CN115037380B - 幅度相位可调的集成微波光子混频器芯片及其控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种幅度相位可调的集成微波光子混频器芯片及其控制方法。该芯片可基于绝缘体上硅(Silicon on Insulator,SOI)和磷化铟(InP)半导体加工工艺制造而成。InP基半导体用来制备高功率激光器芯片，SOI基半导体用来制备硅基马赫增德尔调制器、锗硅探测器、光滤波器等光器件。InP基与SOI基芯片通过异构集成实现该混频器芯片的整体集成。通过调控调制器和光滤波器工作状态，实现混频信号的幅度和相位可调。由于该芯片基于CMOS硅光工艺，具有低功耗和低成本优势。除此之外，该混频器在光域实现了射频信号的混频，具有超宽带、抗电磁干扰等优势。因此可以用于超宽带无线通信和雷达系统。

Description

幅度相位可调的集成微波光子混频器芯片及其控制方法
技术领域
本发明涉及一种幅度相位可调的集成微波光子混频器芯片及其控制方法，特别涉及两种不同材料平台的光子集成芯片。
背景技术
微波混频器是被广泛应用到雷达、遥感、射频通讯收发等现代电子系统中重要的器件之一。在通信系统发射端，经过调制的微波信号需要经过混频器实现上变频再由天线发射；在通信系统的接收端，经过天线接收到的高频信号经混频器下变频，再经过信号处理器进行信号分析。传统的微波混频器是基于二极管或晶体管等电子器件实现。受限于带宽小、增益低、动态范围小、抗电磁干扰能力弱等缺点，无法实现高频宽带混频。而基于微波与光子技术结合的微波光子学可以有效解决以上问题。
相比于传统电混频器，微波光子混频器具有大带宽、低功耗、低损耗和抗电磁干扰等优点。目前，微波光子混频器大多基于分立的光器件搭建而成，例如使用将本振信号与射频信号合束后共同调制直调激光器，经外部光电探测器解调后产生中频信号。该方案结构简单，但受限于直调激光器带宽，其混频带宽较低。为了提高混频系统的工作带宽，可以基于外调制器的微波光子混频方案，本振信号与射频信号同时调制一个外部商用铌酸锂马赫增德尔调制器的一个调制臂或分别调制其两个调制臂，最后输出经外部光电探测器解调出中频信号。该方案虽然提升了混频器的工作带宽。除此之外，还可以通过级联、并联等多种调制器组合方式实现高性能微波光子混频器，但是由于分立光器件具有体积大、功耗高、稳定性和可靠性较差，因此不利于微波光子混频器的实用化和商业化，因此迫切需要微波光子混频器的小型化、集成化，同时降低功耗，提升其可靠性和稳定性。
目前，比较成熟的光子集成平台有SiN、InP和SOI (Silicon on Insulator)。SiN具有低损耗、高功率容限等优势，可以生产性能极佳的无源光器件，但是由于不能集成激光器、调制器和探测器等有源器件，因此不能基于该平台设计微波光子混频器。InP和SOI光子集成平台均可以集成调制器、探测器和光子无源器件，但是InP晶圆小、材料折射率差小，因而集成密度低。除此之外，InP光芯片的良率非常低，因此其生产成本非常高。而SOI由于具有CMOS兼容、材料折射率差大等优势，因此生产成本低，并且集成密度大，具有大规模量产的潜力，但是硅材料是间接带隙半导体，不能制备光源。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明提供了一种幅度相位可调的集成微波光子混频器芯片及其控制方法。本发明结合InP和SOI半导体工艺的各自特点，
该芯片的发明，不仅减小了传统微波光子混频器的体积，并且具备幅度相位调控的功能，打破传统微波光子混频器仅具备上下变频的功能，将大大减小无线通信、微波相控阵雷达等应用的系统体积，降低其系统复杂度，优化整体性能。
本发明的方案如下：
本发明首先提供了一种幅度相位可调的集成微波光子混频器芯片，所述混频器芯片包括InP光芯片和SOI(Silicon on Insulator)光芯片；
所述InP光芯片上集成了激光器和与激光器相连的InP端面耦合器（InP-basedEdge Coupler，InP-EC）；
