馈激光器作为本振光激光器用于增加变频增益，本振光具有极高功率，可大大提高链路增益与信噪比。激光器与硅基外腔直接耦合，混合集成，通过使用氮化硅波导作为硅基外腔实现低损耗，氮化硅波导与激光器有高模式匹配度，极大降低激光器与硅基外腔的耦合损耗。
参考图3，图3示出了本申请实施例提供的微波光子接收装置的锁相模块的结构示意图。参考图3，该锁相模块105具体包括：
第二光电探测器1051、放大模块1052、鉴相器1053和第三滤波模块1054；
其中，第二光电探测器1051的输入端连接第三合波分波模块104的输出端，第二光电探测器1051的输出端连接放大模块1052的输入端，放大模块1052的输出端连接鉴相器1053的输入端，鉴相器1053的输出端连接第三滤波模块1054的输入端，第三滤波模块1054的输出端连接第二环形谐振器106的热电极。
锁相模块105中的第二光电探测器1051、放大模块1052、鉴相器1053和第三滤波模块1054之间为电信号连接，具体可以通过电路进行连接。
本申请的微波光子接收装置中第一分布反馈激光器101作为调制激光器，由于使用第二分布反馈激光器108作为本振光激光器，两个分布反馈激光器之间要进行载波锁相，以保证激光器之间的相干性与减小两个激光器引入的相噪。因此本申请的实施例中，采用锁相模块105对第一分布反馈激光器101和第二分布反馈激光器108进行载波锁相。
采用锁相模块105对第一分布反馈激光器101和第二分布反馈激光器108进行载波锁相的工作过程为：
第二光电探测器1051根据合波后的第一调制光信号和第一本振光信号输出差频电信号至放大模块1052。放大模块1052对差频电信号进行放大输出至鉴相器1053。鉴相器1053将放大后的差频电信号与参考信号进行比较产生相位误差信号，并将相位误差信号输出至第三滤波模块1054。第三滤波模块1054将相位误差信号滤除高频信号后转化为驱动电压信号输出至述第二环形谐振器106的热电极。
热电极接收驱动电压信号后发热，使得硅基外腔113的温度发生变化，根据热光效应，硅基外腔113的折射率随温度变化而改变。随着硅基外腔113的折射率变化，第二环形谐振器106的谐振频率随之变化。由于自注入锁定效应，第二分布反馈激光器108的输出光频率与第二环形谐振器106的谐振频率相同，并且会随着第二环形谐振器106外腔谐振频率的改变而改变。因此，随着第二环形谐振器106的谐振频率变化，第二分布反馈激光器108输出的调制光信号的频率和相位发生变化，追踪第一分布反馈激光器101输出的本振光信号的频率和相位，以完成与第一分布反馈激光器101的载波锁相。
本实施例中，放大模块1052为低噪声放大器，第三滤波模块1054为环路滤波器。低噪声放大器接收差频电信号，对其进行放大后输出；环路滤波器能够将相位误差信号滤除高频信号后转化为驱动电压信号并输出。
从上述实施例的描述可知，锁相模块对第一分布反馈激光器和第二分布反馈激光器实现了载波锁相，第二分布反馈激光器作为本振激光器，本振光具有极高功率，大大提高链路增益与信噪比。
参考图4，图4示出了本申请实施例提供的另一种微波光子接收装置的结构示意图，微波光子接收装置还包括：第一移相器114和第二移相器115；
其中，第一移相器114设置在第一分布反馈激光器101与第一合波分波模块102之间。第二移相器115设置在第二分布反馈激光器108与第二合波分波模块107之间。本申请中第二分布反馈激光器108与第一分布反馈激光器107之间相位锁定，设置第一移相器114和第二移相器115可以在微波光子接收装置工作过程中不断对波的相位进行调整，以实现两个激光器之间最佳的锁定态。
作为本申请一可选实施例，硅基外腔113为氮化硅波导，氮化硅波导的优势为低损耗，与分布反馈激光器有高模式匹配度，可以极大降低分布反馈激光器与硅基外腔的耦合损耗，并且还可以实现低传输损耗。相较于现有技术中由基于外部调制器的分立器件组成的微波光子接收装置，本申请中激光器和硅基外腔是混合集成在一起的，具有体积小，低功耗的优势。
本申请实施例还提供了一种信号调制方法，该信号调制方法应用到本申请实施例中的微波光子接收装置，包括：
第一分布反馈激光器101接收输入的高频微波信号，第一分布反馈激光器101和第一环形谐振器103共同对高频微波信号进行调制得到调制光信号，如下：第一分布反馈激光器101的部分输出光信号被第一环形谐振器103的外腔反射回到第一分布反馈激光器101的内部，当第一分布反馈激光器101与第一环形谐振器103反射回部分输出光信号的相位匹配时，在高频段激发光子-光子共振，使得第一分布反馈激光器101的调制带宽提高，以对高频微波信号进行调制得到调制光信号。
第二分布反馈激光器108的部分输出光信号被第二环形谐振器106的外腔反射回到第二分布反馈激光器108的内部，当第二分布反馈激光器108与第二环形谐振器106反射回部分输出光信号的相位匹配，且第二环形谐振器106反射回的部分输出光信号的强度提升至预设强度时引发自注入锁定效应，以压窄第二分布反馈激光器108的线宽至kHz量级；
第一分布反馈激光器101将调制光信号通过第一合波分波模块114被平均分成两路：第一调制光信号和第二调制光信号。第二分布反馈激光器108发出本振光信号，并通过第二合波分波模块107被平均分成两路：第一本振光信号和第二本振光信号。
第一分布反馈激光器101将第一调制光信号依次经输入端、直通端传输至第三合波分波模块104。第二分布反馈激光器108将第一本振光信号依次经输入端、直通端输至第三合波分波模块104。第三合波分波模块104对第一调制光信号和第一本振光信号进行合波后传输至锁相模块105。锁相模块105根据合波后的第一调制光信号和第一本振光信号输出驱动电压信号至第二环形谐振器106的热电极，第二环形谐振器106根据驱动电压信号改变第二分布反馈激光器108输出光的频率与相位，实现第二分布反馈激光器载108与第一分布反馈激光器101的载波锁相。
在第一分布反馈激光器101与第二分布反馈激光器108载波锁相的同时，第一环形谐振器103将第二调制光信号经下载端、上传端传输至第一滤波模块109，第一滤波模块109对第二调制光信号进行滤波后输出至第四合波分波模块111。第二环形谐振器106将第二本振光信号经下载端、上传端传输至第二滤波模块110，第二滤波模块110对第二本振光信号进行滤波后输出至第四合波分波模块111。第四合波分波模块111将滤波过后的第一调制光信号和滤波后的第二本振光信号合波后输出至第一光电探测器112，第一光电探测器112将滤波过后的第一调制光信号和滤波后的第二本振光信号转化为中频信号进行输出。
作为本申请一可选实施例，锁相模块105包括：第二光电探测器1051、放大模块1052、鉴相器1053和第三滤波模块1054；其中，第二光电探测器1051的输出端连接放大模块1052的输入端，放大模块1052的输出端连接鉴相器1053的输入端，鉴相器1053的输出端连接第三滤波模块1054的输入端，第三滤波模块1054的输出端连接第二环形谐振器106的热电极。
采用锁相模块105对第一分布反馈激光器101和第二分布反馈激光器108进行载波锁相，包括：
第二光电探测器1051接收第三合波分波模块104输出的光信号后输出差频电信号至放大模块1052。放大模块1052对差频电信号进行放大输出至鉴相器1053。鉴相器1053将放大后的差频电信号与参考信号进行比较产生相位误差信号，并将相位误差信号输出至第三滤波模块1054。第三滤波模块1054将相位误差信号滤除高频信号后转化为驱动电压信号输出至第二环形谐振器106的热电极，第二环形谐振器106的谐振频率发生变化，第二分布反馈激光器108输出光的频率与相位随之改变，与第一分布反馈激光器101实现载波锁相。