所述SOI光芯片上集成了硅基端面耦合器（Silicon-based Edge Coupler，Si-EC)、第一硅基载流子耗尽型马赫增德尔调制器（Silicon-based Carrier-depletionMach-Zehnder Modulator，Si-MZM1）、第二硅基载流子耗尽型马赫增德尔调制器（Si-MZM2）、可调光衰减器(Variable Optical attenuator, VOA)、第三热光移相器（Thermal-Optic Phase Shifter，TOPS3）、用于光信号分束的1×2多模耦合干涉仪（MultimodeInterferometer for Splliter，MMI_S）、用于光信号合束的1×2多模耦合干涉仪（Multimode Interferometer for Combiner，MMI_C)、第一光带通滤波器（OpticalBandpass Filter, OBF1）、第二光带通滤波器（OBF2）以及锗硅光电探测器（GermaniumPhotodetector，GePD）；
其中，InP-EC为InP光芯片的光信号输出端，Si-EC为SOI光芯片的输入端，InP-EC与Si-EC耦合，Si-EC与MMI_S相连，MMI_S将光信号分束并分别输入到Si-MZM1和Si-MZM2中，Si-MZM1的输出端信号顺次经过OBF1、VOA 和TOPS3后连接MMI_C 的一个输入端，Si-MZM1的输出端信号经过OBF2后连接MMI_C 的另一个输入端； MMI_C将输入的两路信号合束，MMI_C的输出端与GePD连接。
本发明还提供了一种基于所述幅度相位可调的集成微波光子混频器芯片的控制方法，其包括如下步骤：
1）InP光芯片上的激光器产生频率为f 0的光信号，并经过InP-EC耦合到SOI光芯片上的Si-EC；光信号经MMI_S功分为两路，分别输入到Si-MZM1和Si-MZM2中；
2）使Si-MZM1和Si-MZM2内的PN结移相器工作在PN结反向偏置区；分别调控Si-MZM1和Si-MZM2上的热光移相器，使Si-MZM1和Si-MZM2均工作在最小工作点；
3）频率为f LO的本振信号调制Si-MZM1；频率为f RF的射频信号调制Si-MZM2；Si-MZM1和Si-MZM2分别实现载波抑制双边带调制；Si-MZM1输出的边带信号频率为f 0±f LO，Si-MZM2输出的边带信号频率为f 0± f RF；
4）通过调控OBF1和OBF2实现载波抑制单边带调制；通过调控VOA的驱动电压来调控Si-MZM1光边带信号的功率，进而调控混频后信号的幅度；通过调控TOPS3上的驱动电压，进而调控Si-MZM1与Si-MZM2输出的边带信号之间的相位差，进而实现混频信号相位的调控。
根据本发明的优选实施例，当需要实现上变频时，此时f RF<f LO，所述的步骤4）为：利用OBF1滤除频率为f 0-f LO的光边带信号，利用OBF2滤除频率为f 0+f RF的光边带信号，保留频率分别为f 0+ f LO和f 0-f RF的边带信号，信号经过MMI_C合束并输入到与其级联的GePD中，解调出频率为f LO+f RF的上变频信号。
根据本发明的优选实施例，当需要实现下变频时，此时f RF>f LO，所述的步骤4）为：利用OBF1滤除频率为f 0-f LO光边带信号，利用OBF2滤除频率为f 0- f RF的光边带信号，保留频率分别为f 0+ f LO和f 0+f RF的边带信号，信号经过MMI_C合束并输入到与其级联的GePD中，解调出频率为f RF-f LO的下变频信号。
相比于传统微波光子混频器，该发明的有益效果是，利用光子集成技术，实现了微波光子混频器的集成化、小型化。同时该芯片结构简单，通过控制调制器工作点并利用光滤波器滤除其中一个边带信号，实现载波抑制单边带调制，提高了混频信号的纯净度和动态范围。除此之外，相比于传统微波光子混频器仅具有变频功能，该芯片还可以实现对混频信号幅度和相位的调控，增强了混频器信号处理的灵活性，将在无线通信和相控阵雷达系统中发挥重要作用。
附图说明
图1是所发明幅度相位可调的集成微波光子混频器芯片的整体示意图。
图2是SOI光芯片上Si-MZM传输曲线示意图。
图3是SOI光芯片上OBF的传输曲线示意图。
图4是微波光子混频器芯片工作在上变频时的频谱示意图。
图5是微波光子混频器芯片工作在下变频时的频谱示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明做进一步阐述和说明。所述实施例仅是本公开内容的示范且不圈定限制范围。本发明中各个实施方式的技术特征在没有相互冲突的前提下，均可进行相应组合。
如图1所示，本实施例提供的幅度相位可调的集成微波光子混频器芯片，其包括两个不同材料体系制备的光芯片，一个是InP光芯片，另一个是SOI光芯片。
所述SOI光芯片上集成了硅基端面耦合器（Silicon-based Edge Coupler，Si-EC)、第一硅基载流子耗尽型马赫增德尔调制器（Silicon-based Carrier-depletionMach-Zehnder Modulator，Si-MZM1）、第二硅基载流子耗尽型马赫增德尔调制器（Si-MZM2）、可调光衰减器(Variable Optical attenuator, VOA)、第三热光移相器（Thermal-Optic Phase Shifter，TOPS3）、用于光信号分束的1×2多模耦合干涉仪（MultimodeInterferometer for Splliter，MMI_S）、用于光信号合束的1×2多模耦合干涉仪（Multimode Interferometer for Combiner，MMI_C)、第一光带通滤波器（OpticalBandpass Filter, OBF1）、第二光带通滤波器（OBF2）以及锗硅光电探测器（GermaniumPhotodetector，GePD）。
InP-EC为InP光芯片的光信号输出端，Si-EC为SOI光芯片的输入端，InP-EC与Si-EC耦合，Si-EC与MMI_S相连，MMI_S将光信号分束并分别输入到Si-MZM1和Si-MZM2中，Si-MZM1的输出端信号顺次经过OBF1、VOA 和TOPS3后连接MMI_C 的一个输入端，Si-MZM1的输出端信号经过OBF2后连接MMI_C 的另一个输入端； MMI_C将输入的两路信号合束，MMI_C的输出端与GePD连接。
在本发明的优选实施例中，所述的Si-MZM1和Si-MZM2的结构相同。
进一步优化的，所述的Si-MZM1和Si-MZM2均包括两个1×2的多模耦合干涉仪、两个调制臂；其中，两个调制臂上各有一个PN结移相器，其中一个调制臂上还设有一个热光移相器；一个1×2的多模耦合干涉仪为输入端将信号分束后分别输入两个调制臂，两个调制臂的输出经另一个1×2的多模耦合干涉仪合束后输出。
具体的，如图1所示，Si-MZM1由两个1×2 MMI（MMI_11和MMI_12）、两个PN结移相器、一个热光移相器(Thermal-Optic Phase Shifter, TOPS1)组成。MMI_12后连接一个光带通滤波器OBF1、可调光衰减器(Variable Optical attenuator, VOA)和热光移相器TOPS3。
Si-MZM2由两个1×2 MMI（MMI_21和MMI_22）、两个PN结移相器、一个热光移相器(Thermal-Optic Phase Shifter, TOPS2)组成。
在本发明的优选实施例中，所述Si-MZM1和Si-MZM2内的PN结移相器工作在PN结反向偏置区；通过调控Si-MZM1和Si-MZM2上的热光移相器，使Si-MZM1和Si-MZM2均工作在最小工作点。
在本发明的优选实施例中，频率为f LO的本振信号调制Si-MZM1；频率为f RF的射频信号调制Si-MZM2；Si-MZM1输出的边带信号频率为f 0±f LO，Si-MZM2输出的边带信号频率为f 0±f RF；所述OBF1和OBF2能够对Si-MZM1和Si-MZM2输出的双边带信号中的一个边带进行滤波。
在本发明的优选实施例中，所述的可调光衰减器(VOA)为1×1热光开关或PIN离子注入型移相器。本实施例选择PIN离子注入型VOA；
在本发明的优选实施例中，所述OBF1和OBF2为高品质因子微环谐振腔或者相移光栅，品质因子在104以上；所述微环谐振腔集成有一个热电极移相器。 OBF1和OBF2集成的热电极移相器分别为TOPSO1和TOPSO2。
激光器输出频率为f 0的光信号，经过Si-EC耦合到SOI光芯片中并经MMI_S功分到Si-MZM1和Si-MZM2中，对应输入Si-MZM1和Si-MZM2的光频谱如图4中的(a)或图5中的(a)所示。
对Si-MZM1和Si-MZM2上的PN结移相器分别施加反向偏置电压使其工作在反偏区，一般情况下，反偏电压为-3V。