本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的发明后，将容易想到本申请的其它实施方案。本申请旨在涵盖本申请的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本申请的一般性原理并包括本申请未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本申请的真正范围和精神由下面的权利要求书指出。
应当理解的是，本申请并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本申请的范围仅由所附的权利要求书来限制。
Claims (10)
1.一种微波光子接收装置，其特征在于，包括：
第一分布反馈激光器、第二分布反馈激光器、硅基外腔、锁相模块和第一光电探测器；
所述硅基外腔内设有第一环形谐振器、第二环形谐振器、第一合波分波模块、第二合波分波模块、第三合波分波模块、第四合波分波模块、第一滤波模块和第二滤波模块；所述第一分布反馈激光器和所述第二分布反馈激光器与所述硅基外腔耦合；
其中，所述第一分布反馈激光器的输入端接入高频微波信号，所述第一分布反馈激光器的输出端与第一合波分波模块的输入端连接，所述第一合波分波模块的输出端与所述第一环形谐振器的输入端和下载端分别连接，其中所述输入端连接直通端，所述下载端连接上传端；所述第二分布反馈激光器的输出端与所述第二合波分波模块的输入端连接，所述第二合波分波模块的输出端与所述第二环形谐振器的输入端和下载端分别连接，所述输入端连接直通端，所述下载端连接上传端；所述第一环形谐振器的直通端与所述第二环形谐振器的直通端共同连接第三合波分波模块的输入端，所述第三合波分波模块的输出端连接所述锁相模块的输入端，所述锁相模块的输出端与所述第二环形谐振器的热电极连接；所述第一环形谐振器的上传端与所述第一滤波模块的输入端连接；所述第二环形谐振器的上传端与所述第二滤波模块的输入端连接；所述第一滤波模块的输出端和所述第二滤波模块的输出端合并连接第四合波分波模块的输入端，所述第四合波分波模块的输出端连接所述第一光电探测器的输入端。
2.根据权利要求1所述的微波光子接收装置，其特征在于，所述锁相模块包括：
第二光电探测器、放大模块、鉴相器和第三滤波模块；
其中，所述第二光电探测器的输出端连接所述放大模块的输入端，所述放大模块的输出端连接所述鉴相器的输入端，所述鉴相器的输出端连接所述第三滤波模块的输入端，所述第三滤波模块的输出端连接所述第二环形谐振器的热电极。
3.根据权利要求2所述的微波光子接收装置，其特征在于，所述放大模块为低噪声放大器；所述第三滤波模块为环路滤波器。
4.根据权利要求1所述的微波光子接收装置，其特征在于，还包括：第一移相器和第二移相器；
其中，所述第一移相器设置在所述第一分布反馈激光器与所述第一合波分波模块之间；所述第二移相器设置在所述第二分布反馈激光器与所述第二合波分波模块之间。
5.根据权利要求1至4任一项所述的微波光子接收装置，其特征在于，所述第一合波分波模块、第二合波分波模块、第三合波分波模块、第四合波分波模块为多模干涉器。
6.根据权利要求1至4任一项所述的微波光子接收装置，其特征在于，所述第一滤波模块和第二滤波模块为微环滤波器。
7.根据权利要求1至4任一项所述的微波光子接收装置，其特征在于，所述第一环形谐振器和所述第二环形谐振器的结构相同；第一环形谐振器和第二环形谐振器中心对称设置。
8.根据权利要求1至4任一项所述的微波光子接收装置，其特征在于，所述硅基外腔为氮化硅波导。
9.一种信号调制方法，其特征在于，应用到如权利要求1至8任一项所述的微波光子接收装置，包括：