通过调控Si-MZM上热光移相器TOPS的驱动电压实现对其工作点的调控，图2给出了Si-MZM关于热电极驱动电压的传输曲线。改变TOPS1和TOPS2上的驱动电压，使Si-MZM1和Si-MZM2均工作在最小工作点，实现载波抑制双边带调制，此时两个调制器输出的平均光功率达到极小值。
频率分别为f LO和f RF的本振信号和射频信号分别调制Si-MZM1和Si-MZM2。
当需要对射频信号进行上变频时，即f RF<f LO，Si-MZM1和Si-MZM2输出信号的光频谱如图4中的(b)和图4中的(d)所示。当需要对射频信号进行下变频时，即f RF>f LO，Si-MZM1和Si-MZM2输出信号的光频谱如图5中的(b)和图5中的(d)所示。
为了实现载波抑制单边带调制，需要对Si-MZM1和Si-MZM2中不需要的边带进行滤波。光滤波器OBF的传输曲线如图3所示，其谐振频率为f res，通过调控OBF上的热光移相器TOPS实现对谐振频率的调控。
当需要对射频信号进行上变频时，即f RF<f LO，调控OBF1中的热光移相器TOPSO1，使OBF1的谐振频率f res1= f 0-f LO，这样就可以将边带信号f 0-f LO滤掉，保留边带信号f 0+f LO，对应光频谱如图4中的(c)所示；调控OBF2中的热光移相器TOPSO2，使OBF2的谐振频率f res2= f 0+f RF，这样就可以将边带信号f 0+f RF滤掉，保留边带信号f 0-f RF，对应光频谱如图4中的(e)所示。
边带信号f 0+f LO与f 0-f RF经MMI_C合束并输入到GePD中进行解调，可得到频率为f LO+f RF的上变频混频信号；通过调控TOPS3和VOA上的驱动电压，可以调控输出混频信号的相位和幅度。
当需要对射频信号进行下变频时，即f RF>f LO，调控OBF1中的热光移相器TOPSO1，使OBF1的谐振频率f res1= f 0-f LO，这样就可以将边带信号f 0-f LO滤掉，保留边带信号f 0+f LO，对应光频谱如图5中的(c)所示；调控OBF2中的热光移相器TOPSO2，使OBF2的谐振频率f res2= f 0-f RF，这样就可以将边带信号f 0-f RF滤掉，保留边带信号f 0+f RF，对应光频谱如图5中的(e)所示。
边带信号f 0+f LO与f 0+f RF经MMI_C合束并输入到GePD中进行解调，可得到频率为f RF-f LO的下变频混频信号；通过调控TOPS3和VOA上的驱动电压，可以调控输出混频信号的相位和幅度。
当需要实现下变频时，此时f RF>f LO利用OBF1滤除频率为f 0-f LO光边带信号，利用OBF2滤除频率为f 0-f RF的光边带信号，保留频率分别为f 0+ f LO和f 0+f RF的边带信号，经过1×2MMI合束并输入到与其级联的GePD中，解调出频率为f RF-f LO的下变频信号。
通过调控VOA的驱动电压来调控f 0+ f LO光边带信号的功率，进而调控混频后信号的幅度；通过调控TOPS3上的驱动电压，进而调控f 0+ f LO与f 0-f RF/f 0+f RF之间的相位差，进而实现混频信号相位的调控。
根据以上步骤，基于InP和SOI光子集成平台，可以设计制备出相位幅度可调的集成微波光子混频器，该芯片的制备可以极大的降低传统微波光子混频器体积、功耗和成本，同时增加混频器的灵活性和幅度相位可调谐性，将在无线通信和相控阵雷达系统中发挥重要作用。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种基于幅度相位可调的集成微波光子混频器芯片的控制方法，其特征在于，所述混频器芯片包括InP光芯片和SOI光芯片；
所述InP光芯片上集成了激光器和与激光器相连的InP端面耦合器InP-EC；
所述SOI光芯片上集成了硅基端面耦合器Si-EC、第一硅基载流子耗尽型马赫增德尔调制器Si-MZM1、第二硅基载流子耗尽型马赫增德尔调制器Si-MZM2、可调光衰减器VOA、第三热光移相器TOPS3、用于光信号分束的1×2多模耦合干涉仪MMI_S、用于光信号合束的1×2多模耦合干涉仪MMI_C、第一光带通滤波器OBF1、第二光带通滤波器OBF2以及锗硅光电探测器GePD；
其中，InP-EC为InP光芯片的光信号输出端，Si-EC为SOI光芯片的输入端，InP-EC与Si-EC耦合，Si-EC与MMI_S相连，MMI_S将光信号分束并分别输入到Si-MZM1和Si-MZM2中，Si-MZM1的输出端信号顺次经过OBF1、VOA 和TOPS3后连接MMI_C 的一个输入端，Si-MZM2的输出端信号经过OBF2后连接MMI_C 的另一个输入端； MMI_C将输入的两路信号合束，MMI_C的输出端与GePD连接；
所述控制方法包括如下步骤：
1）InP光芯片上的激光器产生频率为f 0的光信号，并经过InP-EC耦合到SOI光芯片上的Si-EC；光信号经MMI_S功分为两路，分别输入到Si-MZM1和Si-MZM2中；
2）使Si-MZM1和Si-MZM2内的PN结移相器工作在PN结反向偏置区；分别调控Si-MZM1和Si-MZM2上的热光移相器，使Si-MZM1和Si-MZM2均工作在最小工作点；
3）频率为f LO的本振信号调制Si-MZM1；频率为f RF的射频信号调制Si-MZM2；Si-MZM1和Si-MZM2分别实现载波抑制双边带调制；Si-MZM1输出的边带信号频率为f 0±f LO，Si-MZM2输出的边带信号频率为f 0±f RF；
4）通过调控OBF1和OBF2实现载波抑制单边带调制；通过调控VOA的驱动电压来调控Si-MZM1光边带信号的功率，进而调控混频后信号的幅度；通过调控TOPS3上的驱动电压，进而调控Si-MZM1与Si-MZM2输出的边带信号之间的相位差，进而实现混频信号相位的调控。
2.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于，当需要实现上变频时，此时f RF<f LO，所述的步骤4）为：利用OBF1滤除频率为f 0-f LO的光边带信号，利用OBF2滤除频率为f 0+f RF的光边带信号，保留频率分别为f 0+f LO和f 0-f RF的边带信号，信号经过MMI_C合束并输入到与其级联的GePD中，解调出频率为f LO+f RF的上变频信号。
3.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于，当需要实现下变频时，此时f RF>f LO，所述的步骤4）为：利用OBF1滤除频率为f 0-f LO光边带信号，利用OBF2滤除频率为f 0-f RF的光边带信号，保留频率分别为f 0+f LO和f 0+f RF的边带信号，信号经过MMI_C合束并输入到与其级联的GePD中，解调出频率为f RF-f LO的下变频信号。
4.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于，所述的Si-MZM1和Si-MZM2的结构相同。
5.根据权利要求1或4所述的控制方法，其特征在于，所述的Si-MZM1和Si-MZM2均包括两个1×2的多模耦合干涉仪、两个调制臂；其中，两个调制臂上各有一个PN结移相器，其中一个调制臂上还设有一个热光移相器；一个1×2的多模耦合干涉仪为输入端将信号分束后分别输入两个调制臂，两个调制臂的输出经另一个1×2的多模耦合干涉仪合束后输出。
6.根据权利要求5所述的控制方法，其特征在于，所述Si-MZM1和Si-MZM2内的PN结移相器工作在PN结反向偏置区；通过调控Si-MZM1和Si-MZM2上的热光移相器，使Si-MZM1和Si-MZM2均工作在最小工作点。
7.根据权利要求5所述的控制方法，其特征在于，频率为f LO的本振信号调制Si-MZM1；频率为f RF的射频信号调制Si-MZM2；Si-MZM1输出的边带信号频率为f 0±f LO，Si-MZM2输出的边带信号频率为f 0±f RF；所述OBF1和OBF2能够对Si-MZM1和Si-MZM2输出的双边带信号中的一个边带进行滤波。
8.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于，所述的可调光衰减器VOA为1×1热光开关或PIN离子注入型移相器。
9.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于，所述OBF1和OBF2为微环谐振腔或者相移光栅；所述微环谐振腔集成有一个热电极移相器。
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