所述第一分布反馈激光器接收输入的高频微波信号，所述第一分布反馈激光器和所述第一环形谐振器共同对所述高频微波信号进行调制得到调制光信号，如下：所述第一分布反馈激光器的部分输出光信号被所述第一环形谐振器的外腔反射回到第一分布反馈激光器的内部，当所述第一分布反馈激光器与所述第一环形谐振器反射回部分输出光信号的相位匹配时，在高频段激发光子-光子共振，使得所述第一分布反馈激光器的调制带宽提高，以对所述高频微波信号进行调制得到调制光信号；
所述第二分布反馈激光器的部分输出光信号被所述第二环形谐振器的外腔反射回到第二分布反馈激光器的内部，当所述第二分布反馈激光器与所述第二环形谐振器反射回部分输出光信号的相位匹配，且所述第二环形谐振器反射回的部分输出光信号的强度提升至预设强度时引发自注入锁定效应，以压窄第二分布反馈激光器的线宽至kHz量级；
所述第一分布反馈激光器将所述调制光信号通过第一合波分波模块被平均分成两路：第一调制光信号和第二调制光信号；所述第二分布反馈激光器发出本振光信号，并通过第二合波分波模块被平均分成两路：第一本振光信号和第二本振光信号；
所述第一分布反馈激光器将所述第一调制光信号依次经输入端、直通端传输至所述第三合波分波模块；所述第二分布反馈激光器将所述第一本振光信号依次经输入端、直通端输至所述第三合波分波模块；所述第三合波分波模块对所述第一调制光信号和所述第一本振光信号进行合波后传输至所述锁相模块；所述锁相模块根据合波后的第一调制光信号和第一本振光信号输出驱动电压信号至所述第二环形谐振器的热电极，所述第二环形谐振器根据所述驱动电压信号改变所述第二分布反馈激光器输出光的频率与相位，实现所述第二分布反馈激光器与所述第一分布反馈激光器的载波锁相；
在所述第一分布反馈激光器与所述第二分布反馈激光器载波锁相的同时，所述第一环形谐振器将第二调制光信号经下载端、上传端传输至所述第一滤波模块，所述第一滤波模块对所述第二调制光信号进行滤波后输出至所述第四合波分波模块；所述第二环形谐振器将第二本振光信号经下载端、上传端传输至所述第二滤波模块，所述第二滤波模块对所述第二本振光信号进行滤波后输出至所述第四合波分波模块；所述第四合波分波模块将滤波过后的第一调制光信号和滤波后的第二本振光信号合波后输出至所述第一光电探测器，所述第一光电探测器将滤波过后的第一调制光信号和滤波后的第二本振光信号转化为中频信号进行输出。
10.根据权利要求9所述的信号调制方法，其特征在于，所述锁相模块包括：第二光电探测器、放大模块、鉴相器和滤波模块；其中，所述光电探测器的输出端连接所述放大模块的输入端，所述放大模块的输出端连接所述鉴相器的输入端，所述鉴相器的输出端连接所述滤波模块的输入端，所述滤波模块的输出端连接所述第二环形谐振器的热电极；
所述锁相模块根据合波后的第一调制光信号和第一本振光信号输出驱动电压信号至所述第二环形谐振器的热电极，所述第二环形谐振器根据所述驱动电压信号改变所述第二分布反馈激光器的频率与相位，实现所述第二分布反馈激光器与所述第一分布反馈激光器的载波锁相，包括：
所述第二光电探测器根据所述合波后的第一调制光信号和第一本振光信号输出差频电信号至所述放大模块；所述放大模块对差频电信号进行放大输出至鉴相器；所述鉴相器将放大后的差频电信号与参考信号进行比较产生相位误差信号，并将相位误差信号输出至滤波模块；所述滤波模块将相位误差信号滤除高频信号后转化为驱动电压信号输出至所述第二环形谐振器的热电极；
所述热电极接收所述驱动电压信号后发热，使得硅基外腔的温度发生变化，根据热光效应，所述硅基外腔的折射率随温度变化而改变；随着所述硅基外腔的折射率变化，所述第二环形谐振器的谐振频率随之变化；随着所述第二环形谐振器的谐振频率变化，所述第二分布反馈激光器输出的调制光信号的频率和相位发生变化，追踪所述第一分布反馈激光器输出的本振光信号的频率和相位，以完成与所述第一分布反馈激光器的载波锁相。
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